气相色谱质谱联用原理和应用

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1、气相色谱 - 质谱联用测定农药多残留摘要：本文研究了气相色谱-质谱联用(GS-MS仪检测农药残留的方法，辅助以样品前处 理技术，对蔬菜、水果、食用油、土壤中的农药多残留的检测方法进行了研究，取得了比 较理想的效果。关键词： 气相色谱 -质谱联用仪；农药多残留；检测1 引言当前人类环境持续恶化，世界各国在工业、民用、科技、商业和军事防御等领域都面 临着严重的环境污染问题。随着人们对环境污染、食品安全的关注，环境、食品中有机污 染物检测方面的规范越来越严格，相应的检测技术也越来越先进。在各种有机物检测技术 中，色谱仪器与质谱仪器联用作为一种比较成熟的检测手段，既可发挥色谱法的高分离能 力，又兼具质

2、谱准确鉴定化合物结构的优点，即可定性又可定量，尤其适用于环境样品中 微量、痕量有机污染物的分析检测工作。1979年美国环保局(EPA将GC-MS(GasChromatography-Mass Spectrometry )联用技术列为检测饮用水、地表水中有机物的标准 分析方法。随着仪器的不断完善与发展，检测技术的成熟与推广，GC-MS法应用范围越来越广。除了在传统挥发油、脂肪油等的分析测定方面不断发展与普及外，在环境有机污染 物检测、食品安全、农药残留、化妆品禁用成分研究等方面的应用也得到了广泛开展。近年来,由于农药的大量使用引起的食品安全问题已被人们广泛的认识、关注和重视。 人们食用了受到农药

3、严重污染的蔬菜水果 , 而造成人体急性中毒或者慢性中毒的事件屡有 发生。为保证食品的质量 , 世界卫生组织和世界各国制订了严格的限量标准，与此同时, 许多国家也借此施行技术壁垒 , 使得农药残留问题不仅是影响人的身体健康 ,而且也严重影响 到国家的对外贸易。由于各类食品组成成分复杂 , 不同农药品种的理化性质存在较大差异 , 并且近年来高 效、低毒、低残留农药品种不断涌现 , 给农药残留检测技术提出了更高的要求。发展快速、 可靠、灵敏和实用的农药残留分析技术无疑是控制农药残留、保证食品安全和避免国际间 有关贸易争端的基础。目前，我国农药残留限量标准制定工作滞后，残留监测体系不健全 , 残留检测

4、能力有限、 覆盖面窄。因此, 我国应该根据自己的技术条件及农产品市场制定相应 的多残留分析方法。食品中的农药残留污染影响着人民生活质量的提高和食品贸易的顺利进行。日常食用 的果蔬施用的农药种类繁多，常见的农药如有机磷类农药、氨基甲酸酯类农药、菊酯类农 药和除草剂，抑菌剂等。由于果蔬中往往同时残留不同种类的农药，这对多残留同时检测 条件提出很高要求。由于气相色谱质谱联用 ( GCMS) 具有灵敏度高、分析速度快、鉴 别能力强等特点，可同时完成待测组分的分离和鉴定，特别适用于多组分混合物的定性定 量分析，目前被广泛应用于农药多残留检测。2 气相色谱 - 质谱联用原理2.1 基本原理气相色谱法(Ga

5、s Chromatography)是英国科学家1952年创立的一种经典的分析方法， 是色谱技术仪器化、成套化的先驱 1 。如图 1 所示，气相色谱利用样品在色谱柱中气相和 固定相间分配系数的不同，经过反复多次分配从而实现分离。气相色谱具有高效能、高选 择性、高灵敏度、高分辨率、样品用量少、分析速度快等特点，主要用于沸点低、易挥发 成分的定性定量分析。由于与普通的填充柱相比，毛细管色谱柱具有更高的分离度，在传 统填充柱上难分离的物质可在毛细管色谱柱上达到轻松分离目的，近年来毛细管气相色谱 法在环境有机污染物、食品农药残留等的分析检测上独树一帜 2 。此外新型检测器的产生、 与其他分析技术如 IR

6、 、MS 的联用，使气相色谱法成为环境污染、食品质量安全等检测的 有力工具。图 1 气相色谱法基本原理 3质谱法(Mass Spectrometry )是一种通过测定被测样品离子的质荷比(M/e)来进行分析的方法。质谱法检测灵敏度高，无需标样，可通过谱库检索来定性，也可根据目标化 合物质谱的特征峰来确定分子结构。如图 2 所示，质谱中采用高速电子束撞击气态分子， 把电离出的离子加速导入质量分析器中，然后按碎片离子质荷比大小的顺序进行收集和记 录，即得到质谱图。根据质谱峰的位置可以进行定性和结构分析，根据质谱峰的相对强度 可以进行定量分析，灵敏度可达到 ppb 级。世界上第一台质谱在 1912年

7、制成的，早期质 谱仪主要用于测定原子量，直至 20 世纪 60 年代以后，它才开始应用于复杂化合物的鉴 定和结构分析。由于质谱仪无法分离混合物，目前环境监测很少单独使用质谱仪作为检测 手段，更多的是与其他一些分析手段如气相色谱、液相色谱等联用，以获得相互补充的效 果。图2 质谱法基本原理 3在气相色谱中，被逐次洗脱出来的组分在色谱图中是以峰的形式来记录。有关组分的 信息通过测量色谱图中该组分峰的峰高和峰面积来确定 , 这些对应着检测到的组分量以及 该组分通过色谱柱的时间。 色谱图上某个组分峰最高点对应的时间 （以进样作为时间起点） 被定义为保留时间。通常利用该组分的特定保留时间对其定性，但这种

8、定性方式并不绝对 准确，组分的确定经常会模糊或根本无法识别该组分。与气相色谱形成鲜明对比的是，质 谱监测器对混合物的检测毫无办法。如果一个单独的组分进入质谱监测器，它的质谱图可 以通过各种离子化检测方法而获得。确定了该物质的质谱图通常来说就可以准确的鉴别该 物质为何物并可以确定它的分子结构。显然，如果是混合物质进入质谱检测器，所获得的 质谱图就会是该混合物中所有组分谱图的总和。物质的质谱图可能会相当的复杂以至于准 确的鉴别混合物中的多种组分几乎是不可能的。一方面气相色谱能够高效的分离混合物但 并不善于鉴定各个组分；另一方面质谱监测器善于鉴别单一的组分却难以鉴别混合物。因 此，人们致力于研究如何

9、将两种方法联合在一起使用，组成了气相色谱- 质谱联用仪。气相色谱-质谱（GC-MS仪包括：GC模块、MS模块、GC-MS接 口模块、仪器控制模 块以及软件模块。典型的 GC-MS 系统的如图 3 所示，待分析样品通过载气（氢气或氦气） 经过 GC 色谱柱得到初步分离，从色谱柱流出的各组分经过 GC-MS 接口模块传输进入 MS 模块的离子源单元， 在这里各组分被离子化形成离子， 进而被 MS 模块中的质量分析分析， 分析获得的数据由 GC-MS 平台的数据处理模块进行处理、 显示，并进行数据库搜索和比对。 整个分析过程所涉及到的流程处理顺序均由 GC-MS 平台的仪器控制模块进行控制和协调。图

10、3 GM-MS系统示意图气相色谱作为进样系统 , 充分发挥其高效的分离能力和高的灵敏度， 对样品进行有效分 离。同时满足质谱分析对样品单一性的要求，避免了样品受污染，有效控制质谱进样量，减少对质谱仪器的污染，极大的提高了对混合物的分离，定性，定量分析效率质谱作为检测器，检测的是离子质量，获得化合物的质谱图，解决了气相色谱定性的 局限性，而且质谱的多种扫描方式和质量分析技术，可以有选择的只检测所需要的目标化 合物的特征离子 （SIM ，选择离子模式 ） ，具有专一的选择性，不仅能排除基质和杂质峰的干 扰，还极大的提高检测灵敏度。气相色谱-质谱联用法结合了气相色谱和质谱的优点， 弥补了各自的缺陷，

11、 因而具有灵 敏度高、分析速度快、鉴别能力强等特点，可同时完成待测组分的分离和鉴定，特别适用 于多组分混合物中未知组分的定性定量分析、 化合物的分子结构判别、 化合物分子量测定。 气相色谱 -质谱联用仪能将一切可气化的混合物有效的分离并准确的定性、 定量其组分。 气 质联用仪在现在生活和研究中的许多领域都得到了广泛的应用，大到行星间的探测，小到 环境中二氧化氮的检测，是目前能够为 pg 级试样提供结构信息的最主要分析工具。2.2 常见GM-M前处理方法农药残留检测是一种对复杂化合物组分的痕量检测方法。在测定之前，必须找到适合 待测样品和目标化合物理化性质的萃取、净化、浓缩等处理步骤。建立多种农

12、药的前处理 方法要充分考虑其理化性质、基质干扰等因素，否则往往会使得待测物的分离、定性及定 量变得困难，甚至产生错误的结论。样品前处理技术的发展就是要求提高待测物的提取效 率，达到较好的回收率和精密度；实现更好的净化效果，消除基质干扰；简化前处理步骤， 实现快速、有效、简单的样品制备过程 5 。2.2.1 液-液萃取（LLE技术液- 液萃取 （Liquid-Liquid Extraction, LLE）技术，又称溶剂萃取，是样品净化中的经典净化方法，是利用目标化合物与样品基质在互不相容的两相溶液中溶解度的差异，将 目标化合物从一种溶剂相 （被萃取相 ）转移到另一种溶剂相 （ 萃取相）以达到净化

13、的目的。 影 响LLE萃取效果的因素有萃取溶剂，溶液 pH值、离子对试剂、盐析等。2.2.2 固相萃取（SPE技术固相萃取（Solid Phase Extraction, SPE） 技术是20世纪70年代发展起来的一种样品 前处理技术，由液固萃取和液相色谱技术结合发展而来。其原理是固体吸附剂将液体样品 中的目标化合物吸附，从而与样品基质及干扰化合物分离开，再利用洗脱液洗脱或加热解 吸附，以达到分离、净化和富集的目的，被广泛应用于环境、制药、临床医学、食品等领 域。上世纪80年代，SPE技术开始应用于农药残留分析的样品前处理过程中。SPE对样品的净化，一般包括4步：（l）SPE活化：有机溶剂活化

14、后，再用水或适当的缓冲液活化；（2） 转移样品于SPE; （3）淋洗：选择适当量的溶剂，淋洗 SPE去除杂质；（4）洗脱：选择适当 的溶剂作为洗脱液，将保留在固定相中的样品洗脱下来，同时，尽可能减少在固定相中比 样品保留更强的杂质流出。根据SPE柱中填料的不同，SPE可分三种类型：反相萃取、正相萃取和离子交换萃取。（1）正相SPE的填料是极性的，如氧化招、娃镁吸附剂等，通常用来萃取极性物质。（2）反相SPEW用的填料通常是非极性的或是弱极性物质，如Ci8. Q、苯基柱等，通常用来萃取中等极性到非极性的化合物。（3）离子交换型SPE使用的填料为带电荷的离子交换树脂， 萃取的物质多为带电荷的化合物

15、。对液体样品，在选择了合适的萃取填料和洗脱液并优化其他条件后，可以使萃取、富 集和净化一步完成，然后可以直接进行气相色谱法或高效液相色谱法分析。与经典的液-液萃取相比，SPE具有无可比拟的优势：（1）萃取更快，节省溶剂；（2）回收率高，重现性 好；（ 3）同时完成样品富集与净化，提高检测灵敏度； （4） 样品用量少，有一定的选择性， 无乳化现象。2.2.3 基质固相分散（ MSP）D 技术基质固相分散（Matrix Solid-Phase Dispersion, MSPD）萃取是在SPE的基础上,由美国Louisiana 州立大学的 Bark 教授于 1989 年首次提出并给予理论解释的一种快

16、速样品处理 技术0 MSP不同于经典的SPE技术,SPE的分析对象需要是无粘性、无颗粒、均匀的液态,MSPD 的样品则可以是固态、粘性液体样品;SPE仍需要有液化、离心、过滤等步骤,MSPD集萃取、 净化于一步。其基本操作是将试样直接与适量反相键合桂胶混合和研磨 , 制成半固态装柱 , 然后用不 同的溶剂淋洗柱子，将各种目标组分洗脱下来。MSPD浓缩了传统的样品前处理中所需的样 品均质化、组织细胞裂解、提取、净化等过程 , 是简单高效的提取净化方法 , 适用于各种分 子结构和极性农药残留的提取净化 , 在蔬菜、水果的农药残留检测中得到了广泛的应用。224凝胶渗透色谱(GPC技术凝胶渗透色谱 (Gel Permeation Chromatography, GPC) 技术主要是根据被分离物质的 分子大小不同 , 通过具有分子蹄性质的固定相 , 从而使物质达到分离。