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气相色谱-质谱联用技术题库

气相色谱-质谱联用技术

气相色谱-质谱联用技术,简称质谱联用,即将气相色谱仪与质谱仪通过接口组件进行连接,以气相色谱作为试样分离、制备的手段,将质谱作为气相色谱的在线检测手段进行定性、定量分析,辅以相应的数据收集与控制系统构建而成的一种色谱-质谱联用技术,在化工、石油、环境、农业、法医、生物医药等方面,已经成为一种获得广泛应用的成熟的常规分析技术。

1、产生背景

色谱法是一种很好的分离手段,可以将复杂混合物中的各种组分分离开,但它的定性、鉴定结构的能力较差,并且气相色谱需要多种检测器来解决不同化合物响应值的差别问题;质谱对未知化合物的结构有很强的鉴别能力,定性专属性高,可提供准确的结构信息,灵敏度高,检测快速,但质谱法的不同离子化方式和质量分析技术有其局限性,且对未知化合物进行鉴定,需要高纯度的样本,否则杂质形成的本底对样品的质谱图产生干扰,不利于质谱图的解析。气相色谱法对组分复杂的样品能进行有效的分离,可提供纯度高的样品,正好满足了质谱鉴定的要求。

气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass sepetrometry , GC-MS)技术综合了气相色谱和质谱的优点,具有GC的高分辨率和质谱的高灵敏度、强鉴别能力。GC-MS可同时完成待测组分的分离、鉴定和定量,被广泛应用于复杂组分的分离与鉴定。

2、技术原理与特点

气相色谱技术是利用一定温度下不同化合物在流动相(载气)和固定相中分配系数的差异,使不同化合物按时间先后在色谱柱中流出,从而达到分离分析的目的。保留时间是气象色谱进行定性的依据,而色谱峰高或峰面积是定量的手段,所以气相色谱对复杂的混合物可以进行有效地定性定量分析。其特点在于高效的分离能力和良好的灵敏度。由于一根色谱柱不能完全分离所有化合物,以保留时间作为定性指标的方法往往存在明显的局限性,特别是对于同分异构化合物或者同位素化合物的分离效果较差。

质谱技术是将汽化的样品分子在高真空的离子源内转化为带电离子,经电离、引出和聚焦后进入质量分析器,在磁场或电场作用下,按时间先后或空间位置进行质荷比(质量和电荷的比,m/z)分离,最后被离子检测器检测。其主要特点是迁建的结构鉴定能力,能给出化合物的分子量、分子式及结构信息。在一定条件下所得的MS碎片图及相应强度,犹如指纹图,易与辨识,方法专属灵敏。但质谱拘束最大的不足之处在与要求样品是单一组分,无法满足复杂物质的分析。

气相色谱-质谱联用技术(GC/MS)是基于色谱和质谱技术的基础上,取长补短,充分利用气象色谱对复杂有机化合物的高效分离能力和质谱对化合物的准确鉴定能力进行定性和定量分析的一门技术。在GC/MS中气象色谱是质谱的样品预处理器,而质谱是气相色谱的检测器。两者的联用不仅仅获得了气相色谱中保留时间、强度信息,还有质谱中质荷比和强度信息。同时,计算机的发展提高了仪器的各种性能,如运行时间、数据收集处理、定性定量、谱库检索及故障诊断等。因此,GC/MS联用技术的分析方法不但能使样品的分离、鉴定和定量一次快速地完成,还对于批量物质的整体和动态分析起到了很大的促进作用。

3、气相色谱-质谱联用系统组成

GC/MS系统(见图)由气相色谱单元、质谱单元、计算机和接口四大件组成,其中气相色谱单元一般由载气控制系统、进样系统、色谱柱与控温系统组成;质谱单元由离子源、离子质量分析器及其扫描部件、离子检测器和真空系统组成;接口是样品组分的传输线以及气相色谱单元、质谱单元工作流量或气压的匹配器;计算机控制系统不仅用作数据采集、存储、处理、检索和仪器的自动控制,而且还拓宽了质谱仪的性能。

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图1GC/MS仪组成图

3.1气路系统

GC/MS中载气由高压气瓶(约15MPa)经减压阀减至0.2-0.5MPa,再经载气净化过滤器(除氧、除氮、除水等)和稳压阀、稳流阀及流量计到达气相色谱的进样系统。GC/MS的气源主要来自氦气。其优点在于化学惰性对质谱检测无干扰,且载气的扩散系数较低。缺点是分析时间延长。另外,载气的流速、压力和纯度(≥99.999%)对样品的分离、信号的检测和真空的稳定具有重要的影响。

如果配置化学电离源,GC/MS还需要甲烷、异丁烷、氨等反应气体。对于具有GC/MS功能的质谱仪则需要氩气、氮气等碰撞气体和相应的气路系统。3.2进样系统

进样系统包括进样器和气化室。GC/MS要求各种形态样品沸点低、热稳定性好。在一定气化温度(最高350-425℃)下进入气化室后能有效气化,并迅速进入色谱柱,无稀释,无损失,记忆效应小。为解决进样的稀释现象,以提高分析的精密度和准确度,近几年来分流/不分流进样、毛细管柱直接进样、程序升温柱头进样等毛细管进样系统取得了很大的进步。一些具有样品预处理功能的配件,如固相微萃取、顶空进样器、吹扫-捕集顶空进样器、热脱附仪、裂解进样器等也相继出现。

3.3柱系统

柱系统包括柱箱和色谱柱。柱箱的控温系统范围广,可快速升温和降温。柱温对样品在色谱柱上的柱效、保留时间和峰高有重要的影响。由于分析样品时遵循气相色谱的“相似相溶”原理,所以根据应用需要可选择不同的GC/MS专用色谱柱。目前,多用小口径毛细管色谱柱,检测限达到10-15-10-12水平。

3.4接口

接口是连接气相色谱单元和质谱单元最重要的部件。接口的目的是尽可能多地去除载气,保留样品,使色谱柱的流出物转变成粗真空态分离组分,且传输到质谱仪的离子源中。GC/MS联用仪中接口多采用直接连接方式,即将色谱柱直接接入质谱离子源。其作用是将待测物在载气携带下从气相色谱柱流入离子源形成带电粒子,而氦气不发生电离而被真空泵抽走。通常,接口温度应略低于柱温,但也不应出现温度过低的“冷区”。在GC/MS仪的发展中,接口方式还有开口分流型、喷射式分离器等。

3.5离子源

离子源的作用就是将被分析物的分子电离成离子,然后进入质量分析器被分离。目前常用的离子源有电子轰击源(electron ionization , EI)和化学电离源(chemical ionization , CI)。

①电子轰击源(EI)

电子轰击源是GC/MS中应用最广泛的离子源。主要由电离室、灯丝、离子聚焦透镜和磁极组成。灯丝发射一定能量的电子可使进入离子化室的样品发生电离,产生分子离子和碎片离子。EI的特点是稳定,电离效率高,结构简单,控温方便,所得质谱图有特征,重现性好。因此,目前绝大多数有机化合物的标准质谱图都是采用电子轰击电离源得到的。但EI只检测正离子,有时得不到分子量的信息,谱图的解析有一定难度,如醇类物质。

②化学电离源(CI)

化学电离源CI结构与EI相似。不同的是,CI源是利用反应气的离子与化合物发生分子-离子反应进行电离的一种“软”电离方法。常用反应气有:甲

烷、异丁烷和氨气。所得质谱图简单,分子离子峰和准分子离子峰较强,其碎片离子峰很少,易得到样品分子的分子量。特别是某些电负性较强的化合物(卤素及含氮、氧化合物)的灵敏度非常高。同时,CI可以用于正、负离子两种检测模式,而且是负离子的CI质谱图灵敏度高于正离子的CI质谱图2-3个数量级。但是,CI源不适于难挥发、热不稳定性或极性较大的化合物,并且CI谱图重复性不如EI谱,没有标准谱库。得到的碎片离子少,缺乏指纹信息。

3.6质量分析器

常用的气相色谱-质谱联用仪有气相色谱-四级杆质谱仪(GC/Q-MS)、气相色谱-离子阱串联质谱仪(GC/IT-MS-MS),气相色谱-时间飞行质谱仪(GC/TOF-MS)和全二维气相色谱-飞行时间质谱仪(GC×GC/TOF-MS),不同生产厂家型号质量扫描范围不同,有的高达1200amu。

3.7离子检测器

质谱仪常用检测器为电子倍增管、光电倍增管、照相干板法和微通道板等。目前四级质谱、离子阱质谱常采用电子倍增器和光电倍增管,而时间飞行质谱多采用微通道板。其检测器灵敏度都很高。

3.8真空系统

真空系统是GC/MS的重要组成部分。一般包括低真空前级泵(机械泵)、高真空泵(扩散泵和涡轮泵较常用)、真空测量仪表和真空阀件、管路等组成。质谱单元必须在高真空状态下工作,高真空压力达10-5-10-3Pa。另外,高真空不仅能提供无碰撞的离子轨道和足够的平均自由程,还有利于样品的挥发,减少本底的干扰,避免在电离室内发生分子-离子反应,减少图谱的复杂性。

3.9计算机控制系统

①调谐程序

一般质谱仪都设有自动自动调谐程序。通过调节离子源、质量分析器、检测器等参数,可以自动调整仪器的灵敏度、分辨率在最佳状态,并进行质量数的校正。所需调节的质量范围不同,采用的标准物质也不同。通常分子量为650以内的低分辨率GC/MS仪器多采用全氟三丁胺(PFTBA)中m/z 69、219、502、614等特征离子进行质量校正。

②数据采集和处理程序

混合物经过色谱柱分离之后,可能获得若干个色谱峰。每个色谱峰进过数次扫描采集所得。一般来说,质谱进行质量扫描的速度取决于质量分析器的类型和结构参数。一个完整的色谱峰通常需要至少6个以上数据点,这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范围的质量扫描。与常规的

GC/MS相比,飞行时间质谱仪具有更高速的质谱采集系统。随着GC/MS解决经济技术的发展,可以一次性采集上百个组分,然后通过计算机的软件功能可完成质量校正、谱峰强度修正、谱图累加平均、元素组成、峰面积积分和定量运算等数据处理程序。GC/MS中最常用两种检测方式为全扫描和选择离子监测工作方式。前者是随着样品组分变化,在全扫描方式下形成的总离子流随时间变化的色谱图,称总离子流色谱图。适合于未知化合物的全谱定性分析,且能获得结构信息;后者采用这种选择离子监测工作方式所得到的特征离子流随时间变化形成了质量离子色谱图或特征离子色谱图。对目标化合物或目标类别化合物分析,灵敏度明显提高,非常适合复杂混合物中痕量物质的分析。

③谱图检索程序

被测物在标准电离方式—电子轰击源EI 70eV 电子束轰击下,电离形成质谱图。利用谱库检索程序可以在标准谱库中快速地进行匹配,得到相应的有机化合物名称、结构式、分子式、分子量和相似度。目前国际上最常用的质谱数据库有:NIST库、NIST/EPA/NIH库、Wiley库等。另外,用户还可以根据需要建立用户质谱数据库。

④诊断程序

在各种分析仪器的使用过程中出现各种问题和故障是难免的,因此采用仪器自身设置的诊断软件进行检测是必不可少的。同时,在仪器调谐过程中设置和监测各种电压,或检查仪器故障部位,有助于仪器的正常运转和维修。

4、气-质联用技术分析方法

4.1气相色谱部分

气相色谱-质谱联用仪一般采用高纯(〉99.999%)化学惰性好的氦气(电离电位24.6 e V,比一般有机物的电离电位高),其分子离子峰m/z = 4,在多数质谱的扫描质荷比下限之外,对总离子流质量色谱图和质谱图干扰小。不能使用氮气,其电离电位只有15.6 e V,接近大多数化合物的电离电位,而且其分子离子峰m/z = 28,易与某些化合物的特征离子重叠,也接近多数质谱的扫描质荷比下限,会产生较高的本底干扰,降低丰度比。氢气的电离电位为15.4 e V,但其分子离子峰m/z = 1,在一些应用中可以代替氦气。

气相色谱-质谱联用仪只能使用高纯度的载气(〉99.999%),以减小本底干扰,管路必须是经过严格净化处理过的才能使用。在载气进入色谱柱前应通过气体净化器出去水、氧气和烃类物质,防止损害色谱柱,并设法控制氮气、氩气等永久性气体的含量。

气质联用多将毛细管色谱柱直接插入离子源,因此柱流量必须进行控制,与真空泵的抽速匹配。一般真空泵的抽速在60-100 L·s-1,进入质谱的气体流量不

能超过1 mL·min-1,抽速较大的涡轮分子泵可允许2-4mL·min-1的流量。

一般色谱柱的流速计量多采用恒压方式,随柱温升高柱流量会逐渐减小,这时应保证流量不低于0.4 mL·min-1,否则会对分离效果产生较大影响,实际操作中应在分离效果与真空效果之间作出平衡。

气相色谱-质谱联用法中,试样前处理的要求与气相色谱一致,对于气质联用而言,由于质谱检测器很灵敏,最重要的是要避免前处理带来的本底干扰和离子源污染,因此试样的基质应越简单越好,制样溶剂最好使用色谱纯,使用分析纯则应重蒸。

气相色谱-质谱联用仪一般使用窄口径毛细管色谱柱,最好是MS专属型色谱柱,选择时应保证柱效高,惰性好,热稳定性好,以保证低流失和较高的分离效率。

4.2质谱部分

质谱属于精密的分析技术,质谱仪从进样、离子化、离子质量分离到检测需要控制的参数和条件很多,与气相色谱联用后还涉及接口、真空系统维护等单纯质谱分析中没有的问题。需要全面分析和把握。下面以四级杆质谱为例对联用时的质谱技术要领作简单介绍。

①仪器的调谐

仪器的调谐就是通过调节离子源、质量分析器、离子检测器的参数对仪器进行校准,达到所需要的分辨率、灵敏度、准确度和正常的离子强度比,提高质谱库检索的准确性,或了解仪器状态能否达到规定的指标。对不同质荷比范围的仪器,按操作规程的要求,采用相应标准物质,通过比对标准化合物特征离子的相对强度、实测质量的误差,计算实测质量与扫描电压的矫正曲线,检查操作参数是否偏离正常值,检查本底峰强度,检查峰形来进行调谐。调谐中可供调整的参数有离子源的发射电流、电子能量,质量分析器的工作电压,离子聚焦透镜电压等。调谐操作时,软件的运行窗口可以显示特定离子质量的峰形及各参数的变化情况,调谐结束后可以直接给出调谐结果。

②质谱真空系统的维护

真空系统是质谱正常工作的基础,正确的开关机操作步骤和日常维护是维持良好真空的必要条件。应该尽量将试样进行成批分析,较少开关机的次数,并尽量防止突然断电的情况发生,一般一周或数周关机一次。气质联用仪的启停通常有日常关机和彻底关机两种状态,日常关机状态下质谱不卸真空,载气维持小流量的输入;维护操作一般在彻底关机状态下彻底卸掉真空后进行。注意,只有在质谱的离子检测器降至室温后才能卸真空,防止突然降温损坏离子检测器;完全卸掉真空之前切不可关掉质谱及直接进样装置的真空泵,以防止泵油倒吸。另外还应定期检查扩散泵的油面高度,更换泵油。分子涡轮泵要定期检查冷却系统。

③质谱图本底干扰的来源及对策

质谱真空系统的洁净是获得高质量质谱图的保证。真空系统的残余气体是本底干扰的主要来源,并且这种残余气体的产生是不可避免的。其主要来源是色谱柱的固定相流失,进样口硅橡胶隔垫残渣,它们主要是硅氧烷聚合物的残渣。这些流失物会源源不断地进入离子源,造成色谱图和质谱图的基线噪声增大,硅氧烷聚合物的碎片一般相对分子质量教大,并且质谱图特征明显。其质荷比范围分布较宽(m/z = 73-503),大部分分布在常规分析所检测的质量扫描范围内,会对灵敏度和准确度产生干扰,可能造成图谱失真。

其他污染物的来源还包括气相色谱载气不纯、进样针污染、试样污染、溶剂污染、离子源清洗剂污染和泵油蒸发等。

一般进样和不进样流失的本底图谱是一样的,仅是强度不同,在图谱中可以扣除得到良好的谱图。但正确的维护和操作才是降低此类干扰的根本保证,如及时清洗易污染的部件,使用耐高温的交联键合相色谱柱和耐高温的密封隔垫,及时更换失效的密封隔垫;进样分析前对气相色谱系统进行充分的老化;分析完成后不急于降温关机,对系统进行适当的烘烤和抽真空;定期更换泵油。

④质谱的扫描方式

从气相色谱流出的组分不断进入质谱,质谱对组分离子的质荷比分布和相对强度进行快速反复扫描并采集数据。不同的扫描方式所检测的离子不同,获得的色谱图的意义也不同,最常见的两种扫描方式是全离子扫描(TIM)和选择性离子扫描(SIM)。全离子扫描是将每张质谱图中所有的离子强度相加,所获得的质量色谱图为总离子流色谱图(TIC),反映总离子流强度随扫描时间的变化的情况。将每次全离子扫描得到的质谱图中某一个质荷比的离子的强度叠加得到的离子流强度作纵坐标,以时间为横坐标,即得到被检测离子的强度随扫描时间变化的曲线,这就是质量色谱图。质量色谱图可以反映色谱流出的特定组分的浓度随时间变化的情况。SIM的灵敏度要比TIM高2-3个数量级,峰形及重现性也较好,可以利用化合物特征离子质量色谱图的保留时间有差异,则表明TIC中的同一个色谱峰可能存在不止一个化合物。但SIM不能进行未知物的鉴定,因为需要事先知道化合物的离子质量。

⑤质谱图谱库检索

利用质谱解析,对照质谱库中的质谱图即可快速分析化合物的结构等信息。美国国家标准与技术局(NIST)的谱库检索系统和Wiley数据库是现今应用最广泛的质谱库系统,各厂商的质谱库多参照该系统编撰,NIST谱库检索系统集成了相对分子质量、同位素组成、图谱解析、自动鉴别质谱数据、分离气相色谱共流出色谱峰等功能。注意这些参考图谱不可避免地会有疏漏,一个化合物也可能存在多张图谱,而且应注意实测谱图的来源、、所用仪器类型以及操作条件的

差异。

⑥设置采集延时

气相色谱-质谱联用的应用范围很广,通常的用途有复杂混合物的成分分析,杂质成分的鉴定和定量分析,目标化合物残留的定量分析。气相色谱的操作参数可以直接移植到气质联用仪上,质谱条件则除了电离电压、扫描速率、质量范围、信号放大电流等外,还应注意溶剂峰扣除时间的设定。由于遮普为了自我保护通常在信号饱和时会中断信号采集,而气质联用仪的进样量相对于试样溶剂量来说很小,溶剂沸点又很低,在气相色谱中将首先流出色谱柱。因此如不设定采集延时,使质谱在溶剂出峰后再进行检测(通常2-5min后),则溶剂峰很容易使质谱检测器饱和而采集不到待测组分的色谱峰。

在实际分析操作中应注意以下问题:应收集保存与试样相关的所有信息,包括试样性质与前期制样操作过程;尽可能收集各种标准品备用,应对可能出现的问题;根据分析需要选择合适的色谱柱和操作条件;根据试样性质选择合适的离子化方式;选择适当的数据记录和处理方法。

4.3定量分析

气质联用技术在定量方面具有一定优势,即可以在色谱峰分离不完全的情况下,采用选择性离子扫描,利用其各自特征离子保留时间的差异,根据化合物特征离子的峰面积或峰高与相应待测组分含量的比例关系,对其中的化合物分别进行定量。而且选择性离子流色谱图相对不易受干扰,定量结果更可靠。在用质谱进行定量前,应首先根据其保留时间和质谱图确认目标化合物的特征离子,以免产生假阳性。

定量的操作方法是,先选定目标色谱峰,选取该峰附近两侧的基线噪声作为本底干扰予以扣除,然后对峰面积进行积分或计算峰高,然后换算成待测组分的浓度。由于质谱灵敏度较好,常用的换算方法是TIC峰面积归一化法,对于成分复杂的待测物,应考虑使用校正曲线法,以排除未完全分离的峰中非目标组分的干扰。

同位素标记内标法是将稳定性同位素(如2H,13C,15N)标记到待测组分好和内标物中的内标校正曲线法,具有很高的灵敏度和专属性。这是气质联用技术独有的技术,除质谱以外,其他色谱检测器均不能使用。

4.4定性分析

气质联用技术可以在有标准品的情况下根据色谱并保留时间定性,与普通气相色谱的定性方法相同,即在色谱图中首先选定目标化合物的色谱峰,然后调出质谱图库进行比对,确定待测组分可能的结构及其他相关信息。对于在TIC中尚未完全分离的色谱峰,可以换用SIC提高分辨率。注意所选离子必须能够确证

为待测组分主要的特征离子。若无标准品则可以利用质谱测定化合物特征离子并与标准质谱图库比对进行结构解析,以一般的质谱定性方法相同。

如果能够获得较纯的试样,可以不经过气相色谱分离而直接进行质谱分析,即采用直接进样模式(DI)进样。将试样盛入专用试样管后,放入质谱的直接进样杆,设定升温程序,使试样组分按沸点由低到高依次气化,直接进入质谱进行分析。直接进样分析也可以选择全离子扫描(TIM)或选择离子扫描(SIM),所得到的图谱也称色谱图,解析方法与一般气质联用分析所获得的色谱图相同。

在气质联用中良好的分离是定性的基础,得到正确的质谱图是质谱定性准确的前提。质谱图不可靠则质谱图库检索匹配率低,增加质谱图解析的难度。对于未知化合物的结构鉴定,气质联用只能提供关于化合物结构特征的部分信息。质谱库的检索结果一般是提供几个可能的化合物结构、名称、相对分子质量、分子式等信息,并依照匹配程度的大小列出以供参考。待测物质结构的最终确证必须结合其他手段,如核磁共振、全合成等。

5、气相色谱-质谱联用技术的应用

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检测工作中成为一种必备的工具。如环保领域在检测很多有机污染物,特别是一些低浓度的有机物,如二噁英等的标准方法就是规定用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,工业产品领域如石油、食品、化工等行业都离不开GC/MS。

5.1气相色谱-质谱联用技术在环境分析中的应用

Mike H·Carter等用毛细管GC-MS-DS分析了环境溢出油样。填充柱(250cm×2mm)装有固定相3%的Sp-2100担体Supel Coport(80-100目),毛细管柱管壁涂SE-30和载体涂OV-17(分别为34米和33米),用CI、EI两种类型的质谱。N. E. Spingarn等用GC-MS分析15种易挥发的物质(乙醛、烯丙醇、氯丙烯、醋酸戊酯、糠醛等),检出限低于10ppb,回收率,精确度测量表明,该法可用作定量分析。R· H· wightman等用GC-MS研究了常见于环境样品中,合成磷酸三烷基酯以及芳基磷酸酯的物理特性,结果说明GC-MS对这些环境样品是一个最灵敏、快速的分析方法。A·D·Santer等通过各实验室对环境样品中53种可萃取的重要污染物的分析,对实验室之间的GC-MS响应因子精密度进行了研究。Kins,Chiu等用GC-MS和GC-FT-IR测定了多环芳香族化合物的结构特征,其分析的特殊化合物是不可能用所述两种方法中的单独一种方法完成的。

(1)水分析

Kusunoki kenichi等应用GC-MS测定水中的酚类化合物。其方法是首先对试样进行己烷萃取,然后将酚类化合物两次萃取到苯中,合并的苯萃取液于K-D 浓缩器中,浓缩到5毫升,用色谱法分析浓缩物,甲苯检出限为2微克/升,苯酚、邻甲氧基苯酚、氯酚、2,4-二氯苯酚和三氯苯酚检出限为0.5微克/升,回收率为90-100%。M·Suzukr报道了一种使用微网状Amberlite XAD-2树脂富集水中痕量六氯环己烷异构体的GC-MC测定方法。A· Carca叙述了污水试样中有机氯化物的GC和GC-MS测定。GC-MS系统在数据系统控制下,采用扫描或离子选择形式。此系统比GC更灵敏,快速和较好的分辨,精度虽差,但两个系统所得结果一致。J·W Eichelberger用熔融石英毛细管GC-MS和填充柱GC-MS测定水中有机物,对该方法的精密度和准确度进行了比较。

(2)大气分析

E.Balfans等用毛细管GC、GC-MS对降尘中38种多环芳烃的氧化产物进行了鉴定。R.L.Tanner等对环境样品中的苯并芘进行了测定、检测限分别为20和60pg。H·V·Tong等在定量分析柴油和废气颗粒物中的1-硝基芘时,采用一种改进的冷却柱上注射技术,使分解减少到最低限度,从而改良了定量分析的精密度。

用GC-MS(低分辨)测定空气中痕量亚硝胺时,几种挥发性亚硝胺的检出限在0.1-0.2微克/立方米。还有用GC-MS技术测定环境大气中ppb级低浓度氯甲烷、居民生活烧煤条件下(即不完全燃烧)煤烟的一般气态成分的研究。测定环境中某些有机氯化物研究表明,只要满足GC的稳定性,能在质谱仪中生成特征离子条件的物质,就能用几毫微克的试样测得完整的谱图,并能检测出微微克级范围的给定化合物。

(3)沉积物分析

T.R.Stenheimer应用毛细管GC-MS-DR技术测量河床沉积物中50多种有机化合物(大部分为烃类)。S.Sporstol等提出了一种用GC-MS法分析和测定沉积物的一些芳香族的方法。G.Matsumoto 报道了用GC-MS测定河水污泥中n-烷烃和不溶解的复杂烃混合物含量,还讨论了在水和沉淀中有机物组成的特征剂其之间的相关性。R. Gotz用HRGC-LRMS测定了土壤和其他固体环境样品中的多氯联苯并芘-二噁英和多氯联苯呋喃。用GC-MS-选择性离子检测方法,测定邻苯二酸二乙酯,邻苯二酸二丁酯和邻苯二酸双-(2-乙基己基)酯,检测限分别为5.3,2.7和1.3ppb。

(4)砷、硒、汞和铅形态分析

GC-MS是目前砷化合物形态分析一种联用技术,特别是作为低浓度砷的形态分析方法。方法融合了GC的高效分离和MS的低检测限、宽动态线性范围等优点用于砷的形态分析。在样品前处理时,由于气相色谱的分离特点通常需要对

试样进行衍生化,常用于砷形态分析的衍生方法有:氢化物法,二硫代氨基甲酸衍生法,三甲基硅烷衍生法,DMA的碘代二甲基砷氢化物法以及巯基乙酸甲酯(TGM)衍生法等方法。多年来GC-MS对砷的形态分析研究大多体现在对衍生方法和样品前处理等方面的改进。

硒的测定需要将不同形态的硒变为适于测定的形式,为此要对样品进行消化。消化时要保证样品中的硒全部转化为适于测定的形式,同时要尽可能避免硒的损失。目前,常用的方法是湿法消解,但大多存在不同程度的硒损失。利用微波消解技术消化样品有节约消化时间,再现性好的优点。硒化物的分离富集手段主要有色谱法、电泳、凝胶过滤等多种方法。GC-MS在硒形态分析中的研究重点主要在改善固定相技术、样品前处理技术和衍生方法上,通过改进提高了硒分析的检出限。GC能够直接分离挥发性的二甲基硒、二甲基二砷等。

汞的形态不同,产生的毒性也不同。研究表明,无机汞可通过生物甲基化、乙基化等反应生成相应的有机汞,而有机汞可被动植物吸收,并通过食物链富集,其富集倍数可高达106-107,最终危害人类健康。用GC进行汞的形态分析时,通常有3种衍生方法:氢化物法、直接水相衍生法和格氏试剂衍生法。多年来的研究方向大多是体现在色谱方法和衍生方法的改进上,GC-MS(GC-ICP-MS)联用技术结合了色谱法的高灵敏度的特点,已成为有机汞形态分析的有效手段。

铅的形态分析主要是分析和测定样品中铅的无机态离子和有机态络合物的浓度,所以要求分析技术有很高的灵敏度和专一性,在分析过程中尽量避免原来形态平衡破坏,建立简便、快速、灵敏、准确的方法。目前主要是结合萃取分离和富集技术,再联用高灵敏度检测仪器进行测定。几乎所有的烷基铅都可以用GC-MS和GC-ICP-MS法测定。

GC-MS联用技术在环境、生化等样品中砷硒、铅和汞的形态分析中起着极其重要的作用,已经得到了广泛的应用,但分析过程中也存在一些局限。GC-MS由于不适合难挥发或不稳定化合物的分析,分析对象急待扩展。质谱在形态分析领域应用中进一步提高测量的灵敏度仍然是一个质谱分析研究的挑战性课题。由于样品非常复杂,待测分析物标准物问题凸显。由于得不到标准物质可供参考,鉴定未知化合物的化学结构尚有困难。

5.2气相色谱-质谱联用技术在代谢组学中的应用

随着代谢组学在医药生物各领域中的发展,气相色谱-质谱联用技术(GC/MS)成为组学分析平台中最为常见的技术手段之一。对于生物样本(如尿、血、组织、唾液以及细胞等)中氨基酸、有机酸、多糖、胆固醇、维生素、酰胺、多胺、多醇、脂肪酸、激素、核苷酸、磷酸酯、多肽等小分子代谢物而言,GC/MS具有灵敏度高、分辨率强、重现性好以及高通量的优点。在代谢组学的分析策略中,不同类型的样品通过不同的提取方法和衍生反应方法获得相应的

GC/MS总离子流色谱图,然后经过数学转化得到不同生理或病理状态下的机体的代谢谱,并建立数学模型,获得体内内源性代谢物的变量,再利用MS中强大的谱库检索系统或谱图解析功能进行分析,最后解释这些代谢物变化的生物学意义。

早在1971年GC/MS就被临床用于检测一些特征性标志的代谢物以诊断疾病,例如尿中胆固醇和有机酸代谢物的变化。1978年,Gates和Sweeley等曾采用代谢谱分析技术对临床患者血和尿等样品中化合物进行定性和定量分析。2000年,Fiehn研究小组采用GC/MS方法对模型植物拟南芥的叶子提取物进行了植物代谢网络的研究。此后,代谢物靶标分析、代谢轮廓(谱)分析代谢指纹分析、代谢组学研究已经逐渐地被广泛应用于生物样本的药物安全性评估、疾病机制分析和生物标志物探索,并且对于机体受到外界环境刺激或扰动后其代谢产物产生的动态响应提供了一种全面的理解。比如以血清为研究对象,基于GC/MS分析技术的代谢轮廓谱观察到尿毒症患者与正常人代谢物中氨基酸(缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸)和脂肪酸(肉豆蔻酸、亚油酸)的异常变化,且被测物质灵敏度、稳定性非常好。同时与临床生化指标一致。同样,在中药雷公藤的毒性学研究时,根据GC/MS分析给药前后不同时间点的老鼠尿样结果,对中药安全性及多靶点作用的机制研究提供了新的思路。

今年,GC/TOF-MS和GC×GC/TOF-MS技术中TOF-MS的快速扫描和强大的反卷积功能为生物样本的分析提供了高分辨率和高灵敏度的保证,也逐渐被用于代谢组学中尿、血、组织的研究,如Underwood等采用GC/TOF-MS研究Huntington疾病患者与转基因老鼠模型的血清代谢轮廓谱,并讨论其发病机制。与单维色谱相比,两维的色谱信息更全面更广泛,族分离效应、分辨率和灵敏度明显提高,且相应时间缩短,得到的光谱纯度大大改善。Welthagen等应用GC ×GC/TOF-MS技术探究NZO肥胖鼠与C57BL/6鼠组织提取物中的代谢物变化,研究结果表明配置四级杆质量分析器的MS对样品的分析一次仅获得五六百个色谱峰,而TOF-MS却能检测到一千多个色谱峰,从而反映GC×GC/TOF-MS 的快速扫描和信息采集对于复杂体系的全组分分析具有重要的意义,对于未来生物样品的代谢组学研究提供了技术上的保证。

随着生命科学的发展,分析样品越来越复杂,分子量范围也越来越大,气相色谱-串联质谱技术如离子阱质谱联用仪具有MS n多级质谱功能,作为分析混合物和分子结构鉴定的重要手段,也逐渐成为当今医学和生物分析等领域研究的热点之一。目前,代谢组学技术正日益受到科研工作者的关注,特别是GC/MS技术的不断革新,有助于人们更好地理解机体内复杂的代谢网络以及生命活动规律。

5.3气相色谱-质谱联用技术在食品质检中的应用

气相色谱-质谱联用技术在食品中的应用越来越广泛,主要应用于食品的检测分析,如农药残留量的测定、食品风味成分的检测、油脂及脂肪酸的测定、食品添加剂的测定及调味品和酒类检测。

(1)农药残留的测定

近年来,随着我国对食品安全的重视,GC-MS在农药残留检测的研究得到了迅速发展。张兵等用GC-MS测定蔬菜中十五种农药残留量。李云飞等用GC -MS以选择离子检测方式对果蔬类农产品中含有机氯、有机磷、氨基甲酸酯及除虫菊酯类4类12种农药的残留量进行定性和定量分析。结果表明方法回收率在80%-120%,变异系数在6%-20%之间。许泓等采用GC-MS对果蔬中107种残留农药检测进行了系统研究,考察了被测组分在不同极性毛细管色谱柱上的保留时间值。郑孝华等将微波辅助萃取同液液萃取技术相结合,利用GC-MS开发了蔬菜、水果中多种拟除虫菊酯残留的检测技术。李拥军等采用微量化学法和固相萃取技术,用丙酮:正己烷(1:1,V/V)萃取,活性炭和中性氧化铝小柱净化,用GC-MS可同时测定茶叶中6种拟除虫菊酯类农药的残留量。方法回收率在84.6%-115.1%之间,相对标准偏差为3%-7%。胡小钟等研究了一定浓度范围内农药峰面积与浓度的线性关系,相关系数均好于0.99。他们用传统的液液分配和基质固相萃取相结合,GC-MS分三组对266种农药进行了分析检测,并应用于236个苹果汁的实际样品分析,效果良好。

(2)风味成分分析

气相色谱和质谱的联用GC-MS是目前主流的分析设备,一般和顶空装置、SPME和SDE等前处理装置联用,实现食品风味物质的快速分离分析。GC-MS 是GC与MS-一体化的装置,检测化合物是什么(定性)和多少(定量)的精密分析仪器。GC通过将气化的样品进入到色谱柱内进行分离,分离之后的化合物进入MS内进行检测。周海燕等使用SDE再结合GC-MS证明经乙醇处理后的大豆分离蛋白,其风味已得到了面线的改善。

(3)矿物油的定性测定

国家标准GB/T 5009.37-1996中矿物油测定采用加入氢氧化钾、乙醇等试剂,接空气冷凝管回流皂化的方法,此方法只适用于食用植物油中矿物油的检测。但实际检测工作中要测定其他食品中的矿物油,如大米、瓜子中的矿物油往往因样品中脂溶性成分复杂,含有较多非矿物油性的不皂化物而出现假阳性,引起误判。谭慧等用GC-MS联用系统来测定瓜子中的矿物油以C19-C28间的正构烷烃作为样品中是否含有矿物油的指标,通过质谱对样品中C19-C28的全称分析来进行定量定性。结果表明食用植物油中含有的天然不皂化物非常有限,用皂化法检测矿物油含量是适用的,但对大米、瓜子,尤其是瓜子等样品中其天然存在或者后天加入的不皂化物成分则要复杂得多,皂化法只能作为初筛。用GC-MS联用测

定食品中的矿物油,灵敏度和准确度均大大优于皂化法。

5.4气相色谱-质谱联用技术在医学检验中的应用

(1)遗传代谢性疾病的检测

遗传代谢性疾病的单一病种的发病率较低,但其种类繁多,总体发病率仍然较高。目前,GC-MS可同时筛查氨基酸、有机酸、糖代谢异常及脂肪代谢紊乱等共100余种疾病。GC-MS方法在日本等发达国家已广泛应用于婴幼儿及新生儿遗传性代谢疾病的筛查和诊断,取得了良好效果。GC-MS可以检测血液、尿液、脑脊液、唾液、汗液等,而且所需样本量较少,尿液一般需要10mL左右,血滤纸片只需直径16mm血片,约相当于80μL左右全血,实现了“一种方法检测多种疾病”,大大提高了检测效率。

GC-MS样品的前处理是一个繁琐而耗时的过程。传统的衍生方法所需时间较长(大于30min),Deng等提出利用微波辅助进行甲基硅烷化,认为给予700W 能量好和照射60s是最佳条件,较传统方法缩短近30倍。

(2)尿液类固醇激素的谱分析

用GC-MS进行尿液类固醇激素的谱分析对诊断新生儿和成人的类固醇激素合成和代谢异常有非常重要的作用。早在1986年,Shackleton等就提出用GC-MS 进行尿液类固醇激素谱分析应遵循以下原则:1)精确收集24h尿样;2)从尿液中提取所有结合型类固醇激素;3)完全水解所有结合型类固醇激素;4)高游离类固醇激素的回收率;5)转化所有激素为挥发性衍生物;6)调整所测组分的色谱分辨率;7)在较广泛的浓度梯度范围内有良好的线性反应;8)反应因素确定:只与纯化的待测定的类固醇激素反应;9)每个激素的再现性好;10)无杂质干扰。类固醇激素的谱分析可用于鉴别不同种类的先天性肾上腺皮质增生、Cushing 综合症、肾上腺功能不全或抑制状态。Homma等在日本建立了足月新生儿尿液类固醇激素的参考值。他们通过GC-MS选择性离子扫描方式成功界定了50种尿液类固醇激素的参考值。其实验结果显示,脱氢表雄酮、孕烯醇酮、17-羟孕酮、皮质醇的主要代谢产物在白天(06:00-14:00)和晚上(21:00-24:00)无显著性差异。

(3)产前诊断

产前诊断又称宫内诊断或出生前诊断,是指直接或间接地对孕期胎儿情况进行检测,继而采取一些必要的措施防止严重遗传病、先天性畸形和智力障碍患儿的出生,提高人口素质。目前,文献中报道的能用GC-MS进行产前诊断的疾病包括甲级丙二酸血症、丙酸血症、酪氨酸血症及其他一些有机酸血症。检测的样本可来自羊水、母亲尿液等。