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气相色谱－质谱仪的原理与应用NationalInstitutesforFoodandDrugControl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NationalInstitutesforFoodandDrugControlN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）NationalInstitutesforFoodandDrugControl省所配备的GC-MS仪1第一台2016年赛默飞ThermoTraceGC－DSQNationalInstitutesforFoodandDrugControl省所配备的GC-MS仪2第二台2013年岛津GC-MSQP2010Ultra）NationalInstitutesforFoodandDrugControl省所配备的GC-MS仪3第三台2014年安捷伦7000GC/MSTripleQuad三重四级杆NationalInstitutesforFoodandDrugControl•第二部分气相色谱仪原理NationalInstitutesforFoodandDrugControl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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl时间检测器色谱柱样品注入口样品注入A＋BBA＋BABABB峰A峰B气相色谱的工作原理示意图ABA＋BANationalInstitutesforFoodandDrugControl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1.5KPa-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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl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。)NationalInstitutesforFoodandDrugControl气相色谱构成示意图NationalInstitutesforFoodandDrugControlGC-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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl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）GCNationalInstitutesforFoodandDrugControlGC载气1.载气要求：作为气相色谱载气的气体，要求：①化学稳定性好；②纯度高；③价格便宜并易取得；④能适合于所用的检测器。2.常用载气：通常用氦气（He）和氮气（N2），以前也用氢气（H2），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%NationalInstitutesforFoodandDrugControlGC/MS的载气•GC/MS联用对载气选择有严格要求①必须是化学惰性的②必须不干扰质谱图③必须不干扰总离子流的检测④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NationalInstitutesforFoodandDrugControlGC/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②，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/z28离子较强，真空系统中残气的氮峰m/z28已经不小，而且m/z28、m/z29、m/z14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NationalInstitutesforFoodandDrugControl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NationalInstitutesforFoodandDrugControlGC－MS很少使用氢气的原因•氢气具备③以外的三个条件，因其电离能为15.4eV，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/z1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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl3.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NationalInstitutesforFoodandDrugControl恒压控制恒流控制压力控制器流量控制器压力保持恒定流量保持恒定无论柱的阻力（象柱子的内径、长度、柱温等）有多少，压力固定不变改变阻力，流量发生变化(阻力增加→流量减小)无论柱的阻力（象柱子的内径、长度、柱温等）有多少，流量固定不变改变阻力，压力发生变化(阻力增加→压力增加)载气控制方式载气NationalInstitutesforFoodandDrugControl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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl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10μL；•毛细管色谱常用1μL；•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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl气体样品:0.2～1毫升液体的样品:1～2μL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）1uL2uL异辛烷110uL220uL正已烷140uL280uL甲苯170uL340uL乙酸乙酯185uL370uL丙酮245uL490uL二氯甲烷285uL570uL二硫化碳300uL600uL乙腈350uL700uL甲醇450uL900uL水1010uL2020uL进样量溶剂NationalInstitutesforFoodandDrugControl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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl一、填充柱硅藻土(担体)固定液不锈钢或玻璃PartitionMaterials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NationalInstitutesforFoodandDrugControlOV-110%Chromosorb-W(AW-DMCS)60/802m*2.6mmI.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NationalInstitutesforFoodandDrugControl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NationalInstitutesforFoodandDrugControl填料管融熔石英固定液二、毛细管柱(CapillaryColumn)内径（I.D.）0.1，0.25，0.32，0.53毫米长度5-100m(30m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NationalInstitutesforFoodandDrugControlRxi-5ms(Crossbond5%diphenyl/95%dimethylpolysiloxane)30meter,0.25mmID,0.25umdfMaxProg.Temp.350°Min.Bleedat330℃商标固定相5％二苯