气质联机讲义讲解

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1、气相质谱联用的原理 及应用 中心实验室 简介 n色谱质谱的在线联用将色谱的分离能力与质谱 的定性功能结合起来，实现对复杂混合物更准 确的定量和定性分析。而且也简化了样品的前 处理过程，使样品分析更简便。 n色谱质谱联用包括气相色谱质谱联用(GC-MS) 和液相色谱质谱联用(LC-MS)，液质联用与气 质联用互为补充，分析不同性质的化合物。 液质联用与气质联用的区别: n气质联用仪(GC-MS)是最早商品化的联用仪器 ，适宜分析小分子、易挥发、热稳定、能气化 的化合物；用电子轰击方式（EI）得到的谱图 ，可与标准谱库对比。 n液质联用(LC-MS)主要可解决如下几方面的问 题：不挥发性化合物分析

2、测定；极性化合物的 分析测定；热不稳定化合物的分析测定；大分 子量化合物（包括蛋白、多肽、多聚物等）的 分析测定；没有商品化的谱库可对比查询，只 能自己建库或自己解析谱图。 GC-MS联用技术特点 n气相色谱法定性依据是色谱峰的保留时间，定量依据 则是色谱峰高或峰面积。作为定性和定量方法，气相 色谱法最大特点在于高效的分离能力和高的灵敏度， 是分离混合物的有效手段。 n 质谱法是依据带电粒子在磁场或电场中的运动规律 ，按其质荷比（质量和电荷的比）实现分离分析，测 定离子质量及其强度分布。主要特点是能给出化合物 的分子量、元素组成、经验式及分子结构信息，具有 定性专属性强、灵敏度高、检测快速的优

3、势。 色谱基本原理 n色谱法是利用混合物不同组分在固定相和流动 相中分配系数(或吸附系数、渗透性等)的差异 ，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复 分配，实现分离的分析方法。 n质谱分析是先将物质离子化，按离子的质荷比 分离，然后测量各种离子谱峰的强度而实现分 析目的的一种分析方法。以检测器检测到的离 子信号强度为纵坐标，离子质荷比为横坐标所 作的条状图就是我们常见的质谱图。 质谱仪的三个重要指标 n质量范围 n分辨率 n灵敏度 气相与质谱定量极定性的区别 n气相 n1. 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。 n2. 根据色谱峰的面积或峰高, 可以进行定量分析。 n质谱 n1. 根据色谱峰

4、的保留值以及样品组分和标准组分的 谱图相一致可以进行定性分析。 n2. 根据色谱峰的面积和待测物的质荷比, 可以进行定 量分析。 GC-MS联用仪系统组成 n 进样部分（气相色谱） n 离子源（对样品进行离子化，使其能被质 量 分析器所检测到） n 质量分析器 n 质量检测器 n 数据分析系统 质谱仪器： n质谱仪由以下几部分组成 n n 数据及供电系统 n n进样系统 离子源 质量分析器 检测接 收器 n n 真空系统 真空系统 n质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在 高真空状态下工作，以减少本底的干扰，避免 发生不必要的离子-分子反应。所以质谱反应属 于单分子分解反应。 n由机械真空泵

5、(前极低真空泵)，扩散泵或分子泵 (高真空泵)组成真空机组，抽取离子源和分析器 部分的真空。 n只有在足够高的真空下，离子才能从离子源到 达接收器，真空度不够则灵敏度低。 GC-MS色谱柱的选择 n 柱效高 n 惰性好 n 热稳定性好 n毛细管柱流失主要原因：固定液图渍不均匀， 有缺陷；交联键合不完全，有小分子物质；老 化不当，损失液膜；使用不当发生催化降解； 柱子插入离子源的一头，外涂层（聚酰亚胺） 也会进入离子源。 柱子老化的目的 n可提高1/3塔版数 n除去涂固定液时残留的溶剂 n除去交联不全或聚合度低的小分子化合物 n使固定液均匀铺展， n掩盖某些活性点 对于旧柱子，除去残留物 老化柱

6、子的方法 n分段老化法从较低温度开始，在不同温度段（ 150，200，250，300度）分别停留一段时间 。注意不能长时间停留在高温下老化。 n程序升温老化法一般从50-60度开始以10度 /min升温至300度（依柱的最高使用温度而定 ）。 n进样老化法老化一定要充足载气避免干烤柱子 ，但也有不同载气的特殊老化法。 GC-MS对载气选择的要求 n 必须是化学惰性的 n 必须不干扰质谱图 n 必须不干扰总离子流的检测 n 应具有使载气气流中的样品富集的某种特 性 为什么 MS需要真空？ n提供足够的平均自由程 n提供无碰撞的离子轨道 n减少离子-分子反应 n减少背景干扰 n延长灯丝寿命 n消除

7、放电 n增加灵敏度 GC-MS空气泄漏征兆及常见来源 n征兆：真空管压力或前级管道压力高于普通值 ：本底高，空气特征（M/Z18，28，32，44） 较高；灵敏度低，M/Z502的相对丰度低。 n常见来源：GC进样口；GC-隔垫；破损的毛细 管柱；GC-MS的接口处。 质谱仪器 n质谱仪的高真空系统一般由机械泵和扩散泵或涡轮分 子泵串联组成。机械泵作为前级泵将真空抽到10-1 10-2Pa，然后由扩散泵或涡轮分子泵将真空度降至质 谱仪工作需要的真空度10-410-5Pa。虽然涡轮分子泵 可在十几分钟内将真空度降至工作范围，但一般仍然 需要继续平衡2小时左右，充分排除真空体系内存在的 诸如水分、

8、空气等杂质以保证仪器工作正常。 气相色谱质谱联用仪的进样系统由接口和气相色 谱组成。接口的作用是使经气相色谱分离出的各组分 依次进入质谱仪的离子源。接口一般应满足如下要求 ：(a)不破坏离子源的高真空，也不影响色谱分离的柱 效；(b)使色谱分离后的组分尽可能多的进入离子源， 流动相尽可能少进入离子源；(c)不改变色谱分离后各 组分的组成和结构。 质谱仪器（离子源） n离子源的作用是将被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，汇聚成 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。其性能直接影响质谱仪的灵敏度和分 辨率。离子源的选择主要依据被分析物的热

9、稳定性和 电离的难易程度，以期得到分子离子峰。电子轰击电 离源（EI）是气相色谱质谱联用仪中最为常见的电 离源，它要求被分析物能气化且气化时不分解。 离子源 n电子轰击电离源（EI）(电子轰击电离又称为电 子轰击，或电子电离。是应用最普遍，发展最 成熟的电离方法。) n化学电离源（CI）(是首先利用灯丝发出的电子 将反应气电离，然后通过样品分子和反应器离 子之间的反应使样品分子分离) n场致电离源（FI） n大气压化学电离源（APCI） n电喷雾电离源（ESI） 离子源必须满足那些要求 n产生的离子流稳定性高，强度能满足测量精度 n粒子束的能量和方向分散小 n记忆效应小 n质量歧视效应小，工作

10、压强范围宽 n样品和离子的利用率高 质谱仪器（质量分析器） n质量分析器是质谱仪的核心，它将离子源产生 的离子按质荷比（m/z）的不同,在空间位置、 时间的先后或轨道的稳定与否进行分离，以得 到按质荷比大小顺序排列的质谱图。以四极质 量分析器（四极杆滤质器）为质量分析器的质 谱仪称为四极杆质谱。它具有重量轻、体积小 、造价低的特点，是目前台式气相色谱质谱 联用仪中最常用的质量分析器。 检测器的作用是将来自质量分析器的离子束 进行放大并进行检测，电子倍增检测器是色谱 质谱联用仪中最常用的检测器。 质量分析器的分类： n双聚焦扇形磁场-电场串联仪器(sector). n四极质谱仪(Q). n飞行时

11、间质谱仪(TOF). n离子阱质谱仪（TRAP） n付利叶变换-离子回旋共振质谱仪(FT-ICRMS). n 四极+TOF（Q-TOF） n串列式多级质谱仪三重四极（QqQ） (MS/MS) TOF+TOF n四极杆质量分析器是GC/MS联用中最通用的一种质量 分析器，有长久的应用历史，性能稳定。 n质量分析器是利用电磁或磁场的作用，将来自离子源 的离子束中不同质荷比离子按空间位置或时间先后或 运动轨道稳定与否等形式分离的装置 n有全扫描（Scan）和选择离子监测（SIM）两种不同 扫描模式。 n扫描速度快，灵敏度高。尤其是SIM模式，以最大的 采集效率，有选择性地检测单个或几个质量离子，从

12、而降低信噪比，提高灵敏度几个数量级，适用于各种 定量分析，满足高通量分析需求。 n可同时配置EI和正、负CI源，EI源可获得丰富的结构 信息，CI源则提供EI源得不到的分子量信息。 四级杆质量分析器 四级杆质量分析器 n由四根平行圆柱形电极组成，电极分为两组， 分别加上直流电压和一定频率的交流电压。样 品离子沿电极间轴向进入电场后，在极性相反 的电极间振荡，只有质荷比在某个范围的离子 才能通过四极杆，到达检测器，其余离子因振 幅过大与电极碰撞，放电中和后被抽走。因此 ，改变电压或频率，可使不同质荷比的离子依 次到达检测器，被分离检测。 四极杆 数据再现形式 n总离子流色谱图（total ion

13、 current，TIC） n 质量色谱图又名提取离子流色谱图（ extracted ion chromatography） n 质谱图（mass sepcturm，MS） 总离子流色谱图(TIC) 质量色谱图（提取离子流色谱图） 质谱图 n质谱图相对丰度的含义是把原始谱图的分子最 高离子峰定位基峰，其强度定为100，其它离 子峰的强度与之比较，用相对百分比表示。 n质谱图的横坐标表示质荷比，纵坐标表示相对 丰度 质量色谱图用途 n利用质量色谱法搜寻目标化合物，以快速鉴别 化合物类型。 n 可以检查色谱峰的纯度，即利用化合物特 征离子质量色谱保留时间的差异，分辨共流出 的色谱峰。 n 质量色谱

14、图比总离子流色谱图简洁，消除 了背景干扰，信噪比更好。 质谱扫描技术 n定性全扫描（Scan） n定量选择离子（SIM ） 全扫描方式 n最常用的一种扫描模式，扫描的质量范围覆盖被测化 合物的分子离子和碎片离子的质量，得到的是化合物 的全谱，可以用来进行谱库检索。 n扫描质量起点和终点的选择，取决于待测化合物的分 子量和低质量的特征碎片。 n阈值的设置不仅影响质谱峰数多少，而且影响色谱图 的基线和峰的分离，倍增器工作电压影响全质量范围 离子丰度。 n扫描时间指在设置的质量范围内完成一处扫描所需要 的循环时间。每个色谱峰的扫描次数越多，峰形越好 ，对建立TIC有利。 选择离子检测（SIM） nS

15、IM是什么? n不是连续扫描某一质量范围，而是跳跃式地扫 描某几个选定的质量。 n它如何做? n控制质量分析器，仅仅对感兴趣的质量进行分 析 n为什么做? n提高灵敏度 n改善峰形 n改善精确度 n应用： n痕量分析 n复杂基质 n常规定量 定量方法 n面积归一化法 n校正面积归一化法 n外标法 n内标法 n 面积百分率法（面积归一） n各组分浓度以面积百分率表示，该结果可以确认大概的 浓度，但有误差。 n 校正面积百分率法（校正面积归一） n用重量响应因子对峰面积进行修正，用该法测定的浓度 比前者准确，但前提是样品中所有组分都出峰，否则也 有误差存在。 n这两种方法应用的必需条件是： n1.

16、样品中所有组分都出峰； n 2.所有峰面积计算必须准确。 n3.外标法 n该法是应用最广泛的方法之一，其误差来源主 要是进样误差，因此，分析前一定要做面积重 复性（即进样重复性）实验。 n4.内标法 n 在样品中添加内标物，通过组分与内标峰的 面积比，对组分进行定量。该方法减小了进样 误差对定量结果的影响。 内标物的选择 n内标物的峰与试样中的所有成分的峰完全分离 。 n 内标物的峰与目标成分的峰保留时间不应 差太远。 n 内标物具有与分析目标成分类似的化学性 质。 分析方法的建立 n 样品来源及其前处理方法 n 确定仪器配置 n 确定初始操作条件 n 分离条件优化 n 定性鉴定 n 定量分析 确定