成分分析技术——气相色谱-质谱 GC-MS 联用（二）

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。

计算机可以将采集到每个质谱的所有离子相加得到总离子强度，总离子强度随时间变化曲线就是总离子色谱图。总离子色谱图的横座标是出峰时间，纵座标是峰高。图中每个峰表示样品的一种组份，由每个峰可以得到相应化合物质谱图；峰面积与该组份含量成正比，可用于定量。

由 GC-MS 得到的总离子色谱图与一般色谱仪得到的色谱图基本上一致，只要所用色谱柱相同，样品出峰顺序便相同。其差别在于，总离子色谱图运用的检测器是质谱仪，而一般色谱图所用的检测器是氢焰、热导等，两种色谱图中各成分的校正因子不同。

由总离子色谱图可以得到任何一种组分的质谱图。一般情况下，为了提高信噪比。通常由色谱峰峰顶处得到相应质谱图，但如果两个色谱峰具有相互干扰，应尽量选择不发生干扰的位置而得到质谱，或通过扣本底消除其他组分影响。

得到质谱图后可以通过计算机检索对未知化合物进行定性。检索结果可以给出几个可能的化合物，并以匹配度大小顺序排列出这些化合物的名称、分子式、分子量和结构式等。使用者可以根据检索结果和其它的信息，对未知物进行定性分析。目前，GC-MS 联用仪有几种数据库。应用最为广泛的有 NIST 库和 Willey 库。此外，还有毒品库、农药库等专用谱库。

总离子色谱图是将每种质谱的所有离子加和得到。同样，由质谱中任何质量离子也可得到色谱图，即质量色谱图。质量色谱图是由全扫描质谱中提取出一种质量的离子而得到的色谱图，因此，又称为提取离子色谱图。

假定做质量为 m 的离子质量色谱图，如果某化合物质谱中不存在该种离子，那么该化合物就不会出现色谱峰。一个混合物样品中可能只有几个甚至一个化合物出峰，利用该特点可识别具有某种特征的化合物，也可通过选择不同质量的离子做质量色谱图，使正常色谱不能分开的两个峰实现分离，以便进行定量分析。由于质量色谱图是采用一种质量的离子作色谱图，因此，进行定量分析时也需要使用同一离子得到质量色谱图测定校正因子。

一般扫描方式是连续改变 Vrf，使不同质荷比的离子顺序通过分析器到达检测器，而选择离子监测则是对选定离子进行跳跃式扫描。

由于该种方式灵敏度高，因此适用于量少且不易得到的样品分析。在对复杂体系中某一微量成分进行定量分析时，常采用选择离子扫描方式。由于选择离子扫描不能得到样品全谱，因此该种谱图不能进行库检索。

利用选择离子扫描方式进行 GC-MS 联用分析时，得到的色谱图在形式上类似质量色谱图，但实际上，二者有巨大的差别。质量色谱图利用全扫描方式得到，因此可得到任何一个质量的质量色谱图；选择离子扫描是选择了一定 m/z 离子，扫描时选定哪个质量，就只能有那个质量的色谱图。如果二者选择同一质量，那么用 SIM 灵敏度要高得多。

Antonella Profumo 等人提出了一种 GC-MS 分析方法，可用于法医调查，用于土壤的比较或来源研究，目的是将证据重新连接到它们的起源。采用气相色谱-质谱法对不同来源土壤样品中的挥发性、半挥发性和挥发性化合物进行了提取和定性分析。采用超声辅助萃取法（UAE）提取不同馏分，并以 BSTFA-TMCS 为硅化剂进行衍生化。

在研究中收集了意大利北部不同地区的 65 个土壤样品，对其进行了分析，并建立了气相色谱-质谱“指纹数据库”，以便方便地访问使用相同程序和气相色谱设备获得的未知土壤样品来源的数据。为此，从收集的样品中随机选择的盲样的来源是基于质谱谱的定性比较来确定的，从而避免了定量分析的需要。

图1. 不同土壤样品的色谱图：A）农业土壤（挥发性分数）显示了特布他嗪的峰值；B）农业土壤样品（可挥发分数）显示了阿拉伯糖醇-TMS（1）和葡萄糖吡喃糖-TMS（2）的峰值；C）城市土壤样品（挥发性分数）显示了奥萨嘧啶和芘的峰值；D）城市土壤样品（可挥发分数）显示了1-四十四烷醇TMS（1）和β-谷甾醇TMS（2）的峰值。

Irfan Ahmad 等人报道了从 ND 的表面部位获得的乙醇提取物 NDE 的抗癌和抗菌作用，并通过气相色谱-质谱鉴定了 NDE 的活性植物化学物质。GC-MS 分析显示 NDE 含有 47 种生物活性植物化学物质。

图 2. Nepeta deflersiana 乙醇提取物 NDE 的色谱图

天津科技大学生物工程学院的方超，林良才，张翠英等，采用感官定量分析和仪器分析相结合的方法研究山庄老酒 3 种不同香型白酒中的特征风味化合物。通过香气活性值（OAV）法确定具有香气贡献的特征化合物，并结合偏最小二乘（PLS）和相关性分析研究酒样感官属性与特征香气化合物之间的关联度，最终解析山庄老酒不同香型白酒的挥发性风味化合物特征，为山庄老酒质量的提升提供参考依据。

图 3. 山庄老酒挥发性风味化合物离子色谱图：A. 浓香型；B. 酱香型；C. 芝麻香型。

Lingni Miao 等人以农药混合物的快速分析为例，提出了一种多组分重叠 GC-MS 信号的化学计量分析方法。该方法首先建立农药的质谱库，然后利用目标因子分析（TFA）在多组分重叠的 GC-MS 信号中检测特定农药的存在性，最后利用非负免疫算法（IA）提取农药的色谱信息。用该方法分析了洗脱时间为 9 min 的 40 组分农药混合物的 GC-MS 信号。结果表明，该方法可以得到几乎所有农药的质谱和色谱图谱。

图4. 混合农药样品的总离子色谱图（TIC）以实线表示，分离结果以点线表示，整个色谱图的分割由垂直点线显示。

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。

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：

w_i——组分 i 含量；

A_i——组分 i 的峰面积（或峰高）；

f_i——组分 i 的质量校正因子。

当 f_i 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。  

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：

w_i——待测化合物标样含量；

A_i——待测化合物标样峰面积（或峰高)。

内标标准曲线法

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：

w_i——待测化合物标样含量；

A_i——待测化合物标样峰面积（或峰高）；

w_s——内标化合物含量；

A_s——内标化合物峰面积（或峰高）。

                                                                    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——校正因子，RF=含量/面积或含量/峰高；

C——含量；

S——峰面积或峰高。

同位素稀释法的优点为：

（1）一般可以校正基体影响（标样和样品的差别），提取效率稳定；

（2）进样误差小，保留时间随溶剂梯度变化影响不大；

（3）仪器漂移影响小；

（4）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：

（1）样品制备很耗时；

（2）对移液和稀释等中的误差结果有缺陷。

所有的色谱柱都有柱流失的现象，来源于固定相由于各种原因降解而产生的被洗脱物质，一般柱流失会随着温度的升高而加剧。GC-MS 柱流失成分主要是聚硅氧烷之类的物质，来自于色谱柱（柱流失成分并不是样品中的成分，所以整理结果的时候一般会直接筛选掉）。

气质的电离方式一般有电子电离（EI）和化学电离（Cl）。

气相色谱和液相色谱结构和应用有很大差别。气相色谱一般分析可挥发、热稳定的有机物，分子量一般不超过 1000，液相色谱可分析极性、难挥发、 热不稳定及大分子有机物。

此外，气质的真空系统比较简单，只要一个小的机械泵和一个分子涡轮泵就可以了。液质的机械泵要比气质大，需要两个分子涡轮泵。气质的电离方式有电子电离（EI）和化学电离（CI）。液质的电离方式有电喷雾电离（ESI）、大气压化学电离（APCI）和大气压光电离（APPI）。