气相色谱-质谱联用

气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)内容概述质谱基础GC-MS操作及维护第一节概述MS:将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(m/z)大小进行分离记录的分析方法。早期主要用于同位素质量测定。1942，商用质谱仪问世．当前,广泛应用于有机化学、生物化学、环境科学等领域。GC:1906年，俄国植物学家茨维特（M.Tswett）发明了色谱法。20世纪50年代，商用气相色谱仪问世。石化、农残、环境等领域。GC-MS联用技术的特点GC为MS提供纯的样品，省缺了MS分析前样品制备、转移等步骤，避免了样品污染、提高了定量的准确性、大大提高了分析效率。MS作为检测器，是一种通用型检测器，可获得化合物质谱图，解决了GC定性的局限性。而且MS有多种扫描方式和质量分析技术可供选择，不仅能排除基质和杂质峰的干扰，还极大地提高了检测的灵敏度。GC-MS联用可获得质量、保留时间和强度三维信息。(双重定性)GC-MS联用的可行性两者均在气态下进行。气相色谱分析的化合物沸点范围适于质谱分析。检测灵敏度相当，GC分离的组分足够MS检测所用。GC-MS联用的技术难点---工作压力的差异GC流量（压强）不应破坏质谱正常运行的真空。*气相色谱柱出口气体压力和质谱工作所需要的高真空相适配。*质谱扫描速度和色谱峰流出时间的相互适应。*色谱和质谱信号同时检测，获得完整的色谱、质谱图。20世纪80年代，CGC出现GC-MS联用仪的接口接口作用:降低压力;减少流量。接口类型分子分离器喷射式、渗透式、半透膜等喷射式分离器结构示意直接连接接口开口分流接口GC-MS联用仪组成示意图第二节质谱基础划分：依据质量分析器：低档（质量范围1000，分辨率1000）中档（质量范围4000，分辨率5000）高档（质量范围5000),分辨率10000）依据用途：有机质谱无机质谱1、MS进样系统：在不降低真空度的情况下，将样品引入离子源直接进样系统：适于高沸点、热不稳定性化合物、粘稠液体或固体样品。间歇进样系统：适于气体及沸点不高、易于挥发的液体。色谱进样系统：GC-MSHPLC-MSCE-MS等2、离子源：使样品分子转化为离子（1）电子电离（EI）源RepellerFILAMENTeeeeeeeeeMMMMM+.FF+.12MeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeLensIonexitSNSampleM电离效率与电离能量关系优点：离子化效率高、灵敏度高指纹谱提供丰富结构信息谱图重复性好，谱图库检索缺点：样品必须能气化分子离子易破碎，得不到分子量信息谱图解析复杂只检测正离子，不检测负离子其它离子源：化学电离源场致电离源快原子轰击源电喷雾电离源3、质量分析器：将离子源产生的离子按质荷比m/z进行分离特征：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，为控制气相离子运动轨道，必须在真空状态下工作质量分析器四极杆离子阱飞行时间扇形场低分辨高分辨1）、扇形磁质量分析器212qUmv2mvqBvrqBrvm222mBrqUmvrqB特点：不能解决离子能量分散问题，因此分辨率较低（~5000）。只适合于离子能量分散较小的离子源，如EI，CI。双聚焦质量分析器在一恒定的电压条件下，加速的离子束进入静电场，不同动能的离子具有的运动曲率半径不同，只有运动曲率半径符合的离子才能通过狭缝而进入磁分析器。换句话说，静电分析器可将离子源发散出的离子束按动能聚焦成一系列点，因而具有能量色散和方向聚焦作用。经过适当加工的极面可使磁场将具有相同m/z的离子束再聚焦于一点。特点：分辨率可达150000甚至更高，对于相对分子量为600的化合物可测至误差0.0002u。在高分辨质谱领域仍占有一席之地，尤其是动态范围和可靠性使其在二恶英和兴奋剂痕量分析中极具竞争力。扫描速度慢，操作比较烦琐，造价昂贵。2）、四极杆质量分析器Ｉ单四极杆质量分析器（Singlequadrupole,Q)结构：由四根严格平行并与中心轴等间隔的圆柱形或双曲面柱状电极构成正负两组电极，在其上施加直流和射频电压，产生一动态电场（四极场）。特点：GC/MS联用中最通用的一种质量分析器，性能稳定。全扫描获得丰富信息；选择离子检测采集效率高，灵敏度高特别适合于定量分析。II三重四极杆质量分析器（triplequadrupole,Q-Q-Q)结构:特点：1两个质量分析器在不同条件下操作，具有MS-MS功能。2通过子离子、母离子、中性丢失三种扫描方式，可确定各个离子的归属，研究离子的破碎途径，用于化合物结构分析。3多反应选择离子检测模式（MRM)比单四极杆SIM模式信噪比更高，检测限更低,用于定量分析。2）、离子阱质量分析器20世纪80年代推出结构:特点：1具有全扫描和选择性离子扫描功能，同时还具备离子储存技术，可进行高灵敏的质谱测定和在时间上实现多极质谱（MSn)功能。2体积小，结构简单，价格便宜，广泛应用于蛋白质组学和药物代谢分析。3属低（中）分辨仪器，检测限、线形范围、稳定性稍逊四极杆一筹。4定量分析不是强项，A动力学范围有限；B捕获期间，离子-分子反应；离子-离子相互作用对定量造成不利影响。3）、飞行时间质量分析器离子源U离子检测器飞行管22/KUmztDK常数U电压D飞行距离t飞行时间特点：1在理论上不存在质量上限,因此在高分子量(生物大分子和高分子聚合物)物质分析中应用广泛。2由于可采用离子延迟引出、反射器以及快电子技术，TOF具备高分辨和高质量准确度的性能。3与扫描质谱仪不同，它可平行记录所有离子，因此是最快的质量分析器。4）、傅立叶变换离子回旋共振质谱计0vzBrm0vzBrm特点：1具有超高的分辨率，通过加长采集离子信号的时间,就可以实现从低分辨率到到高分辨率的转变，且不损失灵敏度。2具有很高的质量准确度。一般情况下，可达（3~4）10-6，如使用内标物，可达110-6水平。3与离子阱质谱一样，可进行“时间串联”的多级质谱实验。4需采用超导磁场及高真空，硬件、软件较复杂，操作费用高，对操作者要求也高。分析器离子源扫描方式分辨率EICIFI全扫瞄SIMMS/MS四极质谱三重四极质谱离子阱质谱飞行时间质谱扇形磁场质谱低低低中、高高不同质量分析器配置和功能４、离子检测器：接受由质量分析器分离的离子，进行离子计数并转换成电压信号放大输出,输出的信号经计算机进行处理，得到质谱图+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------四级杆检测器离子聚焦电子倍增器正离子高能打拿极二次电子光电倍增器离子束二次电子闪烁晶体反射光子电子倍增过程：打拿极发射出的二次电子，打到一个能发射光子的闪烁晶体上，发射出光子，由光电倍增管及放大器放大，转换成电流被检测。5、真空系统真空的度量：压强巴（bar)、大气压（atm)、托（Torr)p10-2Torr低真空p=10-2~10-4Torr中真空p=10-4~10-7Torr高真空p10-8Torr甚高真空p10-12Torr超高真空质谱仪的真空要求：10-5~10-10Torr质谱为何需要真空1、平均自由程运动的气体分子，在发生相互作用之前所飞越的平均距离。平均自由程短平均自由程长10-5Torr平均自由程可达5米2、压强对离子源调谐的影响气压达到10-1Torr或更高，灯丝发射电流会受到抑制甚至被完全截止，此时反馈信号迫使灯丝电压不断增加来提高发射电流，最终导致灯丝烧毁。3、气体传导会引起高压放电在离子源区域，如果气压大于10-1Torr，就很可能引起放电，导致相关部件和高压电路板的损坏。4、气体对电子倍增器寿命的影响电子倍增器的打拿极是特殊材料制成，频繁暴露大气会缩短其使用寿命，因此需要真空保护。5、气体形成本底干扰气体和样品一同被电离，产生的信号会抬高基线，影响灵敏度，造成谱图识别困难，对定性、定量都不利。质谱的真空系统吸油阱进油口油液面排油口定子泵腔机械泵10-1-10-2torr加热区出口(到机械泵)10-5-10-6torr扩散泵原理：加热炉盘将泵液（聚苯醚）加热至沸腾，蒸气沿塔式泵芯上升，由向下倾斜的喷口以高速黏性蒸气向下喷射，其冲量传递给气体分子，气体分子下移至底部出口被前级泵抽走。优点：泵中少机械移动部件，稳定可靠；只需定期更换泵液，很少用维修；价格低。缺点：存在泵液返流，造成质谱污染形成本底；会产生较大热量；忽然停电，严重返油，污染仪器。轴转速可达60,000每分钟旋转叶片固定叶片MOTORMOTORLubricatingWick涡轮分子泵原理：高速旋转的叶片给气体分子以定向的速度向下运动，气体分子由底部出口被前级泵抽走。优点：达到真空极限的时间短；无泵油污染，谱图干净；自身保护措施，避免断电产生不良后果。缺点：价格昂贵；内部部件损坏将导致泵完全报废。10-5-10-6torr6、质谱仪的主要性能指标1)质量范围质谱仪器能检测的最低和最高质量,质量范围取决于质量分析器的类型。m/z不是m质量下限高，得不到低质量端的特征离子；质量上限低，不能检测分子量高于质量上限的分子离子。不同类型质量分析器的质量范围质量分析器质量下限质量上限使用范围四极杆离子阱飞行时间扇形场1~101~101~101~10500~4000500~6000500~1061000~15000小分子、多电荷离子大分子小分子、多电荷离子大分子小分子、大分子小分子、中等大小分子2)质量准确度质量准确度是指离子质量测定的准确性。△M=M计算-M测量准确度=100%离子质量：组成该离子所有元素的单同位素质量之和，而不是周期表中的原子质量。35Cl=34.968935.45337Cl=36.9659CH2Cl212+21.0087+234.9689=83.953412+21.0079+235.453=84.9328△MM测量质量分析器质量准确度用途类型四极杆离子阱飞行时间扇形场0.1u0.1u0.0001u0.0001u给出整数质量给出整数质量精确质量和元素组成精确质量和元素组成低分辨低分辨高分辨高分辨不同类型质量分析器质量准确度的典型值3)质量轴的稳定性质量轴指质谱测定离子质量的坐标，即质量标尺。在一定条件下、一定时间内质量标尺发生漂移的幅度，多以8h和12h内某一质量测定值的变化来表示。如：0.1u/12h4）分辨率质谱分辨相临两个离子质量的能力。M1和M2能被分辨，则分辨率可用公式R=M/△M计算实际中，两种计算方法：（1）双峰法（2）单峰法(FWHM)MMaRbMMR质量分析器分辨率质量分析器分辨率四极杆离子阱1000~20001000~2000飞行时间扇形场500~1000,2000~100005000~8000GC/MS联用的质谱仪器的分辨率低分辨质谱：应用广泛，有庞大的谱库可检索，可对未知物快速鉴定。高分辨质谱：可获得元素组成进行未知化合物的结构鉴定；可消除复杂基质重叠峰干扰，用于定量分析能获得更高的信噪比（S/N）。准确度和分辨率：分辨率高可测定化合物的准确质量,但并不意味着质量测定的准确性就很高；分辨率低虽然只能测定化合物的整数质量，但并不意味质量测定的准确性就低。5）灵敏度信噪比(S/N)：采用一定浓度的标样，在一定操作条件下采集质谱图，选择某一质量离子信号峰值和某一段基线的噪音峰值，计算它们的比值(S/N)。噪音：电噪音：化学噪音：载气纯度、色谱柱流失、扩散泵油蒸气、衬管污染、进样垫流失等影响灵敏度的因素：（1）标样的选择：硬脂酸甲酯、六氯苯、八氟萘、二苯酮等。（2）测试条件：进样方式、进样量、色谱柱的规格、温度条件、质谱的离子化方式、仪器调谐、扫描速度、扫描质量范围、真空度指标等。MicrOTOF时间飞行分析器技术指标：•标准质量范围为50–3,000m/z•扩展质量范围为50–20,000m/z•质量分辨率10,000FWHM（标准模式）；micrOTOFfocus