GC-MS测试（一）

GC-MS仪器及流程

GC-MS，全称为气相色谱质谱联用仪，从其名称便不难看出，它实际上是两种仪器的有机结合——气相色谱仪与质谱仪。这两部分各司其职、分工明确：气相色谱仪主要负责将混合物质进行高效分离，而质谱仪则专注于对分离后的物质进行精准鉴定。
大致的一个流程可以用下面的一个图示来简单说明：

GC-MS简单流程示意图因此简单概括来GC-MS的仪器工作流程由以下几个步骤：第一步是气相色谱对混合物进行分离；第二步是质谱仪对分离开的物质进行定性鉴别；

气相色谱原理

气相色谱作为色谱分析技术的一个重要分支，其分离机制独具特色。以凝胶渗透色谱（GPC）为例，它能够实现不同分子的有效分离，主要依赖于分子在色谱柱中迁移路径的差异。那么，气相色谱又是如何实现物质分离的呢？

首先，气相色谱所采用的色谱柱，是一种涂覆有特定固定液的细长柱体。尽管从外观上看，气相色谱仪体积并不庞大，但其内部的色谱柱却相当长，通常可达30米，且内径极细，内径仅0.25μm。这根精心设计的色谱柱内部，均匀涂覆着一层特殊固定相。

在分析过程中，待测样品首先经过气化处理，转化为气态形式，随后在载气（通常为高纯度氦气）的推动下，缓缓通过这根长长的色谱柱。由于不同物质在分子结构、极性等特性上存在差异，它们与固定液之间的相互作用力也各不相同。这种相互作用力的差异，直接导致了各物质在色谱柱中迁移速率的不同。因此，当它们通过色谱柱时，所需的时间也会有所差异，从而实现物质的逐一分离。

质谱仪原理

质谱仪，主要负责进行物质的鉴别。质谱仪输出的结果并不是我们所直观理解的质量，而是是质核比（M/z）。质核比（M/z）：即离子的质量与电荷的比值。当电荷数=1的时候质核比就代表了离子质量，因此质谱仪测试的实际上是离子质量。

分子在质谱仪中流程可以参考下图：

简单来说，在质谱仪中，经过气相色谱分离之后的单一种类分子，会先使用离子源让它变成带一个电荷的离子，然后经过质核比分析器得到他们的质核比，然后因为电荷Z=1，因此质核比就等于离子质量，离子质量基本等同分子质量。

质谱仪核心解析

从上面的历程我们可以知道质谱仪中核心部件为2个,离子源和质核比分析器。离子源有很多种，它的核心目的只是让分子变成离子后带电，本期先着重介绍质核比分析器。

简单来讲，在质谱仪的工作流程里，经气相色谱成功分离出的单一成分分子，会先进入离子源区域。离子源会赋予这些分子一个电荷，使其转化为带电离子。随后，这些离子会进入质荷比分析器，在这里对它们的质荷比进行精准测定。由于在常见情况下离子所带电荷数Z = 1，所以质荷比在数值上就等同于离子的质量，而离子质量又基本能反映分子质量。由此可知，质谱仪中最为关键的部件有两个，即离子源和质荷比分析器。

离子源的种类繁多，其核心作用都是让分子转变为带电离子，关于离子源的详细内容后续再深入探讨。接下来，重点介绍一下质荷比分析器。

以应用最为广泛的四极杆质量分析仪为例来说明：因为离子带有电荷，所以会在电场和磁场的作用下发生运动。四极杆质量分析仪可看作是由四根施加了可调节电磁场的柱子构成。在特定的电磁场条件下，只有特定质荷比的离子能够顺利通过这个通道，而其他质荷比的离子则无法通过。因此，只需精确控制电流大小，同时观察是否有离子通过，就能依据电流的变化情况，准确推断出通过离子的质荷比。

质谱仪的定性分析原理

质谱仪最终测定得到的是一分子的质荷比，在电荷数为1的常规情况下，质荷比数值上等同于分子质量。然而，仅依据分子质量并不能直接对物质进行定性分析，毕竟存在大量分子量相同的分子。

针对这一问题，常用的解决办法是借助NIST数据库进行比对。不同的分子由各异的更小基团组合而成，以乙醇（CH₃CH₂OH）为例，它可看作由CH₃、CH₂、OH这三个部分构成。当使用强电离源（如电子轰击离子源，EI）时，高能电子会冲击分子结构，将其打碎。对于乙醇分子而言，被打碎后会生成CH₃、CH₂、OH等碎片，这些碎片具有各自特定的质荷比，且同一条件下每个乙醇分子被打碎后产生的碎片特征质荷比及数量分布是相同的。基于这一原理，科研人员收集了各种分子在特定条件下被电离打碎后碎片的特征质荷比以及数量分布信息，进而建立了NIST数据库。

在实际分析中，只需将质谱仪测得的结果与NIST数据库中的数据进行比对，就能实现物质的定性分析。不过，若要使用NIST数据库，质谱仪的测试条件是有明确规定的，通常需采用EI离子源，并且将电子能量设定为70eV。

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