色谱-质谱联用技术应用课件

色谱-质谱联用

在环境分析中的应用分析测试中心臧健2015年3月色谱-质谱联用

在环境分析中的应用分析测试中心臧健1主要内容色谱与质谱1.色谱与质谱的基本知识2.色谱与质谱仪器4.应用实例3.色谱-质谱联用技术的应用主要内容色谱1.色谱与质谱的基本知识2.色谱与质谱仪器4.应21.1色谱基本知识利用混合物中各组分物理化学性质和结构上的差异，使其在两相中进行分离，检测各组分的组成和含量的方法。可对混合物进行分离、分析的仪器分析方法具分离效能高，选择性好、灵敏度高、分析速度快等优点，其与红外光谱、质谱等手段联用成为混合物解析的重要手段。1.1色谱基本知识利用混合物中各组分物理化学性质和结构上的差3色谱过程色谱过程4纸色谱法薄层色谱法高效液相色谱法液相色谱LC气相色谱GC柱层析毛细管柱色谱法填充柱色谱法色谱法分类纸色谱法薄层色谱法高效液相色谱法液相色谱气相色谱柱层析毛细管5色谱法适用范围GC：分子量低于1000，沸点低于350℃、热稳定HPLC：只需配制成溶液有机物HPLC80%GC20%色谱法适用范围GC：分子量低于1000，沸点低于350℃、热6色谱定性、定量保留时间定性峰高/峰面积定量色谱定性、定量保留时间定性71.2质谱基本知识

质谱法：分子受到能量裂解后，形成带电荷的离子，这些离子按照其质量m和电荷z的比值m/z（质荷比）大小依次排列成谱被记录下来，得到质谱（MS）。1.2质谱基本知识质谱法：分子受到能量裂解后，形8

质谱法是有机物鉴定（定性、定结构）四大工具中灵敏度最高，也是唯一可以直接确定分子式、相对分子质量的方法。历史：20世纪初，Thomson发现其原理；60年代后迅速发展。特点：应用范围广；灵敏度高，样品用量少；分析速度快；结构复杂，价格昂贵，对样品有破坏性。质谱法是有机物鉴定（定性、定结构）四大工具中灵9质谱定性、定结构

横轴表示质荷比（m/z），纵轴表示峰的强度，它以图中最强的离子峰（基峰）的峰高作为100%，而以对它的百分比来表示其他离子峰的强度。依据带电荷碎片的质荷比以及对应的相对丰度，可判断化合物种类，并进行结构推断。质谱定性、定结构横轴表示质荷比（m/z），纵10流动相进样器色谱柱检测器记录仪2.1色谱仪流动相进样器色谱柱检测器记录仪2.1色谱仪11记录仪检测器色谱柱进样器流动相色谱体系GCN2填充柱-少组分毛细管柱-多组分TCD-通用ECD-电负性物质FID-碳氢化合物FPD-含S、P物质HPLC水、有机溶剂、缓冲溶液C18、C8柱氨基柱离子交换柱等DAD-有紫外吸收RID-通用FD-荧光物质记录仪检测器色谱柱进样器流动相色谱体系GCN2填122.2质谱仪按质量分析器分类：磁质谱四级杆质谱离子肼质谱飞行时间质谱等2.2质谱仪按质量分析器分类：13质谱体系进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光

1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆

质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa

）质量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压与空气摩擦会引起放电；(3)空气会引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。质谱体系进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散1.电子轰143.色谱质谱联用技术应用良好的分离手段定性、定结构差色谱质谱纯物质定性、结构鉴定优势互补3.色谱质谱联用技术应用良好的分离手段色谱质谱纯物质优势互补153.1色谱-质谱联用仪工作原理1.构成由色谱仪-接口-质谱仪组成：对于质谱而言，色谱是其进样系统；对于色谱而言，质谱是其检测器。分析结果计算机系统质谱仪接口色谱仪

样品色-质联用仪的构成3.1色谱-质谱联用仪工作原理1.构成分析结果计算机系统质谱163.1色谱-质谱联用仪工作原理2.工作过程与色谱仪相同，只不过得到的色谱曲线为质谱信号随时间的变化曲线，其质谱信号为某一瞬间进入质谱检测器的所有选定离子或质量范围的离子数的总和。3.1色谱-质谱联用仪工作原理2.工作过程17（1）全扫描监测（fullscan）在色谱连续运行期间，对指定质量范围内的离子全部扫描并记录，得到是总离子流色谱图（TIC）。三种农药的总离子流色谱图及其质谱图TIC图1230000025000020000015000010000050000035101.Oxamyl杀线威质谱图质谱图质谱图237(M＋H)＋2.Methiocarbsulfoxide甲硫威亚砜242(M＋H)＋3.Methiocarbsulfone甲硫威砜276(M＋NH4)＋10000050000050000020000100000100150200250100150200250100150200250（1）全扫描监测（fullscan）在色谱连续运行期间18（2）选择离子扫描（SIM）指在质谱测定中，质量分析器调节为只传输一个或数个特征离子的状态，监测所选质荷比的离子流随时间的变化谱图的方法。适合监测特定的一个或多个目标物，多用于定量分析。优势：有效去除干扰，使目标物凸显出来，灵敏度大大提高。（2）选择离子扫描（SIM）指在质谱测定中，质量分析器调节为19（2）选择离子扫描（SIM）TIC图与SIM图比较8.3008.4008.5008.6008.7008.8001000005000001000005000002pg六六六（290.83）TIC图0.1pg六六六SIM图（m/z181）timem/z181（2）选择离子扫描（SIM）TIC图与SIM图比较8.30020（3）选择反应监测（SRM）是一种串联质谱技术，常在串联四级杆质谱仪（QqQ）定量分析时使用。其过程为：选定母离子，进行碰撞诱导裂解，生成子离子，选定子离子进行扫描，记录离子流。如果裂解反应不止一个或选择多个母离子及子离子，反应监测又称为多反应选择监测（MRM）特点：选择性高，排除本底干扰，适合混合物痕量组分的快速分析。（3）选择反应监测（SRM）是一种串联质谱技术，常在串联四级213.2液相色谱-质谱联用LC-MS最最关键的技术在于解决高流量的液相色谱系统和高真空的质谱仪之间的矛盾。接口3.2液相色谱-质谱联用LC-MS最最关键的技术在于解决高流223.2液相色谱-质谱联用3.2.1接口和离子化方式接口的作用：将流动相及样品气化、分离除去大量的流动相分子、完成对样品分子的电离。ESI和APCI是液-质联用仪中常用的电离源。既作为液相色谱和质谱仪之间的接口装置，同时又是质谱的电离源。

3.2液相色谱-质谱联用3.2.1接口和离子化方式23电喷雾电离源（ESI）一种大气压电离源主要用于HPLC-MS，既是接口又是质谱的电离源。ESI+离子肼质谱示意图电喷雾电离源（ESI）一种大气压电离源ESI+离子肼质谱示意24工作过程：在大气压条件下将样品溶液通过喷雾毛细管送入离子源内，在高压电场的作用下形成带电微滴。再用热干燥气吹扫使雾滴中的溶剂蒸发，雾滴体积逐步缩小，电荷密度骤增，发生库仑爆炸，最终成为去溶剂化的离子。在毛细管端盖反向电位及真空的吸引下进入毛细管到达质量分析器。毛细管CID碰撞区自HPLC柱出口喷雾气喷雾器试样离子流动相+试样离子端盖反相电压热干燥气电喷雾电离源（ESI）工作过程：在大气压条件下将样品溶液通过喷雾毛细管送入离子源内25（1）ESI适用于易在流动相中形成离子或极性较高的化合物。（2）ESI通常可以得到多电荷分子离子，大分子可以带10－100以上电荷，其质荷比大大降低，可用普通质量测定范围的质谱仪进行生物大分子分析。（3）属于软电离方式，适合测定分子量大、稳定性差的化合物，如蛋白质、肽、糖等。电喷雾电离源（ESI）特点：电喷雾电离源（ESI）特点：26大气压化学电离源（APCI）一种大气压电离源主要用于HPLC-MS，既作为接口又是质谱的电离源。工作过程：APCI喷嘴下方有一针状放电电极，其高压放电首先使空气中中性分子和溶剂电离，形成反应离子，反应离子再与试样分子发生离子-分子反应，使试样分子离子化，其余与ESI相同。大气压化学电离源大气压化学电离源（APCI）一种大气压电离源大气压化学电离源27ESI和APCI离子化方法都能够生成正离子或负离子。正离子和负离子方式下的质谱图完全不同，但可以相互补充。在正离子检测方式下，本身离子型化合物，得到的是M+；其他中性分子，容易得到准分子离子（质子加合离子），如[M+Na]+、[M+Na+CH3OH]+等。在APCI源离子化过程中，可得到较强的[M+H]+。负离子（如：[M-H]-）比正离子产生的少，但负离子扫描方式产生的噪音比正离子方式低，具有更好的专属性。ESI与APCI离子化方式ESI和APCI离子化方法都能够生成正离子或负离子。正离子和283.2.2离子肼质量分析器组成：环电极+端电极（2）特点：结构小巧、质量轻、灵敏度高，具有多级质谱功能。GC-MS、HPLC-MS均可用。离子阱质量分析器结构示意图(c)自离子源至检测器端电极环电极U＋Vcosωt(a)(b)r0z0自离子源（肼入口）至检测器（肼出口）3.2.2离子肼质量分析器组成：环电极+端电极（2）离子阱质29离子阱串接多级质谱是利用离子贮存装置运行适当的程序进行MSn实验。在同一个离子阱中，第一级质量分析用于选择一个前体离子(Precursorion)，然后，用CID方法使这一离子裂解生成产物离子(Productions)，对其进行第二级质量分析。以此类推可至MSn级质谱。离子肼-时间串联质谱离子阱串接多级质谱是利用离子贮存装置运行适当的程序进行MSn30花色苷：DAD-TIC-MS1-MS2花色苷：DAD-TIC-MS1-MS231色谱-质谱联用技术应用课件323.3.3HPLC-MS定量分析方法与普通液相色谱法相同不采用总离子色谱图，而是采用与待测组分相对应的特征离子得到的提取离子色谱图(extractedionchromatogram，EIC)或称为质量色谱图（MC）。提取离子监测方式优点：①高信噪比②高选择性利用质量色谱图分开重叠峰B(b)m/z91MC图(c)m/z136MC图(a)TIC图A3.3.3HPLC-MS定量分析方法与普通液相色谱法相同利333.3.4质谱条件的选择主要是为了改善雾化和电离状况，提高灵敏度。调节雾化气流量和干燥气流量可以达到最佳雾化条件，改变喷嘴电压和透镜电压等可以得到最佳灵敏度。

3.3.4质谱条件的选择主要是为了改善雾化和电离状况，提高343.3.5HPLC-MS特点适用的样品范围很广；但没有商品化的谱库可对比查询，准分子离子峰和加合离子峰可以给出相对分子质量信息；能够进行多级质谱分析，提供丰富的化学结构信息；样品处理简单；无需完全色谱分离，可以在短时间内完成定量。LC-MS方法适于不挥发性化合物、极性化合物、热不稳定化合物及大分子量化合物（包括蛋白、多肽、多聚物等）的分析测定。3.3.5HPLC-MS特点适用的样品范围很广；但没有商品化354.色-质联用在环境分析中的应用GB/T3838-2002《地表水环境质量标准》涉及68种有机污染物GB5749-2006《生活饮用水标准》毒理指标涉及53种有机物除多环芳烃、阿特拉津用高效液相色谱法测定外，其余均采用气相色谱及气-质联用技术测定。4.色-质联用在环境分析中的应用GB/T3838-200236GB/T5750.8-2006《水和废水监测分析》第四版采用液相色谱法测定苯并芘GB/T5750.9-2006《生活饮用水卫生规范》采用液相色谱法测定草甘膦GB/T5750.8-2006《水和废水监测分析》第四版37部分文献1.《饮用水中多组分环境激素同时测定的液质联用分析方法研究》14种环境激素与农药采用安捷伦1100-离子肼质谱部分文献1.《饮用水中多组分环境激素同时测定的液质联用分析方382.《液相色谱_质谱法测定塑料食品包装物中11种环境雌激素》赛墨菲世尔LCQFleet2.《液相色谱_质谱法测定塑料食品包装物中11种环境雌激素》393.《液相色谱_串联质谱法测定水环境中的十氯酮》对比气质与液质的差别3.《液相色谱_串联质谱法测定水环境中的十氯酮》404.《高效液相色谱_电喷雾串联质谱法检测环境水样中22种抗生素类药物》色谱-2010.54.《高效液相色谱_电喷雾串联质谱法检测环境水样中22种抗生41中心色谱仪器（一）安捷伦6890-5973气相色谱-质谱联用仪ECD及FID检测器、自动进样器质谱检测器为四级杆质量分析器，配NIST98质谱谱库中心色谱仪器（一）安捷伦6890-5973气相色谱-质谱联用42中心色谱仪器（二）安捷伦1100-trap液相-质谱联用仪DAD、FD检测器、自动进样器质谱：离子肼质量分析器Waters240液相色谱仪RID及VWD检测器中心色谱仪器（二）安捷伦1100-trap液相-质谱联用仪43色谱-质谱联用

在环境分析中的应用分析测试中心臧健2015年3月色谱-质谱联用

在环境分析中的应用分析测试中心臧健44主要内容色谱与质谱1.色谱与质谱的基本知识2.色谱与质谱仪器4.应用实例3.色谱-质谱联用技术的应用主要内容色谱1.色谱与质谱的基本知识2.色谱与质谱仪器4.应451.1色谱基本知识利用混合物中各组分物理化学性质和结构上的差异，使其在两相中进行分离，检测各组分的组成和含量的方法。可对混合物进行分离、分析的仪器分析方法具分离效能高，选择性好、灵敏度高、分析速度快等优点，其与红外光谱、质谱等手段联用成为混合物解析的重要手段。1.1色谱基本知识利用混合物中各组分物理化学性质和结构上的差46色谱过程色谱过程47纸色谱法薄层色谱法高效液相色谱法液相色谱LC气相色谱GC柱层析毛细管柱色谱法填充柱色谱法色谱法分类纸色谱法薄层色谱法高效液相色谱法液相色谱气相色谱柱层析毛细管48色谱法适用范围GC：分子量低于1000，沸点低于350℃、热稳定HPLC：只需配制成溶液有机物HPLC80%GC20%色谱法适用范围GC：分子量低于1000，沸点低于350℃、热49色谱定性、定量保留时间定性峰高/峰面积定量色谱定性、定量保留时间定性501.2质谱基本知识

质谱法：分子受到能量裂解后，形成带电荷的离子，这些离子按照其质量m和电荷z的比值m/z（质荷比）大小依次排列成谱被记录下来，得到质谱（MS）。1.2质谱基本知识质谱法：分子受到能量裂解后，形51

质谱法是有机物鉴定（定性、定结构）四大工具中灵敏度最高，也是唯一可以直接确定分子式、相对分子质量的方法。历史：20世纪初，Thomson发现其原理；60年代后迅速发展。特点：应用范围广；灵敏度高，样品用量少；分析速度快；结构复杂，价格昂贵，对样品有破坏性。质谱法是有机物鉴定（定性、定结构）四大工具中灵52质谱定性、定结构

横轴表示质荷比（m/z），纵轴表示峰的强度，它以图中最强的离子峰（基峰）的峰高作为100%，而以对它的百分比来表示其他离子峰的强度。依据带电荷碎片的质荷比以及对应的相对丰度，可判断化合物种类，并进行结构推断。质谱定性、定结构横轴表示质荷比（m/z），纵53流动相进样器色谱柱检测器记录仪2.1色谱仪流动相进样器色谱柱检测器记录仪2.1色谱仪54记录仪检测器色谱柱进样器流动相色谱体系GCN2填充柱-少组分毛细管柱-多组分TCD-通用ECD-电负性物质FID-碳氢化合物FPD-含S、P物质HPLC水、有机溶剂、缓冲溶液C18、C8柱氨基柱离子交换柱等DAD-有紫外吸收RID-通用FD-荧光物质记录仪检测器色谱柱进样器流动相色谱体系GCN2填552.2质谱仪按质量分析器分类：磁质谱四级杆质谱离子肼质谱飞行时间质谱等2.2质谱仪按质量分析器分类：56质谱体系进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光

1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆

质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa

）质量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压与空气摩擦会引起放电；(3)空气会引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。质谱体系进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散1.电子轰573.色谱质谱联用技术应用良好的分离手段定性、定结构差色谱质谱纯物质定性、结构鉴定优势互补3.色谱质谱联用技术应用良好的分离手段色谱质谱纯物质优势互补583.1色谱-质谱联用仪工作原理1.构成由色谱仪-接口-质谱仪组成：对于质谱而言，色谱是其进样系统；对于色谱而言，质谱是其检测器。分析结果计算机系统质谱仪接口色谱仪

样品色-质联用仪的构成3.1色谱-质谱联用仪工作原理1.构成分析结果计算机系统质谱593.1色谱-质谱联用仪工作原理2.工作过程与色谱仪相同，只不过得到的色谱曲线为质谱信号随时间的变化曲线，其质谱信号为某一瞬间进入质谱检测器的所有选定离子或质量范围的离子数的总和。3.1色谱-质谱联用仪工作原理2.工作过程60（1）全扫描监测（fullscan）在色谱连续运行期间，对指定质量范围内的离子全部扫描并记录，得到是总离子流色谱图（TIC）。三种农药的总离子流色谱图及其质谱图TIC图1230000025000020000015000010000050000035101.Oxamyl杀线威质谱图质谱图质谱图237(M＋H)＋2.Methiocarbsulfoxide甲硫威亚砜242(M＋H)＋3.Methiocarbsulfone甲硫威砜276(M＋NH4)＋10000050000050000020000100000100150200250100150200250100150200250（1）全扫描监测（fullscan）在色谱连续运行期间61（2）选择离子扫描（SIM）指在质谱测定中，质量分析器调节为只传输一个或数个特征离子的状态，监测所选质荷比的离子流随时间的变化谱图的方法。适合监测特定的一个或多个目标物，多用于定量分析。优势：有效去除干扰，使目标物凸显出来，灵敏度大大提高。（2）选择离子扫描（SIM）指在质谱测定中，质量分析器调节为62（2）选择离子扫描（SIM）TIC图与SIM图比较8.3008.4008.5008.6008.7008.8001000005000001000005000002pg六六六（290.83）TIC图0.1pg六六六SIM图（m/z181）timem/z181（2）选择离子扫描（SIM）TIC图与SIM图比较8.30063（3）选择反应监测（SRM）是一种串联质谱技术，常在串联四级杆质谱仪（QqQ）定量分析时使用。其过程为：选定母离子，进行碰撞诱导裂解，生成子离子，选定子离子进行扫描，记录离子流。如果裂解反应不止一个或选择多个母离子及子离子，反应监测又称为多反应选择监测（MRM）特点：选择性高，排除本底干扰，适合混合物痕量组分的快速分析。（3）选择反应监测（SRM）是一种串联质谱技术，常在串联四级643.2液相色谱-质谱联用LC-MS最最关键的技术在于解决高流量的液相色谱系统和高真空的质谱仪之间的矛盾。接口3.2液相色谱-质谱联用LC-MS最最关键的技术在于解决高流653.2液相色谱-质谱联用3.2.1接口和离子化方式接口的作用：将流动相及样品气化、分离除去大量的流动相分子、完成对样品分子的电离。ESI和APCI是液-质联用仪中常用的电离源。既作为液相色谱和质谱仪之间的接口装置，同时又是质谱的电离源。

3.2液相色谱-质谱联用3.2.1接口和离子化方式66电喷雾电离源（ESI）一种大气压电离源主要用于HPLC-MS，既是接口又是质谱的电离源。ESI+离子肼质谱示意图电喷雾电离源（ESI）一种大气压电离源ESI+离子肼质谱示意67工作过程：在大气压条件下将样品溶液通过喷雾毛细管送入离子源内，在高压电场的作用下形成带电微滴。再用热干燥气吹扫使雾滴中的溶剂蒸发，雾滴体积逐步缩小，电荷密度骤增，发生库仑爆炸，最终成为去溶剂化的离子。在毛细管端盖反向电位及真空的吸引下进入毛细管到达质量分析器。毛细管CID碰撞区自HPLC柱出口喷雾气喷雾器试样离子流动相+试样离子端盖反相电压热干燥气电喷雾电离源（ESI）工作过程：在大气压条件下将样品溶液通过喷雾毛细管送入离子源内68（1）ESI适用于易在流动相中形成离子或极性较高的化合物。（2）ESI通常可以得到多电荷分子离子，大分子可以带10－100以上电荷，其质荷比大大降低，可用普通质量测定范围的质谱仪进行生物大分子分析。（3）属于软电离方式，适合测定分子量大、稳定性差的化合物，如蛋白质、肽、糖等。电喷雾电离源（ESI）特点：电喷雾电离源（ESI）特点：69大气压化学电离源（APCI）一种大气压电离源主要用于HPLC-MS，既作为接口又是质谱的电离源。工作过程：APCI喷嘴下方有一针状放电电极，其高压放电首先使空气中中性分子和溶剂电离，形成反应离子，反应离子再与试样分子发生离子-分子反应，使试样分子离子化，其余与ESI相同。大气压化学电离源大气压化学电离源（APCI）一种大气压电离源大气压化学电离源70ESI和APCI离子化方法都能够生成正离子或负离子。正离子和负离子方式下的质谱图完全不同，但可以相互补充。在正离子检测方式下，本身离子型化合物，得到的是M+；其他中性分子，容易得到准分子离子（质子加合离子），如[M+Na]+、[M+Na+CH3OH]+等。在APCI源离子化过程中，可得到较强的[M+H]+。负离子（如：[M-H]-）比正离子产生的少，但负离子扫描方式产生的噪音比正离子方式低，具有更好的专属性。ESI与APCI离子化方式ESI和APCI离子化方法都能够生成正离子或负离子。正离子和713.2.2离子肼质量分析器组成：环电极+端电极（2）特点：结构小巧、质量轻、灵敏度高，具有多级质谱功能。GC-MS、HPLC-MS均可用。离子阱质量分析器结构示意图(c)自离子源至检测器端电极环电极U＋Vcosωt(a)(b)r0z0自离子源（肼入口）至检测器（肼出口）3.2.2离子肼质量分析器组成：环电极+端电极（2）离子阱质72离子阱串接多级质谱是利用离子贮存装置运行适当的程序进行MSn实验。在同一个离子阱中，第一级质量分析用于选择一个前体离子(Precursorion)，然后，用CID方法使这一离子裂解生成产物离子(Productions)，对其进行第二级质量分析。以此类推可至MSn级质谱。离子肼-时间串联质谱离子阱串接多级质谱是利用离子贮存装置运行适当的程序进行MSn73花色苷：DAD-TIC-MS1-MS2花色苷：DAD-TIC-MS1-MS274色谱-质谱联用技术应用课件753.3.3HPLC-MS定量分析方法与普通液相色谱法相同不采用总离子色谱图，而是采用与待测组分相对应的特征离子得到的提取离子色谱图(extractedionchromatogram，EIC)或称为质量色谱图（MC）。提取离子监测方式优点：①高信噪比②高选择性利用质量色谱图分开重叠峰B(b)m/z91MC图(c)m/z