气质联用的关键技术知识

赵敏 0 2023-02-16

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GC-MS

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。下面我们来简单学习一下GC-MS联用关键技术知识点。

1、GC-MS的结构组成

GC-MS总体上由以下五大部分组成：色谱仪（常压）、接口部分、质谱分析器（高真空）和计算机数据处理系统。示意图如图2所示：

图2. GC-MS示意图（图片来源:公开资料）

气相色谱部分

气相色谱仪的基本流程如图3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。

图3.气相色谱仪（GC）基本流程

气相色谱仪的组成部分及作用：

（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。

MS质谱部分

质谱仪的基本部件有：离子源、滤质器、检测器三部分组成（结构示意图如图4），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。

图4.质谱（MS）组成示意图（图片来源：仪器分析网络课程）

（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。

2、GC-MS联用技术原理

图5为GC-MS联用仪的内部组成示意图。在这个组合中气相色谱仪分离样品中各组分，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；质谱仪对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，是GC-MS的中央控制单元。

图5. GC-MS内部组成结构（图片来源：公开资源）

3、GC-MS技术特点

4、GC-MS测样要求

GC-MS分析可用于液体，气体和固体样品，但主要限于挥发性和半挥发性化合物。

5、GC-MS结果分析

定性分析基础

定性分析基础：

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：

(1) 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 Wi——组分i含量；Ai——组分i的峰面积(或峰高)；fi——组分i的质量校正因子。当fi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。

(2) 外标标准曲线方法。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 Wi——待测化合物标样含量；Ai——待测化合物标样峰面积(或峰高)。

(3) 内标法内标标准曲线方法 。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，可由：