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一文弄懂气相色谱-质谱仪工作原理及优缺点

2025年02月05日 09:08:02 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：72

什么是气相色谱-质谱仪？
气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)由两种截然不同的分析技术组成：气相色谱(GC)与质谱(MS)联用。

气相色谱是一种分离科学技术，用于分离样品混合物中的化学成分，然后对其进行检测，以确定其存在与否和/或含量多少。气相色谱检测器提供的信息有限，通常是二维信息，即分析柱上的保留时间和检测器的响应。鉴别方法是将样品中峰的保留时间与使用相同方法分析的已知化合物标准的保留时间进行比较。但是，气相色谱不能单独用于未知化合物的鉴定，这正是与质谱联用非常有效的地方。质谱仪可用作的检测器，也可在质谱仪和气相色谱仪检测器之间分配色谱柱流出物。

质谱是一种测量带电粒子质荷比(m/z)的分析技术，因此可用于确定分子量和元素组成，以及阐明分子的化学结构。气相色谱质谱联用仪的数据是三维的，提供的质谱可用于确认身份或识别未知化合物，另外还提供可用于定性和定量分析的色谱图。

气相色谱-质谱仪工作原理

图1 气相色谱-质谱仪简图，显示(1)载气、(2)自动进样器、(3)入口、(4)分析柱、(5)接口、(6)真空、(7)离子源、(8)质量分析器、(9)离子检测器和(10)PC。资料来源：AnthiasConsulting。

样品混合物首先由气相色谱仪分离，然后分析物分子被洗脱到质谱仪中进行检测。它们由载气(图1(1))输送，载气持续流经气相色谱仪并进入质谱仪，由真空系统(6)抽真空。

1、样品首先通过手动或自动进样器进入气相色谱仪(图1(2))，然后通过气相色谱仪进气口进入载气(图1(3))。如果样品为液态，则在加热的气相色谱仪入口处汽化，然后将样品蒸汽转移到分析柱(图1(4))。

2、样品成分，即"分析物"，通过它们在流动相(载气)和液体固定相(固定在色谱柱内)之间的分配差异进行分离，或者对于挥发性较强的气体，通过固体固定相的吸附进行分离。在气相色谱-质谱分析中，见的是在狭窄(内径0.1-0.25毫米)和短(10-30米长)的色谱柱中使用液体固定相。

3、除非分析物是异构体，否则气相色谱-质谱分析不需要全基线分离，分离后，中性分子通过加热的传输管路(图1(5))洗脱到质谱仪中。

4、在质谱仪内，中性分子首先被电离，见的方法是电子电离(EI)。在电子电离过程中，由灯丝产生的电子以70电子伏特(eV)的速度加速，将分子中的一个电子击出，产生一个分子离子，该离子是一个自由基阳离子。这种高能电离会产生不稳定的分子离子，多余的能量会通过碎片流失。键的断裂会导致自由基或中性分子的损失，分子重排也会发生。这一切都会产生不同质量的离子，有时数量非常大，其中最重的是分子离子，其碎片离子的质量较低，具体取决于以下因素：
◆分子式
◆分析物的分子结构
◆发生化学键断裂的地方
◆哪个部分保留了电荷

5、下一步是分离不同质量的离子，质量分析器根据离子的m/z将其分离(图1(8))。

质量分析器有许多不同的类型，这就是质量分辨率(以及仪器价格)存在巨大差异的原因。质量分辨率是指质量分析器分离m/z相差极小的离子的能力。单位质量分辨率仪器只能分离标称质量或精确到小数点后一位的质量，而高质量分辨率(HRMS)仪器则可以分离到小数点后四或五位。

见的单位质量分析器类型是四极杆，它是一种扫描仪器，通过改变电压，只允许特定m/z的离子以稳定的轨迹通过四极杆到达离子检测器。四极杆仪器有两种不同的工作模式：

①全扫描(SCAN)模式在一定质量范围内获取所有离子，适用于未知物的鉴定、方法开发以及高浓度分析物的定性和定量分析。

②选择离子监测(SIM)模式，只采集代表目标化合物的选择离子，适用于痕量分析，因为灵敏度更高，但只针对目标分析物。

离子被质量分析器根据其m/z分离出来后，到达离子检测器(图1(9))。(图1(9))，在这里信号被电子倍增器(用于大多数低分辨率质谱仪)或多通道板(用于大多数HRMS仪器)放大。信号由计算机上的采集软件记录(图1(10))，为每个数据点生成色谱图和质谱。

气相色谱-质谱分析以及保留时间的意义
如图2所示，气相色谱-质谱数据是三维的。x轴显示保留时间；即从样品注入到气相色谱运行结束的时间。这也可以看作是扫描次数，即质谱仪在整个运行过程中获得的数据点的数量。y轴是离子检测器测量到的响应或强度(图1(9))。z轴是所获取的质量范围内离子的m/z。

图2 GC-MS数据是三维的，给出了扫描次数/保留时间、响应/强度和m/z。资料来源：AnthiasConsulting。

二维色谱图(如图3所示)是将单个数据点的所有离子丰度相加，并将其与保留时间(RT)/扫描次数相对照，生成总离子色谱图(TIC)，这与气相色谱检测器生成的色谱图更为相似。不过，总离子色谱图中的每个数据点都是独立的质谱，通常可在软件的单独窗口中打开。在图3显示的示例中，峰3的顶点数据点已经打开。

图3 气相色谱-质谱仪输出的总离子色谱图(TIC)。资料来源：AnthiasConsulting。

直链碳氢化合物正癸烷的质谱示例见图4。分子离子142m/z位于最右侧。由于癸烷是饱和碳氢化合物，电离产生的多余能量无法在内部分散，因此大多数分子离子会发生碎裂，从而产生许多碎片离子，分子离子的丰度较低。饱和碳氢化合物的链长越长，分子离子的丰度就越低，直到质谱中观察不到分子离子为止。然而，不饱和分子离子，尤其是那些带有共轭双键的分子离子(如芳香族化合物)，由于多余的能量更容易内化，因此碎片较少。从癸烷的质谱中观察到的另一个现象是，在m/z43、57、71、85、99和113处有一系列的碎片离子，它们的m/z相差14。这些碎片离子是由连续的-C2H4-单元上的键重叠裂解形成的，如果电荷为+1，则相当于28Da，这也是碳氢化合物质谱的一个主要特征。质谱是分子的指纹，如果使用相同的电离技术和电压获得，则可与使用相同技术、相同电压获得的质谱库进行比较。见的商业谱库是在70eV下产生的电离质谱。质谱还可以通过离子的质量、同位素的存在以及碎片离子之间的损耗来确定分子式和分子结构。

图4 直链碳氢化合物癸烷(C10H22)的质谱示例。

在气相色谱中，保留时间用于鉴定目标分析物，而面积通常用于定量。如图3所示，RT1和RT2的峰值必须具有良好的色谱分离度和基线分离，才能准确定量。对于气相色谱-质谱联用仪，质谱提供了一种额外的方法，可使用完整的质谱或使用少数几个离子的存在和相对比率来确认目标分析物。使用GC-MS数据进行定量时，通常使用单一、特征性离子的面积，因为与使用TIC峰下的面积相比，它不太可能受到共沉淀峰的干扰。因此，准确定量并不需要色谱基线分离，只要能选择共污染峰中不存在的离子，从而对峰进行质谱分辨，并实现基线到基线的积分即可。

气相色谱-质谱仪的优势和局限性
仅使用气相色谱是有局限性的，因为它无法使用标准气相色谱检测器识别未知化合物，但如果与质谱联用，则可以做到这一点。相反，使用质谱仪直接分析样品会产生混合质谱，难以解析和解释，尤其是当样品中含有多种化合物时。但与气相色谱配对后，就能分离混合物。

并非所有化合物都能在标准气相色谱柱上分离，因此利用质谱分离去除干扰的能力可实现更精确的定量。质谱的解卷积可以检测基线和基质峰下的小峰，选择性MS/MS可以在干扰很小的情况下识别非常复杂样品中的痕量分析物。

分析物的同分异构体通常具有相同或非常相似的质谱，因此仅靠质谱很难区分它们。因此，需要使用色谱分离来分离它们。单个异构体可通过其保留时间来识别，因此需要良好的色谱分离来进行准确的积分和定量。这一点对于同源系列(如饱和碳氢化合物)也是一样，超过一定的链长，就看不到分子离子，质谱看起来都是一样的。同样，必须使用保留时间来确定饱和碳氢化合物的特性。

如果缺乏用于鉴定化合物的分子离子，可以使用其他柔和电离方法。例如，较低电子伏特的电离或正负模式的化学电离可产生较少的碎片离子，防止分子离子的丢失或使其峰值更强。不过，碎片模式在很大程度上用于鉴定化合物的结构，通常需要创建目标库，因为软电离技术的目标库很少，但随着软电离技术的广泛应用，这种情况正在得到改善。

气相色谱和质谱联用将两种功能强大的技术结合在一起，两者相辅相成，可用于分离和鉴定样品中的化合物。当一种方法无法提供答案时，另一种方法便可作为依据。

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