基于不同溶剂和材料探讨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）

仪器分析是调香必需的步骤。仪器性能对分析结果起重要作用。在诸多分析仪器中气相色谱-质谱联用仪（Gaschromatography-mass spectrometry，GC/MS）技术的发展历经半个多世纪，是非常成熟且应用极其广泛的分离分析技术[1]。是使用最广泛的大型分析仪器之一，很具代表性。判断GC/MS的性能主要看定性和定量两个指标。在实际工作中定性通常很可靠，定量通常不可靠。本文将对GC/MS这种分析仪器定量的不可靠程度进行探讨并尝试找到解决办法。

1.材料与方法

(1)材料

丙酸乙酯、叶醇、紫罗兰酮、乙醇（规格为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、菠萝酯、辛酸叶醇酯、香叶醇、苯乙醇。以上材料中除辛酸叶醇酯为日化级外，其余材料均为食用级。以上材料均由上海彩呈实业有限公司提供。为确保样品不受污染，在每次实验设计完成后，依实验需要分次向上海彩呈实业有限公司索样。

(2)仪器与设备

ME203E电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；GC/MS（5975-6890N）：美国安捷伦科技有限公司；85-1磁力搅拌器：金坛市医疗仪器厂。

(3)实验方法

①样品配制。实验样品均按配方（见表1）配制100g。使用一次性滴管称量材料至烧杯后放入搅拌子，烧杯覆一层保鲜膜后于自动搅拌器上搅拌15min。最后灌入100mL塑料瓶中封盖待用。

②GC/MS分析条件。色谱条件：色谱柱，DBWAX UI；进样口温度，280℃；载气，He气；柱流速，1mL/min；程序升温：初始温度50℃，保持2min，以10℃/min升至230℃，保持20min。

质谱条件：标准谱图调谐；电离方式，EI；电子能量，70eV；离子源温度，230℃；数据采集扫描模式，SIM；谱图检索对比数据库，NIST谱库；采用峰面积归一法计算各成分的相对含量。

实验每进1次样后，乙醇洗针30次，再用电吹风以热风烘干进样针中残留的乙醇，确保进样针内无残留。GC/MS实验前运行3次空气针，再结合观察总离子流图以确保仪器内无以前进样样品的残留物质影响实验结果。

2.溶剂含量变化对定量的影响

（1）目标。固定材料添加比例，调整乙醇和丙二醇这两种溶剂的比例，使之形成梯度，借以观察溶剂比例的变化对仪器定量材料的影响。

（2）实验材料的选择。选丙酸乙酯、叶醇和紫罗兰酮作为材料，选乙醇和丙二醇作为溶剂。

选乙醇和丙二醇的原因是溶解性好，在进样针中易于洗去和挥发完全，不会影响分析结果。

丙酸乙酯、叶醇、紫罗兰酮、乙醇和丙二醇均不会在仪器中产生残留影响下次分析。

丙酸乙酯、叶醇和紫罗兰酮分子量有一定相差，从调香角度看处于香气的不同阶段，且分别代表果香、青香和花香，有利于用较少的材料达到模仿一张完整香精配方的效果。

从分析角度看，丙酸乙酯、叶醇、紫罗兰酮、乙醇和丙二醇均不会在总离子流图中出现叠峰影响分析结果。

（3）溶剂影响测试。为方便对比，将3种材料的添加量均设计为1%。剩余的97%均分为10份，两种溶剂的含量以9.7%为梯度差值。依次设计了DL1-DL11号共11个实验。实验样品具体配方比例见表1。

（4）结果和分析。经过进样和分析，得到了工作站软件显示的11个样品的百分比含量，见表2。

表2 溶剂影响测试样品定量数值（单位：%）

DL1-D11号样品中出现了未添加的物质水。因不含乙醇的DL1号样品中没有出现水而含乙醇的DL2-DL11号样品中均出现了水，推断水是95%规格的乙醇带来的，应将水统计入乙醇的含量中。之所以不通过计算95%和5%这两个含量数值得出纯乙醇和纯水的实际添加量而后比对纯乙醇和纯水的定量数值，是考虑乙醇极易挥发，含量数值只是理论上的，不能通过计算得出真实准确的数字。

将水合并计算到乙醇的含量中后得到表3。

表3 溶剂影响测试样品定量数值修正版（单位：%）

观察表3可见，相同含量的样品，在溶剂含量发生变化的情况下，含量的定量数值相应也会产生变化，这些变化会影响调香工作。值得注意的是DL5号和DL6号样品中丙酸乙酯的定量数值都是2.294%。排除操作失误的可能性后，基于DL5号和DL6号样品中其它成分的定量数值均不相同，并且在整个实验中未再出现其它类似的情况，认为DL5号和DL6号样品中丙酸乙酯定量数值相同是巧合。

（5）扩展。使用另两种溶剂三醋酸甘油酯和苯甲醇，设计DL12号和DL13号实验。按1%的比例溶解丙酸乙酯、叶醇和紫罗兰酮。观察实际添加量与定量数值的区别。配方比例如表4所示。

表4 以三醋酸甘油酯和苯甲醇为溶剂的配方（单位：%）

进样后获得的定量百分比如表5。

表5 以三醋酸甘油酯和苯甲醇为溶剂的样品分析结果（单位：%）

可以观察到出现未添加的物质苯甲醛，推断是苯甲醇中所含有的杂质。将苯甲醛的数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为溶剂的样品分析结果修正版（单位：%）

DL12和DL13的数值与DL1和DL11存在不同。特别是DL13中紫罗兰酮的数值异常增大，而苯甲醇的数值明显较其它溶剂偏小。这是因为紫罗兰酮的峰和苯甲醇的峰部分重叠，从而影响峰面积计算。总离子流图中两个或两个以上的峰相互重叠称为叠峰，常见的是两个峰相互重叠。峰的重叠是分子量接近的物质的峰的冲突，直接表现为峰面积产生交集。本质是两个高斯峰的分离度大于0.5而小于1.25，峰的纯度大于84%而小于99.4%[2]。手动定量处理叠峰时不仅是利用几何知识计算峰面积的相互重叠部分，还需要重新确定基线。这种叠峰的情况是仪器分析时最不希望遇见的情况之一，从仪器操作的角度有几个处理方法，但费时费力且未必见效。调香师依靠嗅觉自行增减仿样中产生叠峰物质的添加量是最简单易行的方法。

实验DL1到DL13测试了GC/MS对不同种类材料的定量表现，没有测试GC/MS对相同种类材料的定量表现。为测试GC/MS对相同种类材料的定量表现，设计了3个实验，分别测试了GC/MS对酮类、酯类和醇类材料的定量表现。

3.不同酮类的定量表现

（1）目标。为测试GC/MS对酮类材料的定量表现，设计DL14号实验。

（2）实验材料的选择。选紫罗兰酮、丁二酮、甲基庚酮和呋喃酮作为材料，选丙二醇作为溶剂。这4种酮类分子量有一定的相差，从调香角度看处于香气的不同阶段，且分别代表花香、奶香、果香和焦甜香，有利于用较少的材料达到模仿一张完整香精配方的效果。

（3）不同酮类的定量表现测试。为了方便对比，将4种材料的添加量均设计为1%。剩余的96%为溶剂丙二醇的添加量。配方比例及进样后获得的定量百分比如表7所示。

表7 DL14酮类定量测试（单位：%）

可以观察到不同的酮类物质的定量不相同。紫罗兰酮、丁二酮、甲基庚酮和呋喃酮的添加量均设计为1%，定量数值却分别显示为6.001%、1.627%、3.886%和2.038%。定量数值分别是实际数值的6.001倍、1.627倍，3.886倍和2.038倍。这说明酮类物质的定量结果与实际数值不匹配，且没有两个酮类物质的定量数值与实际数值比例的变化是相同的。

4.不同酯类的定量表现

（1）目标。为测试GC/MS对酯类材料的定量表现，设计DL15号实验。

（2）实验材料的选择。选丙酸乙酯、己酸乙酯、菠萝酯和辛酸叶醇酯作为材料，选丙二醇作为溶剂。这4种酯类分子量有一定的相差，从调香角度看处于香气的不同阶段，且分别代表果香、酒香、热带香和青香，有利于用较少的材料达到模仿一张完整香精配方的效果。

（3）不同酯类的定量表现测试。为方便对比，将4种材料的添加量均设计为1%。剩余的96%为溶剂丙二醇的添加量。配方比例及进样后获得的定量百分比如表8所示。

表8 DL15酯类定量测试（单位：%）

可以观察到不同的酯类物质的定量不相同。丙酸乙酯、己酸乙酯、菠萝酯和辛酸叶醇酯的添加量均设计为1%，定量数值却分别显示为2.16%、4.133%、6.041%和5.5%。定量数值分别是实际数值的2.16倍、4.133倍、6.041倍和5.5倍。这说明酯类物质的定量结果与实际数值不匹配，且没有两个酯类物质的定量数值与实际数值比例的变化是相同的。

5.不同醇类的定量表现

（1）目标。为测试GC/MS对醇类材料的定量表现，设计DL16号实验。

（2）实验材料的选择。选乙醇、叶醇、香叶醇和苯乙醇作为材料，选丙二醇作为溶剂。这4种醇类分子量有一定的相差，从调香角度看处于香气的不同阶段，且分别代表酒香、青香、花香和甜香，有利于用较少的材料达到模仿一张完整香精配方的效果。

（3）不同醇类的定量表现测试。为方便对比，将4种材料的添加量均设计为1%。剩余的96%为溶剂丙二醇的添加量。其中丙二醇既是溶剂，也是醇类物质。配方比例及进样后获得的定量百分比如表9所示。

表9 DL16醇类定量测试（单位：%）

可以观察到不同的醇类物质的定量不相同。乙醇、叶醇、香叶醇、苯乙醇和丙二醇的添加量分别设计为1%、1%、1%、1%和96%，定量数值却分别显示为1.49%、3.121%、4.728%、5.414%和85.247%。定量数值分别是实际数值的1.49倍、3.121倍、4.728倍、5.414倍和0.880倍。这说明醇类物质的定量结果与实际数值不匹配，且没有两个醇类物质的定量数值与实际数值比例的变化是相同的。

在DL2-DL13号样品中，作为溶剂的乙醇实际添加量大于定量数值。而在DL16号样品中，作为材料的乙醇实际添加量小于定量数值。材料和溶剂角色的转换在只在调香技术层面有意义，在仪器分析层面对最终分析结果并无影响。DL1-DL4中作为溶剂的丙二醇实际添加量大于定量数值。而在DL5-DL10号样品中，作为溶剂的丙二醇实际添加量小于定量数值。在DL14，DL15和DL16号样品中，作为溶剂的丙二醇实际添加量大于定量数值。

6.结果与讨论

通过上述的定量测试，发现GC/MS定量的准确度存在不稳定性。这种不稳定性有3个特点：（1）定量数值与实际数值的不匹配。在已经完成的DL1-16号实验中，没有一次发现定量数值与实际数值相匹配的。（2）每个物质的定量数值与实际数值比例都与其它物质不同，没有两个物质的比例变化是相同的。（3）定量数值与实际数值比例的变化规律难以具体确定。定量数值往往高于实际数值，有时也表现为低于实际数值。可以总结出的规律只有一个：当物质的含量较低时，其定量数值会高于实际数值。当物质的含量较高时，其定量数值会低于实际数值。

以上3个特点的存在基本意味着内标法的不适用。一线工作中部分调香师会要求分析部门采用内标法。这解决了第一和第三个特点带来的问题，却没有解决第二个特点带来的问题。本文希望这次定量实验得到的结果有助于优秀的调香师们更好地开展工作。

对于调香工作而言，这种定量上的干扰不利于提高工作效率。

为应对GC/MS定量不稳定的干扰，这里试着提出一些建议：

（1）外标法。由于香精的研发和生产过程中所使用的材料数量过多，个人建立不起完整的外标法数据库。但完整的外标法数据库可能彻底解决定量问题。

（2）相互印证。相互印证分为物和人。物的相互印证分为来源和验收。

来源的相互印证指来自同一个厂家的两个样品名称相同、编号接近、成分也大致相同时，可以推测其中一个是另一个的修改版。仿香时可以注意两张配方数据的相互关系。这有助于定量。

验收的相互印证是指当调香师结束仿香工作并提交仿样时，应对比仿样和标样的特征。常采用二-三点检验法和三角检验法[3]等评比方法。通过测试的样品，大致定量是准确的。

人的相互印证指把同一个仿香任务分派给两个互不知情的调香师并比对他们的工作成果。实践中发现两张仿香配方有交集却不完全重合。将这两张配方进行整合有助于定量。

（3）提高调香师个人技术水平。

（4）调香师应降低对定量效果的期望，定性比定量更重要。