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GC-MS的基本流路图,GC-MS原理与结构,GC,接口,MS,数据处理,真空系统,气相色谱 气相色谱的流动相为惰性气体，气-固色谱法中以表面积大且具有一定活性的吸附剂作为固定相。当多组分的混合样品进入色谱柱后，由于吸附剂对每个组分的吸附力不同，经过一定时间后，各组分在色谱柱中的运行速度也就不同。吸附力弱的组分容易被解吸下来，最先离开色谱柱进入检测器，而吸附力最强的组分最不容易被解吸下来，因此最后离开色谱柱。如此，各组分得以在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器中被检测、记录下来。,GC-MS原理与结构,质谱 质谱分析法师通过对被测样品离子的质核比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质核比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。 气质联用（GC-MS） 气质联用的有效结合既充分利用色谱的分离能力，又发挥了质谱的定性专长，优势互补，结合谱库检索，可以得到较满意的分离机鉴定结果。,GC-MS原理与结构,气相色谱分离样品的各个组分，起样品制备的作用，接口把气相色谱流出的各个组分送入质谱仪进行检测，质谱仪对接口引入的各个组分进行分析，成为气相色谱的检测器。计算机系统控制色谱仪、接口、质谱仪，进行数据采集和处理。 GC-MS联用仪的基本组成部件,GC-MS原理与结构,GC 基础知识,典型的气相色谱,GC-MS原理与结构,概念 气体 载气用于传送样品通过整个系统的气体。 检测器气体某些检测器所需的支持气体，如FID。 样品引入 将样品蒸汽引入载气的过程。该过程应对应样品蒸汽有最小 影响。 色谱柱 实现样品组分的分离。 检测器 对流出柱的样品组分进行识别和响应。 数据采集 将检测器的信号转换为色谱图，以备手动或自动定性、定量 分析只用。,GC-MS原理与结构,色谱过程示意图,GC-MS原理与结构,分离是如何发生的 色谱是一种分离方法，物质在流动相和固定相之间进行分配。由于各种物质在固定相中的保留能力不同而形成不同的流出时间以达到分离。,GC-MS原理与结构,色谱的热力学理论塔板理论 理论塔板数 N=5.545（tR/WH/2）=L/HETP,GC-MS原理与结构,WH/2,H/2,开始,H,tR,理论塔板数（N）理论塔板高度（H） 理论塔板数 N 表示柱效的参数 N越大，柱效越高 理论塔板高度（HETP） 表示柱效的参数（与柱长无关） H越小，柱效越高,GC-MS原理与结构,色谱的动力学理论速率理论 Van Deemter方程 H = A +B/u + Cu A：涡流扩散项（多途径造成） B：纵向扩散项 C：传质阻力项 u：载气线速度,GC-MS原理与结构,Van Deemter方程式 填充柱 毛细管柱,GC-MS原理与结构,气相色谱仪的流动相载气 高纯氦气（纯度99.999 %以上）,GC-MS原理与结构,气相色谱的进样方式 WBI进样口 毛细柱分流/无分流进样口 冷柱头进样 PTV进样口,GC-MS原理与结构,热进样和冷进样 热进样 分流/无分流进样（SPL） 直接进样（WBI） 宽口毛细柱和填充柱 冷进样 PTV进样 冷柱头进样（OCI）,GC-MS原理与结构,歧视效应和热分解 热进样（SPL,WBI） 存在歧视现象和样品热分解 冷进样（OCI,PTV） 进样是在较低温度下进行 定量精度高 歧视效应和热解效应的影响小,GC-MS原理与结构,歧视效应的产生 歧视：蒸馏现象 进针 退针,GC-MS原理与结构,减小热进样歧视现象的方法 快速进样法 溶剂冲洗法 热针法,GC-MS原理与结构,溶剂冲洗法,GC-MS原理与结构,冷进样 概念 样品是在冷状态低于样品沸点的温度下进样（依据溶剂） 气化室快速升温使样品气化 PTV进样方式 分流进样（高浓度样） 无分流进样（低浓度样） 大体积进样LVI（痕量分析） OCI柱头进样 只适用于0.53内径的柱子 无分流流路，不能分析高浓度样品（污染柱子），进样量一 般小于2 L,GC-MS原理与结构,进样体积上限 无分流进样（SPL,PTV） 2 L 高压进样（SPL,PTV） 5 L 直接进样（全量进样） 3 L 用宽口毛细柱 冷柱头进样（OCI） 2 L LVI-PTV进样 空衬管 10 L 衬管+石英棉 50 L 衬管+填料 大于 1000 L,GC-MS原理与结构,进样口的结构 WBI进样口 毛细柱进样口,GC-MS原理与结构,分流/不分流进样口示意图 分流比：SPL.R = F1:F2,GC-MS原理与结构,OCI/PTV进样口示意图,GC-MS原理与结构,色谱柱的介绍,色谱柱的类型 填充柱 柱材：不锈钢，玻璃 内径：2.63 mm 长度：0.56 m 填料：担体和固定液的种类 固定液的浓度 1-30 % 担体有硅藻土、玻璃、石英、塑料担体（TPA）等。,GC-MS原理与结构,色谱柱的类型 毛细柱 柱材：熔融石英、不锈钢 内径：0.20.53 mm 长度：10100 m 固定相种类：OV-1，PEG-20M,OV-17等 固定相膜厚：0.25 m,GC-MS原理与结构,毛细柱主要类型,GC-MS原理与结构,毛细管柱管材 熔融石英合成高纯石英 外表面涂覆聚酰亚胺 内表面经化学处理 不锈钢 用于高温分析 最不易断裂 内表面经特殊处理,GC-MS原理与结构,固定相 大多数固定相为聚合物 聚硅氧烷（Polysiloxanes, silicones） 聚乙二醇（Polyethylene glycols, PEG）,GC-MS原理与结构,固定相聚甲基硅氧烷,GC-MS原理与结构,固定相聚乙二醇 “WAX”或“FFAP”类固定液 例如：DB-WAX，DB-FFAP 温度稳定性比聚硅氧烷类差，最高使用温度低于聚硅氧烷类固定液。,GC-MS原理与结构,固定相“ms”或低流失柱 苯基基团键合入硅氧烷聚合物主链 e.g. DB-5ms Rtx-5ms BPX-5 温度稳定性更好,GC-MS原理与结构,固定液流失,GC-MS原理与结构,常用固定相,GC-MS原理与结构,色谱柱的选择 固定液极性的选择（按相似相溶原则） 非极性固定液有按沸点顺序溶出倾向 极性固定液沸点相同时，按极性由小到大的顺序溶出 固定液的浓度或毛细管柱的膜厚 对低沸点化合物 高浓度（10 %30 %） 高膜厚（15 m） 对高沸点化合物 低浓度（1 %5 %） 低膜厚（0.250.5 m）,GC-MS原理与结构,几种代表性固定液的极性（Mc Reynolds 常数）,GC-MS原理与结构,内径对毛细柱分离的影响,GC-MS原理与结构,膜厚对毛细柱分离的影响 CBP1-W25-100 CBP1-W25-500 膜厚 1 m 膜厚 5 m,GC-MS原理与结构,毛细柱的内径、膜厚及柱容量,GC-MS原理与结构,毛细管柱流量设定 载气流入MS 大流量 真空度差 柱内径 流量 0.25 mm 1-2 mL/min 0.32 mm 2-4 mL/min 0.53 mm 10-15 mL/min,GC-MS原理与结构,内径,各公司常用毛细柱商品名及固定液对照表,GC-MS原理与结构,色谱柱的老化 为什么必须进行色谱柱老化？ 新色谱柱含有溶剂和高沸点物质，所以基线不稳，出现鬼峰和噪声；旧柱长时间未用，也存在同样问题。 一般采用升温老化，即从室温程序升温到最高温度，并在高温段保持数小时。 新柱老化时，最好不要连接检测器。 每天都要进行老化吗？ 视仪器基线情况，确定是否需要老化及老化时间。,GC-MS原理与结构,色谱柱分离效率评价 色谱柱效率：峰尖 评价：理论板高（HETP）、理论塔板数（N） 对策：将Van Deemter各因素优化 选择性：峰的分离度 评价：分离因子或分离度 对策：选择极性相当的固定相 峰的对称性：吸附现象 评价：拖尾因子 对策：色谱柱进一步老化,GC-MS原理与结构,MS基础知识,MS流程图,GC-MS原理与结构,样品,GC进样 直接进样,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,真空系统,数据处理,直接进样方式DI,GC-MS原理与结构,为什么MS需要高真空 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,GC-MS原理与结构,为什么MS需要高真空 真空系统确保离子由离子源转移至检测器,GC-MS原理与结构,排气系统,GC-MS原理与结构,真空泵（主泵） 涡轮分子泵（Turbo molecular pump） 旋转叶片使气体分子向下移动并由出口排出 干净真空 启动和关机时间短 价格昂贵,GC-MS原理与结构,单泵排气系统和差动排气系统 差动排气系统更有利于高流量分析,GC-MS原理与结构,接口 Interface：GC和MS的连接部件 使用石墨垫圈密封（85 %Vespel+15 %石墨）,GC-MS原理与结构,MS的分类 磁质谱 飞行时间质谱（TOF） 四级杆质谱 离子肼质谱,GC-MS原理与结构,磁质量分析器 磁质量分析器是根据离子束在一定场强的磁场中运动时，其运动的曲率半径Rm与离子的质荷比m/z和加速电压V有关，当加速电压固定时，不同质荷比的离子的曲率半径不同，于是不同质荷比的离子在空间有不同的位置，得到了空间位置上的分离。 m/z=kRm2B2/V B：磁场强度,GC-MS原理与结构,磁质量分析器,GC-MS原理与结构,飞行时间质量分析器 飞行时间质量分析器是一个长度一定的无场空间，离子经加速电压加速而进入分析器时，由于不同质量的离子飞行速度不同，他们飞过一定距离所需的时间也不同，质量小的离子飞行速度快先到达检测器，质量大的飞行速度慢后到达检测器，因而可获得质量分离。,GC-MS原理与结构,飞行时间质量分析器,GC-MS原理与结构,四级杆质量分析器 四级杆质量分析器由四根相互平行并均匀安置的金属杆构成，相对的两根杆连在一起。在两组极杆上分别施加极性相反的电压。电压由直流分量和交流分量迭加而成，这样在电极间形成一个对称于z轴的电场分布。离子束进入电场后，在交变电场作用下产生了振荡，在一定电场强度和频率下，只有某种质量的离子能通过电场到达检测器，其它离子由于振幅大而撞到极杆上。,GC-MS原理与结构,四级杆质量分析