仪器分析GC-MS

GC-MS的基本流路图GC-MS原理与结构GC接口MS数据处理真空系统气相色谱气相色谱的流动相为惰性气体，气-固色谱法中以表面积大且具有一定活性的吸附剂作为固定相。当多组分的混合样品进入色谱柱后，由于吸附剂对每个组分的吸附力不同，经过一定时间后，各组分在色谱柱中的运行速度也就不同。吸附力弱的组分容易被解吸下来，最先离开色谱柱进入检测器，而吸附力最强的组分最不容易被解吸下来，因此最后离开色谱柱。如此，各组分得以在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器中被检测、记录下来。GC-MS原理与结构质谱质谱分析法师通过对被测样品离子的质核比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质核比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。气质联用（GC-MS）气质联用的有效结合既充分利用色谱的分离能力，又发挥了质谱的定性专长，优势互补，结合谱库检索，可以得到较满意的分离机鉴定结果。GC-MS原理与结构气相色谱分离样品的各个组分，起样品制备的作用，接口把气相色谱流出的各个组分送入质谱仪进行检测，质谱仪对接口引入的各个组分进行分析，成为气相色谱的检测器。计算机系统控制色谱仪、接口、质谱仪，进行数据采集和处理。GC-MS联用仪的基本组成部件GC-MS原理与结构GC基础知识典型的气相色谱GC-MS原理与结构概念气体载气——用于传送样品通过整个系统的气体。检测器气体——某些检测器所需的支持气体，如FID。样品引入将样品蒸汽引入载气的过程。该过程应对应样品蒸汽有最小影响。色谱柱实现样品组分的分离。检测器对流出柱的样品组分进行识别和响应。数据采集将检测器的信号转换为色谱图，以备手动或自动定性、定量分析只用。GC-MS原理与结构色谱过程示意图GC-MS原理与结构分离是如何发生的色谱是一种分离方法，物质在流动相和固定相之间进行分配。由于各种物质在固定相中的保留能力不同而形成不同的流出时间以达到分离。GC-MS原理与结构流动相固定相气固色谱（GSC）气态固态气液色谱（GLC）气态液态色谱的热力学理论——塔板理论理论塔板数N=5.545（tR/WH/2）=L/HETPGC-MS原理与结构WH/2H/2开始HtR理论塔板数（N）理论塔板高度（H）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GC-MS原理与结构色谱的动力学理论——速率理论VanDeemter方程H=A+B/u+CuA：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GC-MS原理与结构VanDeemter方程式填充柱毛细管柱GC-MS原理与结构气相色谱仪的流动相——载气高纯氦气（纯度99.999%以上）GC-MS原理与结构气相色谱的进样方式WBI进样口毛细柱分流/无分流进样口冷柱头进样PTV进样口GC-MS原理与结构热进样和冷进样热进样分流/无分流进样（SPL）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（OCI）GC-MS原理与结构歧视效应和热分解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GC-MS原理与结构歧视效应的产生歧视：蒸馏现象进针退针GC-MS原理与结构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GC-MS原理与结构溶剂冲洗法GC-MS原理与结构冷进样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2μLGC-MS原理与结构进样体积上限无分流进样（SPL,PTV）2μL高压进样（SPL,PTV）5μL直接进样（全量进样）3μL用宽口毛细柱冷柱头进样（OCI）2μLLVI-PTV进样空衬管10μL衬管+石英棉50μL衬管+填料大于1000μLGC-MS原理与结构进样口的结构WBI进样口毛细柱进样口GC-MS原理与结构分流/不分流进样口示意图分流比：SPL.R=F1:F2GC-MS原理与结构OCI/PTV进样口示意图GC-MS原理与结构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。GC-MS原理与结构色谱柱的类型毛细柱柱材：熔融石英、不锈钢内径：0.2—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—5μmGC-MS原理与结构毛细柱主要类型GC-MS原理与结构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GC-MS原理与结构固定相大多数固定相为聚合物聚硅氧烷（Polysiloxanes,silicones）聚乙二醇（Polyethyleneglycols,PEG）GC-MS原理与结构固定相——聚甲基硅氧烷GC-MS原理与结构固定相——聚乙二醇“WAX”或“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。GC-MS原理与结构OHCH2CH2HOn固定相——“ms”或低流失柱苯基基团键合入硅氧烷聚合物主链e.g.DB-5msRtx-5msBPX-5温度稳定性更好GC-MS原理与结构RSiRORSiRRSiRORSiR固定液流失GC-MS原理与结构常用固定相GC-MS原理与结构PhasecompositionJ&WSGERestek100%dimethylpolysiloxaneDB-1BP-1Rtx-195%dimethyl-5%diphenylpolysiloxaneDB-5BP-5Rtx-550%dimethyl-50%diphenylpolysiloxaneDB-17BP-17Rtx-176%cyanopropylphenyl-94%dimethylpolysiloxaneDB-624BP-624Rtx-624Polyethyleneglycol(PEG)DB-WaxBP-20Stabilwax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（1~5μm）对高沸点化合物低浓度（1%~5%）低膜厚（0.25~0.5μm）GC-MS原理与结构几种代表性固定液的极性（McReynolds常数）GC-MS原理与结构名称ΔIBenzene名称ΔIBenzeneSqualane0（非极性）PEG20M(DBWAX)322（强极性）SE3015FFAP340OV101(DB1)17PEG1000347SE54(DB5)33（弱极性）EGA372DC55074DEGS484OV17119（中极性）TCEP593（超强极性）BCEF690内径对毛细柱分离的影响GC-MS原理与结构膜厚对毛细柱分离的影响CBP1-W25-100CBP1-W25-500膜厚1μm膜厚5μmGC-MS原理与结构毛细柱的内径、膜厚及柱容量GC-MS原理与结构内径膜厚柱容量mmμmng0.100.05-0.255-250.200.10-0.5020-1000.320.25-5.080-15000.531.0-8.0530-4200毛细管柱流量设定载气流入MS大流量真空度差柱内径流量0.25mm1-2mL/min0.32mm2-4mL/min0.53mm10-15mL/minGC-MS原理与结构内径各公司常用毛细柱商品名及固定液对照表GC-MS原理与结构固定相岛津J&WSGE信和化工FrontierLABRESTECSUPELCOCHROMPAC聚甲基硅氧烷OV-1CBP1DB-1BP-1HR-1Rtx-1SPB-1CPSil5CB聚苯基甲基硅氧烷（5%苯基）SE-52CBP5DB-5BP-5HR-52Rtx-1，MXT-5SPB-1，PTE-5SAC-5CPSil8CB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-17DB-17DB-14thRtx-50SP-22506%腈乙基甲基硅酮Rtx-1301OVI-G4314%腈乙基甲基硅酮OV-1701CBP10DB-1701BP-10HR-10Rtx-1701SPB-1701CPSil19CB50%三氟丙基甲基硅氧烷OV-210DB-210Rtx-200CPSil43CB50%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-DANukolCPWax58CBFFAP-CB聚乙二醇PEG-20MCBP20DB-WAXBP-20HR-20MALLOY-CWStabilwaxSupecolwax-10Carbowax20MCPWax52CB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，确定是否需要老化及老化时间。GC-MS原理与结构色谱柱分离效率评价色谱柱效率：峰尖评价：理论板高（HETP）、理论塔板数（N）对策：将VanDeemter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GC-MS原理与结构MS基础知识MS流程图GC-MS原理与结构样品GC进样直接进样进样系统离子源质量分析器检测器真空系统数据处理直接进样方式DIGC-MS原理与结构为什么MS需要高真空提供足够的平均自由程提供无碰撞的离子轨道减少离子-分子反应减少背景干扰延长灯丝寿命消除放电增加灵敏度GC-MS原理与结构为什么MS需要高真空真空系统确保离子由离子源转移至检测器GC-MS原理与结构排气系统GC-MS原理与结构真空泵（主泵）涡轮分子泵（Turbomolecularpump）•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GC-MS原理与结构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GC-MS原理与结构接口Interface：GC和MS的连接部件使用石墨垫圈密封（85%Vespel+15%石墨）GC-MS原理与结构MS的分类磁质谱飞行时间质谱（TOF）四级杆质谱离子肼质谱GC-MS原理与结构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/VB：磁场强度GC-MS原理与结构磁质量分析器GC-MS原理与结构飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器是一个长度一定的无场空间，离子经加速电压加速而进入分析器时，由于不同质量的离子飞行速度不同，他们飞过一定距离所需的时间也不同，质量小的离子飞行速度快先到达检测器，质量大的飞行速度慢后到达检测器，因而可获得质量分离。GC-MS原理与结构飞行时间质量分析器