最佳的质谱选择：气相色谱-质谱联用和液相色谱-质谱联用
摘要：对半挥发性的化合物进行色谱分析时，利用LC与GC有很大的重叠性，对于那些同时具有两种仪器的实验室就有很大的选择性。本文列出了利用质谱作为检测器时两种分离技术的优越性
Abstract：The magnitude of the overlap between LC and GC applications for semivolatile compounds prowdes the Chromatographer a choice provided that he or she has both kinds of instruments．This article revlews the benefies of both separation techniques in relation to the use of the mass spectrometer as the detector.
质谱如此普及的原因是：质谱同时具有选择性和通用性，在检测方面具有痕量级的灵敏度。质谱对色谱样品的评价也被普遍接受，但是哪种色谱仪应该用于哪些方面呢?如果样品挥发性高显而易见应该选择气相色谱仪。如果是不挥发的及极性大的样品，选择也很简单，应该是液相色谱分析仪。但当面对的样品是半挥发性、中等极性时，应该选择液相色谱还是气相色谱分析呢?
对于液相色谱(LC)和气相色谱(GC)，分析的半挥发性化合物都可以从NIST98数据库(一个联合型的NIST／EPA／NIH数据库)中查找。其中分子质量在126～650的化合物占数据库的90％：超过97，164种化合物。当然，分子质量并不是决定一个化合物分子是否是半挥发性状态的唯一因素。但是，NIST数据库说明了气相色谱?质谱(GC-MS)或液相色谱-质谱(LC-MS)可用于分析许多环境、临床、工业和制药等领域的化合物。
对于给定类型的质谱分析仪(例如四极杆、离子阱和飞行时间质谱)，如何选择LC-MS或GC-MS取决于许多色谱方法和接口问题。进行权衡利弊是必不可少的。实际的问题往往会超出技术方面的考虑。如何选择取决于分析过程中的许多因素。
1 样品预处理
对于LC或GC，通常都不选择直接进样分析。在分析过程中样品预处理是非常重要的步骤，但这不是本文讨论的重点。分析人员必须使样品能与使用中的LC或GC最大程度地兼容。样品对进样过程、分析柱或者离子化过程的影响将在下面几部分说明。
1．1 进祥：LC的优势
对于GC，样品的雾化(溶剂，分析物，基质)有基本的限制条件。目前最流行的热分裂进样技术借助压力脉冲条件得到很大的改善，但是容易损失热不稳定和极性的化合物。一种更温和的雾化过程??可编程的温度雾化(PTV)进样技术可以扩展GC兼容的化合物范围，但是PTV的复杂性限制了它在常规方面的应用。无论是热分裂还是PTV模式，插入物的高稳定性对高效分析而言都是最重要的。衍生化反应可以用来增加化合物的挥发性或是屏蔽化合物分子的极性端。但是衍生化技术会增加研究费用，增加复杂性及扩大误差来源。
大多数GC分析需要的进样量不超过3μL。为了确保足够量的样品进入柱子，在样品预处理过程中引入的溶剂必须通过蒸发步骤来减少。这就会增加分析时间和分析误差。
相比较而言，LC进样简单而精确：没有加合物，不必降温以及没有表面活性的问题。而且对于低检测限的化合物可以通过大体积进样(LVI)来解决。只要进样的溶剂浓度与初始化流动相溶剂浓度匹配，LC-MS联用时按比例进行LVI也非常简单。
最终进入色谱柱的样品必须没有污染物。污染物会增加GC进样器的活性端，或者是快速堵塞LC柱的床层。进样溶剂必须经过调节与GC柱或LC流动相匹配。正确考虑样品预处理、进样过程的效率、简单性和耐用性，决定了是选择LC分析还是GC分析。通常，进样过程的优势归之于LC。
1．2 分离过程：GC的优势
许多液相色谱法以具有调节流动相的条件来优化LC分离能力而自豪。当LC与质谱联用时，标准也改变了。不挥发的磷酸盐缓冲液、胺类添加剂和离子对试剂在LC-MS联用的耐用性和灵敏度方面具有潜在的问题。大多数的LC-MS联用进行简单的等度或梯度分离所用的流动相是挥发性的甲酸铵(或醋酸铵)和一种有机物(如甲醇或乙醇)的混合物。使用这种简单的流动相，峰形会变宽和倾斜。峰展宽和较低的LC柱效(低的N／m值)很可能使分析物的峰重叠。幸运的是，质谱检测的高选择性能够弥补LC柱效降低的这一缺陷。
采用GC分离比较理想。GC分析柱的分辨率高并且柱容量大，在每一次的分离中能产生几百个峰。流动相要求高：使用氦气。不需要考虑兼容性问题，不需要调节pH，不需要称重，不需要溶剂混合。程序升温和电流控制传递精度远远超过典型的LC。而且这种精度稳定性高，不需要经常维护。使用熔融的二氧化硅柱子时日常维护也很简单：烘干或者截断几个厘米就可以继续使用。由此可见，分离过程优势归之于GC。
1．3离子化过程：不易决定的步骤
在GC-MS联用时，电离子化方法(E1)具有很高的灵敏度并且也为光谱数据库提供了可再生的基础。EI是一个“硬”离子化方法，适用性高，而且能够产生大分子质量的具有代表性离子碎片，能够最大限度地提供定性信息(如图1所示)。大范围的分裂是它的优点也是它本身的缺点。和分析物同时出峰的基质成分也成为碎片，增加了基质干扰的可能性。对于复杂的基质，从EI中得到可用的资料需要采用光谱重叠法或其它选择性更高的技术，如MS-MS。
大多数的GC-MS都可以选择比较温和的离子化技术，如正化学离子化(PCI)或负化学离子化(NCl)。PCI能够有效地增加拟分子离子的相对强度，但是PCI的绝对灵敏度通常比EI低。NCI(也被称为电子捕捉模式质谱)的应用比较有限，但是利用NCI时，其选择性和灵敏度要远远高于EI。
对于IC-MS，粒子束即EI接口曾有过很小的成功。LC-EI接口耐用性差，而且灵敏度较低。在今天的商品市场上，EI接口实际上已近于绝迹。比较成功的API接口都是“软”离子化方法：电喷雾离子化(ESl)、大气压化学离子化(APCI)和大气压光学离子化(APPl)。API接口的灵敏度要比EI高，但是API?LC?MS系统最小检测限(基于柱容量)的灵敏度仅为EI?GC”MS系统的1／100～1／50。LC大剂量进样(LVl)的优势经常被用来弥补这一差异。
对于GC?PCI，软离子化方法具有的主要优点在于：第一，分子质量的信息依赖于强度较高的拟分子离子或其它的加合离子；第二，根据电荷在一个m/z众离子中的浓度，灵敏度更高。降低碎片的大小有利于减少基质对分析物的干扰，但同时也减少了定性所需要的光谱信息(如图2所示)。像碰撞诱导解离(CID)或理想的MS-MS这样的二级离子解离过程，对于在LC-MS中产生多数可供确认的离子来说是必不可少的(图3)。CID是API接口的一个自由要素。但它不是一个选择过程。MS-MS具有优越的选择性，因为它在解离之前就已经对单个前体离子的质量进行了选择。但是MS-MS系统要比单四极杆质谱贵得多。
LC-API接口的另一个普遍问题是流动相和基质在离子化过程中的相互影响。例如，为了提高带有氨基样品的ESI信号强度，通常使用低pH的流动相。但低的pH值会降低峰形，也会降低胺的反相保留。如果样品含有弱酸，如石炭酸或羧酸，低的pH值会大大降低ESI对酸的响应。由于色谱与离子化的最佳条件是相对立的，LC-MS只能选择一个折衷的条件。GC-MS就不需要面对这么复杂的问题。
LC-MS另一个比较普遍的问题就是离子的抑制[1]。LC的流动相是分析物的极好的溶剂，也是基质的极好的溶剂。高浓度的基质峰在分离过程中随时可以与分析物同时出峰，抑制分析物的离子化。当采用LVI来改善检测限时，对分析离子的抑制更加严重。采用GC源有可能过载，但离子化过程中出现的问题远远小于LC。
EI和ESI的另一个主要差异就是简单性。对于EI-GC，需要优化的参数有限。除非离子源被样品很快的污染，否则EI是一个非常稳定的过程。对于ESI，影响灵敏度和稳定性的参数很多：液体流速、雾化气流速、干燥气流速和温度、喷雾针的位置和流动相组成。调节这些参数能够增加LC-MS的灵敏度，却会降低ESI方法的稳定性。最终的ESI设置是重复的，但这些参数设置只是一个折衷，不可能达到应用需要的最佳条件。
1．4气相色谱?质谱和液相色谱?质谱联用
对于液相色谱和气相色谱两者的选择直到最近才最终确定下来。如果实验室同时需要LC和GC，那么就要分别购买GC-MS和LC-MS。购置两个系统是一个昂贵的解决方案，往往会超出大多数实验室的预算。仅有一种质谱系统，所有的应用只能局限于一台色谱仪上。性能往往是折衷的，而且也会影响实验效率。
对于那些拥有GC-MS和LC-MS的实验室，分析工作者仍然要面对另外的问题。当工作负荷从一种分离技术转到另一种时，两个系统中的一个就要被闲置。由于质谱系统的平均消耗很高，任何生产率的损失都是不能接受的。
1200L四极杆质谱(Varian，Inc．，Walnut Creek，CA)是不需要在两种技术之间进行选择的新型质谱(如图4所示)。自从2002年5月问世以来，它具有二级涡轮分子泵的超大源室。对于GC-MS(图5a)，来自GC的传热管线从左侧进入源室，与常规的EI-PCI-NCI离子源直接结合。在管线前面的真空联接装置是标准部件。它能够迅速替换受污染的离子，进行EI和CI之间的决速转换，并用直接插入探测(DIP)或直接裸露探测(DEP)对固体样品进行分析。GC源透镜后面是一个六极杆。所有的LC-MS都具有离子导杆传递的能力，而GC-MS几乎没有。GC-MS具有与LC-MS相同的优点：传递到质谱分析仪中的离子较多，污染物能够被除去，以确保第一个质量分析仪具有最长的寿命。
使用1h后，仪器的GC源部件可以由LC-API接口(图5b)替换。通过调节源室和分析部件之间壁上的透镜或光圈，将LC-API插件包括毛细管入口、干燥气体加热器、过滤器和六极杆直接与源室相接。然后接上喷雾室，连接好电动或气动电缆，将液相色谱仪管子连接到喷雾针上，整个转换过程就完成了。在进行转换时，泵要停下来。这就要求转换过程要在一天工作结束之后或周末前进行，这样，借助大功率的二级涡轮分子泵卓越的效率使经过的时间最少。
能够相互转换的GC源和LC源，过去曾应用到质谱产品中，但由于使用老式的产生源，效率较差。三种气相色谱离子化模式和LC-API接口的性能比许多单独的GC-MS或单独的LC-MS好得多。
2 结论
GC-MS的种种优点(简单、消耗小、离子化及分离效果好)使它成为分析未知物和筛选分析物的好方法。有经验的使用者也首选GC-MS。但并不是每一种半挥发性化合物和每一种样品基质都适于GC进样过程。LC-MS能够合理地解决这些问题，而且它能有限制的筛选并较好的对选择分析物进行定标分析。
没有一个完美且单独的系统装置，最好的解决办法就是为每一种应用选择最佳的配置。GC。MS使用者知道EI、PCI、NCI、MS及MS-MS之间互补性。LC-MS使用者知道API接口、MS及MS-MS之间的互补性。经过系统的介绍，有益于使用者对一个色谱／质谱测定系统中的GC和LC技术有充分的理解。
参考文献:
1.Nelson MD，Dolan JW． Ion suppression in LC-MS-MS-a case study． LCGC North America 2002：20：24．
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