【好东西】气质联用原理及应用 (2)1

【好东西】气质联用原理及应用 (2)1 1.1 概述 迄今为止，人们所认识的化合物已超过1000万种以上，而且新的化合物仍在 快速地增长，体系的分离和检测已成为化学的艰巨任务。 气相色谱(Gas chromatography，GC)具有极强的分离能力，但它对未知化合物的定性能力较差;质谱(Mass Spectrometry，MS)对未知化合物具有独特的鉴定能力，且灵敏度极高，但它要求被检测组分一般是纯化合物。将GC与MS联用，彼此扬长避短，既弥补了GC只凭保留时间难以对复杂化合物中未知组分做出可靠的定性鉴定的缺点，又利用了鉴别能力很强且灵敏度极高的MS作为检测器，凭借其高分辨能力、高灵敏度和分析过程简便快速的特点，GC-MS在环保、医药、农药和兴奋剂等领域起着越来越重要的作用，是分离和检测复杂化合物的 [1,2]最有力工具之一。 1.2 GC-MS联用技术的原理 1.2.1 联用技术原理概述 -3质谱法的基本原理是将样品分子置于高真空(<10Pa)的离子源中，使其受到高速电子流或强电场等作用，失去外层电子而生成分子离子，或化学键断裂生成各种碎片离子，经加速电场的作用形成离子束，进入质量分析器，再利用电场和磁场使其发生色散、聚焦，获得质谱图。根据质谱图提供的信息可进行有机物、无机物的定性、定量分析，复杂化合物的结构分析，同位素比的测定及固体表面的结构和组成等分析。 气相色谱法是一种以气体作为流动相的柱色谱分离分析方法，它可分为气-液色谱法和气-固色谱。作为一种分离和分析有机化合物有效方法，气相色谱法特别适合进行定量分析，但由于其主要采用对比未知组分的保留时间与相同条件下标准物质的保留时间的方法来定性，使得当处理复杂的样品时，气相色谱法很 难给出准确可靠的鉴定结果。 气-质联用(GC—MS)法是将GC和MS通过接口连接起来，GC将复杂混合物分离 [3]成单组分后进入MS进行分析检测。 1.2.2 GC-MS系统的组成 气质联用仪是分析仪器中较早实现联用技术的仪器。自1957年J.C.Holmes和 [5]F.A.Morrell首次实现气相色谱和质谱的联用以后，这一技术得到了长足的发展。在所有的联用技术中GC-MS联用技术发展最为完善，应用最广泛。GC-MS联用系统的一般由图1所示的各部分组成: 图1 GC-MS联用仪的组成示意图 气相色谱仪分离样品中各组分，起着样品制备的作用;接口把气相色谱流出的各组分送入质谱仪进行检测，起着气相色谱和质谱之间适配器的作用;质谱仪对接口依次引入的各组分进行分析，成为气相色谱仪的检测器;计算机系统交互式地控制气相色谱、接口和质谱仪，进行数据采集和处理，是GC-MS的中央控制 [4]单元。 图2是气相色谱分析的概述。它显示，混合物由一股气流(流动相，又称气相)携带通过一根长长的内壁涂有薄薄的一层液膜(液态固定相)的毛细柱。因为混合物的不同组分与固定相的结合能力不同，因此在柱的末端混合物中的各个组分会逐个的出来(洗脱)而达到分离的目的。 在一个简单的气相色谱装置中，这些被逐次洗脱出来的组分或者被某种火焰燃烧以便于检测(通用火焰离子化检测器， FID)，或者穿过某种其他的检测器后放入大气。在气相色谱中，这些组分在色谱图中是以峰的形式来记录。有关组分的信息通过测量色谱图中该组分峰的峰高和峰面积来确定。这些对应着检测到的组分量以及该组分通过毛细柱的时间。色谱图上某个组分峰最高点对应的时间(以进样作为时间起点)被成为保留时间。通常利用该组分的特定保留时间对其定性，但这种定性方式并不绝对准确，组分的确定经常会模糊或根本无法识别该组分。 与气相色谱形成鲜明对比的是，质谱检测器对混合物的检测毫无办法。如果一个单独的组分进入质谱检测器，它的质谱图可以通过各种离子化检测方法而获得(图3.)。确定了该物质的质谱图通常来说就可以准确的鉴别该物质为何物并可以确定它的分子结构。显然，如果是混合物质进入质谱检测器，所获得的质谱图就会是该混合物中所有组分谱图的总和(图4.)。 物质的质谱图可能会相当的复杂以至于准确的鉴别混合物中的多种组分几乎是不可能的。一方面气相色谱能够高效的分离混合物但并不善于鉴定各个组分;另一方面质谱检测器善于鉴别单一的组分却难以鉴别混合物。因此，不难理 用，组成气相解为什么早期人们为什么致力于研究如何将两种方法联合在一起使色谱,质谱联用仪(GC/MS)。气相色谱,质谱联用仪能将一切可气化的混合物 [5] 有效的分离并准确的定性、定量其组分。 1.2.3 GC-MS联用仪器的分类 按照仪器的机械尺寸，可以粗略地分为大型、中型、小型三类气质联用仪; 按照仪器的性能，可以粗略地分为高档、中档、低档三类气质联用仪或研究 级和常规检测级两类; 按照色谱技术，可分为气相色谱-四极杆质谱、气相色谱-离子阱质谱、气相色谱-飞行时间质谱等; 按照质谱仪的分辨率，可分为高分辨率(通常分辨率高于5000)、中分辨率(通常分辨率在1000和5000之间)、低分辨率(通常分辨率低于1000)气质联用仪。小型台式四极杆质谱检测器(MSD)的质量范围一般低于1000。四极杆质谱由于其本身固有的限制，一般GC-MS分辨率在2000以下。和气相色谱联用的飞行 [6]时间质谱(TOFMS)，其分辨率可达5000左右。 1.3 GC-MS联用技术的应用 GC-MS联用在分析检测和研究的许多领域中起着越来越重要的作用，特别是在许多有机化合物常规监测工作中成为一种必备的工具。如环保领域在检测许多有机污染物，特别是一些低浓度的有机化合物，如二噁英等的标准方法就规定用GC-MS;药物研究、生产、质控以及进出口的许多环节中都要用到GC-MS;法庭科学中对燃烧、爆炸现场的调查，对各种案件现场的各种残留物的检测，如纤维、呕吐物、血迹等检验和鉴定，无一不用到GC-MS;工业生产许多领域如石油、食品、化工等行业都离不开GC-MS;甚至竞技体育运动中，用GC-MS进行的兴奋剂检 [7]测起着越来越重要的作用。下面简单举例介绍GC-MS的一些应用。 1.3.1 痕量污染物分析 随着人类社会的不断发展，科学的不断进步，人们对生存环境中的痕量污染物的分析研究越来越重视。此类样品基体复杂，所含的未知组分多，且多为痕量分析范围，GC-MS是目前环境分析中判定未知化合物及其结构最有效的方法。已广泛应用于大气、水、土壤、沉积物、生物样品和化工产品等介质中各种有机污 [8,9]染物的痕量检测、鉴定和证实。 [10]黄成等采用固相萃取一衍生化气相色谱质谱法(GC/MS)测定某制药厂污水中的雌酮(E1)、雌二醇(E2)、雌三醇(E3)和乙炔基雌二醇(EE2)4种雌激素化合物。检出限为1.8,4.7ng/L，相对标准偏差为2.3%,9.1%。目标化合物的加标回收率为(94.0?2.9%,(101?3.8)%。 [11]DiGioia M.L.等人先用苯甲醛将PPD衍生，再用GC/MS在SIM条件下分析染发剂中的对苯二胺(PPD)转化成胺衍生物后仪器的响应度增强，从而提高了方法的灵敏度和准确度。此法使用稳定的N-苯亚甲基-4-甲基苯胺为内标，线性范围为0.1,25 mg/ml，相关系数为0.99，回收率97.50%-99.06%，是检测染发剂中PPD的一个有效方法。 [12]Aaron M.Peck和Keri C.Hornbuckle运用GC/MS检测北美洲河水中，空气中 3的人造麝香的含量，水中的含量为0-5ng/L,河面上空空气中的含量0-14ng/m。 [13]Jeffrey W.A.Charrois等运用GC/MS检测了应用水中亚硝胺类化合物(NDMA)的含量，检测限在0.4-1.6ng/L之间，和水中亚硝胺类化合物含量为0-180ng/L。 1.3.2 法庭科学 GC-MS用于血、尿、体液或毛发中各种毒品(如大麻、海洛因、可卡因等) 或血、尿中挥发性有机物(如甲醇、乙醇、氯仿等)的控制，为疑难案件的鉴定和审定，提供了有力的证据。另外，运动员尿样中兴奋剂的检测和案件中安眠镇 定药物的检测和鉴定，GC-MS也是必备的手段。 [14]Chiarotti等对样品的顶空固相微萃取的处理后，气质联用对47份可卡因样品中的溶剂残留进行同时定性定量的分析，提供了可卡因的全部化学特征，成为监测各种不同可卡因的有效方法。 [15]金永春等建立了同时检测人血液中摇头丸、异戊巴比妥、司可巴比妥、咖啡因、安眠酮、美沙酮、吗啡、安定、氯氮平、艾司唑仑10种常见毒品的气相色谱-质谱新方法，并对提取溶剂及其组成配比、体系pH值、超声振荡提取时间等样品预处理条件以及色谱柱等GC-MS分析条件进行考察和优化。 [16]Blanchfiowe采用甲基硼酸对克伦特罗(Clenbuterol，苯胺型β2-兴奋剂)进行衍生，然后进行GC-MS分析，测定牛肝脏、肌肉、尿、视网膜中克伦特罗残留，方法最低检出限肝脏、肌肉、尿为0.05ng/g，视网膜为4.0ng/g。 1.3.3 天然物质和食品 各种天然物质(如中草药、植物挥发油、昆虫性信息素和各种花香)有效成 分的研究，烟、酒和饮料中风味物质(如脂肪酸、醇和酯等)和有害物质(如甲 醇、农药和苯并芘等)的检测，还有药物及其临床化学的检验及鉴定，GC-MS也 是十分有效的手段。 [17]罗曼等对山苍子油进行水蒸气重蒸馏1次后，用乙醚萃取2次再进行GC-MS分析，共分离出63个峰，鉴定出46个化学单体组分。 [18]李天飞等采用索氏提取技术对烟叶末样品的挥发性成分进行提取，用GC/MS和双柱复检法对烟叶中的核心香气成分进行了定性、半定量分析，质谱共鉴定了65种香气成分。 1.4 GC-MS发展历程 1903年，俄国植物学家M(S(Tswett发表了题为“一种新型吸附现象及在生化分析上的应用”的研究论文，文中第一次提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法。1906年，他命名这种方法为色谱法。这种简易的分离技术，奠定了传统色谱法基础。但由于当时Tswett色谱技术分离速度慢、效率低，长时间内并没有受到当时科学界的重视。 1952年，James和Martin发明了气相色谱法，并因此获得了1952年的诺贝尔化学奖。1957年，Golay开创了毛细管气相色谱法。气相色谱法又称气相层析法，是一种采用冲洗法的色谱分离技术，特别适用于生化产品的分离纯化。气相色谱以气体作为流动相，用固体吸附剂或液体作固定相，它利用试样中各组分在色谱柱中的气相和固定液液相问的分配系数不同，当气化后的试样被载气带人色谱柱中运行时，组分就在其中的两相间进行反复多次的分配(吸附一解吸附或溶解一放出)，由于固定相对各组分的吸附或溶解能力不同，因此各组分在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，试样中被分离的各组分即能达到完全分离。目前单纯的气相色谱应用相对要少些，一般是与其他技术联用。传统的填充柱和毛细管气相色谱各有优缺点，填充柱由于分析物在柱上的高度分散导致分辨率低，而毛细管气相色谱在分离挥发性化合物时可避免溶液干扰，但却存在取样量 较少而灵敏度有所下降问题。近年来提出的由900,2 000支毛细管组成的毛细管束克服了这两者的缺点。 对于复杂多组分混合物分析，单种方法是难以解决的，往往需要两种或两种以上分析方法才能有效解决。其中气相色谱、质谱灵敏度都很高，最小检测量接近，被分析样品都必须气化，所以气一质联用更为适宜，成为开发最早的色谱联用仪器，在所有联用技术中发展相对最为完善。这种技术发展较快，对未知混合组分定性鉴定、分子结构的准确判断提供了一种更加完善的手段。目前，从事有机物质分析的实验室几乎都把GC—MS作为最主要的定性确认手段之一，在很多情况下也用于定量分析。现在发展迅速的小型台式质谱仪已成为气相色谱仪的一种 [19]专用检测器——质谱检测器(MSD)。 1.5 GC-MS联用中的主要技术问题 1.5.1仪器接口 众所周知，气相色谱的入口端压力高于大气压，在高于大气压力的状态下，样品混合物的气态分子在载气的带动下，因在流动相和固定相上的分配系数不同而产生的各组分在色谱柱内的流动速度不同，使各组分分离，最后和载气一起流出色谱柱。通常色谱柱的出口端为大气压力。质谱仪中样品气态分子在具有一定真空度的离子源中转化为样品气态离子。这些离子包括分子离子和其他各种碎片离子在高真空的条件下进入质量分析器运动。在质量扫描部件的作用下，检测器记录各种按质荷比分离不同的离子其离子流强度及其随时间的变化。因此，接口技术中要解决的问题是气相色谱仪的大气压的工作条件和质谱仪的真空工作条件的联接和匹配。接口要把气相色谱柱流出物中的载气，尽可能的除去，保留或浓缩待测物，使近似大气压的气流转变成适合离子化装置的粗真空，并协调色谱仪和质谱仪的工作流量。 1.5.2 扫描速度 没和色谱仪联接的质谱仪一般对扫描速度要求不高。和气相色谱仪联接的质谱仪，由于气相色谱峰很窄，有的仅几秒钟时间。一个完整的色谱峰通常需要至 少六个以上的数据点。这样就要求质谱仪有较高的扫描速度，才能在很短的时间 内完成多次全质量范围的质量扫描，另一方面，要求质谱仪能很快地在不同的质 [20] 量数之间来回转换，以满足选择离子检测的需要 。 [1] 张选君，等.气相色谱-质谱联用仪，化学工业出版社，1997. [2] 周良模，等.气相色谱新技术.科学出版社，1999. [3] 麦克法登W H著，周白衡，等译.气相色谱-质谱联用技术在有机分析中 的应用，科学出版社，1983. [4] 汪正范，等.色谱联用技术，化学工业出版社，2001. [5] Clarus 500 GC/MS型气相色谱质谱联用仪使用指南 [6] 汪正范，等.色谱联用技术.化学工业出版社，2001. [7] 汪正范，等.色谱联用技术.化学工业出版社，2001. [8] Richardson S.D.et al.,Water analysis:emerging contaminants and currentissues,Analytical Chemistry,2005,77:3807-3838. [9] Koester C.J.et al.,Trends in environmental analysis,Analytical Chemistry,2005,77:3737-3754. [10] 黄成，等.固相萃取-衍生化气相色谱/质谱法测定制药厂污水中的环境雌 激素，色谱，2008，26:618-621. [11] Di Gioian M.L.et al.,Determination by gas chromatography/mass spectrometry of p-phenylenediamine in hair dyes after conversion to an imine derivative,Journal of Chromatography A,2005,1066:143-148. [12] Peck A.M.et al.,Synthetic musk fragrances in Lake Michigan, Environmental Science&Technology,2004,38:368-372. [13] Charrios Jeffrey W.A.et al.,Detecting n-nitrosamines in drinking water at nanogram per liter levels using ammonia positive chemical ionization,Environmental Science&Technology,2004,38:4835-4841. [14] Chiarotti M.et al.,Gas chromatographic mass spectrometric analysis of residual solvent trapped into illicit cocaine exhibits using head-space solid-phase microextraction,Journal of Chromatography B:Analytical Technologies Biomedical and Life Science,2002,77:249-256. [15] 金永春，等.人血中10种常见毒品的GC-MS同时检测方法研究，分析测 试学报，2007，26:151-155. [16] Blanchflower W.et al.,Detection of clenbuterol residues in bovine liver,muscle,retina and urine using gas-chromatography/mass spectrometry,Biological MassSpectrometry,1993,22:326-330. [17] 罗曼，等(安徽黄山山苍子香精油成分分析，作物研究，2006，20:256-258. [18] 李天飞，等(烟叶中核心香气成分的GC/MS分析，云南大学学报(自然科 学版)，2001，23:217-221. [19] 王德庆，付群. GC与GC—MS联用技术进展及其在环境中的应用. 分析测试学 报，2007.9 [20] 汪正范，等.色谱联用技术.化学工业出版社，2001.