1、气相色谱-质谱联用技术,第一页，共一百一十页。,气相色谱-质谱联用仪GC-MS(Gas Chromatography-Mass Spetrum),第二页，共一百一十页。,Agilent6890-5975B气质联用仪,第三页，共一百一十页。,GC-MS概述,一、GC-MS的特点二、GC-MS的系统构成三、质谱检测器MSD的组成四、GC-MS仪的主要信息五、GC-MS的应用,第四页，共一百一十页。,一、GC-MS的特点,GC的别离特点+质谱的定性特点 三高GC将待测样品进行别离直接导入质谱进行检测质谱检测离子质量，获得化合物的质谱图联用技术可以得到质量、保存时间、强度三维信息,第五页，共一百一十页
2、。,气质联用数据是三维的,第六页，共一百一十页。,气相色谱-质谱联用,特点：要求样品气化后进入质谱仪用电子轰击方式EI得到的谱图，可与标准谱库比照用毛细管色谱柱别离化合物，别离效率高操作条件稳定、使用方法成熟适宜分析小分子、易挥发、热稳定的化合物,第七页，共一百一十页。,样品别离、鉴定和定量一次完成检测限可达10-1210-9g最成熟的一类联用技术适用于小分子、易挥发、热稳定性好样品分析,第八页，共一百一十页。,二、GC-MS联用系统的构成,气相色谱仪接口质谱仪离子源、质量分析器数据处理系统,第九页，共一百一十页。,出口,气相色谱仪,高真空泵,接口,色谱工作站软件电脑,离子源,质量分析器,机械
3、泵,检测器,质谱仪,第十页，共一百一十页。,色谱单元,与GC根本相同GC色谱条件：色谱柱：毛细管柱 温度：气化室温度、柱温、检测器温度 载气？及流量：1ml/min,第十一页，共一百一十页。,GC-MS对载气选择的要求,必须是化学惰性的必须不干扰质谱图必须不干扰总离子流的检测应具有使载气气流中的样品富集的某种特性 He,第十二页，共一百一十页。,GC-MS色谱柱的选择,柱效好惰性好热稳定性好,第十三页，共一百一十页。,接口技术中要解决的问题,气相色谱仪的大气压工作条件和质谱仪的真空工作条件的联接和匹配。作用：把气相色谱柱流出物中的载气尽可能多地除去，保存或浓缩待测物，使近似大气压的气流转变成适
4、合离子化装置的粗真空，并协调色谱仪和质谱仪的工作流量。,第十四页，共一百一十页。,MS为什么需要真空,提供足够的平均自由程提供无碰撞的离子轨道减少离子-分子反响减少背景干扰延长灯丝寿命消除放电增加灵敏度,第十五页，共一百一十页。,传输线、接口,MSD GC真空度：10-5Torr 760Torr(常压)流速：2ml/min 0.5-15ml/min传输线的要求：使GC和MS都到达最佳答案操作条件;保证被测组分可从GC传输到MS无不正常现象(无灵敏度损失、无二次反响、无峰形改变),第十六页，共一百一十页。,常用接口,直接导入型：将毛细管色谱柱通过一根金属毛细管直接引入质谱仪的离子源。适用于小口径
5、毛细管柱。载气限于氦气或氢气，载气流量在0.71.0ml/min 开口分流型：气相色谱柱的一段插入接口，其出口正对着限流毛细管。限流毛细管承受将近0.1MPa的压力，与质谱仪的真空泵相匹配，将色谱柱流出物的一局部定量地引入质谱仪的离子源。适合于小径或中径毛细管柱。喷射式分子别离型浓缩型：填充柱和毛细管柱均适用,第十七页，共一百一十页。,气相色谱检测器,热导检测器TCD氢火焰离子化检测器FID电子捕获检测器ECD火焰光度检测器FPD氮磷检测器NPD质谱检测器MSD,第十八页，共一百一十页。,GC检测器灵敏度比较,pptrillion,ppb,ppm,ppthousand,percent,TCD,
6、FID,ECD,AED,PID,NPD(N),NPD(P),MSD,(SIM),(SCAN),FPD(S),IRD,ELCD,ELCD,(S or N),(X),10-15,fg,10-12,pg,10-9,ng,10-6,10-3,mg,第十九页，共一百一十页。,质谱检测器MSD,样品被电子流轰击后产生离子这些离子按它们的质荷比m/z被别离后，测量其质量数和丰度值此检测器可以通过选择适当的质量而使其专一性好，选择性强。,第二十页，共一百一十页。,三、质谱检测器的组成,离子源：提供样品能量，使样品分子电离生成气态分子离子或准分子离子，分子离子还可进一步裂解，产生各种碎片离子。用 70 ev 电
7、子能量轰击的操作方式被称为电子电离质量分析器：将来自离子源的不同质荷比离子离子的质量与其所带电荷的比值，m/z按空间位置或时间先后别离开的部件。单重四级杆Q、三重四极杆QQQ、TQ检测器：用于接收、检测和记录被别离的离子信号。高能打拿极和电子倍增器,第二十一页，共一百一十页。,质谱单元,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,控制和数据处理系统,真空系统,第二十二页，共一百一十页。,离子源,离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被别离。,第二十三页，共一百一十页。,离子化技术,EI电子轰击离
8、子源CI化学离子源FAB快原子轰击离子化MALDI基质辅助激光解吸离子化FI场致电离源ESI电喷雾电离源,第二十四页，共一百一十页。,EI电子轰击离子化,电子轰击质谱示意图,第二十五页，共一百一十页。,Electron Impact Ionization,电子轰击电离电子轰击。电子电离轰击电压50-70eV，有机分子的电离电位一般为7-15eV可提供丰富的结构信息有些化合物的分子离子不出现或很弱,第二十六页，共一百一十页。,第二十七页，共一百一十页。,优点：灵敏度高，有丰富的碎片离子信息和成熟的离子开裂理论，是结构分析、鉴定的有力手段；重现性好，有标准图谱，可以通过谱库检索对未知物进行结构鉴定
9、 缺点：样品须汽化后才可离子化 适用化合物：易挥发、热稳定化合物。只检测正离子，不检测负离子,EI源的特点,第二十八页，共一百一十页。,化学离子化CI,离子室内的反响气甲烷等；10-100Pa,样品的103-105倍，受电子100-240eV轰击，产生离子，再与试样别离碰撞，产生准分子离子。,第二十九页，共一百一十页。,如甲烷作为化学离子化反响气的电离过程,CH4e CH4+2eCH4+CH2+H2CH4+CH3+HCH4+CH4 CH5+CH3CH3+CH4 C2H5+H2,第三十页，共一百一十页。,形成质子化分子离子M+H+MCH5+M+H+CH4MC2H5+M+H+C2H4,第三十一页，
10、共一百一十页。,软电离技术 优点：可以得到较强的准分子离子峰，有利于分子量的测定；可检测负离子，灵敏度高。缺点：样品须汽化后才可离子化 适用化合物：易挥发、热稳定化合物 无CI源标准谱图,CI的特点,第三十二页，共一百一十页。,四、质量分析器及质量别离原理,四极杆质量分析器三重四极杆质量分析器离子阱质量分析器,第三十三页，共一百一十页。,第三十四页，共一百一十页。,由四根截面呈双曲面的平行电极所组成，常常为圆柱形电极。离子的质量别离是在电极形成的电极场中完成的。四极电场由加在电极上的直流电压(U)和与之相叠加的射频电压(V)产生。在X方向电极上施加“UV电压，而在y方向上施加“-(UV)电压，
11、而V=V0 cost，为射频频率，电极间的相对距离为2r,第三十五页，共一百一十页。,四极杆质量分析器原理,离子源中产生的不同质荷比m/z的离子从Z方向进入四极场，在射频电场的作用下，离子的运动方程为：,第三十六页，共一百一十页。,离子的“a-q值处于该三角形内时，该离子的振幅是有限的，轨迹是稳定的，可通过四极场到达检测器离子的a-q值处于稳定三角形之外，其振幅随时间增大，其轨迹是不稳定的，这些离子将与电极碰撞消失,第三十七页，共一百一十页。,选择适当的a/q值(U/V0值)，使扫描线通过稳定区，那么扫描线与稳定区二个交点之间对应的质量范围的离子可以沿Z方向到达检测器，而其他离子以不稳定振荡，
12、与电极撞击而消失。当a/q值变为另一个值时，可使另一离子通过四极场-选择离子监测SIM全扫描SCAN:保持U/V0值及不变，而改变U和V可以实现质量扫描。在给定的时间内不间断地对设定的质荷比(m/z)范围内的所有离子进行扫描。如果提高扫描线的斜率，那么可提高质量分辨率，但灵敏度下降。如果降低扫描线的斜率，那么将降低分辨率。如果在极端状态，a0(U0)，四极杆质谱仅在射频方式(RF-only mode)下操作，那么所有m/z值的离子均具有稳定轨迹可通过四极区，这可用于串联质谱的碰撞室Q2。,第三十八页，共一百一十页。,扫描类型：,全扫描(full scan,SCAN)：用于未知化合物的定性分析。
13、SCAN方式需要设置的参数有：扫描质荷比的起点和终点、CID电压等。扫描参数的选择既要兼顾获得含尽量多的有效分子离子和碎片离子的质谱图，又要兼顾获得好的总离子流图。选择离子监测(selected ion monitoring，SIM)：用于定量分析，常用于目标化合物的检测和在数量众多的样品中快速筛选目标化合物。与SCAN方式相比，SIM方式能到达更低的检测限、更快的速度、更好的灵敏度和更短的分析时间，适用于定量分析。但选择SIM方式不利于定性分析。,第三十九页，共一百一十页。,四极杆质量分析器quadrupole，Q,M1,M2,M3,检测模式,全扫描Full Scan,选择离子检测SIM,分
14、辨率：低,第四十页，共一百一十页。,单四极杆特点,四极杆质量分析器是GC-MS联用仪中最通用的一种质量分析器有全扫描(Scan)和选择离监测(SIM)两种不同扫描模式扫描速度快,灵敏度高，尤其是SIM模式可在较低的真空度下工作分辨率较低，不能提供亚稳离子信息结构简单、体积小、自动化程度高,第四十一页，共一百一十页。,三重四极杆质谱仪QQQ,M+H+,Q1质量分析器,Q3质量分析器,Q2 碰撞室活化室,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,串联质谱
15、MS/MS,低分辨,第四十二页，共一百一十页。,QQQ特点,离子、母离子、中性丧失三种扫描方式母离子找子离子获得碎片离子子离子找母离子获得前体离子中性基因相关质量的离子，确定各离子归属，研究离子的碎裂途径，用于化合物的结构分析,第四十三页，共一百一十页。,离子阱质量分析器ion trap，IT,离子注入,质量选择推出,检测模式,全扫描Full Scan,选择离子检测SIM,分辨率：低,第四十四页，共一百一十页。,离子阱质量分析器示意图,由三个电极组成的三维四极场处在端电极中心的小孔是离子进出阱的通道。一定固有频率的射频电压施加于环电极上，在环电极和端电极之间有高频电势差，形成了一个四极场。RF
16、值是指施加在环电极和两个端电极之间的电压，依靠具不同水平的RF值的四极场，离子阱可以在一个特定的质量范围内俘获并稳定一定数量的离子。,第四十五页，共一百一十页。,IT原理,与四极杆质量分析器相似，离子在离子阱中的运动也有稳定和不稳定两种情况。处于稳定区的离子，运动幅度不大，能长期存储在离子阱中。处于稳定区之外的离子，由于幅度过大，会与环电极或端电极相撞而消亡。,第四十六页，共一百一十页。,质谱过程,离子被充入离子阱:通过降低施加在锥形别离器的排斥电压，让离子束通过来实现的。进入阱内的离子被施加了低于四极振幅的射频场俘获。设置好一定的积累时间，锥形别离器的排斥电压升高，以阻止后续离子进入阱内。累积的离子通过与阱内浴气(He)碰撞而冷却。以确保离子云驻留于阱中心一定的空间范围内。扫描开始，四极和二级的势场增加，离子按质量增加的顺序通过出口端帽被逐出离子阱。扫描结束后，四极场降低到零以去除残留在阱内的离子。阱回到初始状态，锥形别离器设置为允许离子进入并累积的初始状态，新的循环开始。,第四十七页，共一百一十页。,IT特点,时间上串联的质量分析器，只需一个离子阱质量分析器即可实现多级串联质谱，本