【课件】气相色谱-质谱仪原理和应用

1、 气相色谱质谱仪的原理与应用学习交流 主要内容2气相色谱仪原理1气相色谱质谱仪在省所的应用3质谱仪原理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Thermo Trace GCDSQ省所配备的GC-MS仪2第二台2013年岛津GC-MSQP2010 Ultra）省

2、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ABBAB ABA B B 峰

3、A峰 B气相色谱的工作原理示意图A BAB A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1.5 KPa - 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）

4、、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

5、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

6、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）GCGC 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

7、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/z 28离子较强，真空系统中残气的氮峰m/z 28已经不小，而且m/z 28、m/z 29、m/z 14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)

8、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/z4，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GCMS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15.4e V，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/z 1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

9、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10L；毛细管色谱常用1L；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

10、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

11、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Partition Materials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-1 10% Chromosorb-W (AW-DMCS) 60/80 2m * 2.6mm I.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）固定液的种类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

12、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(Capillary Column) 内径（I.D.） 0.1，0.25，0.32，0.53 毫米长度 5-100 m(30 m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(Crossbond 5%diphenyl/95%dimethyl polysiloxane)30 meter, 0.25 mmID, 0.25 um dfMax Prog.Temp. 350 Min

13、.Bleed at 330商标固定相5二苯基95二甲基聚硅氧烷表示其包含有5的苯基基团和95的甲基基团极性最大使用温度色谱柱的长度色谱柱中固定相的膜厚毛细管柱的名字的意义是在硅氧烷聚合物中链一定数量的苯基或苯基类的基团，通常我们称之为“亚芳基”。特点：低流失色谱柱的内径最低流失温度毛细管柱 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

14、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(0.10.2m)：适合石化分析，甘油三酯等高沸点的物质。 标准膜厚(0.250

15、.5m)：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(15m)：适合于流出温度在100200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(515m)：通常用于10个组份以下简单样品的快速分析。 标准柱(2530m)：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

16、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

17、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（Isothermal Analysis ）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234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

18、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234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+ 样品与溶剂

19、脱离及电离 ESI APCIGC/MS 接口 离子源 质量分析器 检测离子 GC 数据系统 MS离子识别 Quadrapole Ion Trap Time of Flight Fourier Transform +离子检测 +-+-+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

20、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

21、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GCMS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(chemical ionization，CI)、另有场致电离离子源(field ionization,FI) ，场解吸电离离子源（field desorption ionization， 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

22、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10-3 Torr)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

23、相同，但精确质量不同： 十三烷基苯 C19H32 260.3331 苯基十一烷基酮 C18H28O 260.2967 萘苯并噻吩 C18H12S 260.1486 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(scan mode) 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（SIM mode） 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

24、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

25、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电压下所得的子离子扫描图。选择丰度高的特征子离子作为MRM 方法的子离子。（一般一