GCMS氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀精編版課件

1、GC-MS 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀Gas Chromatography-Mass Spectrometer第1頁(yè)，共46頁(yè)。1.什么是GC-MS？ 它一種結(jié)合氣相色譜和質(zhì)譜的特性，在試樣中鑒別不同物質(zhì)的方法。2.GC-MS的優(yōu)點(diǎn)是什么？ 氣質(zhì)聯(lián)用的有效結(jié)合既充分利用色譜的分離能力，又發(fā)揮了質(zhì)譜的定性專(zhuān)長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，結(jié)合譜庫(kù)檢索，可以得到較滿(mǎn)意的分離機(jī)鑒定結(jié)果。第2頁(yè)，共46頁(yè)。3.GS-MS的基本流路圖第3頁(yè)，共46頁(yè)。GC基礎(chǔ)知識(shí)第4頁(yè)，共46頁(yè)。1.什么是GC？ 氣相色譜（GC）是一種把混合物分離成單個(gè)組分的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。它被用來(lái)對(duì)樣品組分進(jìn)行鑒定和定量測(cè)定。 氣相色譜（GC）是基于時(shí)間差別的分

2、離技術(shù)。將氣化的混合物或氣體通入含有某種物質(zhì)的管，基于管中物質(zhì)對(duì)不同化合物的保留性能不同而得到分離。這就是基于時(shí)間的差別對(duì)化合物進(jìn)行分離。樣品經(jīng)過(guò)檢測(cè)器后，被記錄的就是色譜圖，每一個(gè)峰代表最初混合樣品中的不同的組分。第5頁(yè)，共46頁(yè)。 典型色譜圖 峰出現(xiàn)的時(shí)間稱(chēng)為保留時(shí)間，可以用來(lái)對(duì)每個(gè)組分進(jìn)行定性，而峰的大小（峰高或峰面積）則是組分含量大小的度量。第6頁(yè)，共46頁(yè)。2.系統(tǒng)一個(gè)氣相色譜系統(tǒng)包括：可控而純凈的載氣源，它能將樣品帶入GC系統(tǒng)進(jìn)樣口，它同時(shí)還作為液體樣品的氣化室色譜柱，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間的分離檢測(cè)器，當(dāng)組分通過(guò)時(shí)，檢測(cè)器電信號(hào)的輸出值改變，從而對(duì)某種組分做出響應(yīng)某種數(shù)據(jù)處理裝置 如下圖所示

3、：第7頁(yè)，共46頁(yè)。 色譜系統(tǒng)氣源：載氣必須是純凈的。污染物可能與樣品或色譜柱反應(yīng)，產(chǎn)生假峰，進(jìn)入檢測(cè)器使基線噪音增大等。載氣的氣體其種類(lèi)較多，如：氮、氦、氫、氬等。目前國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用最多的是氮?dú)夂蜌錃?。?頁(yè)，共46頁(yè)。進(jìn)樣口：將揮發(fā)后的樣品引入載氣流。最常用的進(jìn)樣裝置是注射進(jìn)樣口和進(jìn)樣閥。圖3 注射進(jìn)樣口注射進(jìn)樣口用于氣體和液體進(jìn)樣。常用來(lái)加熱是液體樣品蒸發(fā)。用氣體或液體注射器穿透隔墊將樣品注入載氣流。第9頁(yè)，共46頁(yè)。圖4 進(jìn)樣閥 樣品從機(jī)械控制的定量管被掃入載氣流。因?yàn)檫M(jìn)樣量通常差別很大，所以對(duì)氣體和液體樣品采用不同的進(jìn)樣閥。第10頁(yè)，共46頁(yè)。色譜柱 分離就在色譜柱中進(jìn)行。在測(cè)定樣品時(shí)

4、可以選擇不同的色譜柱，所以用一臺(tái)儀器就能夠進(jìn)行許多不同的分析。圖5 色譜柱和柱箱因?yàn)榇蠖鄶?shù)分離都強(qiáng)烈依賴(lài)溫度，故色譜柱要安裝在能夠精密控溫的柱箱內(nèi)。第11頁(yè)，共46頁(yè)。檢測(cè)器 從色譜柱里出來(lái)的含有分離組分的載氣流通過(guò)檢測(cè)器而產(chǎn)生電信號(hào)。檢測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后成為色譜圖。 檢測(cè)器第12頁(yè)，共46頁(yè)。3.組分分離分離混合物起主要作用的是色譜柱，而色譜柱的選擇取決于混合物的性質(zhì)和所需獲得的信息（分析目的）。那么色譜柱如何對(duì)化合物進(jìn)行分離的？ 如一段含有兩個(gè)樣品組分的（彩色的圓點(diǎn)）的色譜柱的橫截面。其中的色譜柱是空柱，它是既沒(méi)有填料，也沒(méi)有涂層。 未經(jīng)涂層的色譜柱第13頁(yè)，共46頁(yè)。幾秒鐘后，色譜

5、柱中的情況發(fā)生了改變由于載氣流的帶動(dòng)，樣品向柱的右端移動(dòng)。并且由于樣品區(qū)域和周?chē)d氣中樣品濃度的不同而使得樣品區(qū)域帶展寬。樣品組分仍是混合在一起的。 幾秒鐘后第14頁(yè)，共46頁(yè)。如果我們?cè)谥拥膬?nèi)表面加上一種涂層，假設(shè)這種涂層能夠溶解藍(lán)色圓點(diǎn)組分而不能溶解黃色圓點(diǎn)組分的固定液。幾秒后再觀察色譜柱： 涂層色譜柱 幾秒鐘后第15頁(yè)，共46頁(yè)。因?yàn)辄S色組分和涂層之間沒(méi)有作用。它隨載氣一同流過(guò)色譜柱并首先從色譜柱中流出。藍(lán)色組分在固定液和載氣之間進(jìn)行分配。它以較慢的速度流過(guò)色譜柱而后流出色譜柱。色譜柱類(lèi)型毛細(xì)管柱：毛細(xì)管柱是將固定相涂在管內(nèi)壁的開(kāi)口管，其中沒(méi)有填充物。毛細(xì)管柱的內(nèi)徑從0.1到0.5毫米

6、。典型的柱長(zhǎng)是30米。材料：熔融石英、不銹鋼第16頁(yè)，共46頁(yè)。 毛細(xì)管柱填充柱 在填充層內(nèi)，固定液被涂在粒度均勻的載體顆粒上以增大表面積，減少涂層厚度。涂好的填料被填充在金屬，玻璃，或塑料管內(nèi)。材料：不銹鋼、玻璃載體：玻璃、石英石、硅藻土等第17頁(yè)，共46頁(yè)。 填充柱選擇毛細(xì)管柱還是填充柱？*氣體分析通常用填充柱完成。填充柱有足夠的柱容量來(lái)適應(yīng)較大體積的氣體進(jìn)樣量。氣體樣品分析常用的填料包括：第18頁(yè)，共46頁(yè)。分子篩氧氣，氮?dú)猓瑲錃?，二氧化碳，一氧化碳，甲烷等。氧化鋁丙烷或更大分子量的化合物多孔性聚合物微球乙烷，丁烷，二氧化碳等。*毛細(xì)管柱有比填充柱更高的分離度。即使選擇低一些，通常也能實(shí)

7、現(xiàn)足夠的分離。*一根毛細(xì)管柱能夠完成多種分析，而填充柱則可能需要多跟才能完成*對(duì)毛細(xì)管柱和填充柱都適用的固定液有：甲基硅烷，苯基甲基硅烷，聚乙二醇第19頁(yè)，共46頁(yè)。MS 基礎(chǔ)知識(shí)第20頁(yè)，共46頁(yè)。1.什么是MS？質(zhì)譜分析是一種測(cè)量離子質(zhì)荷比（質(zhì)量-電荷比）的分析方法，其基本原理是使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶電荷的離子，經(jīng)加速電場(chǎng)的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。簡(jiǎn)單的說(shuō)，質(zhì)譜就是稱(chēng)量離子的工具。第21頁(yè)，共46頁(yè)。2.MS流程圖第22頁(yè)，共46頁(yè)。離子源在GC-MS中

8、一般采用的是EI和CI離子源。EI：電子電離源，最常用的氣相電離源，有標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)。 第23頁(yè)，共46頁(yè)。分子受到電子（70eV）轟擊，在較低能量的化學(xué)鍵處發(fā)生斷裂第24頁(yè)，共46頁(yè)。CI:化學(xué)電離源,可獲得準(zhǔn)分子離子具體過(guò)程是在系統(tǒng)抽真空之后，先充入大量甲烷氣體（1001000Pa），與少量樣品分子混合，電子束與甲烷氣體作用幾率大，得到的穩(wěn)定的烷類(lèi)離子產(chǎn)物（CH5+，C2H5+），但能量較低，與樣品分子結(jié)合后，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)即可得到樣品離子。第25頁(yè)，共46頁(yè)。第26頁(yè)，共46頁(yè)。質(zhì)量分析器磁質(zhì)量分析器四級(jí)桿質(zhì)量分析器飛行時(shí)間質(zhì)量分析器第27頁(yè)，共46頁(yè)。磁質(zhì)量分析器 磁質(zhì)量分析器是根據(jù)離子束在

9、一定場(chǎng)強(qiáng)的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)的曲率半徑Rm與離子的質(zhì)荷比m/z和加速電壓V有關(guān)，當(dāng)加速電壓固定時(shí)，不同質(zhì)荷比的離子的曲率半徑不同，于是不同質(zhì)荷比的離子在空間有不同的位置，得到了空間位置上的分離。第28頁(yè)，共46頁(yè)。磁質(zhì)量分析器第29頁(yè)，共46頁(yè)。飛行時(shí)間質(zhì)量分析器 飛行時(shí)間質(zhì)量分析器是一個(gè)長(zhǎng)度一定的無(wú)場(chǎng)空間，離子經(jīng)加速電壓加速而進(jìn)入分析器時(shí)，由于不同質(zhì)量的離子飛行速度不同，他們飛過(guò)一定距離所需的時(shí)間也不同，質(zhì)量小的離子飛行速度快先到達(dá)檢測(cè)器，質(zhì)量大的飛行速度慢后到達(dá)檢測(cè)器，因而可獲得質(zhì)量分離。第30頁(yè)，共46頁(yè)。飛行時(shí)間質(zhì)量分析器第31頁(yè)，共46頁(yè)。四級(jí)桿質(zhì)量分析器 四極桿質(zhì)量分析器由4根平

10、行的圓柱形電極組成，電極分為兩組，分別加上一個(gè)直流電壓和一個(gè)射頻交流電壓。當(dāng)離子由電極間軸線方向進(jìn)入電場(chǎng)后，會(huì)在極性相反的電極間產(chǎn)生振蕩。只有質(zhì)荷比在一定范圍的離子，才可以圍繞電極間軸線作有限振幅的穩(wěn)定震蕩運(yùn)動(dòng)，并到達(dá)接收器。只要有規(guī)律地改變所加電壓或頻率，就可使不同質(zhì)荷比的離子依次到達(dá)檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)分離的目的。四極桿質(zhì)量分析器的優(yōu)點(diǎn)是具有經(jīng)典的質(zhì)譜圖，再現(xiàn)性好，掃描速度快，離子流通量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，因此應(yīng)用較廣；其缺點(diǎn)是對(duì)高質(zhì)量數(shù)離子有質(zhì)量歧視效應(yīng)，分辨率較低，適用的質(zhì)量范圍也較小。第32頁(yè)，共46頁(yè)。四級(jí)桿質(zhì)量分析器第33頁(yè)，共46頁(yè)。為什么MS需要高真空提供足夠的平均自由程提供無(wú)碰撞

11、的離子軌道減少離子-分子反應(yīng)減少背景干擾延長(zhǎng)燈絲壽命消除放電增加靈敏度第34頁(yè)，共46頁(yè)。真空系統(tǒng)確保離子由離子源轉(zhuǎn)移至檢測(cè)器第35頁(yè)，共46頁(yè)。GC-MS原理與結(jié)構(gòu) 氣相色譜分離樣品的各個(gè)組分，起樣品制備的作用，接口把氣相色譜流出的各個(gè)組分送入質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)，質(zhì)譜儀對(duì)接口引入的各個(gè)組分進(jìn)行分析，成為氣相色譜的檢測(cè)器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制色譜儀、接口、質(zhì)譜儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。第36頁(yè)，共46頁(yè)。實(shí)例1.用GC-MS對(duì)氫氧化鈉和氫氧化鉀催化酯交換反應(yīng)制備生物柴油的定性分析氫氧化鈉催化制備生物柴油GCMS圖譜第37頁(yè)，共46頁(yè)。氫氧化鈉制備生物柴油的組分分析第38頁(yè)，共46頁(yè)。氫氧化鉀催化制備生物柴

12、油GCMS圖譜第39頁(yè)，共46頁(yè)。氫氧化鉀制備生物柴油的組分分析第40頁(yè)，共46頁(yè)。對(duì)在反應(yīng)溫度為60,醇油比為6:1,氫氧化鈉用量為0.5%（油質(zhì)量的0.5%）條件下反應(yīng)2h生成的生物柴油進(jìn)行一分析,根據(jù)出峰時(shí)間,圖中出現(xiàn)的四個(gè)峰依次為棕櫚酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯。在反應(yīng)溫度為60,醇油比為6:1,氫氧化鉀用量為0.5%（油質(zhì)量的0.5%）條件下反應(yīng)1h生成的生物柴油進(jìn)行一分析,根據(jù)出峰時(shí)間,圖中出現(xiàn)的四個(gè)主要峰依次為為棕櫚酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯。除此之外,還有少量的花生酸甲酯和二十二酸甲酯等?？梢钥闯?兩種強(qiáng)堿催化劑制備的生物柴油成分及相對(duì)含量基本一致。第

13、41頁(yè)，共46頁(yè)。1.GC-MS的缺點(diǎn)GC-MS的不足在于：分析對(duì)象限于在300左右及以下可以汽化、并且能離子化的樣品；在加熱過(guò)程中易分解的、極性太強(qiáng)的化合物，如有機(jī)酸類(lèi)等，則需要進(jìn)行酯化衍生處理才可進(jìn)行GC-MS分析，如果樣品不能汽化也不能酯化則需采取LC-MS或其他方法分析；GC-MS分析樣品應(yīng)是有機(jī)溶液。另外，目前質(zhì)譜還有個(gè)一個(gè)很重要的不足是對(duì)很多異構(gòu)體（尤其是位置異構(gòu)）無(wú)法分辨。第42頁(yè)，共46頁(yè)。2.四級(jí)桿質(zhì)量分析器 四極桿質(zhì)量分析器由4根平行的圓柱形電極組成，電極分為兩組，分別加上一個(gè)直流電壓和一個(gè)射頻交流電壓。當(dāng)離子由電極間軸線方向進(jìn)入電場(chǎng)后，會(huì)在極性相反的電極間產(chǎn)生振蕩。只有質(zhì)

14、荷比在一定范圍的離子，才可以圍繞電極間軸線作有限振幅的穩(wěn)定震蕩運(yùn)動(dòng)，并到達(dá)接收器。只要有規(guī)律地改變所加電壓或頻率，就可使不同質(zhì)荷比的離子依次到達(dá)檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)分離的目的。四極桿質(zhì)量分析器的優(yōu)點(diǎn)是具有經(jīng)典的質(zhì)譜圖，再現(xiàn)性好，掃描速度快，離子流通量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，因此應(yīng)用較廣；其缺點(diǎn)是對(duì)高質(zhì)量數(shù)離子有質(zhì)量歧視效應(yīng)，分辨率較低，適用的質(zhì)量范圍也較小。第43頁(yè)，共46頁(yè)。相對(duì)兩根電極間加有電壓（Vdc+Vrf),另外兩根電極間加有-（Vdc+Vrf)。Vdc 為直流電壓，Vrf為射頻電壓。在保持Vdc/Vrf不變的情況下改變Vrf值，對(duì)應(yīng)于一個(gè)Vrf值，四極場(chǎng)只允許一種質(zhì)荷比的離子通過(guò)，其余離子則振幅不斷增大，最后碰到四極桿而被吸收。通過(guò)四極桿的離子到達(dá)檢測(cè)器被檢測(cè)。改變Vrf值,可以使另外質(zhì)荷比的離子順序通過(guò)四極場(chǎng)實(shí) 現(xiàn)質(zhì)量掃描。設(shè)置掃描范圍實(shí)際上是設(shè)置Vrf值的變化范圍。當(dāng)Vrf值由一個(gè)值變化到另一個(gè)值時(shí),檢測(cè)器檢測(cè)到的離子就會(huì)從m1變化到m2，也即得到m1到m2的質(zhì)譜。第44頁(yè)，共46頁(yè)。3.關(guān)于GC與MS的接口問(wèn)題1.直接導(dǎo)入型接口內(nèi)徑在0.25至0.32mm的毛細(xì)管色譜往的載氣流量在12mlmin。這些柱通過(guò)一根金屬毛細(xì)管直接引入質(zhì)譜儀的離于源）這種接口方式是迄今為止最常用的一種技術(shù)。2.開(kāi)口分流型接口色譜柱洗脫物的一部分被送入質(zhì)譜儀，這樣的接口稱(chēng)為分流型接口