GCMS數(shù)據(jù)處理和定性定量分析

GC/MS數(shù)據(jù)處理和定性定量分析,賽默飛世爾科技應用工程師：任安書,GC/MS數(shù)據(jù)系統(tǒng),GCMS聯(lián)用獲得的數(shù)據(jù)量非常大，信息也非常豐富，如果數(shù)據(jù)處理不當，可能丟失許多寶貴的信息。一個樣品如果GCMS得到的TIC圖中有100個可鑒別的色譜峰。卻可能會有上千張質譜圖，因為每個色譜峰至少有35次掃描，色譜峰間隔也有若干次掃描。每張質譜圖都有可利用的信息,GC/MS數(shù)據(jù)系統(tǒng),各種近代分析儀器都配備了計算機和相應的應用軟件，通稱為儀器的數(shù)據(jù)系統(tǒng)(也有稱化學工作站)。GCMS聯(lián)用儀器的數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分應具備以下功能：控制儀器運行，包括設置氣相色譜、質譜的運行參數(shù)，實時顯示運行狀態(tài)，如真空，壓力、溫度、電壓參數(shù)及所運行的方法等；采集、處理、簡化、儲存數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集過程；數(shù)據(jù)再現(xiàn)和處理，譜圖處理、定性、定量分析、結果輸出、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。?shù)據(jù)系統(tǒng)的結構和功能對儀器性能的發(fā)揮及儀器操作的靈活性至關重要,GC/MS數(shù)據(jù)系統(tǒng),目前多數(shù)儀器數(shù)據(jù)系統(tǒng)的硬件，包括計算機主機及顯示器、鍵盤、打印機等基本的外圍設備，一般都是通用的PC機，但是配置不同，性能差別也不小還有一個很重要的部件，即任何計算機和GCMS儀器連接，也需要有一個“接口”，是由模數(shù)數(shù)模轉換器(AD、DA)、多路切換開關、實時鐘還有微處理器等組成的接口電路板，放在電子部件的機箱內。它不是通用部件，不同生產(chǎn)廠家、不同類型儀器的接口板結構性能都不相同。它的功是將質譜檢測器接收的離子流的電壓信號通過AD轉換成數(shù)字信號，經(jīng)微處理器采集、簡化處理并儲存在計算機中，這就是通常獲得的譜圖的原始數(shù)據(jù)文件另外，通過DA轉換將操作員從計算機鍵盤輸入的各種參數(shù)通過AD轉換傳送到相關的電路控制器，控制儀器運行，同時在顯示屏上顯示儀器運行狀態(tài)。它關系到數(shù)據(jù)的采集、傳輸速率和數(shù)據(jù)的質量,GC/MS數(shù)據(jù)系統(tǒng),數(shù)據(jù)系統(tǒng)的軟件包括運行儀器的操作系統(tǒng)和各種應用程序，還有各種用途的質譜數(shù)據(jù)庫。不同生產(chǎn)廠家、不同類型儀器的操作系統(tǒng)也不相同但近年來有的廠家將自家生產(chǎn)的不同類型儀器的操作系統(tǒng)逐漸統(tǒng)一規(guī)范化，除了控制儀器運行和數(shù)據(jù)采集功能不通用外，數(shù)據(jù)處理的功能都是通用的，并且可聯(lián)網(wǎng)，做到資源共享,GC/MS數(shù)據(jù)系統(tǒng),值得注意的是，計算機輔助質譜解析通用軟件的發(fā)展，過去質譜數(shù)據(jù)庫雖然是通用的，但是各個廠家數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集的質譜數(shù)據(jù)格式不同，譜庫檢索的系統(tǒng)也不相同近年來質譜數(shù)據(jù)有了多種轉換格式，一些廠家的應用軟件還提供了不同質譜數(shù)據(jù)格式的轉換功能，NIST的譜庫檢索系統(tǒng)已被普遍采用，最新版的NIST、軟件，增加了許多應用程序，除分子量、同位素豐度、元素組成計算等基本功能外，還有譜圖解析、自動鑒別質譜數(shù)據(jù)、分離GC共流出色譜峰等應用軟件,一、質譜圖的提取,質譜庫檢索和譜圖解析都需要獲得好的質譜圖。質譜圖的提取不僅要保證譜圖的質量，還要不丟失可鑒定的組分，包括共流出組分的分離。背景扣除沒有固定的要求例如：是取色譜峰頂對應的一張質譜圖還是幾張質譜圖平均，需不需要扣除背景，是扣除前面還是后面的譜圖等。主要的是根據(jù)出峰情況，結合樣品信息和實驗條件進行判斷。知識和經(jīng)驗的積累是必需的。,二、質量色譜法的應用,只要有總離子流色譜圖，就可以提取掃描質量范圍內任何質量的離子流圖，即質量色譜圖。質量色譜圖可以提供許多信息，應用它可解決許多問題，如色譜峰純度檢查、追蹤目標化合物、確定同系物的碳數(shù)分布范圍、進行準確定量等，所以被稱為質量色譜法(1)色譜峰純度檢查和準確定量上面的例子已經(jīng)說明質量色譜法可以幫助鑒別共流出組分，做色譜峰純度檢查。又因為質量色譜將兩個組分完全分開了，而色譜峰則未完全分開，所以用質量色譜峰面積進行定量比用色譜峰面積定量要準確得多,二、質量色譜法的應用,(2)目標化合物追蹤鄰苯二甲酸酯類是常見的增縮劑，在分析試驗室中幾乎無所不在，各種塑料包裝、塑料瓶蓋、樣品預處理用的一些試劑、硅膠、樹脂等都含有此類化合物它們的沸點較高，容易殘留在色譜柱中，柱溫升高到200以上就會流出。往往在GCMS分析前做空白試驗時，檢查是否有這類化合物殘留，可采用質量色譜追蹤，如果有這類化合物很容易檢查出來,由鄰苯二甲酸丁酯和鄰苯二甲酸辛酯的質譜圖(圖196)可知，它們有非常強的特征離子mz149。在空白試驗或考察GCMS聯(lián)用本底時，采集數(shù)據(jù)過程中用mz149離子流圖實時追蹤，或從數(shù)據(jù)采集后得到的TIC圖中提取mz149質量色譜圖，都能很快判斷它們是否存在,二、質量色譜法的應用,進樣品前空白試驗的實例色譜條件：起始溫度60，停留5min，以6min升溫至280，停留10min。目的是察看色譜柱流失本底和高溫段的基線漂移情況這里截取30min后的一段總離子流和mz207、mz149的離子流圖。35min后基線開始上升，固定相本底中mz207增高。溫度達到240，mz149質量色譜顯示有一個峰(2115號)，40min后溫度到280，基線上升,mz149質量色譜也顯示有一個峰(249號),將這兩次掃描的質譜圖和檢索結果標準譜圖比較，雖然分子離子無法確認，但憑經(jīng)驗可以認定是鄰苯二甲酸類化合物。它們易殘留在柱子中，而且一般要在較高溫度下才能流出,二、質量色譜法的應用,三、GC/MS定性分析,充分發(fā)揮GCMS聯(lián)用技術的優(yōu)勢，分離是定性的關鍵。質譜定性專一性好的前提是得到正確的質譜譜圖。同一樣品，分離條件不同，可能鑒定出上百個成分，也可能只鑒定出幾十個成分。,三、GC/MS定性分析,定性不能只依靠質譜譜庫檢索。分離不好得到的質譜圖不可靠，不僅檢索匹配率可信度低，對質譜圖進行解析也有困難。色譜的保留時間以及與樣品相關的一系列信息都是定性的重要依據(jù)。實際上未知化合物鑒定有兩種不同的含義：一是待測樣品中已知結構化合物的鑒定(目標化合物或可疑化合物)；另一種是待測樣品中是否發(fā)現(xiàn)新的未知結構化合物。后者是一個較大的分析課題，需要有其它輔助方法鑒定，最終還需合成驗證,GCMS定性分析類型及相關分析技術,657/2002/EC對質譜定性的要求,全掃描：當用單級質譜記錄全掃描圖譜時，至少要有四種離子的相對豐度大于等于基峰的10%。如果分子離子峰在參考圖譜中的相對豐度10%，則必須包括在內。選擇離子監(jiān)測質譜方法時要求:96/23/EC指令附錄IA組4識別點96/23/EC指令附錄IB組3識別點,657/2002/EC對質譜定性的要求,對質譜確證方法的要求,對于每個診斷離子，信噪比3:1測定至少一對離子豐度比相對離子豐度最大容許偏差不能超過下表,6.對質譜確證方法的要求,對于每個診斷離子，信噪比3:1測定至少一對離子豐度比相對離子豐度最大容許偏差不能超過下表,(三)對殘留檢測標準操作程序（SOP）編寫作業(yè)指導書的基本要求,三、GC/MS定量分析,有一種說法，認為色譜可以很好地定量，而GCMS聯(lián)用方法只適合于定性實際上，這是一種誤解。GCMS聯(lián)用技術不但可以定量，有時比色譜的其它檢測器更具有優(yōu)勢。例如，其它色譜檢測器均要求色譜峰完全分離才可以正確定量，而GCMS聯(lián)用技術可以在色譜峰不完全分離的情況下，用質量色譜法或選擇離子檢測，對其中的化合物分別定量。圖中是色譜峰未分開(虛線)的兩個化合物，但是并不影響它們分別用各自的特征質量離子mz230、mz244的峰面積定量。尤其用同位素標記化合物做內標進行定量分析更是GCMS聯(lián)用技術的獨到之處。,三、GC/MS定量分析,GCMS聯(lián)用技術定量分析的特點是先定性，后定量對于一個化合物，首先根據(jù)其保留時間和質譜圖特征離子鑒定，確認它是目標化合物之后再進行定量，因而避免假陽性檢出。其次，GCMS聯(lián)用定量一般不用總離子流色譜圖，而是用特征離子的離子流圖。因為離子流圖相對穩(wěn)定而且不受干擾，定量結果更可靠。,(一)定量分析基礎,定量分析就是要確定待測樣品中各組分或某一組分的準確含量。無論采用什么儀器，都是在一定條件下，根據(jù)檢測器的響應因子與待測化合物含量的函數(shù)關系計算出目標化合物的含量GCMS聯(lián)用分析，化合物特征質量離子的峰面積(或峰高)與相應待測組分的含量成正比如何得到待測化合物的響應因子是定量分析的關鍵,(一)定量分析基礎,響應因子的測定需要標準樣品，在實際工作中，純化合物標準樣品的獲得和保存是定量分析的一個難題。尤其是有機化合物種類繁多，有的化合物不穩(wěn)定，易揮發(fā)，易降解，不易保存標準樣品配制首先應該準確地配制一個母液?？梢允菃螛?只含一個待測組分)，也可以是混合標(含數(shù)個待測組分)。每個組分的含量需準確，并且該含量高于待測樣品的含量。然后再將配制的母液逐級稀釋，最后一級的含量應低于待測樣品的含量如果需要加入內標，則在每一級稀釋后的標準樣品以及未知樣品中加入等量的內標化合物,(一)定量分析基礎,定量結果的數(shù)據(jù)表達形式應該是取決于定量分析的方法在GCMS聯(lián)用分析中，常見的一種定量結果報告是用TIC峰面積歸一給出的相對百分含量。這種定量結果雖有一些用處但不是嚴格的定量分析結果。因為這是將所有化合物的響應因子當作一樣，而實際各種化合物的響應因子并不相同，即使是同系物亦會有很大區(qū)差別還有一種情況是用濃度給出的定量結果，因為標準樣品不夠，只用了一個和幾個標準樣品的響應值代替所有待測化合物響應值。這種定量分析結果也是不嚴格的，因此都應作出必要的說明，以免誤解,(一)定量分析基礎,GCMS和GCMSMS聯(lián)用方法常被作為定量檢測的最終確證方法。因此質量保證質量控制(QAQC)是定量分析不可缺少的重要環(huán)節(jié),(二)定量方法,GCMS聯(lián)用分析常用的定量方法和色譜一樣，有歸一化法、外標法、內標法等。各有其優(yōu)缺點和使用范圍，不適當?shù)倪\用必然造成較大的誤差。根據(jù)不同要求正確選擇定量方法十分重要。定量方法中響應值的計算可以用峰高法也可以用峰面積法，要看在線性范圍內哪一個測量的準確性和重復性更好。,(二)定量方法,1歸一化方法將樣品中所有組分含量之和作為100，計算各個組分的相對百分含量，稱為歸一化法。計算公式：式中Wi組分i含量；Ai組分i的峰面積(或峰高)；fi組分i的質量校正因子。當fi為體積校正因子或摩爾校正因子時，結果分別為體積分數(shù)或摩爾分數(shù)。,(二)定量方法,歸一化方法的主要問題是校正因子的測定不容易，所以在GCMS聯(lián)用中，對于校正因子接近的一些化合物，往往直接用峰面積歸一法計算，得到的是各組分峰面積的百分比。這也能有個定量的概念，因而有其實用意義但是應注意，對于校正因子相差甚遠的一些化合物，要慎重。還有，并不是待測樣品的所有組分都能從色譜柱流出，或得到足夠的信號強度，這會帶來誤差,(二)定量方法,2外標標準曲線方法用標準樣品配制不同濃度的標樣，在與待測樣品完全相同的操作條件下，測得標樣中各化合物的峰面積或峰高，得到響應因子：式中wi待測化合物標樣含量；Ai待測化合物標樣峰面積(或峰高)。,(二)定量方法,不同濃度測得結果繪制工作曲線，標準工作曲線的斜率即是絕對校正因子。待測化合物含量可從標準曲線直接查得，也可由下式計算：Pi=fiAi,(二)定量方法,3內標標準曲線方法外標法存在一定缺點，限于每次的分析條件從樣品處理到測試都會產(chǎn)生誤差。為了克服不可避免的測量誤差，選擇適當?shù)幕鶞饰镔|(內標化合物)加入標樣和待測樣品中進行測定，計算待測化合物和內標化合物響應值之比(稱為相對響應因子)，由相對響應因子和加入內標化合物的量進行定量，稱為內標法。相對響應因子計算，可由：,得到,式中wi待測化合物標樣含量；Ai待測化合物標樣峰面積(或峰高)；WS內標化合物含量；As內標化合物峰面積(或峰高),(二)定量方法,當進樣量、儀器響應值發(fā)生變化時，處在同一樣品中的待測化合物與內標化合物的含量比值不變；它們的響應值的比值也就不變因此，內標法可以消除由于進樣量、儀器響應值波動等帶來的系統(tǒng)誤差。最好在所有標樣和待測樣中加入內標的量相同，以避免由于內標物的濃度變化引起響應值的非線性變化所造成的偏差如果在樣品前處理(如濃縮、萃取、衍生化等)之前加入內標，還可以補償待測組分在前處理中的損失。必要時可以加入多個內標內標法的關鍵是內標的選擇。內標化合物應該是待測樣品中不存在的化合物，而其性質應盡可能和待測化合物相近，溶于樣品又不起化學反應，出峰接近待測化合物(或在它們之間)又不能相互重疊，確實不易找到,(二)定量方法,4、同位素稀釋法最理想的是采用待測化合物的同位素標記物作為內標，可以保證內標化合物的化學性質、色譜行為、質譜行為都與待測化合物一致，這樣可以消除化合物之間的差別帶來的誤差此法又稱“同位素稀釋法”同位素標記物作內標只有GCMS聯(lián)用技術可以運用，色譜其它檢測器無法使用，這就是所指GCMS聯(lián)用獨到之處,(二)定量方法,標準加入法該方法實質上是一種特殊的內標法，它以欲測組分的純物質為內標物，加入到待測樣品中，然后相同的色譜條件下測定加入欲測組分前后的峰面積，從而計算欲測組分在樣品中的含量的方法。在很多情況下能較好地消除基質效應，獲得較為滿意的分析結果。,(二)定量方法,1997年國際物質量咨詢委員會(CCQM)在巴黎召開第六次會議，將同位素稀釋質譜法、精密庫倫法、電位滴定法、凝固點法等作為絕對定量方法，其中同位素稀釋質譜法是唯一一種微量、痕量和超痕量元素的權威測量方法同位素化合物與樣品分析物在一定的范圍內應視為同一化合物(如有機質譜中常用13C和2H作為標記同位素)，二者具有基本相同的物理和化學性質，雖然天然化合物中有一定同位素化合物，但其量相對極小，基本不會對檢測有不利影響同時內標與樣品分析物的流出時間很相近或相同時，由此在基質中添加一定量的、合適的同位素標準品作為內標進行方法的質量控制手段是非常適合的,(二)定量方法,式中，RF為校正因子，RF=含量/面積或含量/峰高；C為含量；S為峰面積或峰高同位素稀釋法的優(yōu)點為：一般可以校正基體影響(標樣和樣品的差別)，提取效率穩(wěn)定；進樣誤差小，保留時間隨溶劑梯度變化影響不大；儀器漂移影響??；在質譜中同位素稀釋劑與樣品分析物響應穩(wěn)定，定量結果從樣品分析物與內標的響應比得出更準確缺點為：樣品制備很耗時；對移液和稀釋等中的誤差結果有缺陷,計算公式：,（三）定量分析應注意的問題,1儀器校準為了使定量數(shù)據(jù)準確，重現(xiàn)性好，在采集數(shù)據(jù)時要得到很好的峰形，儀器校準非常重要色譜條件從進樣口到色譜柱、進樣方式、襯管類型、進樣口的清潔程度、不分流進樣開啟分流閥的時間、柱效的保持、選用的溶劑和相應的初始爐溫等影響色譜定量結果的因素會同樣影響GCMS聯(lián)用的定量質譜條件有各參數(shù)的設置、調諧方式、調諧結果差別、儀器的穩(wěn)定性、離子源、分析器清潔程度等，都直接影響定量結果。所以，定量分析首先要把儀器調整到最佳狀況，并且對儀器的檢測限應該有數(shù)選擇適當?shù)膬x器條件和方法往往會得到更好的定量分析結果。如某些化合物的CI電離方式比EI電離靈敏度明顯要高SIM方式比全掃描方式靈敏度高，重現(xiàn)性也好,（三）定量分析應注意的問題,2定性要正確定量分析的重要前提是定性要正確。定性鑒定要符合以下原則：色譜保留時間定性，若無標樣定性，保留時間與重要參考文獻要相符。因此色譜分離一定要好。無雜質干擾質譜定性，質譜圖庫檢索匹配率應在90以上，質譜能得到合理解釋,（三）定量分析應注意的問題,定量離子應該是待測化合物的特征離子，多數(shù)情況下選擇基峰或較強的峰，這樣可以減少誤差。但是當不同化合物的特征離子質量相同時，尤其是未完全分離的色譜峰中兩個化合物欲選的離子質量相同時，應選擇其它不同質量的離子作為定量離子。一般在所有化合物譜圖中出現(xiàn)概率很高的離子(m243)，或在本底及樣品基質中出現(xiàn)概率高的離子，強度雖高，除非不得已，也不選擇它們作定量離子，因為干擾大容易引入誤差確證離子的選擇。為了避免假陽性檢出，需要再選擇幾個離子作為定性離子的限定條件。進一步確認是待測化合物的特征離子，才能用其進行定量。確證離子(包括定量離子在內)一般是選35個，并要限定其相對強度,（三）定量分析應注意的問題,3峰面積的準確積分定量離子峰面積計算，對于定量分析結果至關重要。特別是當峰形不好或進行痕量分析時，峰面積積分不當會帶來較大誤差，如何選擇積分參數(shù)就顯得更加重要。一般儀器數(shù)據(jù)系統(tǒng)的定量軟件對峰面積積分方法都有實例說明,（三）定量分析應注意的問題,4標準曲線的線性范圍用標樣的響應值對含量作標準曲線。通常是選擇線性擬合，直線的斜率即為響應值。有些情況下，待測組分的響應值與濃度不成線性相關，可以用響應值對濃度的倒數(shù)或濃度平方的倒數(shù)、對數(shù)等作標準曲線實際工作中，標準曲線的線性范圍較窄，難以達到好幾個數(shù)量級。線性范圍和儀器靈敏度相關。當儀器靈敏度較高時，注意樣品濃度不能太高?？梢允孪扰浜貌煌瑵舛葮藰訉x器靈敏度進行考察5標準曲線的再校正由于儀器的響應值會發(fā)生變化，定量標準曲線不能長期使用，必須定期或不定期用標樣重新測試，對標準曲線上的每個點做再校正,(四)影響定量分析結果的因素,1色譜自動進樣的進樣順序和洗針程序是否合理，直接影響標準曲線的質量。正確的方法是，依照標準溶液的濃度，從最低到最高依次進樣，每次進樣前不要用溶劑洗針，只用樣品洗針。手動進樣，除依照上述方法進樣外，需注意取樣量的準確和進針速度的一致性。進樣口正確的維護保養(yǎng)有利于峰形的改善和峰面積的重復,色譜住的選擇、升溫程序的設定影響分離和峰形，峰形好壞影響定量結果。例如，定量離子流的峰拖尾、裂分或成“饅頭狀”。峰形不很理想時(圖1一90)，首先需要判斷拖尾部分是否由于色譜分離所造成的，是否有共流出物干擾。進行峰純度檢查，提取不同質量離子流圖進行比較。如果是共流出物干擾，可以考慮更換定量離子；如果是峰拖尾，只有通過改便色譜條件改善峰形,(四)影響定量分析結果的因素,積分參數(shù)選擇影響積分結果。好的峰形