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1、海洋环境中常见持久性有机污染物的分析,国家海洋局北海环境监测中心 王鑫平,分析基本原理 仪器基本原理 数据计算 样品分析 样品前处理 仪器分析及数据处理,有机物分析的主要仪器： 气相色谱仪 气相色谱-质谱联用仪,使用外力使含有样品的流动相（气体、液体）通过一固定于柱中或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。 当流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中的各组分与固定相发生相互作用。 由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中先后流出。,190
2、3年，茨维特做了一个植物色素分离实验：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。 此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。,按固定相的形式分类：,按固定相的形式可分为： 柱 色 谱：固定相装在色谱柱中； 纸 色 谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相； 薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相,气相色谱仪,气相色谱仪的流程图,气路系统,气相色谱仪具有一个让载气连续运行、管路密
3、闭的气路系统。通过该系统，可以获得纯净的、流速稳定的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性，对色谱结果均有很大的影响，因此必须注意控制。 常用的载气有氮气和氢气，也有用氦气、氩气和空气。载气的净化，需经过装有活性炭或分子筛的净化器，以除去载气中的水、氧等不利的杂质。流速的调节和稳定是通过减压阀、稳压阀和针形阀串联使用后达到。一般载气的变化程度1%。,进样系统,进样系统包括进样器和气化室两部分。 进样系统的作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱之前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的大小，进样时间的长短，试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。
4、（1）进样器 液体样品的进样一般采用微量注射器。现代气相色谱仪一般配有自动进样器，可实现无人值守下连续分析。 （2）气化室 为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解，因此要求气化室热容量大，无催化效应。为了尽量减少柱前谱峰变宽，气化室的死体积应尽可能小。,分离系统,分离系统由色谱柱组成。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。 （1）填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为24mm，长13m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。 （2）毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.20.5mm，长度30300m，呈螺旋型。 色谱柱的分离效果除与
5、柱长、柱径和柱形有关外，还与所选用的固定相和柱填料的制备技术以及操作条件等许多因素有关。,温控系统,温度直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要制对色谱柱炉、气化室、检测室的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。 对于沸点范围很宽的混合物，一般采用程序升温法进行。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。,检测系统,根据检测原理的差别，气相色谱检测器可分为浓度型和质量型两类。 浓度型检测器测量的是载气中组分浓度的瞬间变化，即检测器的响应值正比于组分的浓度。如热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（E
6、CD）。 质量型检测器测量的是载气中所携带的样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内组分进入检测器的质量。如氢焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）。,气相色谱仪的常用检测器,1.TCD（热导检测器） 2.FID（氢火焰离子化检测器） 3.FPD（火焰光度检测器） 4.NPD（氮磷检测器） 5.ECD（电子捕获检测器）,氢火焰离子化检测器FID,原理：在氢氧焰的高温作用下，许多分子均将分裂为碎片，并有自由基和激态分子产生，从而在氢焰中形成这些高能粒子所组成的高能区，当有机分子进入此高能区时，就会被电离，从而在外电路中输出离子电流信号。 特点：体积小，灵敏度高，死
7、体积小，应答时间快，但对部分物质如H2、O2、N2、CO、CO2、NO、NO2、CS2、H2O等无响应。属破坏性检测器。,记录系统,记录系统是一种能自动记录由检测器输出的电信号的装置。 目前的色谱系统都采用计算机工作站进行分析的控制和信号的记录。,气相色谱的输出,从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体，并用记录器记录信号随时间变化的曲线，此曲线就叫色谱流出曲线，当待测组分流出色谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓度，在流出曲线上表现为峰状，叫色谱峰。,色谱术语,1）基线：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线。基线在稳定的条件下应是一条水平的直线。它的平
8、直与否可反应出实验条件的稳定情况。 2）峰高（h）和峰面积 ：色谱峰顶点与基线的距离叫峰高。色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。 3）保留值 a. 死时间(t0) ：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。据 t0 可求出流动相平均流速。 b. 保留时间tr：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过柱子的时间t0和组份在固定相中滞留的时间。 c. 调整保留时间tr ：某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组份在固定相中的滞留时间。,分离度：表示相邻两个峰分离程度的优劣，是
9、色谱柱分离效能的指标，用“R”表示。 定义：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度总和 之半的比值： R=1.5时，分离程度可达到99.7%，达到基线分离。 拖尾因子：r=b/a r= 1,峰形为对称的高斯曲线； r1,峰形拖尾； r1，峰形前伸。,噪声：由于各种原因引起的基线波动，称基线噪声。噪声分为短期噪声和长期噪声两类。 漂移：基线随时间单方向的缓慢变化，称基线漂移。 灵敏度和检出限。 灵敏度：是指通过检测器物质的量变化时，该物质响应值的变化率。 检出限：产生3倍噪音信号时，单位体积的载气在单位时间内进入检测器的组分量。灵敏度和检出限是从两个不同角度表示检测器对物质敏感程度的指标
10、。灵敏度越大、检出限越小，检测器 性能越好。 线性范围：检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或叫最大允许进样量(浓度)与最小检测量(浓度)之比。不同类型检测器的线性范围差别也很大。如氢焰检测器的线性范围可达107，热导检测器则在104左右。,气相色谱-质谱联用,将气相色谱作为质谱仪的进样装置，质谱仪代替气相色谱的检测器 样品溶液（包含多种成分）进入气相色谱色谱分离单个组分进入质谱离子化检测,质谱基本原理,分子离子碎片 离子碎片在电场/磁场中运动 不同质荷比离子具有不同运动轨迹/时间，从而得以区分,气相色谱-质谱基本构成,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散
11、 2.直接进样 3.气相色谱,1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.场解析 5.激光解析 6.快原子轰击 7.电喷雾 8.热喷雾,1.扇形场 2.飞行时间 3.离子阱 4.四极杆,离子源,离子源：使分子离子化 有机质谱仪常用的离子源有电子轰击离子源（EI），化学电离源（CI）和解吸化学电离源（DCI），场致电离源（FI）和场解吸电离源（FD），快中子轰击电离源（FAB）和离子轰击电离源（IB），激光解吸电离源（LD），锎-252 等离子解吸电离源（252Cf-PD）。LC-MS 联用仪中的热喷雾接口和电喷雾接口也可单独作为离子源使有机化合物分子电离。,EI源,加热到高温状态下的灯丝发射
12、出高速电子束，与试样分子发生碰撞，导致试样发生电离： Me M+2e 电离后生成的阳离子还可能进一步发生键的断裂，形成各种质量数的碎片正离子和中性自由基。,CI源,用50500eV 的高能量电子束轰击反应气体，使其电离。 电离的反应气体离子立即与反应气体进行离子-分子反应，生成反应离子： 反应离子与样品分子M 进行离子-分子反应生成准分子离子。准分子离子是指获得或失掉一个氢原子的分子离子。,CH4 e CH4+2e CH4+ CH3+ + H CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即 CH4+ CH4 CH5+ CH3 CH3+ CH4 C2H5+ H2 CH5+和C2H5+不与
13、中性甲烷进一步反应，一旦小量样品（试样与甲烷之比为1:1000）导入离子源，试样分子（SH）发生下列反应： CH5+ SH SH2+ CH4 C2H5+ SH S+ C2H6。 SH2+和S+然后可能碎裂，产生质谱。由(M+H)或(M-H)离子很容易测得其相对分子质量.,质量分析器,质量分析器又称质量分离器，是将离子源中生成的各种正离子按质荷比大小分离的部件，是质谱仪的重要部件。 磁质谱、四极杆、离子阱、飞行时间,磁质谱,最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲。,飞行时间质谱,这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的，因为从离子源
14、飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约1m的无场漂移管，在离子加速后的速度为： 此离子达到无场漂移管另一端的时间为：t=L/,离子阱,离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置。,四极杆,四极滤质器由四根平行的金属杆组成。理想的四杆为双曲线，但常用的是四支圆柱形金属杆，被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。 通过在四极上加上直流电压U和射频电压Vcost，在极间形成一个射频场，正电极电压为UVcost， 负电极为-(UVcost).离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适mz的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。只要改变U和V并保持UV比值恒定时，可
15、以实现不同mz的检测。 四极滤质器分辨率和mz范围与磁分析器大体相同，其极限分辨率可达2000，典型的约为700。其主要优点是传输效率较高，入射离子的动能或角发散影响不大；其次是可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简单，仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GCMS联用及空间卫星上进行分析。,（1）全扫描模式（Scan） 在全扫描模式下，质谱仪通常对离子源产生的全部离子进行扫描，由于全扫描每次扫描要记录下成百个离子，导致仪器灵敏度会比采用SIM模式低得多。 质谱图是质谱检测器按设定的质量范围进行扫描生成的（例如：50700amu；质量范围越大，每秒钟的扫描次数就越少）。 （2）选择离子检测（SIM） 在
16、SIM模式下，只选择有限的特征离子进行检测（如：基峰191，217，218，以及那些质荷比能够反映目标萜烷和甾烷结构特征的离子）。质量色谱图是某特定质荷比离子信号强度相对气相色谱保留时间的作图。为了有针对性地对目标化合物进行定量，常常采用SIM模式，它与全扫描模式相比有几个优点：（1）SIM每次扫描仅记录几个选定质荷比的离子，与全扫描模式相比能有充分得多的时间检测每个离子（通常为25至100毫秒，这取决于所选择的离子数量）；（2）对目标分析物的检出限比全扫描可降低一个数量级；（3）采用SIM模式会降低噪声，提高仪器的灵敏度，增大线性范围，适于检测痕量成分。,检测器,质谱仪常用的检测器有法拉第杯(Faraday Cup)、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。 一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在105108。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用电子倍增器可
