氣相色譜法-質譜聯用

历程

1950年发表了第一篇关于气液色谱仪的研究论文。化学家们使用不同的检测器来观察化合物是否从色谱仪的末端流出。大多数检测器都破坏了化合物，因为它们烧毁了它们或使它们离子化。这些检测器让化学家猜测样品中每种化合物的确切身份。20世纪50年代，Roland Gohlke和Fred McLafferty开发了一种新的组合机。他们用质谱仪作为气相色谱的检测器。这些早期的设备大而脆弱，最初仅限于实验室环境。

设计很复杂。不同化合物流出色谱仪的时间间隔很难控制。因此，质谱仪必须在完成一个化合物的工作后，才会有下一个化合物流出色谱仪。在早期的模型中，质谱仪的测量结果被记录在图纸上。训练有素的化学家研究峰的模式，以确定每种化合物。到了20世纪70年代，模数转换器被添加到质谱仪上。这使得计算机可以存储和解释结果。随着计算机的速度越来越快，体积越来越小，气相色谱-质谱仪的速度也越来越快，并从实验室传播到了日常生活中。如今，计算机GC-MS仪器已广泛应用于水、空气、土壤的环境监测。此外，它还用于农业的监管、食品安全以及医药的发现和生产。

小型计算机的发展有助于GC-MS机器的简化。它还大大减少了分析样品所需的时间。Electronic Associates, Inc.(EAI)是美国模拟计算机的主要供应商。1964年，EAI公司在Robert E.Finnigan的指导下开始研制计算机控制的质谱仪。到1966年，已售出500多台气体分析仪仪器。1967年，菲尼根仪器公司（FIC）成立。1968年初，向斯坦福大学和普渡大学交付了第一台四极气相色谱-质谱仪样机。FIC最终改名为飞尼根公司，并在气相色谱-质谱系统领域确立了自己的世界领先地位。

基本操作

气相色谱-质谱仪可以找到样品对象中所有混合在一起的化合物。操作者将样品溶解在液体中。然后，操作者将液体注入到气体流中。(最常用的是氦气、氢气或氮气。)气体流经一个有特殊涂层的管子。由于样品中的每种化合物以不同的方式粘在涂层上，每种化合物从管子中出来的时间也不同。所以涂层是用来分离样品中混在一起的每种化合物的。当每一种化合物从试管末端出来时，它就会被电离并获得电荷。大多数化合物在被电离时都会破裂。不同的碎片在磁铁下飞行，磁铁根据其重量和电荷将碎片分开。然后，计算机会测量每种化合物的所有碎片。通过将测量结果与已知化合物的计算机库进行比较，计算机会列出样品中所有化合物的名称。计算机还可以知道样品中每种化合物的含量。

仪表

气相色谱-质谱仪由两个主要构件组成：气相色谱仪和质谱仪。气相色谱仪使用的是毛细管柱，它取决于柱子的尺寸（长度、直径、膜厚）以及相的特性（如5%苯基聚硅氧烷）。混合物中不同分子之间的化学性质差异将在样品在柱子上移动时分离分子。分子从气相色谱仪中出来（洗脱）需要不同的时间（称为保留时间）。这使得下游的质谱仪可以分别捕捉、电离、加速、偏转和检测电离的分子。质谱仪通过将每个分子分解成电离碎片，并利用其质量与电荷比来检测这些碎片来实现。

这两台机器一起使用，比任何一台单独使用都能更精确地进行物质鉴定。单纯用气相色谱法或质谱法是不可能对某一分子进行准确鉴定的。质谱分析过程通常需要非常纯净的样品。过去，气相色谱法使用其他检测器，如火焰电离检测器。这些检测器不能分离不同的分子，而这些分子恰好需要相同的时间通过色谱柱。当两个不同的分子具有相同的保留时间时，它们被称为"共洗脱"）。共同洗脱的分子会使读取这两种分子的单一质谱的计算机程序感到困惑。

有时两个不同的分子在质谱仪（质谱）中也会有类似的电离碎片模式。将这两个过程结合起来，可以减少误差的可能性。两种不同的分子在气相色谱仪和质谱仪中表现相同的可能性极小。因此，如果质谱与感兴趣的被分析物相匹配，则可将该质谱的保留时间与气相色谱仪的特征保留时间进行核对，以增加被分析物在样品中的可信度。

质谱仪探测器的类型

与气相色谱仪相关的最常见的质谱仪是四极质谱仪，惠普公司（现为安捷伦公司）以"质量选择检测器"（MSD）的商品名称销售。惠普公司（现为安捷伦公司）以"质量选择检测器"（MSD）的商品名进行销售。另一种比较常见的检测器是离子阱质谱仪。此外，人们还可以找到一种磁区质谱仪。然而，这些特殊的仪器是昂贵和笨重的，通常不会出现在高通量服务实验室。其他检测器被使用，如飞行时间（TOF），串联四极杆（MS-MS）（见下文），或在离子阱^MSn的情况下。n表示质谱级数。

GC-MS原理图


气相色谱-质谱仪的内部，右边是气相色谱仪的色谱柱。

分析报告

质谱仪通常以两种方式之一使用。全扫描或选择性离子监测（SIM）。典型的气相色谱-质谱仪可以单独使用，也可以同时使用两种方式。

全面扫描MS

当在全扫描模式下收集数据时，选择一个目标范围的质量碎片，并放入仪器的方法。一个典型的监测质量碎片的广泛范围的例子是m/z 50到m/z 400。确定使用什么范围主要是由一个人期望在样品中，同时意识到溶剂和其他可能的干扰设置。如果质谱仪寻找的质量碎片的m/z非常低，它可能会检测到空气或其他可能的干扰因素。使用大扫描范围会降低仪器的灵敏度。机器每秒进行的扫描次数会减少，因为每次扫描需要更多的时间来检测更多的质量碎片。

全扫描对确定样品中的未知化合物很有用。在确认或解析样品中的化合物时，它比SIM提供更多的信息。大多数仪器都是由计算机控制的，计算机操作一个称为"仪器方法"的计算机程序。仪器方法控制GC中的温度、MS扫描速率和被检测的片段大小范围。当化学家在开发仪器方法时，化学家将测试溶液以全扫描模式送入GS-MS。这样检查GC保留时间和质量片段指纹，然后再转入SIM仪器方法。专用的GC-MS仪器，如爆炸物检测仪，在出厂时就已经预装了仪器方法。

部分离子监测

在选择离子监测(SIM)中，仪器方法侧重于某些离子碎片。质谱仪只检测这些质量碎片。SIM的优点是检测限较低，因为仪器在每次扫描时只观察少量的碎片（如三个碎片）。每秒钟可以进行更多的扫描。由于只监测少数感兴趣的质量碎片，因此基质干扰通常较低。为了提高正确读取阳性结果的机会，各种质量碎片的离子比与已知的参考标准相当。

电离类型

当分子穿过色谱柱，通过传输线，进入质谱仪后，它们被各种方法电离。通常情况下，在任何给定的时间内只使用一种电离方法。一旦样品被破碎，它将被检测，通常由电子乘法器二极管检测。二极管将电离的质量碎片视为电信号，然后进行检测。

化学家在选择全扫描或SIM监测的同时，还要单独选择一种电离技术。

电离子化

最常见的电离类型是电子电离（EI）。分子进入MS（源是四极子或离子阱MS中的离子阱本身），在那里它们被从灯丝中发射的自由电子击中。这就像一个标准的白炽灯泡中的灯丝。电子击中分子，使分子以一种可以重复的特征方式破碎。这种"硬电离"技术的结果是产生更多的低质量电荷比（m/z）的碎片。EI的质量接近原始分子质量的碎片很少，如果有的话。化学家认为硬电离是将电子射入样品分子中。相比之下，"软电离"是通过用引入的气体撞击样品分子，在样品分子上放置电荷。分子碎片模式取决于施加在系统上的电子能量，通常是70 eV（电子伏特）。70 eV的使用有助于将测试样品产生的光谱与已知的库谱进行比较。库谱可以来自制造商提供的软件或美国国家标准研究所（NIST-USA）开发的软件）。该软件使用匹配算法（如基于概率的匹配或点积匹配）搜索库谱。许多方法标准化机构现在控制这些算法和方法，以保证其客观性。

化学电离

在化学电离(CI)中，试剂气体，通常是甲烷或氨被放入质谱仪。有两种类型的CI：正CI或负CI。无论哪种方式，试剂气体都会与电子和被分析物相互作用，并引起感兴趣的分子的"软"电离。与EI的硬电离相比，软电离对分子的破碎程度更低。与EI相比，化学家更喜欢CI。这是因为CI至少产生一个质量片段，其重量几乎与感兴趣的分析物的分子量相同。

正化学电离

在正化学电离（PCI）中，试剂气体与目标分子相互作用，最常见的是质子交换。这就产生了数量相对较多的离子种类。

负化学电离

在负化学电离（NCI）中，试剂气体降低了自由电子对目标分析物的影响。这种减少的能量通常会使碎片的供应量很大。碎片不会进一步分解）。

口译

仪器分析的主要目标是测量物质的数量。这是通过比较生成的质谱中原子质量的相对浓度来实现的。可以进行两种分析，即比较分析和原始分析。比较分析主要是将给定的光谱与光谱库进行比较，看其特征是否存在于光谱库中的一些已知样品。这最好由计算机来完成，因为由于尺度的变化，会发生许多视觉上的失真。计算机还可以将更多的数据（如气相色谱仪确定的保留时间）关联起来，更准确地将某些数据联系起来。

另一种分析方法是测量各峰之间的关系。在这种方法中，最高峰被设定为100%。其他峰的赋值等于峰高与最高峰高之比。所有高于3%的值都被赋予。未知化合物的总质量通常由母峰表示。这个母峰的值可以用来配合包含各种元素的化学式，这些元素被认为是在化合物中。对于有许多同位素的元素，光谱中的同位素模式是独一无二的。所以，它也可以用来识别存在的各种元素。这告诉了未知分子的整体化学式。因为分子的结构和键的断裂方式很有特点，所以可以从峰质量的差异来鉴别。识别的分子结构必须与GC-MS记录的特征一致。通常情况下，这种识别是由仪器附带的计算机程序自动完成的。这些程序将光谱与已知的化合物库进行匹配，这些化合物具有相同的元素清单，可能存在于样品中。

"全谱"分析考虑到了一个光谱内的所有"峰"，但选择性离子监测（SIM）只监测与特定物质相关的选定峰。但是，选择性离子监测（SIM）只监测与特定物质相关的选定峰。化学家假设在给定的保留时间内，一组离子是某种化合物的特征。SIM是一种快速有效的分析方法。当分析人员有先前的样品信息或只寻找少数特定物质时，SIM效果最好。当收集到的某一气相色谱峰中离子的信息量减少时，分析的灵敏度就会提高。所以，SIM分析可以检测和测量较少数量的化合物。但对该化合物身份的确定程度会降低。

气相色谱-串联质谱

当加入第二阶段的质量破碎时，例如使用四极杆仪器中的第二个四极杆，它被称为串联MS（MS/MS）。MS/MS善于测量样品中低水平的目标化合物，并有不感兴趣的背景化合物矩阵。

第一个四极子（Q1）与一个碰撞池（q2）和另一个四极子（Q3）相连。这两个四极杆可以在扫描或静态模式下使用，这取决于使用的MS/MS分析类型。分析类型包括产物离子扫描、前体离子扫描、选择反应监测(SRM)和中性损失扫描。例如当Q1处于静态模式(像SIM一样只看一个质量)，Q3处于扫描模式时，可以得到一个所谓的产物离子谱(也叫"子谱")。从这个光谱中，人们可以选择一个突出的产物离子，它可以是所选前体离子的产物离子。这对离子被称为"过渡"，构成SRM的基础。SRM具有高度的特异性，几乎完全消除了基质背景。

应用

环境监测和清理

许多化学家认为，GC-MS是监测环境中有机污染物的最佳工具。气相色谱-质谱仪的成本已经下降了很多。同时GC-MS的可靠性也有所提高。这两方面的改进都增加了在环境研究中的应用。有些化合物，如某些农药和除草剂，不能用GS-MS鉴定。它们与其他相关化合物过于相似。但对于环境样品的大多数有机分析，包括许多主要类别的农药，气相色谱-质谱是非常敏感和有效的。

刑事法医

气相色谱-质谱仪可以分析人体中的微粒，以帮助将罪犯与犯罪联系起来。法律接受使用GC-MS来分析火灾碎片。事实上，美国材料试验协会（ASTM）有一个火灾碎片分析的标准。GCMS/MS在这里特别有用，因为样品往往包含非常复杂的矩阵，而且在法庭上使用的结果需要非常准确。

执法部门

气相色谱-质谱仪用于检测非法麻醉品，并可能最终取代嗅毒犬。它也常用于法医毒理学。它有助于在从嫌疑人、受害者或尸体上提取的生物标本中找到药物和/或毒物。

安保

2001年9月11日恐怖袭击后，爆炸物探测系统已成为美国所有机场的一部分。这些系统采用一系列技术，其中许多是基于气相色谱-质谱仪。只有三家制造商获得联邦航空局认证，可以提供这些系统。第一家是Thermo Detection（原Thermedics），该公司生产EGIS，这是一个基于GC-MS的爆炸物探测器系列。第二家是Barringer Technologies，现在归Smith's Detection Systems所有。第三个是Ion Track Instruments(General Electric Infrastructure Security Systems的一部分)。

食品、饮料和香水分析

食品和饮料中含有大量的芳香族化合物，有些是天然存在于原料中，有些是在加工过程中形成的，气相色谱-质谱分析广泛用于分析这些化合物，包括酯类、脂肪酸、醇类、醛类、萜类等。气相色谱-质谱仪广泛用于分析这些化合物，包括酯类、脂肪酸、醇类、醛类、萜类等。它还可用于检测和测量因变质或掺假而产生的可能有害的污染物。这些污染物通常由政府机构控制，例如农药。

天体化学

一些气相色谱仪已经离开地球。有两台在"维京"方案中前往火星。Venera 11号和12号以及金星先锋号用GC-MS分析了金星的大气层。卡西尼-惠更斯任务的惠更斯探测器在土星最大的卫星土卫六上搭载了一台GC-MS。罗塞塔飞行任务将于2014年用手性气相色谱-多普勒卫星对67P/丘留莫夫-格拉西门科彗星中的物质进行分析。

医学

GC-MS用于新生儿筛查试验。这些检查可以发现几十种先天性代谢疾病（也称为先天性代谢错误）。GC-MS可以测定尿液中的化合物，即使是极少量的化合物。这些化合物通常不存在，但却出现在患有代谢紊乱的人身上。这正在成为诊断IEM的一种常见方法，以便更早地诊断和开始治疗。这最终会导致更好的结果。现在，通过GC-MS的尿液检测，可以对新生儿进行100多种遗传代谢紊乱的检测。

结合代谢化合物的同位素标记，气相色谱-质谱仪可用于测定代谢活性。大多数应用是基于使用13C作为标记，并使用同位素比值质谱仪(IRMS)测量13C^-12C比值。同位素比值质谱仪是一种带有检测器的质谱仪，其设计目的是测量一些选定的离子，并以比率形式返回数值。