GC-MS的原理、应用、实例分析及日常维护 牛晓东

Contents 1. GC/MS简介 2. GC/MS原理 3.质谱仪的基本结构和功能 4. GC/MS应用 5. 应用实例分析

1. GC/MS简介

GC/MS简介 气相色谱法（gas chromatography, GC）是一种应用广泛的分离手段，它是以惰性气体（如N2）作为流动相的柱色谱法，其分离原理是基于样品中的组分在两相（固定相和流动相）间分配上的差异。 气相色谱法分离复杂混合物各组分能力强，但定性能力较差，常只是利用组分的保留特性来定性，对完全未知或无法获得基准物质的组分的定性分析就十分困难。

GC 的基本结构 流量控制器 温度控制区 数据处理 进样口 检测器 电信号 柱温箱 温度控制区 气体钢瓶 气体钢瓶 柱

随着质谱（mass spectrometry, MS）红外光谱及核磁共振等定性分析手段的发展，目前主要采用在线的联用技术。 将GC与MS直接联机，来解决GC定性困难的问题。目前多用毛细管气相色谱与质谱联用，检测限已达10-9g-10-12g水平。 GC/MS是集GC和MS所长，分离定性一气呵成。

质谱常用术语 离子丰度 检测器检测到的离子信号强度 质荷比 离子的质量与其所带电荷的比值，简写m/z 基峰 质荷比范围内强度最大的离子峰 分子离子 分子失去一个电子生成的离子，分子量数值 碎片离子 分子离子裂解所生成的产物离子

单一组分 供试品 分子分离器接口 保留组分进入离子源 定性、定量 离子化 分子转化为离子 按M/Z的差异分离测定 GC t，N2 除载气 电场、磁场 分子转化为离子 按M/Z的差异分离测定

对于有机化合物，在多数情况下，由于在离子化过程中接受了过多的能量，新生的分子离子会进一步裂解，生成各种碎片离子，经分析检测，记录为MS图。

有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子（正离子），也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。（阳离子，阴离子，中性碎片等） 由分子离子可以确定化合物分子量，由碎片离子可以得到化合物的结构信息。

高能打拿极和电子倍增器 正离子 + 高能打拿极 + - + - + - + - - + + - - - - + + + + + + + + 四级杆（质量分析器） 检测器离子聚焦 信号输出

GC-MS为复杂混合物的测定提供了快速有效的分析方法。 特别值得强调的是SIM（选择离子监测技术），可以获得很高的灵敏度和选择性，是目前痕量有机分析最有效的手段之一。

2. GC/MS原理

GC/MS原理 GC 分离组分（样品制备） 接口（GC和MS间适配器） MS仪进行检测。 GC是MS仪的进样系统。

计算机系统交互式地控制气相色谱、接口（Interface）和质谱仪，进行数据采集和处理，获得色谱和质谱数据，对复杂试样中的组分进行定性和定量分析。

3.质谱仪的基本结构和功能

四极杆MS 飞行时间MS 离子阱MS 磁MS

质谱仪的基本结构和功能 真空系统 进样系统 质谱单元 接口 工作站

真空系统

质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态： 干扰离子源调节 离子源灯丝损坏 真空度过低 加速极放电 本底增高 倍增器损坏 图谱复杂化

一般质谱仪都是分为二级真空系统： 真空度达到10-1-10-2Pa 分子泵（质子泵,高效率扩散泵）真空度达到10-3Pa(更高的真空度） 机械泵（初级真空20min） 真空度达到10-1-10-2Pa 一级 分子泵（质子泵,高效率扩散泵）真空度达到10-3Pa(更高的真空度） 二级

1 2 3 4 为什么MS需要真空？ 提供足够的平均自由程 提供无碰撞的离子轨道，碰撞可能导致离子偏离所期望的轨迹，导致产生意外的离子或副反应。 2 减少不必要的分子-离子反应（氧，氮）；减少背景干扰，增加灵敏度 3 4 延长离子源中灯丝，倍增器的使用寿命

进样系统

02 03 01 一般气体或易挥发液体试样 间接进样 直接进样 色谱进样 单组分，挥发性较低的固体或液体样品 多组分混合物分析，经GC分离后的流出组分，通过接口直接导入离子源。 单组分，挥发性较低的固体或液体样品 一般气体或易挥发液体试样

质谱单元

1 离子源 2 质量分析器 3 检测器

1 离子源 原理：由GC或直接进样杆进入的样品，以气体形式进入离子源，由电场阴极灯丝发出的电子束轰击与样品分子发生碰撞，使样品分子电离。获得的能量高于分子的电离能，形成离子束，到达质量分析器。

离子源使被分析物质离子化，具有聚焦和准直的作用，并使离子具有一定的能量。

离子源分类 03 02 01 FAB，LI，ESI CI，FI，FD EI 对于一些难挥发，强极性，分子量大的物质或生物大分子 为了得到丰度较高的分子离子峰或准分子离子峰 常用于有机物电离的是电子轰击源

EI源优点 谱图重现性好 灵敏度高

目前的GC-MS联用仪有几种数据库。应用最为广泛的有NIST库和Willey库，前者目前有标准化合物谱图13万张，后者有近30万张。此外还有毒品库，农药库等专用谱库

2 质量分析器 质量分析器是质谱仪的核心, 质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列。

单聚焦磁场分析器 双聚焦磁场分析器 分类 四极杆质量分析器

这里主要介绍四极杆质量分析器 它是由四根平行，对称放置的圆柱形电极组成的，分为两组。 Electron Beam Ion Beam + Electron Beam A B C Sample in Ion Beam 它是由四根平行，对称放置的圆柱形电极组成的，分为两组。

单四极杆质量分析器结构简单，价廉，体积小，易操作，扫描速度快，适合于GC-MS, LC-MS, 但分辨率不高。 三重四级杆质量分析器分辨率更高。

四极杆质量分析器优点 扫面速度快有利于与色谱联用。（一般完成全谱扫描仅需几毫秒） 可在较低的真空度下工作 结构简单，体积小，自动化程度高。 Content 01 Content 02 Content 03 扫面速度快有利于与色谱联用。（一般完成全谱扫描仅需几毫秒） 可在较低的真空度下工作 结构简单，体积小，自动化程度高。

检测器 质谱仪的检测器主要使用电子倍增器，也有的使用光电倍增管。 3 3 检测器 质谱仪的检测器主要使用电子倍增器，也有的使用光电倍增管。 将离子束由倍增器转变为电信号送入计算机储存，这些信号经计算机处理后放大可以得到色谱图，质谱图及其它各种信息。

接口

要实现气相色谱仪与质谱仪的联用，首先要解决气压的问题，气相色谱仪的出口 通常是常压（大气压力），而质谱仪的正常工作压力是10-4-10-6Pa，故两者无法直接连接。

必须采用一个接口装置将两者连接起来，以除去载气、降低气相色谱仪柱后流出物的气压，同时对试样起富集作用，并把组分送到质谱仪的离子源，接口是实现联用的关键。

直接导入型接口的实际作用是支撑插入端毛细管，使其准确定位；保持温度，使色谱柱流出物始终不产生凝结。（辅助加热的作用） 分为 喷射式浓缩型接口 直接导入型接口的实际作用是支撑插入端毛细管，使其准确定位；保持温度，使色谱柱流出物始终不产生凝结。（辅助加热的作用）

气相色谱中的毛细管色谱柱的末端直接插入质谱仪的离子源内，载气携带组分一起从气相色谱柱流出，并立即直接进入离子源的作用场。

工作站

监控质谱和色谱各单元的工作状态 功能 按要求自动生成分析报告 对化合物进行自动的定性定量分析 计算机控制与数据处理系统的功能是快速准确的采集和处理数据 监控质谱和色谱各单元的工作状态 功能 按要求自动生成分析报告 对化合物进行自动的定性定量分析

4. GC-MS应用

GC-MS的应用 GC-MS联用的分析灵明度高，适合于低分子化合物（相对分子质量小于1000）的分析，尤其适合于挥发性成分的分析。

气/质联用是解决复杂样品全组分定性定量分析的有力工具。在分析检测和研究的领域中起着越来越重要的作用，特别是在有机化合物常规检测工作中几乎成为一种必备的手段。

如石化、化工、食品、环保、药物研究、生产、质控以及进出口许多领域的众多环节中都要用到GC/MS； 法医学中各类案件的现场采集物分析（呕吐液、血液等）、毒药、毒品检验与鉴定； 甚至体育竞技运动中，国际公认用GC/MS对运动员进行兴奋剂检测数据可靠。

5. 应用实例分析

实例分析 1.应用于食品行业 GC/MS法检测奶样样品中5种邻苯二甲酸酯类物质 2.应用于毒品，毒物检验 MAMP，曲马多，氯胺酮（K粉）等

GC/MS法检测奶样样品中5种邻苯二甲酸酯类物质 邻苯二甲酸酯（phthalate，PAE），是一种环境内分泌干扰物质，是一类起到软化作用的化学品，在塑料的加工过程中，邻苯二甲酸酯类物质并未真正聚合于聚氯乙烯（PVC）的高分子碳链上，没有严密的化学键结合，由氢键和范德华力相连接，所以会在不同的条件下，不同程度的向水体，大气，土壤以及食品中迁移溶出。

色谱条件： 　　Rtx-5MS毛细管柱，（10 m×0.18 mm，0.2 um）；载气（He 99.999%）流量：1.01ml/min；进样口温度250℃，接口温度270℃；初始温度60℃，保持1min，以15℃/min升至270℃，保持10min。（程序升温）

质谱条件： 　　离子源温度200℃，不分流模式，EI（70eV）电离方式，全离子扫描方式，进样体积1.0 μl,获得的质谱数据用美国NIST谱库检索。

实验步骤 取适量的奶样样品0.5g（某奶制品厂奶源样品），奶样样品较粘稠，加入0.01mol/l盐酸适量进行稀释 。 加入内标SKF-525A（0.1 mg/mL）5µL，0.01mol/l盐酸1.5ml，缓慢加入0.5g碳酸铵，调节pH值。向溶液中加入2mL乙酸乙酯萃取，震荡1min，3700r/min离心13min 。取上清液N2气下浓缩至近干，吸取1μl进样分析 。

奶样样品中5种邻苯二甲酸酯的总离子流色谱图和选择离子流色谱图

GC/MS法检测血液，尿液中的MAMP，曲马多，氯胺酮（K粉）等 取检测样品0.5ml，加入内标SKF-525A（0.1 mg/mL）5µL，0.01mol/l盐酸1.5ml，缓慢加入0.5g碳酸铵，调节pH值。 向溶液中加入2mL乙酸乙酯萃取，震荡1min，3500r/min离心5min 。取上清液N2下浓缩至近干，吸取1μl进样分析 。

MAMP总离子流色谱图 ← MAMP

MAMP的质谱图 检材中甲基苯丙胺质谱图 标准甲基苯丙胺质谱图

GC-MS检测尿样中溴苯那敏及其代谢物 溴苯那敏是一类丙胺类抗组胺药，镇静作用弱。其右旋体，抗组胺作用相同，唯剂量仅需一半，可加入止咳合剂中应用，但持续时间短，有镇静作用。在我们处理的案件中发现一例较长时间以前服用过咳嗽水的患者，在其检材中检测到溴苯那敏及其代谢物。针对这一重要发现，可以将检测到的体内的溴苯那敏及其代谢物来作为是否服用咳嗽水的标尺。

分析条件 色谱条件：Rtx-5MS毛细管柱（10m X 0.18mm X 0.2um） 质谱条件：离子源温度200℃，不分流进样，EI（70eV）电离方式。

样品处理 取待测尿液0.5ml，加5.0ulSKF525,2.0ml盐酸试液（0.1mol/L）,0.5g碳酸铵,2.0ml乙酸乙酯，用涡旋混合器混匀后，置离心机中离心10min。取上清液置玻璃小瓶中用氮气吹至约5.0ul,取1.0ul进行GC/MS分析。

溴苯那敏及其代谢物的总离子流色谱图 （1.溴苯那敏 2.溴苯那敏代谢物）

溴苯那敏的保留时间为11.117，特征离子为m/z247、m/z167、m/z72、m/z58

　　含以磷酸可待因为主要成分的复方口服溶液俗称“咳嗽水”，直接作用于神经中枢。属于精神药品(毒品)，长期服用，可导致药物依赖、成瘾。 一些止咳合剂中常常混有咳嗽水来达到速效的作用。 　　由于该患者是在较长时间以前服用过咳嗽水，咳嗽水中的主要成分可待因的消除半衰期为2.5-3小时，代谢较快，在检测中已经无法捕捉其碎片离子。然而，溴苯那敏消除半衰期为25小时，原药和代谢物随尿液排出。对我们的检测十分有利，为检测止咳合剂中是否含有咳嗽水提供了有力的保障。

6.GC/MS日常维护与操作

小结 色谱可作为质谱的样品导入装置，并对样品进行初步分离纯化，因此色谱/质谱联用技术可对复杂体系进行分离分析。 因为色谱可得到化合物的保留时间，质谱可给出化合物的分子量和结构信息，故对复杂体系或混合物中化合物的鉴别和测定非常有效。

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