科研篇 | 氣相色譜質譜法（GC-MS）全攻略

氣相色譜（GC）是一種基於(yu) 物理分離的分析技術，通過化合物在色譜柱固定相與(yu) 載氣流動相間的分配係數差異實現混合物組分分離，並基於(yu) 保留時間與(yu) 檢測器響應強度完成成分的定性與(yu) 定量分析。然而，傳(chuan) 統GC檢測器（如FID、ECD）的輸出信息存在顯著局限性：①數據維度局限於(yu) 二維參數（保留時間+響應值），無法提供分子結構信息；②鑒別機製依賴於(yu) 標準品的保留時間比對，對未知化合物或複雜基質中的共流出峰缺乏解析能力。

為(wei) 解決(jue) 這一技術瓶頸，氣相色譜與(yu) 質譜聯用成為(wei) 關(guan) 鍵方案。聯用係統可通過兩(liang) 種模式運行：1）單一質譜檢測模式：色譜柱流出物全部導入質譜，通過特征碎片離子實現高特異性檢測；2）分流檢測模式：柱後通過微流控分流器將流出物分配至質譜和常規GC檢測器（如FID/TCD），同步獲取結構信息與(yu) 定量數據。質譜提供的質量碎片譜圖（如EI源產(chan) 生的特征離子峰）與(yu) NIST等譜庫的自動匹配，使未知化合物的鑒定準確率提升至90%以上。

 GC-MS是氣相色譜與(yu) 質譜的聯用技術，結合了色譜的高效分離能力和質譜的高靈敏度檢測與(yu) 結構解析能力。其核心流程可分為(wei) 3個(ge) 階段：

氣相色譜分離：樣品經汽化後由載氣帶入色譜柱，基於(yu) 化合物在固定相與(yu) 流動相間的分配係數差異實現物理分離。

質譜電離與(yu) 檢測：分離後的組分通過加熱傳(chuan) 輸線進入質譜儀(yi) 的離子源（如電子轟擊源EI），在真空環境下被電離為(wei) 帶電離子，隨後通過質量分析器（如四極杆或飛行時間分析器）按m/z分離。

數據采集與(yu) 解析：檢測器記錄不同m/z值的離子強度，生成質量譜圖（反映化合物碎片特征）和總離子流色譜圖（TIC，反映各組分保留時間及峰麵積）。

圖1 典型的GC-MS質譜圖（綠色和橙色），總離子色譜圖（紅色）和質譜圖（藍色）

1. 氣相色譜部分

氣相色譜儀(yi) 的基本流程如圖2所示。主要包括以下5大係統：載氣係統、進樣係統、分離係統、溫控係統以及檢測和記錄係統。

（1）載氣係統：包括氣源、氣體(ti) 淨化、氣體(ti) 流速控製和測量。為(wei) 獲得純淨、流速穩定的載氣。

（2）進樣係統：包括進樣器和氣化室。進樣器分氣體(ti) 進樣器和液體(ti) 進樣器，氣化室是將液體(ti) 樣品瞬間氣化的裝置。

（3）分離係統：包括色譜柱和柱溫箱和控溫裝置。根據各組分在流動相和固定相中分配係數或吸附係數的差異，使各組分在色譜柱中得到分離。

（4）溫控係統：控製氣化室、柱箱和檢測器的溫度。

（5）檢測和記錄係統：包括檢測器、放大器、記錄儀(yi) 、或數據處理裝置、工作站 。將各組分的濃度或質量轉變成電信號並記錄。

圖2 氣相色譜儀(yi)

2. 接口部分

在GC-MS聯用係統中，接口是實現色譜與(yu) 質譜協同工作的關(guan) 鍵組件，需同時滿足以下技術需求：

真空適配：質譜離子源工作真空需維持在10⁻³–10⁻⁵ Pa，而氣相色譜柱出口處於(yu) 常壓環境（約10⁵ Pa），接口通過逐級降壓實現壓力梯度過渡，防止質譜真空係統過載。

組分富集：色譜流出物中載氣（如氦氣、氫氣）占比超過99%，接口需選擇性去除載氣，使分析物濃縮10–100倍後進入離子源，提升檢測靈敏度。

3. 質譜部分

質譜儀(yi) 的基本部件有：離子源、質量分析器、檢測器三部分組成。在GC-MS聯用中經過氣相色譜分離的各氣態分子受離子源轟擊，電解裂解成分子離子，並進一步碎裂為(wei) 碎片離子。在電場和磁場綜合作用下，按照m/z大小進行分離，到達檢測器檢測、記錄和整理，得到質譜圖，實現樣品定性定量分析。

2. 樣品成分（即分析物）的分離基於(yu) 其在流動相（載氣）與(yu) 固定相之間的相互作用差異。對於(yu) 多數化合物，分離主要通過氣-液分配色譜實現，即分析物在載氣（流動相）和塗覆在色譜柱內(nei) 壁的液體(ti) 固定相之間進行分配；而對於(yu) 揮發性較強的氣體(ti) （如長久性氣體(ti) ），則通過氣-固吸附色譜實現分離，此時固定相為(wei) 具有吸附能力的固體(ti) 材料。

GC-MS係統最常采用毛細管柱（又稱開管柱），其典型規格為(wei) 內(nei) 徑0.1-0.25 mm、長度10-30 m。這類色譜柱以壁塗層開放式（WCOT）結構為(wei) 主，液體(ti) 固定相通過化學鍵合方式穩定附著於(yu) 柱內(nei) 壁，形成均勻薄膜。這種設計兼具高分離效率（理論塔板數可達數千）和低柱流失特性，尤其適合複雜混合物的分離。需要說明的是，盡管氣-固色譜柱（如PLOT柱）仍用於(yu) 特定氣體(ti) 分析，但液體(ti) 固定相因其更好的重現性和分離選擇性已成為(wei) 主流。

3. 分離後，除非分析物是異構體(ti) ，否則GC-MS分析不需要總基線分辨率，中性分子通過加熱傳(chuan) 輸線[圖1（5）]進入質譜儀(yi) 中。

4. 在質譜儀(yi) 中，中性分子首先需經電離轉化為(wei) 帶電離子以便檢測。常用的電子電離（EI）過程如下：由加熱燈絲(si) 發射的電子束經70 eV能量加速後，與(yu) 進入離子源的氣態分子發生碰撞。當高能電子將分子中的一個(ge) 電子擊出時，生成帶正電荷的分子離子（M⁺·），該離子同時具有自由基特性（故稱自由基陽離子）。由於(yu) 70 eV的電子能量顯著高於(yu) 多數化學鍵能（通常在3-10 eV範圍），分子離子會(hui) 因獲得過量能量而發生裂解。這一過程可能涉及以下機製：

均裂：化學鍵斷裂生成兩(liang) 個(ge) 自由基，其中帶正電荷的碎片保留電荷

異裂：化學鍵斷裂產(chan) 生一個(ge) 正離子和一個(ge) 中性碎片

重排反應：如氫原子遷移導致的麥氏重排（McLafferty rearrangement）

裂解產(chan) 生的次級離子（碎片離子）質量始終低於(yu) 原分子離子，其分布規律取決(jue) 於(yu) ：

➤ 分子組成：官能團類型及位置直接影響鍵斷裂能

➤ 分子結構：立體(ti) 化學效應可能抑製或促進特定裂解途徑

➤ 電荷定位：遵循Stevenson規則，電離後電荷優(you) 先保留在電離電位較低的原子上

➤ 裂解位點選擇：弱鍵（如C-C單鍵鄰接雜原子）更易斷裂

最終形成的特征碎片離子群構成該化合物的"指紋"質譜圖，其中分子離子峰（若未被全裂解）對應化合物的分子量，而碎片離子則提供結構診斷信息。

5. 在電離完成後，質譜儀(yi) 通過質量分析器[圖1（8）]對離子進行分離。該步驟的核心原理是利用電磁場對不同m/z的離子施加差異化的運動軌跡調控，從(cong) 而實現按質量-電荷比的精準分選。常用質量分析器（如四極杆、飛行時間或離子阱）通過調節電壓、磁場強度或測量離子飛行時間等參數，最終僅(jin) 允許特定m/z的離子到達檢測器。此過程為(wei) 後續的離子檢測與(yu) 質譜圖生成提供了基礎信號分辨率。

                  圖3  氣相色譜儀(yi) -質譜儀(yi) 的簡化圖

（1）載氣，（2）自動取樣器，（3）進氣口，（4）分析柱，（5）接口，（6）真空，（7）離子源，（8）質量分析器，（9）離子檢測器，（10）電腦

GC-MS數據是三維的，如圖4所示。x軸顯示保留時間；從(cong) 樣品注入到GC運行結束的時間。這也可以看作是掃描數，也就是質譜在整個(ge) 運行過程中獲得的數據點的數量。y軸是離子檢測器測量的反應或強度。z軸是所獲得的質量範圍內(nei) 的離子的m/z。

二維色譜圖，如圖5所示，是通過將單個(ge) 數據點的所有離子豐(feng) 度相加，並與(yu) 保留時間（RT）/掃描號作圖來產(chan) 生總離子色譜圖（TIC），這與(yu) GC檢測器產(chan) 生的色譜圖更具可比性。然而，總離子色譜圖中的每個(ge) 數據點都是一個(ge) 單獨的質譜，通常可以在軟件中的一個(ge) 單獨窗口中打開。在圖5的示例中，峰3的頂點數據點已經被打開。

在GC中，保留時間用於(yu) 識別目標分析物，通常麵積用於(yu) 定量。為(wei) 了準確定量，色譜峰需要有良好的色譜分離和基線分辨率，如圖5中RT1和RT2的色譜峰所示。對於(yu) GC-MS來說，質譜提供了一種額外的方法，可以使用完整的質譜或使用幾個(ge) 離子的存在和相對比例來確認目標分析物。使用GC-MS的數據進行定量，通常是根據單一的離子的麵積，因為(wei) 與(yu) 使用TIC峰下的麵積相比，它不太可能有來自共生峰的幹擾。因此，隻要能選擇一個(ge) 不存在於(yu) 共混峰中的離子，從(cong) 而使這些峰得到光譜解析，並能實現基線到基線的整合，就不需要色譜基線分辨率來進行準確定量。