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1、气相色谱-质谱联用技术,气相色谱 -质谱联用仪GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spetrum),Agilent6890-5975B气质联用仪,GC-MS概述,一、GC-MS的特点 二、GC-MS的系统构成 三、质谱检测器MSD的组成 四、 GC-MS仪的主要信息 五、 GC-MS的应用,一、GC-MS的特点,GC的分离特点+质谱的定性特点 （三高） GC将待测样品进行分离直接导入质谱进行检测 质谱检测离子质量，获得化合物的质谱图 联用技术可以得到质量、保留时间、强度三维信息,气质联用数据是三维的,气相色谱-质谱联用,特点： 要求样品气化后进入质谱仪 用电子轰击方式
2、（EI）得到的谱图，可与标准谱库对比 用毛细管色谱柱分离化合物，分离效率高 操作条件稳定、使用方法成熟 适宜分析小分子、易挥发、热稳定的化合物,样品分离、鉴定和定量一次完成 检测限可达10-1210-9g 最成熟的一类联用技术 适用于小分子、易挥发、热稳定性好样品分析,二、GC-MS联用系统的构成,气相色谱仪 接口 质谱仪（离子源、质量分析器） 数据处理系统,出口,气相色谱仪,高真空泵,接口,色谱工作站软件（电脑）,离子源,质量分析器,机械泵,检测器,质谱仪,色谱单元,与GC基本相同 GC色谱条件： 色谱柱：毛细管柱 温度：气化室温度、柱温、检测器温度 载气？及流量：1ml/min,GC-MS
3、对载气选择的要求,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 He,GC-MS色谱柱的选择,柱效好 惰性好 热稳定性好,接口技术中要解决的问题,气相色谱仪的大气压工作条件和质谱仪的真空工作条件的联接和匹配。 作用：把气相色谱柱流出物中的载气尽可能多地除去，保留或浓缩待测物，使近似大气压的气流转变成适合离子化装置的粗真空，并协调色谱仪和质谱仪的工作流量。,MS为什么需要真空,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,传输线、接口,MSD GC 真空度： 10-5Tor
4、r 760Torr(常压) 流速： 2ml/min 0.5-15ml/min 传输线的要求：使GC和MS都达到最佳操作条件;保证被测组分可从GC传输到MS无不正常现象 (无灵敏度损失、无二次反应、无峰形改变),常用接口,直接导入型：将毛细管色谱柱通过一根金属毛细管直接引入质谱仪的离子源。适用于小口径毛细管柱。载气限于氦气或氢气，载气流量在0.71.0ml/min 开口分流型：气相色谱柱的一段插入接口，其出口正对着限流毛细管。限流毛细管承受将近0.1MPa的压力，与质谱仪的真空泵相匹配，将色谱柱流出物的一部分定量地引入质谱仪的离子源。适合于小径或中径毛细管柱。 喷射式分子分离型（浓缩型）：填充柱
5、和毛细管柱均适用,气相色谱检测器,热导检测器TCD 氢火焰离子化检测器FID 电子捕获检测器ECD 火焰光度检测器FPD 氮磷检测器NPD 质谱检测器MSD,GC检测器灵敏度比较,pptrillion,ppb,ppm,ppthousand,percent,TCD,FID,ECD,AED,PID,NPD (N),NPD (P),MSD,(SIM),(SCAN),FPD (S),IRD,ELCD,ELCD,(S or N),(X),10-15,fg,10-12,pg,10-9,ng,10-6,10-3,mg,质谱检测器（MSD）,样品被电子流轰击后产生离子 这些离子按它们的质荷比m/z被分离后，测
6、量其质量数和丰度值 此检测器可以通过选择适当的质量而使其专一性好，选择性强。,三、质谱检测器的组成,离子源：提供样品能量，使样品分子电离生成气态分子离子或准分子离子，分子离子还可进一步裂解，产生各种碎片离子。用 70 ev 电子能量轰击的操作方式被称为电子电离 质量分析器：将来自离子源的不同质荷比离子（离子的质量与其所带电荷的比值，m/z）按空间位置或时间先后分离开的部件。 单重四级杆（Q）、三重四极杆（QQQ、TQ） 检测器：用于接收、检测和记录被分离的离子信号。 高能打拿极和电子倍增器,质谱单元,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,控制和数据处理系统,真空系统,离子源,离子源的作用是将被
7、分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。,离子化技术,EI（电子轰击离子源） CI（化学离子源） FAB（快原子轰击离子化） MALDI（基质辅助激光解吸离子化） FI（场致电离源） ESI（电喷雾电离源）,EI（电子轰击离子化）,电子轰击质谱示意图,Electron Impact Ionization,电子轰击电离电子轰击。电子电离 轰击电压50-70eV，有机分子的电离电位一般为7-15eV 可提供丰富的结构信息 有些化合物的分子离子不出现或很弱,优点：灵敏度高，有丰富的碎片离子信息和成熟的离子开
8、裂理论，是结构分析、鉴定的有力手段；重现性好，有标准图谱，可以通过谱库检索对未知物进行结构鉴定 缺点：样品须汽化后才可离子化 适用化合物：易挥发、热稳定化合物。 只检测正离子，不检测负离子,EI源的特点,化学离子化（CI）,离子室内的反应气（甲烷等；10-100Pa,样品的103-105倍），受电子（100-240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。,如甲烷作为化学离子化反应气的电离过程,CH4e CH4+2e CH4+ CH2+H2 CH4+ CH3+H CH4+CH4 CH5+CH3 CH3+CH4 C2H5+H2,形成质子化分子离子M+H+ MCH5+ M+H+CH4
9、 MC2H5+ M+H+C2H4,软电离技术 优点：可以得到较强的准分子离子峰，有利于分子量的测定；可检测负离子，灵敏度高。 缺点：样品须汽化后才可离子化 适用化合物：易挥发、热稳定化合物 无CI源标准谱图,CI的特点,四、质量分析器及质量分离原理,四极杆质量分析器 三重四极杆质量分析器 离子阱质量分析器,由四根截面呈双曲面的平行电极所组成，常常为圆柱形电极。 离子的质量分离是在电极形成的电极场中完成的。四极电场由加在电极上的直流电压(U)和与之相叠加的射频电压(V)产生。 在X方向电极上施加“UV”电压，而在y方向上施加“-(UV)”电压，而V=V0 cost，为射频频率，电极间的相对距离为
10、2r,四极杆质量分析器原理,离子源中产生的不同质荷比m/z的离子从Z方向进入四极场，在射频电场的作用下，离子的运动方程为：,离子的“a-q值处于该三角形内时，该离子的振幅是有限的，轨迹是稳定的，可通过四极场到达检测器 离子的a-q值处于稳定三角形之外，其振幅随时间增大，其轨迹是不稳定的，这些离子将与电极碰撞消失,选择适当的a/q值(U/V0值)，使扫描线通过稳定区，则扫描线与稳定区二个交点之间对应的质量范围的离子可以沿Z方向到达检测器，而其他离子以不稳定振荡，与电极撞击而消失。当a/q值变为另一个值时，可使另一离子通过四极场-选择离子监测SIM 全扫描SCAN:保持U/V0值及不变，而改变U和
11、V可以实现质量扫描。在给定的时间内不间断地对设定的质荷比(m/z)范围内的所有离子进行扫描。 如果提高扫描线的斜率，则可提高质量分辨率，但灵敏度下降。如果降低扫描线的斜率，则将降低分辨率。 如果在极端状态，a0(U0)，四极杆质谱仅在射频方式(RF-only mode)下操作，则所有m/z值的离子均具有稳定轨迹可通过四极区，这可用于串联质谱的碰撞室Q2。,扫描类型：,全扫描(full scan, SCAN)：用于未知化合物的定性分析。 SCAN方式需要设置的参数有：扫描质荷比的起点和终点、CID电压等。扫描参数的选择既要兼顾获得含尽量多的有效分子离子和碎片离子的质谱图，又要兼顾获得好的总离子流
12、图。 选择离子监测(selected ion monitoring，SIM)：用于定量分析，常用于目标化合物的检测和在数量众多的样品中快速筛选目标化合物。 与SCAN方式相比，SIM方式能达到更低的检测限、更快的速度、更好的灵敏度和更短的分析时间，适用于定量分析。但选择SIM方式不利于定性分析。,四极杆质量分析器（quadrupole，Q）,M1,M2,M3,检测模式,全扫描（Full Scan）,选择离子检测（SIM）,分辨率：低,单四极杆特点,四极杆质量分析器是GC-MS联用仪中最通用的一种质量分析器 有全扫描(Scan)和选择离监测(SIM)两种不同扫描模式 扫描速度快,灵敏度高，尤其是
13、SIM模式 可在较低的真空度下工作 分辨率较低，不能提供亚稳离子信息 结构简单、体积小、自动化程度高,三重四极杆质谱仪（QQQ）,M+H+,Q1 质量分析器,Q3 质量分析器,Q2 碰撞室 活化室,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,串联质谱MS/MS,低分辨,QQQ特点,离子、母离子、中性丢失三种扫描方式 母离子找子离子获得碎片离子 子离子找母离子获得前体离子 中性基因相关质量的离子，确定各离子归属，研究离子的碎裂途径，用于化合物的结构分析,
14、离子阱质量分析器（ion trap，IT）,离子注入,质量选择推出,检测模式,全扫描（Full Scan）,选择离子检测（SIM）,分辨率：低,离子阱质量分析器示意图,由三个电极组成的三维四极场 处在端电极中心的小孔是离子进出阱的通道。 一定固有频率的射频电压施加于环电极上，在环电极和端电极之间有高频电势差，形成了一个四极场。 RF值是指施加在环电极和两个端电极之间的电压，依靠具不同水平的RF值的四极场，离子阱可以在一个特定的质量范围内俘获并稳定一定数量的离子。,IT原理,与四极杆质量分析器相似，离子在离子阱中的运动也有稳定和不稳定两种情况。 处于稳定区的离子，运动幅度不大，能长期存储在离子阱
15、中。 处于稳定区之外的离子，由于幅度过大，会与环电极或端电极相撞而消亡。,质谱过程,离子被充入离子阱: 通过降低施加在锥形分离器的排斥电压，让离子束通过来实现的。进入阱内的离子被施加了低于四极振幅的射频场俘获。设置好一定的积累时间，锥形分离器的排斥电压升高，以阻止后续离子进入阱内。累积的离子通过与阱内浴气(He)碰撞而冷却。以确保离子云驻留于阱中心一定的空间范围内。 扫描开始，四极和二级的势场增加，离子按质量增加的顺序通过出口端帽被逐出离子阱。 扫描结束后，四极场降低到零以清除残留在阱内的离子。阱回到初始状态，锥形分离器设置为允许离子进入并累积的初始状态，新的循环开始。,IT特点,时间上串联的
16、质量分析器，只需一个离子阱质量分析器即可实现多级串联质谱，成本低、价格便宜 离子阱质量分析器的灵敏度高，离子损失小-离子利用率高；离子阱质量分析器的质量范围大,扫描方式,可实现二次或多次质谱（MSn）分析 全扫描模式SCAN：主要对未知化合物做定性分析 选择离子扫描模式SIM：主要应用于目标化合物检测和复杂混合物中杂质的定量分析 SIM较SCAN有更高的灵敏度，峰型较好，排除干扰，提高信噪比，适合定量分析,四、GC-MS主要信息,总流子流色谱图(TIC，total ion current):样品随载气进入质谱检测器中，在不同时间点得到的离子总信号的响应图，称为总离子流图。可用于了解样品的质谱全貌 质谱图(MS，mass specturm):一个纯粹化合物经离子化、裂解形成一系列离子的质荷比与强度的分布图。 质量
