科研篇 | 气相色谱质谱法（GC-MS）全攻略

气相色谱（GC）是一种基于物理分离的分析技术，通过化合物在色谱柱固定相与载气流动相间的分配系数差异实现混合物组分分离，并基于保留时间与检测器响应强度完成成分的定性与定量分析。然而，传统GC检测器（如FID、ECD）的输出信息存在显著局限性：①数据维度局限于二维参数（保留时间+响应值），无法提供分子结构信息；②鉴别机制依赖于标准品的保留时间比对，对未知化合物或复杂基质中的共流出峰缺乏解析能力。

为解决这一技术瓶颈，气相色谱与质谱联用成为关键方案。联用系统可通过两种模式运行：1）单一质谱检测模式：色谱柱流出物全部导入质谱，通过特征碎片离子实现高特异性检测；2）分流检测模式：柱后通过微流控分流器将流出物分配至质谱和常规GC检测器（如FID/TCD），同步获取结构信息与定量数据。质谱提供的质量碎片谱图（如EI源产生的特征离子峰）与NIST等谱库的自动匹配，使未知化合物的鉴定准确率提升至90%以上。

 GC-MS是气相色谱与质谱的联用技术，结合了色谱的高效分离能力和质谱的高灵敏度检测与结构解析能力。其核心流程可分为3个阶段：

气相色谱分离：样品经汽化后由载气带入色谱柱，基于化合物在固定相与流动相间的分配系数差异实现物理分离。

质谱电离与检测：分离后的组分通过加热传输线进入质谱仪的离子源（如电子轰击源EI），在真空环境下被电离为带电离子，随后通过质量分析器（如四极杆或飞行时间分析器）按m/z分离。

数据采集与解析：检测器记录不同m/z值的离子强度，生成质量谱图（反映化合物碎片特征）和总离子流色谱图（TIC，反映各组分保留时间及峰面积）。

图1 典型的GC-MS质谱图（绿色和橙色），总离子色谱图（红色）和质谱图（蓝色）

1. 气相色谱部分

气相色谱仪的基本流程如图2所示。主要包括以下5大系统：载气系统、进样系统、分离系统、温控系统以及检测和记录系统。

（1）载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量。为获得纯净、流速稳定的载气。

（2）进样系统：包括进样器和气化室。进样器分气体进样器和液体进样器，气化室是将液体样品瞬间气化的装置。

（3）分离系统：包括色谱柱和柱温箱和控温装置。根据各组分在流动相和固定相中分配系数或吸附系数的差异，使各组分在色谱柱中得到分离。

（4）温控系统：控制气化室、柱箱和检测器的温度。

（5）检测和记录系统：包括检测器、放大器、记录仪、或数据处理装置、工作站 。将各组分的浓度或质量转变成电信号并记录。

图2 气相色谱仪

2. 接口部分

在GC-MS联用系统中，接口是实现色谱与质谱协同工作的关键组件，需同时满足以下技术需求：

真空适配：质谱离子源工作真空需维持在10⁻³–10⁻⁵ Pa，而气相色谱柱出口处于常压环境（约10⁵ Pa），接口通过逐级降压实现压力梯度过渡，防止质谱真空系统过载。

组分富集：色谱流出物中载气（如氦气、氢气）占比超过99%，接口需选择性去除载气，使分析物浓缩10–100倍后进入离子源，提升检测灵敏度。

3. 质谱部分

质谱仪的基本部件有：离子源、质量分析器、检测器三部分组成。在GC-MS联用中经过气相色谱分离的各气态分子受离子源轰击，电解裂解成分子离子，并进一步碎裂为碎片离子。在电场和磁场综合作用下，按照m/z大小进行分离，到达检测器检测、记录和整理，得到质谱图，实现样品定性定量分析。

2. 样品成分（即分析物）的分离基于其在流动相（载气）与固定相之间的相互作用差异。对于多数化合物，分离主要通过气-液分配色谱实现，即分析物在载气（流动相）和涂覆在色谱柱内壁的液体固定相之间进行分配；而对于挥发性较强的气体（如长久性气体），则通过气-固吸附色谱实现分离，此时固定相为具有吸附能力的固体材料。

GC-MS系统最常采用毛细管柱（又称开管柱），其典型规格为内径0.1-0.25 mm、长度10-30 m。这类色谱柱以壁涂层开放式（WCOT）结构为主，液体固定相通过化学键合方式稳定附着于柱内壁，形成均匀薄膜。这种设计兼具高分离效率（理论塔板数可达数千）和低柱流失特性，尤其适合复杂混合物的分离。需要说明的是，尽管气-固色谱柱（如PLOT柱）仍用于特定气体分析，但液体固定相因其更好的重现性和分离选择性已成为主流。

3. 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，中性分子通过加热传输线[图1（5）]进入质谱仪中。

4. 在质谱仪中，中性分子首先需经电离转化为带电离子以便检测。常用的电子电离（EI）过程如下：由加热灯丝发射的电子束经70 eV能量加速后，与进入离子源的气态分子发生碰撞。当高能电子将分子中的一个电子击出时，生成带正电荷的分子离子（M⁺·），该离子同时具有自由基特性（故称自由基阳离子）。由于70 eV的电子能量显著高于多数化学键能（通常在3-10 eV范围），分子离子会因获得过量能量而发生裂解。这一过程可能涉及以下机制：

均裂：化学键断裂生成两个自由基，其中带正电荷的碎片保留电荷

异裂：化学键断裂产生一个正离子和一个中性碎片

重排反应：如氢原子迁移导致的麦氏重排（McLafferty rearrangement）

裂解产生的次级离子（碎片离子）质量始终低于原分子离子，其分布规律取决于：

➤ 分子组成：官能团类型及位置直接影响键断裂能

➤ 分子结构：立体化学效应可能抑制或促进特定裂解途径

➤ 电荷定位：遵循Stevenson规则，电离后电荷优先保留在电离电位较低的原子上

➤ 裂解位点选择：弱键（如C-C单键邻接杂原子）更易断裂

最终形成的特征碎片离子群构成该化合物的"指纹"质谱图，其中分子离子峰（若未被全裂解）对应化合物的分子量，而碎片离子则提供结构诊断信息。

5. 在电离完成后，质谱仪通过质量分析器[图1（8）]对离子进行分离。该步骤的核心原理是利用电磁场对不同m/z的离子施加差异化的运动轨迹调控，从而实现按质量-电荷比的精准分选。常用质量分析器（如四极杆、飞行时间或离子阱）通过调节电压、磁场强度或测量离子飞行时间等参数，最终仅允许特定m/z的离子到达检测器。此过程为后续的离子检测与质谱图生成提供了基础信号分辨率。

                  图3  气相色谱仪-质谱仪的简化图

（1）载气，（2）自动取样器，（3）进气口，（4）分析柱，（5）接口，（6）真空，（7）离子源，（8）质量分析器，（9）离子检测器，（10）电脑

GC-MS数据是三维的，如图4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。z轴是所获得的质量范围内的离子的m/z。

二维色谱图，如图5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5的示例中，峰3的顶点数据点已经被打开。

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分辨率，如图5中RT1和RT2的色谱峰所示。对于GC-MS来说，质谱提供了一种额外的方法，可以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的数据进行定量，通常是根据单一的离子的面积，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。