气质测定苯系物实验报告材料.doc

气相色谱-质谱联用测定苯系物实验报告

一、 实验目的
1． 掌握气相色谱的基本原理。
2． 掌握气相色谱仪组成结构及作用。
3． 了解气相色谱-质谱联用法原理、特点和使用方法。
4． 掌握气相色谱中质谱库定性的基本原理及外标定量方法和特点。
5． 了解利用弱极性毛细管柱测定非/弱极性有机物的注意事项。
6． 掌握吹扫捕集原理、使用特点、注意事项及其选择原则。
二、 基本原理：
2.1 气相色谱工作原理
气相色谱是利用试样中各组份在气相和固定液液相间的分配系数不同，当汽化后的样品被载气带入色谱柱中运行时，组份就在其中的两相间进行反复多次分配，由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同，因此各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的离子流讯号经放大后，在记录器上描绘出各组份的色谱峰。
2.2 气相色谱仪的组成及作用
气相色谱的结构由以下几个系统组成：载气系统，进样系统，色谱柱，检测器，记录系统和温度控制系统。
(1) 载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制装置三部分，作用是提供稳定流量/压力的高纯载气。气源提供载气流动相，气体净化装置去除载气中的杂质和水汽，纯化载气，气体流速控制装置可控制载气的流量。
(2) 进样系统：包括注射器和进样口（隔垫、衬管），样品被注射器注入衬管后（液体样品将瞬间汽化），被载气带入色谱柱，分流功能也在进样口实现。
(3) 色谱柱：色谱柱是混合物样品中的各组分分离的场所，是气相色谱最重要的结构之一。色谱柱按照固定相是固体还是液体有填充柱和毛细管柱两种。
(4) 检测系统：获得与各组分含量呈比例的信号。
(5) 记录系统：包括放大器及记录仪，或数据处理装置及工作站，记录检测器获得的信号，得到色谱图，并可以对色谱峰进行积分等处理。
(6) 温度控制系统：柱温箱的主要作用是控制柱室和气化室的温度。在恒温或程序升温控制下，样品中各组分在色谱柱上实现分离。
2.3 质谱检测器的工作原理
质谱仪主要由离子源、质量分析器、检测器、真空系统组成。离子源是质谱仪的核心，其作用是将被测样品分子电离成带电的离子，并对离子加速使其进入质量分析器。质量分析器的作用是将离子源产生的离子按照荷质比的大小分开并排列成谱图。检测器的作用是对离子进行记录并转换成电信号放大输出，输出的信号经过计算机采集和处理，最终得到按m/z大小排列的质谱图。真空系统的作用是提供真空环境，保证离子源中灯丝的正常工作，保证离子在离子源和分析器中的正常运行，减消不必要的离子碰撞，散射效应，复合反应和离子-分子反应，减小本底与记忆效应。以电子轰击或其他的方式使被测物质离子化，形成各种质荷比（m/e）的离子，然后利用电磁学原理使离子按不同的质荷比分离并测量各种离子的强度，从而确定被测物质的分子量和结构。
有机质谱仪主要用于有机化合物的结构鉴定，它能提供化合物的分子量、元素组成以及官能团等结构信息。分为四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪和磁质谱仪等。本实验中使用的是四极杆质谱仪。
2.4 质谱图定性方法
以相同的70 eV能量电子轰击样品束，同一种物质应具有相同的质谱图。国际上通用的标准质谱库收集了大部分已知化合物在70 eV电子轰击电离源下产生的质谱图，如NIST库。用未知物组分的质谱与质谱库中的标准图比对，按照相似度可排列出可能的化合物。如果要进一步确认，则需用标准样品进样，以保留时间辅助确定。
2.5 气相色谱外标法定量的定义和特点
色谱定量分析的依据是被测物质的量与它在色谱图上的峰面积（或峰高）成正比。数据处理软件（工作站）可以给出包括峰高和峰面积在内的多种色谱数据。因为峰高比峰面积更容易受分析条件波动的影响，且峰高标准曲线的线性范围也较峰面积的窄，因此，通常情况是采用峰面积进行定量分析。
外标法是色谱分析中一种简便的定量方法。当样品中所有组分都得到良好的分离并都能被检测而得到色谱峰时，则可利用外标法定量计算样品中各组分的浓度。
2.6 非极性/弱极性毛细管气相色谱柱
苯系物是非极性的化合物，部分有弱极性，针对苯系物样品的测定，选择固定相为5%苯基、95%二甲硅亚芳基硅氧烷的非极性柱DB-5MS，“MS”是指针对质谱检测器设计的低流失气相色谱柱。
三、 仪器与试剂
3.1 仪器
l 仪器型号：岛津气质联用仪。
l 仪器厂商：日本岛津公司。
l 色谱柱： DB-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）。
3.2 试剂
l 标准样品：甲苯、氯苯、对二甲苯、苯乙烯、1-甲基乙基-苯、丙基苯、1,3,5-三甲苯、叔丁苯的八种混合物，以乙酸乙酯为溶剂，0.2、0.5、0.8、1.0、2.0ppm系列。
l 载气：高纯氦气。
3.3 仪器特点和应用范围
岛津高性能色/质联用仪，250 L/sec分子涡轮泵，配备岛津气相色谱仪、岛津气相色谱具有七阶八段温度程序控制柱箱。单四极杆质量分析器配备有预四极杆，质量数范围1-1050amu。最快扫描速度为10000 amu/sec，质量轴稳定度为0.1 amu/12hrs，扫描模式包括全扫描、选择离子扫描（SIM）和全扫描、选择离子扫描(SIM)交替进行，每个采集段可最多有10次扫描。SIM模式每组可有24个质量数或质量数范围，最多可有100个SIM组。离子源是独立加热和控制以保证在任何模式下均最为优化的条件
色-质联机集高效分离、多组分同时定性和定量为一体，是分析混合物（主要是有机物）最为有效的工具。
四、 实验步骤
(一)、准备与开机
1． 打开断电保护电源，开稳压电源，保持3-5分钟（在开稳压电源前保证其它仪器处于关闭状态）；
2． 开载气（氦气），松开小阀，打开总阀，紧小阀为0.5 mpa；
3． 开气相色谱电源；
4． 气相色谱自检；
5． 将测试方法传到气相；
6． 开质谱电源；
7． 待Turbo pump RPM，Vaccum为OK，Fore pressure 为100 mttor以下后将离子源温度设为250 ℃（instrument/set temperature）；
8． 待离子源温度达到250 ℃，Fore pressure为50 mttor以下时可做样品；
9． experiment / full scan 选择质量数10-50，看水，氧气，氮气的比例，检测真空是否漏；
10． experiment / full scan 选择质量数50-650，看有机本底。
11． cal gas (全氟三丁胺，69，131，219，264，414，502，614)，质量数在正负0.3内，则可以；
12． tune/autotune（平常选择mass calibration 和maintenance；初始调选择RF，DETECTOR，POSITIVE，FULL\OPTIMAL，LEAK）。
(二)、样品序列建立及样品分析
1． 在 Xcalibur Roadmap 主页上，点击Sequence Setup按钮，建立样品序列；
2． 序列建立：
A． 选择样品类型 Sample Type：Unknown，QC，Blank，Std Bracket；
B． 输入文件名称 File Name：可以手动输入，也可点击鼠标右键浏览，选择已经存在的文件的文件名；
C． 设定文件保存路径Path：双击鼠标左键(或者点击鼠标右键，选择<Browser>，设定文件保存路径；
D． 选择分析方法 Inst Meth：双击鼠标左键(或者点击鼠标右键，选择<Browser>，打开Step1.2中所建立的分析方法；
E． 设定样品瓶在进样器中的位置 Position：A：1-A:40，B：1-B:40，C：1-C:40，D：1-D:40，E：1-E:40；
F． 输入进样体积；
G． 保存序列：单击File菜单，选择Save As，选择保存路径并输入序列文件名称，保存序列(. Sld文件)。
3． 样品分析：
A． 运行单个样品：在Sequence序列表中鼠标点击选择需要运行的样品， 在出现的界面中输入操作人员姓名User，设定样品运行结束后仪器状态After Sequence Set System (On，仪器仍在扫描状态；Standby，仪器处在待机状态；Off，仪器关机)，单击OK，开始进样分析；
B． 运行多个样品：在出现的界面中，输入操作人员姓名User，在Run Rows空格中输入要运行的样品范围(在序列表中的行标，如1-6)，设定样品运行结束后仪器状态Afterequence Set System (On，仪器仍在扫描状态；Standby，仪器处在待机状态；Off，仪器关机)，单击OK，开始进样分析。
(三)、关机
1． 在DSQtune 中 instrument/set temperature/设源温为50 ℃；
2． 在DSQtune 中 instrument/shut down；
3． 将shutdown 方法传到GC；
4． 计算机显示可以关质谱时关闭质谱电源；
5． 当进样口，柱温和MS-line温度达到50 ℃时，可以关闭色相电源；
6． 关闭载气氦气，关稳压电源。
五、 实验数据记录
标准样品中含有甲苯、氯苯、对二甲苯、苯乙烯、异丙苯、正丙苯、1,3,5-三甲苯、叔丁苯。本实验中配制了5种浓度的标准样品，浓度分别为0.2、0.5、0.8、1.0、2.0ppm，它们的峰面积见表1。
表1 标准样品的浓度及峰面积
甲苯
峰面积
27441
86328
144909
157570
315726
浓度/(ppm)
0.2
0.5
0.8
1.0
2.0
氯苯
峰面积
16187
53896
96893
118366
247247
浓度/(ppm)
0.2
0.5
0.8
1.0
2.0
对二甲苯
峰面积
233339
73812
132860
162399
338946
浓度/(ppm)
0.2
0.5
0.8
1.0
2.0
苯乙烯
峰面积
25023
69200
119657
143987
296312
浓度/(ppm)
0.2
0.5
0.8
1.0
2.0
异丙苯
峰面积
29910
93853
167944
202190
420794
浓度/(ppm)
0.2
0.5
0.8
1.0
2.0
正丙苯
峰面积
36059
113728
201559
246542
515787
浓度/(ppm)
0.2
0.5
0.8
1.0
2.0
1,3,5-三甲苯
峰面积
26630
84409
149081
182137
383500
浓度/(ppm)
0.2
0.5
0.8
1.0
2.0
叔丁苯
峰面积
22979
72935
131458
160210
340637
浓度/(ppm)
0.2
0.5
0.8
1.0
2.0
六、 结果与讨论
分别对甲苯、氯苯、对二甲苯、苯乙烯、异丙苯、正丙苯、1,3,5-三甲苯、叔丁苯的峰面积对浓度绘图，并用线性拟合，分别见图1～8。

图1 甲苯的标准曲线 图2 氯苯的标准曲线 图3 对二甲苯的标准曲线

图4 苯乙烯的标准曲线 图5 异丙苯的标准曲线 图6 正丙苯的标准曲线

图7 1,3,5-三甲苯的标准曲线 图8 叔丁苯的标准曲线
将三个样品中8种苯系物的峰面积分别代入各标准曲线，即可得样品中8种苯系物的浓度，见表2、表3、表4。
表2 样品一中8种苯系物的浓度
物质
峰面积
浓度(ppm)
甲苯
92540
0.557
氯苯
65708
0.582
对二甲苯
91090
0.586
苯乙烯
82188
0.577
异丙苯
113792
0.581
正丙苯
138031
0.582
1,3,5-三甲苯
101136
0.577
叔丁苯
90500
0.588

表3 样品二中8种苯系物的浓度
物质
峰面积
浓度(ppm)
甲苯
154050
0.949
氯苯
115255
0.968
对二甲苯
159092
0.973
苯乙烯
139982
0.961
异丙苯
198087
0.970
正丙苯
243101
0.976
1,3,5-三甲苯
179790
0.974
叔丁苯
159038
0.976

表4 样品三中8种苯系物的浓度
物质
峰面积
浓度(ppm)
甲苯
213585
1.328
氯苯
157777
1.299
对二甲苯
217057
1.303
苯乙烯
187970
1.279
异丙苯
271940
1.310
正丙苯
330976
1.306
1,3,5-三甲苯
242162
1.288
叔丁苯
217443
1.306