GCMS气相色谱质谱联用仪基础知识和培训教材

1、GCMS气相色谱/质谱联用仪基础知识和培训教材第一部分GCMS基本构成GCMS : 气相色谱/质谱联用仪GC:气相色谱（Gas chromatograph）MS:质 谱 （Mass spectrometer ）目的 ：分离样品组分GC组成进样口 ( 样品气化)色谱柱 ( 分离 )检测器 (FID, MS,)载气样品离子源透镜系统四极杆检测器离子化离子聚焦质量分离离子检测MS组成第二部分GC基础载气氦气：高纯，99.999%10%的钢瓶气保有量载气纯度的重要性 载气不纯带来的问题：载气中氧的存在导致固定相氧化，损坏色谱柱，改变样品的保留值。载气中水的存在导致部分固定相或硅烷化担体发生水解，甚至损

2、坏柱子。气体中有机化合物或其它杂质的存在产生基线噪音和拖尾现象。气体中夹带的粒状杂质可能是气路控制系统失灵。分流/不分流进样口（SPL）填充柱进样口（WBI）冷柱头进样口（OCI）程序升温进样口（PTV）分流/不分流进样是GCMS最为常用的进样方式GC进样口 分流/不分流进样口结构F1F2什么是分流进样?46mL/min0.25mmI.D.x30m , df=0.25um1mL/min50mL/min47mL/minCarrier GasP分流3mL/min隔垫吹扫分流比分流流量和色谱柱流量之比 当柱流量为 1mL/min、分流流量为 46mL/min-分流比46:1防止色谱柱过载为什么要分流

3、进样? 加快进样时间，减小色谱峰展宽前沿峰柱内径、膜厚和样品量e.gSPL-2010(Split)25mm石英棉10-15mm(10mg)34mm分流进样注意点_石英棉的装填避免分流歧视，提高重现性不适合微量组分的分析（ppm以下）考虑到样品进样时间，柱流量分流流量最好大于30mL/min 未知样品分析时，初始分流比采用50:1或者100:1使用分流进样用玻璃衬管正确装填石英棉定期更换分流出口的捕集阱分流进样操作要点什么是不分流进样？（I）1mL/min50mL/min47mL/min载气46mL/min分流初始柱温：溶剂沸点-10度待机状态和进样后1min内1mL/min0mL/min分流流

4、路关闭后总流量变为4mL/min3mL/min（进样时间设为1min时）1mL/min进样时的4mL/min1mL/minCarrier GasP0mL/minSplit 50mL/min47mL/min46mL/min什么是不分流进样？（II）进样1min后打开分流流路3mL/min分流流路1min后打开电磁阀的作用n-C11n-C13n-C15n-C17n-C18n-C11n-C13n-C15n-C17n-C18进样后1min打开电磁阀未打开电磁阀进样后1分钟内色谱峰展宽的影响0.25mmI.D.x 30m , df=0.25um1mL/min4mL/min载气分流初始柱温：溶剂沸点-10

5、度1mL/min0mL/min3mL/min隔垫吹扫如何减小色谱峰展宽：1）溶剂聚焦效应2）高压进样溶剂聚焦效应溶剂在柱头重新冷凝进样口初始柱温：溶剂沸点-10度溶剂聚焦对峰形的影响色谱柱：Rtx-5进样量：样品：5ug/mL农药混标 （溶剂为正己烷）柱温程序：150C to 275C 4C/min.色谱柱：Rtx-5进样量：样品：5ug/mL农药混标 （溶剂为正己烷）柱温程序：40C to 150C 25C/min. 然后 275C 4C/min.1mL/min9mL/min载气分流初始柱温：溶剂沸点-10度6mL/min0mL/min3mL/min隔垫吹扫高压进样待机状态和进样后1min内

6、（高压时间设为1min时）1mL/min6mL/min100Kpa250Kpa 进样1min后，柱压回到100Kpa，柱流量恢复为1mL/min主要用于分析微量组分（数十 ppm 或更低）使用不分流进样衬管或去活性不分流进样衬管衬管中可装填少量石英棉以提高重现性。 如样品有强吸附性，最好不加石英棉。必须使用程序升温方式，初始温度低于溶剂沸点1020度建议使用高压进样方式不适合气体样品和低沸点溶剂类样品的分析不适合分析在溶剂峰之前出峰的组分不分流进样操作要点WBI进样口用于：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.

7、 玻璃衬管 （Glass Insert)(PTV-mode)OCI/PTV进样口注意事项-样品气化不完全进样口温度过低，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。进样口温度：200进样口温度：300注意事项-样品分解进样口温度过高，导致热稳定性差的化合物分解。进样口温度：280进样口温度：200注意事项样品歧视高沸点化合物的响应值相对同样量的低沸点化合物，响应值偏低。热进样口（温度恒定进样口）的常见问题，尤其是对宽沸程样品的时候最为明显。在分析条件固定的情况下，歧视是重现的，一般不会对定量结果准确度产生影响。可以选择冷进样方式或者更改衬管类型改善样品歧视效应。分流无分流进样口

8、进样口温度：340冷柱头进样口初始进样口温度：40注意事项-其他谨慎选择进样量（小于2uL)，避免样品溢出采用大分流比分流进样时，建议开启载气节省功能进水样时，建议开启分流阻尼固定功能注意衬管中石英棉的用量和位置，以及和进样针的配合情况分析高活性样品时，注意衬管和石英棉去活分析较脏样品时，要增强衬管和石英棉检查的频度毛细管柱主要类型Porous Layer Open TubularWall 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WC

9、OT 毛细管柱:聚甲基硅氧烷（Polysiloxanes, silicones）聚乙二醇（Polyethylene glycols, PEG）固定相聚甲基硅氧烷siloxanebackbone固定相“ms” or low bleed version苯基基团键合入硅氧烷聚合物主链Rtx-5msDB-5msBPX-5e.g.温度稳定性更好固定液流失021868101214164202224100 C270 C300 C300 C for 12 minBleed固定相聚乙二醇“WAX” or “FFAP” 类固定液e.g. Rtx-WAX, Stabilwax-DA，DB-FFAP温度稳定性比聚硅氧

10、烷类差，最高使用温度低于聚硅氧烷类固定液常用商品化毛细柱对照表固定液类型RestekJ&WSGEAlltechMachereyNagel100% dimethyl polysiloxaneRtx-1Rtx-1msDB-1DB-1MSBP1AT-1AT-1MSOptima 195% dimethyl/5% diphenyl polysiloxaneRtx-5Rtx-5msRxi-5msDB-5DB-5MSBP5BPX5AT-5AT-5MSSE-54Optima 5 65% dimethyl/ 35% diphenyl polysiloxane Rtx-35Rtx-35msDB-35DB-35MS

11、BPX35BPX608AT-35-50% dimethyl/ 50% diphenyl polysiloxaneRxi-17Rtx-50DB-17DB-608BPX50AT-50Optima 176% cyanopropylphenyl/94% dimethyl polysiloxaneRtx-1301Rtx-624DB-1301DB-624BP624AT-1301AT-624Optima 1301Optima 62414% cyanopropylphenyl/86% dimethyl polysiloxaneRtx-1701DB-1701BP10AT-1701Optima 1701trifl

12、uoropropylmethyl polysiloxaneRtx-200DB-200DB-210AT-210Optima 21050% cyanopropylmethyl/50% phenylmethyl polysiloxaneRtx-225DB-225BP225AT-225Optima 225polyethylene glycol (PEG)Rtx-WAXDB-WaxBP20AT-WAXCarbonWAXOptima WAXpolyethylene glycol 2-nitroterephthalateStabiwax-DADB-FFAPBP21AT-1000Optima FFAP固定相选

13、择选择与目标化合物极性相近的固定相(“相似相溶”原则）- 峰形和分离变好.分析非极性化合物非极性柱(e.g.Rtx-1)分析极性化合物极性柱(e.g. StabilWAX） 按照分析目的选择固定相.当组分沸点差异大时： - 非极性柱(e.g.Rtx-1) 当组分沸点差异不大时，如异构体： - 极性柱(e.g. StabilWAX）按所需分离状况选择需要高分离时： -内径: 细、长度: 长柱分离已足够，要缩短分析时间时： -内径: 粗、长度: 短、膜厚：薄柱按分析目的选择分析低沸点化合物时： - 长度: 长、膜厚：厚 柱 分析高沸点化合物时： - 长度: 短、 膜厚: 薄 柱柱内径、长度、膜厚选

14、择 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 GCMS-QP2010 Plus:允许最大流量：15mL/min(EI方式）载气控制方式恒流控制（使用填充柱和宽口径毛细管柱时) 不管色谱柱阻力如何变化，载气流速始终恒定。 (柱温上升时柱头压力自动调整)恒压控制( 通常用于毛细管柱) 载气柱头压力始终恒定。 (柱温变化时柱内流速同时改变) 恒线速度方式（用于毛细管柱，GC-2010/2014具有此功能） 柱内平均线速度维持不变. (色谱柱阻力变化时柱压自动调整) 不同控制

15、方式下载气线速度的变化(程序升温时)20304050604090140190240290340390 柱温平均线速度（cm/sec）恒流恒线速度恒压HETPuoptHminu cm/s第三部分MS基础Interface（接口）Interface:GC to MS的连接部件接口columnMS高真空使用石墨垫圈 密封（85%Vespel+15%石墨）加热块真空- 另一重要因素- 真空系统确保离子由离子源转移至检测器+ionair, water etc.高真空低真空排气系统Ion sourceLens systemRod systemDetector主泵副泵真空泵 (主泵) Turbo molec

16、ular pump （涡轮分子泵）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RPGCGCMS-QP2010 PlusIonization（离子化）样品分子在离子源中离子化根据样品条件不同 (如气体或液体)，离子化方法也不同对气体样品来说有三种离子化方法EI (Electron Impact，电子轰击电离)CI (Chemical Ionization，正化学电离PCI)NCI (Negative Chemical Ionization，负化学电离) e-e-e-e-e-Samp

17、le from GCfilament+Fragment ionQPEI(电子轰击电离)分子离子产生：MeM+2e 最常用的离子化方法 开放式离子源 产生大量碎片离子EI概述 碎片和质谱图分子受到电子（70eV）轰击，在较低能量的化学键处发生断裂A-B-C-D e ABCD(molecular ion)2e-ABC+、D+ AB+、CD+A+、BCD+每一化合物具有特定的质谱图：用于化合物识别（定性） (谱库检索)ADABCDABCBCDABCD基峰分子离子fragment ions（碎片离子）俵e- M m1m3m2EI 谱图示例m.w.72from gas cylinderfilamente

18、-e-e-e-e-QPCH4 CH5+C2H5+Sample from GCH+-CH4M+1-C2H4CI (正化学电离)需要反应气（Reagent gas ） 关闭式离子源 ( 离子源内压力约 10Pa )碎片少 ( 软电离) 产生准分子离子（ pseudo-molecular ions,M+1）有利于测定分子量CI概述 EI和CI谱图比较Methylstearate（硬酯酸甲酯） M.W. 298EICINCI (负化学电离)需要反应气（Reagent gas ） 关闭式离子源 ( 离子源内压力约 1Pa )碎片少 ( 软电离)带电负性基团的化合物有高灵敏度 (如卤素化合物)eCH4CH

19、3HCH4CH4CH4e电子捕获反应-（：高电负性原子或离子，如卤素) NCI 质谱图六氯苯 M.W. 284 GCMS质量分析器 磁质量分析器 四极杆质量分析器 离子阱质量分析器飞行时间质量分析器磁质量分析器四极杆质量分析器m1+m2+m3+m1+m1/z=kV1m2/z=kV2m3/z=KV3m2+m3+11m/zVm：mass numberz ：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飞行时间质量分析器+LVtDetectorDrift tubeExtractiongridSample

20、+数据采集模式当电压扫描时，离子依次进入检测器。测定间隔默认为 0.5 secSCAN mode（扫描模式）imeVm/z0.5sec0.5secV35V350SCAN质谱图图谱认识TIC: Total Ion Chromatogram 总离子流图MS: Mass Spectrum 质谱图MC: Mass Chromatogram 质量色谱图MIC:Mixed Ion Chromatogram 加和离子流图 （指定质量数范围内的“总”离子流图） MCMSTIC&MC色谱图和质谱图m/zRetention timeTICMCMS SpectrumSIM(Selected Ion Monitori

21、ng) mode(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。TimeVm/zsecV85V97SIM数据采集模式质谱图Scan &SIM Modem/zRetention timeTIC : Scan Mode7254152SIM检测离子SIM ModeRetention timem/z=72 m/z=152 m/z=54灵敏度高于 Scan 方式Typical ContaminantsMass (M/Z)Compound ClassificationPotential Source-18, 28, 3

22、2, 40, 44AirH2O, N2, O2, Ar, CO231SolventMeOH43, 58SolventAcetone77Benzene, Xylene85Freons91, 92Toluene105, 106Xylene22, 73, 147, 207, 281, 295, 355, 429DimethylpolysiloxaneSeptum/column41, 45, 55, 57, 71, 85, 99HydrocarbonFingerprint/pump oil149PhthalatesPlasticizersMS的调整（调谐，tuning） 所有调整都可利用工作站软件完成

23、灵敏度调整分辨率调整质量数校正相对强度校正调谐用标样（PFTBA） relative m/z intensityCF3 -CF2 -CF2 -CF2 -N -C4F9 C4F9DI直接进样法直接进样系统绕过了气相色谱(GC)而直接将样品注入到离子源中.进样杆样品杯加热器捕获离子源箱（EI,CI,NCI）“O”型环M+（M-) 可分析 GC 难以分析的化合物. 不必考虑气相色谱的条件而容易地得到质谱.直接进样系统最高可达 500 ，5 段升温速率. 可配合不同的离子源分析：DI-EI、DI-CI、DI-NCI.直接进样法的特点操作方法12134样品加入进样杆进样杆沿导轨插入。(专利产品)进样杆插

24、入到离子源。经由 ：GCMSsolution 启动温度控制。应用实例1：利血平的分析利血平的分子量608、沸点高，属于GC 分析困难的组分。采用 DI 可简单地得到质谱，可进行鉴定。利血平的DI分析M+HM+C2H5DI-EI谱可通过谱库检索鉴定DI-CI谱确认分子离子峰，进而确定分子量十溴二苯醚的质谱100TIC500DBDE增塑剤PSDI 温度:100-500/20分IS 温度:250使用DI-MS测定聚苯乙烯的十溴二苯醚第四部分分析方法的建立分析方法仪器参数GC参数: 色谱柱、流量、温度等MS参数: 温度、检测器电压、扫描范围等数据处理参数积分参数：峰宽、斜率等定性参数：相似性检索谱库等

25、定量参数：计算方法、校正级别、组分表等积分参数积分参数 峰宽：WIDTH 斜率：SLOPE 漂移：DRIFT 变参时间：注：GCMS中主要采用质量色谱图定量，基本不用考虑漂移和变参时间。去除高频噪声(电磁干扰）WH/2定量结果最为准确内标物必须准确添加入所有未知样品中。未知样+IS:100ppm1uL组分 A1浓度比面积比标样 1uL组分A:100ppm内标:100ppm组分 A峰面积12001000面积比内标：IS内标：IS峰面积7001000面积比 组分 A 的浓度为： 未知样中的内标浓度:100ppmX浓度比:0.58=58ppm内标法内标物的选择内标物峰与试样中所有成分的峰完全分离。内

26、标物峰与目标成分峰保留时间不应差太远。内标物具有与分析目标成分类似的化学性质。GCMS分析步骤（I）一、开机顺序 Mpa之间。 2、打开气谱电源开关。 3、打开质谱仪电源开关。 4、打开计算机。 二、进入系统及检查系统配置 1、双击GCMSreal time analysis 图标，进入实时分析窗口。 2、如需修改系统配置，单击助手栏中systemconfiguration，设定系统配置，退出。 三、系统启动1、单击助手栏中vacuumcontrol图标 2、单击 Auto startup 按钮四、方法编辑 1、单击助手栏中的Date Acquisition图标后进入了方法编辑中，设定自动进样

27、器、 GC和MS的参数，保存方法。2、选择 Acquisition菜单下的Dowmload Initial Parameter下传参数五、调谐1、单击助手栏中的Tuning图标，进入调谐窗口2、系统检漏：单击Peakmonitorview图标，在Monitor选项中选择Water,air组， 打开灯丝，检查水峰、氮峰和氧峰。3、调协：新建调谐文件，点击StartAutoTuning图标进行调谐，完成后保存调协文件六、样品测定操作 1、单击助手栏中DataAcquisition中的 Sample login ，登录样品信息2、单击Standby按钮，待GC、MS均Ready后，按Start按钮，

28、进样分析。 七、后处理操作 1、双击GCMS Postrun Analysis 图标打开后处理窗口2、在Data explorer 窗口中双击要处理的数据文件名称3、打开数据后进行定性或定量处理八、关机 1、日常关机： 选择实时分析窗口中的Tools菜单中daily shutdown 2、完全关机： 单击助手栏中的Vacuum control，单击Auto shutdown。GCMS分析步骤（II）第五部分GCMS日常维护 载气 进样口 进样垫 玻璃衬管 流路系统 色谱柱 GC日常维护 载 气 何时维护 ?- 每天检查钢瓶压力- 每三个月检查压力表- 及时更换分子筛过滤器和捕集阱 如何做 ?-

29、 使用高纯载气 (纯度 99.999% )- 使用可除去水、氧气、有机污染物的过滤器 （建议使用氦气净化管）。 进样垫的维护与检查维护与检查的时期注入次数达100次时，进行更换保留时间、面积的重现性变差出现鬼峰检修内容漏气进样垫污染仪器降温日常关机窗口设置降温温度后，单击Shutdown温度降低后，关闭载气流量更换进样垫拧紧后，回转半圈玻璃衬管的维护与检查维护与检查的时期保留时间、面积的重现性变差出现鬼峰检查内容玻璃衬管的类型玻璃衬管是否破损玻璃衬管中石英棉的装填情况玻璃衬管是否污染玻璃衬管的类型GC-2010玻璃衬管更换玻璃衬管清洗玻璃衬管将玻璃衬管污染部分浸于溶剂（丙酮等）中放置数小时 或用超声波进行清洗。 如上述方法无法清洗干净，可将玻璃衬管浸泡于1N硝酸 溶液中78小时玻璃衬管的去活性DMCS(二甲基氯硅烷)处理过程 (1) 用丙酮清洗玻璃衬管,(2) 将玻璃衬管浸泡于5% DMCS的正己烷溶液中12 小时(4) 取出玻璃衬管，正己烷冲洗(5) 用甲醇清洗 2-3 次，然后,用甲醇浸泡1小时(6) 取出吹干即可使用装填石英棉流路系统维护与检查的时期基线不稳