气相色谱质谱联用的原理 及应用李自丹 2010207449主要内容• 1 气质联用的原理 • 2常见的气质联用仪器及色谱柱 • 3样品处理 • 4气质联用参数设置 • 5气质联用对本课题组的意义气质联用的原理• 气相色谱是一种物理的分离方法利用被测物质各 组分在不同两相间分配系数（溶解度）的微小差异 ，当两相作相对运动时，这些物质在两相间进行反 复多次的分配，使原来只有微小的性质差异产生很 大的效果，而使不同组分得到分离实际为通过样 品组份沸点之间的差异先后进柱，然后在气体流动 相和固定相之间分配系数的差异进一步分离 • 质谱作为气相色谱的检测器，利用电离源将各种成 分分子电离成质谱碎片，通过相应的谱库检索碎片 信息，给出此信息与某化学物质匹配度，达到对物 质进行定性的目的气质联用组成构建常见的气质联用仪• 目前常用的是美国Agilent的和日本岛津的联 用仪，其中Agilent为公认的分析测量仪器生 产厂家型号有 6890N/5973C、 7890N/5975C等6890N/5973C色谱柱• 常用的色谱柱包括毛细管柱和填充柱毛细管柱的参数及选择原则•内径：0.25mm 最常用的内径规格。
有较高的柱效，负荷量较低，必 须分流进样或无分流进样用于复杂多组份样品分析 • 大口径，多固定相大样品容量，分离能力降低，流失较大•柱长：25—30m 中长柱：分离10—50个组份的样品 50m 长柱：分离大于50个组份或包含有难分离物质对的复杂样品 •加倍柱长，恒温分析时间则加倍但峰分辨率仅增大40%如果分析只 是比较好但不是特别好的，有比增加柱长度更好的办法来分析结果， 如考虑更薄的膜，优化载气流量或用程序升温等•膜厚： 0.25—0.33um 标准液厚 一般商品柱的标准液膜对于流出达 300℃的大多数样品（包括蜡、甘油三酯、甾族化合物等）能够很好 的分析•毛细管固定液毛细管柱的固定液选择原则 ---“相似相溶”• a. 非极性物质—非极性固定液沸点越低的组 分越早出峰 • b. 极性物质—极性固定液极性越小的组分出 越早出峰 • c. 极性与非极性混合物—极性固定液极性越 小的组分出越早出峰 • d. 易形成氢键物质—极性或氢键型固定液不 易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分 后出峰 • e. 复杂难分离样品—多种固定液混合常用毛细管柱固定液样品的处理•样品要求溶解在有机溶剂（如丙酮、正己烷、氯仿、苯等）中； 溶剂应具有较低的沸点，从而使其容易与样品分离。
尽可能避免 用水、二氯甲烷和甲醇做溶剂，因为它们对延长色谱柱的使用寿 命不利另外，如果用毛细管柱分析，应注意样品的浓度不要太高，以免造成柱超载，通常样品的浓度为mg/ml级或更低•样品中不能含有水，盐类等物质；•GC所能直接分离的样品应是可挥发的、且是热稳定的，沸点一般 不超过500℃，分子量小于500；•样品含量在ppb-ppm级，样品不得少于20 uL；•需要进行衍生化处理的样品，需合理选择衍生化方法样品的衍生化•衍生化目的：改善待测物质的气相色谱性质、热稳定性、分子质量、 质谱行为，引入卤素原子或吸电子基团，通过一些特殊的衍生化方法 可以拆分一些难分离的手性化合物•常用的衍生化方法： •硅烷化衍生化 •（1）BSTFA和BTA衍生化胺基和羟基 •（2）MTBSTFA常用于药物、类固醇类检测 •（3）MSTFA是最常用的硅烷化试剂（苹果酸、富马酸、柠檬酸等） •（4）单糖硅烷化时用一般用三甲基硅烷咪唑（甘露糖、半乳糖、海 藻糖等） •酰化衍生化 •（1）乙酰化（体内药物筛选，大多数的临床药物） •（2）三氟乙酰化/五氟丙酰化/七氟丁酰化（苯丙胺类和麻黄碱类） •烷基化衍生化（农药和杀虫剂）气质联用参数设置----进样方式• 动进样（auto-injector）和手动进样； • 自动进样包括填充柱进样口、毛细柱分流/ 无分流进样口、冷柱头进样、程序升温（ PTV）进样口、大体积进样、阀进样。
是否分流？• 分流（split） 主要组分分析；脉冲分流（pulse split）允许更大进样量； • 不分流（splitless） 痕量组分分析；脉冲组分不分 流（pulse splitless）允许更大进样量• 良好的分流比可以防止柱内某些成分含量过高，造 成柱超载形成拖尾峰影响分离，使出峰时间相近的 成分能够较好的分离• 分流不改变样品浓度，只改变峰的信号强度 • Split ratio (分流比) 10:1即为 11份，1份进柱子，10 份流失分流进样注意事项• 分流进样时为了保证分流比的概念真实有 效，样品（溶剂+被分析物）必须与载气充 分混合，形成一个均匀的混合物如果进 样量过大，溶剂会膨胀为很大的体积，致 使进样口衬管过载其结果必将导致样品 从吹扫出口流出而造成样品损失，同时也 会造成载气输入管路的污染进样（气化）室温度 • 考虑样品的稳定性？样品是否能够气化？ 一般在200~250℃ • 考虑样品中各组分的沸点，设定温度使样 品瞬间汽化 • 进样后要有足够的气化温度，使液体式样 迅速气化后被载气带入柱中在保证样品 不分解的情况下，适当提高气化温度对分 离及定量有利，尤其当进样量大时更是如 此。
一般选择气化温度比柱温高30-70℃色谱柱程序升温条件• 程序升温条件是影响样品分离度的最主要因素根 据样品的挥发性等改变；程序升温慢可改善分离效 果，但会增加分析的时间；柱温不能高于固定液的 最高使用温度，否则固定液挥发流失；应综合考 虑 • 升温速率快会加快载气流速，也会使载气携带组分 过快流出，导致保留值相近的组分难以完全分离 • 柱温提高，会使各组分的挥发靠拢，不利于分离， 柱温不能太低，被测组分在两相间扩散速率大为减 小，分配不能迅速达到平衡，峰形变宽，柱效下降 ，并延长了分析时间程序升温选择原则•在使最难分离的组分能尽可能好的分离的情况下，尽可能采取较 低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度•对于高沸点混合物（300-400℃），希望在较低的柱温下（低于其 沸点100-200℃）分析，为改善液相传质速率，可用低固定液含量 （质量分数1%-3%）的色谱柱，使液膜薄一些，但允许最大进样 量减小，因此应采用高灵敏度检测器 •对于沸点不太高的混合物（200-300℃），可在中等柱温下操作， 固定液质量分数5%-10%，柱温比其平均沸点低100℃ •对于沸点在100-200的混合物，柱温可选在其平均沸点的2/3左右 ，固定液质量分数10%-15%。
•对于气体，气态烃等低沸点混合物，柱温选在其沸点或沸点以上，以便能在室温或50以下分析固定液质量分数一般在15%-20% 质谱电离方式•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，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 • •EI电子电离源：主要分析挥发性样品，GC-MS 标准质谱图NIST谱库 国际上统一用70eV，在这一电子能的作用下可形成最多的离子，可形 成相对大的分子离子峰和强的碎片离子峰（与分子结构有关）有些化合物的分子离子不出现或很弱MS source temperature 230 ℃ • •CI化学电离源：软电离技术，EI有些分析不了，CI可以分析易气化样品 的分析，GC-MS 非标准质谱图，不能谱库检索 •FAB快原子轰击源：极性强，分子量大难气化的样品的分析 •ESI电喷雾电离源:液相色谱质谱联用仪，软电离方式，适合于分析极 性强的大分子有机化合物 •APCI大气压化学电离源：中等极性的有机化合物，是ESI的补充，得准 分子离子，单电荷离子EI源的优、缺点• 1 结构简单、温控和操作均较方便 • 2 电离效率高、所形成的离子动能分散小 • 3性能稳定、所得谱图是特征的、能表征组分的分 子结构（目前大量的有机物标准质谱图均是用EI源 得到的） • 4 样品必能气化，不适于难挥发、热不稳定的样品 • 5有的化合物在EI方式下分子离子不稳定、易碎裂， 得不到分子量信息，谱图复杂解释有一定困难 • 6EI方式只检测正离子，不检测负离子质量检测器数据采集模式• 全扫描模式（Scan）和选择离子模式（SIM） SIM比 Scan的灵敏度高三个数量级。
• 全扫描模式是在色谱运行期间连续获得的，记录的强度 既是时间（色谱信息）又是质量（质谱信息）的函数 • 选择离子模式中，灵敏度可通过仅检测少数几个选定的m/z成比例地增加记录时间的办法加以增强提高灵敏 度、改善峰型和精确度用于痕量分析、复杂机制和常 规定量 • 阈值的设置：数据采集时，为限制采集的峰数，可以根 据本底噪声的信号水平设置一个阈值，计算机采集数据 时，只有强度大于或等于阈值的信号才会被保留下来谱图分析---定性分析• 主要是库检索，再结合文献数据，一般匹 配度应高于80以上，库检索一般为PBM检索 ，不用化学工作站检索常用的谱库• NIST库：美国国家科学技术研究所出版 • NIST/EPA/NIH库：美国国家科学技术研究 所、美国环保局、美国国立卫生研究院共 同出版 • Wiley库:3个版本，同一化合物可能有重复 的不同来源的质谱图 • 农药库、药物库、挥发油库 • 前三个通用，后三个专用，NIST/EPA/NIH库 应用最广泛使用库检索注意问题• 1 电离条件：EI源，70eV电子束轰击 • 2 被检索的质谱图应该是纯化合物的质谱图，扣除背景 干扰对检索是否正确十分重要。
现在的质谱数据系统都 带有本底扣除功能，关键是本底的选择是否正确 • 3 在总离子流图中选择哪次扫描的质谱图进行检索,对检 索结果有影响 • 4 匹配度(相似度)最高的化合物不一定就是要检索的化 合物，还要考虑其他有关信息• 谱库检索的好坏除了与谱库中谱图的数量和参考谱图的 质量外，最重要的是待鉴定的未知物谱图是否正确• 仪器调谐方式不对，或数据采集时最强峰超量程， 因此采集的谱图中离子的相对强度不对 • ②采集数据或处理谱图时设定的低质量范围过高， 重要的低质量特征峰没出现 • ③色谱分离不好，得到的不是单一组分的质谱图， 或本底峰干扰严重 • ④谱图处理不当，得到的谱图质量不高一个色谱 峰可以有多张质谱图，使用平均谱或任一张谱图， 选择是否正确，背景扣除是否正确，都影响谱图质 量 • ⑤检索参数的选择（如质量范围等）是否正确影响检索结果的原因谱图分析---定量分析• 定量方法有面积归一化法、外标法、内标法 (internal standard method)面积归一化法• 面积归一化法中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 • 优点：1）无需做校正，简便，快速 2）进样 量不严格要求 • 缺点：1）所有组分都流出且被检测到 2）所 有组分的检测灵敏度都相同 • 要求：所有物质都出峰，各物质响应因子比较 接近，且主要物质含量足够大，各峰型都比较 尖锐且对称；峰高，只要不超过检测的线性范 围最大值的一半就行。
外标法• 外标法是目前应用最广泛的方法之一，其 误差来源主要是进样误差，分析前一定要 做面积重复性（即进样重复性）实验 • 优点：1）不需所有峰都流出或被检测到 2 ）只对所测组分作校正 • 缺点：1）进样量必须准确 2）仪器必须有 良好的稳定性内标法•内标法指在样品中添加内标物，通过组分与内标峰的面积比， 对组分进行定量能减少进样误差对定量结果的影响 •优点：1）进样量不严格要求 2）只对所测组分作校正 •缺点：1）必须在样品中加一内标组分 2）操作较为繁琐 3）选 择内标物困难 •内标物的选择原则：内标物的峰与试样中的所有成分的峰完全 分离内标物的峰与目标成分的峰保留时间不应差太远 内标 物具有与分析目标成分类似的化学性质 •加入等体积等浓度的内标物，即事先配好内标溶。