氣相色譜－串聯(lián)質(zhì)譜（GC－MS／MS）的應(yīng)用研究進(jìn)展

陳曉水，侯宏衛(wèi)，邊照陽(yáng)，唐綱嶺，胡清源

（國(guó)家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南 鄭州 450001）

質(zhì)譜與色譜（氣相或液相）聯(lián)用既發(fā)揮了色譜技術(shù)高效的分離能力，又結(jié)合了質(zhì)譜特異的鑒別能力。盡管質(zhì)譜譜圖鑒定化合物的結(jié)構(gòu)比單純依據(jù)色譜保留時(shí)間定性更準(zhǔn)確，然而一級(jí)質(zhì)譜譜圖在確定化合物的結(jié)構(gòu)方面仍然存在以下困難：1）有些同分異構(gòu)體之間的差別很小，或者在復(fù)雜樣品中存在嚴(yán)重基體干擾物質(zhì)及共流出物，較難鑒定目標(biāo)物的分子結(jié)構(gòu)；2）GC／MS的靈敏度低于色譜儀的一些選擇性檢測(cè)器。MS／MS（二級(jí)質(zhì)譜）在應(yīng)用時(shí)相當(dāng)于一級(jí)質(zhì)譜做色譜用，對(duì)離子進(jìn)行再次分離，二級(jí)質(zhì)譜進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以使基質(zhì)背景和噪音大大降低，從而提高分析的靈敏度。二級(jí)質(zhì)譜技術(shù)已在環(huán)境分析、食品分析和生物分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 二級(jí)質(zhì)譜（MS／MS）的一些基礎(chǔ)知識(shí)

二級(jí)質(zhì)譜最基本的工作原理是［1－2］：選擇合適的電離方式將目標(biāo)物電離為碎片離子，從一級(jí)MS的碎片離子中篩選特征的碎片離子為母離子；母離子與氣體（常用的氣體有He、CH4、Ar等）進(jìn)行碰撞誘導(dǎo)裂解，使母離子裂解產(chǎn)生子離子；收集子離子，得到目標(biāo)物的二級(jí)質(zhì)譜譜圖，其分析操作模式主要有子離子掃描（product－ion scan）、母離子掃描（precursor－ion scan）、中性丟失掃描（neutral－loss scan）和多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（multireaction monitoring，MRM）。二級(jí)質(zhì)譜的主要優(yōu)勢(shì)在于其高選擇性和高靈敏度，以及對(duì)復(fù)雜基質(zhì)的抗干擾能力。按其二級(jí)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，可分為三重四極桿質(zhì)譜（QQQ－MS／MS）、離子阱質(zhì)譜（IT－MS／MS）、四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（Q－TOF MS）和四極桿－線性離子阱質(zhì)譜（Q－trap－MS／MS）等。

2 GC－MS／MS的應(yīng)用

2.1 概述

截至2012－06－28，在ISI－Web of science數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索，主題為“GC－MS／MS”or“gas chromatography－tandem mass spectrometry”，共 檢索出1 125篇相關(guān)文獻(xiàn)；若把時(shí)間設(shè)定為“2000～2012”，共有887篇，具體情況示于圖1。

圖1 2000～2012與“GC－MS／MS”相關(guān)的文獻(xiàn)（數(shù)據(jù)來源：Web of Science）Fig.1 The related literatures about“GC－MS／MS”between 2000and 2012（data source：Web of Science）

由圖1可知，與GC－MS／MS相關(guān)的應(yīng)用文獻(xiàn)每年都不太多，直到2010年才超過100篇／年，但總體趨勢(shì)是呈緩慢上升的，而且自1983年第一篇相關(guān)文獻(xiàn)問世后，大部分工作也是在2000年后才發(fā)表的。

與發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)的緩慢增長(zhǎng)不同，相關(guān)文獻(xiàn)的被引頻數(shù)則呈急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2011年被引頻次已經(jīng)達(dá)到2 370次，平均每篇被引頻次約16次。

GC－MS／MS在分析化學(xué)、生物化學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科應(yīng)用較多，而且其中很多文獻(xiàn)的內(nèi)容處于交叉領(lǐng)域，如 Camino－Sanchez等［3］利用加壓液相萃取－攪拌棒吸附萃取法（PLE－SBSE）處理海洋沉積物，并采用熱解吸進(jìn)樣檢測(cè)其中的86種持久性有機(jī)污染物（POPs），既屬于環(huán)境科學(xué)，又屬于化學(xué)分析方法的建立。

2.2 2000～2012年GC－MS／MS的應(yīng)用

圖1c只是從大致的學(xué)科方向進(jìn)行分類，本研究通過對(duì)2000～2012年的887篇文獻(xiàn)進(jìn)行選讀、篩選和整合，對(duì)GC－MS／MS的具體應(yīng)用方向進(jìn)行綜述。

2.2.1 農(nóng)藥殘留分析 共有236篇文獻(xiàn)與農(nóng)殘相關(guān)，是GC－MS／MS應(yīng)用最多的，這一點(diǎn)是由儀器的性能指標(biāo)和實(shí)際的工作需要所決定的。

食品安全問題一直是熱點(diǎn)問題，隨著日本一齊法和歐盟農(nóng)藥限量的提出，其對(duì)農(nóng)藥殘留的分析要求也越來越嚴(yán)格。靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、可同時(shí)對(duì)上百種農(nóng)藥進(jìn)行掃描分析的GCMS／MS方法得到了人們的青睞。

農(nóng)殘分析的基質(zhì)樣品種類繁多，主要有水果、蔬菜、茶、酒、煙、水、海產(chǎn)品、飼料、人參、葡萄、綠豆、石榴、芒果、橄欖油、血、蛋、胡蘿卜、蜂蜜、大米、胡椒、谷物、水果汁、嬰兒食品、肉、奶粉等。

2000年，Vidal等［4］采用 GC－ECD 和 GCMS／MS分析人血液中的硫丹及其代謝物，發(fā)現(xiàn)兩者的檢測(cè)限（LOD）分別為0.03μg／L和0.05 μg／L，但GC－MS／MS的抗基質(zhì)干擾能力更強(qiáng)。Frenich等［5］同樣利用 GC－ECD 和 GC－MS／MS分析人血液中的有機(jī)氯農(nóng)藥（如林丹，艾氏劑，DDT等），發(fā)現(xiàn)兩者取得了較一致的結(jié)果。

2001年，Gamon等［6］利用丙酮提取，二氯甲烷－石油醚液液萃取的方法檢測(cè)水果和蔬菜中的80種農(nóng)藥殘留，包括有機(jī)氯、有機(jī)磷、有機(jī)氮和擬除蟲菊酯類，同時(shí)對(duì)比分析了不同的離子化方式（EIvsCI）對(duì)化合物的響應(yīng)影響。

2002年，Takeda等［7］對(duì)比分析離子阱質(zhì)譜在 GC－MS－SIM 和GC－MS／MS不同模式下對(duì)洋蔥、胡蘿卜、大米等農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留檢測(cè)的差異，發(fā)現(xiàn)35種農(nóng)藥的檢測(cè)限在兩種分析模式下差異不大，變異系數(shù)在50μg／L的加標(biāo)水平下大部分也都可以接受。MS／MS僅僅在抗基質(zhì)干擾上比SIM－MS有優(yōu)勢(shì)。

2005年，Gonzalez－Rodriguez等［8］利用固相微萃取技術(shù)提取奶粉中的農(nóng)藥及其代謝物，檢測(cè)限可達(dá)0.02～1.00μg／L。對(duì)15份商業(yè)奶粉、3份母乳和17份山羊奶進(jìn)行考察，在母乳和山羊奶中都發(fā)現(xiàn)了滴滴伊（DDE）的代謝物。

2008年，F(xiàn)renich等［9］對(duì)比氣相色譜與三重四極桿（QQQ）和離子阱（IT）兩種二級(jí)質(zhì)譜聯(lián)用在分析19種農(nóng)殘時(shí)的特性差異，基質(zhì)考察為黃瓜和雞蛋。質(zhì)譜參數(shù)和日內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差兩者無差異，但日間標(biāo)準(zhǔn)偏差I(lǐng)T優(yōu)于QQQ；QQQ的線性范圍更寬，線性度更好；在黃瓜中二者基質(zhì)效應(yīng)差異不大，但在雞蛋中QQQ受基質(zhì)效應(yīng)的影響HOIT更小。

2010年，Wong等［10］利用 GC－MS／SIM 和GC－MS／MS分析了不同水果和蔬菜中的167種農(nóng)藥殘留。對(duì)蘋果、西蘭花、胡蘿卜、洋蔥、橙子、梨、桃子、土豆、菠菜、西紅柿在內(nèi)的10種農(nóng)產(chǎn)品均采用QuEChERS方法進(jìn)行前處理，乙腈提取后，鹽析分層，用不同的吸附劑（PSA、C18、GCB等）進(jìn)行分散固相萃取凈化。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二級(jí)質(zhì)譜表現(xiàn)出更高的選擇性和特異性。

農(nóng)藥檢測(cè)的一般流程包括提取、凈化、濃縮和上樣分析。GC－MS／MS等高靈敏度檢測(cè)技術(shù)的普及，使得樣品預(yù)處理的工作變得更為重要。前處理方法主要有溶劑萃取、固相萃取、固相微萃取、攪拌棒吸附萃取、加壓液相萃取、超臨界流體萃取、QuEChERS方法、微波輔助萃取等。

2007年，Lambropoulou等［11］對(duì)利用色譜－質(zhì)譜聯(lián)用法分析農(nóng)藥殘留的前處理方法進(jìn)行了總結(jié)，其主要參考文獻(xiàn)在2007年之前。為避免重復(fù)，本研究?jī)H對(duì)2007～2012年的部分文獻(xiàn)進(jìn)行整理，總結(jié)GC－MS／MS在農(nóng)藥殘留方向的應(yīng)用，列于表1。

由表1可知，在利用GC－MS／MS作為檢測(cè)手段時(shí)，最常用的前處理方法是QuEChERS法（“溶劑萃取然后分散固相萃取凈化”的方法與之類似），其特點(diǎn)是前處理簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，溶劑消耗量少，能對(duì)幾十種、上百種農(nóng)藥目標(biāo)物進(jìn)行同時(shí)提取和凈化，但相對(duì)于SPE凈化方法來說，其最終提取液的共萃取基質(zhì)含量也要高。與抗干擾能力強(qiáng)的二級(jí)質(zhì)譜聯(lián)用，不僅克服了基質(zhì)干擾和大部分的假陽(yáng)性問題，而且使二級(jí)質(zhì)譜的優(yōu)點(diǎn)得到充分的發(fā)揮，因此QuEChERS方法得以迅速發(fā)展。QQQ比IT的應(yīng)用范圍廣，大部分目標(biāo)物的回收率能滿足多農(nóng)殘分析的要求（70%～120%），定量限（LOQ）一般在1～100ng／g之間，可以滿足農(nóng)藥殘留限量的要求。

表1 2007～2012年GC－MS／MS應(yīng)用于農(nóng)藥殘留分析的部分文獻(xiàn)總結(jié)Table 1 Part of the literatures in“2007—2012”applying the“GC－MS／MS”in the analysis of pesticide residues

2.2.2 環(huán)境污染物 分析的目標(biāo)物主要有多環(huán)芳烴（PAHs）、多氯聯(lián)苯（PCBs）、多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）、二噁英（PCDD／Fs）等，其結(jié)構(gòu)示于圖2，相關(guān)文獻(xiàn)150篇左右。

多環(huán)芳烴是由石油、木材、煙草等不完全燃燒產(chǎn)生的，分子中含有2個(gè)以上苯并環(huán)的碳?xì)浠衔?，主要危害在于其致癌性。研究表明，以苯并芘為代表的PAHs與肺癌、皮膚癌有關(guān)。環(huán)境中的PAH主要通過飲食進(jìn)入人體，因此，對(duì)食物、大氣和水中的PAH分析一直是人們研究的熱點(diǎn)。

多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚結(jié)構(gòu)類似，主要危害性在于兩者在環(huán)境中都有超長(zhǎng)的殘留周期，在生物和人體脂肪組織中累積，從而對(duì)人造成持久性的傷害。二噁英也是一類持久性污染物，易在脂肪中富集，而且它的毒性特別強(qiáng)，是氰化鉀（KCN）毒性的1 000倍。同多環(huán)芳烴類似，人類接觸多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚和二噁英的主要途徑也是食物、水和空氣等。

對(duì)2000～2012年利用GC－MS／MS進(jìn)行以上4類目標(biāo)物分析的文獻(xiàn)資料進(jìn)行整合，列于表2。

圖2 四類環(huán)境污染物的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the four types of environmental pollutants

表2 2000～2012年GC－MS／MS應(yīng)用于四類環(huán)境污染物分析的部分文獻(xiàn)的總結(jié)Table 2 The summary of the literatures about GC－MS／MS applied to the analysis of four types of environmental pollutants between 2000and 2012

續(xù)表

與農(nóng)殘分析不同的是，在這幾種環(huán)境污染物的分析中，IT－MS／MS的應(yīng)用居多，這可能是由于離子阱質(zhì)譜可實(shí)現(xiàn)比二級(jí)更高的多級(jí)質(zhì)譜聯(lián)用功能，對(duì)痕量化合物的定性更有效，而且相對(duì)于三重四極桿質(zhì)譜來講，其價(jià)格便宜，因此應(yīng)用更多。從時(shí)間上來講，QQQ的普及比IT要晚，由表2可知，最近幾年來，QQQ應(yīng)用于這4類環(huán)境污染物的分析也逐漸增加。基于QQQ－MS／MS在定量上的優(yōu)越性，隨著該類型儀器的普及，將在未來工作中發(fā)揮重要的作用。

前處理方法中應(yīng)用最多的是加壓液相萃取（PLE），通過提高溫度和壓力，從而減少萃取溶劑的使用量，提高分析速率，減少樣品的前處理時(shí)間。Pena等［35］利用選擇加壓液相萃?。⊿PLE）方法處理污水污泥，選擇溫度140℃，壓力1.0×107Pa，正己烷作為萃取溶劑，用 GCIT－MS／MS分析其中的多環(huán)芳烴。在萃取小池中加入吸附劑做凈化，從而省去了單獨(dú)的凈化步驟，回收率為84.8%～106.6%，定量限（LOQ）為1～5ng／g。Vidal等［36］同樣采用PLE處理農(nóng)耕土壤，用QQQ－MS／MS檢測(cè)其中的24種多環(huán)芳烴和27種多氯聯(lián)苯，回收率為70%～112%，定量限為0.07～2.5ng／g。

其它處理方法還有液液萃?。↙LE）、固相微萃?。⊿PME）和 QuEChERS等。Fontana等［40］用改進(jìn)的QuEChERS方法處理生物樣品（魚、雞、蛋等）提取液，超聲波輔助萃取后用C18進(jìn)行基質(zhì)分散固相萃取凈化，得到多溴聯(lián)苯醚的檢測(cè)限為0.05ng／g。

2.2.3 激素類以及藥物濫用（大麻等） 有100余篇文獻(xiàn)與該內(nèi)容相關(guān)。主要的研究?jī)?nèi)容是通過對(duì)血液、尿液、毛發(fā)、排泄物和廢水中興奮劑、大麻及其代謝物、動(dòng)物生長(zhǎng)促進(jìn)劑、雌激素等進(jìn)行分析檢測(cè)，進(jìn)而考察人體和動(dòng)物的藥物濫用及其生理健康狀況等。

2011年，Saito等［60］對(duì)不同生物樣本中藥物濫用狀況分析進(jìn)行綜述，作者認(rèn)為L(zhǎng)C－MS／MS是應(yīng)用最多的儀器。同時(shí)，鑒于GC－MS（／MS）在定性及抗基質(zhì)干擾上的優(yōu)越性，也是不可或缺的分析方法。

對(duì)近年來與該方向相關(guān)的部分GC－MS／MS文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，列于表3。

表3 2000～2012年GC－MS／MS用于類固醇激素和藥物濫用分析的部分文獻(xiàn)總結(jié)Table 3 The summary of the literatures about GC－MS／MS applied to the analysis of steroid hormones and abuse drugs between 2000and 2012

由表3可知，主要的分析基質(zhì)有尿液、頭發(fā)、血液、廢水等。而目標(biāo)物主要是類固醇激素、大麻、咖啡因、可卡因等內(nèi)分泌干擾素，進(jìn)樣前一般需要衍生化，EI源（電子電離）的應(yīng)用較多。

2006年，Musshoff等［78］對(duì)不同生物基質(zhì)中大麻及其代謝物的生物監(jiān)測(cè)進(jìn)行綜述，指出尿液分析有利于判定是否戒除大麻；而血液分析可用于大麻使用后的一些急性效應(yīng)；雖然頭發(fā)中大麻及其代謝物的含量相對(duì)較低，但頭發(fā)作為分析對(duì)象具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如取樣的無侵害性，室溫保存等。作者指出GC－MS／MS的應(yīng)用可解決頭發(fā)中大麻含量低的問題，由表3可知，近兩年來采用GC－MS／MS分析頭發(fā)中大麻及其代謝物的工作已不少。

2009年，Duffy等［75］對(duì)比了 GC－MS／MS和LC－MS／MS分析牛毛中類固醇激素的優(yōu)劣。前處理方法類似，LC法不需要衍生化，但離子抑制（基質(zhì)效應(yīng)）可能比較明顯，通過對(duì)幾十個(gè)樣品的檢測(cè)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果一致性較好，在定 量 限 上，GC－MS／MS 要 稍 微 好 于 LCMS／MS。

2009年，Grover等［74］在分析環(huán)境水樣中雌激素時(shí)，對(duì)比了 GC／MS、GC－MS／MS 和 LCMS／MS 3種不同的分析方法。結(jié)果表明，GC／MS在分析低含量的目標(biāo)物時(shí)，會(huì)出現(xiàn)假陰性結(jié)果。二級(jí)質(zhì)譜結(jié)果較好，但LC－MS／MS基質(zhì)效應(yīng)較嚴(yán)重，從而影響了靈敏度。GC－MS／MS的檢測(cè)限最低，無假陽(yáng)性判定，是3種方法中最好的，但進(jìn)樣前需要衍生化，可能不利于樣品的高通量處理。

除了2.2.1～2.2.3這3大類應(yīng)用較多外，GC－MS／MS其它的應(yīng)用比較分散：如吸煙者尿液中4－氨基聯(lián)苯的檢測(cè)，血液中丙烯酰胺及其代謝物，奶粉和雞蛋中三聚氰胺的鑒定等。

2.3 GC－MS／MS在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

截至到2013－04－10，在中國(guó)知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索，SU（主題）為“氣相色譜－串聯(lián)質(zhì)譜”，共檢出206篇中文文獻(xiàn)，其中190篇文獻(xiàn)都發(fā)表在2008年以后。

與國(guó)外相同的是，國(guó)內(nèi)GC－MS／MS應(yīng)用最廣泛的同樣是農(nóng)藥殘留方向，有1／3文獻(xiàn)與之相關(guān)。多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚的檢測(cè)分析也與國(guó)外類似。另外，國(guó)內(nèi)近年來相關(guān)文獻(xiàn)較多的還有三聚氰胺、瘦肉精、塑化劑等目標(biāo)物的檢測(cè)，這主要是受國(guó)內(nèi)食品安全事件的影響而造成的。

通過對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外GC－MS／MS的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)在這一技術(shù)應(yīng)用方面的工作開展較晚，但已經(jīng)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，尤其是在農(nóng)藥殘留檢測(cè)方面。以煙草領(lǐng)域的農(nóng)殘檢測(cè)為例，國(guó)際上以GC－MS／MS應(yīng)用于煙草農(nóng)殘的工作開展較早，分別由瑞士人于2003年［79］、韓國(guó)人于2008年［28］完成，但未見后續(xù)報(bào)道，而且農(nóng)藥檢測(cè)指標(biāo)也只有約50種左右。近年來，國(guó)內(nèi)已有報(bào)道［80－81］應(yīng)用 GC－MS／MS將煙草中的待檢農(nóng)藥目標(biāo)物擴(kuò)充到100余種，并對(duì)前處理方法進(jìn)行改進(jìn)。

另外，伴隨著食品安全事件的層出不窮，相關(guān)GC－MS／MS檢測(cè)方法受到越來越多研究者的關(guān)注。

3 總結(jié)

1）隨著各大儀器公司紛紛推出自己的GCMS／MS產(chǎn)品，并考慮到二級(jí)質(zhì)譜相對(duì)于一級(jí)質(zhì)譜的優(yōu)越性和廣泛適用性，GC－MS／MS的應(yīng)用將越來越廣泛。

不同種類的二級(jí)質(zhì)譜中，QQQ－MS／MS由于其精確的定量性能逐漸普及，其市場(chǎng)占有率將進(jìn)一步增加。

2）綜合來看，GC－MS／MS應(yīng)用最廣泛的方向在于農(nóng)藥殘留、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚、二噁英和類固醇激素等一系列環(huán)境污染物的分析和檢測(cè)。

由農(nóng)藥殘留分析的發(fā)展來看，常規(guī)實(shí)驗(yàn)室對(duì)多種農(nóng)藥殘留普查分析的方法將由原來的多個(gè)并行方法逐漸統(tǒng)一為 GC－MS／MS和 LC－MS／MS兩個(gè)多殘留分析方法，一次前處理，分別GC或LC－MS／MS進(jìn)樣，從而完成對(duì)大部分農(nóng)藥的篩查工作。而對(duì)多環(huán)芳烴等4種環(huán)境污染物的分析則一直是GC應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目，因?yàn)檫@些目標(biāo)物熱穩(wěn)定、極性小，利用GC－MS／MS可以同時(shí)對(duì)多種目標(biāo)物進(jìn)行定性定量分析。類固醇激素等作為運(yùn)動(dòng)員興奮劑檢測(cè)和動(dòng)物生長(zhǎng)促進(jìn)劑普查的必備項(xiàng)目，也一直受到廣泛的關(guān)注，GCMS／MS的優(yōu)勢(shì)在于其較弱的基質(zhì)效應(yīng)，從而可以減少假陽(yáng)性的判定。

總之，由于其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，隨著氣相色譜－串聯(lián)質(zhì)譜儀器的普及，對(duì)樣品的凈化處理要求降低，前處理方法將更加簡(jiǎn)單、快速。而對(duì)于農(nóng)藥殘留、環(huán)境污染物和激素藥物濫用的檢測(cè)分析將仍然是 GC－MS／MS應(yīng)用的主流方向。

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