2023學(xué)年完整公開(kāi)課版GCMS原理與結(jié)構(gòu)

GCMS原理與構(gòu)造楊曉輝GCMS的基本流路圖GC接口MS數(shù)據(jù)處理真空系統(tǒng)氣相色譜氣相色譜的流動(dòng)相為惰性氣體，氣-固色譜法中以表面積大且具有一定活性的吸附劑作為固定相。當(dāng)多組分的混合樣品進(jìn)入色譜柱后，由于吸附劑對(duì)每個(gè)組分的吸附力不同，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，各組分在色譜柱中的運(yùn)行速度也就不同。吸附力弱的組分容易被解吸下來(lái)，最先離開(kāi)色譜柱進(jìn)入檢測(cè)器，而吸附力最強(qiáng)的組分最不容易被解吸下來(lái)，因此最后離開(kāi)色譜柱。如此，各組分得以在色譜柱中彼此分離，順序進(jìn)入檢測(cè)器中被檢測(cè)、記錄下來(lái)。質(zhì)譜質(zhì)譜分析法是通過(guò)對(duì)被測(cè)樣品離子的質(zhì)荷比的測(cè)定來(lái)進(jìn)行分析的一種分析方法。被分析的樣品首先要離子化，然后利用不同離子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)行為的不同，把離子按質(zhì)荷比（m/z）分開(kāi)而得到質(zhì)譜，通過(guò)樣品的質(zhì)譜和相關(guān)信息，可以得到樣品的定性定量結(jié)果。氣質(zhì)聯(lián)用（GC/MS）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)譜的定性專長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，結(jié)合譜庫(kù)檢索，可以得到較滿意的分離機(jī)鑒定結(jié)果。

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。GC/MS

聯(lián)用儀器的基本組成部件

GC基礎(chǔ)知識(shí)典型的氣相色譜氣體載氣--用于傳送樣品通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的氣體。檢測(cè)器氣體--某些檢測(cè)器所需的支持氣體,如FID.樣品引入將樣品蒸汽引入載氣的過(guò)程。該過(guò)程應(yīng)對(duì)樣品蒸汽有最小影響。色譜柱實(shí)現(xiàn)樣品組分的分離。檢測(cè)器對(duì)流出柱的樣品組分進(jìn)行識(shí)別和響應(yīng)。數(shù)據(jù)采集將檢測(cè)器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為色譜圖，以備手動(dòng)或自動(dòng)定性、定量分析之用。概念色譜過(guò)程示意圖色譜是一種分離方法，物質(zhì)在流動(dòng)相和固定相之間進(jìn)行分配。由于各種物質(zhì)在固定相中的保留能力不同而形成不同的流出時(shí)間以達(dá)到分離。氣固色譜(GSC)(GLC)流動(dòng)相固定相氣態(tài)固態(tài)氣液色譜氣態(tài)液態(tài)分離是如何發(fā)生的GC基礎(chǔ)知識(shí)GC基礎(chǔ)知識(shí)色譜的熱力學(xué)理論--塔板理論理論塔板數(shù)N=5.545(tR/WH/2)=L/HETPHH/2WH/2開(kāi)始tR理論塔板數(shù)（Ｎ）理論塔板高度（Ｈ）理論塔板數(shù)N

表示柱效的參數(shù)

N越大，柱效越高理論塔板高度(HETP)

表示柱效的參數(shù)（與柱長(zhǎng)無(wú)關(guān)）

H越小，柱效越高色譜的動(dòng)力學(xué)理論—速率理論

ＶａｎＤｅｅｍｔｅｒ方程

A：渦流擴(kuò)散項(xiàng)（多途徑造成）B：縱向擴(kuò)散項(xiàng)C:傳質(zhì)阻力項(xiàng)

u：載氣線速度H=A+B/u+CuVanDeemter方程式填充柱毛細(xì)柱氣相色譜質(zhì)譜儀的基本流路圖鋼瓶He載氣控制進(jìn)樣口色譜柱

MS數(shù)據(jù)處理機(jī)氣相色譜儀的流動(dòng)相----載氣高純氦氣（純度99.999%以上）氣相色譜的進(jìn)樣方式WBI進(jìn)樣口毛細(xì)柱分流/無(wú)分流進(jìn)樣口冷柱頭進(jìn)樣PTV進(jìn)樣口熱進(jìn)樣和冷進(jìn)樣熱進(jìn)樣分流/無(wú)分流進(jìn)樣(SPL)直接進(jìn)樣（WBI）寬口毛細(xì)柱和填充柱冷進(jìn)樣PTV進(jìn)樣冷柱頭進(jìn)樣(OCI)歧視效應(yīng)和熱分解

熱進(jìn)樣(SPL,WBI)存在歧視現(xiàn)象和樣品熱分解冷進(jìn)樣(OCI,PTV)進(jìn)樣是在較低溫度下進(jìn)行定量精度高

歧視效應(yīng)和熱解效應(yīng)的影響小歧視效應(yīng)的產(chǎn)生歧視: 蒸溜現(xiàn)象 形成氣溶膠 分溜現(xiàn)象 低沸點(diǎn)組分百分比偏高

進(jìn)針退針高沸點(diǎn)組分殘留減小熱進(jìn)樣歧視現(xiàn)象的方法快速進(jìn)樣法溶劑沖洗法熱針?lè)ㄈ軇_洗法蒸溜和分溜減少溶劑空氣樣品空氣(%)0.51.02.03.04.0(uL)5251504948n-C4n-C9冷進(jìn)樣概念樣品是在冷狀態(tài)--低于樣品沸點(diǎn)的溫度下進(jìn)樣(依據(jù)溶劑)氣化室快速升溫使樣品氣化PTV進(jìn)樣方式分流進(jìn)樣(高濃度樣)無(wú)分流進(jìn)樣(低濃度樣)大體積進(jìn)樣—LVI(痕量分析)OCI柱頭進(jìn)樣只適用于0.53內(nèi)徑的柱子無(wú)分流流路，不能分析高濃度樣品（污染柱子），進(jìn)樣量一般小于2ulSPL-無(wú)分流進(jìn)樣和OCI以及

PTV-無(wú)分流進(jìn)樣的比較(熱分解現(xiàn)象)氨基甲酸鹽農(nóng)藥的熱解現(xiàn)象Splitless-SPLCool-on-columnSplitless-PTV進(jìn)樣體積上限無(wú)分流進(jìn)樣(SPL,PTV) 2uL高壓進(jìn)樣(SPL,PTV)

5uL直接進(jìn)樣（全量進(jìn)樣） 3uL

用寬口徑毛細(xì)柱冷柱頭進(jìn)樣（OCI）

2uLLVI-PTV進(jìn)樣空襯管 10uL襯管+石英棉

50uL襯管+填料

大于 1000uL

進(jìn)樣口的結(jié)構(gòu)WBI進(jìn)樣口毛細(xì)柱進(jìn)樣口隔墊吹掃出口分流出口載氣玻璃襯管F2F1隔墊吹掃出口載氣玻璃襯管填充柱分流/不分流進(jìn)樣口示意圖分流比：SPL.R＝F1:F2F1F2WBI進(jìn)樣口示意圖用于：寬孔徑毛細(xì)管柱填充柱載氣毛細(xì)柱隔墊吹掃出口分流出口1.

ColumnSleeve/Guide (OCI-mode)2.

玻璃襯管

（GlassInsert) (PTV-mode)OCI/PTV進(jìn)樣口示意圖色譜柱的介紹色譜柱的類型填充柱柱材：不銹鋼，玻璃內(nèi)徑：2.6--3mm長(zhǎng)度：0.5--6m填料：擔(dān)體和固定液的種類

固定液的濃度1-30% 擔(dān)體有硅藻土、玻璃、 石英、塑料擔(dān)體（TPA） 等。

毛細(xì)柱柱材：熔融石英、不銹鋼內(nèi)徑：0.2mm--0.53mm長(zhǎng)度：10--100m固定相種類：OV-1，PEG- 20M，OV-17等固定相膜厚：0.2--5μm

色譜柱的類型毛細(xì)柱主要類型PorousLayerOpenTubularWallCoatedOpenTubularPackedCapillary多孔層開(kāi)口柱管壁涂漬開(kāi)口柱毛細(xì)管柱管材熔融石英–合成高純石英外表面涂覆聚酰亞胺內(nèi)表面經(jīng)化學(xué)處理不銹鋼用于高溫分析最不易斷裂內(nèi)表面經(jīng)特殊處理固定相大多數(shù)固定相為聚合物聚硅氧烷（Polysiloxanes,silicones）聚乙二醇（Polyethyleneglycols,PEG）固定相－聚甲基硅氧烷siloxanebackbone固定相－聚乙二醇“WAX”or“FFAP”

類固定液例如：DB-WAX,DB-FFAP溫度穩(wěn)定性比聚硅氧烷類差，最高使用溫度低于聚硅氧烷類固定液固定相－“ms”

或低流失柱苯基基團(tuán)鍵合入硅氧烷聚合物主鏈DB-5msRtx-5msBPX-5e.g.溫度穩(wěn)定性更好固定液流失021868101214164202224100°C270°C300°C300°Cfor12minBleed常用固定相PhasecompositionJ&WSGERestek100%dimethylpolysiloxaneDB-1BP-1Rtx-195%dimethyl-5%diphenylpolysiloxaneDB-5BP-5Rtx-5Polyethyleneglycol(PEG)DB-WaxBP-20Stabilwax50%dimethyl-50%diphenylpolysiloxaneDB-17BP-17Rtx-176%cyanopropylphenyl-94%dimethylpolysiloxaneDB-624BP-624Rtx-624色譜柱的選擇固定液極性的選擇（按相似相溶原則）

非極性固定液------有按沸點(diǎn)順序溶出傾向 極性固定液------沸點(diǎn)相同時(shí)，按極性由小到大 的順序溶出固定液的濃度或毛細(xì)管柱的膜厚

對(duì)低沸點(diǎn)化合物 高濃度（10%～30%) 高膜厚(1～5μm)

對(duì)高沸點(diǎn)化合物 低濃度（1%～5%) 低膜厚(0.25～0.5μm)幾種代表性固定液的極性

(McReynolds常數(shù))Squalane 0（非極性）

PEG20M(DBWAX)322（強(qiáng)極性）SE30 15 FFAP 340OV101(DB1) 17 PEG1000 347SE54(DB5) 33（弱極性）

EGA 372DC550 74 DEGS 484OV17 119（中極性）

TCEP 593（超強(qiáng)極性）

BCEF 690名稱 △IBenzene

名稱 △IBenzene內(nèi)徑對(duì)毛細(xì)柱分離的影響0.22mmx25m膜厚對(duì)毛細(xì)柱分離的影響CBP1-W25-100膜厚1umCBP1-W25-500膜厚5um毛細(xì)柱的內(nèi)徑、膜厚及柱容量?jī)?nèi)徑膜厚柱容量毛細(xì)管柱流量設(shè)定內(nèi)徑載氣流入

MS大流量

真空度差柱內(nèi)徑

流量

0.25mm1-2ml/min0.32mm2-4ml/min0.53mm10-15ml/min

各公司常用毛細(xì)柱商品名及固定液對(duì)照表色譜柱的老化為什么必須進(jìn)行色譜柱老化？

新色譜柱含有溶劑和高沸點(diǎn)物質(zhì)，所以基線不穩(wěn)，出現(xiàn)鬼峰和噪聲；舊柱長(zhǎng)時(shí)間未用，也存在同樣問(wèn)題。一般采用升溫老化，即從室溫程序升溫到最高溫度，并在高溫段保持?jǐn)?shù)小時(shí)。

新柱老化時(shí)，最好不要連接檢測(cè)器。每天都要進(jìn)行老化嗎？

視儀器基線情況，確定是否需要老化以及老化時(shí)間。色譜柱分離效率評(píng)價(jià)色譜柱效率：峰尖

評(píng)價(jià)：理論板高(HETP)、理論塔板數(shù)(N)

對(duì)策：將VanDeemter各因素優(yōu)化選擇性：峰的分離度 評(píng)價(jià)：分離因子或分離度 對(duì)策：選擇極性相當(dāng)?shù)墓潭ㄏ喾宓膶?duì)稱性：吸附現(xiàn)象 評(píng)價(jià)：拖尾因子 對(duì)策：色譜柱進(jìn)一步老化

MS基礎(chǔ)知識(shí)MS流程圖樣品進(jìn)樣系統(tǒng)離子源真空系統(tǒng)質(zhì)量分析器檢測(cè)器數(shù)據(jù)處理GC進(jìn)樣

直接進(jìn)樣直接進(jìn)樣方式

DI為什麼MS需要高真空提供足夠的平均自由程提供無(wú)碰撞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為什麼MS需要高真空真空系統(tǒng)確保離子由離子源轉(zhuǎn)移至檢測(cè)器++ionair,wateretc.高真空低真空排氣系統(tǒng)

壓力

10-3-10-4Pa(平均自由路徑

5m-50m)

IonsourceLenssystemRodsystemDetector主泵副泵真空泵

(主泵)

渦輪分子泵（Turbomolecularpump）旋轉(zhuǎn)葉片使氣體分子向下移動(dòng)并由出口排出干凈真空啟動(dòng)和關(guān)機(jī)時(shí)間短價(jià)格昂貴

單泵排氣系統(tǒng)和差動(dòng)排氣系統(tǒng)

差動(dòng)排氣系統(tǒng)更有利于高流量分析單泵排氣系統(tǒng)差動(dòng)排氣系統(tǒng)高真空接口

Interface:GC和

MS的連接部件接口色譜柱MS高真空使用石墨墊圈

密封（85%Vespel+15%石墨）加熱塊MS的分類磁質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜

(TOF)四極桿質(zhì)譜離子肼質(zhì)譜磁質(zhì)量分析器磁質(zhì)量分析器是根據(jù)離子束在一定場(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。

m/z=kRm2B2/VB:磁場(chǎng)強(qiáng)度磁質(zhì)量分析器飛行時(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，它們飛過(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。飛行時(shí)間質(zhì)量分析器++LVtDetectorDrifttubeExtractiongridSample++四極桿質(zhì)量分析器四極桿質(zhì)量分析器由四根相互平行并均勻安置的金屬桿構(gòu)成，相對(duì)的兩根桿連在一起。在兩組極桿上分別施加極性相反的電壓。電壓由直流分量和交流分量迭加而成，這樣在電極間形成一個(gè)對(duì)稱于z軸的電場(chǎng)分布。離子束進(jìn)入電場(chǎng)后，在交變電場(chǎng)作用下產(chǎn)生了振蕩，在一定電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率下，只有某種質(zhì)量的離子能通過(guò)電場(chǎng)到達(dá)檢測(cè)器，其它離子由于振幅大而撞到極桿上。四極桿質(zhì)量分析器m1+m2+m3+m1+m1/z=kV1m2/z=kV2m3/z=KV3m2+m3+Ｖ1Ｖ1m/z＝ｋ?Vm：massnumber z：charge(=1inGCMS)k：constantV:voltageappliedtoQP 四極桿質(zhì)量分析器離子阱質(zhì)量分析器離子阱質(zhì)量分析器由環(huán)形電極和上下兩個(gè)端蓋電極組成，在環(huán)形電極和端蓋電極之間加上高頻電壓，當(dāng)高頻電壓固定為某一值時(shí)，只能使某一質(zhì)荷比的離子成為肼內(nèi)的穩(wěn)定離子，軌道振幅保持一定，可長(zhǎng)時(shí)間留在肼內(nèi)。當(dāng)在引出電極上加負(fù)電壓脈沖，可將肼內(nèi)的穩(wěn)定離子引出，再由檢測(cè)器檢測(cè)。離子阱質(zhì)量分析器QP/MS的結(jié)構(gòu)

離子源透鏡四極桿檢測(cè)器氣質(zhì)聯(lián)用使用的電離技術(shù)

電子轟擊電離（EI）

正化學(xué)電離（PCI）

負(fù)化學(xué)電離（NCI）電子轟擊電離（EI）e-e-e-e-e-樣品分子燈絲++++碎片離子QP電子轟擊電離（EI）熱電子（70eV）轟擊分子，使其電離豐富的碎片離子=豐富的結(jié)構(gòu)信息

“指紋”俵e-ˉ

Mm1m3m2EIspectrum硬酯酸甲酯

M.W.298反應(yīng)氣燈絲e-e-e-e-e-QPCH4

CH5+C2H5+樣品分子H+-CH4[M+1]-C2H4正化學(xué)電離（PCI）

正化學(xué)電離（PCI）首先電離反應(yīng)氣分子—》樣品分子主要由質(zhì)子轉(zhuǎn)移電離容易產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子—》用于確定分子量

+CH4eˉ

MC2H5MH+C2H4PCIspectrum硬酯酸甲酯

M.W.298

EI和

PCI的比較EI模式PCI模式碎片分子量負(fù)化學(xué)電離(NCI)

燈絲e-e-e-e-反應(yīng)氣樣品樣品捕獲電子形成負(fù)離子

MX+eˉ(0~15eV)-->MXˉ

X:

電負(fù)性強(qiáng)元素CH4eˉ

MXCH4+CH3+HCH4CH4CH4eˉ

MX_負(fù)化學(xué)電離(NCI)NCI質(zhì)譜圖六氯苯

M.W.284負(fù)化學(xué)電離(NCI)NCI的優(yōu)點(diǎn)適合分析電負(fù)性強(qiáng)的元素

高靈敏度

與

GC-ECD靈敏度相當(dāng)高選擇性EIPCINCI馬拉松

(MW330)EI?PCI?NCI的比較

NCI-GC/MS和GC-ECD定量結(jié)果的比較重量

5g萃取(丙酮

/水

=5/2)蒸發(fā)(除去丙酮)加鹽正己烷萃取蒸發(fā)色譜柱蒸發(fā)并定容

(5mL)按

JP方法進(jìn)行前處理KOUJIN中有機(jī)氯農(nóng)藥的定量結(jié)果

（ppm）面積的重現(xiàn)性

離子源結(jié)構(gòu)電離室透鏡電離室永久磁鐵燈絲靶電子聚焦離子化過(guò)程：樣品分子與電子相互作用，電子把能量給予樣品。如果這個(gè)能量足夠大，則化合物被活化，失去一個(gè)電子，產(chǎn)生一個(gè)正離子，我們稱之為分子離子。電子的能量通常為70ev。如果樣品分子離子含有剩余的能量，會(huì)導(dǎo)致離子進(jìn)一步斷裂，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，負(fù)離子撞擊到離子源的其他部件上。透鏡排斥極：使帶正電荷的離子碎片向質(zhì)量分析器方向運(yùn)動(dòng)。排斥極位于離子化室出口對(duì)面；它的極性與離子相同。排斥極幫助離子穿過(guò)透鏡。拉出極：幫助帶正電荷的離子碎片向質(zhì)量分析器方向運(yùn)動(dòng)。拉出極的電壓比排斥極負(fù)，吸引正電子向質(zhì)量分析器方向運(yùn)動(dòng)。拉出極是一個(gè)中心帶有小孔的圓片。離子聚焦：如果沒(méi)有其他部件，離子穿過(guò)拉出極后會(huì)發(fā)生散射，離子聚焦部件可以幫助離子成束狀進(jìn)入質(zhì)量分析器。離子聚焦帶負(fù)電，形成一個(gè)電場(chǎng)，即使離子聚成束，又防止聚焦部件捕獲電子。入口透鏡：位置緊挨四極桿，作用是使離子加速，并且抑制四極桿的邊緣效應(yīng)，防止離子外溢。離子檢測(cè)器電子倍增管：從質(zhì)量分析器出來(lái)的離子轟擊電子倍增管的陰極表面，使其發(fā)射出二次電子，再由二次電子依次轟擊一系列電極，使二次電子獲得不斷倍增，最后由陽(yáng)極接受電流，使離子束信號(hào)得到放大。離子檢測(cè)器+7.5kV-+e--0.7~3.0kVAMP-7.5KV+e--0.7~3.0kVAMPe-負(fù)離子檢測(cè)器正離子檢測(cè)器MS調(diào)諧靈敏度調(diào)節(jié)分辨率調(diào)節(jié)質(zhì)量數(shù)修正相對(duì)強(qiáng)度修正MS調(diào)諧標(biāo)樣PFTBA(全氟三丁胺)穩(wěn)定可揮發(fā)碎片涵蓋質(zhì)量范圍寬僅有C-13和N-15同位素?zé)o質(zhì)量缺陷PFTBA

relativem/z intensity

69 100.0131 26.0219 32.0414 2.0502 2.0614 0.4CF3-CF2-CF2-CF2-N-C4F9C4F9MS自動(dòng)調(diào)諧流程尋找質(zhì)量峰粗調(diào)EM電壓和峰寬調(diào)節(jié)離子源部件使502達(dá)到最佳調(diào)節(jié)EM和峰寬達(dá)到最佳質(zhì)量軸校正GC-MS常用術(shù)語(yǔ)基峰：179分子離子：304質(zhì)荷比（m/z)質(zhì)譜圖（棒圖）GC-MS常用術(shù)語(yǔ)總離子流圖（TIC)TIC和MC（質(zhì)量色譜圖）GC-MS常用術(shù)語(yǔ)總離子流圖（TIC)數(shù)據(jù)采集模式Scan（掃描）SIM(選擇離子)massnumbermassnumberTimeTime[Scan][SIM](定性)(定量)Scan模式（定性）m/zRetentiontime