在化合物识别和定量方面，使用质谱仪作为 GC 检测系统具有许多优势，但 GC-MS 用户还有另一个尚未开发的机会：通过使用 MS 真空降低色谱柱内的压力来加快分析速度。受影响的 GC 色谱柱的数量取决于色谱柱尺寸，传统的色谱柱格式将真空的影响限制在色谱柱的最后几米。但是，当您降低整个色谱柱的压力时，您可以真正加快速度！

低压气相色谱-质谱 (LPGC-MS) 是一种利用质谱真空系统和专门设计的色谱柱设置来降低整个色谱柱内压力的技术，从而显著加快分析速度。自 20 世纪 60 年代以来，文献中已对低压气相色谱进行了理论描述，此后几年甚至在世界各地的实验室中进行了尝试，但尚未得到广泛采用。该技术的价值得到了广泛认可 [1-15]，除了速度优势外，LPGC-MS 还可以通过大幅减少氦气消耗来节省成本。通过使用直接插入质谱的短 0.53 或 0.32 毫米分析柱和 GC 入口侧的流量限制器，可以在整个分析柱中保持低压。使用 LPGC-MS 时，需要牺牲一些效率来换取速度，但由于使用了质谱仪，大多数共流出组分都可以由质谱解卷积。

图 1 和表 I 展示了与使用传统 GC-MS 设置相比，通过降低 GC 色谱柱中的压力可以实现的性能提升。毫不奇怪，这种技术被称为“真空出口 GC”，或更常见的“低压 GC-MS”或 LPGC-MS。本文将探讨如何利用 LPGC-MS 和专门设计的预连接 LPGC 色谱柱套件来加速气相色谱分析。

图 1： 虽然使用效率较低的色谱柱，但这种 LPGC-MS 分析食品中的农药比传统装置快 3.1 倍，氦气用量减少 54%。由于线速度增加，峰宽更窄，形成更高的峰，并可能提供更高的灵敏度。此外，即使是密集的峰通常仍可通过光谱分辨。

表 I： 与传统 GC-MS 相比，LPGC-MS 通过减少氦气使用量，显著提高了速度并节省了成本。

为什么使用 LPGC-MS 进行快速 GC-MS？

LPGC-MS 为何在快速 GC-MS 选项中成为首选？对于 MS 工作，通常使用 30 mx 0.25 mm ID 色谱柱。这种形式可产生约 120,000 个理论塔板；在 MS 真空泵能力范围内具有最佳载气流速；并且尽管色谱柱末端为真空，仍可保持正入口压力。相比之下，LPGC 色谱柱套件由短的 0.53 或 0.32 mm ID 分析色谱柱组成，该色谱柱在工厂与限流色谱柱耦合。例如，图 1 中使用的 LPGC 色谱柱配置可产生约 30,000 个理论塔板，并且可以在约 2 mL/min 的标准流速下运行。由于分析色谱柱内部为真空，最佳载气线速度非常高，从而导致分析时间非常短（通常比 30 mx 0.25 mm 色谱柱快 3.3 倍）。峰宽为 1.5-2 秒，足以进行足够的 MS 数据采集。此外，0.53 和 0.32 mm 色谱柱比窄口径色谱柱具有更高的容量。

以下是图 1 中使用的 LPCG-MS 方法与提高流量优化的 30 mx 0.25 mm ID 柱的分析速度的不同方法的比较。

1. 使用更短、更窄的色谱柱
   10 mx 0.10 mm 色谱柱的效率（塔板数）和分离能力与 30 mx 0.25 mm 色谱柱相似。但是，这种色谱柱的容量非常低，需要非常低的浓度或进样量才能避免峰失真（例如“前沿”）。
2. 在 MS 中使用 30 mx 0.25 mm 色谱柱，以获得更高的流量
   增加流量是减少分析时间的最简单方法。但是，要获得 3 倍更快的分析时间，需要大约 12 mL/min 的流量，这需要大约 63 psi 的入口压力。这对于注入、MS 数据采集率和 MS 泵容量来说都是有问题的。
3. 使用 10 mx 0.25 mm 色谱柱，以最佳载气流速
   3 倍短的色谱柱具有约 40,000 个理论塔板，应使分析时间缩短 3-4 倍，但此色谱柱所需的入口压力约为 0.35 psi，很难控制。在这样的压力下，分流进样是一项挑战，色谱柱修整几乎不可能，因为它会影响压力，并且由于峰宽非常窄，MS 数据采集可能很困难。

LPGC-MS 如何加速分析？

LPGC-MS 的优势核心在于“低压”的概念。要了解低压为何如此重要，我们先来了解一下色谱柱的“最佳线速度”的概念。

在任何 GC 色谱柱中，都有一个载气线速度可以产生最有效的分析。载气速度太慢会导致峰宽和分辨率降低。载气速度太快，样品的不同成分将没有足够的时间与色谱柱的固定相相互作用，同样会导致分辨率降低。因此，以载气的最佳线速度操作 GC 色谱柱是实现色谱系统最大分辨率的重要因素。

重要的是要了解最佳线速度是一个与压力相关的值。降低整个 GC 色谱柱的压力会降低载气粘度，从而增加最佳线速度（图 2）。对于给定的色谱柱，当其他所有条件保持不变时，这会导致在更短的时间内实现非常相似的分离。

图 2：在本实验中使用 0.53 毫米内径毛细管柱，范第姆特图表明，在较低压力条件下，在较高的线速度下会出现最大效率，而最低 HETP 值会出现最大效率。（HETP = 相当于理论塔板的高度。）

然而，降低整个 GC 色谱柱的压力并不容易。对于 GC-MS 应用中使用的色谱柱尺寸（例如 30 m x 0.25 mm ID）尤其如此。您需要一种在出口处有效抽空整个 GC 色谱柱的方法，同时允许在入口处建立压头，而这并不总是容易做到的。

一个好的解决方案是利用与 GC 耦合的质谱仪的真空系统。从 MS 中抽出空气和载气的相同真空也有助于降低 GC 柱中的压力。然而，为了有效地抽空 GC 柱，需要相对较短、口径较大的柱，这给我们带来了保持 GC 入口压强的问题。由于真空贯穿整个柱，因此很难或根本不可能实现稳定的压强。

2000 年代初，通过在分析柱前端引入“限流柱”的使用，这个问题得到了巧妙解决。这种相对较短的非常窄的毛细管允许 GC 入口建立压力，而 MS 真空可以有效降低分析柱中的压力。随着最近出现了更可靠的连接器来将限流器安装到分析柱上，LPGC 变得比以往任何时候都更容易使用。

欢迎来到更快的运行和节省载气

利用质谱仪的真空系统大大加速 GC 分离从未如此简单。真空出口 GC-MS 的低压 GC 色谱柱使提高仪器生产率变得像快速更换色谱柱和更新方法一样简单。通过此设置，您可以开始每班处理更多样品，通过使用更少的氦气节省资金，有更多的时间处理其他任务，甚至可以推迟对新仪器的下一次大笔资本投资以适应您的工作量。

关于作者：乔纳森·凯姆

参考

1. B. Gruber、F. David 和 P. Sandra，毛细管气相色谱-质谱法：当前趋势和观点，Trends Anal. Chem. 124 (2020) 115475。https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.04.007   
2. SJ Lehotay、J. de Zeeuw、Y. Sapozhnikova、N. Michlig、J. Rousova Hepner 和 JD Konschnik，没有时间可以浪费：低压气相色谱-质谱法是一种行之有效的快速、灵敏、稳定的 GC-MS 分析解决方案，LCGC North Am。38 (8) (2020) 457–466。https://www.chromatographyonline.com/view/there-is-no-time-to-waste-low-pressure-gas-chromatography-mass-spectrometry-is-a-proven-solution 
3. SJ Lehotay、N. Michlig 和 AR Lightfield，在改进的水果和蔬菜中农药残留高通量分析方法中，用液氮粉碎样品后对测试部分大小的评估，J. Agric. Food Chem. 68 (2020) 1468–1479。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.9b07685 
4. L. Han、SJ Lehotay 和 Y. Sapozhnikova，使用有效的测量不确定度方法比较室温和低温样品处理在食品化学污染物分析中的应用，J. Agric. Food Chem. 66 (2018) 4986–4996。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.7b04359 
5. SJ Lehotay 和 Y. Chen，《食品中污染物监测研究趋势的成功与失败》，《Anal. Bioanal. Chem.》410 (22) (2018) 5331–5351。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.7b04359 
6. SJ Lehotay、L. Han 和 Y. Sapozhnikova，使用质量控制方法评估水果和蔬菜中农药残留分析中样品处理技术比较中的测量不确定度，Anal. Bioanal. Chem. 410 (22) (2018) 5465–5479。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jafc.7b04359
7. Y. Sapozhnikova，通过快速低压气相色谱和超高效液相色谱串联质谱法对肉类和家禽中的 265 种农药和环境污染物进行高通量分析，J. Chromatogr. A 1572 (2018) 203–211。https://doi.org/10.1016/j.chroma.2018.08.025
8. J. Hinshaw，快速气相色谱法，LCGC North Am. 35 (11) (2017) 810–815。https://www.chromatographyonline.com/view/fast-gas-chromatography-1 
9. L. Han、Y. Sapozhnikova 和 SJ Lehotay，通过串联质谱法结合低压气相色谱和超高效液相色谱法对肉类和家禽中 243 种农药和环境污染物进行方法验证，食品控制 66 (2016) 270–282。https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2016.02.019 
10. SJ Lehotay、L. Han 和 Y. Sapozhnikova，《通过低压气相色谱-串联质谱法实现食品中化学污染物高通量分析的自动微柱固相萃取净化》，《Chromatographia》79 (2016) 1113–1130。https://link.springer.com/article/10.1007/s10337-016-3116-y 
11. J. de Zeeuw、S. Reese、J. Cochran、S. Grossman、T. Kane 和 C. English，简化真空出口 GC 的设置：使用进样口内的限制，J. Sep. Sci. 32 (11) (2009) 1849–1857。https://doi.org/10.1002/jssc.200900009
12. K. Maštovska 和 SJ Lehotay，快速气相色谱-质谱法实用方法，J.Chromatogr. A 1000 (1-2) (2003) 153–180。https://doi.org/10.1016/S0021-9673(03)00448-5
13. MS Klee 和 LM Blumberg，快速气相色谱法和方法转化的理论和实践方面，J. Chromatogr. Sci. 40 (5) (2002) 234–247。https://doi.org/10.1093/chromsci/40.5.234 
14. K. Maštovska、SJ Lehotay 和 J. Hajšlova，《低压气相色谱-质谱法快速分析食品中多种农药残留的优化与评估》，《J. Chromatogr. A》926 (2) (2001) 291–308。https://doi.org/10.1016/S0021-9673(01)01054-8 
15. J. de Zeeuw、J. Peene、H.-G. Janssen、X. Lou，一种使用短 0.53 毫米色谱柱和真空出口条件加速 GC-MS 分离的简单方法，J. High Res. Chromatogr. 23 (12) (2000) 677–680。https://doi.org/10.1002/1521-4168(20001201)23:12<677::AID-JHRC677>3.0.CO;2-L