气相色谱-质谱联用技术读书报告.doc

气相色谱-质谱联用技术读书报告陈其颢南京信息工程大学环境科学系，南京 210044摘要：本文介绍了GC-MS联用技术的发展过程，GC-MS联用仪的组成和工作原理，对GC-MS法和GC法进行了比较，说明了GC-MS联用仪的操作要点，并介绍了其应用现状。关键词：GC-MS联用；色谱；质谱1 概述在色谱联用仪中，气相色谱和质谱联用仪（GC-MS）是开发最早的色谱联用仪器，气-质联用法综合了气相色谱和质谱的优点，可同时完成待测组分的分离和鉴定。在GC-MS中色谱与质谱的关系是：气相色谱是质谱的样品预处理器，质谱是气相色谱的检测器。自1957年霍姆斯（Holmes JC）和莫雷尔（Morrell FA）首次实现气相色谱和质谱联用以后，这一技术得到长足的发展。由于从气相色谱柱分离后的样品呈气态，流动相也是气体，与质谱的进样要求相匹配，最容易将这两种仪器联用， 而且气-质联用法综合了气相色谱和质谱的优点，弥补了各自的缺陷，因而具有灵敏度高、分析速度快和鉴别能力强的特点，可同时完成待测组分的分离和鉴定，特别适用于多组分混合物中未知组分的定性和定量分析，判断化合物的分子结构，准确地测定化合物的分子量，是目前能够为皮克级试样提供结构信息的工具，故可用于测定生物样品和体液中药物和代谢物的痕量分析。对挥发性成分可直接进行定性和定量分析，对不挥发性成分和热不稳定的物质，可进行适宜的衍生化再进行分析。GC-MS 法现已广泛用于药物滥用监测、兴奋剂检测、临床疾病诊断、药动学研究等体内药物分析。2 GC-MS联用仪的组成和工作原理2.1 GC-MS联用仪的组成要实现GC-MS联用，需解决两个问题：一是GC的大气压工作条件和MS的真空操作条件相匹配的问题；二是速度问题，要求在色谱峰时间内完成质谱鉴定。前者采用接口来解决，后者由快扫描质谱来解决。GC-MS联用将会产生大量数据需要处理，从而出现计算机系统。GC-MS联用仪系统一般由图1所示的各部分组成。计算机气相色谱接口离子化质谱计检测器分析结果大气真空系统图1 GC-MS联用仪组成框图气相色谱仪分离用品中各组分，起着样品制备的作用；接口把气相色谱流出的各组分送入质谱仪进行检测，起着气相色谱和质谱之间适配器的作用，由于接口技术的不断发展，接口在形式上越来越小，也越来越简单；质谱仪对接口依次引入的各组分进行分析，成为气相色谱仪的检测器；计算机系统交互式地控制气相色谱、接口和质谱仪，进行数据采集和处理，是GC-MS的中央控制单元。2.2气质联用的原理混合物试样注射到GC进样口后，在载气携带下流经色谱柱，根据气相色谱柱上固定相（多数为液相或固相）对于存在于流动相（气相的载气）中的化合物具有不同的溶解度或吸附性能，表现为不同化合物在两相中分配系数的差异，造成不同的移动速度而使混合物分离为不同的组分，按时间先后从色谱柱流出。接口装置将色谱柱的流出物大气态的分离组分转变成粗真空态（1000.1Pa）的分离组分，且以尽可能高的试样传输效率和浓缩系数将分离组分从色谱柱传输到质谱仪的离子源（离子化装置），接口类型不同，其工作原理不同。在离子源的电离盒中，粗真空态的组分分子经电离、引出和聚焦，成为高真空态下（1.3310-210-3 Pa）由不同质量数离子组成的离子束，然后进入更高真空态下的质量分析器和离子检测器（如果质量分析器与离子源共同使用一个真空泵组，则它们共处同一真空态），离子在质量分析器中进行质量分离，然后被离子检测器（通常为电子倍增管）及组分离子流检测系统检测。当质量分析器作一次质量数扫描时，可检测到离子流强度随质量数变化的一张质谱图，也就完成了对组分离子的一次离子质量数及其强度的鉴定。为避免组分之间的相互干扰，这一鉴定至少要在下个组分离子进入之前完成。质谱分析器不同，离子检测器不同，其工作原理也不同，但其作用效果一样，都是检测离子流强度及其质量数。这种检测可以使表征组分化合物的一个或数个有意义的质量数离子流的检测，如分子离子流、官能团离子流等，也可以是组分化合物电离产生的所有质量数离子流（它们构成了化合物的质谱图），对应了两种离子检测方式，分别为选择离子检测方式和全扫描检测方式。全扫描是对指定质量范围内的离子全部扫描并记录，得到的是正常的质谱图，这种质谱图可以提供未知物的分子量和结构信息。可以进行库检索。质谱仪还有另外一种扫描方式叫选择离子检测( Select Ion Moniring SIM)。这种扫描方式是只对选定的离子进行检测，而其它离子不被记录。它的最大优点一是对离子进行选择性检测，只记录特征的、感兴趣的离子，不相关的、干扰离子统统被排除；二是选定离子的检测灵敏度大大提高，采用选择离子扫描方式比正常扫描方式灵敏度可提高大约100倍。由于选择离子扫描只能检测有限的几个离子，不能得到完整的质谱图, 因此不能用来进行未知物定性分析。但是如果选定的离子有很好的特征性，也可以用来表示某种化合物的存在。选择离子扫描方式最主要的用途是定量分析，由于它的选择性好, 可以把由全扫描方式得到的非常复杂的总离子色谱图变得十分简单，消除了其它组分造成的干扰。在一般色谱分析中主峰对被测组分的影响很大，为了降低主峰的影响，通常采用预切割技术，使得仪器的气路比较复杂，操作比较麻烦。而质谱的优点就是通过离子选择性技术很方便地避开了主体组分的影响。检测到了的离子信息输到计算机与质谱仪之间的信号接口板，由它将模拟量转换成数字量，供计算机处理成人们看得懂的各种谱图和报告，如混合物总离子流色谱图，特征质量数离子色谱图和进一步处理后的定性、定量报告。3 GC-MS法与GC法的比较及联用仪操作要点3.1 GC-MS法与GC法的比较GC-MS法与其他GC法比较，可见如下一些性能和操作上的区别。GC-MS方法定性参数增加，定性可靠。GC-MS方法不仅与GC方法一样能提供保留时间，而且能提供质谱图，由质谱图、分子离子峰的准确质量、碎片离子峰强比、同位素离子峰、选择离子的子离子质谱图等使GC-MS方法定性远比GC方法可靠。GC-MS方法是一种通用的色谱检测方法，但灵敏度却远高于GC方法中的通用检测器中任何一种。GC方法中常用的只有FID和TCD是通用检测器，其余都是选择性检测器，与检测样品中的元素或官能团有关。虽然用气相色谱仪的选择性检测器，能对一些特殊的化合物进行检测，不受复杂基质的干扰，但难以用同一检测器同时检测多类不同的化合物，而不受基质的干扰。而采用色质联用中的提取离子色谱、选择离子检测等技术可降低化学噪声的影响，分离出总离子图上尚未分离的色谱峰。在色质联用技术中，高分辨质谱的联用仪检测准确质量数、串联质谱（时间串联或空间串联）的选择反应检测或选择离子子离子检测等均能在一定程度上降低化学噪声，提高信噪比。从气相色谱和色质联用的一般经验来说，质谱仪定量似乎总不如气相色谱仪，但是，由于色谱联用可用同位素稀释和内标技术，以及质谱技术的不断改进，色质联用仪的定量分析精度极大改善。在一些低浓度的定量分析中，接近多数气相色谱仪检测器的检测下限时，色质联用仪的定量精度优于气相色谱仪。气相色谱方法中的大多数样品处理方法、分离条件、仪器维护等都要保持，移植成色质联用的方法。在色质联用中选择衍生化试剂时，要求衍生化物在一般的离子化条件下能产生稳定的，合适的质量碎片。气相色谱法中，经过一段时间的使用，某些检测器需要清洗。在色质联用中，检测器不常需要清洗，最常需要清洗的是离子源或离子盒。离子源或离子盒是否清洁，是影响仪器工作状态的重要因素。气相色谱工作时的合适温度参数均可以移植到色质联用仪，其他各部件的温度设置要注意防止出现冷点，否则，GC-MS的色谱分辨率将会恶化。3.2 GC-MS联用仪操作要点对给定的GC-MS联用仪，按流量匹配原则，选择色谱柱类型、尺寸、柱前压（或流量）是仪器正常工作和良好性能的基础。摸清混合物分离的气相色谱条件是GC-MS联用成功的第一步。在GC法中，一切有利于试样色谱分离的气相色谱分离的方法都应继承。如样品萃取、衍生、管道硅烷化处理等。合理设置GC-MS联用仪各温度带区的温度，防止出现冷点是不使色谱分辨恶化的关键。防止离子源污染是减少离子源清洗次数、保持整机良好工作状态的重要措施。防止离子源污染方法有：柱老化时不联质谱仪，柱最高工作温度应低于老化温度10以上，保持离子源温度，必要时加热去污，减少引入高含量和高沸点样品，防止真空泄露等。质谱仪操作参量（质谱图质量范围、分辨率和扫描速度）的综合考虑。按分析要求和仪器能达到的性能设定操作参量；在选定GC柱型的分离条件下，可知GC峰的宽度。以1/10GC峰宽初定扫描周期，由所需质谱图的质量范围、分辨率和扫描周期、扫描速度，再实测之，视仪器性能是否满足要求，若不能满足，再适当修正。注意进样量的综合分析，以能检出和可鉴定为度，尽量减少进样量，以防污染质谱仪。随着质谱技术的发展（最小检出量的降低），将更有利于小样量的分析。GC-MS联用仪的操作随具体仪器的自动化程度而有很大差异，自动化程度越低，操作人员越应注意操作要求。此外，不同应用领域的不同质量控制规范，均应遵照执行。4 GC-MS联用仪的应用现状气相色谱质谱联用仪(GC-MS)是分析仪器届最为普遍的联用技术。事实上，从数量上看，气质联用仪是安装量最多的质谱系统。气质联用仪种类多样，并可应用于许多不同行业，尤其是在环境、化学和毒理学领域用途很广。不过，气质联用仪的市场是一个成熟的市场，其销售主要来自于旧系统更新和售后部分;除此之外，GC-MS系统销售的增长一部分来源于实验室用GC-MS来取代原来的气相色谱(GC)系统。气质联用仪的质量分析器主要有四极杆、离子阱、磁质谱、和飞行时间四种。由于四极杆质量分析器可靠、经济，为多数应用提供皮实稳定的解决方案，因此四极杆是目前最为通用的质量分析器。然而，追求更低检测限和更高分辨率的应用日趋增长，因此，市场上对其它种类气质联用仪质量分析器的需求也在迅速增长。磁质谱是最古老的质谱技术，可提供高重现性的结果，并具有高分辨率和高灵敏度。离子阱则因其高灵敏度和易维护的特点在市场上得到日益广泛的认可。离子阱气质联用仪式是一种串联式的质谱仪，串联技术提高了混合物分析中的选择性，降低了检测限，并且能够提供物质结构方面的信息，这非常适合应用于法医和生命科学领域，尤其是在药物发现、合成和代谢研究方面。飞行时间质量分析器在所有的质量分析器中是最快的，并具有实用上最宽的质量范围。气相-飞行时间系统(GC-TOF)相对价格较高，最便宜也要15 万美元。不过，大多数认同这项技术的人认为气相-飞行时间系统是绝对值得投资的。全球气质联用仪超过三分之二的市场被排名前五的行业占据，这五个行业分别为通用/环境测试、农业和食品、石油和燃气、政府测试部门和学术机构，而化工、医药、政府研究部门和CRO等领域对气质联用仪的需求量相对较少。各行业所占大致比例参见图2。图2 各行业使用气质联用仪比例图2008年，安捷伦科技在美国质谱大会上宣布推出7000A型三重四级杆气质联用仪(GC/MS/MS)，为广泛的商业实验室和政府用户提供了高端的性能。7000A的飞克级灵敏度支持了它的地位。例如，该系统使用自动调谐参数，在MS/MS模式下柱上进样100fg八氟萘，信噪比可达100:1。图3 灵敏度：100 fg八氟萘，信噪比100:1安捷伦独有的自动调谐程序，可调谐离子源、质量分析器和检测器，来进行离子传输，质量轴校正，设置分辨率和相对于电压的检测器增益。自动调谐的设置伴随方法存储，可获得重现的方法性能。质量范围到1050 u，每秒500次的快速的多反应监测(MRM)性能，使用户可以比其它同类仪器在每个离子组中检测更多的化合物。当然，安捷伦的7000A GC/MS/MS是一款新仪器，它核心组件建立在5975C GC/MSD基础上。图4 安捷伦7000A三重四极杆气质联用系统和5975C单级四极杆GC/MS一样，7000A三重四极杆GC/MS的可靠性来自于安捷伦独有的、被很好证明的加热石英镀金双曲面四极杆质量分析器。四极杆可被加热到200而检测不到尺寸的变化，甚至对于高沸点的脏样品也可保持高稳定性和清洁度。不需要耗时的四极杆清洗，安捷伦的GC/MS系统即可在长的时间间隔里，保持稳定的调谐和方法。这种稳定性也使自动调谐功能运行得非常好。图5 7000A的结构示意图通过独有的、基于毛细柱流技术的安捷伦气相色谱系统的吹扫(backflush)功能，大大减少了运行后烤柱子的时间，可进一步清洗系统。这项功能也降低了化学背景，延长了色谱柱寿命，并使7000A具有出众的灵敏度。7000A也具有安捷伦流行的5975C上独有的高温固体惰性离子源技术，进一步贡献于系统的出众灵敏度。被很好证实的离子源可程序升温至350，对活性化合物和后流出物具有很好的响应。高温也意味着减少清洗的频次，降低工作的要求，增加正常运行时间。双灯丝设计的离子源进一步延长了维护时间的间隔。系统的高性能三轴检测器设计，提供了超低中性噪音，长寿命和高线性度。增益校正功能修改了检测器寿命的调谐文件，可长时间获得重现的方法性能。图6 高性能三轴检测器，Triple-Axis HED-EM Detector图7 专利检测器技术降低中性噪音安捷伦7000A GC/MS/MS在MassHunter工作站上运行，MassHunter功能强大，界面直观，可进行仪器控制，数据采集，定性和定量分析，和出报告。安捷伦最近宣布，MassHunter工作站正在被设