气相色谱-质谱联用技术

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1、气相色谱-质谱联用技术本章目录（查看详细信息，请点击左侧目录导航） 第一节气相色谱质谱联用仪器系统 一、GC-MS系统的组成 二、GC-MS联用中主要的技术问题 三、GC-MS联用仪和气相色谱仪的主要区别 四、GC-MS联用仪器的分类 五、一些主要的国外GC-MS 联用仪产品简介 第二节气相色谱质谱联用的接口技术 一、GC-MS联用接口技术评介 二、目前常用的 GC-MS接口 第三节气相色谱质谱联用中常用的衍生化方法 一、一般介绍 二、硅烷化衍生化 三、酰化衍生化 四、烷基化衍生化 第四节气相色谱质谱联用质谱谱库和计算机检索 一、常用的质谱谱库 二、NIST/EPA/NIH库及其检索简介 三、

2、使用谱库检索时应注意的问题 四、互联网上有关GC-MS和的信息资源 第五节气相色谱质谱联用技术的应用 一、GC-MS检测环境样品中的二噁英 二、GC-MS在兴奋剂检测中的应用 三、GC-MS区分空间异构体 四、常用于GC-MS 检测提高信噪比的方法 五、GC-MS（ TOF）的应用GC-MS系统的组成 气质联用仪是分析仪器中较早实现联用技术的仪器。自1957年霍姆斯和莫雷尔首次实现气相色谱和质谱联用以后，这一技术得到长足的发展。在所有联用技术中气质联用，即GC-MS发展最完善，应用最广泛。目前从事有机物分析的实验室几乎都把GC-MS作为主要的定性确认手段之一，在很多情况下又用GC-MS进行定量

3、分析。另一方面，目前市售的有机质谱仪，不论是磁质谱、四极杆质谱、离子阱质谱还是飞行时间质谱（TOF），傅里叶变换质谱（FTMS）等均能和气相色谱联用。还有一些其他的气相色谱和质谱联接的方式，如气相色谱! 燃烧炉! 同位素比质谱等。GC-MS逐步成为分析复杂混合物最为有效的手段之一。 GC-MS联用仪系统一般由图11-3-1所示的各部分组成。推荐精选 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，由于接口技术的不断发展，接口在形式上越来越小，也越来越简单；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

4、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。GC-MS联用中主要的技术问题 气相色谱仪和质谱仪联用技术中主要着重要解决两个技术问题：1.仪器接口 众所周知，气相色谱仪的入口端压力高于大气压，在高于大气压力的状态下，样品混合物的气态分子在载气的带动下，因在流动相和固定相上的分配系数不同而产生的各组分在色谱柱内的流速不同，使各组分分离，最后和载气一起流出色谱柱。通常色谱往的出口端为大气压力。质谱仪中样品气态分子在具有一定真空度的离子源中转化为样品气态离子。这些离子包括分子离子和其他各种碎片离子在高真空的条件下进入质量分析器运动。在质量扫描部件的

5、作用下，检测器记录各种按质荷比分离不同的离子其离子流强度及其随时间的变化。因此，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，保留或浓缩待测物，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 没和色谱仪联接的质谱仪一般对扫描速度要求不高。和气相色谱仪联接的质谱仪，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，要求质谱仪能很快地在不同

6、的质量数之间来回切换，以满足选择离子检测的需要。推荐精选GC-MS联用仪和气相色谱仪的主要区别 GC-MS联用后，仪器控制、高速采集数据量以及大量数据的适时处理对计算机的要求不断提高。一般小型台式的常规检测气质联用仪由个人计算机及其Windows95或Windows支持。而大整研究用的GC-MS联用仪，主要是磁质谱或者多级串联质谱大都有小型工作站及其Unix系统支持。为方便用户使用，随着个人计算机CPU和软件的迅速发展，不少大型GC-MS联用仪的计算机系统开始采用PC。 GC-MS联用后，气相色谱仪部分的气路系统和质谱仪的真空系统几乎不变，仅增加了接口的气路和接口真空系统。 GC-MS联用后，

7、整机的供电系统不仅变化不大。除了向原有的气相色谱仪、质谱仪和计算机及其外设各部件供电以外，还需向接口及其传输线恒温装置和接口真空系统供电。 气质联用法和其他气相色谱法作一简单比较，可见如下一些性能和操作上的区别。GC-MS方法定性参数增加，定性可靠。GC-MS方法不仅与GC方法一样能提供保留时间，而且还能提供质谱图，由质谱图、分子离子峰的准确质量、碎片离子峰强比、同位素离子峰、选择离子的子离子质谱图等使GC-MS方法定性远比GC方法可靠。GC-MS方法是一种通用的色谱检测方法，但灵敏度却远高于GC方法中的通用检测器中任何一种。GC方法中常用的只有FID和TCD是通用检测器，其余都是选择性检测器

8、，与检测样品中的元素或官能团有关。图11-3-2是惠普公司1983年投放市场的HP5970B MSD的灵敏度与气相色谱仪各种检测器灵敏度的比较。据笔者经验，惠普公司目前市场最新的HP5973 MSD灵敏度比HP 5970B MSD的灵敏度至少高1个数量级。推荐精选虽然用气相色谱仪的选择性检测器，能对一些特殊的化合物进行检测，不受复杂基质的干扰，但难以用同一检测器同时检测多类不同的化合物，而不受基质的干扰。而采用色质联用中的提取离子色谱、选择离子检测等技术可降低化学噪声的影响，分离出总离子图上尚未分离的色谱峰。在色质联用技术中，高分辨质谱的联用仪检测准确质量数、串联质谱（时间串联或空间串联）的选

9、择反应检测或选择离子子离子检测等均能在一定程度上降低化学噪音，提高信噪比。从气相色谱和色质联用的一般经验来说、质谱仪定量似乎总不如气相色谱仪，但是，由于色质联用可用同位素稀释和内标技术，以及质谱技术的不断改进，色质联用仪的定量分析精度极大改善。在一些低浓度的定量分析中，接近多数气相色谱仪检测器的检测下限时，色质联用仪的定量精度优于气相色谱仪。气相色谱方法中的大多数样品处理方法、分离条件、仪器维护等都要保持，移植成为色质联用的方法。在色质联用中选择衍生化试剂时，要求衍生化物在一般的离子化条件下能产生稳定的，合适的质量碎片。气相色谱法中，经过一段时间的使用，某些检测器需要清洗。在色质联用中检测器不

10、常需要清洗，最常需要清洗的是离子源或离子盒。离子源或离子盘是否清洁，是影响仪器工作状态的重要因素。柱老化时不联接质谱仪、减少注入高浓度样品、防止引入高沸点组分、尽量减少进样量、防止真空泄漏、反油等是防止离子源污染的方法。气相色谱工作时的合适温度参数均可以移植到色质联用仪上，其他各部件的温度设置要注意防止出现冷点，否则，GC-MS的色谱分辨率将会恶化。推荐精选GC-MS联用仪器的分类 GC-MS仪器的分类有多种方法，按照仪器的机械尺寸，可以初略地分为大型、中型、小型三类气质联用仪；又可以按照仪器的性能，初略地分为高档、中档、低档三类气质联用仪或研究级和常规检测级两类。按照质谱技术，GC-MS通常

11、是指四极杆质谱或磁质谱，GC-ITMS通常是指气相色谱-离子阱质谱，GC-TOFMS是指气相色谱-飞行时间质谱等。按照质谱仪的分辨率，又可以分为高分辨（通常分辨率高于5000）、中分辨（通常分辨率在1000和5000之间）、低分辨（通常分辨率低于1000）气质联用仪。小型台式四极杆质谱检测器。（MSD）的质量范围一般低于1000。四级杆质谱由于其本身固有的限制，一般GC-MS分辨率在2000以下。市场占有率较大、和气相色谱联用的高分辨磁质谱一般最高分辨率可达60000以上。和气相色谱联用的飞行时间质谱（TOFMS），其分辨率可达5000左右。一些主要的国外GC-MS联用仪产品简介 GC-MS经

12、过40多年的发展，技术日趋完备。目前在GC-MS国际市场上还占有一定份额的主要制造商的部分产品及指标列举如下：（1）HP5973台式质谱检测器/HP5973 N（Network）台式质谱检测器（Agilent，原惠普公司，美国）质量范围：1.6-800u质谱计：四极杆。灵敏度：电子轰击离子化，全扫描1pg八氟萘至少信噪比10:1以上；选择离子检测（m/z272）20fg八氟萘信噪比至少10:1。真空系统：分子涡轮泵和扩散泵可选。质量轴稳定性：0.15u（12h）计算机操作系统：MS-DOS,Microsoft Windows NT。可选质谱库：NIST Chemical Structures（

13、美国国家标准研究所）；Wiley Library（威廉图谱库，27万5千个图谱，第6版）；Standard pesticide Library（标准杀虫剂图谱库340个化合物）；Pfleger DrugLibrary（富莱格药物数据库，4370个化合物）。离子化方法：EI（电子轰击）；PCI（正化学源）；NCI（负化学源）。气相色谱：HP 6890。（2）AMD M-40S/AMD 503 S（AMD Intectra Gmbh，德国）质量范围：2200（加速电压8kv）；8800（加速电压2kv）。质谱计：双聚焦磁质谱分辨率：60000（10%谷底）灵敏度：电子轰击离子化，分辨率1000时测

14、1推荐精选g硬脂酸甲酯产生310-7C电量。计算机操作系统：Microsoft windows离子化方法：EI（电子轰击）；PCI（正化学源）；NCI（负化学源）；API（常压化学电离，供LC-MS）。正交时间飞行分析器作串接质谱仪，提供MS-MS。色谱：气相色谱或液相色谱（3）Kodiak 1200 GC-MS-MS（Bear Instruments INC.，美国）质量范围：10-800u/15-1500质谱计：四极杆-八极杆CAD分辨率：质量数800u，单位质量分辨灵敏度：电子轰击离子化，选择离子检测（m/z272）100fg八氟萘信噪比10，化学离子化，全扫描（m/z90-240）抽提

15、质量数m/z183,100pg二苯甲酮信噪比25。真空系统：250L/s的分子涡轮泵和EdwardsRV3旋转泵。计算机操作系统：Microsoft windows NT离子化方法：EI（电子轰击）；PCI（正化学源）；NCI（负化学源）；API（常压化学电离，供LC-MS）。CAD方式限供MS-MS。色谱：气相色谱（HP6080）或液相色谱。（4）Finnigan PolarisQ GC-MS/tEMPUS TOF MS（Thermo Quest Corporation，美国）质量范围：10-100质谱计：离子阱- 提供全扫描、选择离子检测、多重质谱（MSn,n=1-5）灵敏度：电子轰击，无

16、分流进样，每秒钟两次全扫描（60-400m/z）10pg十氟苯酚抽提离子m/z362测得信噪比25；正化学源，无分流进样每秒钟两次全扫描（m/z60-400）100pg十氟苯酚，抽提离子m/z363测得信噪比10；负化学源，无分流进样，每秒钟两次全扫描（m/z60-400）1pg十氟苯酚，抽提离子m/z362测得信噪比50。真空系统：分子涡轮泵。计算机操作系统：Microsoft windows NT离子化方法：EI（电子轰击）；PCI（正化学源）；NCI（负化学源）；直接进样色谱：气相色谱（Trace GC 热电集团，美国）可选质谱库：美国国家标准研究所；威廉图谱库；杀虫剂图谱库；富莱格数据

17、库。（5）Finnigan Trace MS质量范围：2-1023u分辨率：在1000u可调至2500u质谱计：四极杆质谱质量稳定性：50；正化学源，无分流进样每秒钟两次全扫描（m/z50-350）1pg八氟萘，抽提离子m/z183测得信噪比10；负化学源，无分流进样每秒钟五次全扫描（m/z200-300）1pg八氟萘，抽提离子m/z362测得信噪比100。真空系统；分子涡轮泵。计算机操作系统：Microsoft windows NT离子化方法：EI（电子轰击）；PCI（正化学源）；NCI（负化学源）；直接进样色谱：气相色谱（Trace GC 热电集团，美国）可选质谱库：美国国家标准研究所 T

18、empus TOF MS是今年在匹兹堡展览会上新推出的气相色谱和时间飞行质谱联用仪，具体参数不详。（6）MAT 95 XL质量范围：3500（加速电压17.5KV）质谱计：双聚焦磁质谱分辨率：60000（10%谷底）灵敏度：电子轰击离子化，分辨率1000时，测1推荐精选g硬脂酸甲酯产生510-4C电量；全扫描200pg硬脂酸甲酯，抽提分子离子（m/z298）信噪比800:1。选择离子检测（m/z321.8937）100fg1，3，7，8-TCDD+ 5pg 13C12-2，3，7，8-TCDD信噪比100:1。GC-MS精确质量数：2mDaRMS扫描速度：0.1-10000S/DECADE连续

19、可变计算机操作系统：UNIX V4.0+CDE离子化方法：EI（N 电子轰击）；PCI（N正化学源）；NCI（负化学源）；API（常压化学电离，供LC/MS）。离子阱作串接质谱，提供MS-MS。真空系统：分子涡轮泵为主，扩散泵可选色谱：气相色谱（HP6890或其他型号）或液相色谱（7）Autospec/Ultima（Micromass，英国）质量范围：3000/2000（8kV加速电压）质谱计：双聚焦磁质谱分辨率：80000（10%谷底）。灵敏度：电子轰击离子化，分辨率1000时，1推荐精选g硬脂酸甲酯产生510-8C电量，分辨率10000时，其余条件不变，1g硬脂酸甲酯产生510-8C电量；

20、全扫描（m/z50-500）200pg硬脂酸甲酯，抽提分子离子（m/z298）信噪比400:1。化学离子化，分辨率1000时测1g硬脂酸甲酯（PCIm/z299.3）及测1g蒽醌（NCIm/z208.1），产生510-8C电量。10fg2，3，7，8-TCDD信噪比10（321.8936）。扫描速度：0.15s/decadeGC-MS精确质量数：2mu RMS计算机操作系统：windows NT离子化方法：EI（N 电子轰击）；PCI（N 正化学源）；NCI（N 负化学源）；API（N 常压化学电离，供LC-MS ）。时间飞行质谱作串接质谱，提供MS-MS。真空系统：扩散泵为主，分子涡轮泵可选

21、。色谱：气相色谱（HP 6890或其他型号）或液相色谱（8）GCT（Micromass，英国）质谱计：时间飞行质谱分辨率：5000（FWHM）GC-MS 精确质量数：20mu灵敏度：电子轰击，进样1pg六氯苯，抽提质量数m/z283.8102，使用20mu的质量窗口，测得信噪比29:1。色谱：HP6890（9）GCmate/JMS-700 MStation（JEOL，日本）质量范围：3000/2400 ( 10kv加速电压）质谱计：均为双聚焦磁质谱分辨率：5000（10%谷底）60000（10%谷底）（m/z84二氯甲烷和氘代二氯甲烷）灵敏度：电子轰击离子化，30pg硬脂酸甲酯信噪比10/20

22、pg硬脂酸甲酯信噪比400。（JMS-700:100fg2，3，7，8-TCDD信噪比100分辨率10000时） JMS-700电子轰击离子化，分辨率1000时，1推荐精选g硬脂酸甲酯产生410-7C电量，化学离子化，1g硬脂酸甲酯（PICm/z299.3 ）产生310-7C电量扫描速度：0.1s（m/z50-500）计算机操作系统：Microsoft windows/UNIX离子化方法：EI和CI，另可选FAB和DIP/EI，CI和FAB，另可选ESI，APCI供LC-MS真空系统：扩散泵为主，分子涡轮泵可选色谱：气相色谱（HP6890或其他型号）或液相色谱（10）JMS RSVP（JEOL

23、，日本）质量范围：2300质谱计：双聚焦磁质谱分辨率：2500（10%谷底）计算机操作系统：UNIX离子化方法：EI和CI，另可选FAB和DIP色谱：气相色谱（HP5890或其他型号）（11）Pegasus（LECO Laboratory Equipment Company，美国）质量范围：10-1000u质谱计：时间飞行质谱扫描速度：500次全扫描（m/z10-1000）/s色谱：HP 6890气相色谱仪（12）QP-5000/QP-5050A（Shimadzu岛津公司，日本）质量范围：10-700/10-900u质谱计：四极杆质谱分辨率：均为2M（50%谷底）灵敏度：100pg硬脂酸甲酯，

24、电子轰击源，全扫描（m/z60-310）抽提m/z298信噪比30/信噪比60扫描速度：均为6000u/s质量稳定性：0.1u/24h真空系统：分子涡轮泵计算机操作系统：Microsoft windows色谱：气相色谱岛津GC-17A（13）TurboMass GC-MS（PE公司，美国）质量范围：2-1200u质谱计：四极杆质谱灵敏度：电子轰击源，选择离子检测方式，10fg八氟萘产生信噪比5质量稳定性：0.1u/48h动态线性范围：105真空系统：分子涡轮泵（14）Saturn 2000（Varian，美国）质量范围：10-650（Saturn 2000）灵敏度：电子轰击源，全扫描后抽提离子

25、（m/z284或m/z286）在半峰宽4s时，2pg六氯苯信噪比10。化学离子化，全扫描抽提离子（m/z183），在半峰宽4s时，10pg苯酚信噪比10。电子轰击源，质谱-质谱（182-152）在半峰宽4s时，10pg苯酚信噪比25。质谱计：离子阱质谱-提供全扫描、选择离子检测、多重质谱真空系统：分子涡轮泵色谱：CP 3800气相色谱仪GC-MS联用接口技术评介 如上节所述，GC-MS联用仪的接口是解决气相色谱和质谱联用的关键组件。理想的接口是能除去全部载气，但却能把待测物毫无损失地从气相色谱仪传输到质谱仪。实际工作中甩传输产率Y、浓缩系数N、延时t和峰展宽系数H来评价接口性能（表11-3-1

26、）。当Y100%、足够的N，t0、H1的该接口几乎达到理想状态。表11-3-1 接口性能评价参数及意义推荐精选目前常用的GC-MS接口 常见各种GC-MS接口的一般性能及其适用性比较见表11-3-2。表11-3-2 觉见GC-MS接口性能及适用性 在色质联用技术的发展过程中，还出现过许多其他接口方式，如分子流式分离器，利用分子量小，流导大容易除去的原理，分离载气和样品；如有机薄膜分离器，利用对有机气体选择性溶解，使作为载气的无机气体和样品分离；又如钯 银管分离器，利用钯 银管对氢的选择反应传输而达到分离的目的；等等。由于这些分离器总体性能都不如表11-3-2中所列接口，因此只在一些很特殊的场合

27、下使用。1.直接导入型接口（Direct coupling） 内径在0.25至0.32的毛细管色谱柱的载气流量在1-2ml/min。这些柱通过一根金属毛细管直接引入质谱仪的离子源。这种接口方式是迄今为止最常用的一种技术。其基本原理见图11-3-3。毛细管柱沿图中箭头方向插入，直至有1-2mm的色谱柱伸出该金属毛细管。载气和待测物一起从气相色谱柱流出立即进入离子源的作用场。由于载气氦气是惰性气体不发生电离，而待测物却会形成带电粒子。待测物带电粒子在电场作用下加速向质量分析器运动，而载气却由于不受电场影响，被真空泵抽走。接口的实际作用是支撑插入端毛细管，使其准确定位。另一个作用是保持温度，使色谱柱

28、流出物始终不产生冷凝。推荐精选 使用于这种接口的载气限于氦气或氢气。当气相色谱仪出口的载气流量高于2ml/min时，质谱仪的检测灵敏度会下降。一般使用这种接口，气相色谱仪的流量在0.7-1.0ml/min。色谱柱的最大流速受质谱仪真空泵流量的限制。最高工作温度和最高柱温相近。接口组件结构简单，容易维护。传输率达100%，这种联接方法一般都使质谱仪接口紧靠气相色谱仪的侧面。这种接口应用较为广泛。美国惠普公司的目前市售HP 5973GC/MSD、美国Finnigan质谱公司的TSQ-7000GC-MS-MS或SSQ系列的GC-MS等均采用这种接口。2.开口分流型接口 色谱柱洗脱物的一部分被送入质谱

29、仪，这样的接口称为分流型接口。在多种分流型接口中开口分流型接口最为常用。其工作原理（见图11-3-4）。气相色谱柱的一段插入接口，其出口正对着另一毛细管，该毛细管称为限流毛细管。限流毛细管承受将近0.1MPa的压降，与质谱仪的真空泵相匹配，把色谱柱洗脱物的一部分定量地引入质谱仪的离子源。内套管固定插色谱柱的毛细管和限流毛细管，使这两根毛细管的出口和入口对准。内套管置于一个外套管中，外套管充满氦气。当色谱柱的流量大于质谱仪的工作流量时，过多的色谱柱流出物和载气随氦气流出接口；当色谱柱的流量小于质谱仪的工作流量时，外套管中的氦气提供补充。因此，更换色谱柱时不影响质谱仪工作，质谱仪也不影响色谱仪的分

30、离性能。这种接口结构也很简单，但色谱仪流量较大时，分流比较大，产率较低，不适用于填充柱的条件。3.喷射式分子分离器接口 常用的喷射式分子分离器接口工作原理是根据气体在喷射过程中不同质量的分子都以超音速的同样速度运动，不同质量的分子具有不同的动量。动量大的分子，易保持沿喷射方向运动，而动量小的易于偏离喷射方向，被真空泵抽走。分子量较小的载气在喷射过程中偏离接受口，分子量较大的待测物得到浓缩后进入接受口。喷射式分子分离器具有体积小热解和记忆效应较小，待测物在分离器中停留时间短等优点。下面是Ryhage型分子分离器接口的工作原理图。 气相色谱柱洗脱物进入图11-3-5中左边的三角形腔体后，经直径约为

31、0.1mm的喷嘴孔以超声膨胀喷射方式向外喷射，通过约为0.15-0.3mm的行程，又进入更细的毛细管，进行第二次喷射分离。推荐精选 Ryhage型喷射式分子分离器是一种二级喷射的分子分离器，目前用的并不多，图11-3-6是一种单级喷射式分子分离器的结构图和安装图。上图是放大的单级喷射式分子分离器的工作原理图，下图是其安装图。从气相色谱洗脱物在氦气补充气（15-20ml/min）的作用下（见图11-3-6）。通过接口毛细管进入分离器，分离器A处（图）出口的狭缝略大于B处入口的狭缝。至少95%的氦气被抽走，大于50%的待测物通过狭缝B而进入质谱仪。推荐精选 与表11-3-1关于产率Y和浓缩系数N的

32、定义相近，这两个参数还可以由下式计算：式中m1、m2分别是流出气相色谱和进入质谱仪的待测物的量；V1、V2分别是氦气在气相色谱仪出口处和质谱仪入口处的流速。 喷射式分子分离器的浓缩系数与待测物分子量成正比；产率与氦气流量有关，氦气流量在某一范围能得到最佳产率，该参数需优化；一般工作温度较高，产率较高。这种接口适用于各种流量的气相色谱柱，从填充柱到大孔径毛细管柱。主要的缺点是对易挥发的化合物的传输率不够高。 还有一些其他的分子分离器接口，但现在市售的GC-MS仪器一般采用直接导入较多，故不再对其他的分子分离器作过多的介绍。一般介绍 在GC-MS方法分析实际样品时，对羟基、胺基、羧基等官能团进行衍

33、生化往往起着十分重要的作用。主要有以下一些益处：改善了待测物的气相色谱性质。待测物中一些极性较大的基团的存在，如羟基、羧基等气相色谱特性不好，在一些通用的色谱柱上不出峰或峰拖尾，衍生化以后，情况改善。改善了待测物的热稳定性。某些待测物，热稳定性不够，在气化时或色谱过程中分解或变化，衍生化以后，待测物定量转化成在GC-MS测定条件下稳定的化合物。推荐精选改变了待测物的分子质量。衍生化后的待测物绝大多数是分子量增大，有利于使待测物和基质分离，降低背景化学噪音的影响。改善了待测物的质谱行为。大多数情况下，衍生化后的待测物产生较有规律、容易解释的质量碎片。引入卤素原子或吸电子基团，使待测物可用化学电离

34、方法检测。很多情况下可以提高检测灵敏度，检测到待测物的分子量。通过一些特殊的衍生化方法，可以拆分一些很难分离的手性化合物。当然，衍生化方法应用不当，也会带来一些弊端，例如：柱上衍生化有时会损伤色谱柱。某些衍生化试剂需在氮气气流中吹干除去，方法不当会有损失。衍生化反应不完全，会影响灵敏度。衍生化试剂选用不当，有时会使待测物分子量增加过多，接近或超过一些小型质谱检测器的质量范围。 GC-MS检测中选用衍生化试剂除了和气相色谱中选择衍生化试剂相同的准则以外，还应注意到衍生化产物的质谱特性：质量碎片特征性强，分子量适中，适合质量型检测器检测，也有利于与基质干扰物分离，表11-3-3列出了GC-MS中常

35、用的衍生化方法。下面就笔者的工作经历中用的较多的衍生化试剂分硅烷化、酰化和烷基化三类衍生化及试剂作一介绍。表11-3-3 GC-MS中一些常用的衍生化方法推荐精选硅烷化衍生化（一）衍生化试剂 硅烷化试剂中的烷基硅烷基和反应物中羟基或氨基上的氢发生交换，形成烷基硅烷基产物。下面是常用的几种硅烷化试剂及其衍生化产物的例子。（1）N，O-双三甲基硅基三氟乙酰胺（BSTFA）和N,O-双三甲基硅基乙酰胺（BTA）能衍生化胺基和羟基。常用于体内药物及其代谢物的检测。文献报道苯二氮卓类及其代谢产物的衍生化后用负化学离子化检观（GC-NCI-MS）。（2）N-甲基叔丁基二甲基硅基三氟乙酰胺（MTBSTFA）

36、常用于药物、类固醇类的检测。由于引入的叔丁基二甲基硅基具有较大的空间效应，因此，有些胺基较难衍生化。在质谱检测中，该衍生化产物很容易丢失叔丁基而形成较强的、很特征的M-57+离子，有利于作为串接质谱MS-MS的母离子。（3）N-甲基三甲基硅基三氟乙酰胺（MSTFA）是最常用的硅烷化试剂之一。衍生化也是引入三甲基硅基。为使衍生化反应完全，往往在MSTFA试剂中加入少量的（1/500-1/1000）三甲基碘硅烷（TMSI）或碘化氨（NH4I）作催化剂，加入少量的（1/500-1/1000）二硫赤藓糖醇作抗氧化剂。正构烷烃上的伯胺如樟胺等，在用MSTFA衍生化时会在氮原子上接上1个或2个三甲基硅基，

37、形成两种衍生化产物。在这种情况下，不少作者使用混合衍生化技术，如在MSTFA试剂中在加入一些MBTFA试剂（N-甲基双三氟乙酰胺）。胺基的氮原子上进行三氟乙酰化，而羟基的氧原子上进行硅烷化，即形成唯一的（N-TFA-O-TMS）的衍生化产物。 常用的硅烷化试剂的一般衍生化条件：在吹干的提取物残渣中加入100推荐精选l的MSTFA或BSTFA，加入50l的吡啶或乙腈，或者用事先配好在衍生化试剂中加催化剂（三甲基碘硅烷MSI或三甲基氯硅烷TMSCI）和抗氧化剂（硫代赤藓糖醇）。衍生化小瓶加盖后在60衍生化5-30min，视化合物而定。残渣吹干无水分，十分关键，衍生化试剂MSTFA和BSTFA遇水立

38、即分解。在南方潮湿季节进行这一反应时，特别要注意防潮。衍生化后可直接进样1-2l。（二）硅烷化衍生化方法按化合物类别介绍一些硅烷化方法和结果。1.有机酸和醇的硅烷化 参与三羧酸循环的酸常需分析的有苹果酸，富马酸，琥珀酸，倍他酮戊二酸，草酰琥珀酸，异柠檬酸，丙烯三羧酸和柠檬酸均可用单一的MSTFA进行三甲基硅烷化。其硅烷化产物的分子量见表11-3-4。表11-3-4 常见羧酸硅烷化后的分子量 一些高沸点羧酸，如苯甲酸和苯乙酸等也可以用MSTFA衍生化。 尿中一些有机酸的提取和衍生化：1ml尿样用碳酸氢钠溶液调节pH值到8，加入盐酸甲氧基金属盐或盐酸乙氧基金属盐均匀混合。用氯化钠饱和，再用6mol

39、/l盐酸调pH到1。1ml乙醚提取三次，再用1ml乙酸乙酯提取三次。合并提取液，氮气下吹干。加入10l吡啶和20lBSTFA。加盖的衍生化小瓶60衍生化7min。 文献报道尿液提取物的气质图中可以看到近百个峰。下面将尿中常见的一些酸性物质，按TMS衍生化物流出先后列于表11-3-5中。推荐精选表11-3-5 尿中常见酸性物质的TMS衍生化物 含多于10个碳原子的醇均可以MSTFA在60下加热5至15min衍生化。通常随着醇分子量的增加其分子离子峰强度降低。有作者用TMS衍生化物确定未知醇的分子量。测定的衍生化物分子量减去72（C3H8Si）即得待测醇的分子量。在一般脂肪醇的TMS衍生化物的质谱

40、图中经常能观察到m/z71,89和103的离子峰。2.酰胺和胺的硅烷化 用BSA衍生化试剂可以硅烷化酰胺。如酰伯胺可硅烷化如下： 酰仲胺和酰叔胺由于空间效应，较难进行硅烷化反应。 由于MTBSTFA衍生化胺的产物较MSTFA、BSTFA或BSA的衍生化产物更稳定，因此很多作者用MTBSTFA衍生化胺。衍生化胺时所选的溶剂是很重要的。对于羟胺基，建议使用MSTFA。 有时为确定比合物中胺基和羟基的数目，先用MSTFA衍生化其中的羟基和胺基，进一针GC-MS，然后在该衍生化产物中加入MBTFA继续衍生化。由于胺的TMS衍生化物不如TFA稳定，所有胺基被TFA衍生化，计算MSTFA衍生化产物分子量和

41、MSTFA与MBTFA混合衍生化产物分子量的差值，在很多情况下可以算出该化合物分子中胺基和羟基的数目。推荐精选3.常见药物及其代谢产物的硅烷化 还原（加氢）和羟化是很多药物在体内代谢过程中的重要反应，多数这些代谢产物中的羟基和葡萄糖醛酸结合而经尿排出。因此，很多药物和其代谢产物先需水解（酸水解或碱水解）或酶解，使待测物呈游离态，然后再提取。提取液（液液提取或液固提取）在氮气下吹干后供衍生化。 一般100mMSTFA足够衍生化1mg左右的干的提取物，即100l的MSTFA足够衍生化若干毫升尿或血的提取物。在60下加热15-30min。有时为节约或其他原因，可以在MSTFA中适当加入合适的溶剂稀释

42、，如加入乙腈，但乙腈和MSTFA的比例不宜大于2.5:1。 兴奋剂检测中很多甾体类激素通过检测其代谢产物从而确认曾使用过该药物。图11-3-7是大力补的主要代谢产物，以及衍生化产物的结构式。4.GC-MS检测中经硅烷化后常见的“基质”产生的峰 在进行体内药物分析、食品分析等工作时，样品经提取后硅烷化，常会发现一些由基质中物质产生的峰，在某些条件下甚至是基峰。当气相色谱柱温度较高时或色谱柱使用较长时间后会产生柱流失。还有一些样品未经衍生化也会出现一些峰。这些峰并不是检测所感兴趣的待测物，只是一些副产物。正确认识这些图谱，对实际检测工作是很有益处的。 下面将这三类物质分三个表介绍，表11-3-6是

43、一些常见柱子流失物和橡胶垫出峰的质谱主要碎片。推荐精选表11-3-6 觉见柱流出物和橡胶垫出峰的质谱主要碎片 图11-3-8-图11-3-11是这些干扰物的质谱图。推荐精选表11-3-7是一些常见的硅烷化后的尿中基质干扰峰。推荐精选表11-3-8是常见的未硅烷化的基质的干扰峰。5.单糖的硅烷化 单糖硅烷化时一般用三甲基硅烷咪唑，因为该试剂对潮气和水分不是那么敏感。单糖衍生化时，将0.5ml三甲基硅烷咪唑的吡啶溶液加入1-2mg的糖样品中后封盖，60加热至糖融化或者在室温下反应30min以上。这一方法不能硅烷化糖中的氨基，但对树胶醛糖、海藻糖、戊醛糖、甘露糖、半乳糖、-葡萄糖和-葡萄糖衍生化效果

44、较好，且这些糖的硅烷化产物能在气相色谱中很好的分离。 一般来说，估计单糖硅烷化后的分子量是在衍生化产物质谱图上所观察到的最高质量数再加105。m/z333.13是树胶醛糖和戊醛糖硅烷化产物质谱图中观察到的最高质量数。m/z347.15是海藻糖硅烷化产物质谱图中观察到的最高质量数。m/z435.19是甘露糖和半乳糖硅烷化产物质谱图中观察到的最高质量数。推荐精选酰化衍生化 酰化反应的基本类型如下：含有羰基的衍生化试剂和含有胺基和羟基的反应物反应生成含有酰胺或酰基的衍生化产物。R基团可以是烷基或氟化烷基。1.乙酰化 乙酰化方法是一种非常简便和经济的衍生化方法。提取物在氮气下吹干后加入乙酸酐和吡啶（3

45、:2），60下衍生化30min，然后吹干乙酸酐和吡啶，用30-50l甲醇或正己烷溶解后进样。 乙酰化方法比较经典，常用于体内药物筛选。一般尿样酸水解后经乙酰化可以筛选大多数的临床药物，下表是筛选的目标化合物和典型的离子碎片（m/z）。使用表中所列典型的筛选质量碎片可以初筛大多数常用药物，如初筛总离子流色谱图（TIC）中的某色谱峰用下面名组的典型质量碎片进行抽体时，某色谱峰中有4个或4个以上以下一组中的碎片离子时，要考虑该组药物很可能是阳性。表11-3-9是常见药物乙酰化后的分类筛选质量。表11-3-9 常见药物乙酰化后的分类筛选质量推荐精选2.三氟乙酰化/五氟丙酰化/七氟丁酰化 常用的含氟酰化

46、试剂有三氟乙酰酐（TFA）、五氟丙酸酐（PFPA）和七氟丁酸酐（HFBA）。提取物吹干后的残留加适量（一般50-100l）含氟酰化试剂，60下衍生化30min。然后吹干，用30-50l不含水或醇的乙酸乙酯溶解后进样。 使用含氟酰化试剂以后，引入电负性很强的氟，因此，有时用负化学源（NCI）会获得较高的灵敏度。笔者的经验教训，使用三氟乙酸酐，虽然换不同品牌的试剂，或实验室又经过某些简单处理，但有时仍发现衍生化产物不是唯一的。使用七氟丁酸酐衍生化一些分子量较小如苯丙胺类或麻黄碱类生成分子量适中的衍生化产物，宜于气质联用仪检测，但衍生化一些分子量较大的如四氢大麻酚酸（THC-COOH）时，衍生化物的

47、分子量过大，小型的质谱检测器在此质量范围灵敏度已经降低。而五氟丙酸酐结合其他一些试剂的衍生化产物，其电子轰击质谱图特性非常适于质谱检测，2-3个主要碎片特征明显，没因过多的碎片而降低了主要碎片的强度，而且分子量增大，已能避免许多来自基质的干扰。在许多实验室作为常见滥用毒品筛选。 图11-3-12和图11-3-13是吗啡及其海洛因代谢产物, 6-乙酰吗啡五氟丙酸酐衍生化产物的质谱图。推荐精选 从图11-3-12和图11-3-13可以看出，吗啡和单乙酰吗啡的五氟丙酸酐的衍生化产物的特征离子碎片丰度较高。在法庭毒物分析中很多实验室用五氟丙酸酐衍生化方法处理样品，然后用选择离子的方法检测上述各种滥用药

48、物及其代谢产物。选择离子检测时，每种检测对象选择两个离子，一个是分子离子峰，另一个是除分子离子峰以外最强的峰。即使用电子轰击源，也能获得很高的灵敏度。烷基化衍生化 烷基化的种类比较多，反应类型归纳如下：推荐精选 生化的对象主要是一些酚类中的羟基和羧酸类中的羟基。表观反应是被衍生化的基团上的氢原子和衍生化试剂中的烷基发生交换。很多烷基化反应，如甲基化，反应产物中往往会产生对色谱柱寿命不利的副产物。一般衍生化以后都要吹干衍生化试剂，溶解于甲醇或乙酸乙酯后再进样。 提取物吹干后用40l甲醇溶解，加入200l不含乙醇的重氮甲烷乙醚溶液，在室温下放置10min衍生化羧酸，放置2-3h衍生化酚羟基，吹干衍

49、生化试剂后用30-50l甲醇溶解后进样。 有时为了简便，加碘甲烷和吡啶，60加热30-60min后吹干碘甲烷和吡啶，然后用甲醇或乙酸乙酯30-50l溶解后进样。碘甲烷的甲苯溶液在氢氧化四己基按（THAH）进行的甲基化反应可以一步提取和衍生化。氢氧化四己基铵必须在进样前转移走，否则，影响柱子寿命。 农药和杀虫剂的甲基化用特殊的方法：提取物吹干后溶于0.5ml甲苯和0.4ml二甲亚砜。加入50mg的氢氧化钠和0.5ml的碘甲烷后在室温下放置10min，加2ml己烷震摇提取1min，然后加水破坏二甲亚砜，水相用2ml己烷、2ml乙酸乙酯各提取一次。合并三次提取液用硫酸钠脱水15min后，再浓缩至0.

50、1ml进样。 有时为了得到更多的结构方面的信息，用烷基二羟基硼，如甲基二羟基硼、丁基二羟基硼以及苯基二羟基硼作衍生化试剂，如下反应： 有一些兴奋剂检测实验室用该衍生化方法确认克仑特罗。推荐精选 图11-3-14是克仑特罗上述衍生化产物的质谱图。在GC-MS实践中还有许多衍生化方法，下列是几本国外近年有关衍生化方法的专著：气相色谱-质谱联用质谱谱库和计算机检索 随着计算机技术的飞速发展，人们可以将在标准电离条件（电子轰击电离源，70eV电子束轰击）下得到的大量已知纯化合物的标准质谱图存贮在计算机的磁盘里，作成已知化合物的标准质谱谱库，然后将在标准电离条件下得到的，已被分离成纯化合物的未知化合物质

51、谱图与计算机内存的质谱谱库内的质谱图按一定的程序进行比较，将匹配度（相似度）高的一些化合物检出，并将这些化合物的名称、分子量、分子式、结构式（有些没有）和匹配度（相似度）给出，这将对解析未知化合物，进行定性分析有很大帮助。目前，质谱谱库已成为GC-MS联用仪中不可缺少的一部分，特别是用GC-MS联用仪分析复杂样品，出现数十个甚至上百个色谱峰时，要用人工的方法对每一个色谱峰的质谱图态解析，那是十分困难的，要耗费大量的时间和人力。只有利用质谱谱库和计算机检索，才能顺利、快速地完成GC-MS的谱图解析任务。推荐精选常用的质谱谱库 用标准电离条件电子轰击电离源，70eV电子束轰击已知纯有机化合物，将这

52、些标准质谱图和有关质谱数据存贮在计算机的磁盘中就得到了质谱谱库，目前最常用的质谱谱库有以下一些：（1）NIST库由美国国家科学技术研究所出版，最新版本收有64K张标准质谱图。（2）NIST/EPA/NIH库是由美国国家科学技术研究所（NIST）、美国环保局（EPA）和美国国立卫生研究院（NIH）共同出版，最新版本收有的标准质谱图超过129K张，约有107K个化合物及107K个化合物的结构式。（3）Wiley库 有3种版本。第六版本的Wiley库收有标准质谱图230K张；第六版本的Wiley/NIST库收有标准质谱图275K张；Wiley选择库（Wiley Select Libraries）收有

53、90K张标准质谱图。在Wiley库中同一个化合物可能有重复的不同来源的质谱图。（4）农药库（Standard Pesticide Libraray） 内有340个农药的标准质谱图。（5）药物库（Pffeger Dryg Libraray） 内有4370个化合物的标准质谱图，其中包括许多药物、杀虫剂、环境污染物及其代谢产物和它们的衍生化产物的标准质谱图。（6）挥发油库（Essential Oil Libraray） 内有挥发油的标准质谱图。 在这6个质谱谱库中前三个是通用质谱谱库，一般的GC-MS联用仪上有配有其中的一个或两个谱库。目前用的最广泛的是NIST/EPA/NIH库。后三个是专用质谱谱

54、库，根据工作的需要可以选择使用。NIST/EPA/NIH库及其检索简介 现在，几乎所有的GC-MS联用仪上都配有NIST/EPA/NIH库，各仪器公司所配用的NIST/EPA/NI库所含有的标准质谱图的数目可能有所不同，这可能是与各仪器公司选择的谱库版本不同，配置也有所不同。如1992年版本的NIST/EPA/NIH库收有62235个化合物的标准质谱图，而NIST/EPA/NIH选择复制库还有12592张标准质谱图可以安装。还有14个不同定位的使用者库可与NIST/EPA/NIH库结合使用。质谱工作者还可将自己实验中得到的标准质谱图及数据用文本文件存在使用者库中，或者自己建立使用者库。这些都使

55、不同仪器公司提供的NIST/EPA/NIH库所含有的标准质谱图的数目有所不同。 NIST/EPA/NIH库的检索方式有两种：一种是在线检索，一种是离线检索。 在线检索是将GC-MS分析时得到的、已扣除本底的质谱图，按选定的检索谱库和预先设定的库检索参数、库检索过滤器与谱库中存有的质谱图进行比对，将得到的匹配度（相似度）最高的20个质谱图的有关数据（化合物的名称、分子量、分子式、可能的结构、匹配度等等）列出来，供被检索的质谱图定性作参考。 离线检索是在得到一张质谱图后，根据这张质谱图的有关信息，从质谱谱库中调出有关的质谱图与其进行比较。通过比较，可对该质谱图作出定性分析。离线检索的检索方式有以下

56、几种：（1）ID号检索 ID号是NIST/EPA/NIH库给每一个化合物规定识别号推荐精选即该化合物在库中的顺序号。只要直接输入该化合物的ID号（如果已知），就可以将此化合物的标准质谱图调出进行比较。（2）CAS登记号检索 CAS登记号是每个化合物在化学文摘服务处登记的号码。如已知该化合物的CAS登记号，就可以用CAS登记号检索。只要输入CAS登记号，就可以将此化合物的标准质谱图调出进行比较。（3）NIST库名称检索如知道该化合物在NIST库中的名称，就可以用此名称进行检索。（4）使用者库名称检索按该化合物在使用者库中的准确名称进行检索。（5）分子式检索给出化合物的特定分子式就可以用分子式检索

57、。将这一分子式输入后，就可以给出库中符合这一分子式的全部化合物的标准质谱图。（6）分子量检索将分子量输入后，就可以给出库中符合这一分子量的全部化合物的标准质谱图。（7）峰检索将得到的质谱数据接峰的质量数（m/z）和相对强度（基峰为100，其他峰以基峰强度的百分数表示）范围依次输入。如知道最大质量数，可在Maxmass栏内输入。如从分子离子上有中性丢失，可在Loss栏内输入，这一丢失的最大值是m/z=64。如输入0，则此质谱图一定有分子离子峰。在输入这些峰的数据后就可得到一系列化合物的标准质谱图。输入的峰越多，输入的相对强度范围越窄，检出的化合物数量就越少，甚至检不出化合物来。此时可减少输入的峰

58、或放宽相对强度范围，就可检出化合物。使用谱库检索时应注意的问题 为了使检索结果正确，在使用谱库检索时应注意以下几个问题。质谱库中的标准质谱图都是在电子轰击电离源中，用70eV电子束轰击得到的，所以被检索的质谱图也必须是在电子轰击电离源中，用70eV电子束轰击得到的，否则检索结果是不可靠的。推荐精选质谱谱库中标准质谱图都是用纯化合物得到的，所以被检索的质谱图也应该是纯化合物的。本底的干扰往往使被检索的质谱图发生畸变，所以扣除本底的干扰对检索的正确与否十分重要。现在的质谱数据系统都带有本底扣除功能，重要的是如何确定（即选择）本底，这就要靠实践经验。在GC-MS分析中，有时要扣除色谱峰一侧的本底，有

59、时要扣除峰两侧的本底。本底扣除时扣除的都是某一段本底的平均值，选择这一段的长短及位置也是凭经验决定。在总离子流图中选择哪次扫描的质谱图进行检索，对检索结果的影响也很重要。当总离子流的峰很强时，选择峰顶的扫描进行检索，可能由于峰顶时进入离子源的样品量太大，在离子源内发生分子-离子反应，使质谱图发生畸变，得不到正确的检索结果。笔者就曾发现，当选择总离子流强度很大的扫描时，由于分子离子反应，出现了（2M+1）+，（2M）+或（2M-1）+的情况。当被检索的峰前干扰严重时（如检索主峰后的峰时），往往在峰的后沿处选择质谱图进行检索；当被检索的峰后干扰严重时（如检索主峰前的峰时），往往在峰的前沿处选择质谱

60、图进行检索。这样做就是要尽可能避免被检索的质谱图被其他物质所干扰。要注意检索后给出的匹配度（相似度）最高的化合物并不一定就是要检索的化合物，还要根据被检索质谱图中的基峰，分子离子峰及其已知的某些信息（如是否含某些特殊元素F、Cl、Br、I、S、N等等，该物质的稳定性、气味等等），从检索后给出的一系列化合物中确定被检索的化合物。联网上有关GC-MS和MS的信息资源 众所周知，20世纪90年代以来，互联网上的信息成爆炸性增长，如何从互联网上合理地、最快地找到解决问题所必须的信息，已经成为一门学问，需要积累一定的经验。在这里介绍笔者掌握的一点有限的情况和经验。1.互联网上的搜索引擎和搜索网页 首先，

61、可以使用一些搜索引擎或搜索网页帮助检索，较常用的有以下几个搜索引擎和搜索网页:推荐精选 在上述前7个搜索引擎和搜索网页上可以很简单地键入英语关键词质谱或其他的关键词，很快就会找出互联网上有关网页，有时一下就会提示找出与关键词有关的几千个提示。下图是Excite搜索引擎用关键词质谱mass spectrometry搜索的结果。图中很清楚地显示一共找到709383个与质谱有关的网页，当前显示的是其中的前十条记录。然后，可以很方便地在所需网页地址上双击，即进入所选网页。这种方法简单易学，无需记许多网址，但要找到真正所需的网站，较为费时，得从搜索引擎和搜索网页检索出的一大堆网页中一个一个筛选。 美国化

62、学会的化学文摘（Chemical Abstracts）和其他一些数据库可以使用特殊的软件如Scifinder或SIN Express进入使用。值得一提的是美国国家医学图书馆提供免费的medline检索服务。Medline搜集了全世界3000多种重要医学期刊，也包括许多中文等非英语斯刊，直到1996年的文章，并建立供了非常丰富的检索手段，可以很方便地找到某一段时间内的有关某主题的主要文献，不仅提供了题目，作者，出处，相关主题词，而且还可免费提供摘要。笔者建议进一步查阅有关medline的详细资料，掌握其检索技巧，可以更快、更准确、更全面地找到所需资料。2.气质联用仪制造厂商 几乎国外所有的仪器制造商