2023學年完整公開課版GCMS原理與結構

GCMS原理與構造楊曉輝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。當多組分的混合樣品進入色譜柱后，由于吸附劑對每個組分的吸附力不同，經(jīng)過一定時間后，各組分在色譜柱中的運行速度也就不同。吸附力弱的組分容易被解吸下來，最先離開色譜柱進入檢測器，而吸附力最強的組分最不容易被解吸下來，因此最后離開色譜柱。如此，各組分得以在色譜柱中彼此分離，順序進入檢測器中被檢測、記錄下來。質(zhì)譜質(zhì)譜分析法是通過對被測樣品離子的質(zhì)荷比的測定來進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或磁場的運動行為的不同，把離子按質(zhì)荷比（m/z）分開而得到質(zhì)譜，通過樣品的質(zhì)譜和相關信息，可以得到樣品的定性定量結果。氣質(zhì)聯(lián)用（GC/MS）氣質(zhì)聯(lián)用的有效結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，優(yōu)勢互補，結合譜庫檢索，可以得到較滿意的分離機鑒定結果。

氣相色譜分離樣品的各個組分，起樣品制備的作用，接口把氣相色譜流出的各個組分送入質(zhì)譜儀進行檢測，質(zhì)譜儀對接口引入的各個組分進行分析，成為氣相色譜的檢測器。計算機系統(tǒng)控制色譜儀、接口、質(zhì)譜儀，進行數(shù)據(jù)采集和處理。GC/MS

聯(lián)用儀器的基本組成部件

GC基礎知識典型的氣相色譜氣體載氣--用于傳送樣品通過整個系統(tǒng)的氣體。檢測器氣體--某些檢測器所需的支持氣體,如FID.樣品引入將樣品蒸汽引入載氣的過程。該過程應對樣品蒸汽有最小影響。色譜柱實現(xiàn)樣品組分的分離。檢測器對流出柱的樣品組分進行識別和響應。數(shù)據(jù)采集將檢測器的信號轉(zhuǎn)換為色譜圖，以備手動或自動定性、定量分析之用。概念色譜過程示意圖色譜是一種分離方法，物質(zhì)在流動相和固定相之間進行分配。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間以達到分離。氣固色譜(GSC)(GLC)流動相固定相氣態(tài)固態(tài)氣液色譜氣態(tài)液態(tài)分離是如何發(fā)生的GC基礎知識GC基礎知識色譜的熱力學理論--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）

H越小，柱效越高色譜的動力學理論—速率理論

ＶａｎＤｅｅｍｔｅｒ方程

A：渦流擴散項（多途徑造成）B：縱向擴散項C:傳質(zhì)阻力項

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

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

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

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

進針退針高沸點組分殘留減小熱進樣歧視現(xiàn)象的方法快速進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冷進樣概念樣品是在冷狀態(tài)--低于樣品沸點的溫度下進樣(依據(jù)溶劑)氣化室快速升溫使樣品氣化PTV進樣方式分流進樣(高濃度樣)無分流進樣(低濃度樣)大體積進樣—LVI(痕量分析)OCI柱頭進樣只適用于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），進樣量一般小于2ulSPL-無分流進樣和OCI以及

PTV-無分流進樣的比較(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進樣體積上限無分流進樣(SPL,PTV) 2uL高壓進樣(SPL,PTV)

5uL直接進樣（全量進樣） 3uL

用寬口徑毛細柱冷柱頭進樣（OCI）

2uLLVI-PTV進樣空襯管 10uL襯管+石英棉

50uL襯管+填料

大于 1000uL

進樣口的結構WBI進樣口毛細柱進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/不分流進樣口示意圖分流比：SPL.R＝F1:F2F1F2WBI進樣口示意圖用于：寬孔徑毛細管柱填充柱載氣毛細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：擔體和固定液的種類

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

毛細柱柱材：熔融石英、不銹鋼內(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

色譜柱的類型毛細柱主要類型PorousLayerOpenTubularWallCoatedOpenTubularPackedCapillary多孔層開口柱管壁涂漬開口柱毛細管柱管材熔融石英–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------有按沸點順序溶出傾向 極性固定液------沸點相同時，按極性由小到大 的順序溶出固定液的濃度或毛細管柱的膜厚

對低沸點化合物 高濃度（10%～30%) 高膜厚(1～5μm)

對高沸點化合物 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（超強極性）

BCEF 690名稱 △IBenzene

名稱 △IBenzene內(nèi)徑對毛細柱分離的影響0.22mmx25m膜厚對毛細柱分離的影響CBP1-W25-100膜厚1umCBP1-W25-500膜厚5um毛細柱的內(nèi)徑、膜厚及柱容量內(nèi)徑膜厚柱容量毛細管柱流量設定內(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

各公司常用毛細柱商品名及固定液對照表色譜柱的老化為什么必須進行色譜柱老化？

新色譜柱含有溶劑和高沸點物質(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，并在高溫段保持數(shù)小時。

新柱老化時，最好不要連接檢測器。每天都要進行老化嗎？

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?shù)墓潭ㄏ喾宓膶ΨQ性：吸附現(xiàn)象 評價：拖尾因子 對策：色譜柱進一步老化

MS基礎知識MS流程圖樣品進樣系統(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進樣

直接進樣直接進樣方式

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-分子反應減少背景干擾延長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并由出口排出干凈真空啟動和關機時間短價格昂貴

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)離子束在一定場強的磁場中運動時，其運動的曲率半徑Rm與離子的質(zhì)荷比m/z和加速電壓V有關，當加速電壓固定時，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:磁場強度磁質(zhì)量分析器飛行時間質(zhì)量分析器

飛行時間質(zhì)量分析器是一個長度一定的無場空間，離子經(jīng)加速電壓加速而進入分析器時，由于不同質(zhì)量的離子飛行速度不同，它們飛過一定距離所需的時間也不同，質(zhì)量小的離子飛行速度快先到達檢測器，質(zhì)量大的飛行速度慢后到達檢測器，因而可獲得質(zhì)量分離。飛行時間質(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成，相對的兩根桿連在一起。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對稱于z軸的電場分布。離子束進入電場后，在交變電場作用下產(chǎn)生了振蕩，在一定電場強度和頻率下，只有某種質(zhì)量的離子能通過電場到達檢測器，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)。當在引出電極上加負電壓脈沖，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的結構

離子源透鏡四極桿檢測器氣質(zhì)聯(lián)用使用的電離技術

電子轟擊電離（EI）

正化學電離（PCI）

負化學電離（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=豐富的結構信息

“指紋”俵e-ˉ

Mm1m3m2EIspectrum硬酯酸甲酯

M.W.298反應氣燈絲e-e-e-e-e-QPCH4

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

正化學電離（PCI）首先電離反應氣分子—》樣品分子主要由質(zhì)子轉(zhuǎn)移電離容易產(chǎn)生準分子離子—》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模式碎片分子量負化學電離(NCI)

燈絲e-e-e-e-反應氣樣品樣品捕獲電子形成負離子

MX+eˉ(0~15eV)-->MXˉ

X:

電負性強元素CH4eˉ

MXCH4+CH3+HCH4CH4CH4eˉ

MX_負化學電離(NCI)NCI質(zhì)譜圖六氯苯

M.W.284負化學電離(NCI)NCI的優(yōu)點適合分析電負性強的元素

高靈敏度

與

GC-ECD靈敏度相當高選擇性EIPCINCI馬拉松

(MW330)EI?PCI?NCI的比較

NCI-GC/MS和GC-ECD定量結果的比較重量

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方法進行前處理KOUJIN中有機氯農(nóng)藥的定量結果

（ppm）面積的重現(xiàn)性

離子源結構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，會導致離子進一步斷裂，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)量分析器方向運動。拉出極的電壓比排斥極負，吸引正電子向質(zhì)量分析器方向運動。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入質(zhì)量分析器。離子聚焦帶負電，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，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)修正相對強度修正MS調(diào)諧標樣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同位素無質(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達到最佳調(diào)節(jié)EM和峰寬達到最佳質(zhì)量軸校正GC-MS常用術語基峰：179分子離子：304質(zhì)荷比（m/z)質(zhì)譜圖（棒圖）GC-MS常用術語總離子流圖（TIC)TIC和MC（質(zhì)量色譜圖）GC-MS常用術語總離子流圖（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/zRetentiontime