GCMS原理与结构PPT

1、GCMS原理与构造,杨晓辉,GCMS的基本流路图,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。,质谱 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷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

2、同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（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。,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联用仪器的基本组成部件,GC基础知识,典型的气相色谱,气体 载气 - 用于传送样品通过整个系统的气

3、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、定量分析之用。,概念,色谱过程示意图,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。,分离是如何发生的,GC基础知识,GC基础知识,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,理论塔板数（）理论塔板高度（）,理论塔板

4、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,色谱的动力学理论速率理论 方程,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,H = A+ B/u + Cu,Van Deemter方程式,气相色谱质谱仪的基本流路图,气相色谱仪的流动相-载气,高纯氦气（纯度99.999%以上）,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,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(O

5、CI),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,歧视效应的产生,歧视:蒸溜现象 形成气溶胶 分溜现象,低沸点组分百分比偏高,进针 退针,高沸点组分残留,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,溶剂冲洗法,蒸溜和分溜减少,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

6、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2ul,SPL-无分流进样和 OCI以及PTV-无分流进样的比较(热分解现象),进样体积上限,无分流进样 (SPL,PTV) 2uL 高压进样 (SPL,PTV)5uL 直接进样（全量进样）3uL 用宽口径毛细柱 冷柱头进样（OCI） 2uL LVI-PTV 进样 空衬管10uL 衬管 + 石英棉50uL 衬管 + 填料大于 1000uL,进样口的结构,毛细柱进样口,WBI进样口,分流/不分流进样口示意图,分流比： SPL.RF1:F2,WBI进样口示意图,用于： 宽孔径毛细管柱 填充柱,载气 毛细柱,隔垫吹扫出口 分流出口,1.Co

7、lumn Sleeve/Guide (OCI-mode) 2. 玻璃衬管 （Glass Insert) (PTV-mode),OCI/PTV进样口示意图,色谱柱的介绍,色谱柱的类型,填充柱,柱材：不锈钢，玻璃 内径：2.6-3mm 长度：0.5-6m 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。,毛细柱 柱材：熔融石英、不锈钢 内径：0.2mm-0.53mm 长度：10-100m 固定相种类：OV-1，PEG-20M，OV-17等 固定相膜厚：0.2-5m,色谱柱的类型,毛细柱主要类型,Wall Coated Open Tubular,多

8、孔层开口柱,管壁涂渍开口柱,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,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）,固定相聚甲基硅氧烷,siloxane,backbone,固定相聚乙二醇,“WAX” or “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,固定相“ms” 或低流失柱,苯基基团键合入硅氧烷聚合物主链,温度稳定性更好

9、,固定液流失,100 C,270 C,300 C,300 C for 12 min,Bleed,常用固定相,Phase composition,J&W,SGE,Restek,100% dimethyl polysiloxane,DB-1,BP-1,Rtx-1,95% dimethyl- 5% diphenyl polysiloxane,DB-5,BP-5,Rtx-5,Polyethylene glycol (PEG),DB-Wax,BP-20,Stabilwax,50% dimethyl- 50% diphenyl polysiloxane,DB-17,BP-17,Rtx-17,6% cyan

10、opropylphenyl- 94% dimethyl polysiloxane,DB-624,BP-624,Rtx-624,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(15m) 对高沸点化合物 低浓度（1%5%) 低膜厚(0.250.5m),几种代表性固定液的极性(Mc Reynolds 常数),Squalane0 （非极性） PEG20M(DBWAX) 322（强极性） SE3015 FFAP 340 OV101(DB1)

11、17 PEG1000 347 SE54(DB5)33 （弱极性） EGA 372 DC55074 DEGS 484 OV17119（中极性） TCEP 593 （超强极性） BCEF 690,名称I Benzene 名称 I Benzene,内径对毛细柱分离的影响,0.22mm x 25m,膜厚对毛细柱分离的影响,毛细柱的内径、膜厚及柱容量,毛细管柱流量设定,内径,载气流入 MS 大流量 真空度差,柱内径 流量 0.25mm 1-2ml/min 0.32mm 2-4ml/min 0.53mm 10-15ml/min,各公司常用毛细柱商品名及固定液对照表,色谱柱的老化,为什么必须进行色谱柱老化？

12、 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，确定是否需要老化以及老化时间。,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,MS基础知识,MS流程图,样品,进样系统,离子源,真空系统,质量分析

13、器,检测器,数据处理,GC进样 直接进样,直接进样方式 DI,为什麽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,真空系统确保离子由离子源转移至检测器,ion,air, water etc.,高真空,低真空,为什麽MS需要高真空,压力 10-3-10-4 Pa(平均自由路径 5m-50m),排气系统,主泵,副泵,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,单泵排气系统和差动排气系统,差动排气系统更有利

14、于高流量分析,单泵排气系统,差动排气系统,高真空,Interface:GC 和 MS的连接部件,使用石墨垫圈 密封（85%Vespel+15%石墨）,加热块,接口,MS 的分类,磁质谱 飞行时间质谱 (TOF) 四极杆质谱 离子肼质谱,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,磁质量分析器,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

15、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，它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。,飞行时间质量分析器,四极杆质量分析器,四极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。,四极杆质量分析器,m/zV m：mass nu

16、mber z ：charge ( =1 in GCMS) k ：constant V :voltage applied to QP,四极杆质量分析器,离子阱质量分析器,离子阱质量分析器由环形电极和上下两个端盖电极组成，在环形电极和端盖电极之间加上高频电压，当高频电压固定为某一值时，只能使某一质荷比的离子成为肼内的稳定离子，轨道振幅保持一定，可长时间留在肼内。当在引出电极上加负电压脉冲，可将肼内的稳定离子引出，再由检测器检测。,离子阱质量分析器,QP/MS的结构,离子源,透镜,四极杆,检测器,气质联用使用的电离技术,电子轰击电离（EI） 正化学电离（PCI） 负化学电离（NCI）,72,电子轰击

17、电离（EI）,e-,e-,e-,e-,e-,样品分子,灯丝,+,+,+,+,碎片离子,QP,电子轰击电离（EI）,热电子（70eV）轰击分子，使其电离 丰富的碎片离子=丰富的结构信息 “指纹”,EI spectrum 硬酯酸甲酯 M.W. 298,反应气,灯丝,QP,CH4,CH5+ C2H5+,样品分子,H+,-CH4,M+1,-C2H4,正化学电离（PCI）,正化学电离（PCI）,首先电离反应气分子样品分子主要 由质子转移电离 容易产生准分子离子用于确定分子量,+,PCI spectrum 硬酯酸甲酯 M.W. 298,EI和 PCI的比较,EI 模式,PCI 模式,负化学电离(NCI),

18、灯丝,e-,e-,e-,e-,捕获电子形成负离子,MX+e(015eV)-MX,X: 电负性强元素,CH4,MX,CH4,+,CH3,+,H,CH4,CH4,CH4,e,MX,_,负化学电离(NCI),NCI 质谱图,六氯苯 M.W. 284,负化学电离(NCI),NCI 的优点,适合分析电负性强的元素 高灵敏度 与 GC-ECD灵敏度相当 高选择性,EI,PCI,NCI,马拉松 (MW 330),EIPCINCI 的比较,NCI-GC/MS 和 GC-ECD定量结果的比较,按 JP方法进行前处理,面积的重现性,离子源结构,电离室 透镜,电离室,永久磁铁 灯丝 靶 电子聚焦,离子化过程：样品分

19、子与电子相互作用，电子把能量给予样品。如果这个能量足够大，则化合物被活化，失去一个电子，产生一个正离子，我们称之为分子离子。电子的能量通常为70ev。如果样品分子离子含有剩余的能量，会导致离子进一步断裂，形成碎片，剩余的能量越多，生成的碎片越多。形成的中性碎片被真空泵抽走，负离子撞击到离子源的其他部件上。,透镜,排斥极：使带正电荷的离子碎片向质量分析器方向运动。排斥极位于离子化室出口对面；它的极性与离子相同。排斥极帮助离子穿过透镜。 拉出极：帮助带正电荷的离子碎片向质量分析器方向运动。拉出极的电压比排斥极负，吸引正电子向质量分析器方向运动。拉出极是一个中心带有小孔的圆片。 离子聚焦：如果没有其

20、他部件，离子穿过拉出极后会发生散射，离子聚焦部件可以帮助离子成束状进入质量分析器。离子聚焦带负电，形成一个电场，即使离子聚成束，又防止聚焦部件捕获电子。 入口透镜：位置紧挨四极杆，作用是使离子加速，并且抑制四极杆的边缘效应，防止离子外溢。,离子检测器,电子倍增管： 从质量分析器出来的离子轰击电子倍增管的阴极表面，使其发射出二次电子，再由二次电子依次轰击一系列电极，使二次电子获得不断倍增，最后由阳极接受电流，使离子束信号得到放大。,离子检测器,负离子检测器,正离子检测器,MS调谐,灵敏度调节 分辨率调节 质量数修正 相对强度修正,MS 调谐标样,PFTBA(全氟三丁胺),稳定 可挥发 碎片涵盖质量范围宽 仅有C-13和N-15同位素 无质量缺陷,PFTBA,relative m/z intensity 69 100.0 131 26.0 219 32.0 414 2.0 502 2.0 614 0.4,MS自动调谐流程,寻找质量峰 粗调EM电压和峰宽 调节离子源部件使502达到最佳