简要说明气相色谱分析的基础原理？

  ，是利用物质溶解性和吸附性等特性的物理化学分离方法，分离原理是根据混合物中各组分在流动相和固定相之间作用的差异作为分离依据。

  以气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法(Gas Chromatography，简称GC)，气相色谱是机械化程度很高的色谱方法，大范围的应用于小分子量复杂组分物质的定量分析。

  气相色谱仪主要由气路系统、进样系统、分离系统、检测及温控系统、记录系统组成。

  气相色谱仪的气路系统包括气源、净化干燥管和载气流速控制装置，是一个载气连续运行的密闭管路系统，通过气相色谱仪的气路系统获得纯净、流速稳定的载气。气相色谱仪的气路系统气密性、流量监测的准确性及载气流速的稳定性都是影响气相色谱仪性能的重要因素。

  气相色谱仪中常用的载气有氢气、氮气和氩气，纯度要求99.999%以上，化学惰性好，不与待测组分反应。载气的选择除了要求考虑待测组分的分离效果之外，还应该要考虑待测组分在不同载气条件下的检测器灵敏度。

  气体样品的进样常采用色谱仪自带的旋转式六通阀或尖头微量进样器，如图2所示。

  （2）气化室：气化室一般由一根不锈钢管制成，管外绕有加热丝，作用是将液体试样瞬间完全气化为蒸气。气化室热容量要足够大，且无催化效应，以确保样品在气化室中瞬间气化且不分解。

  气相色谱仪的分离系统是气相色谱仪的核心部分，作用是将待测样品中的各个组分进行分离。

  色谱柱主要有两类：填充柱和毛细柱，柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、聚四氟乙烯等。

  色谱柱的分离效果除与柱长、柱径和柱形有关外，还与所选用的柱填料种类以及操作条件等因素有关。

  气相色谱仪的检测系统是将色谱柱中分离后的组分按照浓度的变化转化为电信号，经放大器后，将电信号传送至记录仪，由记录仪绘出色谱流出曲线。

  （1）浓度型检测器：测量的是载气中待测组分的瞬间浓度变化，即检测器的响应信号正比于待测组分的浓度，如热导检测器（Thermal Conductivity Detector，TCD）、电子捕获检测器（Electron Capture Detector，ECD）。

  （2）质量型检测器：测量的是载气中所携带的待测样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内待测组分进入检测器的质量，如氢火焰离子化检测器（Flame Ionization Detector，FID）和火焰光度检测器（Flame Photometric Detector，FPD）。

  在气相色谱仪中，温度控制非常非常重要，温控直接影响色谱柱的分离效能、检测器的灵敏度和稳定性。

  在气化室中要保证液体试样瞬间完全气化，在柱箱中要确保组分分离完全。当试样中待测组分种类非常之多时，柱箱温度一定要通过程序控制气温变化，各组分应在最佳温度下分离，并确保试样中各组分在检测器中通过时不发生冷凝。

  （1）恒温控温方式：对于沸程较窄的简单样品，可采用恒温模式。简单的气体分析和液体样品分析均采用恒温模式。

  （2）程序升温控温方式：是指在一个分析周期内，气相色谱仪中色谱柱的温度随时间由低温到高温呈阶梯式变化，使沸点不同的组分，在最理想柱温下流出，从而改善分离效果，缩短分析时间。

  对于沸程较宽的复杂样品，如果在恒温下分离难于达到理想的分离效果，应使用程序升温方法。

  气相色谱仪的记录系统大多数都用在气相色谱仪记录检测器的检测信号，并进行定量数据处理和记录。部分气相色谱仪还配有电子计算机，可自动测量色谱峰的面积，直接提供定量分析的准确数据，并能自动对色谱分析数据来进行再处理分析。

  气相色谱仪的载气由高压钢瓶中流出，经减压阀降到气相色谱仪所需压力后，通过净化干燥管使载气净化，再经稳压阀和流量计后，以稳定的压力、恒定的速度流经气化室后与已完成气化的样品进行混合，将样品气体输送至色谱柱中进行分离。分离后的各组分先后流入检测器中进行检测。

  检测器将待测组分的浓度或质量变化转化为电信号，经放大后在记录仪上记录下来，便可得到色谱流出曲线。根据色谱流出曲线上的保留时间，能够直接进行定性分析，根据峰面积或峰高的大小，能够直接进行定量分析。具体分析流程如图3所示。

  气相色谱分析的基础原理：根据待分析样品组成或指定方法，选择比较适合的色谱柱型，设定进样口、柱箱、检测器条件后，将样品注入进样口或进样阀等进样单元。当汽化后的试样被载气带入色谱柱中运行时，组分就在其中的两相间进行反复多次分配，由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同，便彼此分离。检测器获得的组分强度信号，进行人工或利用色谱工作站进行数据后处理。使用者根据保留时间、峰面积进行定性、定量，根据设定方法测定出目标化合物或所有组成的分析仪器方法。

  包含杂质的样品气经过进样系统进入到色谱柱中完成分离，分离后的目标杂质进入到检测器里，通过电离的方式，让目标杂质发生明显的变化产生电信号（随浓度出现正比的关系），信号收集系统收集到电信号，将信号做处理，得到了谱图，工作站软件处理谱图，得到色谱峰等有效信息。

  气相色谱分析（Gas Chromatography，GC）是一种常用的分离和分析技术，其基础原理如下：如果对内容感兴趣可以到默克看具体内容。

  样品进样：样品通过进样系统被引入气相色谱仪。样品可以是气体、液体或固体，但一定要能在气相条件下挥发。

  色谱柱：样品进入色谱柱，色谱柱通常是由内部涂覆有固定相的管道构成。固定相的选择取决于分析的目标化合物。

  载气流动：色谱柱中的载气（通常是惰性气体，如氢气、氮气或氦气）被推动，将样品分离成不同的组分。载气的选择也取决于分析的需求。

  分离过程：样品分子在色谱柱中与固定相发生相互作用，根据它们的化学性质和亲和力的不同，以不同的速率通过色谱柱。这样，样品中的化合物被分离成不同的峰。

  检测器：分离后的化合物通过检测器进行仔细的检测和定量。常见的检测器包括火焰离子化检测器（FID）、热导率检测器（TCD）、质谱检测器（MS）等。

  数据分析：检测器输出的信号经过处理和分析，能够获得样品中不同化合物的含量和相对浓度。

  通过气相色谱分析，可以对复杂的混合物进行分离、鉴定和定量分析，大范围的应用于化学、环境、食品、制药等领域。

  气相色谱质谱法（GC-MS）由两种截然不同的分析技术组成：气相色谱法（GC）与质谱法（MS）是连在一起的（因此使用连字符而非正斜线）。通常情况下，分析仪器由气相色谱仪组成，通过加热的传输线连接到质谱仪，这两种技术是串联进行的。然而，一些专业的、通常是微型的或便携式的仪器将整个GC-MS包含在一个盒子里。

  气相色谱是一种分离科学技术，用于分离样品混合物中的化学成分，然后检验测试它们以确定其存在或不存在和/或存在多少。气相色谱检测器所提供的信息是有限的；这通常是二维的，即分析柱上的保留时间和检测器的反应。

  鉴别的基础是将样品中的色谱峰的保留时间与使用相同方法分析的已知化合物标准的色谱峰作比较。然而，单靠气相色谱不能用于鉴定未知化合物，这时与质谱的联用就很有效。质谱可当作唯一的检测器，也可以在质谱和气相色谱检测器之间分配色谱柱流出物。

  质谱是一种测量带电粒子的质荷比（m/z）的分析技术，因此可用于确定分子量和元素组成，以及阐明分子的化学结构。GC-MS的数据是三维的，提供的质谱可用于确认身份或识别未知化合物，加上可用于定性和定量分析的色谱图。

  在分析物分子被洗脱到质谱中进行仔细的检测之前，样品混合物首先被气相色谱分离[1]。它们由载气输送（图1（1）），载气不断流经气相色谱仪并进入质谱仪，在那里由线）。

  样品首先被手动或自动进样器引入气相色谱仪（图1（2）），并通过气相色谱仪的入口进入载气（图1（3））。如果样品是液态的，则在加热的气相色谱仪入口处被汽化，样品的蒸汽被转移到分析柱中（图1（4））。

  样品成分，即“分析物”，通过它们在流动相（载气）和液体固定相（保持在柱子内）之间的分配差异而被分离，或者对于更易挥发的气体，它们被固体固定相吸附。在GC-MS分析中，最常见的是将液体固定相固定在狭窄（内径0.1-0.25mm）和短（10-30m长）的柱子中。

  分离后，除非分析物是异构体，否则GC-MS分析不需要总基线分辨率，中性分子通过加热的传输线））洗脱到质谱仪中。

  在质谱仪内，中性分子首先被电离，最常见的是通过电子电离（EI）。在EI中，由灯丝产生的电子以70电子伏特（eV）的速度加速，将一个电子从分子中击出，产生一个分子离子，是一个自由基阳离子。这种高能量的电离会导致不稳定的分子离子，多余的能量会通过分裂而损失。键的断裂可以导致自由基或中性分子的损失，分子的重新排列也有几率发生。这一切导致了不同质量的离子，有时是非常多的，最重的是分子离子，其碎片离子的质量较低，这取决于：

  下一步是分离不同质量的离子，这是根据质量分析器的m/z来实现的（图1（8））。

  有许多不同的质量分析器类型，这就是质量分辨率的巨大差异（因此仪器价格）。质量分辨率是指质量分析器分离m/z差异非常小的离子的能力。单位质量分辨率仪器只能分离名义质量或小数点后一位的质量，而高质量分辨率（HRMS）仪器可以分离到小数点后四或五位。

  最常见的单位质量仪器是四极杆，它是一种扫描仪器，改变电压，只允许一定m/z的离子有稳定的轨迹通过四极杆，到达离子检测器。四极杆仪器有两种不同的操作模式：

  离子阱也是一种扫描仪器，但它是三维的，在依次抛出离子到达离子检测器之前，将离子捕获在与质量有关的轨道上。

  飞行时间（ToF）质量分析器根据离子沿飞行管到达离子检测器所需的时间来分离它们。在相同的动能下，质量较低的离子具有较高的速度，因此首先到达，而质量较高的离子具有较低的速度，较晚到达。

  ToFMS仪器在质量分辨率和采集速率方面有不同的范围：非常快的ToFs，采集速率高达1000谱/秒，是单位质量分辨率，而HRMS ToFs的采集速率较低。高采集速率有利于二维气相色谱（GC × GC）的应用，峰宽低至30毫秒，然而HRMS对确定分子式非常有用。

  因此，市场上有速度和质量分辨率不同的ToFs，选择哪种ToFs取决于应用，但GC的峰宽必须与MS的采集速率能力相匹配。

  其他与GC连在一起的HRMS仪器包括磁区质量分析器，它利用电场和磁场弯曲离子的轨迹来分离它们。磁扇形GC-MS仪器在同位素比率分析中比较常见。

  在HRMS orbitrap中，离子围绕一个中心转轴运行，它们在中心转轴上下移动的频率与m/z有关。

  图1气相色谱仪-质谱仪的简化图，显示（1）载气，（2）自动取样器，（3）进气口，（4）分析柱，（5）接口，（6）线）电脑。

  GC-MS数据是三维的，如图2所示。X轴显示保留时间；从样品注入到GC运行结束的时间。这也可以看作是扫描数，也就是质谱在整个运行过程中获得的数据点的数量。y轴是离子检测器测量的反应或强度（图1（9））。z轴是所获得的质量范围内的离子的m/z。

  图2GC-MS数据是三维的，给出了扫描号/保留时间、响应/强度和m/z。

  二维色谱图，如图3所示，是通过将单个数据点的所有离子丰度相加，并与保留时间（RT）/扫描号作图来产生总离子色谱图（TIC），这与GC检测器产生的色谱图更具可比性。然而，总离子色谱图中的每个数据点都是一个单独的质谱，通常可以在软件中的一个单独窗口中打开。在图3所示的例子中，峰3的顶点数据点已经被打开。

  在图4中能够正常的看到一个直链碳氢化合物正癸烷的质谱实例。在最右边能够正常的看到分子离子142 m/z。由于癸烷是一种饱和碳氢化合物，电离产生的多余能量不能在内部脱域，因此大多数分子离子会发生碎片，导致许多碎片离子和分子离子的低丰度。饱和碳氢化合物的链长越长，分子离子的丰度越低，直到在质谱中观察不到分子离子。

  然而，不饱和的分子离子，特别是那些有共轭双键的分子离子，如芳香族化合物，由于多余的能量可以更容易地内化，所以碎片较少。从癸烷的质谱中观察到的另一个现象是在m/z 43、57、71、85、99和113的一系列碎片离子，它们的m/z差异为14。

  这些是由连续的-C2H4-单元的键的重叠裂解形成的，如果电荷是+1，这相当于28个统一的原子质量单位（u）的质量，是碳氢化合物的质谱的一个关键特征。质谱是分子的指纹，若使用相同的电离技术和电压获得，可以与使用相同技术、相同电压获得的光谱库进行比较。

  最常见的商业光谱库是在70eV下产生的EI光谱。质谱还能够最终靠离子的质量、同位素的存在和碎片离子之间的损失来解释，以确定分子式和分子的结构。

  在GC中，保留时间用于识别目标分析物，通常面积用于定量。为了准确定量，色谱峰需要有良好的色谱分离和基线的色谱峰所示。对于GC-MS来说，质谱提供了一种额外的方法，能够正常的使用完整的质谱或使用几个离子的存在和相对比例来确认目标分析物。使用GC-MS的数据来进行定量，通常是根据单一的、独特的离子的面积，因为与使用TIC峰下的面积相比，它不太可能有来自共生峰的干扰。因此，只要能选择一个不存在于共混峰中的独特离子，从而使这些峰得到光谱解析，并能实现基线到基线的整合，就不需要色谱基线分辨率来进行准确定量。

  利用色谱和光谱分辨率对目标分析物的分离和鉴定是非常有力的。然而，在分析很复杂的样品（如环境、食品或生物样品）中低至飞克（fg）水平的痕量分析物时，基质可能是难以承受的[2, 3]。样品制备可拿来去除大部分的基质；但是，分析物分子也经常丢失。

  在色谱上，基质峰可以用GC×GC的方法从分析物峰中分离出来，即使用两个不同固定相的色谱柱。在质谱仪中，能够正常的使用光谱分辨率，选择目标分析物的独特离子，这些离子不存在于共渗基质峰中。

  然而，这在分析这些很复杂的样品时经常失败，因为来自各种共混基质峰的碎片离子与来自目标峰的许多离子具有相同的m/z，扭曲了离子比率，导致错误的否定或不准确的定量。

  串联质谱法（MS/MS）使用质谱仪内的多级（质量分析器），通过减少来自共混基质峰的背景来提高分析物的灵敏度。不同的、在色谱上共融的化合物可能会产生具有相同m/z的分子/碎片离子；但是，这些离子会有不同的结构。

  电离后，第一个质量分析器选择离子，称为前体离子。下一阶段是将其进一步破碎，这通常是在惰性气体（如氩气）中通过一个称为碰撞诱导解离（CID）的过程实现的。产生的离子，称为产物离子，将取决于前体离子的结构，因此来自干扰物的产物离子质谱将与目标分析物的质谱不同。MS/MS的下一阶段是使用离子检测器之前的另一个质量分析器来分离产物离子。

  有几种不同配置的MS/MS仪器，包括三重四极杆（QqQ），其中Q1用于前体选择，Q2用作碰撞池，Q3用作产物离子质量分析器。三重四极杆是最常见的，因为它们是单位质量的仪器，因此更实惠。图5是一个三重四极杆的例子，在多反应监测（MRM）模式下。Q-ToFs使用一个四极杆进行前体离子选择，一个HRMS ToF作为产物离子质量分析器。

  离子阱可以有效的进行MSn，所有阶段都发生在单个阱内。除了前体离子，所有的离子都被喷出，然后施加一个电压，与能量发生共振，使该特定m/z的前体离子失稳并产生碎片。然后这样的一个过程可以重复进行，根据自身的需求进行进一步的碎裂。

  一般来说，MS/MS仪器只用于目标分析，不用于未知物的常规分析。有几种操作模式，包括MRM、单反应监测（SRM）（类似但更敏感）、产物离子扫描（Q3在扫描模式下操作以获得全部产物离子质谱）和中性损失扫描。

  MS/MS仪器也可当作标准质谱使用，这在MS/MS技术的方法开发过程中是需要的，然而，应该谨慎使用，因为产生的质谱可能质量较低，影响鉴别判定，特别是对于扫描仪器。一些制造商还启用了双采集模式，即在目标分析的MRM模式和识别未知物的扫描模式之间交替进行采集。

  单独的GC是有局限性的，因为它不可能使用标准的GC检测器来识别未知的化合物，但是当与MS配对时，这是有可能的。相反，使用质谱直接分析样品会产生混合质谱，很难解构和解释，特别是当样品中有几个以上的化合物时。但与GC配对，就有了分离混合物的能力。

  并非所有的化合物都能在标准气相色谱柱上分离，因此，使用光谱分辨率来消除干扰的能力导致了更准确的定量。质谱的解卷积能够检测基线和基质峰下的小峰，选择性的MS/MS能够在很复杂的样品中识别微量分析物[4]，而且干扰很少。

  一种分析物的异构体通常具有相同或非常相似的质谱，因此仅用质谱就很难将它们区分开。因此，需要色谱分辨率来分离它们。各个异构体是通过其保留时间来识别的，为了准确的整合和定量，要良好的色谱分辨率。

  这对于同源系列也是如此，如饱和碳氢化合物，超过一定的链长，就看不到分子离子，质谱看起来都是一样的。同样，必须用保留时间来确定饱和碳氢化合物的身份。

  就鉴定化合物时使用的分子离子的缺乏而言，能够正常的使用替代的软化电离方法。例如，较低eV的电离或正负模式的化学电离可以导致较少的碎片离子，并防止分子离子的丢失或使其峰值更强。然而，碎片模式在很大程度上用于识别化合物的结构，常常要建立目标库，因为软电离技术的目标库很少，但随着软电离技术的广泛使用，这样的一种情况正在改善。

  气相色谱和质谱的连用将两种强大的技术结合在一起，它们相互补充，可用于分离和鉴定样品中的化合物。当一种方法不能提供答案时，就可以依靠另一种方法。

  质谱仪通常有真空，以减少背景干扰和离子-分子反应，增加部件的常规使用的寿命，减少维护，并避免任何放电，因为质谱仪内使用高电压。要获得良好的灵敏度需要非常好的真空，小的泄漏会增加背景，而大的泄漏会阻碍真空系统的运行。

  高柱流增加了进入质谱的气体分子的数量，而真空系统不能足够快地抽空它们以建立良好的真空，因此灵敏度降低。因此，当把一个方法从GC转移到GC-MS时，应该使用较小的内径柱子和较低的柱流量。高灵敏度分析的最大流速取决于质谱仪的真空系统。为了获得最佳的分离效率，应该了解并考虑到这一点，以及载气的最佳流速。

  质谱仪是敏感的仪器，需要定期维护，清洁离子源和更换真空泵中的油，以保持良好的灵敏度。来自样品的高分子量基质应保留在气相色谱仪的进气口衬垫中，通过优化进气口温度，使其易于更换，而不是转移到色谱柱中，因为它可能损坏固定相并弄脏质谱离子源。

  离子源污染的另一个来源是色谱柱渗漏。应该在质谱仪中安装更稳定的“-MS”柱，并且在连接到质谱仪时不应该进行柱的调节。

  与GC有关的问题仍然会发生，例如活性和样品降解，特别是在样品经过较少的样品制备的情况下，例如使用GC-MS/MS，基质不能被“看见”。

  GC-MS和GC-MS/MS被用于许多行业的常规分析，寻找分子量通常小于700 amu的挥发性污染物，例如在食品[2]、环境[5]、法医[6]、反[7]和消费品[8]行业。GC-MS也被用于研究，以确定未知的挥发性化合物，包括在食品和香料、空间、石油化学工业、化学、农业、烟草、制药、医疗保健、能源、采矿、环境和法医等领域，仅举几例。

  以药物检测为例，可以出于多种原因进行仔细的检测：病理学、保健和人与动物的反[9]。像尿液和血样这样的生物液体是复杂的，有大量的基质，而且通常药物的浓度很低。

  因此，对它们的检测需要像GC-MS这样的联用技术，以开始将目标或感兴趣的化合物从基质峰中分离出来。然后可以用MS/MS和更常常使用的MS/MS与HRMS，有时是额外的GC x GC分离来选择性地识别它们。