實驗室分析儀器--氣相色譜質譜聯用儀數據處理系統介紹

氣相色譜質譜聯用技術，以其優異的分離定性特點，被廣泛地應用于分析復雜混合物中的揮發性組分中。GC-MS的使用過程:將在通常氣相色譜儀上優化后的色譜條件移植到GC-MS上，全掃描分析進行定性，然后選取目標化合物的特征質量進行選擇性離子掃描，進行定量分析。在氣相色譜質譜聯用儀中，采用四極桿作為質量分析器是其中的主流。由于四極桿采用的時域性分辨，因此在定量過程中通常推薦采用選擇離子掃描模式（SIM），采用多通道SIM模式可對樣本中的多個化合物實現定量檢測，其檢測靈敏度較全掃描模式可提高10倍以上，同時數據采集頻率也可獲得極大的提高，更好地匹配高速氣相色譜，對于SIM模式定量檢測而言核心是選擇目標化合物的特征離子，確保附近的共流出化合物對其沒有干擾，在SIM模式下獲取的質量色譜圖的數據處理與常規的氣相色譜數據處理基本一致，在此不予深入討論。

一、定性譜圖的獲取

氣相色譜質譜聯用技術的另一個主要應用是復雜混合物中組分的定性，定性的基礎是流出物的質譜圖。采用全掃描方式獲得的總離子流與FID產生的譜圖（圖1）極為相似（應該注意的是由于響應靈敏度的不同強度有所差異），每一個點的強度相當于該時間段所有離子豐度的總和，根據歸一計算每一個點可獲得一張對應的質譜圖。

?圖1 GC-MS總離子流圖（a）及單點對應的質譜圖（b）

然而，其質譜圖通常會包含一些來自于離子源污染物、柱流失物、基質干擾物、共流出化合物所產生的離子，在分析復雜基質中的痕量物質時，這一現象尤為突出，樣本中的基質就會不可避免地被引入檢測過程中，對目標化合物的質譜圖產生嚴重的干擾。因此，通過對質譜數據的后處理，將目標化合物的質譜圖從原始譜圖中提取出來，根據新建的“純凈”的質譜圖進行圖庫檢索或標樣譜圖比對，可使目標化合物的定性結果更加準確系統的背景噪聲結構相對比較簡單，包含空氣中組分的分子離子（18、28、32、40、44等）以及部分色譜固定液的流失（高溫條件下），扣除此類干擾較為簡單，通常采用從目標化合物的質譜圖中減去其周圍本底的質譜圖。

豐度較高的共流出物及復雜基質干擾物的離子，使目標化合物的定性變得更為困難，簡單的扣“本底”的方法無能為力。目前大部分氣相色譜質譜軟件均不具備重疊峰自動判別以及自動譜圖解卷積提取功能，因此在進行譜圖提取時不能簡單地扣除背景進行譜圖檢索。

對總離子流譜圖中的峰進行定性時，首先要判斷其是否為重疊峰。判斷標準一般為該峰的前肩位置和后肩位置的質譜特征是否一致。如果存在顯著差異，表明該峰至少由兩個或更多物質重疊而成。如圖2所示，圖中154號峰峰形基本正常，但前肩和后肩的質譜圖存在顯著性差異，可認定其為重疊峰。如果發現重疊峰，選擇兩個譜圖中差異大的離子，獲取離子譜圖，根據譜峰對比確認重疊峰。選擇特征離子134和146（圖3），可發現兩個質量色譜圖存在峰錯位，進一步驗證了上述判斷。為獲得第一個物質的質譜圖，如果選擇位置a作為原始數據，那么它的背景應選擇在位置b進行扣除。類似于雙波長光譜的背景扣除，因為位置a所包含的第二個物質的量與位置b相等。圖3（I，Ⅱ）給出了準確減扣后的兩個物質質譜圖，相互之間的干擾被完全去除，定性結果更加準確。

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?圖2 總離子流圖及重疊峰前肩和后肩質譜圖

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?圖3? 重疊峰干擾扣除及對應的兩個物質的質譜圖

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為了能夠達到更好的重疊峰拆分效果，化學計量學的方法被應用于質譜數據后處理中通過數學計算對質譜數據進行去卷積處理，以提取“干凈”的質譜圖。目前己商品化的去卷積譜圖拆分軟件有美國國家標準技術研究院（NIST）開發的一套軟件 AMDIS（ Automated MassSpectral Deconvolution＆ Identification System）、美國Leco公司色質譜工作站內含的去卷積算法等。圖9-9顯示了Leco工作站對一段總離子流譜圖的重疊峰拆分結果，根據算法在一個前肩峰中拆分出5個物質。其中A為該時間點的質譜圖，B為去卷積拆分后6號物質的譜圖，C為NIST譜圖庫中的標準譜圖。該結果表明，采用去卷積算法可以有效地獲取準確的譜圖，解決復雜物質分離分析時共流出物質的干擾。

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?圖4 去卷積分法拆分重疊峰結果顯示

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去卷積譜圖分析算法一般包括以下部分。

（1）噪聲分析:排除噪聲對后期數據分析的影響。

（2）特征離子提取:全譜圖分析，確定化合物的特征離子及其峰形。

（3）譜圖去卷積:根據特征離子及其峰形將這段時間范圍內的離子進行相關性歸屬，獲得純凈的譜圖。

當兩個共流出化合物的保留時間偏差大于2個以上數據采集點時，才能獲得準確的拆分如果流出時間完全一致，無法獲得拆分，定性結果往往只能顯示豐度較高物質，同時匹配度有所降低。

二、譜圖的定性分析

通常在獲取化合物純凈的質譜圖后，通過檢索的方法進行定性分析。譜圖檢索是一項比較成熟的技術。NIST等積累了大量的實驗數據并形成了標準質譜譜圖庫，這些數據庫被安裝在各種GC-MS工作站上，極大地簡化了定性的過程。但在檢索的基礎上，人工解析GC-MS得到的質譜圖，有時也是非常必要的，尤其對于同分異構體、同系物以及未知化合物的定性分析

1.分子離子峰的確定

EI質譜圖中有分子離子的話，它應該出現在譜圖的最高質荷比區，但是，質譜圖上質荷比最高的離子不一定就是分子離子，仍需進一步檢驗確定，以便排除各種干擾。一個分子離子必要的但非充分的條件是：

（1）一般是最高荷質比的離子，但是，某些含氧含氮的化合物，如醚、酯、胺、酰胺氨基酸酯、氯化物等，往往在比母峰多一個質量單位處出現一個峰（M+1），同樣，有些分子，如芳醛、某些醇和含氮化合物易失去一個氫而生成M-1離子

（2）分子離子必須能夠通過丟失合理的中性碎片，產生譜圖中高質量區的重要離子。通常，分子離子不可能失去質量為4~14和21~25的中性碎片而產生重要的峰。

（3）分子離子對應的分子式應符合“氮規則”。假若一個化合物含有偶數個氮原子，則分子離子的質量為偶數，含奇數個氮原子的化合物，分子離子的質量為奇數，其他有機化合物，分子離子的質量一般為偶數。

（4）分子簇豐度分布符合同位素峰規律:同位素峰分布強度分布規律符合（aX+bY）n展開式。其中n為該元素的個數，a，b分別為不同同位素的分布比率，如C為3:1，Br為1:1

分子離子峰的強、弱甚至消失取決于分子離子的穩定性，也就是和化合物的結構類型密切相關。一般而言，相似結構或分子量情況下，分子離子峰的強度:芳香族>共軛烯烴>脂環化合物烯烴>直鏈烷烴硫醇>>胺→>>酸>支鏈烷烴>醇。

2.碎片離子解析

（1）研究高質量端離子峰。質譜高質量端離子峰是由分子離子失去中性碎片形成的。從分子離子失去的碎片，可以確定化合物中含有哪些取代基。常見的離子失去碎片如表91所示。

（2）研究低質量端離子峰。尋找不同化合物斷裂后生成的特征離子和特征離子系列。

應該注意的是上述離子系列在不同化合物的質譜中可能表現出的離子豐度相差比較大，另外有些離子系列在譜圖中只出現其中的幾個離子，芳基對應的離子豐度一般比較低。