1、第第2章章 气相色谱和质谱联用技术气相色谱和质谱联用技术n可以将联用技术理解为将两种或两种以上的分析可以将联用技术理解为将两种或两种以上的分析技术连接起来以便得到一种更快、更有效的分析技术连接起来以便得到一种更快、更有效的分析工具。工具。n两种光谱技术的联用（例如两种光谱技术的联用（例如MSMS和和MSMS）n两种色谱技术的联用（例如两种色谱技术的联用（例如LCLC和和GCGC）n分离技术和光谱技术的联用（例如分离技术和光谱技术的联用（例如GCGC和和MSMS）更好地体现了联用技术的优点更好地体现了联用技术的优点n为满足日益增长的对复杂样品的分析方法的要求。为满足日益增长的对复杂样品的分析方法
2、的要求。n即便对一些高效的分离技术，例如气相色谱或液相色谱而即便对一些高效的分离技术，例如气相色谱或液相色谱而言，如果不对随机性加以控制的话，言，如果不对随机性加以控制的话，可分离的物质的数目可分离的物质的数目也是很少的也是很少的。Hirschfeld证明对具有理论塔板数为证明对具有理论塔板数为10001000的的分离柱而言，这个数字是分离柱而言，这个数字是1414。实践中，。实践中，这种限制可通过选这种限制可通过选择非随机条件而加以避免择非随机条件而加以避免，例如优化，例如优化GCGC的温度程序或的温度程序或HPLCHPLC的梯度洗脱。的梯度洗脱。n另一种解决办法是采用多维分离另一种解决办法
3、是采用多维分离。在许多种色谱技术（。在许多种色谱技术（GCGC、HPLCHPLC、SFCSFC、TLCTLC）中，这种多维分离方法通常作为样品制中，这种多维分离方法通常作为样品制备过程的一部分已经很好地建立起来了。例如，当用固相备过程的一部分已经很好地建立起来了。例如，当用固相萃取作样品富集或纯化时，这基本上就是在气相色谱操作萃取作样品富集或纯化时，这基本上就是在气相色谱操作前加的一个简单的液相色谱操作步骤。如果这种操作是在前加的一个简单的液相色谱操作步骤。如果这种操作是在两个单独的步骤中完成的，我们称之为样品制备。在联用两个单独的步骤中完成的，我们称之为样品制备。在联用系统中，两种技术的结合
4、是在线的。系统中，两种技术的结合是在线的。n数据的多维性提供了比单独一种分离技术更多的信息。数据的多维性提供了比单独一种分离技术更多的信息。这可从以下事实中得到体现：色谱技术可以作很好的分这可从以下事实中得到体现：色谱技术可以作很好的分离和定量，但分离后化合物的鉴定则单靠色谱数据本身离和定量，但分离后化合物的鉴定则单靠色谱数据本身常常是不可能的。而另一方面光谱技术却具有优异的鉴常常是不可能的。而另一方面光谱技术却具有优异的鉴别能力。利用光谱数据进行鉴定往往是明确的，它可通别能力。利用光谱数据进行鉴定往往是明确的，它可通过将光谱数据与谱图库对比或通过解析来实现。但前提过将光谱数据与谱图库对比或通
5、过解析来实现。但前提条件是产生该色谱峰的化合物必须纯。这就是条件是产生该色谱峰的化合物必须纯。这就是分离技术分离技术与光谱技术联用与光谱技术联用说明其长处和效率的一个场合。说明其长处和效率的一个场合。n一个联用系统的主要问题是一套即色谱运行条件一个联用系统的主要问题是一套即色谱运行条件是否适用于第二种技术的操作条件。通常，它需是否适用于第二种技术的操作条件。通常，它需在分离技术和检测器之间有一个在分离技术和检测器之间有一个接口接口，这是发展，这是发展联用技术的本质。在早期，此接口相当复杂并有联用技术的本质。在早期，此接口相当复杂并有局限性，而仪器发展的较后阶段此接口就变得较局限性，而仪器发展的
6、较后阶段此接口就变得较为简单，或者变成了分析方法不可缺少的一部分。为简单，或者变成了分析方法不可缺少的一部分。它打开了联用技术的新的可能性，并拓宽了其范它打开了联用技术的新的可能性，并拓宽了其范围和能力。围和能力。联用技术的主要内容联用技术的主要内容n气相色谱气相色谱-质谱联用技术质谱联用技术 GC/MS(本章本章)n液相色谱液相色谱-质谱联用技术质谱联用技术 LC/MS(下一章下一章)n液相色谱液相色谱-化学发光法化学发光法 LC/CLn电感耦合等离子体电感耦合等离子体-质谱法质谱法 ICP/MSn毛细管电泳毛细管电泳-质谱法质谱法 CE/MSn毛细管电泳毛细管电泳-化学发光法化学发光法 C
7、E/CLGas Chromatography Detectorn热导热导(TCD)：热导系数差异热导系数差异（通用性）（通用性）n火焰电离火焰电离(FID)：火焰电离火焰电离（有机物有机物）n电子俘获电子俘获(ECD)：化学电离化学电离n火焰光度火焰光度(FPD)：分子发射分子发射n氮磷氮磷(NPD)：热表面电离热表面电离n原子发射原子发射(AED)：原子发射（通用性）原子发射（通用性）n红外红外(FTIR)：分子吸收分子吸收n质谱质谱(MS)：电离和质量色散相结合电离和质量色散相结合选择选择四种常用检测器的性能指标。四种常用检测器的性能指标。一、概述色谱-纯物质纯物质定性、定量二、二、GC/
8、MSGC/MS过程过程 GC纯物质纯物质MS分离分离离子化离子化碎裂碎裂三、三、GC-MSGC-MS接口接口 将气相色谱和质谱联接的主要困难将气相色谱和质谱联接的主要困难:要把要把大气压下大气压下(色谱分离在此压力色谱分离在此压力下进行下进行)的化合物引入高真空的化合物引入高真空(MSMS质量质量分析仪部分通常在近分析仪部分通常在近1010-5_-5_1010-8-8TorroTorro压压力下运行力下运行)。为了克服这一明显的不相。为了克服这一明显的不相容性，已经发展了各种不同的容性，已经发展了各种不同的GC/MSGC/MS接接口。口。n在在GC/MSGC/MS刚刚出现的时候，刚刚出现的时候
9、，GCGC以填充柱在以填充柱在60 mLmin或更高的载气流速下工作。或更高的载气流速下工作。n这一流速与高真空的这一流速与高真空的MSMS系统并不相容。系统并不相容。n因此使因此使GC/MSGC/MS联用系统商品化成功的最重要一点联用系统商品化成功的最重要一点是发展适当的接口以克服上述限制。是发展适当的接口以克服上述限制。n对此接口的要求包括：对此接口的要求包括：n减小减小GCGC色谱柱的体积流速至能够维持质量分析色谱柱的体积流速至能够维持质量分析仪高真空的程度仪高真空的程度n载气的选择性分离载气的选择性分离n色谱分离的维持色谱分离的维持分子分离器分子分离器 渗透接口渗透接口 1 1、分子分
10、离器、分子分离器 2 2、渗透接口、渗透接口 此接口是在质谱仪上安一个固定的进口限流器，同时用一个针形阀把部分色谱流出物旁路掉。这类接口由于可把不同份额的流出物分出并从质谱仪旁路掉，所以色谱柱流速的调节更加灵活。利用真空密封法兰盘将色谱柱出口直利用真空密封法兰盘将色谱柱出口直接插入质谱仪的离子源中。然而，这只适接插入质谱仪的离子源中。然而，这只适于具有典型流速于具有典型流速1-2 mL/min的小口径毛细的小口径毛细管柱。这一气流仍与现代的管柱。这一气流仍与现代的MSMS真空系统相真空系统相匹配，且接近于开管毛细管柱的最佳流速匹配，且接近于开管毛细管柱的最佳流速。四、真空系统 Vacuum s
11、ystemn确保离子源内能正常电离被测组分，而确保离子源内能正常电离被测组分，而不被其他分子或因素干扰。不被其他分子或因素干扰。n确保离子在质量分析器中能自由地按电、确保离子在质量分析器中能自由地按电、磁场作用力运动，而不与其他分子或离磁场作用力运动，而不与其他分子或离子碰撞，或这些离子本身相互碰撞。子碰撞，或这些离子本身相互碰撞。n机械泵机械泵n涡轮分子泵或油扩散泵涡轮分子泵或油扩散泵涡轮分子泵涡轮分子泵A“turbo”pump is able to produce an clean vacuum that is just a few hours and is very reliable.油
12、扩散泵油扩散泵五、样品离子化五、样品离子化 Ionization methodIonization method1 1、电子轰击、电子轰击passes 电子轰击离子化电子轰击离子化(EI)EI)电子轰击离子化可产生能电子轰击离子化可产生能提供结构信息的富碎片质谱图提供结构信息的富碎片质谱图。在电子轰击离子化中，从气相色谱柱进入离在电子轰击离子化中，从气相色谱柱进入离子源的样品分子被钨或铼丝子源的样品分子被钨或铼丝(阴极阴极)发射的并经加发射的并经加速后奔向阳极的热电子所离子化。当电子与样品速后奔向阳极的热电子所离子化。当电子与样品分子碰撞时，电子的部分动能传递给了样品分子，分子碰撞时，电子的部
13、分动能传递给了样品分子，导致样品分子被激发、碎裂和离子化。导致样品分子被激发、碎裂和离子化。由于分子能量分布会直接影响质谱的外观，由于分子能量分布会直接影响质谱的外观，且它主要与电子束能有关，因此常把且它主要与电子束能有关，因此常把EeEe1 1固定固定在一标准数值在一标准数值EeEe1 170 70 evev上。其理由为：上。其理由为：n在这一电子能的作用下可形成最多的离子在这一电子能的作用下可形成最多的离子nEeEe1 1的改变对质谱外观的变化很小的改变对质谱外观的变化很小n可形成相对大的分子离子峰和强的碎片离子峰可形成相对大的分子离子峰和强的碎片离子峰(与分子结构有关与分子结构有关)n对
14、于不同的仪器，形成离子的能量分布实际上对于不同的仪器，形成离子的能量分布实际上相同，使谱图基本上与所使用的仪器无关。相同，使谱图基本上与所使用的仪器无关。2 2、化学电离、化学电离 化学离子化化学离子化(CI)CI)在化学离子化中，待测物通过气相离子在化学离子化中，待测物通过气相离子分子分子反应而被离子化反应而被离子化 化学离子化通常产生能够提供分化学离子化通常产生能够提供分子质量信息的非常简单的质谱图子质量信息的非常简单的质谱图。为达此目的，为达此目的，试剂气试剂气(通常为甲烷，异丁烷，氨或水通常为甲烷，异丁烷，氨或水)在较高压力在较高压力(0.(0.012 012 TorrTorr)下被引
15、入离子源，通过电子轰击离下被引入离子源，通过电子轰击离子化产生试剂气体离子。待测分子则通过与试剂气子化产生试剂气体离子。待测分子则通过与试剂气体的一系列反应，将被间接离子化。在此过程中，体的一系列反应，将被间接离子化。在此过程中，只有狭窄分布的少量能量能够通过碰撞转移给待测只有狭窄分布的少量能量能够通过碰撞转移给待测分子。这就解释了为什么分子。这就解释了为什么CICI常被称为常被称为“软软”离子化离子化技术。软离子化导致较少的碎片。技术。软离子化导致较少的碎片。与与EIEI相比，用相比，用CICI可获得更丰富的分子离子。可获得更丰富的分子离子。尽管较低程度的碎裂增加了尽管较低程度的碎裂增加了G
16、CMSGCMS的灵敏度，的灵敏度，但它只能提供有限的结构信息。然而，但它只能提供有限的结构信息。然而，CICI的宝的宝贵特点是它的选择性可以通过试剂气的选择进贵特点是它的选择性可以通过试剂气的选择进行调整。如果使用非常温和的试剂气，例如氨，行调整。如果使用非常温和的试剂气，例如氨，则只有非常碱性的化合物则只有非常碱性的化合物(例如胺例如胺)可被质子化可被质子化和检测。和检测。CICI谱与实验条件有关，特别是与离子谱与实验条件有关，特别是与离子源压力有关。因此不能比较或检索用不同仪器源压力有关。因此不能比较或检索用不同仪器获得的获得的CICI谱的方法。因为视使用试剂气而言，谱的方法。因为视使用试
17、剂气而言，既可获得正离子也可获得负离子。既可获得正离子也可获得负离子。六、六、Mass analyzersMass analyzers（质量分析器）（质量分析器）1 1、四极杆、四极杆四极滤质器四极滤质器 四极滤质器由四根四极滤质器由四根平行的金属杆组成，其平行的金属杆组成，其排布见左图所示。被加排布见左图所示。被加速的离子束穿过对准四速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直根极杆之间空间的准直小孔。通过在四极上加小孔。通过在四极上加上直流电压上直流电压DC和射频电和射频电压压RF，在极间形成一个在极间形成一个射频场，离子进入此射射频场，离子进入此射频场后，会受到电场力频场后，会受到电场力作用
18、，只有合适作用，只有合适m/z 的的离子才会通过稳定的振离子才会通过稳定的振荡进人检测器。荡进人检测器。只要改变只要改变DC和和RF并保持并保持DC/RF比值恒定比值恒定时，可以实现不同时，可以实现不同m/z的检测。的检测。2 2、离子阱、离子阱电子倍增管七、离子的检测七、离子的检测 八、数据处理系统八、数据处理系统 九、九、GC-MSGC-MS的操作模式的操作模式n全扫描模式【在全扫描模式中，质谱图是全扫描模式【在全扫描模式中，质谱图是在色谱运行期间连续获得的】在色谱运行期间连续获得的】通常，以扫描模式操作的通常，以扫描模式操作的GC-MSGC-MS可产生可产生三维数据阵列，记录的强度既是时
19、间（含三维数据阵列，记录的强度既是时间（含有色谱信息）又是质量（质谱信息）的函有色谱信息）又是质量（质谱信息）的函数。具有不同信息含量的不同类型数据就数。具有不同信息含量的不同类型数据就可从这个三维数据阵列中获取。可从这个三维数据阵列中获取。n 1 1、质谱、质谱 在某个峰的洗脱期间，由某一时间在某个峰的洗脱期间，由某一时间t t1 1处处平行于质量轴的数据阵列的截面图可产生各平行于质量轴的数据阵列的截面图可产生各对应化合物的质谱（离子的相对丰度作为质对应化合物的质谱（离子的相对丰度作为质荷比荷比m/z的函数图）。凭借其特征碎片图，的函数图）。凭借其特征碎片图，使质谱成了分子的使质谱成了分子的
20、“指纹指纹”并可通过谱图库并可通过谱图库检索或质谱图解析鉴定未知物质。检索或质谱图解析鉴定未知物质。n 2 2、离子色谱、离子色谱 由某一质量由某一质量m m1 1处平行于时间轴的上述数处平行于时间轴的上述数据可获得离子色谱图，即固定质荷比（据可获得离子色谱图，即固定质荷比（m/z）的离子的相对丰度对保留时间的函数关系。的离子的相对丰度对保留时间的函数关系。这类信息对于指明个别化合物（如果分子峰这类信息对于指明个别化合物（如果分子峰取自全扫描数据阵列）或各组化合物（如果取自全扫描数据阵列）或各组化合物（如果所取信号是所有被监测化合物都具有的一个所取信号是所有被监测化合物都具有的一个特征碎片离子
21、的信号）是否存在是有用的。特征碎片离子的信号）是否存在是有用的。这一操作在有限程度上可给官能团色谱提供这一操作在有限程度上可给官能团色谱提供补偿。补偿。n选定离子监测模式（选定离子监测模式（SIMSIM）【）【在选定离子监测模式在选定离子监测模式中，灵敏度可通过仅监测少数几个选定的中，灵敏度可通过仅监测少数几个选定的m/zm/z比荷比荷成比例地增加记录时间的办法加以增强】。成比例地增加记录时间的办法加以增强】。在允许作最灵活的数据评估的同时，上面提到在允许作最灵活的数据评估的同时，上面提到的全扫描模式也有灵敏度相当低这一弊端。因为扫的全扫描模式也有灵敏度相当低这一弊端。因为扫描范围通常相当宽（
22、例如描范围通常相当宽（例如m/zm/z5050500500），），因此所因此所感兴趣的质谱信号只能从后运行中获取。这样大部感兴趣的质谱信号只能从后运行中获取。这样大部分数据获取的时间就浪费在了于分析不相干的质量分数据获取的时间就浪费在了于分析不相干的质量上。这种情况可以通过在操作前确定欲监测质量的上。这种情况可以通过在操作前确定欲监测质量的办法加以克服。办法加以克服。取代每周扫描中扫描整个范围，现在仪器用整周时间对预取代每周扫描中扫描整个范围，现在仪器用整周时间对预置质量求取数据。这被称为单离子监测（置质量求取数据。这被称为单离子监测（SIMSIM）或多离子或多离子检测（检测（MIDMID）。
23、）。显然，由于改善了信显然，由于改善了信/噪比（噪比（S/NS/N），），SIMSIM模模式要灵敏得多（与全扫描模式的式要灵敏得多（与全扫描模式的1010ngng绝对量相比，它可绝对量相比，它可检测小到检测小到1010pgpg绝对量），但不得不牺牲一些质量信息。为绝对量），但不得不牺牲一些质量信息。为了在灵敏度荷特效性之间求得一个折衷，通常需对所怀疑了在灵敏度荷特效性之间求得一个折衷，通常需对所怀疑化合物的化合物的2 24 4个特征离子加以同时测量，并且不同质荷比个特征离子加以同时测量，并且不同质荷比（m/zm/z）处的信号强度比必须落在限定范围内以便获得确处的信号强度比必须落在限定范围内以便
24、获得确切的鉴定。切的鉴定。n总离子色谱（总离子色谱（TICTIC）【）【总离子色谱图类总离子色谱图类似于用火焰离子化检测器获得的信号】。似于用火焰离子化检测器获得的信号】。总离子色谱图（又称为重建离子色总离子色谱图（又称为重建离子色谱图，谱图，RICRIC）是由质谱（或以全扫描模是由质谱（或以全扫描模式记录，或以式记录，或以MIDMID模式记录）中所有质模式记录）中所有质荷比（荷比（m/zm/z）丰度加和所获得的色谱图。丰度加和所获得的色谱图。将这一结构对保留时间或扫描次数进行将这一结构对保留时间或扫描次数进行作图。作图。Seminar 讨论题目讨论题目n样品离子化技术样品离子化技术 的研究进展。的研究进展。n质谱质谱质量分析器的研究进展。质量分析器的研究进展。n GC-MS联用技术的应用研究进展。联用技术的应用研究进展。n气相色谱气相色谱傅里叶变换红外检测联用系统。傅里叶变换红外检测联用系统。(GCFTlR）n气相色谱气相色谱原子发射检测联用系统。原子发射检测联用系统。(GCABD)http:/http:/ull.chemistry.uakron.edu/gcmsull.chemistry.uakron.edu/gcms/
