基础理论ppt课件

GCMS基础知识,GCMS的基本流路图,GC,接口,MS,数据处理,真空系统,GC基础知识,色谱的热力学理论-塔板理论,理论塔板数N=5.545(tR/WH/2)=L/HETP,理论塔板数（）理论塔板高度（）,理论塔板数N 表示柱效的参数 N越大，柱效越高 理论塔板高度(HETP) 表示柱效的参数（与柱长无关） H越小，柱效越高,色谱的动力学理论速率理论 方程,A ： 涡流扩散项（多途径造成） B ： 纵向扩散项 C: 传质阻力项,u： 载气线速度,H = A+ B/u + Cu,Van Deemter方程式,气相色谱质谱仪的基本流路图,气相色谱仪的流动相-载气,高纯氦气（纯度99.999%以上）,气相色谱的进样方式,WBI进样口 毛细柱分流/无分流进样口 冷柱头进样 PTV进样口,热进样和冷进样,热进样 分流/无分流进样 直接进样（WBI） 宽口毛细柱和填充柱 冷进样 PTV进样 冷柱头进样,歧视效应和热分解,热进样 (SPL, WBI) 存在歧视现象和样品热分解 冷进样 (OCI, PTV) 进样是在较低温度下进行 定量精度高 歧视效应和热解效应的影响小,歧视效应的产生,歧视: 蒸溜现象 形成气溶胶 分溜现象,低沸点组分百分比偏高,进针 退针,高沸点组分残留,减小热进样歧视现象的方法,快速进样法 溶剂冲洗法 热针法,溶剂冲洗法,蒸溜和分溜减少,冷进样,概念 样品是在冷状态-低于样品沸点的温度下进样 (依据溶剂) 气化室快速升温使样品气化 PTV进样方式 分流进样(高浓度样) 无分流进样 (低浓度样) 大体积进样LVI (痕量分析),OCI柱头进样 只适用于0.53内径的柱子 无分流流路，不能分析高浓度样品（污染柱子），进样量 一般小于2ul,SPL-无分流进样和 OCI以及 PTV-无分流进样的比较(热分解现象),进样体积上限,无分流进样 (SPL,PTV) 2uL 高压进样 (SPL,PTV) 5uL 直接进样（全量进样） 3uL 用宽口径毛细柱 冷柱头进样（OCI） 2uL LVI-PTV 进样 空衬管 10uL 衬管 + 石英棉 50uL 衬管 + 填料 大于 1000uL,进样口的结构,毛细柱进样口,WBI进样口,分流/不分流进样口示意图,分流比： SPL.RF1:F2,WBI进样口示意图,用于： 宽孔径毛细管柱 填充柱,载气 毛细柱,隔垫吹扫出口 分流出口,1. Column Sleeve/Guide (OCI-mode) 2. 玻璃衬管 （Glass Insert) (PTV-mode),OCI/PTV进样口示意图,色谱柱的介绍,色谱柱的类型,填充柱,柱材：不锈钢，玻璃 内径：2.6-3mm 长度：0.5-6m 填料：担体和固定液的种类 固定液的浓度 1-30% 担体有硅藻土、玻璃、 石英、塑料担体（TPA） 等。,毛细柱 柱材：熔融石英、铝 内径：0.2mm-0.53mm 长度：10-100m 固定相种类：OV-1，PEG- 20M，OV-17等 固定相膜厚：0.2-5m,色谱柱的类型,毛细柱主要类型,Wall Coated Open Tubular,多孔层开口柱,管壁涂渍开口柱,毛细管柱管材,熔融石英 合成高纯石英 外表面涂覆聚酰亚胺 内表面经化学处理 不锈钢 用于高温分析 最不易断裂 内表面经特殊处理,固定相,大多数固定相为聚合物 聚甲基硅氧烷（Polysiloxanes, silicones） 聚乙二醇（Polyethylene glycols, PEG）,固定相聚甲基硅氧烷,siloxane,backbone,固定相聚乙二醇,“WAX” or “FFAP” 类固定液 例如： DB-WAX, DB-FFAP 温度稳定性比聚硅氧烷类差，最高使用温度低于聚硅氧烷类固定液,固定相“ms” 或低流失柱,苯基基团键合入硅氧烷聚合物主链,温度稳定性更好,固定液流失,100 C,270 C,300 C,300 C for 12 min,Bleed,常用固定相,Phase composition,J&W,SGE,Restek,100% dimethyl polysiloxane,DB-1,BP-1,Rtx-1,95% dimethyl- 5% diphenyl polysiloxane,DB-5,BP-5,Rtx-5,Polyethylene glycol (PEG),DB-Wax,BP-20,Stabilwax,50% dimethyl- 50% diphenyl polysiloxane,DB-17,BP-17,Rtx-17,6% cyanopropylphenyl- 94% dimethyl polysiloxane,DB-624,BP-624,Rtx-624,色谱柱的选择,固定液极性的选择（按相似相溶原则） 非极性固定液-有按沸点顺序溶出倾向 极性固定液-沸点相同时，按极性由小到大 的顺序溶出 固定液的浓度或毛细管柱的膜厚 对低沸点化合物 高浓度（10%30%) 高膜厚(15m) 对高沸点化合物 低浓度（1%5%) 低膜厚(0.250.5m),几种代表性固定液的极性 (Mc Reynolds 常数),Squalane 0 （非极性） PEG20M(DBWAX) 322（强极性） SE30 15 FFAP 340 OV101(DB1) 17 PEG1000 347 SE54(DB5) 33 （弱极性） EGA 372 DC550 74 DEGS 484 OV17 119（中极性） TCEP 593 （超强极性） BCEF 690,名称 I Benzene 名称 I Benzene,内径对毛细柱分离的影响,0.22mm x 25m,膜厚对毛细柱分离的影响,毛细柱的内径、膜厚及柱容量,毛细管柱流量设定,内径,载气流入 MS 大流量 真空度差,柱内径 流量 0.25mm 1-2ml/min 0.32mm 2-4ml/min 0.53mm 10-15ml/min,各公司常用毛细柱商品名及固定液对照表,色谱柱的老化,为什么必须进行色谱柱老化？ 新色谱柱含有溶剂和高沸点物质，所以基线不稳，出现鬼峰和噪声；旧柱长时间未用，也存在同样问题。一般 采用升温老化，即从室温程序升温到最高温度，并在高温段保持数小时。 新柱老化时，最好不要连接检测器。 每天都要进行老化吗？ 视仪器基线情况，确定是否需要老化以及老化时间。,色谱柱分离效率评价,色谱柱效率：峰尖 评价：理论板高(HETP)、理论塔板数(N) 对策：将Van Deemter 各因素优化 选择性：峰的分离度 评价：分离因子或分离度 对策：选择极性相当的固定相 峰的对称性：吸附现象 评价：拖尾因子 对策：色谱柱进一步老化,MS基础知识,MS流程图,样品,进样系统,离子源,真空系统,质量分析器,检测器,数据处理,GC进样 直接进样,直接进样方式 DI,为什麽MS需要高真空,提供足够的平均自由程 提供无碰撞的离子轨道 减少离子-分子反应 减少背景干扰 延长灯丝寿命 消除放电 增加灵敏度,真空系统确保离子由离子源转移至检测器,ion,air, water etc.,高真空,低真空,为什麽MS需要高真空,压力 10-3-10-4 Pa(平均自由路径 5m-50m),排气系统,主泵,副泵,真空泵 (主泵),涡轮分子泵（Turbo molecular pump）,旋转叶片使气体分子向下移动并 由 出口排出 干净真空 启动和关机时间短 价格昂贵,单泵排气系统和差动排气系统,差动排气系统更有利于高流量分析,单泵排气系统,差动排气系统,高真空,Interface:GC 和 MS的连接部件,使用石墨垫圈 密封（85%Vespel+15%石墨）,加热块,接口,MS 的分类,磁质谱 四极杆质谱 飞行时间质谱 (TOF) 离子肼质谱,磁质量分析器,磁质量分析器是根据离子束在一定场强的磁场中运动时，其运动的曲率半径Rm与离子的质荷比m/z和加速电压V有关，当加速电压固定时，不同质荷比的离子的曲率半径不同，于是不同质荷比的离子在空间有不同的位置，得到了空间位置上的分离。 m/z=kRm2B2/V B: 磁场强度,磁质量分析器,飞行时间质量分析器,四极杆质量分析器,m/zV m：mass number z ：charge ( =1 in GCMS) k ：constant V :voltage applied to QP,四极杆质量分析器,离子阱质量分析器,离子阱质量分析器由环形电极和上下两个端盖电极组成，在环形电极和端盖电极之间加上高频电压，当高频电压固定为某一值时，只能使某一质荷比的离子成为肼内的稳定离子，轨道振幅保持一定，可长时间留在肼内。当在引出电极上加负电压脉冲，可将肼内的稳定离子引出，再由检测器检测。,离子阱质量分析器,QP/MS的结构,离子源,透镜,四极杆,检测器,气质联用使用的电离技术,电子轰击电离（EI） 正化学电离（PCI） 负化学电离（NCI）,电子轰击电离（EI）,e-,e-,e-,e-,e-,样品分子,灯丝,+,+,+,+,碎片离子,QP,电子轰击电离（EI）,热电子（70eV）轰击分子，使其电离 丰富的碎片离子=丰富的结构信息 “指纹”,EI spectrum 硬酯酸甲酯 M.W. 298,反应气,灯丝,QP,CH4,CH5+ C2H5+,样品分子,H+,-CH4,M+1,-C2H4,正化学电离（PCI）,正化学电离（PCI）,首先电离反应气分子样品分子主要 由质子转移电离 容易产生准分子离子用于确定分子量,+,PCI spectrum 硬酯酸甲酯 M.W. 298,EI和 PCI的比较,EI 模式,PCI 模式,负化学电离(NCI),灯丝,e-,e-,e-,e-,捕获电子形成负离子,MX+e(015eV)MX,X: 电负性强元素,CH4,MX,CH4,+,CH3,+,H,CH4,CH4,CH4,e,MX,_,负化学电离(NCI),NCI 质谱图,六氯苯 M.W. 284,负化学电离(NCI),NCI 的优点,适合分析电负性强的元素 高灵敏度 与 GC-ECD灵敏度相当 高选择性,EI,PCI,NCI,Marthone (MW 330),EIPCINCI 的比较,NCI-GC/MS 和 GC-ECD定量结果的比较,按 JP方法进行前处理,面积的重现性,离子源结构,电离室 透镜,电离室,永久磁铁 灯丝 靶 电子聚焦,离子化过程：样品分子与电子相互作用，电子把能量给予样品。如果这个能量足够大，则化合物被活化，失去一个电子，产生一个正离子，我们称之为分子离子。电子的能量通常为70ev。如果样品分子离子含有剩余的能量，会导致离子进一步断裂，形成碎片，剩余的能量越多，生成的碎片越多。形成的中性碎片被真空泵抽走，负离子撞击到离子源的其他部件上。,透镜,排斥极：使带正电荷的离子碎片向质量分析器方向运动。排斥极位于离子化室出口对面；它的极性与离子相同。排斥极帮助离子穿过透镜。 拉出极：帮助带正电荷的离子碎片向质量分析器方向运动。拉出极的电压比排斥极负，吸引正电子向质量分析器方向运动。拉出极是一个中心带有小孔的圆片。 离子聚焦：如果没有其他部件，离子穿过拉出极后会发生散射，离子聚焦部件可以帮助离子成束状进入质量分析器。离子聚焦带负电，形成一个电场，即使离子聚成束，又防止聚焦部件捕获电子。 入口透镜：位置紧挨四极杆，作用是使离子加速，并且抑制四极杆的边缘效应，防止离子外溢。,离子检测器,电子倍增管： 从质量分析器出来的离子轰击电子倍增管的阴极表面，使其发射出二次电子，再由二次电子依次轰击一系列电极，使二次电子获得不断倍增，最后由阳极接受电流，使离子束信号得到放大。,离子检测器,负离子检测器,正离子检测器,MS调谐,灵敏度调节 分辨率调节 质量数修正 相对强度修正,MS 调谐标样,PFTBA(全氟三丁胺),稳定 可挥发 碎片涵盖质量范围宽 仅有C-13和N-15同位素 无质量缺陷,PFTBA,relative m/z intensity 69 100.0 131 26.0 219 32.0 414 2.0 502 2.0 614 0.4,MS自动调谐流程,寻找质量峰 粗调EM电压和峰宽 调节离子源部件使502达到最佳 调节EM和峰宽达到最佳 质量轴校正,GC-MS常用术语,基峰：179 分子离子：304 质荷比（m/z),质谱图（棒图）,GC-MS常用术语,总离子流图（TIC),TIC和MC（质量色谱图）,GC-MS常用术语,总离子流图（TIC),数据采集模式,Scan（扫描） SIM (选择离子),mass number,mass number,Time,Time,Scan,SIM,(定性),(定量),Scan 模式（定性）,m/z,Retention time,TIC : Scan,72,54,152,MS 质谱图,SIM 模式（定量）,灵敏度高于 Scan模式,SIM (选择离子模式）,SIM主要用于定量分析 只有特定质量数的离子被检测 根据目标化合物选择合适的检测离子相当重要。 灵敏度取决于所选择的检测离子。,数据采集模式,SIM 模式（定量）,SIM的优点： 提高灵敏度 改善峰形 改善精确度 应用 痕量分析 复杂基质 常规定量,原子质量和质量数,以12C 质量12为单位来表示原子质量 质量数 : 整数表示,example mass mass number 1H 1.00782522 1 2H 2.01410222 2 12C 12.00000000 12 13C 13.00335508 13 14N 14.00307440 14 16O 15.99491502 16 18O 17.99915996 18,示例: 水的质量数 (H2O) 1x2+16=18 更精确的分子量 1.00782522x2+15.99491502= 18.01056546,分析方法 计算方法,方法的建立,分析方法（仪器参数）,分析参数 选择分析系统: 进样方式、色谱柱等 GC参数: 载气流量、分流比、温度条件等 MS参数: 扫描模式：SCAN, SIM 离子源： EI, PCI, NCI 检测器电压等,进样口、色谱柱、检测器的温度设定,进样口温度 考虑样品中各组分的沸点，设定温度使样品瞬间汽化。 色谱柱温度 考虑样品中各组分的沸点，及希望的分析周期， 宽沸程样品应使用程序升温。 检测器温度 防止检测器污染，一般比色谱柱温度高20-30。 DET.TINJ.TCOL.T+20,恒温分析和升温分析的比较,恒温分析,升温分析,沸程窄时采用恒温分析 恒温分析时，保留时间和碳 数程指数关系,C8,C9,C10,C11,C8,C9,C10,C11,沸程宽时采用升温分析 升温分析时，碳数和保留时 间程比例关系 基线调整困难，应确认空白是否有鬼峰出现。,计算方法（数据处理参数）,峰处理参数（WIDTH, SLOPE, DRIFT, T.DBL等） 定量参数 定量方法： 内标法、外标法、面积归一法等 工作曲线的制作 曲线点数：一点、两点及多点 曲线计算：线性回归、折线、 二次曲线、三次曲线 定性参数： 保留时间、时间窗、时间带,峰处理参数,去除高频噪声(电磁干扰）WH/2WIDTH/4 控制数据采集速度，WIDTH/10采一次数据 控制S.TEST时间，斜率测试时间为 10WIDTH,WIDTH：设为最窄峰的半高宽，单位：秒,推荐值：填充柱 5 毛细柱 23,判断峰起点 滤除低平噪声（如蛇行等） SLOPE的确定：一般通过S. TEST进行，测定时间为 10倍WIDTH的时间。 特殊情况，可根据实际需要改变该值。,SLOPE：10倍WIDTH的所有信号的总和，用于：,峰处理参数,SLOPE值的手动设定,单位：uv/min,SLOPE,SLOPE,SLOPE峰斜率，作为峰计算,SLOPE峰斜率，作为噪声滤除,SLOPE峰斜率，积分不稳定，须手动设定,峰处理参数,DRIFT：判断相邻峰的积分方式,注：1）设定值为0时，积分仪将自动判断 2）如DRIFT与基线至峰谷连线较接近时，积分 可能不稳定，导致面积值变化较大，需加 以注意。,DRIFT值的设定,DRIFT,DRIFT,DRIFT,DRIFT,DRIFT,DRIFT,峰处理参数,设定值为0时，自动判断； 不使用时可设为1000 T.DBL设定为某值时，SLOPE和WIDTH按下图改变,T.DBL：峰展宽一倍所需要的时间,定性参数,保留时间允许误差： 时间窗 (WINDOW)，相对允差 设定简单，但所测组分保留时间跨度大时，不易设定 时间带(BAND)，绝对允差 设定较繁，需逐个组分设定,绝对保留值、相对保留值、多参考保留值,定量参数,校正级别（曲线计算方法） 单点校正（liner) 两点校正（liner) 多点校正 线性回归 点到点连线（折线） 二次曲线 三次曲线,单点校正,对每一组分仅做一个浓度的标样 标样浓度应尽可能接近实际样品中各组分的浓度 单点校正曲线通过原点,多点校正,对每一组分至少作三个不同浓度水平的校正 标样浓度范围应包含实际样品中各组分的浓度 多级校正有几种方式 1.响应值随浓度变化不呈线性变化时，使用多线性校正（折线校正）或二次曲线