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气质联用仪基础课程PerkinElmerDemoLab TrainingCenter黄招发 一 气相色谱质谱联用基础 色谱原理色谱基本理论气相色谱系统质谱理论质谱系统 1 色谱原理 根据样品各组分在流动相和固定相中的分配情况不同来进行分离 一些组分与固定相作用较强 故较慢流出色谱柱 从而得以分离 样品组分分离示意图 色谱图 检测信号和时间的关系图不同的色谱峰对应相应的组分可以得到相应组分的保留时间和峰面积信息 保留时间 定性分析峰面积 定量分析 气相色谱理论 基本术语 CH4 分离度 Resolution 两个相邻峰的分离程度 以两个组份保留值之差与其平均半峰宽值的比来表示 当R 1时 有5 的重叠 当R 1 5时 分离程度为99 7 可视为基线分离毛细管色谱柱比填充柱有更高的分辨率 2气相色谱理论 色谱过程热力学 塔板理论 试样中各组分在两相间的分配情况 这与各组分在两相间的分配系数 各物质 包括试样中组分 固定相 流动相 的分子结构和性质有关 通过保留时间表现 由色谱过程中的热力学因素控制 塔板理论基本可解释这个过程 主要用于评价色谱柱 色谱过程动力学 VanDeemter方程 各组分在色谱柱中的运动情况 与各组分在流动相和固定相两相之间的传质阻力有关 通过半峰宽表现 这是一个动力学因素 VanDeemter方程对此作出了说明 例如 图示中塔板数为3 塔板理论 柱效能 ColumnEfficiency 峰展宽的度量 以塔板数来表示类似蒸馏中的气液平衡 综合上述三个峰展宽的因数HEPT 理论塔板高度 HeightEquivalenttoaTheoreticalPlate HETP A B C 这里 A 涡流扩散B 纵向扩散C 传质阻力 载气的线流量低的HETP 高的色谱柱效率 如果已知有效塔板数 则可计算 Neff Lcol HETP 著名的范德母特 VanDeemter 方程 A 涡流扩散 不同路径的影响 取决于色谱柱大小 形状和填充的好坏 毛细管柱可忽略该项 影响色谱柱效率的因素 B 纵向扩散 气相中分子的扩散主要决定于气体流速 C 传质阻力 样品组分从气相到液相容易 主要取决于气体的流速和固定相量的多少 由该图可以得到最佳的线速度 对于毛细管柱可忽略A项 涡流扩散 一般对于毛细管线速度为30 60cm sec VanDeemter图 3 气相色谱系统 3 1气体 作用 1 载气 作为色谱的流动相2 检测器的工作气体 要求 稳定的气体流速和压力干净 无干扰 供应 钢瓶气 气体发生器控制 净化系统和压力控制除氧 活性炭除碳氢化合物 分子筛除水 气体的供应和控制 两级的气体压力调节器 低压端可从0到100psig 注意 不要用不干净的管路 气体进口及连接 如果管线太长 应适当增加输出压力 3 2进样口 作用 样品进样和汽化 要求 精度和重现性根据样品的性质选择进样技术 3 2 1基体 气体样品 注射器 进样针液体样品 注射器 进样针固体样品 液体溶解 裂解色谱 3 2 2进样方式 填充柱进样口 PAK 柱上进样 OnColumn 非柱上进样毛细管柱进样口 CAP 分流进样不分流可程序升温进样口 PSSI 分流进样不分流 分流 不分流进样 用于毛细管柱0 1mmto0 53mmID 可选用分流 不分流进样 split splitless 分流 split 允许样品中的部分进入到色谱柱中 当被测物浓度较高时 不分流 splitless 类似于直接进样 样品中绝大部分进入到色谱柱中 分流比 排气口流量 色谱柱流量色谱柱流量分流比的设定根据样品的浓度和复杂程度来决定 总流量一定要大于20ml min隔垫吹扫 用途 赶走残留样品和溶剂 2 5mL min的载气直径吹扫隔垫底部 可用烧结的限制器和针型阀来控制 在特有的毛细管柱进样口上使用 分流比S R 3 3色谱柱 3 3 1填充柱 玻璃 特氟珑及不锈钢材质 惰性 填充柱尺寸 3 3 2毛细管柱 不锈钢 玻璃 熔融硅 柔韧性及机械强度均较好惰性内径 0 05 0 80mm 长度 可大于100m 普通一般为30m 外层为聚酰亚胺 可修补柱子缺陷并且增加强度 柱子内表面进行硅烷化处理 内壁涂有固定相 毛细管柱截面图 毛细管柱 分类 WCOT 内表面涂有很薄的固定相 PLOT 内表面涂有多孔的固体层或吸附剂SCOT 内表面先涂固态载体 然后再涂上固定相 3 3 3固定相 固体固定相 气固色谱或吸附色谱 用于分析永久性气体 如H2 O2 CO CH4等 液体固定相 需要载体来承载固定液载体 硅藻土型和非硅藻土型固定液 甲基硅氧烷 苯基甲基硅氧烷 氰基丙基硅氧烷 二氟丙基硅氧烷 固定相 固定相取代 固定相 3 3 4色谱柱参数 柱长 内径 涂膜厚度色谱柱长度柱长度只有大的变化才会影响分辨率 填充柱一般为2 3米 毛细管柱可以根据需要进行裁剪 色谱柱内径填充柱固定为2mm 毛细管柱的内径可从0 10 0 8mm 内径的大小将影响到色谱柱的效率 保留时间和柱容量 较小的内径有较小的流失和较小的柱容量 色谱柱参数 内径 0 25mm 用于分流 不分流进样 前提是被测物不会过载 0 32mm 用于分流 不分流进样 允许较高浓度的分析物 0 53mm 如果想取代填充柱 并且被测物少于30种 色谱柱参数 涂膜厚度 固定相的总量 影响保留时间和容量 较厚的涂层会延长保留时间和增加柱容量 薄的涂层用于高沸点的分析物 标准的毛细管柱一般为0 25 m 0 53mm内径的毛细管柱一般为1 0 1 5 m 填充柱一般 10 m 色谱柱中固定相流失 柱流失可以从检测器的背景信号中观察到 柱流失是由于固定相遭到破坏而导致的 柱流失随着膜厚 柱内径 长度和温度的增加而增加 极性柱有较高的柱流失 柱子损坏或退化 柱流失可能会增加 避免使用强酸或强碱按照制造商推荐的温度限制使用 温度限制 恒温最高允许温度 恒温操作的最高允许温度程序升温最高允许温度 短期允许的最高温度 一般比恒温允许的最高温度高20 C 当柱子遭受热破坏 可以看到严重的峰拖尾和柱流失 色谱柱维护 老化 确保载气流过毛细管柱15 30分钟 缓慢程序升温 5 min 到老化温度 最初老化温度 4hours 如果柱子受到污染 可在推荐的最高色谱柱温度低20 C的条件下 老化柱子 在老化柱子时 一定不要将毛细管接在检测器上 应将那一端放空 同时将检测器用闷头堵上 如果是FID 容许接在上面 但应该将检测器温度升上去 3 4检测器 通用型检测器 UniversalDetector 热导检测器 TCD 氢火焰检测器 FID 选择性检测器电子捕获 ECD 脉冲火焰光度检测器 FPD 氮磷检测器 NPD 检测器要求 检测限 检测限 通常将产生两倍噪声信号时 单位体积的载气或单位时间内进入检测器的组分量称为检测限 单位为mg mL 检测器要求 灵敏度 S SENSITIVITYINCOULOMBS GRAMS HxWH V x 1 SP C H AMPGAINRANGE1 x INTEGRATORATTEN x SIGNALMV H 3 33x10 13AMP MV x 8 x SIGNALMV WH WIDTHAT1 2HEIGHTINSECONDS Note Widthat heightinMinutesx60 WHinseconds V SAMPLEWEIGHT C8 IN0 5mLV 2 965x10 6 GRAMSCARBONSP SPLITFLOWINML MINC COLUMNFLOWINML MIN 4质谱原理 M e M 2e M F A Page43 色谱过程 Page44 质谱检测 Page45 混合物的质谱图 GC和MS联用的基础 气相色谱出口气体压力和质谱正常工作所需要的高真空的适配质谱扫描速度和色谱峰流出时间的相互适应必须能同时检测色谱和质谱信号 获得完整的色谱 质谱图 5MS系统 5 1进样系统5 2离子源5 3质量分析器5 4离子检测器5 5真空系统 离子源 电子轰击电离 Electronimpactionization EI 易于实现 更重要的是所得质谱图再现性好 便于计算机检索对比 含有较多的碎片离子信息 缺点是分子离子峰强度低 化学电离 Chemicalionization CI 样品分子的电离是经过离子 分子反应而完成的 得到较强的准分子离子峰其他电离方式 快原子轰击 FAB 基质辅助激光解析电离 MALDI 质量分析器 磁分析器 扇形磁场 仅对离子进行方向聚焦 质量范围宽达几万质量单位 分辨率高 谱图重复性好 速度不够快 结构复杂 体积大 四极滤质器 加了射频电压和直流电压的四极杆 结构简单 体积小 没有磁铁 无磁滞效应 扫描速度快 特别适合于GCMS MSMS联用仪器 分辨率低 质量范围小 一般在1000质量单位以内 离子漂移管 用于飞行时间质谱 在加速电压和飞行距离不变的条件下 不同质荷比离子从离子源被加速引出后 进入无场空间 可检测的相对分子质量范围大 可达几十万质量单位 灵敏度高 扫描速度快 仪器结构简单 离子阱 由一个双曲面的环形电极和上下一对端射频电极构成 体积小 价格便宜 共振回旋分析室 回旋共振傅里叶变换质谱仪 分辨率高达100万以上 精确质量数可测到百万份之一质量单位 灵敏度可达pg数量级 扫描速度快 测量范围达10000u以上 可用于生物大分子的测定 仪器结构简单 无移动部件 运行性能可靠 仪器价格高 检测器 光电倍增管 基于二次电子发射将微弱光信号转换为电信号的真空器件 响应快 范围宽 线性范围可达106 真空系统 分子涡轮泵 10 5 10 6Torr 启动时间短 比扩散泵更快达到其极限值 比同样泵速的扩散泵放出的热量少 没有泵油的污染 能获得清洁的真空 别泵出的气体不会返扩散到真空室 缺点是价格贵得多 任何泵部件的损害都导致泵完全报废 扩散泵 10 5 10 6Torr 可靠 只需定期更换泵油 较少维护或不用维修 价格低 缺点是存在泵液蒸汽返流 扩散泵液返流真空室内 使得整个仪器需要彻底清洗 泵液加热 突然停电的话 泵体无法迅速冷却 造成返油将严重污染仪器