气相色谱-质谱仪原理和应用.ppt

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1、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Thermo Trace GCDSQ,省所配备的GC-MS仪2,第二台2013年岛津GC-MSQP2010 Ultra）,省所配备的GC-MS仪3,第三台2014年安

2、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,AB,BAB A,B,A,B,B,峰 A,峰 B,气相色谱的工

3、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）、顶空色谱和裂解色谱等。

4、,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

5、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

6、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

7、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)远高于一般有机化合物的电

8、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，由于色谱柱柱温不断升高引起色

9、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染,注入G

10、C 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）,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

12、%(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(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

13、.Temp.350 Min.Bleed at 330,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

14、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(0.250.5m)：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

15、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

16、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

17、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,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

18、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

19、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

20、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,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

21、，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10-3 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

22、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 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

23、/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

24、，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

25、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。（一般一个母离子对应两个以上子离子）步骤3 设定不同碰撞池电压的运行序列。确定每个子离子的最佳碰撞能量。建立MRM方法。离子源参数通常保持不变 使用优化的碰撞能量 为了更好的准确辨认化合物，如果可能的话，建立两个定性离子 优化色谱分离 确定时间片断和驻留时间 采集校准和建立定量分析方法,1、质谱仪的组成部分,进样系统：直接进样，色

26、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 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，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。,质谱开关机注意事项,1、开机前务必打开不间断电源，以免突然停电造成分子涡轮泵损坏。2、真空度低于60mTorr时，方可打开灯丝，否则可能烧坏灯丝。3、进样前及分析完毕后应查看本底，若噪音升高，应即使清洗离子源。4、开始采集数据时问应合理设置，以免烧坏灯丝。,GC-MS的主要应用,1、未知物定性2、兴奋剂、农残检测方面的应用-同时检测多个成分，如兴奋剂检测中50多种雄甾醇及其同系物的检测等。,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）,分流 不分流 衬管,共同学习，互相交流,谢谢！,