氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)由兩種截然不同的分析技術(shù)組成：氣相色譜(GC)與質(zhì)譜(MS)聯(lián)用。
氣相色譜是一種分離科學(xué)技術(shù)，用于分離樣品混合物中的化學(xué)成分，然后對其進(jìn)行檢測，以確定其存在與否和/或含量多少。氣相色譜檢測器提供的信息有限，通常是二維信息，即分析柱上的保留時(shí)間和檢測器的響應(yīng)。鑒別方法是將樣品中峰的保留時(shí)間與使用相同方法分析的已知化合物標(biāo)準(zhǔn)的保留時(shí)間進(jìn)行比較。但是，氣相色譜不能單獨(dú)用于未知化合物的鑒定，這正是與質(zhì)譜聯(lián)用非常有效的地方。質(zhì)譜儀可用作唯一的檢測器，也可在質(zhì)譜儀和氣相色譜儀檢測器之間分配色譜柱流出物。
質(zhì)譜是一種測量帶電粒子質(zhì)荷比(m/z)的分析技術(shù)，因此可用于確定分子量和元素組成，以及闡明分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀的數(shù)據(jù)是三維的，提供的質(zhì)譜可用于確認(rèn)身份或識(shí)別未知化合物，另外還提供可用于定性和定量分析的色譜圖。
氣相色譜-質(zhì)譜儀工作原理
圖1 氣相色譜-質(zhì)譜儀簡圖，顯示(1)載氣、(2)自動(dòng)進(jìn)樣器、(3)入口、(4)分析柱、(5)接口、(6)真空、(7)離子源、(8)質(zhì)量分析器、(9)離子檢測器和(10)PC。資料來源：AnthiasConsulting。
樣品混合物首先由氣相色譜儀分離，然后分析物分子被洗脫到質(zhì)譜儀中進(jìn)行檢測。它們由載氣(圖1(1))輸送，載氣持續(xù)流經(jīng)氣相色譜儀并進(jìn)入質(zhì)譜儀，由真空系統(tǒng)(6)抽真空。
1、樣品首先通過手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)入氣相色譜儀(圖1(2))，然后通過氣相色譜儀進(jìn)氣口進(jìn)入載氣(圖1(3))。如果樣品為液態(tài)，則在加熱的氣相色譜儀入口處汽化，然后將樣品蒸汽轉(zhuǎn)移到分析柱(圖1(4))。
2、樣品成分，即"分析物"，通過它們在流動(dòng)相(載氣)和液體固定相(固定在色譜柱內(nèi))之間的分配差異進(jìn)行分離，或者對于揮發(fā)性較強(qiáng)的氣體，通過固體固定相的吸附進(jìn)行分離。在氣相色譜-質(zhì)譜分析中，最常見的是在狹窄(內(nèi)徑0.1-0.25毫米)和短(10-30米長)的色譜柱中使用液體固定相。
3、除非分析物是異構(gòu)體，否則氣相色譜-質(zhì)譜分析不需要全基線分離，分離后，中性分子通過加熱的傳輸管路(圖1(5))洗脫到質(zhì)譜儀中。
4、在質(zhì)譜儀內(nèi)，中性分子首先被電離，最常見的方法是電子電離(EI)。在電子電離過程中，由燈絲產(chǎn)生的電子以70電子伏特(eV)的速度加速，將分子中的一個(gè)電子擊出，產(chǎn)生一個(gè)分子離子，該離子是一個(gè)自由基陽離子。這種高能電離會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的分子離子，多余的能量會(huì)通過碎片流失。鍵的斷裂會(huì)導(dǎo)致自由基或中性分子的損失，分子重排也會(huì)發(fā)生。這一切都會(huì)產(chǎn)生不同質(zhì)量的離子，有時(shí)數(shù)量非常大，其中最重的是分子離子，其碎片離子的質(zhì)量較低，具體取決于以下因素：
◆分子式
◆分析物的分子結(jié)構(gòu)
◆發(fā)生化學(xué)鍵斷裂的地方
◆哪個(gè)部分保留了電荷
5、下一步是分離不同質(zhì)量的離子，質(zhì)量分析器根據(jù)離子的m/z將其分離(圖1(8))。
質(zhì)量分析器有許多不同的類型，這就是質(zhì)量分辨率(以及儀器價(jià)格)存在巨大差異的原因。質(zhì)量分辨率是指質(zhì)量分析器分離m/z相差極小的離子的能力。單位質(zhì)量分辨率儀器只能分離標(biāo)稱質(zhì)量或精確到小數(shù)點(diǎn)后一位的質(zhì)量，而高質(zhì)量分辨率(HRMS)儀器則可以分離到小數(shù)點(diǎn)后四或五位。
最常見的單位質(zhì)量分析器類型是四極桿，它是一種掃描儀器，通過改變電壓，只允許特定m/z的離子以穩(wěn)定的軌跡通過四極桿到達(dá)離子檢測器。四極桿儀器有兩種不同的工作模式：
①全掃描(SCAN)模式在一定質(zhì)量范圍內(nèi)獲取所有離子，適用于未知物的鑒定、方法開發(fā)以及高濃度分析物的定性和定量分析。
②選擇離子監(jiān)測(SIM)模式，只采集代表目標(biāo)化合物的選擇離子，適用于痕量分析，因?yàn)殪`敏度更高，但只針對目標(biāo)分析物。
離子被質(zhì)量分析器根據(jù)其m/z分離出來后，到達(dá)離子檢測器(圖1(9))。(圖1(9))，在這里信號(hào)被電子倍增器(用于大多數(shù)低分辨率質(zhì)譜儀)或多通道板(用于大多數(shù)HRMS儀器)放大。信號(hào)由計(jì)算機(jī)上的采集軟件記錄(圖1(10))，為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)生成色譜圖和質(zhì)譜。
氣相色譜-質(zhì)譜分析以及保留時(shí)間的意義
如圖2所示，氣相色譜-質(zhì)譜數(shù)據(jù)是三維的。x軸顯示保留時(shí)間；即從樣品注入到氣相色譜運(yùn)行結(jié)束的時(shí)間。這也可以看作是掃描次數(shù)，即質(zhì)譜儀在整個(gè)運(yùn)行過程中獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。y軸是離子檢測器測量到的響應(yīng)或強(qiáng)度(圖1(9))。z軸是所獲取的質(zhì)量范圍內(nèi)離子的m/z。
圖2 GC-MS數(shù)據(jù)是三維的，給出了掃描次數(shù)/保留時(shí)間、響應(yīng)/強(qiáng)度和m/z。資料來源：AnthiasConsulting。
二維色譜圖(如圖3所示)是將單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的所有離子豐度相加，并將其與保留時(shí)間(RT)/掃描次數(shù)相對照，生成總離子色譜圖(TIC)，這與氣相色譜檢測器生成的色譜圖更為相似。不過，總離子色譜圖中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是獨(dú)立的質(zhì)譜，通常可在軟件的單獨(dú)窗口中打開。在圖3顯示的示例中，峰3的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)已經(jīng)打開。
圖3 氣相色譜-質(zhì)譜儀輸出的總離子色譜圖(TIC)。資料來源：AnthiasConsulting。
直鏈碳?xì)浠衔镎锿榈馁|(zhì)譜示例見圖4。分子離子142m/z位于最右側(cè)。由于癸烷是飽和碳?xì)浠衔?，電離產(chǎn)生的多余能量無法在內(nèi)部分散，因此大多數(shù)分子離子會(huì)發(fā)生碎裂，從而產(chǎn)生許多碎片離子，分子離子的豐度較低。飽和碳?xì)浠衔锏逆滈L越長，分子離子的豐度就越低，直到質(zhì)譜中觀察不到分子離子為止。然而，不飽和分子離子，尤其是那些帶有共軛雙鍵的分子離子(如芳香族化合物)，由于多余的能量更容易內(nèi)化，因此碎片較少。從癸烷的質(zhì)譜中觀察到的另一個(gè)現(xiàn)象是，在m/z43、57、71、85、99和113處有一系列的碎片離子，它們的m/z相差14。這些碎片離子是由連續(xù)的-C2H4-單元上的鍵重疊裂解形成的，如果電荷為+1，則相當(dāng)于28Da，這也是碳?xì)浠衔镔|(zhì)譜的一個(gè)主要特征。質(zhì)譜是分子的指紋，如果使用相同的電離技術(shù)和電壓獲得，則可與使用相同技術(shù)、相同電壓獲得的質(zhì)譜庫進(jìn)行比較。最常見的商業(yè)譜庫是在70eV下產(chǎn)生的電離質(zhì)譜。質(zhì)譜還可以通過離子的質(zhì)量、同位素的存在以及碎片離子之間的損耗來確定分子式和分子結(jié)構(gòu)。
圖4 直鏈碳?xì)浠衔锕锿?C10H22)的質(zhì)譜示例。
在氣相色譜中，保留時(shí)間用于鑒定目標(biāo)分析物，而面積通常用于定量。如圖3所示，RT1和RT2的峰值必須具有良好的色譜分離度和基線分離，才能準(zhǔn)確定量。對于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，質(zhì)譜提供了一種額外的方法，可使用完整的質(zhì)譜或使用少數(shù)幾個(gè)離子的存在和相對比率來確認(rèn)目標(biāo)分析物。使用GC-MS數(shù)據(jù)進(jìn)行定量時(shí)，通常使用單一、特征性離子的面積，因?yàn)榕c使用TIC峰下的面積相比，它不太可能受到共沉淀峰的干擾。因此，準(zhǔn)確定量并不需要色譜基線分離，只要能選擇共污染峰中不存在的獨(dú)特離子，從而對峰進(jìn)行質(zhì)譜分辨，并實(shí)現(xiàn)基線到基線的積分即可。
氣相色譜-質(zhì)譜儀的優(yōu)勢和局限性
僅使用氣相色譜是有局限性的，因?yàn)樗鼰o法使用標(biāo)準(zhǔn)氣相色譜檢測器識(shí)別未知化合物，但如果與質(zhì)譜聯(lián)用，則可以做到這一點(diǎn)。相反，使用質(zhì)譜儀直接分析樣品會(huì)產(chǎn)生混合質(zhì)譜，難以解析和解釋，尤其是當(dāng)樣品中含有多種化合物時(shí)。但與氣相色譜配對后，就能分離混合物。
并非所有化合物都能在標(biāo)準(zhǔn)氣相色譜柱上分離，因此利用質(zhì)譜分離去除干擾的能力可實(shí)現(xiàn)更精確的定量。質(zhì)譜的解卷積可以檢測基線和基質(zhì)峰下的小峰，選擇性MS/MS可以在干擾很小的情況下識(shí)別非常復(fù)雜樣品中的痕量分析物。
分析物的同分異構(gòu)體通常具有相同或非常相似的質(zhì)譜，因此僅靠質(zhì)譜很難區(qū)分它們。因此，需要使用色譜分離來分離它們。單個(gè)異構(gòu)體可通過其保留時(shí)間來識(shí)別，因此需要良好的色譜分離來進(jìn)行準(zhǔn)確的積分和定量。這一點(diǎn)對于同源系列(如飽和碳?xì)浠衔?也是一樣，超過一定的鏈長，就看不到分子離子，質(zhì)譜看起來都是一樣的。同樣，必須使用保留時(shí)間來確定飽和碳?xì)浠衔锏奶匦浴?/span>
如果缺乏用于鑒定化合物的分子離子，可以使用其他柔和電離方法。例如，較低電子伏特的電離或正負(fù)模式的化學(xué)電離可產(chǎn)生較少的碎片離子，防止分子離子的丟失或使其峰值更強(qiáng)。不過，碎片模式在很大程度上用于鑒定化合物的結(jié)構(gòu)，通常需要?jiǎng)?chuàng)建目標(biāo)庫，因?yàn)檐涬婋x技術(shù)的目標(biāo)庫很少，但隨著軟電離技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這種情況正在得到改善。
氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用將兩種功能強(qiáng)大的技術(shù)結(jié)合在一起，兩者相輔相成，可用于分離和鑒定樣品中的化合物。當(dāng)一種方法無法提供答案時(shí)，另一種方法便可作為依據(jù)。
