气质液质的原理基础知识

一、总体概念（快速概览）

目的：将复杂样品先通过色谱分离成各组分，再通过质谱对分离组分进行检测、定性和定量。

“气质”＝GC（气相色谱）+MS（质谱）；适用于易挥发或经衍生化后可挥发的化合物。

“液质”＝LC（液相色谱）+MS；适用于极性或热不稳定、分子量范围广的化合物（生物小分子、药物代谢物、肽、代谢组学等）。

二、色谱部分基础

GC：固定相为毛细管柱（如DB-5、DB-624等），通过载气（惰性气体如氦、氮）携带样品气化后分配柱内。分离依据主要为挥发性/沸点和与固定相的相互作用。进样方式：分流/不分流、分层进样、顶空、固相微萃取（SPME）等。易发生热分解或极性强的样品常需衍生化（如甲基化、三甲基硅烷化）。

LC：常用反相（C18）和正相/HILIC；流动相为液体（有机溶剂如甲醇/乙腈+水），可做等度或梯度洗脱。适用于极性到中等极性、热不稳定样品。进样方式为溶液直接进样、固相萃取（SPE）预处理等。

三、离子化技术（关键差异）

GC常用离子化：

电子轰击（EI）：硬离子化，能产生丰富的裂解片段，适合结构解析和图谱库比对（如NIST）。产生明显的分子离子峰有时较弱。

化学离子化（CI）：软离子化，常见[M+H]+或[M+NH4]+，分子离子信息更强。

LC常用离子化：

电喷雾电离（ESI）：软电离、适合极性/离子化良好的分子，常用于生物/代谢/药物分析，可生成多电荷离子（蛋白/肽）。受基质抑制影响大。

大气压化学电离（APCI）：用于较低极性或中等极性、挥发性较好的分子，抗基质能力比ESI好些。

大气压光电离（APPI）等：用于更疏水/不易电离的化合物。

选择依据：样品极性、分子量、需要的碎片信息、基质复杂度。

四、质谱仪核心组件与常见类型

主要组件：离子源 → 质量分析器 → 检测器 → 真空系统 → 数据系统。

常见质量分析器：

四极杆（Quadrupole）：成本低、稳定，常用于单级MS（全扫描）或串联三四极用于MS/MS（QqQ）做SRM/MRM定量。分辨率一般单位质量。

离子阱（Ion Trap）：能做MSn，适合碎片级联研究，但空间容量限制可能导致失真。

飞行时间（TOF）：高分辨率/高速采集，与ESI结合用于精确质量测定（ms级精度可达ppms）。

轨道阱（Orbitrap）、傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）：超高分辨率、精确质量，用于分子式确认和复杂基质的成分解析。

串联组合：Q-TOF、Q-Orbitrap、QQQ（三重四极）等根据需求组合以达到灵敏定量或高分辨鉴定。

五、质谱信号与解释要点

m/z：质荷比，质谱图横轴为m/z，纵轴为强度（相对丰度）。

分子离子/准分子峰：在软电离（ESI、CI）中常见[M+H]+、[M+Na]+、[M+NH4]+或负离子[M–H]–。EI中常见M·+。

裂解峰：提供结构信息（碎片模式、特征离子）。EI产生碎片多，有利于谱库比对；ESI产碎片少，需CID/MS/MS获得结构信息。

同位素峰：含Cl、Br、S等元素的化合物显示特征同位素分布，有助确认成分（Cl有约3:1的M+2峰等）。

精确质量与元素组态：高分辨仪可用精确质量（ppm级误差）计算分子式。

六、串联质谱（MS/MS）与定量

MS/MS原理：在第一级选取目标离子，再在碰撞室用碰撞气（如氩）诱导碎裂（CID），记录碎片谱（用于结构解析或选定特征离子用于定量）。

多反应监测（MRM/SRM）：三重四极常用的高选择性/高灵敏定量模式，监测特定母离子→特定子离子通道，抗干扰强。

定量策略：外标法、内标法（尤其是稳定同位素标记内标IS非常有效以纠正基质效应和回收率差异）、标准曲线、加标回收。需考量线性范围、LOD/LOQ、精密度/准确度。

七、样品前处理与常见技术

GC常用：溶剂萃取、固相萃取（SPE）、衍生化（增加挥发性和稳定性）、顶空、SPME等。

LC常用：蛋白沉淀（生物样品）、SPE、液–液萃取（LLE）、过滤、浓缩、衍生化（若需增强响应或稳定性）等。

注意去基质（matrix）与提高回收率、避免抑制/增强离子化。

八、方法开发要点（实用提示）

GC：确认目标物是否可气化或需衍生化；选择合适毛细管柱（极性/非极性）、升温程序、进样量与进样方式（分流与否）；选择离子化模式（EI常用于库比对）。

LC：选择色谱模式（反相C18常用），优化流动相（有机相比例、缓冲盐/酸的选择影响离子化），梯度程序、柱温、流速；选取合适离子化源（ESI/APCI）、离子源参数（喷雾电压、剪切电压、气体流量）。

MS：选择合适的分析器与分辨率、优化碰撞能量（CID）以获得信息丰富的子离子，设定定量通道（MRM）并用内标校正。

验证：线性、LOD/LOQ、回收率、精密度、基质效应评估、稳定性研究。

九、常见问题与对策

基质抑制/增强（Matrix effect）：用同位素内标校正，优化样品前处理，稀释样品或改变色谱分离以避免共洗脱物。

背景噪声/污染：使用高纯溶剂/耗材，定期清洗离子源、进样口、色谱柱，跑空白样。

峰拖尾/展宽：检查柱活性、流动相pH、相容性、系统泄漏或柱污染。

串联峰（carryover）：改进进样针洗脱程序、使用更强洗脱剂、增加冲洗次数或更换进样垫。

十、安全与设备维护（要点）

使用易燃有机溶剂与高压气体需防火防爆；质谱真空泵及高压电源需按维护规程操作。

定期更换泵油、检查真空系统密封、清洁/更换离子源部件、校准质量轴（校准剂：重组峰或标准物质），做系统适用性测试 (SST)。

十一、应用领域（示例）

环境：污染物筛查与定量（有机污染物、农药、残留溶剂）。

食品安全：农药、兽药残留、添加剂、食品欺诈检测。

临床/生物：药物代谢、药物测定、代谢组学、蛋白质组学（LC–MS/MS）。

法证/毒理：毒品、药物滥用、急性中毒分析（GC–MS常用于法医毒理）。

石化/材料：轻烃分析、石油馏分、挥发性有机物（VOCs）。

十二、小结（便于记忆）

GC–MS：适合挥发性/热稳定分子，EI库比对强，适用于法证/环境挥发性分析。

LC–MS：适合极性/热不稳定或高分子量分子，ESI/APCI软离子化，配合高分辨质谱可精确鉴定复杂样品。

选择色谱、离子源及质谱类型需根据样品性质、分析目的（定性/定量/结构鉴定）和基质复杂度综合决定。