第2講-環(huán)境分析技術(shù)GCMS

GCMS基礎(chǔ)知識GCMS的基本流路圖GC接口MS數(shù)據(jù)處理真空系統(tǒng)GC基礎(chǔ)知識色譜的熱力學(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)（與柱長無關(guān)）

H越小，柱效越高色譜的動力學(xué)理論—速率理論

ＶａｎＤｅｅｍｔｅｒ方程

A：

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

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/無分流進(jìn)樣直接進(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法溶劑沖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-無分流進(jìn)樣和OCI以及

PTV-無分流進(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)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WBI進(jìn)樣口分流/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、鋁內(nèi)徑：0.2mm--0.53mm長度：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多孔層開口柱管壁涂漬開口柱毛細(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)固定相為聚合物聚甲基硅氧烷（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%dimethyl

polysiloxaneDB-1BP-1Rtx-195%dimethyl-5%diphenyl

polysiloxaneDB-5BP-5Rtx-5Polyethyleneglycol(PEG)DB-WaxBP-20Stabilwax50%dimethyl-50%diphenyl

polysiloxaneDB-17BP-17Rtx-176%cyanopropylphenyl-94%dimethyl

polysiloxaneDB-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，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

對低沸點(diǎn)化合物 高濃度（10%～30%) 高膜厚(1～5μm)

對高沸點(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)徑對毛細(xì)柱分離的影響0.22mmx25m膜厚對毛細(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、膜厚及柱容量內(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；舊柱長時間未用，也存在同樣問題。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。

新柱老化時，最好不要連接檢測器。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間。色譜柱分離效率評價色譜柱效率：峰尖

評價：理論板高(HETP)、理論塔板數(shù)(N)

對策：將VanDeemter

各因素優(yōu)化選擇性：峰的分離度 評價：分離因子或分離度 對策：選擇極性相當(dāng)?shù)墓潭ㄏ喾宓膶ΨQ性：吸附現(xiàn)象 評價：拖尾因子 對策：色譜柱進(jìn)一步老化

MS基礎(chǔ)知識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碰撞的離子軌道減少離子-分子反應(yīng)減少背景干擾延長燈絲壽命消除放電增加靈敏度真空系統(tǒng)確保離子由離子源轉(zhuǎn)移至檢測器++ionair,wateretc.高真空低真空為什麼MS需要高真空

壓力

10-3-10-4Pa(平均自由路徑

5m-50m)排氣系統(tǒng)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并由出口排出干凈真空啟動和關(guān)機(jī)時間短價格昂貴

單泵排氣系統(tǒng)和差動排氣系統(tǒng)

差動排氣系統(tǒng)更有利于高流量分析單泵排氣系統(tǒng)差動排氣系統(tǒng)高真空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）加熱塊接口

MS的分類磁質(zhì)譜四極桿質(zhì)譜飛行時間質(zhì)譜

(TOF)離子肼質(zhì)譜磁質(zhì)量分析器磁質(zhì)量分析器是根據(jù)離子束在一定場強(qiáng)的磁場中運(yùn)動時，其運(yùn)動的曲率半徑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，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:磁場強(qiáng)度磁質(zhì)量分析器飛行時間質(zhì)量分析器++LVtDetectorDrifttubeExtractiongridSample++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，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，可長時間留在肼內(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，再由檢測器檢測。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)-->MXˉX:

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EIPCINCIMarthone(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。如果這個能量足夠大，則化合物被活化，失去一個電子，產(chǎn)生一個正離子，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。排斥極位于離子化室出口對面；它的極性與離子相同。排斥極幫助離子穿過透鏡。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。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。拉出極是一個中心帶有小孔的圓片。離子聚焦：如果沒有其他部件，離子穿過拉出極后會發(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，形成一個電場，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。離子檢測器電子倍增管：從質(zhì)量分析器出來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，最后由陽極接受電流，使離子束信號得到放大。離子檢測器+7.5kV-+e--0.7~3.0kVAMP-7.5KV+e--0.7~3.0kVAMPe-負(fù)離子檢測器正離子檢測器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)語總離子流圖（TIC)TIC和MC（質(zhì)量色譜圖）GC-MS常用術(shù)語總離子流圖（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/zRetentiontimeTIC:Scan

7254152MS質(zhì)譜圖SIM模式（定量）Retentiontimem/z=72m/z=152m/z=54靈敏度高于

Scan模式SIM(選擇離子模式）SIM主要用于定量分析只有特定質(zhì)量數(shù)的離子被檢測根據(jù)目標(biāo)化合物選擇合適的檢測離子相當(dāng)重要。靈敏度取決于所選擇的檢測離子。TimeV∝m/z0.2secV112V２９８V１６８V２２０SIM數(shù)據(jù)采集模式SIM模式（定量）SIM的優(yōu)點(diǎn)：提高靈敏度改善峰形改善精確度應(yīng)用痕量分析復(fù)雜基質(zhì)常規(guī)定量

原子質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)以12C質(zhì)量＝12為單位來表示原子質(zhì)量質(zhì)量數(shù)

:整數(shù)表示examplemassmassnumber1H1.0078252212H2.01410222212C12.000000001213C13.003355081314N14.003074401416O15.994915021618O17.9991599618示例:水的質(zhì)量數(shù)

(H2O)1x2+16=18更精確的分子量1.00782522x2+15.99491502=18.01056546

分析方法

計算方法方法的建立分析方法（儀器參數(shù)）分析參數(shù)選擇分析系統(tǒng):進(jìn)樣方式、色譜柱等GC參數(shù):載氣流量、分流比、溫度條件等MS參數(shù):掃描模式：SCAN,SIM

離子源：EI,PCI,NCI

檢測器電壓等進(jìn)樣口、色譜柱、檢測器的溫度設(shè)定進(jìn)樣口溫度

考慮樣品中各組分的沸點(diǎn)，設(shè)定溫度使樣品瞬間汽化。色譜柱溫度

考慮樣品中各組分的沸點(diǎn)，及希望的分析周期， 寬沸程樣品應(yīng)使用程序升溫。檢測器溫度

防止檢測器污染，一般比色譜柱溫度高20-30℃。DET.T≥INJ.T≥COL.T+20℃恒溫分析和升溫分析的比較恒溫分析升溫分析沸程窄時采用恒溫分析恒溫分析時，保留時間和碳 數(shù)程指數(shù)關(guān)系C8C9C10C11C8C9C10C11沸程寬時采用升溫分析升溫分析時，碳數(shù)和保留時 間程比例關(guān)系基線調(diào)整困難，應(yīng)確認(rèn)空白是否有鬼峰出現(xiàn)。計算方法（數(shù)據(jù)處理參數(shù)）峰處理參數(shù)（WIDTH,SLOPE,DRIFT,T.DBL等）定量參數(shù) 定量方法： 內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法、面積歸一法等 工作曲線的制作※曲線點(diǎn)數(shù)：一點(diǎn)、兩點(diǎn)及多點(diǎn) ※曲線計算：線性回歸、折線、 二次曲線、三次曲線定性參數(shù)：保留時間、時間窗、時間帶峰處理參數(shù)去除高頻噪聲(電磁干擾）WH/2<WIDTH/4控制數(shù)據(jù)采集速度，WIDTH/10采一次數(shù)據(jù)控制S.TEST時間，斜率測試時間為10×WIDTHWIDTH：設(shè)為最窄峰的半高寬，單位：秒推薦值：填充柱5

毛細(xì)柱2～3判斷峰起點(diǎn)濾除低平噪聲（如蛇行等）SLOPE的確定：一般通過S.TEST進(jìn)行，測定時間為10倍WIDTH的時間。特殊情況，可根據(jù)實(shí)際需要改變該值。

SLOPE：10倍WIDTH的所有信號的總和，用于：峰處理參數(shù)SLOPE值的手動設(shè)定

單位：uv/minSLOPESLOPESLOPESLOPE<峰斜率，作為峰計算SLOPE>峰斜率，作為噪聲濾除SLOPE≈峰斜率，積分不穩(wěn)定，須手動設(shè)定峰處理參數(shù)DRIFT：判斷相鄰峰的積分方式注：1）設(shè)定值為0時，積分儀將自動判斷2）如DRIFT與基線至峰谷連線較接近時，積分可能不穩(wěn)定，導(dǎo)致面積值變化較大，需加以注意。DRIFT值的設(shè)定DRIFTDRIFTDRIFTDRIFTDRIFTDRIFTT.DBL2xT.DBL4xT.DBLWIDTHSLOPE2WIDTHSLOPE/24WIDTHSLOPE/48WIDTHSLOPE/8峰處理參數(shù)設(shè)定值為0時，自動判斷；不使用時可設(shè)為1000T.DBL設(shè)定為某值時，SLOPE和WIDTH按下圖改變

T.DBL：峰展寬一倍所需要的時間定性參數(shù)保留時間允許誤差：時間窗％(WINDOW)，相對允差設(shè)定簡單，但所測組分保留時間跨度大時，不易設(shè)定時間帶(BAND)，絕對允差