GCMS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(cè)靈敏度高，分離效果 好，是檢測(cè)有機(jī)物最常選用的方法。本文綜述了GC-M釀?dòng)眉夹g(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(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)聯(lián)用。經(jīng)過(guò)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(guò)程分為4個(gè)階段：解決接 口和磁場(chǎng)快掃描問(wèn)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，以填充柱色譜-四極質(zhì)譜-計(jì)算機(jī)三機(jī)聯(lián)用成功為標(biāo)志；小型臺(tái)式 GC-MSt用，計(jì)算機(jī)幵始控制聯(lián)用儀

2、 主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管柱GC-MS并幵始了 GC-MS-M&氣象色譜與磁式 或四極串聯(lián)質(zhì)譜 MS-MS勺聯(lián)用）；主機(jī)一體化全自動(dòng) GC-MS系統(tǒng)和小 型臺(tái)式GC-MS-M啲問(wèn)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(zhǎng)處，可 在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)多組分混合物進(jìn)行定性分析。在這類中，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(shí) 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-MSJ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(huì)得 到分離；利用質(zhì)譜儀作為檢測(cè)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(diǎn)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(shí)間，與載氣同 時(shí)流出色譜柱，經(jīng)過(guò)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(cè)，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(cè)器，通過(guò)接口將二者有機(jī)地結(jié)合。2.1.1 GC的原理冋由于流動(dòng)相、固定相以及溶質(zhì)混合物性質(zhì)（沸點(diǎn)、極性及吸附 性質(zhì)等）的不同，在色譜過(guò)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HN、He Ar、CG等）攜帶樣品中各組分通過(guò)裝有 固定相的色

4、譜柱時(shí)，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的原理冋質(zhì)譜分析是一種測(cè)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(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度，將它們分別聚焦而得到，從而確定其質(zhì)量。2.2GC-MS的組成氣相色譜儀必可包括氣路系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)，分離系統(tǒng)，溫度控制 系統(tǒng)以及檢測(cè)和記錄系統(tǒng)。GC

5、InjectorMassDetector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(cè)器和計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(cè)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(yīng)該使化合物所有的離子 都出現(xiàn)在設(shè)定的掃描范圍之內(nèi)。b. 掃描速度：掃視色譜峰寬而定，一個(gè)色譜峰出峰時(shí)間內(nèi)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(huì)降低燈絲壽命。d. 電子能量：電子能量

6、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(zhǎng)其使用壽命。4 GC-MS的優(yōu)點(diǎn)和常用測(cè)定方法4.1GC-MS的優(yōu)點(diǎn)色譜法高效分離和定量分析簡(jiǎn)便，質(zhì)譜分析具有靈敏度高，定 性能力強(qiáng)。 可以檢測(cè)出幾乎全部的化合物， 準(zhǔn)確測(cè)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(diǎn)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(cè)器； （ 3）可同時(shí) 對(duì)多種化合物進(jìn)行測(cè)量而不受基質(zhì)干擾； （4

7、）定量精度較高； （ 5） 日常維護(hù)方便。4.2GC-MS常用測(cè)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(shí)間反復(fù)掃描，自動(dòng)測(cè)量、運(yùn)算，制得各個(gè)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(shí)間變化圖譜。在選定的質(zhì)量范圍內(nèi)，任何 一個(gè)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(cè)( select

8、ed ion monitoring ， SIM) 對(duì)選定的某個(gè)或數(shù)個(gè)特征質(zhì)量峰進(jìn)行單離子或多離子檢測(cè)，獲得這 些離子流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。其檢測(cè)靈敏度較總離子流檢測(cè)高2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。 ?5 GC-MS聯(lián)用中的主要技術(shù)問(wèn)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(gè)技術(shù)問(wèn)題：( 1)儀器接口 10-11接口技術(shù)中要解決的問(wèn)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(shí)保留和濃縮待測(cè)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

9、的僅幾秒鐘時(shí)間，一個(gè)完整的色譜峰 通常需要至少 6 個(gè)以上數(shù)據(jù)點(diǎn)。這樣就要求質(zhì)譜儀有較高的掃描速 度，才能在很短的時(shí)間內(nèi)完成多次全質(zhì)量范圍的質(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(lái)回切換，以滿足選擇 離子檢測(cè)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(cè)、興奮劑檢測(cè)、臨床疾病 診斷、藥動(dòng)學(xué)研究等體內(nèi)藥物分析。6.1GC-MS 在興奮劑檢測(cè)中的應(yīng)用根據(jù)國(guó)際奧委會(huì)醫(yī)學(xué)委員會(huì)的要求，體育運(yùn)動(dòng)中的興奮劑檢測(cè) 唯一能用作確認(rèn)的儀器是GC-MS5 。一般興奮劑檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室都以GC-M(S HP5970/71/72/73 )做初篩。初篩一般用選擇離子檢測(cè) (SIM) 能有較高

10、的靈敏度，初篩有懷疑的樣品必須重新進(jìn)行檢測(cè)，并用樣 品與同樣條件下比對(duì)物全掃描提供的質(zhì)譜圖的一致性、保留時(shí)間的 一致性對(duì)檢測(cè)物質(zhì)進(jìn)行定性。6.2GC-MS 在生物利用度和藥代動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用 1例：楊麗莉等以樟腦為內(nèi)標(biāo)，建立了GC-MS法測(cè)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(cè)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(yùn)用 GC-MS技術(shù)測(cè)定各種揮 發(fā)性有機(jī)物并對(duì)痕量物質(zhì)進(jìn)行定性與定量分析；最后，比對(duì)不同

11、濃 度梯度揮發(fā)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(cè)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(cè)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(lái)，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)

12、樣結(jié) 合起來(lái)，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(diǎn)，能很好地與GC-MS目結(jié)合，在中藥分析方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。6.5用GC-MS寸藥物合成過(guò)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)氣目色譜一質(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(cè)和定量 測(cè)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)用范圍，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(cè)試中又增加了一種更加靈敏可靠的檢測(cè)方法。6.6

13、農(nóng)藥殘留的檢測(cè)GC-MS聯(lián)用技術(shù)可對(duì)多種農(nóng)藥進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)鑒定，質(zhì)譜檢測(cè) 器可以對(duì)各種類型的殘留物同時(shí)進(jìn)行定性定量分析和陽(yáng)性確證， 結(jié)合應(yīng)用選擇離子監(jiān)測(cè)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。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(duì)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(duì) 象的結(jié)構(gòu)， 其主要特點(diǎn)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(shí)間編程和多通道檢測(cè)將其完全分開，因此特別適用于分析背

14、 景干擾嚴(yán)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(shí)間檢測(cè)（ TOF技術(shù)以及串 聯(lián)質(zhì)譜MS-MS為生物大分子檢測(cè)提供了強(qiáng)有力的工具 13 o 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(guò)相同的路徑到 達(dá)監(jiān)測(cè)器的時(shí)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(shí)利用CID可將化合物的分子離子或準(zhǔn)分子離子打碎，通過(guò) 中性丟失掃描、母離子掃描和子離子掃描，進(jìn)行多級(jí)質(zhì)譜檢測(cè)，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

15、其快速、高效、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)成為臨床診 斷研究中的主要方法，通過(guò)檢測(cè)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(guò)程和機(jī)體內(nèi)代謝途徑，同時(shí)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(jià)值，其應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。該技術(shù)在劉疾 病標(biāo)志物進(jìn)行定性定量研究的同時(shí)，將向國(guó)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(cè)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(dòng)化的技術(shù)特點(diǎn)在臨床診治領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要的作用。/PCF：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(jiǎn)便,已經(jīng)成為分析

16、復(fù)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(diǎn)，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)用范圍受到一定限制，還有許多技 術(shù)問(wèn)題仍需進(jìn)一步解決。隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)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(lái)解決遇到的新的 分析問(wèn)題。可以預(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(cè)變得更加簡(jiǎn)潔準(zhǔn) 確。參考文獻(xiàn)：1 鄒海洋 , 陳再潔 , 鄭建

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