气相色谱-质谱联用仪入门级知识点

王中泰

气相色谱-质谱联用仪入门级知识点

GC-MS总体上由以下五大部分组成：色谱仪（常压）、接口部分、质谱分析器（高真空）和计算机数据处理系统。示意图如下：

1.气相色谱部分

气相色谱仪的基本流程如图3所示。主要包括以下5大系统：气路系统、进样系统、分离系统、温度控制系统以及检测和记录系统。

气相色谱仪的组成部分及作用：

（1）载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量。为获得纯净、流速稳定的载气。

（2）进样系统：包括进样器和气化室。进样器分气体进样器和液体进样器，气化室是将液体样品瞬间气化的装置。

（3）分离系统：包括色谱柱和柱温箱和控温装置。根据各组分在流动相和固定相中分配系数或吸附系数的差异，使各组分在色谱柱中得到分离。

（4）温控系统：控制气化室、柱箱和检测器的温度。

（5）检测和记录系统：包括检测器、放大器、记录仪、或数据处理装置、工作站 （色谱图）。将各组分的浓度或质量转变成电信号并记录。

接口部分

是协调联用仪器输出和输入状态的硬件设备。一般分为直接接口（小口径毛细管柱）和开口分流接口（大口径毛细管柱），用于除去GC部分的载气并传输组分。在GC-MS联用中有两个作用：

（1）压力匹配——质谱离子源的真空度在10-3Pa，而GC色谱柱出口压力高达105Pa，接口的作用就是要使两者压力匹配。

（2）组分浓缩——从GC色谱柱流出的气体中有大量载气，接口的作用是排除载气，使被测物浓缩后进入离子源。

2.MS质谱部分

质谱仪的基本部件有：离子源、滤质器、检测器三部分组成（结构示意图如图4），它们被安放在真空总管道内。在GC-MS联用中经过气相色谱分离的各气态分子受离子源轰击，电解裂解成分子离子，并进一步碎裂为碎片离子。在电场和磁场综合作用下，按照m/z大小进行分离，到达检测器检测、记录和整理，得到质谱图，实现样品定性定量分析。

（1）进样系统：GC出来的样品直接进入MS分析仪。

（2）离子源：离子源的作用是接受样品产生离子。常用的离子化方式有：电子轰击EI;化学电离CI.

（3）质量分析器：其作用是将电离室中生成的离子按质荷比（m/z）大小分开，进行质谱检测。常见质量分析器有：四极质量分析器; 扇形质量分析器; 双聚焦质量分析器; 离子阱检测器。

（4）检测器：检测器的作用是将离子束转变成电信号，并将信号放大，常用检测器是电子倍增器。

3.GC-MS联用技术

（1）原理

下图为GC-MS联用仪的内部组成示意图。在这个组合中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的中央控制单元。

4.GC-MS技术特点

优点：

一般应用可省略色谱检测器：GC作为进样系统，将待测样品分离后直接导入质谱进行检测，既满足了质谱分析对样品单一性的要求，又省去样品制备、转移的繁琐过程，不仅避免了样品受污染，对质谱进样量还能有效控制，也减少了质谱仪的污染，极大地提高了对混合物分离、定性定量效率。

定性能力高：用色谱保留时间结合化合物的指纹质谱图鉴定组分，大大优于仅靠色谱保留时间。GC-MS的定性指标有分子离子、功能团离子、离子峰强度比、同位素离子峰、离子反应的母子离子质量数以及总离子流色谱峰、选择离子色谱峰和选择反应色谱峰所对应的保留时间窗。

可分离尚未分离的色谱峰：用提取离子、选择离子监测或选择反应监测法，以及结合某些数据处理方法(如AMDIS)，可分离总离子流色谱图上尚未分离或被化学噪声掩盖的色谱峰。

可提高定量分析精度：通过用同位素稀释和内标技术可提高定量精度和定性能力。

提高仪器功能，实现分析自动化：计算机的多功能使仪器的结构更简单，操作更方便，更易于实现分析工作的自动化。

不足：

分析对象有限制：分析对象限于在300℃左右及以下可以汽化、并且能离子化的样品；在加热过程中易分解的、极性太强的化合物，如有机酸类等，则需进行酯化衍生处理才可进行GC—MS分析，如果样品不能汽化也不能酯化则需采取LC—MS或其他方法分析；

测试条件有限制：GC—MS分析样品应是有机溶液，固体或水溶液中的有机物一般不能测定，需进行萃取分离变为有机溶液，或采用热裂解、顶空进样技术。

质谱应用有限制：目前质谱还有一个很重要的不足是对很多异构体(尤其是位置异构)无法分辨。

5.GC-MS测样要求

GC-MS分析可用于液体，气体和固体样品，但主要限于挥发性和半挥发性化合物。

气体&液体：样品通常直接注入GC。

固体：固体，通过溶剂萃取，除气（解吸）或热解进行分析。解吸实验在40-300℃之间的受控温度下在氦气流下进行，在解吸期间在低温阱上收集分析物。

热解是用于分析不能直接注入GC-MS的材料的另一种取样技术。通过直接向样品施加热，分子可以以可再现的方式分解。然后将较小的分子引入GC中并通过GC-MS分析。

总体要求：样品要求溶解于有机溶剂（如丙酮、正己烷等）；样品中不能含有水，盐类和酸碱类等物质；应是易挥发的、热稳定的，沸点一般不超过500℃，分子量小于500的化合物；需要进行衍生化处理的样品，要提前处理好；样品含量在ppb-ppm级，样品一般不少于0.5mL，太少的样品量需要配置微量衬管。

王中泰

6、GC-MS结果分析
定性分析基础：
GC／MS联用分析常用的定量方法和色谱一样有三种，外加一种GC-MS特有方法：
(1) 归一化法。将样品中所有组分含量之和作为100，计算各个组分的相对百分含量，称为归一化法。计算公式：

式中  Wi——组分i含量；Ai——组分i的峰面积(或峰高)；fi——组分i的质量校正因子。当fi为体积校正因子或摩尔校正因子时，结果分别为体积分数或摩尔分数。  

(2) 外标标准曲线方法。用标准样品配制不同浓度的标样，在与待测样品完全相同的操作条件下，测得标样中各化合物的峰面积或峰高，得到响应因子：

式中  Wi——待测化合物标样含量；Ai——待测化合物标样峰面积(或峰高)。

(3) 内标法内标标准曲线方法 。外标法存在一定缺点，限于每次的分析条件从样品处理到测试都会产生误差。为了克服不可避免的测量误差，选择适当的基准物质(内标化合物)加入标样和待测样品中进行测定，计算待测化合物和内标化合物响应值之比(称为相对响应因子)，由相对响应因子和加入内标化合物的量进行定量，称为内标法。相对响应因子计算，如下：

式中  wi——待测化合物标样含量；Ai——待测化合物标样峰面积(或峰高)；WS——内标化合物含量；As——内标化合物峰面积(或峰高)

（4）同位素稀释法。最理想的是采用待测化合物的同位素标记物作为内标，可以保证内标化合物的化学性质、色谱行为、质谱行为都与待测化合物一致，这样可以消除化合物之间的差别带来的误差。同位素标记物作内标只有GC／MS联用技术可以运用。计算公式：

式中，RF为校正因子，RF=含量/面积或含量/峰高；C为含量；S为峰面积或峰高。

同位素稀释法的优点为：一般可以校正基体影响(标样和样品的差别)，提取效率稳定；进样误差小，保留时间随溶剂梯度变化影响不大；仪器漂移影响小；在质谱中同位素稀释剂与样品分析物响应稳定，定量结果从样品分析物与内标的响应比得出更准确。缺点为：样品制备很耗时；对移液和稀释等中的误差结果有缺陷。

7、GC-MS常见疑难问题解答

（1）质谱开机约7 分钟后，前级泵自动关闭。

质谱启动7分钟内如果前级泵真空不低于300mTorr （扩散泵系统）或分子涡轮泵转速小于80%，机械泵将自动关闭以避免大量空气抽入真空腔导致污染。一般的原因是真空腔没关好。

（2）氮气峰丰度大于20%，导致调谐评价不达标，报告显示系统有泄漏。

从调谐报告中的18，28和32相对于69的丰度可以看出问题所在。如果18很高而28，32很低就意味着抽真空时间不够，因为水较难抽走。如果18很低而28，32很高，那就是真的有漏气，一般原因是柱子没装好，比如说用错石墨垫。如果18，32都很低而28很高，那并不意味着漏气，其原因可能是气体净化管进了空气或者是气体质量不好。我还见过40很高的情况，最后发现用户买的氦气其实是氩气。

（3）调谐通不过，提示“没有发射电流”。

如果用户刚洗过离子源，那就是灯丝没装好。否则是灯丝烧了。解决办法要么换灯丝，要么 在手动调谐里改用另一灯丝即可。记住当你发现质谱有问题时，别忘了想想之前你动了什么。

（4）不装柱子调谐可以通过，装了柱子通不过。

不装柱子调谐正常表示质谱是好的，问题出在柱子上。常见的原因有两个：一是柱子断了或 密封不好导致质谱真空下降，二是柱子伸的太长挡住了电子束。

（5）调谐评价显示真空很好，18和28都很低，但是502 丰度小于3%。

先检查离子源温度，如果离子源温度高于230度，要先把它降到230度。因为离子源温度越高，502的丰度就越低。然后检查Repeller电压，你可以适当提高Repeller电压的最高限制，比如说35伏。较高的电压可以得到较高的502相对丰度。如果这些措施都无效，可能需要清洗离子源。

（6）质量数不正确或者质谱图很怪，和标准质谱图根本对不上号。

质谱需要调谐，就好比砝码需要校准。自动调谐的结果存在atune.u 里头。如果你的方法采用的调谐文件名字不叫atune.u，比如说叫himass.u ，记住要在调谐后把调谐结果存到himass.u，否则调谐了也没用上。

（7）无法联机。

工作站非正常退出会导致无法联机。这是你需要重启电脑，气相色谱和质谱。

（8）气相色谱已启动，但质谱不采集数据

原因有两种：一是溶剂延迟尚未结束，二是“Remote cable”没装好。