Применение метода газовой хроматографии, сопряжённой с масс-спектрометрией в биоаналитических исследованиях

Введение. Начиная со второй половины XX века, в медико-биологические науки активно внедрялись методы, ранее применявшиеся в аналитической и органической химии, что привело к формированию нового междисциплинарного направления для качественного и количественного анализа биологических объектов — биоаналитических исследований (биоаналитики). Газовая хроматография, сопряжённая с масс-спектрометрией (ГХ-МС) или тандемной масс-спектрометрией (ГХ-МС/МС), стала одним из ключевых инструментов благодаря высокой чувствительности и информативности.
Цель. Анализ актуальности и возможностей применения ГХ-МС и ГХ-МС/МС в современных биоаналитических исследованиях.
Материалы и методы. Проведён обзор публикаций в базах данных PubMed, Scopus, Web of Science и eLibrary за 2010–2026 годы по ключевым словам: газовая хроматография, масс-спектрометрия, ГХ-МС, ГХ-МС/МС, биоаналитика, фармакокинетика, химико-токсикологический анализ, метаболомика, биомаркеры. В обзор включены оригинальные исследования и обзоры, содержащие сведения о применении этих методов к биологическим образцам (кровь, моча, выдыхаемый воздух, ткани). Данные систематизированы по областям биоаналитики; особое внимание уделено методам пробоподготовки, условиям анализа и параметрам детектирования.
Результаты. Установлено, что ГХ-МС и ГХ-МС/МС широко применяются в фармакокинетике, химико-токсикологическом и судебно-химическом анализе, а также метаболомных исследованиях. Преимущества ГХ-МС включают высокую воспроизводимость масс-спектров на приборах разных производителей, что позволяет формировать универсальные библиотеки спектров для быстрой идентификации компонентов. Кроме того, ГХ-МС и ГХ-МС/МС являются наиболее подходящими методами для исследования летучих соединений, выделяемых живыми организмами, например, в выдыхаемом воздухе. Для анализа термолабильных соединений успешно применяются различные методы дериватизации.
Заключение. Таким образом, ГХ-МС и ГХ-МС/МС остаются востребованными в биоаналитике. Благодаря возможности разделять многокомпонентные смеси и последующей высокочувствительной идентификации компонентов, эти методы находят применение в фармакокинетике, судебнохимическом и химико-токсикологическом анализе, а также в метаболомных исследованиях.

1. Altalhi T, Alosaimi A, Cruz JN. Bioanalytical Techniques: Principles and Applications. New York: John Wiley & Sons; 2025.

2. Hübschmann HJ. Handbook of GC-MS: fundamentals and applications. New York: John Wiley & Sons; 2025.

3. Гладилович В. Д., Подольская Е. П. Возможности применения метода ГХ-МС (обзор). Научное приборостроение. 2010;20(4):36-49. [Gladilovich VD, Podolskaya EP. Possibilities of application of the GC-MS method (review). Nauchnoe priborostroenie=Scientific instrumentation. 2010;20(4):36-49. (In Russ.)].

4. Maji SR, Roy C, Sinha SK. Gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS): a comprehensive review of synergistic combinations and their applications in the past two decades. Journal of Analytical Sciences and Applied Biotechnology. 2023;5(2):72-85. doi: 10.48402/IMIST.PRSM/jasabv5i2.40209.

5. McGlynn DF, Yee LD, Garraffo HM, et al. New Library-Based Methods for Nontargeted Compound Identification by GC-EI-MS. J Am Soc Mass Spectrom. 2025 Feb 5;36(2):389-399. doi: 10.1021/jasms.4c00451.

6. Bizzo HR, Brilhante NS, Nolvachai Y, Marriott PJ. Use and abuse of retention indices in gas chromatography. J Chromatogr A. 2023 Oct 11;1708:464376. doi: 10.1016/j.chroma.2023.464376.

7. Noviandy TR, Maulana A, Sasmita NR, et al. The prediction of kovats retention indices of essential oils at gas chromatography using genetic algorithm-multiple linear regression and support vector regression. Journal of Engineering Science and Technology. 2022;17(1):0306-0326.

8. Bajo-Fernández M, Souza-Silva ÉA, Barbas C, et al. GC-MS-based metabolomics of volatile organic compounds in exhaled breath: applications in health and disease. A review. Front Mol Biosci. 2024 Jan 8;10:1295955. doi: 10.3389/fmolb.2023.1295955

9. Bin Jardan YA, Mohamed K, Abbas N, et al. Development and validation of GC-MS method for determination of methcathinone and its main metabolite in mice plasma and brain tissue after SPE: Pharmacokinetic and distribution study. J Pharm Biomed Anal. 2021 Feb 5;194:113798. doi: 10.1016/j.jpba.2020.113798.

10. Montanari S, Davani L, Terenzi C, et al. Fentanyl pharmacokinetics in blood of cancer patients by Gas Chromatography - Mass Spectrometry. J Pharm Biomed Anal. 2022 Sep 20;219:114913. doi: 10.1016/j.jpba.2022.114913.

11. Wang K, Li Z, Chen Y, Su C. The pharmacokinetics of a novel antitumor agent, beta-elemene, in Sprague-Dawley rats. Biopharm Drug Dispos. 2005 Oct;26(7):301-7. doi: 10.1002/bdd.463.

12. Scott DK, Neville K, Garg U. Determination of hydroxyurea in serum or plasma using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Methods Mol Biol. 2010;603:279-87. doi: 10.1007/978-1-60761-459-3_26.

13. Akrill P, Cocker J. Determination of nitroglycerin and its dinitrate metabolites in urine by gas chromatography-mass spectrometry as potential biomarkers for occupational exposure. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2002 Oct 5;778(1-2):193-8. doi: 10.1016/s0378-4347(01)00448-0.

14. Mancini R, Fernadez-Lopez L, Falcon M, et al. Postmortem Analysis of Benzodiazepines in Human Bone by Gas Chromatography-Mass Spectrometry. J Anal Toxicol. 2021 Jan 21;44(9):985-992. doi: 10.1093/jat/bkaa020.

15. Orfanidis A, Krokos A, Mastrogianni O, et al. Development and Validation of a Single Step GC/MS Method for the Determination of 41 Drugs and Drugs of Abuse in Postmortem Blood. Forensic Sci. 2022;2(3):473- 491. doi: 10.3390/forensicsci2030035.

16. Barceló B, Gomila I, de-Castro-Ríos A, Perez-Barcena J, et al. Diminished Consciousness in a Woman Following an Unsuspected Scopolamine Overdose. J Anal Toxicol. 2021 Jul 10;45(6):e7-e14. doi: 10.1093/jat/bkaa135.

17. Kusmiyati M, Herdiana I, Haerussana ANEM. Gas Chromatography Mass Spectroscopy (GCMS) Qualitative Analysis for Morphine, Heroin and Codeine used in Doping. Indonesian Journal of Science and Education. 2023;7(1):29-35. doi: 10.31002/ijose.v7i1.207.

18. Valerio C, Romano MC, Sarma R, Stern AW. Immunoassay testing for barbiturates using alternative matrices in postmortem tissues from cats and dogs. J Anal Toxicol. 2024 Jan 31;48(1):54-61. doi: 10.1093/jat/bkad087.

19. Rodzaj W, Wileńska M, Klimowska A, et al. Concentrations of urinary biomarkers and predictors of exposure to pyrethroid insecticides in young, Polish, urban-dwelling men. Sci Total Environ. 2021 Jun 15;773:145666. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.145666.

20. Jafari M, Gholami A, Akhgari M. A novel method for the determination of organophosphorus pesticides in urine samples using a combined gas diffusion microextraction (GDME) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) technique. MethodsX. 2025 Feb 12;14:103212. doi: 10.1016/j.mex.2025.103212.

21. Ramezani AM, Yamini Y, Nazraz M. Development of a convenient polypyrrole based sorbent for headspace solid phase microextraction of diazinon and chlorpyrifos. Journal of food composition and analysis. 2021;98:103806. doi: 10.1016/j.jfca.2021.103806.

22. Zhang Y, Guo L, Qiu Z, et al. Early diagnosis of breast cancer from exhaled breath by gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) analysis: A prospective cohort study. J Clin Lab Anal. 2020 Dec;34(12):e23526. doi: 10.1002/jcla.23526.

23. Ibrahim W, Cordell RL, Wilde MJ, et al. Diagnosis of COVID-19 by exhaled breath analysis using gas chromatography-mass spectrometry. ERJ Open Res. 2021 Jul 5;7(3):00139-2021. doi: 10.1183/23120541.00139-2021.

24. Zhu G, Wang Y, Wang W, et al. Untargeted GC-MS-Based Metabolomics for Early Detection of Colorectal Cancer. Front Oncol. 2021 Nov 4;11:729512. doi: 10.3389/fonc.2021.729512.

25. Ain Nazir NU, Shaukat MH, Luo R, Abbas SR. Novel breath biomarkers identification for early detection of hepatocellular carcinoma and cirrhosis using ML tools and GCMS. PLoS One. 2023 Nov 15;18(11):e0287465. doi: 10.1371/journal.pone.0287465.

26. Deev V, Solovieva S, Andreev E, et al. Prostate cancer screening using chemometric processing of GC-MS profiles obtained in the headspace above urine samples. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2020 Oct 15;1155:122298. doi: 10.1016/j.jchromb.2020.122298.

27. Yan X, Li L, Liu P, et al. Targeted metabolomics profiles serum fatty acids by HFD induced non-alcoholic fatty liver in mice based on GC-MS. J Pharm Biomed Anal. 2022 Mar 20;211:114620. doi: 10.1016/j.jpba.2022.114620.

28. Liu Y, Mei B, Chen D, Cai L. GC-MS metabolomics identifies novel biomarkers to distinguish tuberculosis pleural effusion from malignant pleural effusion. J Clin Lab Anal. 2021 Apr;35(4):e23706. doi: 10.1002/jcla.23706.

29. Sun C, Gao M, Wang F, et al. Serum metabolomic profiling in patients with Alzheimer disease and amnestic mild cognitive impairment by GC/ MS. Biomed Chromatogr. 2020 Sep;34(9):e4875. doi: 10.1002/bmc.4875.

30. Xiang Z, Chen Y, Xiao Q, et al. GC-MS/MS method for determination and pharmacokinetics of sclareol in rat plasma after intravenous administration. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2021 May 30;1173:122703. doi: 10.1016/j.jchromb.2021.122703.

31. Nour D, El-Azzhary A, Hanafi R, Abdelkader RM. Detection and pharmacokinetics of licochalcone A in brains of neuroinflammatory mouse model. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 2026 Jan;399(2):2663-2682. doi: 10.1007/s00210-025-04579-w.

32. Al-Maadheed M. A Reproducible Method for the Identification of Methandrostenolone Metabolites Using a Humanized Liver Rodent Model. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. 2022;44(1). doi: 10.26717/BJSTR.2022.44.007000.

33. Thieme D, Anielski P, Rzeppa S, et al. Detection of 18-methyl steroids: Case report on a forensic urine sample and corresponding dietary supplements. Drug Test Anal. 2022 Nov;14(11-12):1864-1870. doi: 10.1002/dta.3389.

34. Stefanelli P, Barbini DA, Girolimetti S. Pesticides and their metabolites in human urine: development of multi-analyte method by LC-MS/MS and GC-MS/MS. J Environ Sci Health B. 2021;56(5):431-438. doi: 10.1080/03601234.2021.1894887.

35. Odongo S, Ssebugere P, Spencer PS, et al. Organochlorine pesticides and their markers of exposure in serum and urine of children from a nodding syndrome hotspot in northern Uganda, east Africa. Chemosphere. 2024;364:143191. doi: 10.1016/j.chemosphere.2024.143191.

36. Klimowska A, Wynendaele E, Wielgomas B. Quantification and stability assessment of urinary phenolic and acidic biomarkers of non-persistent chemicals using the SPE-GC/MS/MS method. Anal Bioanal Chem. 2023 May;415(12):2227-2238. doi: 10.1007/s00216-023-04633-7.

37. Mattia A, Moschella C, David MC, Fiore M, et al. Development and Validation of a GC-EI-MS/MS Method for Ethyl Glucuronide Quantification in Human Hair. Front Chem. 2022 Apr 4;10:858205. doi: 10.3389/fchem.2022.858205.

38. Tittarelli R, Filardi D, Mineo F, Mannocchi G. A Novel and Validated GC-MS/MS Method for the Detection of Four Opioids and Seven Fentanoids in Oral Fluid for Forensic Applications. Molecules. 2025 Nov 20;30(22):4478. doi: 10.3390/molecules30224478.

39. Dybowski MP, Siwek K. Application of the transient matrix effect for determination of anabolic-androgenic steroids in biological samples by GCMS/MS. Forensic Toxicol. 2026 Jan;44(1):204-216. doi: 10.1007/s11419-025-00731-6.

40. Göschl L, Gmeiner G, Gärtner P, et al. Detection of DHCMT longterm metabolite glucuronides with LC-MSMS as an alternative approach to conventional GC-MSMS analysis. Steroids. 2022 Apr;180:108979. doi: 10.1016/j.steroids.2022.108979

41. Al-Qahtani W, Abdel Jabar M, Masood A, et al. Dried Blood SpotBased Metabolomic Profiling in Adults with Cystic Fibrosis. J Proteome Res. 2020 Jun 5;19(6):2346-2357. doi: 10.1021/acs.jproteome.0c00031.

42. Li C, Li S, Jiang C, et al. Relationship Between Phenolic Environmental Estrogens and Gestational Diabetes Mellitus Modified by the Levels of One-Carbon Metabolism Nutrients in Chinese Pregnant Women. Expo Health. 2024;17(1):109-118. doi: 10.1007/s12403-024-00652-6.

43. Akiyama T, Saigusa D, Inoue T, et al. Exploration of urine metabolic biomarkers for new-onset, untreated pediatric epilepsy: A gas and liquid chromatography mass spectrometry-based metabolomics study. Brain Dev. 2024 Apr;46(4):180-186. doi: 10.1016/j.braindev.2023.12.004.

44. Yuan X, Lee J, Park E, et al. Toxicometabolomics of lindane in adult zebrafish (Danio rerio) using GC-MS/MS and LC-Orbitrap-MS/MS. Applied Biological Chemistry. 2021;64(1):52. doi: 10.1186/s13765-021-00623-4.