气相色谱质谱联用仪的原理及分类

【摘 要】从J.J. Thomson制成第一台质谱仪，到现在已有近90年了，早期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析，20世纪40年代以后开始用于有机物分析，60年代出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器。GCMS（气相色谱-质谱联用）在分析测定有机化合物方面，以其快速、灵敏、选择性好的特点，倍受分析工作者青睐，是环境监测、卫生防疫、石油化工、食品生产等行业作为水质分析的标准仪器。计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技术更加成熟，使用更加方便。现以美国热电公司生产的DSQII质谱仪和Trace GC Ultra气质联用仪为例，分析一下相关的分类及应用情况。

【关键词】气相色谱;质谱;分类;应用

1 气相色谱的原理及应用

气相色谱法是20世纪50年代出现的一项重大科学技术成就。这是一种新的分离、分析技术，它在工业、农业、国防、建设、科学研究中都得到了广泛应用，是一种以气体为流动相的柱色谱法，根据所用固定相状态的不同可分为气-固色谱（GSC）和气-液色谱（GLC）。

气相色谱是用气体作为流动相的色谱法，由于样品在气相中传递速度快，因此样品组分在流动相和固定相之间可以瞬间地达到平衡。另外加上可选作固定相的物质很多，因此气相色谱法是一个分析速度快和分离效率高的分离分析方法。近年来采用高灵敏选择性检测器，使得它又具有分析灵敏度高、应用范围广等优点。

气相色谱由以下五大系统组成：气路系统、进样系统、分离系统、温控系统、检测记录系统。组分能否分开，关键在于色谱柱，分离后组分能否鉴定出来则在于检测器，所以分离系统和检测系统是仪器的核心。

在石油化学工业中大部分的原料和产品都可采用气相色谱法来分析;在电力部门中可用来检查变压器的潜伏性故障;在环境保护工作中可用来监测城市大气和水的质量;在农业上可用来监测农作物中残留的农药;在商业部门可和来检验及鉴定食品质量的好坏;在医学上可用来研究人体新陈代谢、生理机能;在临床上用于鉴别药物中毒或疾病类型;在宇宙舴中可用来自动监测飞船密封仓内的气体等等。

2 质谱原理及应用

质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。

质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。一般来说，在300C左右能汽化的样品，可以优先考虑用GC-MS进行分析，因为GC-MS使用EI源，得到的质谱信息多，可以进行库检索。毛细管柱的分离效果也好。如果在300C左右不能汽化，则需要用LC-MS分析，此时主要得分子量信息，如果是串联质谱，还可以得一些结构信息。如果是生物大分子，主要利用LC-MS和MALDI-TOF分析，主要得分子量信息。对于蛋白质样品，还可以测定氨基酸序列。质谱仪的分辨率是一项重要技术指标，高分辨质谱仪可以提供化合物组成式，这对于结构测定是非常重要的。双聚焦质谱仪，傅立叶变换质谱仪，带反射器的飞行时间质谱仪等都具有高分辨功能。

由于质谱分析具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，因此，质谱技术广泛的应用于化学，化工，环境，能源，医药，运动医学，刑侦科学，生命科学，材料科学等各个领域。

3 维护

GC-MS常用的载气为He，对于质谱分析，必须严格控制He的质量，纯度需要达到5个9以上，当气瓶余压为2MPa左右时，需要换气，在使用时钢瓶应该直立，严防太阳直射。换气时先准备好备用气，拆下后马上换上，换气时，把GC面板上所有的温度包括传输线温度设为off，柱温箱温度降到50度以下，进样口温度设为off，等这些温度下降100摄氏度后关闭载气，这主要是由于在没有载气的条件下过高的温度会把柱子烧坏，关闭载气后，把气瓶总阀门关死，分压阀门拧松，换好气后，把气瓶总阀打开，顺时针拧紧分压阀至0.6MPa左右，把GC面板上的载气打开，并保持10min左右，升高气相的各项温度。

对于GC-MS分析，必须安装过滤器，否则质谱图会产生很多干扰，一般条件下，3-4瓶He气必须更换一次气体过滤器，可以通过过滤管中填料的颜色水的指示来分析过滤器是否达到使用极限，一般过滤水的填料会从黄色变为无色，过滤氧的填料会从绿色变为褐色，新的过滤器安装极为简单，只需将过滤器顶到底，顶破隔膜，即完成安装。

GC-MS的近样垫可以分为几种类型，最常用的是红色和灰绿色的，红色的是耐高温近样垫，灰绿色的特性为低流失，如果近样口的螺母拧的过紧，垫片会失去弹性，会形成打孔效应，易于漏气，一般建议进50针以上作一次Leak check，观察是否漏气。

GC-MS配备的衬管一般有俩种，分流和不分流，分流的上下内径一样粗，不分流的底部内径为一个细小的管子，用于装毛细管柱，装衬管时底端有斜坡的朝下插入近样口，因为在进样口下端是碗状的结构，如果衬管装反，压紧后会将衬管底部挤碎。

GC-MS进样口端装柱按照以下步骤完成：首先把柱子挂到柱温箱内，装完后用陶瓷割片切断柱头0.5mm，然后用尺子测量一下柱子长度，，在装柱前，用丙酮或甲醇擦拭柱子表面，最后将有槽的螺母拧上，手拧紧后，用扳手拧1/4圈，新的柱子必须老化处理。

GC-MS室必须严禁明火，环境温度小于25摄氏度，因为MS本身需要散热，环境温度过高会烧坏电路板，也不能太低，温度太低仪器可能启动不了，湿度介于30%-60%，太潮湿的环境中如果长时间不开机会使电路板受潮，且载气管路里的水汽会很多，最好单独安装空调来控温和控湿。

4 小结

GC-MS（气相色谱-质谱联用）在有机物分析方面有着强大的优势，目前我们将其应用于环境监测方面，取得了明显的效果，只要我们平时注意仪器的维护，及时排除相应的故障，GC-MS必将会在环境监测及相关领域大放异彩。

【参考文献】

[1]涂亚平，陈耀祖，编.有机质谱原理及应用[M].科学出版社，2004.

[2]刘虎生，邵宏翔，编.电感耦合等离子体质谱技术与应用[M].化学工业出版社， 2000.

[2]许国旺，编.现代实用气相色谱分析法[M].化学工业出版社，2004.