GC – MS的操作及应用

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1、GC MS的操作及应用生物技术090 周立 2009019018摘要：GC - MS 技术检测灵敏度高,分离效能好,使之在当前各领域的应用越来越受到重视。在中药和环境分析中的应用，给予了各种物质有效的测定方法。为保证GC MS实验的成功率，应做好样品前处理等操作。根据所需结果做好相应的数据处理。关键词: GC MS；样品前处理；中药；环境分析0 引言气相色谱法( Gas chromatography , GC) 是近年来应用日趋广泛的分析技术,特别适用于具有挥发性的复杂组分的分离、分析,由于是以气体作为流动相,所以传质速度快,一般的样品分析可在20 - 30s 左右完成,具有分离效能高,灵敏度

2、高的特点,在有对照品的条件下,可作定性、定量分析,但对重大事件或有争议的样品不能做出肯定鉴定报告,必须连接如质谱的检测器。另外对于不能气化的样品则需要作衍生化处理后再分析。质谱(Mass Spect rnum ,MS) 是强有力的结构解析工具,能为结构定性提供较多的信息,是理想的色谱检测器。气相色谱- 质谱( GC - MS) 联用利用了色谱的高分离能力和质谱的高鉴别特性,可对复杂的混合样品进行分离、定性、定量分析的一次完成,是一种完美的现代分析方法。GC - MS 的常用测定方法:总离子流色谱法(total ionization chromatography ,TIC) 类似于GC图谱,用于

3、定量。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。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。 GC - MS 技术随着仪器的不断完善与发展,检测技术的成熟与推广,其应用范围越来越广。1 GC MS的操作1.1 样品前处理样品前处理是整个样品分析过程中至关重要的一个环节，据有关统计其大约占样品分析总工作量的70%左右，尤其对于基体复杂的环境和生物试样，样品

4、顶处理必不可少。样品前处理的主要目的就是浓缩痕量目标物，降低最小检测浓度，除去干扰物，提高测定的精确度和灵敏度，通过化学衍生，提高被测物的灵敏度和选择性，消除对分析系统有害的物质，使仪器良好稳定运行，延长测试仪器的使用寿命1。1.1.1 溶剂萃取溶剂萃取是各类样品最常用的处理技术之一。液-固萃取(LSE)和液-液萃取(LLE)一直是应用最为广泛的样品前处理方法，但其缺点是要耗用较大量的有机溶剂并易引入新的干扰(溶剂中的杂质等)，还需要费时的浓缩步骤，易导致被测物的损失，造成空气污染，效率也较低。1.1.2 固相萃取(SPE)固相萃取是70 年代初发展起来的样品前处理技术，固相萃取主要用于复杂样

5、品中微量或痕量目标化合物的分离和富集。例如，生物体液中(如血液，尿等)药物及其代谢产物的分析，食品中有效成分或有害成分的分析，环境水样中各种污染物的分析都可使用SPE进行样品预处理。该技术利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的2。1.1.3 顶空技术顶空法中有静态顶空和动态顶空. 由于顶空进样器很容易自动化, 因此和传统的化学前处理法相比, 具有操作简单,分析速度快, 结果重现性好等特点。典型的动态顶空法有两种。一种是先把载气吹出的挥发性目的成份吸附在捕集管上进行富集浓缩, 然后热脱附, 进入冷凝

6、聚, 系统再浓缩, 最后快速加热导入气相色谱。另一种是将载气吹出的挥发性目的成份直接送到冷凝聚系统浓缩, 然后快速加热导入气相色谱。1.2 数据处理1.2.1 总离子色谱图计算机可以把采集到的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的曲线就是总离子色谱图（图9.21）,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个组份,由每个峰可以得到相应化合物的质谱图；峰面积和该组份含量成正比,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是一样的。只要所用色谱柱相同,样品出峰顺序就相同。其差别在于，总离子色谱图所用的检测器是质谱仪,而一

7、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。1.2.2 质谱图由总离子色谱图可以得到任何一个组分的质谱图。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。但如果两个色谱峰有相互干扰，应尽量选择不发生干扰的位置得到质谱。或通过扣本底消除其他组分的影响。1.2.3 库检索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。目前的GC-MS联用 仪有几种数据库。应用最为广泛的有NIST库和Wille

8、y库，前者目前有标准化合物谱图13万张，后者有近30万张。此外还有毒品库，农药库等专用谱库。1.2.4 GC-MS定性分析目前色质联用仪的数据库中，一般贮存有近30万个化合物的标准质谱图。因此,GC-MS最主要的定性方式是库检索。由总离子色谱图可以得到任一组分的质谱图，由质谱图可以利用计算机在数据库中检索。检索结果，可以给出几种最可能的化合物。包括化合物名称、分子式、分子量、基峰及可靠程度。表4是由计算机给 出的某未知物谱图的检索结果。1.2.5 GC-MS定量分析GC-MS定量分析方法类似于色谱法定量分析。由GC-MS得到的总离子色谱图或质量色谱图，其色谱峰面积与相应组分的含量成正比，若对某

9、一组份进行定量测定，可以采用色谱分 析法中的归一化法、外标法、内标法等不同方法进行。这时，GC-MS法可以理解为将质谱仪作为色谱仪的检测器。其余均与色谱法相同。与色谱法定量不同的 是，GC-MS法可以利用总离子色谱图进行定量之外，还可以利用质量色谱图进行定量。这样可以最大限度的去除其它组份干扰。值得注意的是，质量色谱图由于 是用一个质量的离子做出的，它的峰面积与总离子色谱图有较大差别，在进行定量分析过程中，峰面积和校正因子等都要使用质量色谱图。为了提高检测灵敏度和减少其它组分的干扰，在GC-MS定量分析中质谱仪经常采用选择离子扫描 方式。对于待测组分，可以选择一个或几个特征离子，而相邻组份不存

10、在这些离子。这样得到的色谱图，待测组份就不存在干扰，同时有很高的灵敏度3。2 GC MS的应用2.1 GC MS在中药中的应用由于GC - MS 技术检测灵敏度高,分离效能好,使之在中药研究领域的应用越来越受到重视。在挥发油、生物碱、糖类、脂肪酸类、甾类化合物分析方面均有广泛应用。在质量控制方面GC - MS 也得到了越来越广泛的应用。2.1.1 中药指纹图谱研究中药指纹图谱是一种综合的量化的色谱鉴别手段,以达到鉴别真伪、评价原料药材、半成品和成品质量的均一性和稳定性为目的。中药指纹图谱技术能够有效鉴别样品的真伪或产地,能够有效控制中药及复方样品的质量,能确保中药产品及复方制剂质量的相对稳定。

11、因此,在有效成分不完全明确的前提下,测定中药材或中成药的特征指纹图谱具有重大的意义。目前指纹图谱已成为国际公认的控制中药或天然药物质量的有效手段。气相色谱质谱联用( GC - MS) 技术作为中药指纹图谱研究的先进手段之一,日益走向技术应用的前台。一般而言,中药挥发油大多含有几十到一百个成分,且这些成分随药材品种、产地、采收时节、炮制方法等不同在很大程度上也会发生变化。挥发油虽然所含成分数量不少,但其实都有为数不多(几个到十几个) 的特征性成分,以这些含量大、为数不太多的特征指标成分群开展挥发油指纹图谱的研究,切实可行、简便实用。2.1.2 生物碱的分析中药是经过炮制的各类饮片和按照四气五味、

12、君臣佐使等特性与法则配比而成的方剂药物,其化学成分复杂且含量差异大,一种仪器的使用往往很难得到准确结果, GC -MS 利用了色谱的高分离能力和质谱的高鉴别特性可以快速得到准确结果。生物碱是源自动植物机体内的具有强烈生理效能的碱性物质,其结构比较复杂,分子极性相差较大,常用GC -MS 分析,具有不需标准品的优点。朱全红等建立GC - MS 测定麻黄汤代谢产物麻黄类生物碱浓度的方法。方法:尿样经5 mol L ( - 1) 氢氧化钾碱化后,用乙酸乙酯萃取。以二苯胺为内标,采用GC - MS分离并同时测定了人体口服麻黄汤后尿中5 种麻黄碱的浓度,检测方式为选择离子(m/ z 44 , m/ z

13、58 , m/ z 72 , m/ z169) ,色谱条件: 色谱柱为DB - 5MS 毛细管柱(30 m 250m ,0. 25m) ,载气为He (1 mL min ( - 1) ) ,无分流进样,进样量1L 。起始温度70 ( 1 min) 125 ( 5min)270 (5 min) 。用该方法测定6 名健康志愿者单次口服麻黄汤后尿液中麻黄碱类代谢产物的浓度,在24 min 内去甲伪麻黄碱(NMP) 、去甲麻黄碱(NME) 、麻黄碱( E) 、伪麻黄碱(PE) 和甲基麻黄碱(ME) 达到良好分离,五种麻黄类生物碱的回收率均在88. 74 % - 102. 70 %之间,日内和日间精密度

14、均10 %。表明GC - MS 简单、灵敏、准确,重复性好,可用于麻黄中药复方代谢产物麻黄类生物碱的测定4。2.2 在环境分析中的作用2.2.1 作农药的分析作为农作物生产不可缺少的生产资料, 农药的使用已经非常普遍, 据不完全统计, 目前农药的数量大约有5457种。因此, 农药也造成了很严重的环境污染。水中痕量的农药残留物就会对人们的生命健康造成极大危害, 高灵敏度的测定农残及其代谢物就变得异常重要。由于其超强的定性能力, GC - MS 的在农药残留分析中起到重要作用。尤其是随着一些新的电离方式的引入如NCI, 使GC - MS分析农药的灵敏度大为提高, 其在农残分析中的应用也越来越普遍5

15、。2.2.2 空气和废气的分析随着社会工业化程度的不断提高, 尤其是城市汽车数量的激剧增加, 大气的污染越来越严重随着人民生活的不断提高, 室内装修业方兴未艾, 室内污染对人们的健康造成很大威胁。因此, 对环境气体的分析技术提出了越来越高的要求。GC - MS在环境气体中有机污染物的分析中起着举足轻重的作用。常规的大气采样装置是用带活性炭或其它填料的吸附管, 用抽气泵以一定的抽速, 抽一定时间, 然后用溶剂淋洗吸收管, 最后进行GC - MS分析。动态顶空进样法引入大气分析后, 使大气分析变得简便准确。参考文献1 黄骏雄.环境样品前处理技术及其进展(一) J.环境化学,1994,13(1):95-1052 武开业，赵丽丽，雷林.GC-MS分类及应用J. 科技信息.2010,193 GC-MS和LC-MS数据采集以及处理4 邹海洋,陈再洁,郑建明.GC-MS在中药研究中的应用J. 现代商贸工业,2010,95 齐文启，曹磊，孙宗光.GC-MS仪器与发展及其在环境监测中的应用J. 现代科学仪器.1999