气相色谱-质谱联用

1、气相色谱-质谱联用技术 (GC-MS),内 容,概述 质谱基础 GC-MS 操作及维护,第一节 概 述,MS: 将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(m/z)大小进行分离记录的分析 方法。 早期主要用于同位素质量测定。 1942，商用质谱仪问世当前,广泛应用于有机化学、生物化学、环境科 学等领域。 GC: 1906年，俄国植物学家茨维特（M. Tswett）发明了色谱法。 20世纪50年代，商用气相色谱仪问世。石化、农残、环境等领域。,GC-MS联用技术的特点,GC 为MS提供纯的样品，省缺了MS分析前样品制备、转移等步骤，避免了样品污染、提高了定量的准确性、大大提高了分析效率。 MS作为检测

2、器，是一种通用型检测器，可获得化合物质谱图，解决了GC定性的局限性。而且MS有多种扫描方式和质量分析技术可供选择，不仅能排 除基质和杂质峰的干扰，还极大地提高了检测的灵敏度。 GC-MS 联用可获得质量、保留时间和强度三维信息。(双重定性),GC-MS联用的可行性,两者均在气态下进行。 气相色谱分析的化合物沸点范围适于质谱分析。 检测灵敏度相当，GC 分离的组分足够MS 检测所用。,GC-MS 联用的技术难点-工作压力的差异 GC 流量（压强）不应破坏质谱正常运行的真空。 * 气相色谱柱出口气体压力和质谱工作所需要的高真空相适配。 * 质谱扫描速度和色谱峰流出时间的相互适应。 * 色谱和质谱信

3、号同时检测，获得完整的色谱、质谱图。,20世纪80年代，CGC出现,GC-MS联用仪的接口,接口作用: 降低压力; 减少流量。 接口类型,分子 分离器 喷射式、渗透式、 半透膜等,喷射式分离器结构示意, 直接连接接口, 开口分流接口,GC-MS联用仪组成示意图,第二节 质 谱 基 础,划分： 依据质量分析器：低档（ 质量范围1000， 分辨率 1000） 中档（质量范围 4000， 分辨率 5000） 高档（质量范围 5000), 分辨率 10000） 依据用途： 有机质谱 无机质谱,1 、 MS 进样系统：在不降低真空度的情况下，将样品引入离子源 直接进样系统：适于高沸点、热不稳定性化合物、

4、粘稠液体或固体样品。 间歇进样系统： 适于气体及沸点不高、易于挥发的液体。 色谱进样系统：GC-MS HPLC-MS CE-MS 等,2、 离子源：使样品分子转化为离子 （1 ） 电子电离（EI ）源,Lens,Ion exit,S,N,Sample,M,电离效率与电离能量关系,优点： 离子化效率高、灵敏度高 指纹谱提供丰富结构信息 谱图重复性好，谱图库检索 缺点： 样品必须能气化 分子离子易破碎，得不到分子量信息 谱图解析复杂 只检测正离子，不检测负离子,其它离子源： 化学电离源 场致电离源 快原子轰击源 电喷雾电离源,3、 质量分析器：将离子源产生的离子按质荷比m/z进行分离 特征：只检测

5、带电粒子，测定的是离子的质荷比m/z 只检测气相离子，为控制气相离子运动轨道，必须在真空状态下工作,质量分析器,四极杆 离子阱 飞行时间 扇形场,低分辨,高分辨,1）、扇形磁质量分析器,特点： 不能解决离子能量分散问题，因此分辨率较低（5000）。 只适合于离子能量分散较小的离子源，如EI， CI。,双聚焦质量分析器,在一恒定的电压条件下，加速的离子束进入静电场，不同动能的离子具有的运动曲率半径不同，只有运动曲率半径符合的离子才能通过狭缝而进入磁分析器。换句话说，静电分析器可将离子源发散出的离子束按动能聚焦成一系列点，因而具有能量色散和方向聚焦作用。经过适当加工的极面可使磁场将具有相同m/z的

6、离子束再聚焦于一点。,特点： 分辨率可达150 000甚至更高，对于相对分子量为600的化合物可测至误差0.0002u。 在高分辨质谱领域仍占有一席之地，尤其是动态范围和可靠性使其在二恶英和兴奋剂痕量 分析中极具竞争力。 扫描速度慢，操作比较烦琐，造价昂贵。,2）、 四极杆质量分析器 单四极杆质量分析器（Single quadrupole, Q) 结构：由四根严格平行并与中心轴等间隔的圆柱形或双曲面柱状电极 构成正负两组电极，在其上施加直流和射频电压，产生一动态 电场（四极场）。 特点： GC/MS联用中最通用的一种质量分析器，性能稳定。 全扫描获得丰富信息；选择离子检测采集效率高，灵敏度高特

7、 别适合于定量分析。,II 三重四极杆质量分析器（triple quadrupole, Q-Q-Q) 结构: 特点：1 两个质量分析器在不同条件下操作，具有MS-MS功能。 2 通过子离子、母离子、中性丢失三种扫描方式，可确定各个离子的归 属，研究离子的破碎途径，用于化合物结构分析。 3 多反应选择离子检测模式（MRM)比单四极杆SIM模式信噪比更高， 检测限更低,用于定量分析。,2）、 离子阱质量分析器 20世纪80年代推出 结构: 特点：1 具有全扫描和选择性离子扫描功能，同时还具备离子储存技术，可 进行高灵敏的质谱测定和在时间上实现多极质谱（MSn)功能。 2 体积小，结构简单，价格便宜

8、，广泛应用于蛋白质组学和药物代谢分析。 3 属低（中）分辨仪器，检测限、线形范围、稳定性稍逊四极杆一筹。 4 定量分析不是强项，A 动力学范围有限； B 捕获期间，离子-分子反应；离子-离子相互作用 对定量造成不利影响。,3）、飞行时间质量分析器,离子源,U,离子检测器,飞行管,K 常数 U 电压 D 飞行距离 t 飞行时间,特点： 1 在理论上不存在质量上限,因此在高分子量(生物大分子和高分子聚合物)物质分析中 应用广泛。 2 由于可采用离子延迟引出、反射器以及快电子技术，TOF具备高分辨和高质量准 确度的性能。 3 与扫描质谱仪不同，它可平行记录所有离子，因此是最快的质量分析器。,4）、傅

9、立叶变换离子回旋共振质谱计,特点： 1 具有超高的分辨率，通过加长采集离子信号的时间,就可以实现从低分辨率到到高 分辨率的转变，且不损失灵敏度。 2 具有很高的质量准确度。一般情况下，可达（34）10-6，如使用内标物，可达1 10-6水平。 3 与离子阱质谱一样，可进行“时间串联”的多级质谱实验。 4 需采用超导磁场及高真空，硬件、软件较复杂，操作费用高，对操作者要求也高。,不同质量分析器配置和功能,、 离子检测器：接受由质量分析器分离的离子，进行离子计数并转换 成电压信号放大输出,输出的信号经计算机进行处理， 得到质谱图,高能打拿极,二次电子,光电倍增器,离子束,二次电子,闪烁晶体,反射光

10、子,电子倍增,过程： 打拿极发射出的二次电子，打到一个能发射光子的闪烁晶体上，发射出光 子，由光电倍增管及放大器放大，转换成电流被检测。,5、 真空系统,真空的度量： 压强 巴（bar)、 大气压（atm)、托（Torr) p 10-2 Torr 低真空 p =10-2 10-4Torr 中真空 p =10-4 10-7Torr 高真空 p10-8Torr 甚高真空 p10-12Torr 超高真空 质谱仪的真空要求： 10-5 10-10Torr,质谱为何需要真空 1、平均自由程 运动的气体分子，在发生相互作用之前所飞越的平均距离。,平均自由程短 平均自由程长,10-5Torr 平均自由程可达

11、5米,2、压强对离子源调谐的影响 气压达到10-1Torr或更高，灯丝发射电流会受到抑制甚至被完全截止，此时反馈信号迫使灯丝电压不断增加来提高发射电流，最终导致灯丝烧毁。 3、气体传导会引起高压放电 在离子源区域，如果气压大于10-1Torr ，就很可能引起放电，导致相关部件和高压电路板的损坏。 4、 气体对电子倍增器寿命的影响 电子倍增器的打拿极是特殊材料制成，频繁暴露大气会缩短其使用寿命，因此需要真空保护。 5、 气体形成本底干扰 气体和样品一同被电离，产生的信号会抬高基线，影响灵敏度，造成谱图识别困难，对定性、 定量都不利。,质谱的真空系统,吸油阱,进油口,油液面,排油口,定子,泵腔,1

12、0-1 - 10-2 torr,10-5 - 10-6 torr,原理： 加热炉盘将泵液（聚苯醚）加热至沸腾，蒸气沿塔式泵芯上 升，由向下倾斜的喷口以高速黏性蒸气向下喷射，其冲量传递 给气体分子，气体分子下移至底部出口被前级泵抽走。 优点： 泵中少机械移动部件，稳定可靠； 只需定期更换泵液，很少用维修；价格低。 缺点： 存在泵液返流，造成质谱污染形成本底； 会产生较大热量；忽然停电，严重返油， 污染仪器。,原理：高速旋转的叶片给气体分子以定向的速度向下运动，气体分子由底部出口被前级泵抽走。 优点： 达到真空极限的时间短；无泵油污染，谱图干净；自身保护措施，避免断电产生不 良后果。 缺点： 价格

13、昂贵；内部部件损坏将导致泵完全报废。,10-5 - 10-6 torr,6、 质谱仪的主要性能指标 1) 质量范围 质谱仪器能检测的最低和最高质量,质量范围取决于质量分析器的类型。 m/z 不是 m 质量下限高，得不到低质量端的特征离子； 质量上限低， 不能检测分子量高于质量上限的分子离子。 不同类型质量分析器的质量范围,2) 质量准确度 质量准确度是指离子质量测定的准确性。 M = M 计算- M 测量 准确度=100% 离子质量： 组成该离子所有元素的单同位素质量之和，而不是周期表中的原子质量。 35Cl=34.9689 35.453 37Cl=36.9659 CH2Cl2 12+21.0

14、087+2 34.9689=83.9534 12+21.0079+2 35.453=84.9328,M,M 测量,不同类型质量分析器质量准确度的典型值,3) 质量轴的稳定性 质量轴指质谱测定离子质量的坐标，即质量标尺。 在一定条件下、一定时间内质量标尺发生漂移的幅度，多以8h和12h 内某一质量测定值的变化来 表示。如： 0.1u/12h,4）分辨率 质谱分辨相临两个离子质量的能力。 M1和M2能被分辨，则分辨率可用公式R=M/ M 计算 实际中，两种计算方法： （1） 双峰法,（2） 单峰法(FWHM),GC/MS 联用的质谱仪器的分辨率,低分辨质谱：应用广泛，有庞大的谱库可检索，可对未知物

15、 快速鉴定。 高分辨质谱：可获得元素组成进行未知化合物的结构鉴定；可 消除复杂基质重叠峰干扰，用于定 量分析能获得更高的信噪比（S/N） 。 准确度和分辨率：分辨率高可测定化合物的准确质量,但并不意味着质量测定的准确性就 很高；分辨率低虽然只能测定化合物的整数质量，但并不意味质量 测定的准确性就低。,5）灵敏度 信噪比(S/N)： 采用一定浓度的标样，在一定操作条件下采集质谱图，选 择某一质量 离子信号峰值和某一段基线的噪音峰值，计算它们的比值(S/N)。,噪音： 电噪音： 化学噪音：载气纯度、色谱柱流失、扩散泵油蒸气、衬管污染、进样垫流失等 影响灵敏度的因素： （1） 标样的选择：硬脂酸甲酯

16、、六氯苯、八氟萘、二苯酮等。 （2）测试条件： 进样方式、进样量、色谱柱的规格、温度条件、质谱的离子化方式、 仪器调谐、扫描速度、扫描质量范围、真空度指标等。,MicrOTOF时间飞行分析器技术指标： 标准质量范围为50 3,000 m/z 扩展质量范围为50 20,000 m/z 质量分辨率 10,000 FWHM （标准模式）；micrOTOF focus 模式下为15,000 FWHM 质量准确度：应用内标法，误差为3 ppm (RMS) 应用外标法，误差为5 ppm (RMS) 数据采集率为20Hz（每秒可获取20幅完全质量范围的质谱谱图并存到硬盘） 可在正负离子模式之间切换,7、 质

17、谱常用术语及扫描方式,丰度 质荷比(m/z) 基峰 分子离子峰 同位素离子峰 碎片离子峰 重排离子峰 亚稳态离子峰,分子离子峰稳定性一般规律: 芳香烃共轭链烯脂环化合物直链烷烃 酮 胺 酯 醚 支链烷烃 醇 如分子离子峰为基峰,该化合物一般是芳烃、杂环或共轭多烯； 如分子离子峰很弱或根本就不出现，该化合物一般是醇类或支链烷烃。 N 律： 由C H O 组成的有机化合物，其分子离子峰 的质量数为偶数； 由C H O 和偶数个N组成的有机化合物，其分子离子峰 的质量数为偶数； 由C H O 和奇数个N组成的有机化合物，其分子离子峰 的质量数为奇数。 中性碎片丢失： 合理的中性碎片损失：M-1， M

18、-15， M-18， M-28 不合理的中性碎片损失： M-3 M-14， M-21 M-24,分子离子峰的判定,特殊情况： 1 部分化合物(酮、醛、胺、醚、酯等）,在EI源内压力较高时,可能出现（M+1)+， 多数情况下同时出现M+。 2 某些化合物容易形成（M-1)+, 如芳香醛(水杨醛)。 3 直的长链醇类化合物容易形成较强的（M-H2O）+, 而M+峰很弱甚至检测不到 。 4 内酯类化合物容易形成(M-CH3) +或(M-H) +峰。 当分子离子峰不出现时: 1 降低电子轰击的能量 2 更换其它离子源 3 化学衍生,分子式的确定,1 高分辨质谱仪确定分子式 CO、 C2H4、N2 28

19、 FT-ICRMS 质量误差 5*10-6 双聚焦磁质谱 质量误差 1*10-5 2 同位素比求分子式 M、 M+1、M+2,Beynon表: 500以下， C、 H、 O、 N 元素的可能组合与它们同 位素丰度 比关系，可用于推测分子离子或碎片离子的 元素组成。,常见元素同位素表,(M+2) +/ M+ 使用： 3% 不含上述四种元素; 3.4% 可能含有Si 4.4% 可能含S 33% 肯定含Cl 98% 肯定含Br 注：当化合物中C数量较多时，应考虑C贡献 如26， M+2) +/ M+ 3.9%,质谱常用扫描方式,全扫描（Scan) : 50550, 20650，检测指定范围的所有离子

20、。 总离子流色谱图（TIC） 分析未知样品，或含未知成分的样品； 谱图需检索以确定未知成分。 选择离子检测：只跳跃性检测选择的一个或几个离子，其它离子都不检测。,选择离子流色谱图（SIM）,总离子色谱图和质谱图,全扫描模式,质量色谱图 在总离子流色谱图基础上，选择提取特定质量离子（一个或几个), 其强 度与扫描时间的关系图，又称提取离子色谱图（extracted ion chromatography). 用途：利用质量色谱法搜索目标化合物，以快速鉴别化合物类型 检测色谱峰的纯度 因消除了背景干扰，故谱图简洁，信噪比更好，适于定量,全扫描模式,用途： 用于目标化合物检测和复杂混合物中杂质的定量分

21、析。 参数的设置： 1 化合物特征离子（ 分子离子、特征碎片离子或重排离子） 定量离子、辅助定量离子 2 离子扫描停留时间 3 质量窗口 0.1 特点：比全扫描模式有更高的灵敏度，因排除了干扰，峰形较好，提高了信噪比，适于定 量分析。 不用于未知物鉴定。,选择离子检测,8、 谱图检索 Library search 作为定性分析的手段，应用日益广泛。 NIST检索系统的基本功能： （1）质谱数据查询： 化合物识别码（ID）、化学文摘登记号（CAS）、化合物名称、分子 式、分子量、特征离子等信息，查阅或打印所需要的质谱图。 （2）质谱图比较： 将未知化合物质谱图和谱库中标准谱图逐一进行比较，然后按相似系数 由高到低顺序排列（概率匹配，PBM， probability-based matching)。 任意指定两张谱图进行比较，找出它们差别。,（3）谱图分析： 计算分子量、分析碎片离子、研究断裂方式等。 （4）色谱峰纯度判别： 自动判别色谱峰纯度，解叠共流出组分（Automated mass spectrometry deconvolution and identification system, AMDIS),谱图检索应注意的问题： （）相似系数的使用：90% 比较可靠 60% 可靠性较差 注：并非匹配率较高的化合物就一定是未知物，异构体、同系物和结