GC-MS的原理與應用參考模板

1、GC-MS的原理及應用摘要：氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）檢測靈敏度高，分離效果好，是檢測有機物最常選用的方法。本文綜述了GC-MS聯(lián)用技術(shù)的原理及其在醫(yī)藥、環(huán)境、生物等方面的應用。關(guān)鍵詞：GC-MS；原理；應用1 概述GC-MS始于20世紀50年代后期，1965年出現(xiàn)商品儀器，1968年實現(xiàn)與計算機聯(lián)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，各種聯(lián)用技術(shù)中，最成熟和最完善的當屬GS-MS。其發(fā)展過程分為4個階段：解決接口和磁場快掃描問題，以填充柱色譜與磁質(zhì)譜聯(lián)用成功為標志；解決聯(lián)用儀計算機數(shù)據(jù)處理問題，以填充柱色譜-四極質(zhì)譜-計算機三機聯(lián)用成功為標志；小型臺式GC-MS聯(lián)用，計算機開始控制聯(lián)用儀主機

2、，實現(xiàn)了毛細管柱GC-MS并開始了GC-MS-MS（氣象色譜與磁式或四極串聯(lián)質(zhì)譜MS-MS的聯(lián)用）；主機一體化全自動GC-MS系統(tǒng)和小型臺式GC-MS-MS的問世。GC-MS分析儀綜合了色譜法的分離能力和質(zhì)譜的定性長處，可在較短的時間內(nèi)對多組分混合物進行定性分析。在這類儀器中，由于質(zhì)譜儀工作原理不同，又有氣相色譜-四極質(zhì)譜儀，氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜儀，氣相色譜-離子阱質(zhì)譜儀等。2 GC-MS的原理和組成GC-MS利用氣相色譜作為質(zhì)譜的進樣系統(tǒng)，使復雜的化學組會得到分離；利用質(zhì)譜儀作為檢測器進行定性和定量的分析，主要是用于定性定量分析沸點較低、熱穩(wěn)定性好的化合物。2 / 112.1GC-MS的原

3、理供試品經(jīng)GC分離為單一組分，按其不同的保留時間，與載氣同時流出色譜柱，經(jīng)過分子分離器接口，除去載氣，保留組分進入MS儀離子源被離子化，樣品組分轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子，經(jīng)分析檢測，記錄為MS圖。GC-MS中氣相色譜儀相當于質(zhì)譜儀進樣系統(tǒng)，而質(zhì)譜儀則是氣相色譜的檢測器，通過接口將二者有機地結(jié)合。2.1.1 GC的原理1-3由于流動相、固定相以及溶質(zhì)混合物性質(zhì)（沸點、極性及吸附性質(zhì)等）的不同，在色譜過程中溶質(zhì)混合物中的各組分表現(xiàn)出不同的色譜行為，從而使各組分彼此相互分離。 當一種不與被分析物質(zhì)發(fā)生化學反應的被稱為載氣的永久性氣體（例如H2 、N2 、He、 Ar 、CO2 等）攜帶樣品中各組分通過裝有固定相的

4、色譜柱時，由于試樣分子與固定相分子間發(fā)生吸附、溶解、結(jié)合或離子交換，使試樣分子隨載氣在兩相之間反復多次分配，使那些分配系數(shù)只有微小差別的組分發(fā)生很大的分離效果，從而使不同組分得到完全分離。2.1.2 MS的原理1-3質(zhì)譜分析是一種測量離子荷質(zhì)比（電荷-質(zhì)量比）的分析方法，其基本原理 是使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶正電荷的離子，經(jīng)加速電場的作用，形成離子束，進入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場和磁場使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。2.2GC-MS的組成氣相色譜儀2,3包括氣路系統(tǒng)，進樣系統(tǒng)，分離系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)以及檢測和記錄系統(tǒng)。

5、質(zhì)譜儀2,3包括真空系統(tǒng)，進樣系統(tǒng)，離子源，質(zhì)量分析器，離子檢測器和計算機自動控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。GC-MS聯(lián)用儀2,3包括氣相色譜儀，接口，離子源，質(zhì)量分析器，檢測器，儀器控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 圖1 GC-MS的組成3 GC-MS分析條件的選擇4-6,9a.掃描范圍:取決于化合物的分子量，應該使化合物所有的離子都出現(xiàn)在設定的掃描范圍之內(nèi)。b.掃描速度：掃視色譜峰寬而定，一個色譜峰出峰時間內(nèi)最好能有 78 次質(zhì)譜掃描。c.燈絲電流：一般設置在 0.200.25mA。燈絲電流小，儀器靈敏度太低；電流太大，則會降低燈絲壽命。d.電子能量：電子能量一般為 70eV，標準質(zhì)譜圖都是在 70eV 下得到

6、的。e.光電倍增器電壓：與靈敏度有直接關(guān)系。在儀器靈敏度能夠滿足要求的情況下，應使用較低的光電倍增器電壓，以保護倍增器，延長其使用壽命。4 GC-MS的優(yōu)點和常用測定方法4.1GC-MS的優(yōu)點色譜法高效分離和定量分析簡便，質(zhì)譜分析具有靈敏度高，定性能力強。 可以檢測出幾乎全部的化合物，準確測定分子質(zhì)量，確定化合物的化學式和分子結(jié)構(gòu)，并且靈敏度極高。GC-MS 聯(lián)用儀和氣相色譜儀相比的優(yōu)點6,8：（1）其定性參數(shù)增加,定性可靠；（2）它是一種高靈敏度的通用型檢測器；（3）可同時對多種化合物進行測量而不受基質(zhì)干擾；（4）定量精度較高；（5）日常維護方便。4.2GC-MS常用測定方法7,9（1）總離

7、子流色譜法（total ionization chromatography，TIC） 類似于GC 圖譜，用于定量。（2）反復掃描法（repetitive scanning method，RSM）按一定間隔時間反復掃描，自動測量、運算，制得各個組分的質(zhì)譜圖，可進行定性。（3）質(zhì)量色譜法（mass chromatography，MC）記錄具有某質(zhì)荷比的離子強度隨時間變化圖譜。在選定的質(zhì)量范圍內(nèi)，任何一個質(zhì)量數(shù)都有與總離子流色譜圖相似的質(zhì)量色譜圖。（4）選擇性離子監(jiān)測（selected ion monitoring，SIM） 對選定的某個或數(shù)個特征質(zhì)量峰進行單離子或多離子檢測，獲得這些離子流強度隨時

8、間的變化曲線。其檢測靈敏度較總離子流檢測高2-3個數(shù)量級。5 GC-MS聯(lián)用中的主要技術(shù)問題氣相色譜儀和質(zhì)譜儀聯(lián)用技術(shù)中著重要解決兩個技術(shù)問題：（1）儀器接口10-11接口技術(shù)中要解決的問題是氣相色譜儀的大氣壓的工作條件和質(zhì)譜儀的真空工作條件的聯(lián)接和匹配。接口要把氣相色譜柱流出物中的載氣盡可能多的除去，同時保留和濃縮待測物，使近似大氣壓的氣流轉(zhuǎn)變成適合離子化裝置的粗真空，并協(xié)調(diào)色譜儀和質(zhì)譜儀的工作流量。（2）掃描速度10-11由于氣相色譜峰很窄，有的僅幾秒鐘時間，一個完整的色譜峰通常需要至少6個以上數(shù)據(jù)點。這樣就要求質(zhì)譜儀有較高的掃描速度，才能在很短的時間內(nèi)完成多次全質(zhì)量范圍的質(zhì)量掃描。另一方

9、面，要求質(zhì)譜儀能很快在不同的質(zhì)量數(shù)之間來回切換，以滿足選擇離子檢測的需要。6 GC-MS的應用GC-MS 法現(xiàn)已廣泛用于藥物濫用監(jiān)測、興奮劑檢測、臨床疾病診斷、藥動學研究等體內(nèi)藥物分析。6.1GC-MS 在興奮劑檢測中的應用根據(jù)國際奧委會醫(yī)學委員會的要求，體育運動中的興奮劑檢測唯一能用作確認的儀器是GC-MS5。一般興奮劑檢測實驗室都以GC-MS（HP5970/71/72/73）做初篩。初篩一般用選擇離子檢測（SIM）能有較高的靈敏度，初篩有懷疑的樣品必須重新進行檢測，并用樣品與同樣條件下比對物全掃描提供的質(zhì)譜圖的一致性、保留時間的一致性對檢測物質(zhì)進行定性。6.2GC-MS 在生物利用度和藥代

10、動力學研究中的應用1例：楊麗莉等以樟腦為內(nèi)標，建立了GC-MS 法測定冰片和川芎嗪的血藥濃度方法，最低檢出限為2 ng/ml。6.3GC-MS 聯(lián)用技術(shù)在有機物環(huán)境監(jiān)測分析中的應用隨著質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，基于各種質(zhì)譜串聯(lián)技術(shù)的痕量分析技術(shù)不斷出現(xiàn)，質(zhì)譜技術(shù)的應用，為復雜樣品中微量揮發(fā)性有機溶劑的定性、定量分析2,12提供了新的途徑。運用GC-MS 技術(shù)測定各種揮發(fā)性有機物并對痕量物質(zhì)進行定性與定量分析；最后，比對不同濃度梯度揮發(fā)性有機物在同種升溫方式下進樣與出峰的最佳濃度。6.4在揮發(fā)性成分以及中藥有效成分中的應用在揮發(fā)性成分以及中藥有效成分中的應用氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)10,11，將氣相色譜高效的在線分離

11、能力與質(zhì)譜高選擇性、高靈敏度的檢測能力相結(jié)合，可以作為復雜體系分離分析的有效研究手段，并是揮發(fā)油分離分析的首選方法。隨著氣質(zhì)聯(lián)用分析檢測技術(shù)的日益完善，現(xiàn)已廣泛地用于揮發(fā)油、甾類、生物堿、脂肪酸、脂溶性成分等中藥有效成分的研究。近年來，氣質(zhì)聯(lián)用與固相微萃取或頂空固相微萃取及其改進的萃取法、微波萃取技術(shù)、分子蒸餾、超臨界二氧化碳流體萃取法等聯(lián)用。這些樣品處理方法不需溶劑，可將樣品萃取、富集和進樣結(jié)合起來，大大提高分析速度，具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、快速、高效、節(jié)能、污染小的特點，能很好地與GC-MS相結(jié)合，在中藥分析方面得到越來越廣泛的應用。6.5用GC-MS對藥物合成過程、藥物作用機制的研究，為

12、研究藥物藥理毒理做好準備, 也為藥品的質(zhì)量控制以及制定藥品質(zhì)量標準提供依據(jù)氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)以其強有力的分離和分析能力，泛地應用于藥物、生物合成方面，提高了合成目標物的定性檢測和定量測定的準確度、精確度和靈敏度5,9。從氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)的角度講是擴大了該技術(shù)的應用范圍，增加了新的研究領(lǐng)域；從合成應用角度則是在該領(lǐng)域的分析測試中又增加了一種更加靈敏可靠的檢測方法。6.6農(nóng)藥殘留的檢測GC-MS 聯(lián)用技術(shù)可對多種農(nóng)藥進行確認和結(jié)構(gòu)鑒定，質(zhì)譜檢測器可以對各種類型的殘留物同時進行定性定量分析和陽性確證， 結(jié)合應用選擇離子監(jiān)測技術(shù)，以及高效快速方法的發(fā)展，可排除雜質(zhì)的干擾, 大大提高分析的靈敏度3,14

13、。目前多極質(zhì)譜 GC-MS 技術(shù)的發(fā)展，為復雜樣品中微量農(nóng)藥定性定量分析開辟了新途徑，它選擇目標化合物的特征離子為母離子，對其進行碰撞誘導碰撞（CID），用其子離子圖譜進一步確證分析對象的結(jié)構(gòu)， 其主要特點是在提高分析能力的基礎上提供足夠的結(jié)構(gòu)信息,用于結(jié)構(gòu)定性。它還可以將在色譜上不能完全分離的共流出物利用時間編程和多通道檢測將其完全分開，因此特別適用于分析背景干擾嚴重、定性困難樣品組分含量低的情況。6.7生物大分子的研究氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，尤其是飛行時間檢測（TOF）技術(shù)以及串聯(lián)質(zhì)譜MS-MS為生物大分子檢測提供了強有力的工具13。TOF技術(shù)是應用不同m/z離子的飛行速度不同，離子飛行通過相

14、同的路徑到達監(jiān)測器的時間不同而獲得質(zhì)量分離，掃描速度快、分析質(zhì)量范圍寬；同時利用CID可將化合物的分子離子或準分子離子打碎，通過中性丟失掃描、母離子掃描和子離子掃描，進行多級質(zhì)譜檢測，為生物大分子提供詳細的數(shù)據(jù)。氣質(zhì)聯(lián)用使得生物大分子研究得到了快速的發(fā)展，尤其是在生物分子克降、基因組學方面的研究。6.8臨床診斷氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用以其快速、高效、穩(wěn)定的優(yōu)點成為臨床診斷研究中的主要方法，通過檢測由疾病誘導產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物的變化進行分析，有助于了解病變過程和機體內(nèi)代謝途徑，同時助臨床治療15。氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)作為一種特異性高的分析手段，在臨床疾病診治中具有一定的應用價值，其應用也將越來越廣泛。該技術(shù)在劉疾

15、病標志物進行定性定量研究的同時，將向國際上普遍采用的高分辨率質(zhì)譜和串聯(lián)質(zhì)譜發(fā)展，成為低濃度生物診斷樣品的高效、高靈敏檢測方法與生物樣品的在線預處理技術(shù)相結(jié)合，以其高效、高度自動化的技術(shù)特點在臨床診治領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要的作用。7展望GC-MS聯(lián)用技術(shù)分析復雜未知混合物準確、靈敏、快速,且操作簡便,已經(jīng)成為分析復雜未知物的最有效的手段之一。但GC-MS技術(shù)還有其自身的缺點，要求其所分析的氣體、液體、固體物在操作溫度下是穩(wěn)定的，且要求所分析的液體、固體氣化溫度不高于操作溫度上限，使GC-MS聯(lián)用技術(shù)的應用范圍受到一定限制，還有許多技術(shù)問題仍需進一步解決。隨著社會不斷進步，人們對環(huán)境的要求越來越高,環(huán)

16、保標準日益嚴格，這就要求色譜與其他分析方法一樣向更高靈敏度、更高選擇性、更方便快捷的方向發(fā)展，不斷推出新的方法來解決遇到的新的分析問題。可以預見，色譜技術(shù)將向與其他技術(shù)聯(lián)用、高精度、高靈敏度、微型化的方向發(fā)展，并使得未知物的檢測變得更加簡潔準確。參考文獻：1 鄒海洋,陳再潔,鄭建明等.GC-MS在中藥研究中的應用J.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2010,22(9):362-364. DOI:10.3969/j.issn.1672-3198.2010.09.2272 沈培明.GC/MS在城市排水監(jiān)測中的應用C./上海市環(huán)境科學學會第11屆學術(shù)年會論文集. 2004:126-1283 吳曉波,薛健,彭崢國等.G

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