气相色谱-质谱仪原理和应用.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,title style,National Institutes for Food and Drug Control,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,title style,National Institutes for Food and Drug Control,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,title style,气相色谱质谱仪的原理与应用,学习交流 主要内容,2,气相色谱仪原理,1,气相色谱质谱仪在省所的应用,3,质谱仪原理,N,年来,GC-MS,在省所的主要应用,中药中挥发油的检测（,EI,源，顶空进样）,化妆品二恶烷（,EI,源，顶空进样）,包材中苯乙烯（,EI,源，顶空进样）,薄膜衣中塑化剂、能力验证（,EI,源，液体直接进样）,食品中氯丙醇（,CI,源，液体直接进样）,食品中甲拌磷（,CI,源，液体直接进样）,食品中氨基甲酸乙酯（,CI,源，液体直接进样）,食品中氯霉素（,CI,源，液体直接进样）,省所配备的,GC-MS,仪,1,第一台,2016,年,赛默飞,Thermo Trace,GC,DSQ,省所配备的,GC-MS,仪,2,第二台,2013,年,岛津,GC-MS,QP2010 Ultra,）,省所配备的,GC-MS,仪,3,第三台,2014,年,安捷伦,7000,GC/MS,Triple,Quad,三重四级杆,第二部分,气相色谱仪原理,气相色谱 原理,气相色谱法是以,气体,为,流动相,（,载气,）的色谱方法,利用,物质,在,两相中分配系数,的,微小差异,进行分离。,当样品被送入进样器后，由载气携带进入色谱柱。由于,样品中各组份,在色谱柱中的,流动相（气相）和固定相（液相或固相）间分配或吸附系数的差异,。在载气的冲洗下，,各组份在两相间作反复多次分配（量变）,，,这样原来的微小差异产生了很大的相对位移,（质变）,，,使各组份在色谱柱中得到分离，,以达到分离分析及测定一些物理化学常数的目的。,时间,检测器,色谱柱,样品,注入口,样品注入,A,B,BA,B,A,B,A,B,B,峰,A,峰,B,气相色谱的工作原理示意图,A,B,A,B,A,气相色谱 分类,按固定相状态分：,1,、气固色谱,(GSC),（,主要基于,吸附原理），,多用活性炭，硅胶，分子筛，高分子多孔小球等作为固定相,，分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。,2,、气液色谱,(GLC),（,主要基于,分配原理），,多用,固定液,涂渍在,惰性载体,上,作为固定相,，固定液一般是高沸点、蒸汽压低（在,450,以下有,1.5 KPa-10KPa,的蒸汽压）且热稳定的有机化合物。由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，所以气液色谱有广泛的实用价值，,在实际,GC,分析中，,90%,以上的应用为气液色谱。,按进样方式分：,可分为常规色谱（液体直接进样）、顶空色谱和裂解色谱等。,可以在气相色谱分析的化合物,在,400,摄氏,度,以下,的温度,气化,(,变成气体,),的化合物,在气化时不会,分解的化合物,在气化时可以,分解,成固定比例碎片的化合物,(,热,裂解,GC),可以分析约,20%,的有机物。某些无机物通过转化也可分析。,难以分析的,化合物,：,分子,量,小,也不能蒸发的化合物,(,例如,:,无机的金属、离子,盐,),活性强,或极不稳定的的化合物,(,例如,:,氢氟,酸、,臭氧,氮氧化物,),高吸附性的化合物,(,当,化合物,含有羧基、羟基,、,氨基,、硫,等,，,因为吸,附和,活度,比较高,在分析,时要注意,。,),气相色谱构成示意图,GC-MS,联用仪主要部件,1,实验室气源条件,GC,载气源 常用氦气，纯度大于,99.999%,，,作色谱分离的流动相,MS,反应气源 常用甲烷、异丁烷、氨、氧化氮等，作质谱化学电离反应气。,减压阀 俗称氧表和氢表，作气瓶减压用,过滤器 附于氧表后或在,GC,内，去除气源内水分和杂质,2,色谱载气状态控制部件,稳压阀（或电子流量控制器）、压力表、稳流阀、流量计（浮子、电子式）、柱箱恒温和程序升温部件，设置的器件可随,GC-MS,联用仪类别和使用要求而异，控制载气状态参量：温度、压力和流速，建立色谱分离条件。,气相色谱仪的工作原理示意图,数据处理器,得知样品中的,成份和,含量,在进样口，通过加热,，,使,每个成份被,气化,。,载气将样品送入色谱柱,色谱柱将样品中不同的成份分离开,在检测器，,从,色谱柱,出来的每个成份的,量按比例转化成,电信号,目标：混合,样品,（,气体,或液体）,气体样品（顶空进样）,液体,样品（直接进样）,GC,GC,载气,1.,载气要求：,作为气相色谱载气的气体，要求：,化学稳定性好；纯度高；价格便宜并易取得；能适合于所用的检测器。,2.,常用载气：,通常用,氦气（,He,）,和,氮气（,N,2,），,以前也用氢气（,H,2,），因易爆炸，不安全，现不常用,在,使用,毛,细管柱作分析的,情况,时下,，,使用,氦,气作载气,是,比较理想的,),气体的纯度最好高于,99.99%,GC/MS,的载气,GC/MS,联用对载气选择有严格要求,必须是化学惰性的,必须不干扰质谱图,必须不干扰总离子流的检测,应具有使载气气流中的样品富集的某种特性,GC/MS,联用,不能,使,用氮气,很少,使用,氢气,常用,纯度,99.999%,以上的,氦气,GC/MS,联用,不能,使,用氮,气的原因,氮气除化学惰性外，不具备其它三个条件。,并且违背条件，其电离能为,15.6eV,，和一般有机物电离能接近，电离效率较高，对总离子流有干扰。,又因氮气的分子离子,m/z 28离子较强，真空系统中残气的氮峰,m/z 28,已经不小，而且,m/z 28,、,m/z 29,、,m/z 14,和某些化合物的特征离子重叠，接近通常质谱扫描起始质量，会产生高的本底，不仅干扰低质量范围质谱图，对离子的相对丰度也会有影响,氦气能完全满足,GC/MS,要求的四个条件,氦气的分子量小，,容易被真空泵抽掉,，具备,富集样品,的特性（尤其在使用分离器接口时更重要）,其次，氦的,电离能,(24.6eV),远高于,一般有机化合物的电离能（,10eV,左右），因此氦的电离效率相对低于一般有机化合物，对总离子流的干扰较小,氦的,分子离子,为,m/z,4,，,远低于,通常质谱扫描起始质量,GC/MS,使用的载气纯度应为,99.999%,以上的氦气,GC,MS,很少,使,用,氢气的原因,氢气具备以外的三个条件，因其电离能为,15.4e V,，和一般有机物电离能接近，相对于氦气电离效率较高，,对总离子流有干扰,，但是氢的分子量小，通常质谱扫描起始质量更不会从,m/z 1,开始，在一些应用中可以和氦气交换使用。,另一就是氢气安全性差。,3.,气流调节阀,通常在减压阀输出气体的管线中还要串联稳压阀，用以稳定载气（或燃气）的压力。,当用程序升温进行色谱分析时，由于色谱柱柱温不断升高引起色谱柱阻力不断增加，也会使载气流量发生变化。为了在气体阻力发生变化时，也能维持载气流速的稳定，,需要使用,稳流阀,来自动控制载气的稳定流速。,载气,载气,控制方,式,载气,进样系统,进样装置,气体进样器（六通阀）：,推拉式和旋转式两种。试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入色谱柱,。,气化室,将液体试样瞬间气化的装置。,微量注射器进样阀,不同规格的专用注射器：,填充柱色谱常用,10,L；,毛细管色谱常用,1,L；,新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。,气体,样品,:0.2,1,毫升 液体的样品,:1,2,L,注入,太多,样品,-,造成峰形变差及进样口污染,注入,GC,的,样品,体积,各种不同溶剂的汽化,体积,(,在进样口,250,及,140kPa,的情况下）,进样口温度,进样口温度主要由样品的沸点范围决定，还要考虑色谱柱的使用温度。,即首先要保证待测样品全部气化，其次要保证气化的样品组分能够全部流出色谱柱，而不会在柱中冷凝。,原则上讲，,进样口温度高一些有利，一般要接近样品中沸点最高的组分的沸点，但要低于易分解组分的分解温度。,注意事项,进样口温度过低，将导致高分子量化合物气化不完全，并且,不能有效转移到色谱柱中。,样品气化不完全,进样口温度过高，导致热稳定性差的化合物分解。,样品分解,样品从进样针注入时，不同组分的气化程度不同，高沸点组,分残留量比例高。,一般情况下进样速度必须,很快,，因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之变宽，有时甚至使峰,变形。一般地，进样时间应在,1s,以内。,一、填充,柱,硅藻土,(,担体,),固定液,不锈钢,或玻璃,Partition Materials,在担体上涂覆固定液,固定相,：,液体,主要用于分析液体样品,担体,固定,液,色谱柱,OV-1 10%Chromosorb-W(AW-DMCS)60/80 2m*2.6mm I.D.,固定液的浓度,担体的类型,担体的,处理方法,目数,(,担体,的颗,粒大小,),担体,固定,液,色谱柱的长度,色谱柱的,I.D.,（内径）,固定液的种类,填充柱,的名字的意义,担体,固定,液,涂覆在担体上的,固定液,重,量,百分比浓度,低,浓度,大约,0.5-2%(,用于分析高沸点化合物,),中等浓度,大约,5-10%,（,最常用,）,高浓度,大约,20-25%,(,用于分析低沸点化合物,),固定液,的浓度,填料,管,融熔石英,固定液,二、,毛细管,柱,(,Capillary Column,),内径（,I.D.,）,0.1,，,0.25,，,0.32,，,0.53,毫米,长度,5-100 m,(,30 m,最常用,),固定液,理论塔板,数,一般都较大,柱填料：粒度为,60-80,或,80-100,目的色谱固定相,柱材质：不锈钢管或玻璃管,色谱柱,Rxi,-,5ms,(Crossbond 5%diphenyl/95%dimethyl polysiloxane),30 meter,0.25 mmID,0.25 um df,Max Prog.Temp.350,Min.Bleed at 330,商标,固定相,5,二苯基,95,二甲基聚硅氧烷表示其包含有,5,的苯基基团和,95,的甲基基团,极性,最大使用温度,色谱柱的长度,色谱柱中固定相的膜厚,毛细管柱,的名字的意义,是在硅氧烷聚合物中链一定数量的苯基或苯基类的基团，通常我们称之为“亚芳基”。特点：低流失,色谱柱的内径,最低流失温度,毛细管柱 内径选择,内径选择的基本原则：,0.10mm,口径柱适用于,快速气相色谱分析,。,0.25mm,口径柱,具有较高的柱效,，用于标准的,GC/MS,应用和分流,/,不分流分析。,0.32mm,口径柱,中等柱效,，可用于标准的,GC/MS,应用和分流,/,不分流分析。,0.53mm,口径柱，可以,替代填充柱，适合于痕量分析,。,增加色谱柱的内径，可以增加分离的样品量，但由于纵向扩散路径的增加，会使柱效降低。,内径对分离度的影响,较小的内径可以获得更好的分离度，或者在更短的时间内获得同样的分离度,膜厚的选择,膜厚选择的基本原则：,增加膜厚可以提高分离度和加强保留,，厚些的液膜可以有效降低过载拖尾峰和其他化合物的共流出。,如果样品的浓度范围很宽，就需要更厚的液膜,，反之，如果目标组分的分离足够，并且没有共流出的问题，就可以使用比较薄的液膜，对于挥发性有机物来说，厚液膜更为合适。,液膜厚度的改变将直接影响化合物的流出温度,。膜,越厚,，保留越强，流出温度相应也,越高,。,薄液膜,(0.10.2,m),：适合石化分析，甘油三酯等高沸点的物质。,标准膜厚,(0.250.5,m),：最广泛的应用，对于流出达到,300,的大多数样 品分析效果良好。,厚液膜,(15,m),：适合于流出温度在,100200,之间的低沸点化合物,膜厚对分离度的影响,长度的选择,长度选择的基本原则：,色谱柱,越长,，柱效越高。,分离度和柱长的平方根成正比，,两倍的柱长,只能,增加,40,的,分离度。,选择可以满足分离度要求的,最短,的柱子。,如果即使是最长规格的色谱柱依然,无法满足分离度,的要,求，请考虑更,换固定相或膜厚。,短柱,(515m),：通常用于,10,个组份以下,简单样品的快速分析。,标准柱,(2530m),：满足,大部分应用,。,长柱,(50m,以上,),：,复杂样品,分析。,柱长对分析时间的影响,恒温分析：,保留时间由柱长决定，柱长加倍分析时间也加倍。,程升分析：,保留时间主要取决于柱温，分离度的提升和恒温分析类似，但分,析时间只是略有增加。,由于分离度正比于柱长的平方根，所以增加柱长对分离是有利的。但增加柱长会使各组分的保留时间增加，延长分析时间。因此，,在满足一定分离度的条件下，应尽可能使用较短的柱子。柱温的选择,柱温是一个重要的色谱操作参数，它直接影响分离效能和分析速度。,柱温不能高于固定液的最高使用温度,，否则会造成固定液大量挥发流失。某些固定液有最低操作温度。一般地说，,操作温度至少必须高于固定液的熔点,，以使其有效地发挥作用。,降低柱温可使色谱柱的选择性增大，但升高柱温可以缩短分析时间，并且可以改善气相和液相的传质速率，有利于提高效能。所以，这两方面的情况均需考虑。,柱温分为恒温和程序升温两种,恒温：,对于,沸程不太宽的简单样品,，可采用恒温模式。一般的气体分析和简单液体样品分析都采用恒温模式。,程序升温：,对于,沸程较宽的复杂样品,，如果在一恒温下分离很难达到好的分离效果。,等温分析,（,Isothermal Analysis,）,同系物,按,碳数,从小到大的顺序出峰,正构醇,的混合,物,在等温分析,时,，通常,出峰早的化合物峰形较尖锐,，,通常,出峰晚的化合物峰形较宽,乙,酸酯,类,混合,物,甲醇,乙醇,正丙醇,正丁醇,乙酸,甲,酯,乙酸乙酯,乙酸正丙酯,碳数,1,保,留,时间的对数,2,3,4,乙,酸酯,类,混合,物,正构醇,的混合,物,同系物,的,碳,数,(,沸,点,),和保,留,时间,的对数,之间,大致成的线性,关系。,程序升温分析,同系物,中,碳数的较小,先出峰,正构醇,的混合,物,乙,酸酯,类,混合,物,乙酸,甲,酯,乙酸乙酯,乙酸正丙酯,含,碳数,1,保留时间,2,3,4,乙,酸酯,类,混合,物,正构醇,的混合,物,同系物,的,碳,数,(,沸,点,),和保,留,时间之间,大致成线性,关系,，,出峰时间间隔几乎相等；出峰早与晚的峰，其峰形一样尖锐。,甲醇,乙醇,正丙醇,正丁醇,检测器（,Detectors,）,检测器：是将,流出色谱柱,的被测组分的浓度转变为 电信号的装置，是色谱仪的眼睛。,通常由检测元件、放大器、数模转换器三部分组成,.,被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出图谱。,质谱检测器只是气相所能配套的多型检测器中的一种。,检测器,第二部分,质谱仪原理,+,+,样品与溶剂脱离及电离,ESI,APCI,GC/MS,接口,离子源,质量分析器,检测离子,GC,数据系统,MS,离子识别,Quadrapole,Ion Trap,Time of Flight,Fourier Transform,+,+,+,+,+,+,+,离子检测,+,+,-,+,+,+,+,+,+,-,+,+,+,GC-MS,仪的工作流程图,质谱仪的组成部分,质谱仪的组成部分,1,、质谱仪的组成部分,进样系统：直接进样，色谱进样,离子源：化学电离 电子轰击,质量分析器：电磁式，四极杆滤质器，离子阱，飞行时间质量分析器,离子检测系统 打打拿极 增益,质谱仪的离子源、质量分析器、离子检测系统都离不开真空系统。,质谱中通常使用两级真空排气系统,第一级的泵为主泵，通常是油扩散泵或分子涡轮泵，主要功能是抽出来自,GC,的载气或,LC,气化后的气体，使得腔体内保持高真空状态,第二级泵通常是机械泵，起到将第一级主泵抽出的气体排出的。,离子源,离子源的功能是使样品分子转变为离子，将离子聚焦，并加速进入质量分析器。质谱有多种类型的离子源可满足不同极性、不同分子量范围化合物的分析需求,使用何种电离方式取决于：样品的状态,(,液体、固体,),，挥发性和热稳定性；需探寻的样品信息类型,(,分子结构或序列分析,),质谱仪的组成部分,质谱真室系统残余气体来源，有些是不可避免的，但操作不当和不及时维护是造成严重污染主要原因,为了获得干净的谱图就必须保持真空系统的洁净,可根据本底谱图判断系统的污染源和污染程度,采取维护措施,正确的操作规程，适当的进样量，相应的温度设臵，以及适时的仪器维护（如 清洗易污染的部件，老化色谱柱，更换进样隔垫，更换泵油等）是维持良好真空质量的重要保障,离子源,GC,MS,联用仪器除了最常用的,EI,离子源外，,还可配置化学电离离子源,(chemical ionization,，,CI),、,另有场致电离离子源,(field ionization,FI),，场解吸电离离子源（,field desorption ionization,，,FD,）,若同时配置,EI,和正、负,CI,离子源。,EI,获得丰富的结构信息，,CI,源提供,EI,源得不到的分子量信息，两者是很好的补充。,看视频,质量分析器,质量分析器的功能是将离子源产生的离子,按其质荷比,m/z,进行分离、检测，得到化合物特征质量信息。所有质量分析器都具有以下特性：,具离子在不同场的运动规律实现质量分离,只检测带电粒子，测定的是离子的质荷比,m/z,只检测气相离子，为了控制气相离子运动轨道，质量分析器必须在真空状态,(,压强,10-3 Torr),下工作，压强越低，离子平均自由程越长,目前专用的,低分辨,色谱,-,质谱联用仪器主要是,四极质谱和离子阱质谱，,高分辨,仪器主要是,飞行时间质谱和扇形场质谱,，,串联式,质谱仪器主要由三重四极质谱 及四极杆,tof,。,看视频,四级杆分析器,四极杆侧面观图,四极杆纵观图,离子阱分析器,高,低,分辨之说,低分辨质谱法给出的是整数质量，高分辨质谱法给出的是精确质量,下面三个化合物的相对分子质量其整数值相同，但精确质量不同：,十三烷基苯,C19H32,260,.,3331,苯基十一烷基酮,C18H28O,260,.,2967,萘苯并噻吩,C18H12S,260,.,1486,飞行时间分析器,单四极杆,单四级杆的扫描模式,全扫描模式,(scan mode),在全扫描模式中，四极杆充当随时间变化的质量过滤器，通过 逐步增加,DC,和,RF,电压而执行扫描。四极杆质量分析器按顺序扫描，将选定质量范围内的每个,m/z,传递到检测器,选择离子监测（,SIM mode,）检测器在整个扫描周期中持续监测相同的单 一（或几个）,m/z,值。这种分析类型就称为选择性离子监测或,SIM,三重串联四极杆侧面观图,移去碰撞室的 串联四极杆侧面观图,碰撞室,三重四极杆扫描模式,子离子扫描,四级杆,1,选择了某一特定质量的母离子，在六极杆碰撞池中碰撞产生碎片离子，在四级杆,2,中分析所有母离子产生的碎片离子,母离子扫描,用四级杆,1,扫描能产生特定碎片离子的母离子，所得到的母离子质谱峰一定是能产生指定质谱碎片的母离子,中性丢失扫描,四级杆,1,扫描产生中性丢失的母离子，四级杆,2,扫描已丢失指定中性碎片的离子，所得到的质谱图是由,MS1,扫描的母离子，母离子只能是能丢失指定中性碎片的离子,多重反应监测,(MRM),四级杆,1,选择某一质量的母离子，在碰撞池中产生碎片离子，四级杆,2,监测特征碎片离子。,MRM,对于复杂样品来说选择性更好,三重四极杆质量分析器的特点,通过子离子、母离子、中性丢失三种扫描方式，由“母离子找子离子,获得碎片离子或“子离子找母离子,获得前体离子，以及中性基团相关质量的离子,可确定各个离子的归属，研究离子的碎裂途径，主要用于化合物结构分析,而多反应选择离子检测方式,MRM,，主要用于定量分析，比单四极杆质量分析器的,SIM,方式选择性更好，排除干扰能力更强，信噪比更高，检测限更低。在许多标准的定量分析中常作为最重要的确证方法,MRM,方法的开发过程,步骤,1,运行一个,MS1,全扫描方法，根据所得化合物的全扫描谱图。确定,MRM,方法的母离子,母离子一般选丰度高的特征离子,步骤,2,根据步骤,1,的结果编辑一个子离子扫描的方法,调查在不同的碰撞池电压下所得的子离子扫描图。选择丰度高的特征子离子作为,MRM,方法的子离子。（一般一个母离子对应两个以上子离子）,步骤,3,设定不同碰撞池电压的运行序列。确定每个子离子的最佳碰撞能量。,建立,MRM,方法。离子源参数通常保持不变,使用优化的碰撞能量,为了更好的准确辨认化合物，如果可能的话，建立两个定性离子,优化色谱分离,确定时间片断和驻留时间,采集校准和建立定量分析方法,1,、质谱仪的组成部分,进样系统：直接进样，色谱进样,离子源：化学电离 电子轰击,质量分析器：电磁式，四极杆滤质器，离子阱，飞行时间质量分析器,离子检测系统,质谱仪的离子源、质量分析器、离子检测系统都离不开真空系统。,质谱中通常使用两级真空排气系统,第一级的泵为主泵，通常是油扩散泵或分子涡轮泵，主要功能是抽出来自,GC,的载气，使得腔体内保持高真空状态,第二级泵通常是机械泵，起到将第一级主泵抽出的气体排出的。,质谱开关机注意事项,1,、开机前务必打开不间断电源，以免突然停电造成分子涡轮泵损坏。,2,、真空度低于,60mTorr,时，方可打开灯丝，否则可能烧坏灯丝。,3,、进样前及分析完毕后应查看本底，若噪音升高，应即使清洗离子源。,4,、开始采集数据时问应合理设置，以免烧坏灯丝。,GC-MS,的主要应用,1,、未知物定性,2,、兴奋剂、农残检测方面的应用,-,同时检测多个成分，如兴奋剂检测中,50,多种雄甾醇及其同系物的检测等。,N,年来,GC-MS,在省所的主要应用,中药中挥发油的检测（,EI,源，顶空进样）,化妆品二恶烷（,EI,源，顶空进样）,包材中苯乙烯（,EI,源，顶空进样）,薄膜衣中塑化剂、能力验证（,EI,源，液体直接进样）,食品中氯丙醇（,CI,源，液体直接进样）,食品中甲拌磷（,CI,源，液体直接进样）,食品中氨基甲酸乙酯（,CI,源，液体直接进样）,食品中氯霉素（,CI,源，液体直接进样）,分流 不分流 衬管,共同学习，互相交流,谢谢！,