1、1氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)熊 英2013年12月20日2GC-MS基本原理GC-MS應(yīng)用3 Agilent 氣質(zhì)聯(lián)用儀4 GC-MS聯(lián)用技術(shù)特點(diǎn)氣相色譜法定性依據(jù)是色譜峰的保留時間，定量依據(jù)則是色譜峰高或峰面積。作為定性和定量方法，氣相色譜法最大特點(diǎn)在于高效的分離能力和高的靈敏度，是分離混合物的有效手段。質(zhì)譜法是依據(jù)帶電粒子在磁場或電場中的運(yùn)動規(guī)律，按其質(zhì)荷比（質(zhì)量和電荷的比）實(shí)現(xiàn)分離分析，測定離子質(zhì)量及其強(qiáng)度分布。主要特點(diǎn)是能給出化合物的分子量、元素組成、經(jīng)驗(yàn)式及分子結(jié)構(gòu)信息，具有定性專屬性強(qiáng)、靈敏度高、檢測快速的優(yōu)勢。5色譜圖上的信息61. 根據(jù)色譜峰的個數(shù)，可判斷樣品所含的最

2、少組份數(shù)。2. 根據(jù)色譜峰的保留值，可以進(jìn)行定性分析。3. 根據(jù)色譜峰的面積或峰高, 可以進(jìn)行定量分析。4. 色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾仁窃u價(jià)色譜柱分離效能的依據(jù)。7色譜相關(guān)術(shù)語基線死時間/體積 tM/VM保留時間/體積 tR/VR調(diào)整保留時間/體積 tR/VR標(biāo)準(zhǔn)偏差 半峰寬 W1/2基線寬度 Wb8M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrum(M-R1)+質(zhì)譜圖上的信息abundancem/z9氣相色譜-質(zhì)譜譜圖abundancetimem/z10氣相色譜-質(zhì)譜譜圖11GC工作過程氣相色譜工作流程圖12檢測系統(tǒng)1. 熱導(dǎo)池檢測器 (TCD)（濃度型、通用型檢測器）2. 氫火焰

3、離子化檢測器 (FID)（質(zhì)量型、有機(jī)化合物）3. 電子捕獲檢測器 (ECD)（鹵素化合物）4. 火焰光度檢測器 (FPD)（含硫、含氮和含磷化合物）5. 氮磷檢測器（NPD）（質(zhì)量型、含氮和含磷化合物）6. 質(zhì)譜檢測器（質(zhì)量型、通用型檢測器）13靈敏度比較HP 5970 MSD與氣相色譜常用檢測器靈敏度比較（由惠普公司于1983年公布）14色譜基本原理 色譜法是利用混合物不同組分在固定相和流動相中分配系數(shù)(或吸附系數(shù)、滲透性等)的差異，使不同組分在作相對運(yùn)動的兩相中進(jìn)行反復(fù)分配，實(shí)現(xiàn)分離的分析方法。15色譜法的分類氣相色譜 (GC)超臨界流體色譜 (SFC)根據(jù)流動相的物態(tài)可分為液相色譜 (

4、LC)16載氣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)分離系統(tǒng)檢測和記錄系統(tǒng)溫控系統(tǒng)17分離系統(tǒng)(色譜柱)色譜柱填充柱毛細(xì)管柱柱內(nèi)徑1-10 mm0.05-0.5 mm柱長度 0.5-10 m10-150 m總塔板數(shù)103 106樣品容量 10-1000 0.1-50色譜柱是色譜分離的心臟！填充柱開管柱（毛細(xì)管柱）18毛細(xì)管柱分類壁涂開管柱（WCOT）載體涂漬開管柱（SCOT）多孔層開管柱（PLOT）固定相組成： 載體+固定液19對載體的要求具有多孔性，即比表面積大。化學(xué)惰性，表面沒有活性，有較好的浸潤性。熱穩(wěn)定性好。有一定的機(jī)械強(qiáng)度，使固定相在制備和填充過程中不易粉碎。20固定液高沸點(diǎn)的有機(jī)化合物熱穩(wěn)定性好，在操作溫度

5、下不發(fā)生聚合、分解等反應(yīng)；具有較低的蒸氣壓，以免流失。化學(xué)穩(wěn)定性好，不與樣品或載氣發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。粘度和凝固點(diǎn)低，以便在載體表面能均勻分布。對樣品中的各組分有適當(dāng)?shù)娜芙舛取?對固定液的要求：21固定液的選擇原則“相似相溶”a. 非極性物質(zhì)非極性固定液。 沸點(diǎn)越低的組分越早出峰。b. 極性物質(zhì)極性固定液。 極性越小的組分出越早出峰。c. 極性與非極性混合物極性固定液。 極性越小的組分出越早出峰。d. 易形成氫鍵物質(zhì)極性或氫鍵型固定液。 不易形成氫鍵的組分先出峰，易形成氫鍵的組分后出峰。e. 復(fù)雜難分離樣品多種固定液混合。22常用毛細(xì)管色譜柱固定液固定液極性大小適用范圍100二甲基聚硅氧烷非

6、極性脂肪烴化合物，石化產(chǎn)品(50三氟丙基)甲基聚硅氧烷中等極性極性化合物，如高級脂肪酸聚乙二醇中強(qiáng)極性極性化合物，如醇、羧酸酯等23常見柱流失離子碎片 柱型 離子碎片m/z SE-54，HP-1，HP-5，OV-101 73、147、207、221、253、281、 327、355 OV-17，HP-17， 73、147、197、221、253、281、 327、355 OV-225，HP-225 73、135、156、197、253、269、 313、327、403 FFAB，HP-INNOWax，HP-FFAP 57、69、97、123、173、191、207、 219、240、264、2

7、89、305 聚乙二醇 131、133、147、161、163、191、195 205207、281、355 、24柱子老化的目的可提高1/3塔板數(shù)除去涂固定液時殘留的溶劑除去交聯(lián)不全或聚合度低的小分子化合物使固定液均勻鋪展，掩蓋某些活性點(diǎn)對于舊柱子，除去殘留物25老化柱子的方法分段老化法 從較低溫度開始，在不同溫度段（150，200，250，300度）分別停留一段時間。注意不能長時間停留在高溫下老化。程序升溫老化法 一般從50-60度開始以10度/min升溫至300度（依柱的最高使用溫度而定）。進(jìn)樣老化法 老化一定要充足載氣避免干烤柱子，但也有不同載氣的特殊老化法。26GC-MS對載氣選擇的

8、要求必須是化學(xué)惰性的必須不干擾質(zhì)譜圖必須不干擾總離子流的檢測應(yīng)具有使載氣氣流中的樣品富集的某種特性載氣系統(tǒng)常用載氣：氮?dú)狻⒑狻錃獾?7進(jìn)樣系統(tǒng)注射器氣化室進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣器氣化室溫度比柱溫高出307028Column Flow1 mL/minSplit Vent Flow46 mL/min(Septum) Purge Vent Flow3 mL/minTotal Flow50 mL/min注射針SampleColumn Flow1 mL/min(Septum) Purge Vent Flow3 mL/min不分流進(jìn)樣Split Vent Flow0 mL/minTotal Flow4 mL/m

9、in注射針Sample分流進(jìn)樣29進(jìn)樣口、色譜柱、檢測器的溫度設(shè)定進(jìn)樣口溫度考慮樣品中各組分的沸點(diǎn)，設(shè)定溫度使樣品瞬間汽化。色譜柱溫度考慮樣品中各組分的沸點(diǎn)，及希望的分析周期，寬沸程樣品應(yīng)使用程序升溫。檢測器溫度防止檢測器污染，一般比色譜柱溫度高20-30。DET.TINJ.TCOL.T+2030GC-MS基本流路圖出口高真空泵機(jī)械泵氣相化學(xué)工作站軟件（電腦）質(zhì)量分析器檢測器質(zhì)譜傳輸線離子源31提供足夠的平均自由程提供無碰撞的離子軌道減少離子-分子反應(yīng)減少背景干擾延長燈絲壽命消除放電增加靈敏度 為什么MS需要真空？32色譜-質(zhì)譜接口直接導(dǎo)入型 內(nèi)徑在0.25至0.32 mm的毛細(xì)管色譜柱的載氣

10、流量在12 mLmin。這些柱通過一根金屬毛細(xì)管直接引入質(zhì)譜儀的離子源。這種接口方式是迄今為止最常用的一種技術(shù)。毛細(xì)管柱沿圖中箭頭方向插入，直至有12 mm的色譜柱伸出該金屬毛細(xì)管。載氣和待測物一起從氣相色譜柱流出立即進(jìn)入離子源的作用場。接口的實(shí)際作用是支撐插入端毛細(xì)管，使其準(zhǔn)確定位。另一個作用是保持溫度，使色譜柱流出物始終不產(chǎn)生冷凝。 使用于這種接口的載氣限于氦氣或氫氣。當(dāng)氣相色譜儀出口的載氣流量高于2 mlmin時，質(zhì)譜儀的檢測靈敏度會下降。接口組件結(jié)構(gòu)簡單，容易維護(hù)。傳輸率達(dá)100，這種聯(lián)接方法一般都使質(zhì)譜儀接口緊靠氣相色譜儀的側(cè)面。這種接口應(yīng)用較為廣泛。33離子源電子轟擊電離源（EI）

11、化學(xué)電離源（CI）場致電離源（FI）大氣壓化學(xué)電離源（APCI）電噴霧電離源（ESI）離子源的作用是將被分析的樣品分子電離成帶電的離子，并使這些離子在離子光學(xué)系統(tǒng)的作用下，會聚成有一定幾何形狀和一定能量的離子束，然后進(jìn)入質(zhì)量分析器被分離。34EI源電離過程燈絲發(fā)射電子，經(jīng)聚焦并在磁場作用下穿過離子化室到達(dá)收集極。此時進(jìn)入離子化室的樣品分子在一定能量電子的作用下發(fā)生電離，離子被聚焦、加速聚焦成離子束進(jìn)入質(zhì)量分析器。EI的電離效率與電離能量有關(guān)，電離能量低于50eV時，離子產(chǎn)率隨著電離能量增加較快，接近70eV時，增加漸緩趨于穩(wěn)定，以后離子能量再增加，離子產(chǎn)率幾乎不變。35電子轟擊電離又稱為電子轟

12、擊，或電子電離。是應(yīng)用最普遍，發(fā)展最成熟的電離方法。轟擊電壓 50-70 eV, 有機(jī)分子的電離電位一般為7-15 eV。可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息。有些化合物的分子離子不出現(xiàn)或很弱。Electron Impact Ionization（EI）M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrum(M-R1)+m/zintensity36EI源的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、溫控和操作均較方便電離效率高、所形成的離子動能分散小性能穩(wěn)定、所得譜圖是特征的、能表征組分的分子結(jié)構(gòu)（目前大量的有機(jī)物標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖均是用EI源得到的）37EI源的缺點(diǎn)樣品必能氣化，不適于難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定的樣品有的化合物在EI方式下分子離子不穩(wěn)

13、定易碎裂，得不到分子量信息，譜圖復(fù)雜解釋有一定困難EI方式只檢測正離子，不檢測負(fù)離子38離子室內(nèi)的反應(yīng)氣（甲烷等；10100Pa，樣品的103105倍），受電子（100240eV）轟擊，產(chǎn)生離子，再與試樣分離碰撞，產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子。+氣體分子試樣分子+準(zhǔn)分子離子電子(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;Chemical Ionization（CI）39小分子如 CH4 , (CH3)2CH 等。 以CH4為例CH4 + e CH4+ + 2e (46%) CH3+ (39%) CH2+(7%)初級離子: CH4+, CH3+ , CH2+CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 (

14、48%)CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 (41%) CH2+ + 2CH4 C3H5+ + 2H2 (6%) CH5+, C2H5+ , C3H5+ 等為穩(wěn)定的次級離子。Chemical Ionization（CI）準(zhǔn)分子離子：M+H+ M + CH5+ MH + + CH4 M + C2H5+ MH + + C2H4 40CI源的優(yōu)缺點(diǎn)譜圖重現(xiàn)性差，故譜庫中無CI源標(biāo)準(zhǔn)譜圖。和EI一樣要求樣品必須能氣化，適用于熱穩(wěn)定性好、蒸汽壓高的樣品，不適于難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定的樣品。離子-分子反應(yīng)后剩余的內(nèi)能很小，故分子離子峰大，碎片離子峰少，譜圖簡單，易識別。CI有選擇性，使其僅與樣品中的被測

15、組分反應(yīng)。可檢測負(fù)離子，靈敏度高。41四級桿質(zhì)量分析器42四極桿質(zhì)量分析器是GC/MS聯(lián)用中最通用的一種質(zhì)量分析器，有長久的應(yīng)用歷史，性能穩(wěn)定。有全掃描（Scan）和選擇離子監(jiān)測（SIM）兩種不同掃描模式。掃描速度快，靈敏度高。尤其是SIM模式，以最大的采集效率，有選擇性地檢測單個或幾個質(zhì)量離子，從而降低信噪比，提高靈敏度幾個數(shù)量級，適用于各種定量分析，滿足高通量分析需求可同時配置EI和正、負(fù)CI源，EI源可獲得豐富的結(jié)構(gòu)信息，CI源則提供EI源得不到的分子量信息。43數(shù)據(jù)采集模式掃描（ Scan ）定性定量選擇離子（SIM ）控制質(zhì)量分析器，僅僅對感興趣的質(zhì)量進(jìn)行分析44全掃描和選擇離子檢測

16、比較三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)品全掃描三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)品選擇離子檢測m/z 34245NIST譜庫檢索46譜圖識別三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)品tR=16.5 minm/z 99, 171, 327, 34247譜圖識別蒙牛飲用奶選擇離子檢測m/z 99, 171, 327, 34248譜圖識別蒙牛飲用奶, 選擇離子檢測m/z 99, 171, 327, 342tR=16.5 min49穩(wěn)定可揮發(fā)碎片涵蓋質(zhì)量范圍寬僅有C-13 和 N-15同位素?zé)o質(zhì)量缺陷全氟三丁胺(PFTBA)調(diào)諧標(biāo)樣50自動調(diào)諧報(bào)告 相近的峰寬平滑對稱的峰形適當(dāng)?shù)腅M電壓合適的豐度值正確的質(zhì)量分配典型的相對豐度合適的同位素比例51定量方法面積歸一化法校正面

17、積歸一化法外標(biāo)法內(nèi)標(biāo)法52定量方法（一）面積百分率法（面積歸一）各組分濃度以面積百分率表示，該結(jié)果可以確認(rèn)大概的濃度，但有誤差。校正面積百分率法（校正面積歸一）用重量響應(yīng)因子對峰面積進(jìn)行修正，用該法測定的濃度比前者準(zhǔn)確，但前提是樣品中所有組分都出峰，否則也有誤差存在。這兩種方法應(yīng)用的必須條件是： 1.樣品中所有組分都出峰； 2.所有峰面積計(jì)算必須準(zhǔn)確。53面積歸一化法公式：優(yōu)點(diǎn)：1）無需做校正，簡便，快速2）進(jìn)樣量不嚴(yán)格要求缺點(diǎn)：1）所有組分都流出且被檢測到2）所有組分的檢測靈敏度都相同54校正面積歸一化法公式：式中：Fi為校正因子， Fi濃度（含量）/面積用重量響應(yīng)因子對峰面積進(jìn)行修正，用該

18、法測定的濃度比前者準(zhǔn)確，但前提是樣品中所有組分都出峰，否則也有誤差存在。優(yōu)點(diǎn)： 進(jìn)樣量要求不嚴(yán)格缺點(diǎn)：1）所有組分都流出且被檢測到2）所有組分都需作校正553.外標(biāo)法該法是應(yīng)用最廣泛的方法之一，其誤差來源主要是進(jìn)樣誤差，因此，分析前一定要做面積重復(fù)性（即進(jìn)樣重復(fù)性）實(shí)驗(yàn)。4.內(nèi)標(biāo)法在樣品中添加內(nèi)標(biāo)物，通過組分與內(nèi)標(biāo)峰的面積比，對組分進(jìn)行定量。該方法減小了進(jìn)樣誤差對定量結(jié)果的影響。定量方法（二）56內(nèi)標(biāo)物的選擇內(nèi)標(biāo)物的峰與試樣中的所有成分的峰完全分離。內(nèi)標(biāo)物的峰與目標(biāo)成分的峰保留時間不應(yīng)差太遠(yuǎn)。內(nèi)標(biāo)物具有與分析目標(biāo)成分類似的化學(xué)性質(zhì)。57外標(biāo)法公式：優(yōu)點(diǎn)：1）不需所有峰都流出或被檢測到2）只對所

19、測組分作校正缺點(diǎn)：1）進(jìn)樣量必須準(zhǔn)確2）儀器必須有良好的穩(wěn)定性58內(nèi)標(biāo)法公式：優(yōu)點(diǎn)：1）進(jìn)樣量不嚴(yán)格要求2）只對所測組分作校正缺點(diǎn)：1）必須在樣品中加一內(nèi)標(biāo)組分2）操作較為繁瑣3）選擇內(nèi)標(biāo)物困難59GC-MS聯(lián)用中常用的衍生化方法硅烷化衍生化 （羥基，羧基，胺基）（1）BSTFA和BTA衍生化胺基和羥基（2）MTBSTFA常用于藥物、類固醇類檢測（3）MSTFA是最常用的硅烷化試劑酰化衍生化（胺基和羥基）（1）乙酰化（2）三氟乙酰化/五氟丙酰化/七氟丁酰化烷基化衍生化（羧基）60RX HY Si R1+RX Si R1R2R3R2R3硅烷化衍生化 酰化衍生化R COOHR OH/I/N2+R

20、COOR烷基化衍生化R OHR NH2Y C R+R O C RR N C ROOHO+OHOR61GC-MS聯(lián)用中衍生化的作用改善了待測物氣相色譜性質(zhì)改善了待測物的熱穩(wěn)定性改變了待測物的分子質(zhì)量改善了待測物的質(zhì)譜行為引入鹵素原子或吸電子基團(tuán)通過一些特殊的衍生化方法，可以拆分一些難分離的手性化合物62衍生化方法不當(dāng)引起的弊端柱上衍生化有時會損害色譜柱某些衍生化試劑需在氮?dú)饬髦写蹈沙ィ椒ú划?dāng)會有損失衍生化反應(yīng)不完全，會影響靈敏度衍生化試劑選用不當(dāng)，會使待測物分子量增加過多，接近或超過一些小型質(zhì)譜檢測器的質(zhì)量范圍63衍生化方法不當(dāng)實(shí)例茉莉酸甲基化茉莉酸硅烷化64分析方法的建立選擇分析系統(tǒng): 進(jìn)樣方式、色譜柱等GC參數(shù): 載氣流量、分流比、溫度條件等MS參數(shù): 掃描模式：SCAN, SIM 離子源： EI, PCI, NCI 檢測器電壓等65GC-MS應(yīng)用MSD不但可用于未知物的鑒定，還可用于痕量組分的定量，所以應(yīng)用面比一般氣相色譜檢測器廣得多。MSD已廣泛應(yīng)用與環(huán)境、農(nóng)業(yè)、食品、生物、醫(yī)藥、法庭和工業(yè)等諸多科學(xué)領(lǐng)域。66環(huán)境分析大氣污染分析（有毒有害氣