1、 氣相色譜質譜儀的原理與應用學習交流 主要內容2氣相色譜儀原理1氣相色譜質譜儀在省所的應用3質譜儀原理N年來GC-MS在省所的主要應用中藥中揮發油的檢測（EI源，頂空進樣）化妝品二惡烷（EI源，頂空進樣）包材中苯乙烯（EI源，頂空進樣）薄膜衣中塑化劑、能力驗證（EI源，液體直接進樣）食品中氯丙醇（CI源，液體直接進樣）食品中甲拌磷（CI源，液體直接進樣）食品中氨基甲酸乙酯（CI源，液體直接進樣）食品中氯霉素（CI源，液體直接進樣）省所配備的GC-MS儀1第一臺 2016年賽默飛Thermo Trace GCDSQ省所配備的GC-MS儀2第二臺2013年島津GC-MSQP2010 Ultra）省

2、所配備的GC-MS儀3第三臺2014年安捷倫7000GC/MSTripleQuad 三重四級桿第二部分氣相色譜儀原理氣相色譜 原理氣相色譜法是以氣體為流動相（載氣）的色譜方法, 利用物質在兩相中分配系數的微小差異進行分離。 當樣品被送入進樣器后，由載氣攜帶進入色譜柱。由于樣品中各組份在色譜柱中的流動相（氣相）和固定相（液相或固相）間分配或吸附系數的差異。在載氣的沖洗下，各組份在兩相間作反復多次分配（量變），這樣原來的微小差異產生了很大的相對位移（質變） ，使各組份在色譜柱中得到分離，以達到分離分析及測定一些物理化學常數的目的。 時間檢測器色譜柱樣品注入口樣品注入ABBAB ABA B B 峰

3、A峰 B氣相色譜的工作原理示意圖A BAB A氣相色譜 分類按固定相狀態分： 1、氣固色譜(GSC)（主要基于吸附原理），多用活性炭，硅膠，分子篩，高分子多孔小球等作為固定相，分離的主要對象是一些永久性的氣體和低沸點的化合物。 2、氣液色譜(GLC)（主要基于分配原理），多用固定液涂漬在惰性載體上作為固定相，固定液一般是高沸點、蒸汽壓低（在450以下有1.5 KPa - 10KPa的蒸汽壓）且熱穩定的有機化合物。由于在氣液色譜中可供選擇的固定液種類很多，容易得到好的選擇性，所以氣液色譜有廣泛的實用價值，在實際GC分析中，90% 以上的應用為氣液色譜。按進樣方式分：可分為常規色譜（液體直接進樣）

4、、頂空色譜和裂解色譜等。可以在氣相色譜分析的化合物在400攝氏度以下的溫度氣化(變成氣體)的化合物 在氣化時不會分解的化合物 在氣化時可以分解成固定比例碎片的化合物 (熱裂解 GC) 可以分析約20%的有機物。某些無機物通過轉化也可分析。 難以分析的化合物： 分子量小也不能蒸發的化合物 (例如:無機的金屬、離子,鹽) 活性強或極不穩定的的化合物 (例如:氫氟酸、臭氧,氮氧化物) 高吸附性的化合物 (當化合物含有羧基、羥基、氨基、硫等，因為吸 附和活度比較高,在分析時要注意。) 氣相色譜構成示意圖GC-MS 聯用儀主要部件1 實驗室氣源條件 GC 載氣源 常用氦氣，純度大于99.999%，作色譜

5、分離的流動相 MS 反應氣源 常用甲烷、異丁烷、氨、氧化氮等 ，作質譜化學電離反應氣。 減壓閥 俗稱氧表和氫表，作氣瓶減壓用 過濾器 附于氧表后或在GC 內 ，去除氣源內水分和雜質 2 色譜載氣狀態控制部件 穩壓閥（或電子流量控制器）、壓力表、穩流閥、流量計（浮子、電子式）、柱箱恒溫和程序升溫部件，設置的器件可隨GC-MS 聯用儀類別和使用要求而異 ，控制載氣狀態參量：溫度、壓力和流速，建立色譜分離條件 。氣相色譜儀的工作原理示意圖數據處理器得知樣品中的成份和含量在進樣口，通過加熱，使每個成份被氣化。載氣將樣品送入色譜柱色譜柱將樣品中不同的成份分離開 在檢測器，從色譜柱出來的每個成份的量按比例

6、轉化成電信號目標：混合樣品（氣體或液體）氣體樣品（頂空進樣）液體樣品（直接進樣）GCGC 載氣1.載氣要求： 作為氣相色譜載氣的氣體，要求： 化學穩定性好；純度高；價格便宜并易取得；能適合于所用的檢測器。 2.常用載氣： 通常用氦氣（He）和氮氣（N2），以前也用氫氣（H2），因易爆炸，不安全，現不常用。 (在使用毛細管柱作分析的情況時下，使用氦氣作載氣是比較理想的) 氣體的純度最好高于 99.99%GC/MS的載氣GC/MS聯用對載氣選擇有嚴格要求 必須是化學惰性的 必須不干擾質譜圖 必須不干擾總離子流的檢測 應具有使載氣氣流中的樣品富集的某種特性GC/MS聯用不能使用氮氣 很少使用氫氣 常

7、用純度99.999%以上的氦氣GC/MS聯用不能使用氮氣的原因氮氣除化學惰性外，不具備其它三個條件。并且違背條件，其電離能為15.6eV，和一般有機物電離能接近，電離效率較高，對總離子流有干擾。又因氮氣的分子離子m/z 28離子較強，真空系統中殘氣的氮峰m/z 28已經不小，而且m/z 28、m/z 29、m/z 14和某些化合物的特征離子重疊，接近通常質譜掃描起始質量，會產生高的本底，不僅干擾低質量范圍質譜圖，對離子的相對豐度也會有影響 氦氣能完全滿足GC/MS要求的四個條件氦氣的分子量小，容易被真空泵抽掉，具備富集樣品的特性（尤其在使用分離器接口時更重要） 其次，氦的電離能(24.6eV)

8、遠高于一般有機化合物的電離能（10eV左右），因此氦的電離效率相對低于一般有機化合物，對總離子流的干擾較小 氦的分子離子為m/z4，遠低于通常質譜掃描起始質量 GC/MS使用的載氣純度應為99.999%以上的氦氣GCMS很少使用氫氣的原因氫氣具備以外的三個條件，因其電離能為15.4e V，和一般有機物電離能接近，相對于氦氣電離效率較高，對總離子流有干擾，但是氫的分子量小，通常質譜掃描起始質量更不會從m/z 1開始，在一些應用中可以和氦氣交換使用 。另一就是氫氣安全性差。3.氣流調節閥 通常在減壓閥輸出氣體的管線中還要串聯穩壓閥，用以穩定載氣（或燃氣）的壓力。 當用程序升溫進行色譜分析時，由于色

9、譜柱柱溫不斷升高引起色譜柱阻力不斷增加，也會使載氣流量發生變化。為了在氣體阻力發生變化時，也能維持載氣流速的穩定，需要使用穩流閥來自動控制載氣的穩定流速。載氣載氣控制方式載氣進樣系統進樣裝置 氣體進樣器（六通閥）：推拉式和旋轉式兩種。 試樣首先充滿定量管，切入后，載氣攜帶定量管中的試樣氣體進入色譜柱。氣化室 將液體試樣瞬間氣化的裝置。微量注射器進樣閥不同規格的專用注射器：填充柱色譜常用10L；毛細管色譜常用1L；新型儀器帶有全自動液體進樣器，清洗、潤沖、取樣、進樣、換樣等過程自動完成，一次可放置數十個試樣。氣體樣品:0.2 1 毫升 液體的樣品:1 2 L注入太多樣品 -造成峰形變差及進樣口污

10、染注入GC 的樣品體積各種不同溶劑的汽化體積(在進樣口 250 及 140kPa 的情況下）進樣口溫度進樣口溫度主要由樣品的沸點范圍決定，還要考慮色譜柱的使用溫度。即首先要保證待測樣品全部氣化，其次要保證氣化的樣品組分能夠全部流出色譜柱，而不會在柱中冷凝。原則上講，進樣口溫度高一些有利，一般要接近樣品中沸點最高的組分的沸點，但要低于易分解組分的分解溫度。注意事項進樣口溫度過低，將導致高分子量化合物氣化不完全，并且 不能有效轉移到色譜柱中。樣品氣化不完全 進樣口溫度過高，導致熱穩定性差的化合物分解。樣品分解 樣品從進樣針注入時，不同組分的氣化程度不同，高沸點組 分殘留量比例高。 一般情況下進樣速

11、度必須很快，因為當進樣時間太長時， 試樣原始寬度將變大，色譜峰半峰寬隨之變寬，有時甚至使峰 變形。一般地，進樣時間應在1s以內。一、填充柱硅藻土(擔體)固定液不銹鋼或玻璃Partition Materials在擔體上涂覆固定液固定相：液體主要用于分析液體樣品擔體固定液色譜柱OV-1 10% Chromosorb-W (AW-DMCS) 60/80 2m * 2.6mm I.D. 固定液的濃度擔體的類型擔體的處理方法目數(擔體的顆粒大小)擔體固定液色譜柱的長度色譜柱的I.D. （內徑）固定液的種類填充柱的名字的意義擔體固定液涂覆在擔體上的固定液重量百分比濃度低濃度大約 0.5-2%(用于分析高沸

12、點化合物)中等濃度 大約 5-10%（最常用）高濃度 大約 20-25% (用于分析低沸點化合物)固定液的濃度填料管融熔石英固定液二、毛細管柱(Capillary Column) 內徑（I.D.） 0.1，0.25，0.32，0.53 毫米長度 5-100 m(30 m最常用)固定液理論塔板數一般都較大柱填料：粒度為60-80或80-100目的色譜固定相柱材質：不銹鋼管或玻璃管色譜柱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商標固定相5二苯基95二甲基聚硅氧烷表示其包含有5的苯基基團和95的甲基基團極性最大使用溫度色譜柱的長度色譜柱中固定相的膜厚毛細管柱的名字的意義是在硅氧烷聚合物中鏈一定數量的苯基或苯基類的基團，通常我們稱之為“亞芳基”。特點：低流失色譜柱的內徑最低流失溫度毛細管柱 內徑選擇內徑選擇的基本原則： 0.10mm 口徑柱適用于快速氣相色譜分析。 0.25mm 口徑柱具有較高的柱效，用于標準的 GC/MS應用和分流/不分流分析。 0.32mm 口徑柱中等柱效，可用于標準的 GC/MS應用和分流/不分流分析。 0.53mm口徑柱，可以替代填充柱，適合于痕量分析。 增加色譜柱的內

14、徑，可以增加分離的樣品量，但由于縱向擴散路徑的增加，會使柱效降低。內徑對分離度的影響 較小的內徑可以獲得更好的分離度，或者在更短的時間內獲得同樣的分離度膜厚的選擇膜厚選擇的基本原則： 增加膜厚可以提高分離度和加強保留，厚些的液膜可以有效降低過載拖尾峰和其他化合物的共流出。 如果樣品的濃度范圍很寬，就需要更厚的液膜，反之，如果目標組分的分離足夠，并且沒有共流出的問題，就可以使用比較薄的液膜，對于揮發性有機物來說，厚液膜更為合適。 液膜厚度的改變將直接影響化合物的流出溫度。膜越厚，保留越強，流出溫度相應也越高。 薄液膜(0.10.2m)：適合石化分析，甘油三酯等高沸點的物質。 標準膜厚(0.250

15、.5m)：最廣泛的應用，對于流出達到300的大多數樣 品分析效果良好。 厚液膜(15m)：適合于流出溫度在100200之間的低沸點化合物膜厚對分離度的影響長度的選擇長度選擇的基本原則： 色譜柱越長，柱效越高。 分離度和柱長的平方根成正比，兩倍的柱長只能增加40的 分離度。 選擇可以滿足分離度要求的最短的柱子。 如果即使是最長規格的色譜柱依然無法滿足分離度的要 求，請考慮更換固定相或膜厚。 短柱(515m)：通常用于10個組份以下簡單樣品的快速分析。 標準柱(2530m)：滿足大部分應用。 長柱(50m以上)：復雜樣品分析。柱長對分析時間的影響 恒溫分析： 保留時間由柱長決定，柱長加倍分析時間也

16、加倍。 程升分析： 保留時間主要取決于柱溫，分離度的提升和恒溫分析類似，但分 析時間只是略有增加。 由于分離度正比于柱長的平方根，所以增加柱長對分離是有利的。但增加柱長會使各組分的保留時間增加，延長分析時間。因此，在滿足一定分離度的條件下，應盡可能使用較短的柱子。柱溫的選擇柱溫是一個重要的色譜操作參數，它直接影響分離效能和分析速度。 柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否則會造成固定液大量揮發流失。某些固定液有最低操作溫度。一般地說，操作溫度至少必須高于固定液的熔點，以使其有效地發揮作用。 降低柱溫可使色譜柱的選擇性增大，但升高柱溫可以縮短分析時間，并且可以改善氣相和液相的傳質速率，有利于提高效

17、能。所以，這兩方面的情況均需考慮。柱溫分為恒溫和程序升溫兩種恒溫：對于沸程不太寬的簡單樣品，可采用恒溫模式。一般的氣體分析和簡單液體樣品分析都采用恒溫模式。程序升溫：對于沸程較寬的復雜樣品，如果在一恒溫下分離很難達到好的分離效果。等溫分析（Isothermal Analysis ）同系物,按碳數從小到大的順序出峰正構醇的混合物在等溫分析時，通常出峰早的化合物峰形較尖銳，通常出峰晚的化合物峰形較寬乙酸酯類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數1保留時間的對數234乙酸酯類混合物正構醇的混合物同系物的碳數 ( 沸點) 和保留時間的對數之間大致成的線性關系。程序升溫分析同系物中碳數

18、的較小先出峰正構醇的混合物乙酸酯類混合物乙酸甲酯乙酸乙酯乙酸正丙酯含碳數1保留時間234乙酸酯類混合物正構醇的混合物同系物的碳數 ( 沸點) 和保留時間之間大致成線性關系， 出峰時間間隔幾乎相等；出峰早與晚的峰，其峰形一樣尖銳。甲醇乙醇正丙醇正丁醇檢測器（ Detectors ）檢測器：是將流出色譜柱的被測組分的濃度轉變為 電信號的裝置，是色譜儀的眼睛。通常由檢測元件、放大器、數模轉換器三部分組成.被色譜柱分離后的組分依次進入檢測器，按其濃度或質量隨時間的變化，轉化成相應電信號，經放大后記錄和顯示，給出圖譜。質譜檢測器只是氣相所能配套的多型檢測器中的一種。檢測器第二部分質譜儀原理+ 樣品與溶劑

19、脫離及電離 ESI APCIGC/MS 接口 離子源 質量分析器 檢測離子 GC 數據系統 MS離子識別 Quadrapole Ion Trap Time of Flight Fourier Transform +離子檢測 +-+-+GC-MS儀的工作流程圖質譜儀的組成部分質譜儀的組成部分1、質譜儀的組成部分 進樣系統： 直接進樣，色譜進樣 離子源：化學電離 電子轟擊質量分析器：電磁式，四極桿濾質器，離子阱，飛行時間質量分析器離子檢測系統 打打拿極 增益質譜儀的離子源、質量分析器、離子檢測系統都離不開真空系統。質譜中通常使用兩級真空排氣系統 第一級的泵為主泵，通常是油擴散泵或分子渦輪泵，主要功

20、能是抽出來自GC的載氣或LC氣化后的氣體，使得腔體內保持高真空狀態 第二級泵通常是機械泵，起到將第一級主泵抽出的氣體排出的。離子源 離子源的功能是使樣品分子轉變為離子，將離子聚焦，并加速進入質量分析器。質譜有多種類型的離子源可滿足不同極性、不同分子量范圍化合物的分析需求 使用何種電離方式取決于：樣品的狀態(液體、固體)，揮發性和熱穩定性；需探尋的樣品信息類型(分子結構或序列分析) 質譜儀的組成部分質譜真室系統殘余氣體來源，有些是不可避免的，但操作不當和不及時維護是造成嚴重污染主要原因 為了獲得干凈的譜圖就必須保持真空系統的潔凈,可根據本底譜圖判斷系統的污染源和污染程度,采取維護措施 正確的操作

21、規程，適當的進樣量，相應的溫度設臵，以及適時的儀器維護（如 清洗易污染的部件，老化色譜柱，更換進樣隔墊，更換泵油等）是維持良好真空質量的重要保障 離子源GCMS聯用儀器除了最常用的EI離子源外，還可配置化學電離離子源(chemical ionization，CI)、另有場致電離離子源(field ionization,FI) ，場解吸電離離子源（field desorption ionization， FD）若同時配置EI和正、負CI離子源。EI 獲得豐富的結構信息，CI源提供EI源得不到的分子量信息，兩者是很好的補充 。看視頻質量分析器質量分析器的功能是將離子源產生的離子,按其質荷比m/z進

22、行分離、檢測，得到化合物特征質量信息。所有質量分析器都具有以下特性： 具離子在不同場的運動規律實現質量分離 只檢測帶電粒子，測定的是離子的質荷比m/z 只檢測氣相離子，為了控制氣相離子運動軌道，質量分析器必須在真空狀態(壓強10-3 Torr)下工作，壓強越低，離子平均自由程越長 目前專用的低分辨色譜-質譜聯用儀器主要是四極質譜和離子阱質譜，高分辨儀器主要是飛行時間質譜和扇形場質譜，串聯式質譜儀器主要由三重四極質譜 及四極桿tof。看視頻四級桿分析器四極桿側面觀圖四極桿縱觀圖離子阱分析器高低分辨之說低分辨質譜法給出的是整數質量，高分辨質譜法給出的是精確質量 下面三個化合物的相對分子質量其整數值

23、相同，但精確質量不同： 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 飛行時間分析器單四極桿單四級桿的掃描模式全掃描模式(scan mode) 在全掃描模式中，四極桿充當隨時間變化的質量過濾器，通過 逐步增加 DC 和 RF 電壓而執行掃描。四極桿質量分析器按順序掃描，將選定質量范圍內的每個 m/z 傳遞到檢測器 選擇離子監測（SIM mode） 檢測器在整個掃描周期中持續監測相同的單 一（或幾個） m/z 值。這種分析類型就稱為選擇性離子監測或 SIM 三重串聯四極桿側面觀圖移去碰撞室的 串聯四極桿

24、側面觀圖碰撞室三重四極桿掃描模式子離子掃描 四級桿1選擇了某一特定質量的母離子，在六極桿碰撞池中碰撞產生碎片離子，在四級桿2中分析所有母離子產生的碎片離子 母離子掃描 用四級桿1掃描能產生特定碎片離子的母離子，所得到的母離子質譜峰一定是能產生指定質譜碎片的母離子 中性丟失掃描 四級桿1掃描產生中性丟失的母離子，四級桿2掃描已丟失指定中性碎片的離子，所得到的質譜圖是由MS1掃描的母離子，母離子只能是能丟失指定中性碎片的離子 多重反應監測 ( MRM ) 四級桿1 選擇某一質量的母離子，在碰撞池中產生碎片離子，四級桿2監測特征碎片離子。MRM 對于復雜樣品來說選擇性更好 三重四極桿質量分析器的特點

25、通過子離子、母離子、中性丟失三種掃描方式，由“母離子找子離子獲得碎片離子或“子離子找母離子獲得前體離子，以及中性基團相關質量的離子,可確定各個離子的歸屬，研究離子的碎裂途徑，主要用于化合物結構分析 而多反應選擇離子檢測方式MRM，主要用于定量分析，比單四極桿質量分析器的SIM方式選擇性更好，排除干擾能力更強，信噪比更高，檢測限更低。在許多標準的定量分析中常作為最重要的確證方法 MRM方法的開發過程步驟1 運行一個MS1全掃描方法，根據所得化合物的全掃描譜圖。確定MRM 方法的母離子 母離子一般選豐度高的特征離子步驟2 根據步驟1的結果編輯一個子離子掃描的方法 調查在不同的碰撞池電壓下所得的子離子掃描圖。選擇豐度高的特征子離子作為MRM 方法的子離子。（一般一