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2022-10-08
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【摘要】 GC-MS全称气相色谱法-质谱法联用（Gas chromatograohy-mass spectrometry）,简称气质联用。
GC-MS全称气相色谱法-质谱法联用（Gas chromatograohy-mass spectrometry）,简称气质联用。是将气相色谱仪器（GC）与质谱仪（MS）通过适当接口（interface）相结合，借助强大的计算机技术，进行联用分析的技术[1-2]。下面我们来简单学习一下GC-MS联用技术。
图1. GC-MS联用仪（图片来源：上海齐羿生物科技有限公司）
1、GC-MS的结构组成
GC-MS总体上由以下五大部分组成：色谱仪（常压）、接口部分、质谱分析器（高真空）和计算机数据处理系统。示意图如图2所示：
图2. GC-MS示意图（图片来源:公开资料）
气相色谱部分
气相色谱仪的基本流程如图3所示。主要包括以下5大系统：气路系统、进样系统、分离系统、温度控制系统以及检测和记录系统。
图3.气相色谱仪（GC）基本流程（图片来源：中国大百科全书数据库）
气相色谱仪的组成部分及作用：
（1）载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量。为获得纯净、流速稳定的载气。
（2）进样系统：包括进样器和气化室。进样器分气体进样器和液体进样器，气化室是将液体样品瞬间气化的装置。
（3）分离系统：包括色谱柱和柱温箱和控温装置。根据各组分在流动相和固定相中分配系数或吸附系数的差异，使各组分在色谱柱中得到分离。
（4）温控系统：控制气化室、柱箱和检测器的温度。
（5）检测和记录系统：包括检测器、放大器、记录仪、或数据处理装置、工作站 （色谱图）。将各组分的浓度或质量转变成电信号并记录。
接口部分
是协调联用仪器输出和输入状态的硬件设备。一般分为直接接口（小口径毛细管柱）和开口分流接口（大口径毛细管柱），用于除去GC部分的载气并传输组分。在GC-MS联用中有两个作用：
（1）压力匹配——质谱离子源的真空度在10-3Pa，而GC色谱柱出口压力高达105Pa，接口的作用就是要使两者压力匹配。
（2）组分浓缩——从GC色谱柱流出的气体中有大量载气，接口的作用是排除载气，使被测物浓缩后进入离子源。
MS质谱部分
质谱仪的基本部件有：离子源、滤质器、检测器三部分组成（结构示意图如图4），它们被安放在真空总管道内。在GC-MS联用中经过气相色谱分离的各气态分子受离子源轰击，电解裂解成分子离子，并进一步碎裂为碎片离子。在电场和磁场综合作用下，按照m/z大小进行分离，到达检测器检测、记录和整理，得到质谱图，实现样品定性定量分析。
图4.质谱（MS）组成示意图（图片来源：仪器分析网络课程）
（1）进样系统：GC出来的样品直接进入MS分析仪。
（2）离子源：离子源的作用是接受样品产生离子。常用的离子化方式有：电子轰击EI;化学电离CI.
（3）质量分析器：其作用是将电离室中生成的离子按质荷比（m/z）大小分开，进行质谱检测。常见质量分析器有：四极质量分析器; 扇形质量分析器; 双聚焦质量分析器; 离子阱检测器。
（4）检测器：检测器的作用是将离子束转变成电信号，并将信号放大，常用检测器是电子倍增器。
2、GC-MS联用技术原理
图5为GC-MS联用仪的内部组成示意图。在这个组合中气相色谱仪分离样品中各组分，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；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。
图5. GC-MS内部组成结构（图片来源：公开资源）
3、GC-MS技术特点
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优 点 |
一般应用可省略色谱检测器 |
GC作为进样系统，将待测样品分离后直接导入质谱进行检测，既满足了质谱分析对样品单一性的要求，又省去样品制备、转移的繁琐过程，不仅避免了样品受污染，对质谱进样量还能有效控制，也减少了质谱仪的污染，极大地提高了对混合物分离、定性定量效率。 |
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定性能力高 |
用色谱保留时间结合化合物的指纹质谱图鉴定组分，大大优于仅靠色谱保留时间。GC-MS的定性指标有分子离子、功能团离子、离子峰强度比、同位素离子峰、离子反应的母子离子质量数以及总离子流色谱峰、选择离子色谱峰和选择反应色谱峰所对应的保留时间窗。 |
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可分离尚未分离的色谱峰 |
用提取离子、选择离子监测或选择反应监测法，以及结合某些数据处理方法(如AMDIS)，可分离总离子流色谱图上尚未分离或被化学噪声掩盖的色谱峰。 |
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可提高定量分析精度 |
通过用同位素稀释和内标技术可提高定量精度和定性能力。 |
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提高仪器功能，实现分析自动化 |
计算机的多功能使仪器的结构更简单，操作更方便，更易于实现分析工作的自动化。 |
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不 足 |
分析对象有限制 |
分析对象限于在300℃左右及以下可以汽化、并且能离子化的样品；在加热过程中易分解的、极性太强的化合物，如有机酸类等，则需进行酯化衍生处理才可进行GC—MS分析，如果样品不能汽化也不能酯化则需采取LC—MS或其他方法分析； |
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测试条件有限制 |
GC—MS分析样品应是有机溶液，固体或水溶液中的有机物一般不能测定，需进行萃取分离变为有机溶液，或采用热裂解、顶空进样技术。 |
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质谱应用有限制 |
目前质谱还有一个很重要的不足是对很多异构体(尤其是位置异构)无法分辨。 |
4、GC-MS测样要求
GC-MS分析可用于液体，气体和固体样品，但主要限于挥发性和半挥发性化合物。
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气体&液体 |
样品通常直接注入GC。 |
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固体 |
固体，通过溶剂萃取，除气（解吸）或热解进行分析。解吸实验在40-300℃之间的受控温度下在氦气流下进行，在解吸期间在低温阱上收集分析物。 热解是用于分析不能直接注入GC-MS的材料的另一种取样技术。通过直接向样品施加热，分子可以以可再现的方式分解。然后将较小的分子引入GC中并通过GC-MS分析。 |
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总体要求 |
样品要求溶解于有机溶剂（如丙酮、正己烷等） |
5、GC-MS结果分析
定性分析基础
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分析对象 |
要求 |
分 析 方 法 |
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目标化合物 |
确认 |
1．与标准化合物保留时间对比 2．与标准化合物谱图对比(几个离子匹配) |
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可疑化合物 |
确认 |
1． 标准化合物保留时间对比 2． 与标准化合物谱图对比(所有离子匹配) |
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未知化合物 |
解释 |
1．测定分子量 2．测定元素组成 3．阐明结构 |
定性分析基础：
GC／MS联用分析常用的定量方法和色谱一样有三种，外加一种GC-MS特有方法：
(1) 归一化法。将样品中所有组分含量之和作为100，计算各个组分的相对百分含量，称为归一化法。计算公式：
式中 Wi——组分i含量；Ai——组分i的峰面积(或峰高)；fi——组分i的质量校正因子。当fi为体积校正因子或摩尔校正因子时，结果分别为体积分数或摩尔分数。
(2) 外标标准曲线方法。用标准样品配制不同浓度的标样，在与待测样品完全相同的操作条件下，测得标样中各化合物的峰面积或峰高，得到响应因子：
式中 Wi——待测化合物标样含量；Ai——待测化合物标样峰面积(或峰高)。
(3) 内标法内标标准曲线方法 。外标法存在一定缺点，限于每次的分析条件从样品处理到测试都会产生误差。为了克服不可避免的测量误差，选择适当的基准物质(内标化合物)加入标样和待测样品中进行测定，计算待测化合物和内标化合物响应值之比(称为相对响应因子)，由相对响应因子和加入内标化合物的量进行定量，称为内标法。相对响应因子计算，可由：
得到。式中 wi——待测化合物标样含量；Ai——待测化合物标样峰面积(或峰高)；WS——内标化合物含量；As——内标化合物峰面积(或峰高)
（4）同位素稀释法。最理想的是采用待测化合物的同位素标记物作为内标，可以保证内标化合物的化学性质、色谱行为、质谱行为都与待测化合物一致，这样可以消除化合物之间的差别带来的误差。同位素标记物作内标只有GC／MS联用技术可以运用。计算公式：
式中，RF为校正因子，RF=含量/面积或含量/峰高；C为含量；S为峰面积或峰高。
同位素稀释法的优点为：一般可以校正基体影响(标样和样品的差别)，提取效率稳定；进样误差小，保留时间随溶剂梯度变化影响不大；仪器漂移影响小；在质谱中同位素稀释剂与样品分析物响应稳定，定量结果从样品分析物与内标的响应比得出更准确。缺点为：样品制备很耗时；对移液和稀释等中的误差结果有缺陷。
6、GC-MS应用范围
GC-MS结合了气相色谱和质谱两种强大的技术来提供具有低检测限的化合物的鉴定和定量分析的潜力。GC-MS具有高选择性、高灵敏度、高分辨率、可同时进行定性定量分析，是进行复杂化合物的分离和鉴定的重要工具。GC-MS不但可用于未知物的鉴定，还可用于痕量组分测定。
7、GC-MS常见疑难问题解答
（1）质谱开机约7 分钟后，前级泵自动关闭。
质谱启动7分钟内如果前级泵真空不低于300mTorr （扩散泵系统）或分子涡轮泵转速小于80%，机械泵将自动关闭以避免大量空气抽入真空腔导致污染。一般的原因是真空腔没关好。
（2）氮气峰丰度大于20%，导致调谐评价不达标，报告显示系统有泄漏。
从调谐报告中的18，28 和32 相对于69 的丰度可以看出问题所在。如果18 很高而28，32 很低就意味着抽真空时间不够，因为水较难抽走。如果18 很低而28，32 很高，那就是真的有漏气，一般原因是柱子没装好，比如说用错石墨垫。如果18，32 都很低而28 很高，那并不意味着漏气，其原因可能是气体净化管进了空气或者是气体质量不好。我还见过40 很高的情况，最后发现用户买的氦气其实是氩气。
（3）调谐通不过，提示“没有发射电流”。
如果用户刚洗过离子源，那就是灯丝没装好。否则是灯丝烧了。解决办法要么换灯丝，要么 在手动调谐里改用另一灯丝即可。记住当你发现质谱有问题时，别忘了想想之前你动了什么。
（4）不装柱子调谐可以通过，装了柱子通不过。
不装柱子调谐正常表示质谱是好的，问题出在柱子上。常见的原因有两个：一是柱子断了
或 密封不好导致质谱真空下降，二是柱子伸的太长挡住了电子束。
（5）调谐评价显示真空很好，18 和28 都很低，但是502 丰度小于3%。
先检查离子源温度，如果离子源温度高于230 度，要先把它降到230 度。因为离子源温度越高，502 的丰度就越低。然后检查Repeller 电压，你可以适当提高Repeller 电压的最高限制，比如说35 伏。较高的电压可以得到较高的502 相对丰度。如果这些措施都无效，可能需要清洗离子源。
（6）质量数不正确或者质谱图很怪，和标准质谱图根本对不上号。
质谱需要调谐，就好比砝码需要校准。自动调谐的结果存在atune.u 里头。如果你的方法采用的调谐文件名字不叫 atune.u ，比如说叫himass.u ，记住要在调谐后把调谐结果存到 himass.u 。否则调谐了也没用上。
（7）无法联机。
工作站非正常退出会导致无法联机。这是你需要重启电脑，气相色谱和质谱。
（8）气相色谱已启动，但质谱不采集数据
原因有两种：一是溶剂延迟尚未结束，二是“Remote cable”没装好。
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