GC-MS的原理與應(yīng)用

1、GC-MS的原理及應(yīng)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(jī) 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(yīng)用。關(guān)鍵詞：GC-MS ;原理；應(yīng)用1概述GC-MS始于20世紀(jì)50年代后期，1965年出現(xiàn)商品儀器，1968年實現(xiàn)與計算機(jī) 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(dāng)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(biāo)志；解決聯(lián)用儀計算機(jī)數(shù)據(jù)處理問題，以填充柱色譜-四極質(zhì)譜-計算機(jī)三機(jī)聯(lián)用成功為標(biāo)志；小型臺式GC-MS聯(lián)用，計算機(jī)開始控

2、制聯(lián)用儀主機(jī)，實現(xiàn)了毛細(xì)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(jī)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，可在較短的時間對多組分混合物進(jìn)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(jìn)樣系統(tǒng)，使復(fù)雜的化學(xué)組會得到分離；利用質(zhì)譜儀作為檢測器進(jìn)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。2.1GC-

3、MS的原理供試品經(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(jìn)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(dāng)于質(zhì)譜儀進(jìn)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(jī)地結(jié)合。2.1.1 GC的原理冋由于流動相、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(dāng)一種不與被分析物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(fù) 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(jìn)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(jìn)樣系統(tǒng)，分離系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)以及

5、檢測和記 錄系統(tǒng)。質(zhì)譜儀2,3包括真空系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)，離子源，質(zhì)量分析器，離子檢測器和計算機(jī) 自動控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。GC-MS聯(lián)用儀2,3咆括氣相色譜儀，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4-6,9GCInjectorMassDetectora. 掃描圍：取決于化合物的分子量，應(yīng)該使化合物所有的離子都出現(xiàn)在設(shè)定的掃描 圍之。b. 掃描速度：掃視色譜峰寬而定，一個色譜峰出峰時間最好能有78次質(zhì)譜掃描。c. 燈絲電流：一般設(shè)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：

6、電子能量一般為70eV，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖都是在 70eV下得到的。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(yīng)使用較低的光電倍增器電壓，以保護(hù)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(qiáng)。可以 檢測出幾乎全部的化合物，準(zhǔn)確測定分子質(zhì)量，確定化合物的化學(xué)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(jìn)行測量而不受基質(zhì)干 擾；( 4)定量

7、精度較高； ( 5)日常維護(hù)方便。4.2GC-MS常用測定方法7,9(1) 總離子流色譜法(total ionization chromatography, TIC )類似于 GC 圖譜，用于定量。(2) 反復(fù)掃描法(repetitive scanning method , RSM )按一定間隔時間反復(fù)掃 描，自動測量、運算，制得各個組分的質(zhì)譜圖，可進(jìn)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(qiáng) 度隨時間變化圖譜。在選定的質(zhì)量圍，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 mo

8、nitoring ， SIM) 對選定的某個或數(shù)個 特征質(zhì)量峰進(jìn)行單離子或多離子檢測，獲得這些離子流強(qiáng)度隨時間的變化曲線。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 10-116個由于氣相色譜峰很窄，有的僅幾秒鐘時間，

9、一個完整的色譜峰通常需要至少 以上數(shù)據(jù)點。這樣就要求質(zhì)譜儀有較高的掃描速度，才能在很短的時間完成多次全質(zhì) 量圍的質(zhì)量掃描。另一方面，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(yīng)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(xué)研 究等體藥物分析。6.1GC-MS 在興奮劑檢測中的應(yīng)用 根據(jù)國際奧委會醫(yī)學(xué)委員會的要求，體育運動中的興奮劑檢測唯一能用作確認(rèn)的儀器是 GC-MS 5。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

10、的樣品必須重新進(jìn) 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(jìn)行定性。6.2GC-MS 在生物利用度和藥代動力學(xué)研究中的應(yīng)用 1 例：麗莉等以樟腦為標(biāo)，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(jī)物環(huán)境監(jiān)測分析中的應(yīng)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(yīng)用，為復(fù)雜樣品中微量揮發(fā)性有機(jī)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(jī)物并對痕量物質(zhì)進(jìn)行定性與定量分析；最后， 比對不同濃度梯度揮發(fā)

11、性有機(jī)物在同種升溫方式下進(jìn)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(yīng)用 在揮發(fā)性成分以及中藥有效成分中的應(yīng)用氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)10,11 ，將氣相色譜高效的在線分離能力與質(zhì)譜高選擇性、高靈敏度的檢測能力相結(jié)合，可以作為復(fù)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(jìn)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(jìn)樣結(jié)合起來， 大

12、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(yīng)用。6.5用GC-MS寸藥物合成過程、 藥物作用機(jī)制的研究， 為研究藥物藥理毒理做好準(zhǔn)備，也為藥品的質(zhì)量控制以及制定藥品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)以其強(qiáng)有力的分離和分析能力，泛地應(yīng)用于藥物、生物 合成方面，提高了合成目標(biāo)物的定性檢測和定量測定的準(zhǔn)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(kuò)大了該技術(shù)的應(yīng)用圍，增加了新的研究領(lǐng)域；從合成應(yīng) 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

13、-MS 聯(lián)用技術(shù)可對多種農(nóng)藥進(jìn)行確認(rèn)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(jìn)行定性定量分析和陽性確證，結(jié)合應(yīng)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。目前多極質(zhì)譜 GC-MS 技術(shù)的發(fā)展， 為復(fù)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(biāo)化合物的特征離子為母離子，對其進(jìn)行碰撞誘導(dǎo)碰撞（CID ），用其子離子圖譜進(jìn)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(chǔ)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(yán)重、

14、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(qiáng)有力的工具13。TOF技術(shù)是應(yīng)用不同 m/z離子的飛行速度不同，離子飛行通過相同的路徑到達(dá)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)量圍寬；同時利用 CID 可將化合物的分子離子或準(zhǔn)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(jìn)行多級質(zhì)譜檢測，為生物大分子提供詳細(xì)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(xué)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

15、為臨床診斷研究中的主要方 法，通過檢測由疾病誘導(dǎo)產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物的變化進(jìn)行分析，有助于了解病變過程和機(jī) 體代謝途徑，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(yīng)用價值，其應(yīng)用也將越來越廣泛。該技術(shù)在疾病標(biāo)志物進(jìn) 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(yù)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(fù)雜未知混合物準(zhǔn)確、靈敏、快速,且操作簡便 ,已經(jīng)成為分析復(fù)雜未知物的最有效的手段之一。但

16、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(yīng)用圍受到一定限制，還有許多技術(shù) 問題仍需進(jìn)一步解決。隨著社會不斷進(jìn)步， 人們對環(huán)境的要求越來越高 ,環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)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?？梢灶A(yù)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(zhǔn)確。參考文獻(xiàn)：1 鄒海洋，再潔,建明等.GC-MS在中藥研究中的應(yīng)用J.現(xiàn)代商貿(mào)

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