氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用原理及應(yīng)用介紹

1、氣相色譜法-質(zhì)譜聯(lián)用氣相色譜法詼譜法聯(lián)用英語：Gaschromatography-massspectrometry,簡稱氣質(zhì)聯(lián)用,英文縮寫GC-MS是一種結(jié)合氣相色譜和質(zhì)譜的特性,在試樣中鑒別不同物質(zhì)的方法.GC-MS的使用包括藥物檢測主要用于監(jiān)督藥物的濫用、火災(zāi)調(diào)查、環(huán)境分析、爆炸調(diào)查和未知樣品的測定.GC-MS也用于為保證機(jī)場平安測定行李和人體中的物質(zhì).另外,GC-MS還可以用于識別物質(zhì)中以前認(rèn)為在未被識別前就已經(jīng)蛻變了的痕量元素.GC-MS已經(jīng)被廣泛地譽(yù)為司法學(xué)物質(zhì)鑒定的金標(biāo)方法,由于它被用于進(jìn)行專一性測試.所謂與一性測試就是能十分肯定地在一個給定的試樣中識別出某個物質(zhì)的實際存在.而非專

2、一性測試那么只能指出試樣中有哪類物質(zhì)存在.盡管非專一性測試能夠用統(tǒng)計的方法提示該物質(zhì)具體是那種物質(zhì),但存在識別上的正偏差.目錄1歷史2儀器設(shè)備2.1 GC-MS吹掃和捕集2.2 質(zhì)譜檢測器的類型3分析3.1 MS全程掃描3.2 選擇的離子檢測3.3 離子化類型3.3.1 電子離子化3.3.2 化學(xué)離子化3.4 GC-串聯(lián)MS4應(yīng)用4.1 環(huán)境檢測和清潔4.2 刑事鑒識4.3 執(zhí)法方面的應(yīng)用4.4 運動反興奮劑分析4.5 社會平安4.6 食品、飲料和香水分析4.7 天體化學(xué)4.8 醫(yī)藥5參考文獻(xiàn)6參考書目7外部鏈接歷史用質(zhì)譜儀作為氣相色譜的檢測器是上個世紀(jì)50年代期間由RolandGohlke和

3、FredMcLafferty首先開發(fā)的.當(dāng)時所使用的敏感的質(zhì)譜儀體積龐大、容易損壞只能作為固定的實驗室裝置使用.價格適中且小型化的電腦的開發(fā)為這一儀器使用的簡單化提供了幫助,并且,大大地改善了分析樣品所花的時間.1964年,美國電子聯(lián)合公司(ElectronicAssociates,Inc.簡稱EAI)-美國模擬計算機(jī)供給商的先驅(qū)在開始開發(fā)電腦限制的四極桿質(zhì)譜儀RobertE.Finnigan的指導(dǎo)下3開始開發(fā)電腦限制的四極桿質(zhì)譜儀.到了1966年,Finnigan和MikeUthe的EAI分部合作售出500多臺四極桿殘留氣體分析儀.1967年,Finnigan儀器公司the(Finnigan

4、InstrumentCorporation,簡稱FIC)組建就緒,1968年初就給斯坦福大學(xué)和普渡大學(xué)發(fā)送了第一臺GC/MS的最早雛型.FIC最后重新命名為菲尼根公司(FinniganCorporation)并且繼續(xù)持世界GC/MS系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)之牛耳.1966年,當(dāng)時最尖端的高速GC-MS(thetop-of-the-linehigh-speedGC-MSunits)單元在不到90秒的時間里,完成了火災(zāi)助燃物的分析,然而,如果使用第一代GC-MS至少需要16分鐘.到2000年使用四極桿技術(shù)的電腦化的GC/MS儀器已經(jīng)化學(xué)研究和有機(jī)物分析的必不可少的儀器.今天電腦化的GC/MS儀器被廣泛地用在

5、水、空氣、土壤等的環(huán)境檢測中；同時也用于農(nóng)業(yè)調(diào)控、食品平安、以及醫(yī)藥產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)中.氣質(zhì)聯(lián)用色譜是由兩個主要局部組成：即氣相色譜局部和質(zhì)譜局部.氣相色譜使用毛細(xì)管柱,其關(guān)鍵參數(shù)是柱的尺寸(長度、直徑、液膜厚度)以及固定相性質(zhì)(例如,5%苯基聚硅氧烷.當(dāng)試樣流經(jīng)柱子時,根據(jù)個組分分子的化學(xué)性質(zhì)的差異而得到別離.分子被柱子所保存,然后,在不同時間叫做保存時間流出柱子.流出柱子的分子被下游的質(zhì)譜分析器做俘獲,離子化、加速、偏向、最終分別測定離子化的分子.質(zhì)譜儀是通過把每個分子斷裂成離子化碎片并通過其質(zhì)荷比來進(jìn)行測定的.GC-MSschematic把氣相色譜和質(zhì)譜這兩局部放在一起使用要比單獨使用那

6、一局部對物質(zhì)的識別都會精細(xì)很多很多倍.單用氣相色譜或質(zhì)譜是不可能精確地識別一種特定的分子的.通常,經(jīng)質(zhì)譜儀處理的需要是非常純的樣品,而使用傳統(tǒng)的檢測器的氣相色譜如,火焰離子化檢測器當(dāng)有多種分子通過色譜柱的時間一樣時即具有相同的保存時間不能予以區(qū)分,這樣會導(dǎo)致兩種或多種分子在同一時間流出柱子.在單獨使用質(zhì)譜檢測器時,也會出現(xiàn)樣式相似的離子化碎片.將這兩種方法結(jié)合起來那么能減少誤差的可能性,由于兩種分子同時具有相同的色譜行為和質(zhì)譜行為實屬非常罕見.因而,當(dāng)一張分子識別質(zhì)譜圖出現(xiàn)在某一特定的GC-MS分析的保存時間時,將典型地增高了對樣品種感興趣的被分析物確實定性.GC-MS吹掃和捕集在分析揮發(fā)性化

7、合物時,可以用吹掃和俘獲PurgeandTrap,P&T濃縮器系統(tǒng)導(dǎo)入樣品.提取目標(biāo)被分析物,并與水混合,然后導(dǎo)入氣密性室.用惰性氣體,比方氮氣N2往水中鼓泡；這就叫做吹掃.揮發(fā)性化合物運動到水上方的頂空headspace.并被壓力梯度驅(qū)使由引入吹掃氣體所引起流出氣密室.這些揮發(fā)性化合物被沿著頂線抽往阱.阱是一個裝有吸附材料的、處于室溫下的柱子.它將通過把這些揮發(fā)性化合物轉(zhuǎn)化成液相而保持住.然后,加熱給阱樣品化合物經(jīng)過一個揮發(fā)性界面被引入GC-MS柱,阱在這里相當(dāng)一個分流進(jìn)樣系統(tǒng).質(zhì)譜檢測器的類型和氣相色譜GC聯(lián)合使用的的質(zhì)譜的最常見類型是四極桿質(zhì)譜儀,有時根據(jù)惠普現(xiàn)在的安捷倫的商品名

8、叫做質(zhì)量選擇檢測器"MSD.其他相對普遍的是離子阱質(zhì)譜儀.另外,扇形磁場質(zhì)譜儀氣質(zhì)聯(lián)用中也有使用,然而,這些特別的儀器價格昂貴,體積龐大不適用于高通量效勞的實驗室.氣質(zhì)聯(lián)用中還可能遇到的其他的質(zhì)譜檢測器有：飛行時間檢測器timeofflight,TOF、串聯(lián)四極桿檢測器tandemquadrupoles,MS-MS請見下面內(nèi)容.或在離子阱的情況下MSn這里n指的是質(zhì)譜級數(shù).分析典型的質(zhì)譜檢測有兩種途徑：全程掃描和選擇性離子檢測SelectiveIonMonitoring,SIM.典型的GC-MS能夠根據(jù)對儀器的設(shè)定,分別地或同時地執(zhí)行這兩種功能.MS全程掃描當(dāng)以全程掃描方式收集數(shù)據(jù)時

9、,確定一個質(zhì)量片段目標(biāo)范圍并輸入儀器.一個典型的檢測質(zhì)量片段的廣度范圍可以是質(zhì)荷比m/z50到質(zhì)荷比400.掃描范圍確實定很大程度上決定于分析者預(yù)期試樣中所含的物質(zhì),同時要考慮容易和其他可能的干擾成分.MS不應(yīng)設(shè)定成尋找太低質(zhì)量的片段,否那么,會測到空氣發(fā)現(xiàn)如質(zhì)荷比為28的氮氣,二氧化碳m/z44或其他可能的干擾.另外,如果選擇一個很大的掃描范圍,由于每次掃描必需測定很寬的質(zhì)量范圍,所消耗的時間長,結(jié)構(gòu)每秒鐘掃描的次數(shù)減少,從而降低儀器的靈敏度.全程掃描對于測定試樣中的未知化合物有用.當(dāng)需要證實或解析試樣中的化合物時,它比SIM能提供更多的信息.在開發(fā)儀器方法的時候,通常首先用全程掃描模式分析

10、被測試的溶液確定保存時間和質(zhì)量碎片指紋圖,然后,轉(zhuǎn)向SIM儀器方法.選擇的離子檢測當(dāng)在儀器方法中輸入選擇監(jiān)測selectedionmonitoring,SIM某種離子片段時,僅有那些質(zhì)量的片段被質(zhì)譜儀監(jiān)測.SIM的優(yōu)點是由于每次掃描時,儀器僅尋找少量片段比方,三個片段其監(jiān)測限較低.每秒鐘能進(jìn)行更屢次的掃描.由于僅僅監(jiān)測所感興趣的幾個質(zhì)量片段,基質(zhì)干擾典型的低,為進(jìn)一步確證潛在的陽性結(jié)果的可能性,相對重要的是與參比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比擬確定各種離子片段的離子比.離子化類型在分子通過柱子后,流經(jīng)連接管線進(jìn)入質(zhì)譜儀,然后,被用各種方法離子化,每一次僅用其中的一種方法.一旦樣品被達(dá)成碎片后,將被監(jiān)測.通常用電子

11、倍增二極管檢測.電子倍增二極管將離子化的質(zhì)量片段轉(zhuǎn)化成電信號后進(jìn)行測定.離子化技術(shù)是不依賴于使用全程掃描還是SIM的.電子離子化到目前為止,最常用的也許是標(biāo)準(zhǔn)形式的離子化過程是電子離子化electronionization,EI.分子進(jìn)入MS其源為四極桿或離子阱MS的離子阱本身,在那里他們被由燈絲射出俄電子所轟擊.這里的燈絲不很像標(biāo)準(zhǔn)電燈泡里的燈絲.電子以特定的、可以重復(fù)的方式將分子擊成片段.這一硬離子化技術(shù)導(dǎo)致產(chǎn)生更多低質(zhì)荷比m/z的碎片,如果,仍存在的話,也非常少接近分子質(zhì)量單位的物種.質(zhì)譜專家所說的硬離子化是使用分子電子轟擊,而所謂軟質(zhì)子化是由導(dǎo)入的氣體和分子碰撞使分子帶電荷.分子片段的

12、模式依賴于應(yīng)用于系統(tǒng)的電子的能量,典型的是70eV(電子伏特).使用70eV能方便所產(chǎn)生的譜圖和制造商提供的圖庫軟件或美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所(theNationalInstituteofStandardsNIST-USA)開發(fā)的圖庫軟件里的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜進(jìn)行比擬.圖庫的搜索使用匹配算法,比方基于幾率的匹配和基于點積的匹配.化學(xué)離子化：Chemicalionization在化學(xué)質(zhì)譜法中,是將一種氣體,典型地是甲烷或氨氣引入質(zhì)譜儀中.根據(jù)所選擇的技術(shù)(正CI或負(fù)CI),該試劑氣體將與電子和被分析物發(fā)生作用引起感興趣的分子的軟'離子化.較軟的化學(xué)離子化與硬的化學(xué)離子化相比將較低程度的造成分子碎片化.使

13、用化學(xué)離子化的主要益處之一是產(chǎn)生緊密對應(yīng)于感興趣的被分析物的分子量的質(zhì)量碎片.正的化學(xué)離子化在正的化學(xué)離子化(PositiveChemicalIonization,PCI)中試劑氣體與目標(biāo)分子相互作用,最經(jīng)常是進(jìn)行質(zhì)子交換.這將產(chǎn)生相對大量的該物種.負(fù)的化學(xué)離子化在負(fù)化學(xué)離子化中(NegativeChemicalIonization,NCI)試劑氣體降低自由電子對目標(biāo)被分析物的碰撞.該降低了的能量典型地使大的碎片不再繼續(xù)斷裂,保持其大的含量.儀器分析的最初目的是為一種物質(zhì)定量.這要通過在產(chǎn)生的譜圖中比擬各原子質(zhì)量間的相對濃度來實現(xiàn).有可能通過兩種方法實現(xiàn)定量分析.比擬法和從頭分析法.比擬分析的

14、關(guān)鍵是將所獲得的被分析物的譜圖與譜庫里的譜圖進(jìn)行比擬,在譜庫中是否存在具有和該物質(zhì)特征一致的樣品的譜圖.這種比擬最好靠電腦來執(zhí)行,由于由于標(biāo)度的變化,會產(chǎn)生很多視覺上的扭曲.電腦同時還能關(guān)聯(lián)更多的數(shù)據(jù),(比方,由氣相色譜測定的保存時間),以至獲得更精確的結(jié)果.另一種方法是測量各質(zhì)譜峰的相對峰高.在該方法中,將最高的質(zhì)譜峰指定為100%,其他的峰根據(jù)對最頂峰的相比照例標(biāo)出其百分相對高度.將所有的大于3%相對高度的峰都進(jìn)行標(biāo)注.通常通過母體峰來確定未知化合物的總質(zhì)量.用母體峰的總質(zhì)量值與所推測的該化合物中所含元素的化學(xué)式相適配.對于具有許多同位素的元素,可以用譜圖中的同位素模式確定存在的元素.一旦

15、化學(xué)式與譜圖相匹配,就能確定分子結(jié)構(gòu)和成鍵方式,而且,必需和GC-MS記錄的特點相一致.典型地,這種測定是通過和儀器配備的程序自動進(jìn)行的,儀器給出樣品中可能存在的元素的列表.全譜分析考慮譜圖中所有的峰.與之相反,選擇性離子檢測(selectiveionmonitoring,SIM)僅僅監(jiān)測于特定物質(zhì)相關(guān)的峰.這種方法是根據(jù)在特定的保存時間,一組離子是一個特定的化合物的特征的假設(shè).這是一種快速、有效的分析方法,特別是分析者對樣品有些預(yù)知的信息或僅僅是尋找?guī)追N特定的物質(zhì)這種優(yōu)點就更為突出.當(dāng)在一個獲得的色譜峰中所搜集到的離子的信息量降低時,該分析的敏感度升高.所以,SIM分析能滿足檢測較小量的化合

16、物,但是關(guān)于該化合物測定結(jié)果確實定性程度下降.GC串聯(lián)MS當(dāng)?shù)诙噘|(zhì)譜片段參加時,例如,在四極桿儀器中使用第二個四極桿,就叫做串聯(lián)的MS(MS/MS).MS/MS有時可用于在高的試樣基質(zhì)背景下為小量的目標(biāo)化合物定量.第一個四極桿(Q1)與碰撞室(q2)以及另一個四極桿(Q3)相連.根據(jù)MS/MS分析操作的模式,兩個四極桿都可被用于掃描或靜態(tài)模式.分析的類型包括產(chǎn)物離子掃描、前體離子掃描.選擇的反響監(jiān)視(SelectedReactionMonitoring,SRM)(有時也叫多反響監(jiān)視(MultipleReactionMonitoring,MRM)和中性喪失掃描(NeutralLossScan)

17、.例如,當(dāng)Q1以靜態(tài)模式前,(像在SIM中那樣,僅僅觀察一個質(zhì)量),而Q3是以掃描模式,我們?nèi)〉靡环凶霎a(chǎn)物離子譜的譜圖(也叫子譜).從這張譜圖上,我們可以選擇一個突出的產(chǎn)物離子,它可能是選定的前體離子的產(chǎn)物離子.這種配對的方法叫躍遷(transition)它構(gòu)成了SRM的根底.SRM是高度特異性的并且?guī)缀跬耆嘶|(zhì)背景.應(yīng)用環(huán)境檢測和清潔在環(huán)境方面,GC-MS正在成為跟蹤持續(xù)有機(jī)物污染所選定的工具.GC-MS設(shè)備的費用已經(jīng)顯著地降低,并且,同時其可靠性也已經(jīng)提升.這樣就是該儀器更適合用于環(huán)境監(jiān)測研究.對于一些化合物,如某些殺蟲劑和除草劑GC-MS的敏感度不夠,但對大多數(shù)環(huán)境樣品的有機(jī)物分

18、析,其中包括許多主要類型的殺蟲劑,它是非常敏感和有效的.刑事鑒識GC-MS分析人身體上的小顆粒幫助將罪犯與罪行建立聯(lián)系.用GC-MS進(jìn)行火災(zāi)殘留物的分析的分析方法已經(jīng)很好確實立了起來.甚至,美國試驗材料學(xué)會確定了火災(zāi)殘留物的分析標(biāo)準(zhǔn).在這種分析中,GCMS/MS特別有用,由于試樣中常常含有非常復(fù)雜的基質(zhì),并且,法庭上使用的結(jié)果要求要有高的精確度.執(zhí)法方面的應(yīng)用GC-MS在麻醉毒品的監(jiān)測方面的應(yīng)用逐漸增多,甚至,最終會取代嗅藥犬.GC-MS也普遍地用于刑偵毒理學(xué)在嫌疑人、受害者或死者的生物標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)藥物和毒物.運動反興奮劑分析GC-MS也是用于運動反興奮劑實驗室,在運發(fā)動的尿樣中測試是否存在被禁用的體能促進(jìn)類藥物的主要工具,例如,測定合成代謝類固醇類藥物.社會平安9.11后開發(fā)的爆炸物監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為全美國飛機(jī)場設(shè)施的一局部.這些監(jiān)測系統(tǒng)的操作依賴大量的技術(shù),其中,許多是基于GC-MS的.美國聯(lián)