大学精品课件：第2讲-GCMS.ppt

1、GCMS的基本流路图GC接口MS数据处理真空系统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 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

2、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(%)0.5

3、1.0 2.0 3.0 4.0(uL)52 51 50 49 48n-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(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)

4、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垫吹扫出口分流出口分流出口1.Column Sleeve/Guide(OCI-mode)2.玻璃衬管玻璃衬管（Glass Insert)(PTV-mode)OCI/PTV进样口

5、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、铝内径：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Porous Layer Open TubularWall Coated Open TubularPacked Capillary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

6、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 聚甲基硅氧烷（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 CH2CH2O 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

7、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%diphenyl polysiloxaneDB-5BP-5Rtx-5Polyethylene glycol(PEG)DB-WaxBP-20Stabilwax50%dim

8、ethyl-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 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)3

9、22（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-W25-500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

10、-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 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-2

11、2506%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-DANukolCP Wax 58 CB,FFAP-CB聚乙二醇PEG-20MCBP20DB-WAXBP-20HR-20MALLOY-CWStabilwaxSupecolw

12、ax-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

13、)、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 etc.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 systemD

14、etector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四极杆质谱四极杆质谱v飞行时间质谱飞行时间质谱(TOF)(TOF)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

15、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

16、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

17、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-QPCH4 CH5+C2H5+样品分子样品分子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(0M

18、X+e(0 15eV)-MX 15eV)-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)NCI)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EIPCINCIMarthone(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

19、法进行前处理Peak NoNameNCI-GC/MSGC-ECDPeak NoNameNCI-GC/MSGC-ECD1-BHC0.04410.04417DildrinN.DN.D2-BHCN.D N.D8EndrinN.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-

20、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)7.8n=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

21、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

22、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-0.73.0kVAMPe-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 relative m/z intensity 69 100.0131 26.0219 32.0414 2.0502 2.0614 0.4C

23、F3-CF2-CF2-CF2-N-C4F9 C4F9v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)75.0100.0125.0150.0175.0200.0225.0250.0275.0300.00.025.050.075.0100.0125.0%179137152304199931249722766276248163842166813423126016728912119510924714781183220100273716315589205130307质谱图（棒图）总离子流图（TIC)TIC和M

24、C（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%179137152304199931249722766276248163842166813423126016728912119510924714781183220100273716315589205130307vScan（扫描）vSIM(选择离子)mass numbermass numberTimeTimeScanSIMm/zRetention timeTIC:Scan 7254152MS 质谱图质谱图Rete

25、ntion timem/z=72 m/z=152 m/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 12

26、H 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 分析方法 计算方法方法的建立分析方法（仪器参数）分析参数选择分析系统:进样方式、色谱柱等GC参数:载气流量、分流比、温度条件等MS参数:扫描模式：SCAN,SIM 离子源：EI,PCI,NCI 检测器电压等进样口、色谱柱、检测器的温度设定进样口温度考虑样品中各

27、组分的沸点，设定温度使样品瞬间汽化。色谱柱温度考虑样品中各组分的沸点，及希望的分析周期，宽沸程样品应使用程序升温。检测器温度防止检测器污染，一般比色谱柱温度高20-30。DET.TINJ.TCOL.T+20恒温分析和升温分析的比较恒温分析升温分析沸程窄时采用恒温分析恒温分析时，保留时间和碳数程指数关系C8C9C10C11C8C9C10 C11沸程宽时采用升温分析升温分析时，碳数和保留时间程比例关系基线调整困难，应确认空白是否有鬼峰出现。计算方法（数据处理参数）峰处理参数（WIDTH,SLOPE,DRIFT,T.DBL等）定量参数定量方法：内标法、外标法、面积归一法等工作曲线的制作 曲线点数：一

28、点、两点及多点 曲线计算：线性回归、折线、二次曲线、三次曲线定性参数：保留时间、时间窗、时间带峰处理参数去除高频噪声(电磁干扰）WH/2WIDTH/4控制数据采集速度，WIDTH/10采一次数据控制S.TEST时间，斜率测试时间为 10WIDTHWIDTH：设为最窄峰的半高宽，单位：秒推荐值：填充柱 5 毛细柱 23判断峰起点滤除低平噪声（如蛇行等）SLOPE的确定：一般通过S.TEST进行，测定时间为 10倍WIDTH的时间。特殊情况，可根据实际需要改变该值。SLOPE：10倍WIDTH的所有信号的总和，用于：峰处理参数SLOPE值的手动设定 单位：uv/minSLOPESLOPESLOPE

29、SLOPE峰斜率，作为噪声滤除SLOPE峰斜率，积分不稳定，须手动设定峰处理参数DRIFT：判断相邻峰的积分方式注：1）设定值为0时，积分仪将自动判断 2）如DRIFT与基线至峰谷连线较接近时，积分 可能不稳定，导致面积值变化较大，需加 以注意。DRIFT值的设定DRIFTDRIFTDRIFTDRIFTDRIFTDRIFTT.DBL2 x T.DBL4 x T.DBLWIDTHSLOPE2WIDTHSLOPE/24WIDTHSLOPE/48WIDTHSLOPE/8峰处理参数设定值为0时，自动判断；不使用时可设为1000T.DBL设定为某值时，SLOPE和WIDTH按下图改变 T.DBL：峰展宽

30、一倍所需要的时间定性参数保留时间允许误差：时间窗(WINDOW)，相对允差 设定简单，但所测组分保留时间跨度大时，不易设定时间带(BAND)，绝对允差 设定较繁，需逐个组分设定绝对保留值、相对保留值、多参考保留值定量参数校正级别（曲线计算方法）单点校正（liner)两点校正（liner)多点校正线性回归点到点连线（折线）二次曲线三次曲线单点校正对每一组分仅做一个浓度的标样标样浓度应尽可能接近实际样品中各组分的浓度单点校正曲线通过原点多点校正对每一组分至少作三个不同浓度水平的校正标样浓度范围应包含实际样品中各组分的浓度多级校正有几种方式 1.响应值随浓度变化不呈线性变化时，使用多线性校正（折线校

31、正）或二次曲线、三次曲线 2.组分响应值随浓度变化呈线性变化时，使用最小二乘法，进行线性回归校正定量方法面积归一化法校正面积归一化法外标法内标法定量方法（一）面积百分率法（面积归一）各组分浓度以面积百分率表示，该结果可以确认大概的浓度，但有误差。校正面积百分率法（校正面积归一）用重量响应因子对峰面积进行修正，用该法测定的浓度比前者准确，但前提是样品中所有组分都出峰，否则也有误差存在。这两种方法应用的必须条件是：1.1.样品中所有组分都出峰；2.2.所有峰面积计算必须准确。面积归一化法公式：%100%AiAiCi优点：1）无需做校正，简便，快速2）进样量不严格要求缺点：1）所有组分都流出且被检测

32、到2）所有组分的检测灵敏度都相同校正面积归一化法公式：式中：Fi为校正因子，Fi浓度（含量）/面积用重量响应因子对峰面积进行修正，用该法测定的浓度比前者准确，但前提是样品中所有组分都出峰，否则也有误差存在。优点：进样量要求不严格缺点：1）所有组分都流出且被检测到2）所有组分都需作校正%100)(%AiFiAiFiCi3.外标法该法是应用最广泛的方法之一，其误差来源主要是进样误差，因此，分析前一定要做面积重复性（即进样重复性）实验。4.内标法在样品中添加内标物，通过组分与内标峰的面积比，对组分进行定量。该方法减小了进样误差对定量结果的影响。定量方法（二）外标法公式：iFiFAiCi21优点：1）不需所有峰都流出或被检测到2）只对所测组分作校正缺点：1）进样量必须准确2）仪器必须有良好的稳定性内标法公式：ISISCiFiFAAiCi)(21优点：1）进样量不严格要求2）只对所测组分作校正缺点：1）必须在样品中加一内标组分2）操作较为繁琐3）选择内标物困难内标物的选择内标物的峰与试样中的所有成分的峰完全分离。内标物的峰与目标成分的峰保留时间不应差太远。内标物具有与分析目标成分类似的化学性质。