气相色谱-质谱仪原理和应用ppt课件.ppt

气相色谱 质谱仪的原理与应用 学习交流主要内容 N年来GC MS在省所的主要应用 中药中挥发油的检测 EI源 顶空进样 化妆品二恶烷 EI源 顶空进样 包材中苯乙烯 EI源 顶空进样 薄膜衣中塑化剂 能力验证 EI源 液体直接进样 食品中氯丙醇 CI源 液体直接进样 食品中甲拌磷 CI源 液体直接进样 食品中氨基甲酸乙酯 CI源 液体直接进样 食品中氯霉素 CI源 液体直接进样 省所配备的GC MS仪1 第一台2016年赛默飞ThermoTraceGC DSQ 省所配备的GC MS仪2 第二台2013年岛津GC MSQP2010Ultra 省所配备的GC MS仪3 第三台2014年安捷伦7000GC MSTripleQuad三重四级杆 第二部分气相色谱仪原理 气相色谱原理 气相色谱法是以气体为流动相 载气 的色谱方法 利用物质在两相中分配系数的微小差异进行分离 当样品被送入进样器后 由载气携带进入色谱柱 由于样品中各组份在色谱柱中的流动相 气相 和固定相 液相或固相 间分配或吸附系数的差异 在载气的冲洗下 各组份在两相间作反复多次分配 量变 这样原来的微小差异产生了很大的相对位移 质变 使各组份在色谱柱中得到分离 以达到分离分析及测定一些物理化学常数的目的 时间 检测器 色谱柱 样品注入口 样品注入 A B BA BA B A B B 峰A 峰B 气相色谱的工作原理示意图 A BA BA 气相色谱分类 按固定相状态分 1 气固色谱 GSC 主要基于吸附原理 多用活性炭 硅胶 分子筛 高分子多孔小球等作为固定相 分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物 2 气液色谱 GLC 主要基于分配原理 多用固定液涂渍在惰性载体上作为固定相 固定液一般是高沸点 蒸汽压低 在450 以下有1 5KPa 10KPa的蒸汽压 且热稳定的有机化合物 由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多 容易得到好的选择性 所以气液色谱有广泛的实用价值 在实际GC分析中 90 以上的应用为气液色谱 按进样方式分 可分为常规色谱 液体直接进样 顶空色谱和裂解色谱等 可以在气相色谱分析的化合物 在400摄氏度以下的温度气化 变成气体 的化合物在气化时不会分解的化合物在气化时可以分解成固定比例碎片的化合物 热裂解GC 可以分析约20 的有机物 某些无机物通过转化也可分析 难以分析的化合物 分子量小也不能蒸发的化合物 例如 无机的金属 离子 盐 活性强或极不稳定的的化合物 例如 氢氟酸 臭氧 氮氧化物 高吸附性的化合物 当化合物含有羧基 羟基 氨基 硫等 因为吸附和活度比较高 在分析时要注意 气相色谱构成示意图 GC MS联用仪主要部件 1实验室气源条件GC载气源常用氦气 纯度大于99 999 作色谱分离的流动相MS反应气源常用甲烷 异丁烷 氨 氧化氮等 作质谱化学电离反应气 减压阀俗称氧表和氢表 作气瓶减压用过滤器附于氧表后或在GC内 去除气源内水分和杂质2色谱载气状态控制部件稳压阀 或电子流量控制器 压力表 稳流阀 流量计 浮子 电子式 柱箱恒温和程序升温部件 设置的器件可随GC MS联用仪类别和使用要求而异 控制载气状态参量 温度 压力和流速 建立色谱分离条件 气相色谱仪的工作原理示意图 数据处理器 得知样品中的成份和含量 在进样口 通过加热 使每个成份被气化 载气将样品送入色谱柱 色谱柱将样品中不同的成份分离开 在检测器 从色谱柱出来的每个成份的量按比例转化成电信号 目标 混合样品 气体或液体 气体样品 顶空进样 液体样品 直接进样 GC GC载气 1 载气要求 作为气相色谱载气的气体 要求 化学稳定性好 纯度高 价格便宜并易取得 能适合于所用的检测器 2 常用载气 通常用氦气 He 和氮气 N2 以前也用氢气 H2 因易爆炸 不安全 现不常用 在使用毛细管柱作分析的情况时下 使用氦气作载气是比较理想的 气体的纯度最好高于99 99 GC MS的载气 GC MS联用对载气选择有严格要求 必须是化学惰性的 必须不干扰质谱图 必须不干扰总离子流的检测 应具有使载气气流中的样品富集的某种特性 GC MS联用不能使用氮气很少使用氢气常用纯度99 999 以上的氦气 GC MS联用不能使用氮气的原因 氮气除化学惰性外 不具备其它三个条件 并且违背条件 其电离能为15 6eV 和一般有机物电离能接近 电离效率较高 对总离子流有干扰 又因氮气的分子离子m z28离子较强 真空系统中残气的氮峰m z28已经不小 而且m z28 m z29 m z14和某些化合物的特征离子重叠 接近通常质谱扫描起始质量 会产生高的本底 不仅干扰低质量范围质谱图 对离子的相对丰度也会有影响 氦气能完全满足GC MS要求的四个条件 氦气的分子量小 容易被真空泵抽掉 具备富集样品的特性 尤其在使用分离器接口时更重要 其次 氦的电离能 24 6eV 远高于一般有机化合物的电离能 10eV左右 因此氦的电离效率相对低于一般有机化合物 对总离子流的干扰较小氦的分子离子为m z 4 远低于通常质谱扫描起始质量GC MS使用的载气纯度应为99 999 以上的氦气 GC MS很少使用氢气的原因 氢气具备 以外的三个条件 因其电离能为15 4eV 和一般有机物电离能接近 相对于氦气电离效率较高 对总离子流有干扰 但是氢的分子量小 通常质谱扫描起始质量更不会从m z1开始 在一些应用中可以和氦气交换使用 另一就是氢气安全性差 3 气流调节阀通常在减压阀输出气体的管线中还要串联稳压阀 用以稳定载气 或燃气 的压力 当用程序升温进行色谱分析时 由于色谱柱柱温不断升高引起色谱柱阻力不断增加 也会使载气流量发生变化 为了在气体阻力发生变化时 也能维持载气流速的稳定 需要使用稳流阀来自动控制载气的稳定流速 载气 载气控制方式 载气 进样系统 进样装置气体进样器 六通阀 推拉式和旋转式两种 试样首先充满定量管 切入后 载气携带定量管中的试样气体进入色谱柱 气化室将液体试样瞬间气化的装置 微量注射器进样阀 不同规格的专用注射器 填充柱色谱常用10 L 毛细管色谱常用1 L 新型仪器带有全自动液体进样器 清洗 润冲 取样 进样 换样等过程自动完成 一次可放置数十个试样 气体样品 0 2 1毫升液体的样品 1 2 L注入太多样品 造成峰形变差及进样口污染 注入GC的样品体积 各种不同溶剂的汽化体积 在进样口250 及140kPa的情况下 进样口温度 进样口温度主要由样品的沸点范围决定 还要考虑色谱柱的使用温度 即首先要保证待测样品全部气化 其次要保证气化的样品组分能够全部流出色谱柱 而不会在柱中冷凝 原则上讲 进样口温度高一些有利 一般要接近样品中沸点最高的组分的沸点 但要低于易分解组分的分解温度 注意事项 进样口温度过低 将导致高分子量化合物气化不完全 并且不能有效转移到色谱柱中 样品气化不完全 进样口温度过高 导致热稳定性差的化合物分解 样品分解 样品从进样针注入时 不同组分的气化程度不同 高沸点组分残留量比例高 一般情况下进样速度必须很快 因为当进样时间太长时 试样原始宽度将变大 色谱峰半峰宽随之变宽 有时甚至使峰变形 一般地 进样时间应在1s以内 一 填充柱 硅藻土 担体 固定液 不锈钢或玻璃 PartitionMaterials在担体上涂覆固定液固定相 液体主要用于分析液体样品 担体 固定液 色谱柱 OV 110 Chromosorb W AW DMCS 60 802m 2 6mmI D 固定液的浓度 担体的类型 担体的处理方法 目数 担体的颗粒大小 担体 固定液 色谱柱的长度 色谱柱的I D 内径 填充柱的名字的意义 担体 固定液 涂覆在担体上的固定液重量百分比浓度 低浓度 大约0 5 2 用于分析高沸点化合物 中等浓度 大约5 10 最常用 高浓度 大约20 25 用于分析低沸点化合物 固定液的浓度 填料 管 融熔石英 固定液 二 毛细管柱 CapillaryColumn 内径 I D 0 1 0 25 0 32 0 53毫米长度5 100m 30m最常用 固定液理论塔板数一般都较大柱填料 粒度为60 80或80 100目的色谱固定相柱材质 不锈钢管或玻璃管 色谱柱 Rxi 5ms Crossbond5 diphenyl 95 dimethylpolysiloxane 30meter 0 25mmID 0 25umdfMaxProg Temp 350 Min Bleedat330 毛细管柱的名字的意义 毛细管柱内径选择 内径选择的基本原则 0 10mm口径柱适用于快速气相色谱分析 0 25mm口径柱具有较高的柱效 用于标准的GC MS应用和分流 不分流分析 0 32mm口径柱中等柱效 可用于标准的GC MS应用和分流 不分流分析 0 53mm口径柱 可以替代填充柱 适合于痕量分析 增加色谱柱的内径 可以增加分离的样品量 但由于纵向扩散路径的增加 会使柱效降低 内径对分离度的影响 较小的内径可以获得更好的分离度 或者在更短的时间内获得同样的分离度 膜厚的选择 膜厚选择的基本原则 增加膜厚可以提高分离度和加强保留 厚些的液膜可以有效降低过载拖尾峰和其他化合物的共流出 如果样品的浓度范围很宽 就需要更厚的液膜 反之 如果目标组分的分离足够 并且没有共流出的问题 就可以使用比较薄的液膜 对于挥发性有机物来说 厚液膜更为合适 液膜厚度的改变将直接影响化合物的流出温度 膜越厚 保留越强 流出温度相应也越高 薄液膜 0 1 0 2 m 适合石化分析 甘油三酯等高沸点的物质 标准膜厚 0 25 0 5 m 最广泛的应用 对于流出达到300 的大多数样品分析效果良好 厚液膜 1 5 m 适合于流出温度在100 200 之间的低沸点化合物 膜厚对分离度的影响 长度的选择 长度选择的基本原则 色谱柱越长 柱效越高 分离度和柱长的平方根成正比 两倍的柱长只能增加40 的分离度 选择可以满足分离度要求的最短的柱子 如果即使是最长规格的色谱柱依然无法满足分离度的要求 请考虑更换固定相或膜厚 短柱 5 15m 通常用于10个组份以下简单样品的快速分析 标准柱 25 30m 满足大部分应用 长柱 50m以上 复杂样品分析 柱长对分析时间的影响 恒温分析 保留时间由柱长决定 柱长加倍分析时间也加倍 程升分析 保留时间主要取决于柱温 分离度的提升和恒温分析类似 但分析时间只是略有增加 由于分离度正比于柱长的平方根 所以增加柱长对分离是有利的 但增加柱长会使各组分的保留时间增加 延长分析时间 因此 在满足一定分离度的条件下 应尽可能使用较短的柱子 柱温的选择 柱温是一个重要的色谱操作参数 它直接影响分离效能和分析速度 柱温不能高于固定液的最高使用温度 否则会造成固定液大量挥发流失 某些固定液有最低操作温度 一般地说 操作温度至少必须高于固定液的熔点 以使其有效地发挥作用 降低柱温可使色谱柱的选择性增大 但升高柱温可以缩短分析时间 并且可以改善气相和液相的传质速率 有利于提高效能 所以 这两方面的情况均需考虑 柱温分为恒温和程序升温两种恒温 对于沸程不太宽的简单样品 可采用恒温模式 一般的气体分析和简单液体样品分析都采用恒温模式 程序升温 对于沸程较宽的复杂样品 如果在一恒温下分离很难达到好的分离效果 等温分析 IsothermalAnalysis 同系物 按碳数从小到大的顺序出峰 正构醇的混合物 在等温分析时 通常出峰早的化合物峰形较尖锐 通常出峰晚的化合物峰形较宽 乙酸酯类混合物 甲醇 乙醇 正丙醇 正丁醇 乙酸甲酯 乙酸乙酯 乙酸正丙酯 碳数 1 保留时间的对数 2 3 4 乙酸酯类混合物 正构醇的混合物 同系物的碳数 沸点 和保留时间的对数之间大致成的线性关系 程序升温分析 同系物中碳数的较小先出峰 正构醇的混合物 乙酸酯类混合物 乙酸甲酯 乙酸乙酯 乙酸正丙酯 含碳数 1 保留时间 2 3 4 乙酸酯类混合物 正构醇的混合物 同系物的碳数 沸点 和保留时间之间大致成线性关系 出峰时间间隔几乎相等 出峰早与晚的峰 其峰形一样尖锐 甲醇 乙醇 正丙醇 正丁醇 检测器 Detectors 检测器 是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为电信号的装置 是色谱仪的眼睛 通常由检测元件 放大器 数模转换器三部分组成 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器 按其浓度或质量随时间的变化 转化成相应电信号 经放大后记录和显示 给出图谱 质谱检测器只是气相所能配套的多型检测器中的一种 检测器 第二部分质谱仪原理 GC MS仪的工作流程图 质谱仪的组成部分 质谱仪的组成部分 1 质谱仪的组成部分 进样系统 直接进样 色谱进样离子源 化学电离电子轰击质量分析器 电磁式 四极杆滤质器 离子阱 飞行时间质量分析器离子检测系统打打拿极增益质谱仪的离子源 质量分析器 离子检测系统都离不开真空系统 质谱中通常使用两级真空排气系统 第一级的泵为主泵 通常是油扩散泵或分子涡轮泵 主要功能是抽出来自GC的载气或LC气化后的气体 使得腔体内保持高真空状态 第二级泵通常是机械泵 起到将第一级主泵抽出的气体排出的 离子源 离子源的功能是使样品分子转变为离子 将离子聚焦 并加速进入质量分析器 质谱有多种类型的离子源可满足不同极性 不同分子量范围化合物的分析需求 使用何种电离方式取决于 样品的状态 液体 固体 挥发性和热稳定性 需探寻的样品信息类型 分子结构或序列分析 质谱仪的组成部分 质谱真室系统残余气体来源 有些是不可避免的 但操作不当和不及时维护是造成严重污染主要原因 为了获得干净的谱图就必须保持真空系统的洁净 可根据本底谱图判断系统的污染源和污染程度 采取维护措施 正确的操作规程 适当的进样量 相应的温度设臵 以及适时的仪器维护 如清洗易污染的部件 老化色谱柱 更换进样隔垫 更换泵油等 是维持良好真空质量的重要保障 离子源 GC MS联用仪器除了最常用的EI离子源外 还可配置化学电离离子源 chemicalionization CI 另有场致电离离子源 fieldionization FI 场解吸电离离子源 fielddesorptionionization FD 若同时配置EI和正 负CI离子源 EI获得丰富的结构信息 CI源提供EI源得不到的分子量信息 两者是很好的补充 看视频 质量分析器 质量分析器的功能是将离子源产生的离子 按其质荷比m z进行分离 检测 得到化合物特征质量信息 所有质量分析器都具有以下特性 具离子在不同场的运动规律实现质量分离 只检测带电粒子 测定的是离子的质荷比m z 只检测气相离子 为了控制气相离子运动轨道 质量分析器必须在真空状态 压强 10 3Torr 下工作 压强越低 离子平均自由程越长目前专用的低分辨色谱 质谱联用仪器主要是四极质谱和离子阱质谱 高分辨仪器主要是飞行时间质谱和扇形场质谱 串联式质谱仪器主要由三重四极质谱及四极杆tof 看视频 四级杆分析器 四极杆侧面观图 四极杆纵观图 离子阱分析器 高低分辨之说 低分辨质谱法给出的是整数质量 高分辨质谱法给出的是精确质量下面三个化合物的相对分子质量其整数值相同 但精确质量不同 十三烷基苯C19H32260 3331苯基十一烷基酮C18H28O260 2967萘苯并噻吩C18H12S260 1486 飞行时间分析器 单四极杆 单四级杆的扫描模式 全扫描模式 scanmode 在全扫描模式中 四极杆充当随时间变化的质量过滤器 通过逐步增加DC和RF电压而执行扫描 四极杆质量分析器按顺序扫描 将选定质量范围内的每个m z传递到检测器选择离子监测 SIMmode 检测器在整个扫描周期中持续监测相同的单一 或几个 m z值 这种分析类型就称为选择性离子监测或SIM 三重串联四极杆侧面观图 移去碰撞室的串联四极杆侧面观图 碰撞室 三重四极杆扫描模式 子离子扫描四级杆1选择了某一特定质量的母离子 在六极杆碰撞池中碰撞产生碎片离子 在四级杆2中分析所有母离子产生的碎片离子母离子扫描用四级杆1扫描能产生特定碎片离子的母离子 所得到的母离子质谱峰一定是能产生指定质谱碎片的母离子中性丢失扫描四级杆1扫描产生中性丢失的母离子 四级杆2扫描已丢失指定中性碎片的离子 所得到的质谱图是由MS1扫描的母离子 母离子只能是能丢失指定中性碎片的离子多重反应监测 MRM 四级杆1选择某一质量的母离子 在碰撞池中产生碎片离子 四级杆2监测特征碎片离子 MRM对于复杂样品来说选择性更好 三重四极杆质量分析器的特点 通过子离子 母离子 中性丢失三种扫描方式 由 母离子找子离子 获得碎片离子或 子离子找母离子 获得前体离子 以及中性基团相关质量的离子 可确定各个离子的归属 研究离子的碎裂途径 主要用于化合物结构分析 而多反应选择离子检测方式MRM 主要用于定量分析 比单四极杆质量分析器的SIM方式选择性更好 排除干扰能力更强 信噪比更高 检测限更低 在许多标准的定量分析中常作为最重要的确证方法 MRM方法的开发过程 步骤1运行一个MS1全扫描方法 根据所得化合物的全扫描谱图 确定MRM方法的母离子母离子一般选丰度高的特征离子步骤2根据步骤1的结果编辑一个子离子扫描的方法调查在不同的碰撞池