成分分析技术——气相色谱-质谱 GC-MS 联用（一）

气相色谱法-质谱法联用（简称气质联用 GC-MS）是将气相色谱仪器（GC）与质谱仪（MS）通过适当接口（interface）相结合，借助强大的计算机技术，进行联用分析的技术。

GC-MS 技术于 1957 年初步诞生，它成功地将气相色谱与质谱技术结合起来，为有机物领域带来了前所未有的分离与鉴定方法。此技术的问世，极大地促进了样品处理流程的整合，显著提升了分析工作的效率与精确度。

1965年，GC-MS 技术的商品化仪器面世，这标志着该技术正式步入商业化轨道，进而促进了其在更广泛领域内的应用与推广。紧接着，GC-MS 系统在 1968 年实现了与计算机技术的紧密结合，这一里程碑式的进展极大地增强了数据处理与分析的效能，使得分析过程更加高效与精准。

进入 1980 年代后，GC-MS 技术逐渐成熟，各项性能得到显著提升。随着仪器厂商对技术的不断研发和升级，GC-MS 的性能越来越优越，应用领域也不断扩展。除了化学领域，GC-MS 还广泛应用于医药卫生、石油化工、环境保护和生命科学等多个领域。在药物分析领域，GC-MS 发挥着尤为重要的作用，如合成产物的确证、有机合成反应中副产物的鉴定等。

进入 21 世纪后，尽管 GC-MS 技术在多个领域取得了显著成就，但也面临着一些挑战。例如，有机物中大部分化合物不能气化，这限制了 GC-MS 的应用范围。然而，随着科技的进步和创新，GC-MS 技术也在不断发展和完善。近年来，新的联用方法如 CE-MS 等不断涌现，为 GC-MS 技术的发展提供了新的方向。

气相色谱-质谱联用仪由两大部分构成：气相色谱和质谱。质谱联用仪器把色谱的高效分离作用与质谱计对未知样品的准确鉴别能力相结合，是色谱技术、质谱技术与计算机技术三种现代化技术紧密结合的产物，把分析仪器提高到一个新水平。

气相色谱仪分离试样中的各组分，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；质谱仪将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，由此同时获得色谱和质谱数据，对复杂试样中的组分进行定量和定性分析。

GC-MS 示意图

气相色谱仪的基本流程如下图所示。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（GC）基本流程

（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。

质谱仪的基本部件有：离子源、滤质器、检测器三部分组成，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。 

质谱（MS）组成示意图

（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。

气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）的原理也基于两个核心技术：气相色谱（GC）和质谱（MS）。

气相色谱是一种物理分离技术，其工作原理是利用样品中各组分在固定相和流动相之间的分配系数差异来实现分离。

分离原理

当混合样品随着流动相（通常是气体）经过色谱柱时，各组分与固定相发生相互作用。由于各组分与固定相的作用力不同，它们在色谱柱中的移动速度也会不同，从而实现按照时间顺序从色谱柱流出进入检测器的分离效果。

流出色谱柱的组分随后被检测器检测并记录，得到色谱图。色谱峰的出现时间（保留时间）与被分离组分的性质有关，而峰面积或峰高则与相应组分的含量有关。

质谱是一种测定离子质荷比（质量与电荷之比）的分析方法，其基本原理是将样品分子在离子源中电离生成离子，这些离子按照质荷比的不同在质量分析器中进行分离，并被检测器检测记录。

在质谱仪中，最重要的两个组成部分是离子源和质量分析器。样品在离子源中通过热、电或光等方式被电离或与高能气体碰撞离子化，随后进入质量分析器进行分离，并按照质荷比的大小被检测器记录下来，得到质谱图。质谱图能够提供样品的分子量及结构信息，是化合物结构鉴定的重要工具之一。

GC-MS 联用技术结合了气相色谱的高效分离能力和质谱的定性功能。在 GC-MS 联用系统中，气相色谱首先将复杂样品中的各组分进行高效分离，然后将分离后的组分直接导入质谱仪的离子源中。质谱仪对导入的组分进行电离、分离和检测，得到各组分的质谱图。通过与标准质谱图数据库进行比对和分析，可以确定各组分的化学结构和性质。

GC-MS 联用技术结合了色谱和质谱的优势，既能够实现复杂样品的高效分离，又能够提供精确的定性分析结果。这使得 GC-MS 在化学分析、药物研发、环境监测等领域具有广泛的应用价值。

GC-MS 作为一种高效的分析工具，在多个领域如化学、生物、医药和环境科学中得到了广泛应用。以下是 GC-MS 的主要优点和缺点。

1、高效分离与定性：GC-MS 技术结合了气相色谱的高分离效能和质谱的高定性能力。GC 部分可以有效地将混合物中的不同组分进行分离，而 MS 部分则能够提供准确的定性信息，通过比较样品的质谱图与标准谱库中的数据进行匹配，从而确定化合物的种类。

2、高灵敏度：GC-MS 具有很高的灵敏度，能够检测到痕量级别的化合物，对于低浓度的样品分析非常有效。

3、应用广泛：GC-MS 技术适用于多种类型的样品分析，包括挥发性、半挥发性以及热稳定性好的化合物。同时，它还可以用于有机化合物的结构分析、同分异构体的区分以及代谢产物的鉴定等。

4、可靠性与准确性：GC-MS 的分析结果通常具有较高的可靠性和准确性，因此在很多领域中被视为最终确证方法。

1、分析对象限制：GC-MS 主要适用于具有挥发性且能在 300℃ 左右及以下汽化的样品。对于极性太强或易分解的化合物，如有机酸类等，需要进行特殊处理，如酯化衍生处理，才能进行 GC-MS 分析。此外，GC-MS 分析的样品应为有机溶液或采用热裂解、顶空进样技术。

2、异构体分辨能力有限：虽然 GC-MS 具有很高的定性能力，但目前对于很多异构体，尤其是位置异构体，其分辨能力仍然有限。

3、复杂样品处理繁琐：对于复杂的样品，GC-MS 分析前的预处理和衍生化步骤可能相对繁琐，这可能会增加分析的复杂性和时间成本。