GC-MS的原理及应用
摘要：气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）检测灵敏度高，分离效果好，是检测有机物最常选用的方法。本文综述了GC-MS联用技术的原理及其在医药、环境、生物等方面的应用。
关键词：GC-MS；原理；应用
1 概述
GC-MS始于20世纪50年代后期，1965年出现商品仪器，1968年实现与计算机联用。经过几十年的发展，目前，各种联用技术中，最成熟和最完善的当属GS-MS。其发展过程分为4个阶段：解决接口和磁场快扫描问题，以填充柱色谱与磁质谱联用成功为标志；解决联用仪计算机数据处理问题，以填充柱色谱-四极质谱-计算机三机联用成功为标志；小型台式GC-MS联用，计算机开始控制联用仪主机，实现了毛细管柱GC-MS并开始了GC-MS-MS（气象色谱与磁式或四极串联质谱MS-MS的联用）；主机一体化全自动GC-MS系统和小型台式GC-MS-MS的问世。
GC-MS分析仪综合了色谱法的分离能力和质谱的定性长处，可在较短的时间内对多组分混合物进行定性分析。在这类中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。
2 GC-MS的原理和组成
GC-MS利用气相色谱作为质谱的进样系统，使复杂的化学组会得到分离；利用质谱仪作为检测器进行定性和定量的分析，主要是用
于定性定量分析沸点较低、热稳定性好的化合物。
2.1GC-MS的原理
供试品经GC分离为单一组分，按其不同的保留时间，与载气同时流出色谱柱，经过分子分离器接口，除去载气，保留组分进入MS 仪离子源被离子化，样品组分转变为离子，经分析检测，记录为MS 图。GC-MS中气相色谱仪相当于质谱仪进样系统，而质谱仪则是气相色谱的检测器，通过接口将二者有机地结合。
2.1.1 GC的原理[1-3]
由于流动相、固定相以及溶质混合物性质（沸点、极性及吸附性质等）的不同，在色谱过程中溶质混合物中的各组分表现出不同的色谱行为，从而使各组分彼此相互分离。
当一种不与被分析物质发生化学反应的被称为载气的永久性气
体（例如H
2 、N
2
、He、 Ar 、CO
2
等）携带样品中各组分通过装有
固定相的色谱柱时，由于试样分子与固定相分子间发生吸附、溶解、结合或离子交换，使试样分子随载气在两相之间反复多次分配，使那些分配系数只有微小差别的组分发生很大的分离效果，从而使不同组分得到完全分离。
2.1.2 MS的原理[1-3]
质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度，
将它们分别聚焦而得到，从而确定其质量。
2.2GC-MS的组成
气相色谱仪[2,3]包括气路系统，进样系统，分离系统，温度控制系统以及检测和记录系统。
质谱仪[2,3]包括真空系统，进样系统，离子源，质量分析器，离子检测器和计算机自动控制及数据处理系统。
GC-MS联用仪[2,3]包括气相色谱仪，接口，离子源，质量分析器，检测器，仪器控制和数据处理系统。
图1 GC-MS的组成
3 GC-MS分析条件的选择[4-6,9]
a.扫描范围:取决于化合物的分子量，应该使化合物所有的离子都出现在设定的扫描范围之内。
b.扫描速度：扫视色谱峰宽而定，一个色谱峰出峰时间内最好能有 7～8 次质谱扫描。
c.灯丝电流：一般设置在 0.20～0.25mA。灯丝电流小，仪器灵敏度太低；电流太大，则会降低灯丝寿命。
d.电子能量：电子能量一般为 70eV，标准质谱图都是在 70eV 下得到的。
e.光电倍增器电压：与灵敏度有直接关系。在仪器灵敏度能够满足要求的情况下，应使用较低的光电倍增器电压，以保护倍增器，延长其使用寿命。
4 GC-MS的优点和常用测定方法
4.1GC-MS的优点
色谱法高效分离和定量分析简便，质谱分析具有灵敏度高，定性能力强。可以检测出几乎全部的化合物，准确测定分子质量，确定化合物的化学式和分子结构，并且灵敏度极高。
GC-MS 联用仪和气相色谱仪相比的优点[6,8]：（1）其定性参数增加,定性可靠；（2）它是一种高灵敏度的通用型检测器；（3）可同时对多种化合物进行测量而不受基质干扰；（4）定量精度较高；（5）日常维护方便。
4.2GC-MS常用测定方法[7,9]
（1）总离子流色谱法（total ionization chromatography，TIC）——类似于GC 图谱，用于定量。
（2）反复扫描法（repetitive scanning method，RSM）——
按一定间隔时间反复扫描，自动测量、运算，制得各个组分的质谱图，可进行定性。
（3）质量色谱法（mass chromatography，MC）——记录具有某质荷比的离子强度随时间变化图谱。在选定的质量范围内，任何一个质量数都有与总离子流色谱图相似的质量色谱图。?
（4）选择性离子监测（selected ion monitoring，SIM）——对选定的某个或数个特征质量峰进行单离子或多离子检测，获得这些离子流强度随时间的变化曲线。其检测灵敏度较总离子流检测高2-3个数量级。?
5 GC-MS联用中的主要技术问题
气相色谱仪和质谱仪联用技术中着重要解决两个技术问题：
（1）仪器接口[10-11]
接口技术中要解决的问题是气相色谱仪的大气压的工作条件和质谱仪的真空工作条件的联接和匹配。接口要把气相色谱柱流出物中的载气尽可能多的除去，同时保留和浓缩待测物，使近似大气压的气流转变成适合离子化装置的粗真空，并协调色谱仪和质谱仪的工作流量。
（2）扫描速度[10-11]
由于气相色谱峰很窄，有的仅几秒钟时间，一个完整的色谱峰通常需要至少6个以上数据点。这样就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质量范围的质量扫描。另一方
面，要求质谱仪能很快在不同的质量数之间来回切换，以满足选择离子检测的需要。
6 GC-MS的应用
GC-MS 法现已广泛用于药物滥用监测、兴奋剂检测、临床疾病诊断、药动学研究等体内药物分析。
6.1GC-MS 在兴奋剂检测中的应用
根据国际奥委会医学委员会的要求，体育运动中的兴奋剂检测唯一能用作确认的仪器是GC-MS[5]。一般兴奋剂检测实验室都以GC-MS（HP5970/71/72/73）做初筛。初筛一般用选择离子检测（SIM）能有较高的灵敏度，初筛有怀疑的样品必须重新进行检测，并用样品与同样条件下比对物全扫描提供的质谱图的一致性、保留时间的一致性对检测物质进行定性。
6.2GC-MS 在生物利用度和药代动力学研究中的应用[1]
例：杨丽莉等以樟脑为内标，建立了GC-MS 法测定冰片和川芎嗪的血药浓度方法，最低检出限为2 ng/ml。
6.3GC-MS 联用技术在有机物环境监测分析中的应用
随着质谱技术的发展，基于各种质谱串联技术的痕量分析技术不断出现，质谱技术的应用，为复杂样品中微量挥发性有机溶剂的定性、定量分析[2,12]提供了新的途径。运用GC-MS 技术测定各种挥发性有机物并对痕量物质进行定性与定量分析；最后，比对不同浓度梯度挥发性有机物在同种升温方式下进样与出峰的最佳浓度。
6.4在挥发性成分以及中药有效成分中的应用
在挥发性成分以及中药有效成分中的应用气质联用技术[10,11]，将气相色谱高效的在线分离能力与质谱高选择性、高灵敏度的检测能力相结合，可以作为复杂体系分离分析的有效研究手段，并是挥发油分离分析的首选方法。随着气质联用分析检测技术的日益完善，现已广泛地用于挥发油、甾类、生物碱、脂肪酸、脂溶性成分等中药有效成分的研究。
近年来，气质联用与固相微萃取或顶空固相微萃取及其改进的萃取法、微波萃取技术、分子蒸馏、超临界二氧化碳流体萃取法等联用。这些样品处理方法不需溶剂，可将样品萃取、富集和进样结合起来，大大提高分析速度，具有灵敏度高、重现性好、快速、高效、节能、污染小的特点，能很好地与GC-MS相结合，在中药分析方面得到越来越广泛的应用。
6.5用GC-MS对药物合成过程、药物作用机制的研究，为研究药物药理毒理做好准备, 也为药品的质量控制以及制定药品质量标准提供依据
气相色谱一质谱联用技术以其强有力的分离和分析能力，泛地应用于药物、生物合成方面，提高了合成目标物的定性检测和定量测定的准确度、精确度和灵敏度[5,9]。从气质联用技术的角度讲是扩大了该技术的应用范围，增加了新的研究领域；从合成应用角度则是在该领域的分析测试中又增加了一种更加灵敏可靠的检测方法。
6.6农药残留的检测
GC-MS 联用技术可对多种农药进行确认和结构鉴定，质谱检测器可以对各种类型的残留物同时进行定性定量分析和阳性确证，结合应用选择离子监测技术，以及高效快速方法的发展，可排除杂质的干扰, 大大提高分析的灵敏度[3,14]。
目前多极质谱 GC-MS 技术的发展，为复杂样品中微量农药定性定量分析开辟了新途径，它选择目标化合物的特征离子为母离子，对其进行碰撞诱导碰撞（CID），用其子离子图谱进一步确证分析对象的结构，其主要特点是在提高分析能力的基础上提供足够的结构信息,用于结构定性。它还可以将在色谱上不能完全分离的共流出物利用时间编程和多通道检测将其完全分开，因此特别适用于分析背景干扰严重、定性困难样品组分含量低的情况。
6.7生物大分子的研究
气质联用技术的发展，尤其是飞行时间检测（TOF）技术以及串联质谱MS-MS为生物大分子检测提供了强有力的工具[13]。TOF技术是应用不同m/z离子的飞行速度不同，离子飞行通过相同的路径到达监测器的时间不同而获得质量分离，扫描速度快、分析质量范围宽；同时利用CID可将化合物的分子离子或准分子离子打碎，通过中性丢失扫描、母离子扫描和子离子扫描，进行多级质谱检测，为生物大分子提供详细的数据。气质联用使得生物大分子研究得到了快速的发展，尤其是在生物分子克降、基因组学方面的研究。
6.8临床诊断
气相色谱一质谱联用以其快速、高效、稳定的优点成为临床诊断研究中的主要方法，通过检测由疾病诱导产生的代谢产物的变化
进行分析，有助于了解病变过程和机体内代谢途径，同时助临床治疗[15]。气质联用技术作为一种特异性高的分析手段，在临床疾病诊治中具有一定的应用价值，其应用也将越来越广泛。该技术在刘疾病标志物进行定性定量研究的同时，将向国际上普遍采用的高分辨率质谱和串联质谱发展，成为低浓度生物诊断样品的高效、高灵敏检测方法与生物样品的在线预处理技术相结合，以其高效、高度自动化的技术特点在临床诊治领域将发挥更加重要的作用。
7展望
GC-MS联用技术分析复杂未知混合物准确、灵敏、快速,且操作简便,已经成为分析复杂未知物的最有效的手段之一。但GC-MS技术还有其自身的缺点，要求其所分析的气体、液体、固体物在操作温度下是稳定的，且要求所分析的液体、固体气化温度不高于操作温度上限，使GC-MS联用技术的应用范围受到一定限制，还有许多技术问题仍需进一步解决。
随着社会不断进步，人们对环境的要求越来越高,环保标准日益严格，这就要求色谱与其他分析方法一样向更高灵敏度、更高选择性、更方便快捷的方向发展，不断推出新的方法来解决遇到的新的分析问题。可以预见，色谱技术将向与其他技术联用、高精度、高灵敏度、微型化的方向发展，并使得未知物的检测变得更加简洁准确。
参考文献：
[1] 邹海洋,陈再洁,郑建明等.GC-MS在中药研究中的应用[J].现代商贸工业,2010,22(9):362-364.
DOI:10.3969/j.issn.1672-3198.2010.09.227
[2] 沈培明.GC/MS在城市排水监测中的应用[C].//上海市环境科学学会第11届学术年会论文集.
2004:126-128
[3] 吴晓波,薛健,彭峥国等.GC-MS/MS在中药农药多残留检测中的应用[J].江苏农业科学,2011,39
(2):433-434.DOI:10.3969/j.issn.1002-1302.2011.02.158
[4] 赵晓萌,于同泉,路苹等.GC/MS分析方法在食品农残检测中的应用[J].中国农学通报,2004,20
(6):60-62,139.DOI:10.3969/j.issn.1000-6850.2004.06.020
[5] 朱军,赵敬真,于忠山等.GC和GC/MS技术在毒品来源推断中的应用[J].中国法医学杂志,2005,
20(3):140-142.DOI:10.3969/j.issn.1001-5728.2005.03.005
[6] 王德庆,付群.GC与GC-MS联用技术进展及其在环境中的应用[J].分析测试学报,2007,26(z1):
193-196.DOI:10.3969/j.issn.1004-4957.2007.z1.069
[7] 肖文,姜红石.MS/MS的原理和GC/MS/MS在环境分析中的应用[J].环境科学与技术,2004,27(5):
26-28,44.DOI:10.3969/j.issn.1003-6504.2004.05.012
[8] 钱敏,刘坚真,白卫东等.气质联用仪在食品工业中的应用[J].中国调味品,2009,(9):101-104,
108.DOI:10.3969/j.issn.1000-9973.2009.09.023
[9] 尹希,罗湘衡,连靠齐等.GC/MS联用技术在医药卫生领域的应用[J].现代仪器,2009,15(2):12-
14,21.DOI:10.3969/j.issn.1672-7916.2009.02.004
[10] 申进朝,林玉红,堵劲松等.GC/MS/MS在烟草生物碱分析中的应用研究[J].江西农业大学学报,
2012,34(3):599-602,618.DOI:10.3969/j.issn.1000-2286.2012.0 3.036
[11] 杨玉良,张永涛,许淑红等.GC-MS法在油烟分析中的应用[J].洛阳师范学院学报,2011,30(8):
61-63.DOI:10.3969/j.issn.1009-4970.2011.08.019
[12] 王苗苗.GC/MS在水质检测中的应用[J].农业环境与发展,2012,29(2):84-87.DOI:10.3969/j.
issn.1005-4944.2012.02.023
[13] 汪峻,姚斐.GC-MS在有机合成中的一些应用[J].现代科学仪器,2006,(5):101-103.DOI:10.
3969/j.issn.1003-8892.2006.05.029
[14] 秦曙,乔雄梧,王霞等.应用GC-MS测定葡萄中的5种农药残留[J].分析测试学报,2004,23(z1):
242-243,248.DOI:10.3969/j.issn.1004-4957.2004.z1.091
[15] 孙成文,李嘉琳,尚勤等.中毒患者血液芬那露GC/MS的检测及其在临床救治中的作用[J].解放军医学杂志,2007,32(6):627-628