基于不同溶劑和材料探討GC/MS的定量可靠性

＊沈昌亮 俞盈

（杭州山德香料有限公司 浙江 311188）

儀器分析是調香必需的步驟。儀器性能對分析結果起重要作用。在諸多分析儀器中氣相色譜-質譜聯用儀（Gaschromatography-mass spectrometry，GC/MS）技術的發展歷經半個多世紀，是非常成熟且應用極其廣泛的分離分析技術[1]。是使用最廣泛的大型分析儀器之一，很具代表性。判斷GC/MS的性能主要看定性和定量兩個指標。在實際工作中定性通常很可靠，定量通常不可靠。本文將對GC/MS這種分析儀器定量的不可靠程度進行探討并嘗試找到解決辦法。

1.材料與方法

(1)材料

丙酸乙酯、葉醇、紫羅蘭酮、乙醇（規格為95%）、丙二醇、三醋酸甘油酯、苯甲醇、丁二酮、甲基庚酮、呋喃酮、己酸乙酯、菠蘿酯、辛酸葉醇酯、香葉醇、苯乙醇。以上材料中除辛酸葉醇酯為日化級外，其余材料均為食用級。以上材料均由上海彩呈實業有限公司提供。為確保樣品不受污染，在每次實驗設計完成后，依實驗需要分次向上海彩呈實業有限公司索樣。

(2)儀器與設備

ME203E電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；GC/MS（5975-6890N）：美國安捷倫科技有限公司；85-1磁力攪拌器：金壇市醫療儀器廠。

(3)實驗方法

①樣品配制。實驗樣品均按配方（見表1）配制100g。使用一次性滴管稱量材料至燒杯后放入攪拌子，燒杯覆一層保鮮膜后于自動攪拌器上攪拌15min。最后灌入100mL塑料瓶中封蓋待用。

②GC/MS分析條件。色譜條件：色譜柱，DBWAX UI；進樣口溫度，280℃；載氣，He氣；柱流速，1mL/min；程序升溫：初始溫度50℃，保持2min，以10℃/min升至230℃，保持20min。

質譜條件：標準譜圖調諧；電離方式，EI；電子能量，70eV；離子源溫度，230℃；數據采集掃描模式，SIM；譜圖檢索對比數據庫，NIST譜庫；采用峰面積歸一法計算各成分的相對含量。

實驗每進1次樣后，乙醇洗針30次，再用電吹風以熱風烘干進樣針中殘留的乙醇，確保進樣針內無殘留。GC/MS實驗前運行3次空氣針，再結合觀察總離子流圖以確保儀器內無以前進樣樣品的殘留物質影響實驗結果。

2.溶劑含量變化對定量的影響

（1）目標。固定材料添加比例，調整乙醇和丙二醇這兩種溶劑的比例，使之形成梯度，借以觀察溶劑比例的變化對儀器定量材料的影響。

（2）實驗材料的選擇。選丙酸乙酯、葉醇和紫羅蘭酮作為材料，選乙醇和丙二醇作為溶劑。

選乙醇和丙二醇的原因是溶解性好，在進樣針中易于洗去和揮發完全，不會影響分析結果。

丙酸乙酯、葉醇、紫羅蘭酮、乙醇和丙二醇均不會在儀器中產生殘留影響下次分析。

丙酸乙酯、葉醇和紫羅蘭酮分子量有一定相差，從調香角度看處于香氣的不同階段，且分別代表果香、青香和花香，有利于用較少的材料達到模仿一張完整香精配方的效果。

從分析角度看，丙酸乙酯、葉醇、紫羅蘭酮、乙醇和丙二醇均不會在總離子流圖中出現疊峰影響分析結果。

（3）溶劑影響測試。為方便對比，將3種材料的添加量均設計為1%。剩余的97%均分為10份，兩種溶劑的含量以9.7%為梯度差值。依次設計了DL1-DL11號共11個實驗。實驗樣品具體配方比例見表1。

（4）結果和分析。經過進樣和分析，得到了工作站軟件顯示的11個樣品的百分比含量，見表2。

表2 溶劑影響測試樣品定量數值（單位：%）

DL1-D11號樣品中出現了未添加的物質水。因不含乙醇的DL1號樣品中沒有出現水而含乙醇的DL2-DL11號樣品中均出現了水，推斷水是95%規格的乙醇帶來的，應將水統計入乙醇的含量中。之所以不通過計算95%和5%這兩個含量數值得出純乙醇和純水的實際添加量而后比對純乙醇和純水的定量數值，是考慮乙醇極易揮發，含量數值只是理論上的，不能通過計算得出真實準確的數字。

將水合并計算到乙醇的含量中后得到表3。

表3 溶劑影響測試樣品定量數值修正版（單位：%）

觀察表3可見，相同含量的樣品，在溶劑含量發生變化的情況下，含量的定量數值相應也會產生變化，這些變化會影響調香工作。值得注意的是DL5號和DL6號樣品中丙酸乙酯的定量數值都是2.294%。排除操作失誤的可能性后，基于DL5號和DL6號樣品中其它成分的定量數值均不相同，并且在整個實驗中未再出現其它類似的情況，認為DL5號和DL6號樣品中丙酸乙酯定量數值相同是巧合。

（5）擴展。使用另兩種溶劑三醋酸甘油酯和苯甲醇，設計DL12號和DL13號實驗。按1%的比例溶解丙酸乙酯、葉醇和紫羅蘭酮。觀察實際添加量與定量數值的區別。配方比例如表4所示。

表4 以三醋酸甘油酯和苯甲醇為溶劑的配方（單位：%）

進樣后獲得的定量百分比如表5。

表5 以三醋酸甘油酯和苯甲醇為溶劑的樣品分析結果（單位：%）

可以觀察到出現未添加的物質苯甲醛，推斷是苯甲醇中所含有的雜質。將苯甲醛的數值合并到苯甲醇的含量后得到表6。

表6 以三醋酸甘油酯和苯甲醇為溶劑的樣品分析結果修正版（單位：%）

DL12和DL13的數值與DL1和DL11存在不同。特別是DL13中紫羅蘭酮的數值異常增大，而苯甲醇的數值明顯較其它溶劑偏小。這是因為紫羅蘭酮的峰和苯甲醇的峰部分重疊，從而影響峰面積計算?？傠x子流圖中兩個或兩個以上的峰相互重疊稱為疊峰，常見的是兩個峰相互重疊。峰的重疊是分子量接近的物質的峰的沖突，直接表現為峰面積產生交集。本質是兩個高斯峰的分離度大于0.5而小于1.25，峰的純度大于84%而小于99.4%[2]。手動定量處理疊峰時不僅是利用幾何知識計算峰面積的相互重疊部分，還需要重新確定基線。這種疊峰的情況是儀器分析時最不希望遇見的情況之一，從儀器操作的角度有幾個處理方法，但費時費力且未必見效。調香師依靠嗅覺自行增減仿樣中產生疊峰物質的添加量是最簡單易行的方法。

實驗DL1到DL13測試了GC/MS對不同種類材料的定量表現，沒有測試GC/MS對相同種類材料的定量表現。為測試GC/MS對相同種類材料的定量表現，設計了3個實驗，分別測試了GC/MS對酮類、酯類和醇類材料的定量表現。

3.不同酮類的定量表現

（1）目標。為測試GC/MS對酮類材料的定量表現，設計DL14號實驗。

（2）實驗材料的選擇。選紫羅蘭酮、丁二酮、甲基庚酮和呋喃酮作為材料，選丙二醇作為溶劑。這4種酮類分子量有一定的相差，從調香角度看處于香氣的不同階段，且分別代表花香、奶香、果香和焦甜香，有利于用較少的材料達到模仿一張完整香精配方的效果。

（3）不同酮類的定量表現測試。為了方便對比，將4種材料的添加量均設計為1%。剩余的96%為溶劑丙二醇的添加量。配方比例及進樣后獲得的定量百分比如表7所示。

表7 DL14酮類定量測試（單位：%）

可以觀察到不同的酮類物質的定量不相同。紫羅蘭酮、丁二酮、甲基庚酮和呋喃酮的添加量均設計為1%，定量數值卻分別顯示為6.001%、1.627%、3.886%和2.038%。定量數值分別是實際數值的6.001倍、1.627倍，3.886倍和2.038倍。這說明酮類物質的定量結果與實際數值不匹配，且沒有兩個酮類物質的定量數值與實際數值比例的變化是相同的。

4.不同酯類的定量表現

（1）目標。為測試GC/MS對酯類材料的定量表現，設計DL15號實驗。

（2）實驗材料的選擇。選丙酸乙酯、己酸乙酯、菠蘿酯和辛酸葉醇酯作為材料，選丙二醇作為溶劑。這4種酯類分子量有一定的相差，從調香角度看處于香氣的不同階段，且分別代表果香、酒香、熱帶香和青香，有利于用較少的材料達到模仿一張完整香精配方的效果。

（3）不同酯類的定量表現測試。為方便對比，將4種材料的添加量均設計為1%。剩余的96%為溶劑丙二醇的添加量。配方比例及進樣后獲得的定量百分比如表8所示。

表8 DL15酯類定量測試（單位：%）

可以觀察到不同的酯類物質的定量不相同。丙酸乙酯、己酸乙酯、菠蘿酯和辛酸葉醇酯的添加量均設計為1%，定量數值卻分別顯示為2.16%、4.133%、6.041%和5.5%。定量數值分別是實際數值的2.16倍、4.133倍、6.041倍和5.5倍。這說明酯類物質的定量結果與實際數值不匹配，且沒有兩個酯類物質的定量數值與實際數值比例的變化是相同的。

5.不同醇類的定量表現

（1）目標。為測試GC/MS對醇類材料的定量表現，設計DL16號實驗。

（2）實驗材料的選擇。選乙醇、葉醇、香葉醇和苯乙醇作為材料，選丙二醇作為溶劑。這4種醇類分子量有一定的相差，從調香角度看處于香氣的不同階段，且分別代表酒香、青香、花香和甜香，有利于用較少的材料達到模仿一張完整香精配方的效果。

（3）不同醇類的定量表現測試。為方便對比，將4種材料的添加量均設計為1%。剩余的96%為溶劑丙二醇的添加量。其中丙二醇既是溶劑，也是醇類物質。配方比例及進樣后獲得的定量百分比如表9所示。

表9 DL16醇類定量測試（單位：%）

可以觀察到不同的醇類物質的定量不相同。乙醇、葉醇、香葉醇、苯乙醇和丙二醇的添加量分別設計為1%、1%、1%、1%和96%，定量數值卻分別顯示為1.49%、3.121%、4.728%、5.414%和85.247%。定量數值分別是實際數值的1.49倍、3.121倍、4.728倍、5.414倍和0.880倍。這說明醇類物質的定量結果與實際數值不匹配，且沒有兩個醇類物質的定量數值與實際數值比例的變化是相同的。

在DL2-DL13號樣品中，作為溶劑的乙醇實際添加量大于定量數值。而在DL16號樣品中，作為材料的乙醇實際添加量小于定量數值。材料和溶劑角色的轉換在只在調香技術層面有意義，在儀器分析層面對最終分析結果并無影響。DL1-DL4中作為溶劑的丙二醇實際添加量大于定量數值。而在DL5-DL10號樣品中，作為溶劑的丙二醇實際添加量小于定量數值。在DL14，DL15和DL16號樣品中，作為溶劑的丙二醇實際添加量大于定量數值。

6.結果與討論

通過上述的定量測試，發現GC/MS定量的準確度存在不穩定性。這種不穩定性有3個特點：（1）定量數值與實際數值的不匹配。在已經完成的DL1-16號實驗中，沒有一次發現定量數值與實際數值相匹配的。（2）每個物質的定量數值與實際數值比例都與其它物質不同，沒有兩個物質的比例變化是相同的。（3）定量數值與實際數值比例的變化規律難以具體確定。定量數值往往高于實際數值，有時也表現為低于實際數值?？梢钥偨Y出的規律只有一個：當物質的含量較低時，其定量數值會高于實際數值。當物質的含量較高時，其定量數值會低于實際數值。

以上3個特點的存在基本意味著內標法的不適用。一線工作中部分調香師會要求分析部門采用內標法。這解決了第一和第三個特點帶來的問題，卻沒有解決第二個特點帶來的問題。本文希望這次定量實驗得到的結果有助于優秀的調香師們更好地開展工作。

對于調香工作而言，這種定量上的干擾不利于提高工作效率。

為應對GC/MS定量不穩定的干擾，這里試著提出一些建議：

（1）外標法。由于香精的研發和生產過程中所使用的材料數量過多，個人建立不起完整的外標法數據庫。但完整的外標法數據庫可能徹底解決定量問題。

（2）相互印證。相互印證分為物和人。物的相互印證分為來源和驗收。

來源的相互印證指來自同一個廠家的兩個樣品名稱相同、編號接近、成分也大致相同時，可以推測其中一個是另一個的修改版。仿香時可以注意兩張配方數據的相互關系。這有助于定量。

驗收的相互印證是指當調香師結束仿香工作并提交仿樣時，應對比仿樣和標樣的特征。常采用二-三點檢驗法和三角檢驗法[3]等評比方法。通過測試的樣品，大致定量是準確的。

人的相互印證指把同一個仿香任務分派給兩個互不知情的調香師并比對他們的工作成果。實踐中發現兩張仿香配方有交集卻不完全重合。將這兩張配方進行整合有助于定量。

（3）提高調香師個人技術水平。

（4）調香師應降低對定量效果的期望，定性比定量更重要。