1、GCMS原理與構(gòu)造,GCMS的基本流路圖,GC,接口,MS,數(shù)據(jù)處理,真空系統(tǒng),氣相色譜 氣相色譜的流動相為惰性氣體，氣-固色譜法中以表面積大且具有一定活性的吸附劑作為固定相。當多組分的混合樣品進入色譜柱后，由于吸附劑對每個組分的吸附力不同，經(jīng)過一定時間后，各組分在色譜柱中的運行速度也就不同。吸附力弱的組分容易被解吸下來，最先離開色譜柱進入檢測器，而吸附力最強的組分最不容易被解吸下來，因此最后離開色譜柱。如此，各組分得以在色譜柱中彼此分離，順序進入檢測器中被檢測、記錄下來。,質(zhì)譜 質(zhì)譜分析法是通過對被測樣品離子的質(zhì)荷比的測定來進行分析的一種分析方法。被分析的樣品首先要離子化，然后利用不同離子在

2、電場或磁場的運動行為的不同，把離子按質(zhì)荷比（m/z）分開而得到質(zhì)譜，通過樣品的質(zhì)譜和相關信息，可以得到樣品的定性定量結(jié)果。 氣質(zhì)聯(lián)用（GC/MS） 氣質(zhì)聯(lián)用的有效結(jié)合既充分利用色譜的分離能力，又發(fā)揮了質(zhì)譜的定性專長，優(yōu)勢互補，結(jié)合譜庫檢索，可以得到較滿意的分離機鑒定結(jié)果。,氣相色譜分離樣品的各個組分，起樣品制備的作用，接口把氣相色譜流出的各個組分送入質(zhì)譜儀進行檢測，質(zhì)譜儀對接口引入的各個組分進行分析，成為氣相色譜的檢測器。計算機系統(tǒng)控制色譜儀、接口、質(zhì)譜儀，進行數(shù)據(jù)采集和處理。,GC/MS聯(lián)用儀器的基本組成部件,GC基礎知識,典型的氣相色譜,氣體 載氣 - 用于傳送樣品通過整個系統(tǒng)的氣體。 檢

3、測器氣體 - 某些檢測器所需的支持氣體, 如 FID. 樣品引入 將樣品蒸汽引入載氣的過程。 該過程應對樣品蒸汽有最小影響。 色譜柱 實現(xiàn)樣品組分的分離。 檢測器 對流出柱的樣品組分進行識別和響應。 數(shù)據(jù)采集 將檢測器的信號轉(zhuǎn)換為色譜圖，以備手動或自動定性、定量分析之用。,概念,色譜過程示意圖,色譜是一種分離方法，物質(zhì)在流動相和固定相之間進行分配。由于各種物質(zhì)在固定相中的保留能力不同而形成不同的流出時間以達到分離。,分離是如何發(fā)生的,GC基礎知識,GC基礎知識,色譜的熱力學理論-塔板理論,理論塔板數(shù)N=5.545(tR/WH/2)=L/HETP,理論塔板數(shù)（）理論塔板高度（）,理論塔板數(shù)N 表

4、示柱效的參數(shù) N越大，柱效越高 理論塔板高度(HETP) 表示柱效的參數(shù)（與柱長無關） H越小，柱效越高,色譜的動力學理論速率理論 方程,A ： 渦流擴散項（多途徑造成） B ： 縱向擴散項 C: 傳質(zhì)阻力項,u： 載氣線速度,H = A+ B/u + Cu,Van Deemter方程式,氣相色譜質(zhì)譜儀的基本流路圖,氣相色譜儀的流動相-載氣,高純氦氣（純度99.999%以上）,氣相色譜的進樣方式,WBI進樣口 毛細柱分流/無分流進樣口 冷柱頭進樣 PTV進樣口,熱進樣和冷進樣,熱進樣 分流/無分流進樣(SPL) 直接進樣（WBI） 寬口毛細柱和填充柱 冷進樣 PTV進樣 冷柱頭進樣(OCI),

5、歧視效應和熱分解,熱進樣 (SPL, WBI) 存在歧視現(xiàn)象和樣品熱分解 冷進樣 (OCI, PTV) 進樣是在較低溫度下進行 定量精度高歧視效應和熱解效應的影響小,歧視效應的產(chǎn)生,歧視:蒸溜現(xiàn)象 形成氣溶膠 分溜現(xiàn)象,低沸點組分百分比偏高,進針 退針,高沸點組分殘留,減小熱進樣歧視現(xiàn)象的方法,快速進樣法 溶劑沖洗法 熱針法,溶劑沖洗法,蒸溜和分溜減少,冷進樣,概念 樣品是在冷狀態(tài)-低于樣品沸點的溫度下進樣 (依據(jù)溶劑) 氣化室快速升溫使樣品氣化 PTV進樣方式 分流進樣(高濃度樣) 無分流進樣 (低濃度樣) 大體積進樣LVI (痕量分析),OCI柱頭進樣 只適用于0.53內(nèi)徑的柱子 無分流流

6、路，不能分析高濃度樣品（污染柱子），進樣量 一般小于2ul,SPL-無分流進樣和 OCI以及PTV-無分流進樣的比較(熱分解現(xiàn)象),進樣體積上限,無分流進樣 (SPL,PTV) 2uL 高壓進樣 (SPL,PTV)5uL 直接進樣（全量進樣）3uL 用寬口徑毛細柱 冷柱頭進樣（OCI） 2uL LVI-PTV 進樣 空襯管10uL 襯管 + 石英棉50uL 襯管 + 填料大于 1000uL,進樣口的結(jié)構(gòu),毛細柱進樣口,WBI進樣口,分流/不分流進樣口示意圖,分流比： SPL.RF1:F2,WBI進樣口示意圖,用于： 寬孔徑毛細管柱 填充柱,載氣 毛細柱,隔墊吹掃出口 分流出口,1.Column

7、 Sleeve/Guide (OCI-mode) 2. 玻璃襯管 （Glass Insert) (PTV-mode),OCI/PTV進樣口示意圖,色譜柱的介紹,色譜柱的類型,填充柱,柱材：不銹鋼，玻璃 內(nèi)徑：2.6-3mm 長度：0.5-6m 填料：擔體和固定液的種類 固定液的濃度 1-30% 擔體有硅藻土、玻璃、石英、塑料擔體（TPA）等。,毛細柱 柱材：熔融石英、不銹鋼 內(nèi)徑：0.2mm-0.53mm 長度：10-100m 固定相種類：OV-1，PEG-20M，OV-17等 固定相膜厚：0.2-5m,色譜柱的類型,毛細柱主要類型,Wall Coated Open Tubular,多孔層開口

8、柱,管壁涂漬開口柱,毛細管柱管材,熔融石英 合成高純石英 外表面涂覆聚酰亞胺 內(nèi)表面經(jīng)化學處理 不銹鋼 用于高溫分析 最不易斷裂 內(nèi)表面經(jīng)特殊處理,固定相,大多數(shù)固定相為聚合物 聚硅氧烷（Polysiloxanes, silicones） 聚乙二醇（Polyethylene glycols, PEG）,固定相聚甲基硅氧烷,siloxane,backbone,固定相聚乙二醇,“WAX” or “FFAP” 類固定液 例如： DB-WAX, DB-FFAP 溫度穩(wěn)定性比聚硅氧烷類差，最高使用溫度低于聚硅氧烷類固定液,固定相“ms” 或低流失柱,苯基基團鍵合入硅氧烷聚合物主鏈,溫度穩(wěn)定性更好,固定液

9、流失,100 C,270 C,300 C,300 C for 12 min,Bleed,常用固定相,Phase composition,J&W,SGE,Restek,100% dimethyl polysiloxane,DB-1,BP-1,Rtx-1,95% dimethyl- 5% diphenyl polysiloxane,DB-5,BP-5,Rtx-5,Polyethylene glycol (PEG),DB-Wax,BP-20,Stabilwax,50% dimethyl- 50% diphenyl polysiloxane,DB-17,BP-17,Rtx-17,6% cyanopro

10、pylphenyl- 94% dimethyl polysiloxane,DB-624,BP-624,Rtx-624,色譜柱的選擇,固定液極性的選擇（按相似相溶原則） 非極性固定液-有按沸點順序溶出傾向 極性固定液-沸點相同時，按極性由小到大的順序溶出 固定液的濃度或毛細管柱的膜厚 對低沸點化合物 高濃度（10%30%) 高膜厚(15m) 對高沸點化合物 低濃度（1%5%) 低膜厚(0.250.5m),幾種代表性固定液的極性(Mc Reynolds 常數(shù)),Squalane0 （非極性） PEG20M(DBWAX) 322（強極性） SE3015 FFAP 340 OV101(DB1)17 P

11、EG1000 347 SE54(DB5)33 （弱極性） EGA 372 DC55074 DEGS 484 OV17119（中極性） TCEP 593 （超強極性） BCEF 690,名稱I Benzene 名稱 I Benzene,內(nèi)徑對毛細柱分離的影響,0.22mm x 25m,膜厚對毛細柱分離的影響,毛細柱的內(nèi)徑、膜厚及柱容量,毛細管柱流量設定,內(nèi)徑,載氣流入 MS 大流量 真空度差,柱內(nèi)徑 流量 0.25mm 1-2ml/min 0.32mm 2-4ml/min 0.53mm 10-15ml/min,各公司常用毛細柱商品名及固定液對照表,色譜柱的老化,為什么必須進行色譜柱老化？ 新色譜

12、柱含有溶劑和高沸點物質(zhì)，所以基線不穩(wěn)，出現(xiàn)鬼峰和噪聲；舊柱長時間未用，也存在同樣問題。一般 采用升溫老化，即從室溫程序升溫到最高溫度，并在高溫段保持數(shù)小時。 新柱老化時，最好不要連接檢測器。 每天都要進行老化嗎？ 視儀器基線情況，確定是否需要老化以及老化時間。,色譜柱分離效率評價,色譜柱效率：峰尖 評價：理論板高(HETP)、理論塔板數(shù)(N) 對策：將Van Deemter 各因素優(yōu)化 選擇性：峰的分離度 評價：分離因子或分離度 對策：選擇極性相當?shù)墓潭ㄏ?峰的對稱性：吸附現(xiàn)象 評價：拖尾因子 對策：色譜柱進一步老化,MS基礎知識,MS流程圖,樣品,進樣系統(tǒng),離子源,真空系統(tǒng),質(zhì)量分析器,檢測

13、器,數(shù)據(jù)處理,GC進樣 直接進樣,直接進樣方式 DI,為什麼MS需要高真空,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 減少背景干擾 延長燈絲壽命 消除放電 增加靈敏度,真空系統(tǒng)確保離子由離子源轉(zhuǎn)移至檢測器,ion,air, water etc.,高真空,低真空,為什麼MS需要高真空,壓力 10-3-10-4 Pa(平均自由路徑 5m-50m),排氣系統(tǒng),主泵,副泵,真空泵 (主泵),渦輪分子泵（Turbo molecular pump）,旋轉(zhuǎn)葉片使氣體分子向下移動并 由 出口排出 干凈真空 啟動和關機時間短 價格昂貴,單泵排氣系統(tǒng)和差動排氣系統(tǒng),差動排氣系統(tǒng)更有利于高流量

14、分析,單泵排氣系統(tǒng),差動排氣系統(tǒng),高真空,Interface:GC 和 MS的連接部件,使用石墨墊圈 密封（85%Vespel+15%石墨）,加熱塊,接口,MS 的分類,磁質(zhì)譜 飛行時間質(zhì)譜 (TOF) 四極桿質(zhì)譜 離子肼質(zhì)譜,磁質(zhì)量分析器,磁質(zhì)量分析器是根據(jù)離子束在一定場強的磁場中運動時，其運動的曲率半徑Rm與離子的質(zhì)荷比m/z和加速電壓V有關，當加速電壓固定時，不同質(zhì)荷比的離子的曲率半徑不同，于是不同質(zhì)荷比的離子在空間有不同的位置，得到了空間位置上的分離。 m/z=kRm2B2/V B: 磁場強度,磁質(zhì)量分析器,飛行時間質(zhì)量分析器,飛行時間質(zhì)量分析器是一個長度一定的無場空間，離子經(jīng)加速電壓

15、加速而進入分析器時，由于不同質(zhì)量的離子飛行速度不同，它們飛過一定距離所需的時間也不同，質(zhì)量小的離子飛行速度快先到達檢測器，質(zhì)量大的飛行速度慢后到達檢測器，因而可獲得質(zhì)量分離。,飛行時間質(zhì)量分析器,四極桿質(zhì)量分析器,四極桿質(zhì)量分析器由四根相互平行并均勻安置的金屬桿構(gòu)成，相對的兩根桿連在一起。在兩組極桿上分別施加極性相反的電壓。電壓由直流分量和交流分量迭加而成，這樣在電極間形成一個對稱于z軸的電場分布。離子束進入電場后，在交變電場作用下產(chǎn)生了振蕩，在一定電場強度和頻率下，只有某種質(zhì)量的離子能通過電場到達檢測器，其它離子由于振幅大而撞到極桿上。,四極桿質(zhì)量分析器,m/zV m：mass number

16、 z ：charge ( =1 in GCMS) k ：constant V :voltage applied to QP,四極桿質(zhì)量分析器,離子阱質(zhì)量分析器,離子阱質(zhì)量分析器由環(huán)形電極和上下兩個端蓋電極組成，在環(huán)形電極和端蓋電極之間加上高頻電壓，當高頻電壓固定為某一值時，只能使某一質(zhì)荷比的離子成為肼內(nèi)的穩(wěn)定離子，軌道振幅保持一定，可長時間留在肼內(nèi)。當在引出電極上加負電壓脈沖，可將肼內(nèi)的穩(wěn)定離子引出，再由檢測器檢測。,離子阱質(zhì)量分析器,QP/MS的結(jié)構(gòu),離子源,透鏡,四極桿,檢測器,氣質(zhì)聯(lián)用使用的電離技術(shù),電子轟擊電離（EI） 正化學電離（PCI） 負化學電離（NCI）,電子轟擊電離（EI）,

17、e-,e-,e-,e-,e-,樣品分子,燈絲,+,+,+,+,碎片離子,QP,電子轟擊電離（EI）,熱電子（70eV）轟擊分子，使其電離 豐富的碎片離子=豐富的結(jié)構(gòu)信息 “指紋”,EI spectrum 硬酯酸甲酯 M.W. 298,反應氣,燈絲,QP,CH4,CH5+ C2H5+,樣品分子,H+,-CH4,M+1,-C2H4,正化學電離（PCI）,正化學電離（PCI）,首先電離反應氣分子樣品分子主要 由質(zhì)子轉(zhuǎn)移電離 容易產(chǎn)生準分子離子用于確定分子量,+,PCI spectrum 硬酯酸甲酯 M.W. 298,EI和 PCI的比較,EI 模式,PCI 模式,負化學電離(NCI),燈絲,e-,e

18、-,e-,e-,捕獲電子形成負離子,MX+e(015eV)-MX,X: 電負性強元素,CH4,MX,CH4,+,CH3,+,H,CH4,CH4,CH4,e,MX,_,負化學電離(NCI),NCI 質(zhì)譜圖,六氯苯 M.W. 284,負化學電離(NCI),NCI 的優(yōu)點,適合分析電負性強的元素 高靈敏度 與 GC-ECD靈敏度相當 高選擇性,EI,PCI,NCI,馬拉松 (MW 330),EIPCINCI 的比較,NCI-GC/MS 和 GC-ECD定量結(jié)果的比較,按 JP方法進行前處理,面積的重現(xiàn)性,離子源結(jié)構(gòu),電離室 透鏡,電離室,永久磁鐵 燈絲 靶 電子聚焦,離子化過程：樣品分子與電子相互作

19、用，電子把能量給予樣品。如果這個能量足夠大，則化合物被活化，失去一個電子，產(chǎn)生一個正離子，我們稱之為分子離子。電子的能量通常為70ev。如果樣品分子離子含有剩余的能量，會導致離子進一步斷裂，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，負離子撞擊到離子源的其他部件上。,透鏡,排斥極：使帶正電荷的離子碎片向質(zhì)量分析器方向運動。排斥極位于離子化室出口對面；它的極性與離子相同。排斥極幫助離子穿過透鏡。 拉出極：幫助帶正電荷的離子碎片向質(zhì)量分析器方向運動。拉出極的電壓比排斥極負，吸引正電子向質(zhì)量分析器方向運動。拉出極是一個中心帶有小孔的圓片。 離子聚焦：如果沒有其他部件，離子穿

20、過拉出極后會發(fā)生散射，離子聚焦部件可以幫助離子成束狀進入質(zhì)量分析器。離子聚焦帶負電，形成一個電場，即使離子聚成束，又防止聚焦部件捕獲電子。 入口透鏡：位置緊挨四極桿，作用是使離子加速，并且抑制四極桿的邊緣效應，防止離子外溢。,離子檢測器,電子倍增管： 從質(zhì)量分析器出來的離子轟擊電子倍增管的陰極表面，使其發(fā)射出二次電子，再由二次電子依次轟擊一系列電極，使二次電子獲得不斷倍增，最后由陽極接受電流，使離子束信號得到放大。,離子檢測器,負離子檢測器,正離子檢測器,MS調(diào)諧,靈敏度調(diào)節(jié) 分辨率調(diào)節(jié) 質(zhì)量數(shù)修正 相對強度修正,MS 調(diào)諧標樣,PFTBA(全氟三丁胺),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 無質(zhì)量缺陷,PFTBA,relative m/z intensity 69 100.0 131 26.0 219 32.0 414 2.0 502 2.0 614 0.4,MS自動調(diào)諧流程,尋找質(zhì)量峰 粗調(diào)EM電壓和峰寬 調(diào)節(jié)離子源部件使502達到最佳