GCMS原理与结构课件.pptx

1、GCMS的基本流路图GC接口MS数据处理真空系统质谱质谱 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（，把离子按质荷比（m/zm/z）分开而得到质谱，通过样品的）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。气质联用（气质联用（GC/MSGC/MS）气质联用的有效结合既充分利用

2、色谱的分离能力，气质联用的有效结合既充分利用色谱的分离能力，又发挥了质谱的定性专长，优势互补，结合谱库检索，又发挥了质谱的定性专长，优势互补，结合谱库检索，可以得到较满意的分离机鉴定结果。可以得到较满意的分离机鉴定结果。气相色谱分离样品的各个组分，起样品制备的作用，接口气相色谱分离样品的各个组分，起样品制备的作用，接口把气相色谱流出的各个组分送入质谱仪进行检测，质谱仪把气相色谱流出的各个组分送入质谱仪进行检测，质谱仪对接口引入的各个组分进行分析，成为气相色谱的检测器对接口引入的各个组分进行分析，成为气相色谱的检测器。计算机系统控制色谱仪、接口、质谱仪，进行数据采集。计算机系统控制色谱仪、接口、

3、质谱仪，进行数据采集和处理。和处理。GC/MS联用仪器的基本组成部件联用仪器的基本组成部件GC基础知识典型的气相色谱典型的气相色谱n气体 载气-用于传送样品通过整个系统的气体。检测器气体-某些检测器所需的支持气体,如 FID.n样品引入 将样品蒸汽引入载气的过程。该过程应对样品蒸汽有最小影响。n色谱柱 实现样品组分的分离。n检测器 对流出柱的样品组分进行识别和响应。n数据采集 将检测器的信号转换为色谱图，以备手动或自动定性、定量分析之用。概念色谱过程示意图色谱过程示意图色谱是一种分离方法，物质在流动相和固定相之间进行分色谱是一种分离方法，物质在流动相和固定相之间进行分配。由于各种物质在固定相中

4、的保留能力不同而形成不同配。由于各种物质在固定相中的保留能力不同而形成不同的流出时间以达到分离。的流出时间以达到分离。气固色谱(GSC)(GLC)流动相固定相气态固态气液色谱气态液态分离是如何发生的分离是如何发生的GC基础知识GC基础知识色谱的热力学理论-塔板理论理论塔板数N=5.545(tR/WH/2)=L/HETPHH/2WH/2开始tR理论塔板数（）理论塔板高度（）理论塔板数N 表示柱效的参数 N越大，柱效越高 理论塔板高度(HETP)表示柱效的参数（与柱长无关）H越小，柱效越高色谱的动力学理论速率理论 方程A：涡流扩散项（多途径造成）B：纵向扩散项C:传质阻力项 u：载气线速度Van

5、Deemter方程式填充柱填充柱毛细柱毛细柱气相色谱质谱仪的基本流路图钢瓶He载气控制进样口色谱柱 MS数据处理机气相色谱仪的流动相-载气高纯氦气（纯度99.999%以上）气相色谱的进样方式WBI进样口毛细柱分流/无分流进样口冷柱头进样PTV进样口热进样和冷进样热进样分流/无分流进样(SPL)直接进样（WBI）宽口毛细柱和填充柱冷进样PTV进样冷柱头进样(OCI)歧视效应和热分解 热进样(SPL,WBI)存在歧视现象和样品热分解冷进样 (OCI,PTV)进样是在较低温度下进行定量精度高歧视效应和热解效应的影响小歧视效应的产生歧视:蒸溜现象 形成气溶胶 分溜现象 低沸点组分百分比偏高低沸点组分百

6、分比偏高进针进针 退针退针高沸点组分残留高沸点组分残留减小热进样歧视现象的方法快速进样法 溶剂冲洗法热针法溶剂冲洗法蒸溜和分蒸溜和分溜减少溜减少溶剂溶剂 空气空气 样品样品 空气空气(%)0.51.02.03.04.0(uL)5251504948n-C4n-C9冷进样概念样品是在冷状态-低于样品沸点的温度下进样(依据溶剂)气化室快速升温使样品气化PTV进样方式分流进样(高浓度样)无分流进样(低浓度样)大体积进样LVI(痕量分析)OCI柱头进样 只适用于0.53内径的柱子 无分流流路，不能分析高浓度样品（污染柱子），进样量 一般小于2ulSPL-无分流进样和 OCI以及PTV-无分流进样的比较(

7、热分解现象)氨基甲酸盐农药的热解现象氨基甲酸盐农药的热解现象Splitless-SPLCool-on-columnSplitless-PTV进样体积上限无分流进样(SPL,PTV)2uL高压进样(SPL,PTV)5uL直接进样（全量进样）3uL 用宽口径毛细柱冷柱头进样（OCI）2uLLVI-PTV 进样空衬管10uL衬管+石英棉50uL衬管+填料大于 1000uL进样口的结构毛细柱进样口隔垫吹扫出口分流出口载气玻璃衬管F2F1隔垫吹扫出口载气玻璃衬管填充柱分流/不分流进样口示意图分流比：SPL.RF1:F2F1F2WBI进样口示意图用于：宽孔径毛细管柱填充柱载气载气毛细柱毛细柱隔垫吹扫出口隔

8、垫吹扫出口分流出口分流出口1.ColumnSleeve/Guide(OCI-mode)2.玻璃衬管玻璃衬管（GlassInsert)(PTV-mode)OCI/PTV进样口示意图色谱柱的介绍色谱柱的类型填充柱柱材：不锈钢，玻璃内径：2.6-3mm长度：0.5-6m填料：担体和固定液的种类固定液的浓度 1-30%担体有硅藻土、玻璃、石英、塑料担体（TPA）等。毛细柱柱材：熔融石英、不锈钢内径：0.2mm-0.53mm长度：10-100m固定相种类：OV-1，PEG-20M，OV-17等固定相膜厚：0.2-5m 色谱柱的类型毛细柱主要类型PorousLayerOpenTubularWallCoat

9、edOpenTubularPackedCapillary多孔层开口柱多孔层开口柱管壁涂渍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 聚硅氧烷（Polysiloxanes,silicones）聚乙二醇（Polyethylene glycols,PEG）固定相聚甲基硅氧烷CH3CH2CH2CH2CNCH2CH2CF3R=methylcyanopropyltrifluoropropylphenylsiloxanebackboneO Si O Si ORRRR固定相聚乙二醇HO CH2C

10、H2O Hn“WAX”or“FFAP”类固定液例如：DB-WAX,DB-FFAP温度稳定性比聚硅氧烷类差，最高使用温度低于聚硅氧烷类固定液固定相“ms”或低流失柱苯基基团键合入硅氧烷聚合物主链DB-5msRtx-5msBPX-5e.g.Si O SiRRRRSi O SiRRRR温度稳定性更好固定液流失021868101214164202224100 C270 C300 C300 C for 12 minBleed常用固定相Phase compositionJ&WSGERestek100%dimethyl polysiloxaneDB-1BP-1Rtx-195%dimethyl-5%diphe

11、nyl polysiloxaneDB-5BP-5Rtx-5Polyethylene glycol(PEG)DB-WaxBP-20Stabilwax50%dimethyl-50%diphenyl polysiloxaneDB-17BP-17Rtx-176%cyanopropylphenyl-94%dimethyl polysiloxaneDB-624BP-624Rtx-624色谱柱的选择固定液极性的选择（按相似相溶原则）非极性固定液-有按沸点顺序溶出倾向极性固定液-沸点相同时，按极性由小到大的顺序溶出固定液的浓度或毛细管柱的膜厚对低沸点化合物 高浓度（10%30%)高膜厚(15m)对高沸点化合物

12、 低浓度（1%5%)低膜厚(0.250.5m)几种代表性固定液的极性(Mc Reynolds 常数)Squalane0 （非极性）PEG20M(DBWAX)322（强极性）SE3015 FFAP 340OV101(DB1)17 PEG1000 347SE54(DB5)33（弱极性）EGA 372DC55074 DEGS 484OV17119（中极性）TCEP 593（超强极性）BCEF 690名称I BenzeneI Benzene 名称 I BenzeneI Benzene内径对毛细柱分离的影响0.22mm x 25m膜厚对毛细柱分离的影响CBP1-W25-100膜厚 1umCBP1-W25

13、-500膜厚 5um毛细柱的内径、膜厚及柱容量内径膜厚柱容量毛细管柱流量设定内径载气流入载气流入MS大流量 真空度差柱内径柱内径流量流量 0.25mm 1-2ml/min 0.32mm 2-4ml/min 0.53mm 10-15ml/min 各公司常用毛细柱商品名及固定液对照表固定相岛津J&WSGE信和化工FrontierLABRESTECSUPELCOCHROMPACK聚甲基硅氧烷OV-1CBP1DB-1BP-1HR-1Rtx-1SPB-1CP Sil 5 CB聚苯基甲基硅氧烷（5%苯基）SE-52CBP5DB-5BP-5HR-52Rtx-1,MXT-5SPB-1,PTE-5SAC-5CP

14、 Sil 8 CB聚苯基甲基硅氧烷（20%苯基）OV-7Rtx-20聚苯基甲基硅氧烷（50%苯基）OV-17,DB-17DB-17thRtx-50SP-22506%腈乙基甲基硅酮Rtx-1301OVI-G4314%腈乙基甲基硅酮OV-1701CBP10DB-1701BP-10HR-10Rtx-1701SPB-1701CP Sil 19 CB50%三氟丙基甲基硅氧烷OV-210DB-210Rtx-200CP Sil 43 CB50%腈乙苯基甲基硅酮DB-225HR-225Rtx-22550%腈乙基甲基硅酮DB-23聚乙二醇（硝苯二酸修饰）FFAPDB-FFAPStabilwax-DANukolC

15、P Wax 58 CB,FFAP-CB聚乙二醇PEG-20MCBP20DB-WAXBP-20HR-20MALLOY-CWStabilwaxSupecolwax-10Carbowax 20MCP Wax 52 CB,联苯基聚甲基硅氧烷（14%联苯基）DB-XLB聚苯基甲基硅氧烷（65%苯基）ALLOY-TRGRtx-65TAP-CB90%二丙腈基10%腈乙苯基甲基硅酮Rtx-2330SP-2380色谱柱的老化为什么必须进行色谱柱老化？新色谱柱含有溶剂和高沸点物质，所以基线不稳，出现鬼峰和噪声；旧柱长时间未用，也存在同样问题。一般 采用升温老化，即从室温程序升温到最高温度，并在高温段保持数小时。新

16、柱老化时，最好不要连接检测器。每天都要进行老化吗？视仪器基线情况，确定是否需要老化以及老化时间。色谱柱分离效率评价色谱柱效率：峰尖评价：理论板高(HETP)、理论塔板数(N)对策：将Van Deemter 各因素优化选择性：峰的分离度评价：分离因子或分离度对策：选择极性相当的固定相峰的对称性：吸附现象评价：拖尾因子对策：色谱柱进一步老化样品样品进样系统离子源真空系统质量分析器检测器数据处理GC进样进样直接进样直接进样v提供足够的平均自由程v提供无碰撞的离子轨道v减少离子-分子反应v减少背景干扰v延长灯丝寿命v消除放电v增加灵敏度真空系统确保离子由离子源转移至检测器+ionair,water e

17、tc.高真空低真空 压力 10-3-10-4 Pa(平均自由路径 5m-50m)排气系统Ion sourceLens systemRod systemDetector主泵副泵真空泵(主泵)涡轮分子泵（Turbo molecular pump）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Interface:GC 和 MS的连接部件接口色谱柱MS高真空使用石墨垫圈 密封（85%Vespel+15%石墨）加热块接口v磁质谱磁质谱v飞行时间质谱飞行时间质谱(TOF)(TOF)v四极杆

18、质谱四极杆质谱v离子肼质谱离子肼质谱磁质量分析器磁质量分析器磁质量分析器是根据离子束在一定场强的磁场中运动时，其运动的曲率半径Rm与离子的质荷比m/z和加速电压V有关，当加速电压固定时，不同质荷比的离子的曲率半径不同，于是不同质荷比的离子在空间有不同的位置，得到了空间位置上的分离。m/z=kRm2B2/V B:磁场强度磁质量分析器磁质量分析器飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器 飞行时间质量分析器是一个长度一定的飞行时间质量分析器是一个长度一定的无场空间，离子经加速电压加速而进入无场空间，离子经加速电压加速而进入分析器时，由于不同质量的离子飞行速分析器时，由于不同质量的离子飞行速度不同，它们飞

19、过一定距离所需的时间度不同，它们飞过一定距离所需的时间也不同，质量小的离子飞行速度快先到也不同，质量小的离子飞行速度快先到达检测器，质量大的飞行速度慢后到达达检测器，质量大的飞行速度慢后到达检测器，因而可获得质量分离。检测器，因而可获得质量分离。飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器四极杆质量分析器四极杆质量分析器 四极杆质量分析器由四根相互平行并均匀安置的金属杆构成，相对的两根杆连在一起。在两组极杆上分别施加极性相反的电压。电压由直流分量和交流分量迭加而成，这样在电极间形成一个对称于z轴的电场分布。离子束进入电场后，在交变电场作用下产生了振荡，在一定电场强度和频率下，只有某种质量的离子能通过电

20、场到达检测器，其它离子由于振幅大而撞到极杆上。四极杆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四极杆质量分析器四极杆质量分析器离子阱质量分析器离子阱质量分析器离子阱质量分析器由环形电极和上下两个端盖电极组成，在环形电极和端盖电极之间加上高频电压，当高频电压固定为某一值时，只能使某一质荷比的离子成为肼内的稳定离子，轨道振幅保持一定，可长时间留在肼内。当在引出电极上加负电压脉冲，可将肼内

21、的稳定离子引出，再由检测器检测。离子阱质量分析器离子阱质量分析器 离子源透镜四极杆检测器气质联用使用的电离技术气质联用使用的电离技术 电子轰击电离（电子轰击电离（EIEI）正化学电离（正化学电离（PCIPCI）负化学电离（负化学电离（NCINCI）电子轰击电离（电子轰击电离（EIEI）e-e-e-e-e-样品分子样品分子灯丝灯丝+碎片离子碎片离子QP电子轰击电离（EI）热电子（70eV）轰击分子，使其电离丰富的碎片离子=丰富的结构信息 “指纹”俵e-M m1m3m2EI spectrum硬酯酸甲酯 M.W.298反应气反应气灯丝灯丝e-e-e-e-e-QPCH4CH5+C2H5+样品分子样品分

22、子H+-CH4M+1-C2H4正化学电离（PCI）正化学电离（PCI）首先电离反应气分子样品分子主要 由质子转移电离容易产生准分子离子用于确定分子量 +CH4e M C2H5MH+C2H4PCI spectrum硬酯酸甲酯 M.W.298EI 模式模式PCI 模式模式碎片碎片分子量分子量负化学电离(NCI)灯丝灯丝e-e-e-e-反应气反应气样品样品样品样品捕捕获电获电子形成子形成负负离子离子 MX+e(0MX+e(0 15eV)-MX15eV)-MX X:电负性强元素电负性强元素CH4e MX MX CH4+CH3+HCH4CH4CH4e MX MX _ _ 负化学电离负化学电离(NCI)N

23、CI)NCI 质谱图六氯苯 M.W.284负化学电离(NCI)适合分析电负性强的元素适合分析电负性强的元素高灵敏度高灵敏度与与GC-ECD灵敏度相当灵敏度相当高选择性高选择性EIPCINCI马拉松(MW 330)EIPCINCI 的比较 NCI-GC/MS 和 GC-ECD定量结果的比较重量 5g萃取(丙酮/水=5/2)蒸发(除去丙酮)加盐正己烷萃取蒸发色谱柱蒸发并定容 (5mL)按 JP方法进行前处理Peak NoNameNCI-GC/MSGC-ECDPeak NoNameNCI-GC/MSGC-ECD1-BHC0.04410.04417DildrinN.DN.D2-BHCN.D N.D8E

24、ndrinN.DN.D3-BHC0.01480.01249p,p-DDD0.00110.00214-BHCN.D N.D10o,p-DDT0.00290.00315ArdrinN.D N.D11p,p-DDT0.01780.01316p,p-DDE0.00210.0030KOUJIN中有机氯农药的定量结果（ppm）面积的重现性 化合物C.V.(%)-BHC4.3-BHC3.6-BHC3.4-BHC2.8艾氏剂7.6p,p-DDE5.4狄氏剂5.3 1pg n=10化合物C.V.(%)除虫菊酯(5pg)3.3氯氟氰菊酯(1pg)7.5氯氰菊酯(4pg)4.7氟胺氰菊酯5.5四溴菊酯(2pg)7.

25、8n=7v电离室电离室v透镜透镜电离室v永久磁铁永久磁铁v灯丝灯丝v靶靶v电子聚焦电子聚焦离子化过程：样品分子与电子相互作用，电子把能量给予样品。如果这个能量足够大，则化合物被活化，失去一个电子，产生一个正离子，我们称之为分子离子。电子的能量通常为70ev。如果样品分子离子含有剩余的能量，会导致离子进一步断裂，形成碎片，剩余的能量越多，生成的碎片越多。形成的中性碎片被真空泵抽走，负离子撞击到离子源的其他部件上。v排斥极：使带正电荷的离子碎片向质量分析器方向运动。排斥极位于离子化室出口对面；它的极性与离子相同。排斥极帮助离子穿过透镜。v拉出极：帮助带正电荷的离子碎片向质量分析器方向运动。拉出极的

26、电压比排斥极负，吸引正电子向质量分析器方向运动。拉出极是一个中心带有小孔的圆片。v离子聚焦：如果没有其他部件，离子穿过拉出极后会发生散射，离子聚焦部件可以帮助离子成束状进入质量分析器。离子聚焦带负电，形成一个电场，即使离子聚成束，又防止聚焦部件捕获电子。v入口透镜：位置紧挨四极杆，作用是使离子加速，并且抑制四极杆的边缘效应，防止离子外溢。离子检测器电子倍增管：从质量分析器出来的离子轰击电子倍增管的阴极表面，使其发射出二次电子，再由二次电子依次轰击一系列电极，使二次电子获得不断倍增，最后由阳极接受电流，使离子束信号得到放大。离子检测器+7.5kV-+e-0.73.0kVAMP-7.5KV+e-0

27、.73.0kVAMPe-负离子检测器负离子检测器正离子检测器正离子检测器v灵敏度调节灵敏度调节v分辨率调节分辨率调节v质量数修正质量数修正v相对强度修正相对强度修正PFTBA(全氟三丁胺)稳定可挥发碎片涵盖质量范围宽仅有C-13和N-15同位素无质量缺陷relativem/z intensity69100.013126.021932.04142.05022.06140.4CF3-CF2-CF2-CF2-N-C4F9C4F9v寻找质量峰v粗调EM电压和峰宽v调节离子源部件使502达到最佳v调节EM和峰宽达到最佳v质量轴校正基峰：179分子离子：304质荷比（m/z)75.0100.0125.01

28、50.0175.0200.0225.0250.0275.0300.00.025.050.075.0100.0125.0%179137152304199931249722766276248163842166813423126016728912119510924714781183220100273716315589205130307质谱图（棒图）总离子流图（TIC)TIC和MC（质量色谱图）总离子流图（TIC)75.0100.0125.0150.0175.0200.0225.0250.0275.0300.00.025.050.075.0100.0125.0%17913715230419993124

29、9722766276248163842166813423126016728912119510924714781183220100273716315589205130307vScan（扫描）vSIM(选择离子)massnumbermassnumberTimeTimeScanSIMm/zRetentiontimeTIC:Scan7254152MS质谱图质谱图Retentiontimem/z=72m/z=152m/z=54灵敏度高于灵敏度高于Scan模式模式SIM(选择离子模式）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

30、的检测离子。TimeVm/z0.2secV112VVVSIM数据采集模式80.085.090.095.0100.050100%9785SIM的优点：提高灵敏度改善峰形改善精确度应用痕量分析复杂基质常规定量 原子质量和质量数以12C 质量12为单位来表示原子质量质量数:整数表示example mass mass number1H 1.00782522 12H 2.01410222 212C 12.00000000 1213C 13.00335508 1314N 14.00307440 1416O 15.99491502 1618O 17.99915996 18示例:水的质量数(H2O)1x2+16=18更精确的分子量1.00782522x2+15.99491502=18.01056546