岛津气相色谱质谱仪教材课件

岛津岛津气相色谱气相色谱-质谱仪基础知识质谱仪基础知识岛津企业管理（中国）有限公司 分析中心 第一部分第一部分GCMS:气相色谱气相色谱/质谱联用仪质谱联用仪GC:气相色谱气相色谱（Gas Chromatograph）MS:质质 谱谱 （Mass Spectrometer）目的：分离样品组分目的：分离样品组分GC组成组成进样口(样品气化)色谱柱(分离)检测器(FID,MS,)样品载气离子源透镜系统四极杆检测器离子化离子聚焦质量分离离子检测MS组成组成真空系统质谱结构示意图质谱结构示意图离子源检测器四极杆分子涡轮泵电子透镜第二部分第二部分GC基础基础载气载气v 氦气：高纯，氦气：高纯，99.999%v 10%的钢瓶气保有量的钢瓶气保有量载气纯度的重要性载气纯度的重要性 载气不纯带来的问题：载气不纯带来的问题：v载气中氧的存在导致固定相氧化，损坏色谱柱，改变样品的保留值。v载气中水的存在导致部分固定相或硅烷化担体发生水解，甚至损坏柱子。v气体中有机化合物或其它杂质的存在产生基线噪音和拖尾现象。v气体中夹带的粒状杂质可能使气路控制系统失灵。v分流分流/不分流进样不分流进样v填充柱进样填充柱进样v冷柱头进样冷柱头进样v程序升温进样程序升温进样分流分流/不分流进样是不分流进样是GCMS最为常用的进样方式最为常用的进样方式GC进样方式进样方式 分流分流/不分流进样口结构不分流进样口结构F1F2 进样方式：进样方式：v 分流进样（Split）v 不分流进样（Splitless）导针器导针器载气载气O型圈型圈石墨垫圈石墨垫圈螺母螺母玻璃衬管玻璃衬管色谱柱色谱柱隔垫隔垫隔垫吹扫隔垫吹扫分流出口分流出口什么是分流进样什么是分流进样?46mL/min0.25mmI.D.x30m,df=0.25m1mL/min50mL/min47mL/minP分流3mL/min隔垫吹扫F分流比分流比 分流流量和色谱柱流量之比 当柱流量为 1mL/min、分流流量为 46mL/min-分流比46:1载气为什么要分流进样为什么要分流进样?()v 防止色谱柱过载防止色谱柱过载前沿峰v 减小色谱峰展宽减小色谱峰展宽为什么要分流进样为什么要分流进样?()0.25mmI.D.x 30m,df=0.25m1mL/min4mL/min载气 分流1mL/min3mL/min隔垫吹扫e.gSPL-2010(Split)25mm石英棉5-10mm(10mg)34mm分流进样注意点分流进样注意点_ _石英棉的装填石英棉的装填v避免分流歧视，提高重现性避免分流歧视，提高重现性v 不适合微量组分的分析（不适合微量组分的分析（g/mL以下）以下）v 未知样品分析时，初始分流比采用未知样品分析时，初始分流比采用50:1或者或者100:1v 使用分流衬管使用分流衬管v 正确装填石英棉正确装填石英棉v 定期更换分流出口的捕集阱定期更换分流出口的捕集阱分流进样操作要点分流进样操作要点什么是不分流进样？什么是不分流进样？（I）0.25mmI.D.x 30m,df=0.25m1mL/min50mL/min47mL/min载气 46mL/min 分流初始柱温：溶剂沸点-10度待机状态和进待机状态和进样后样后1min内内1mL/min0mL/min分流流路关闭后总流量变为4mL/min3mL/min（进样时间设为1min时）隔垫吹扫0.25mmI.D.x30m,df=0.25m1mL/min进样时的4mL/min1mL/minCarrier GasP0mL/min分流 50mL/min47mL/min46mL/min什么是不分流进样？（什么是不分流进样？（IIII）进样进样1min后打后打开分流流路开分流流路3mL/min隔垫吹扫分流流路分流流路1min后打开电磁阀的作用后打开电磁阀的作用n-C11n-C13n-C15n-C17n-C18n-C11n-C13n-C15n-C17n-C18进样后进样后1min打开电磁阀打开电磁阀未打开电磁阀未打开电磁阀进样时间内色谱峰展宽的影响进样时间内色谱峰展宽的影响0.25mmI.D.x 30m,df=0.25m1mL/min4mL/min载气载气 初始柱温：溶剂沸点-10度1mL/min0mL/min3mL/min隔垫吹扫隔垫吹扫如何减小色谱峰展宽：如何减小色谱峰展宽：1）溶剂聚焦效应2）高压进样分流溶剂聚焦效应溶剂聚焦效应进样口初始柱温：溶剂沸点初始柱温：溶剂沸点-10度度溶剂在柱头重新冷凝0.25mmI.D.x 30m,df=0.25m1mL/min9mL/min载气分流初始柱温：溶剂沸点-10度6mL/min0mL/min3mL/min隔垫吹扫高压进样高压进样待机状态和进待机状态和进样后样后1min内内（高压时间设为1min时）1mL/min6mL/min100Kpa250Kpa 进样进样1min后，柱压回到后，柱压回到100Kpa，柱流量恢复为柱流量恢复为1mL/minv主要用于分析微量组分（数十主要用于分析微量组分（数十 g/mL或更低）或更低）v使用不分流衬管或去活性不分流衬管使用不分流衬管或去活性不分流衬管v衬管中可装填少量石英棉以提高重现性衬管中可装填少量石英棉以提高重现性v如样品有强吸附性，最好不加石英棉如样品有强吸附性，最好不加石英棉v必须使用程序升温方式，初始温度低于溶剂沸点必须使用程序升温方式，初始温度低于溶剂沸点1020v建议使用高压进样方式建议使用高压进样方式v不适合气体样品和低沸点溶剂类样品的分析不适合气体样品和低沸点溶剂类样品的分析v不适合分析在溶剂峰之前出峰的组分不适合分析在溶剂峰之前出峰的组分不分流进样操作要点不分流进样操作要点注意事项注意事项-样品气化不完全样品气化不完全v 进样口温度过低，将导致高分子量化合物气化不完全，并且进样口温度过低，将导致高分子量化合物气化不完全，并且不能有效转移到色谱柱中。不能有效转移到色谱柱中。进样口温度：进样口温度：200进样口温度：进样口温度：300注意事项注意事项-样品分解样品分解v 进样口温度过高，导致热稳定性差的化合物分解。进样口温度过高，导致热稳定性差的化合物分解。进样口温度：280进样口温度：200注意事项注意事项-其他其他v谨慎选择进样量（小于2L)，避免样品溢出v采用大分流比分流进样时，建议开启载气节省功能v进水样时，因水的气化体积非常大，为避免水汽从衬管溢出，建议减少进样量（0.5L进样)v注意衬管中石英棉的用量和位置，以及和进样针的配合情况v分析高活性样品时，注意衬管和石英棉去活v分析较脏样品时，要增强衬管和石英棉检查的频度毛细管柱主要类型毛细管柱主要类型Porous Layer Open TubularWall Coated Open Tubular多孔层开口柱多孔层开口柱管壁涂渍开口柱管壁涂渍开口柱毛细管柱管材毛细管柱管材v 熔融石英熔融石英合成高纯石英合成高纯石英v外表面涂覆聚酰亚胺v内表面经化学处理v 不锈钢不锈钢v用于高温分析v最不易断裂v内表面经特殊处理固定相聚甲基硅氧烷固定相聚甲基硅氧烷CH3CH2CH2CH2CNCH2CH2CF3R=methylcyanopropyltrifluoropropylphenylsiloxanebackboneO Si O Si ORRRR固定相固定相“ms”or low bleed version苯基基团键合入硅氧烷聚合物主链苯基基团键合入硅氧烷聚合物主链Rtx-5msDB-5msBPX-5e.g.Si O SiRRRRSi O SiRRRR 温度稳定性更好温度稳定性更好固定相聚乙二醇固定相聚乙二醇HO CH2CH2O Hnv“WAX”or“FFAP”类固定液类固定液ve.g.Rtx-WAX,Stabilwax-DA，DB-FFAPv 温度稳定性比聚硅氧烷类差，最高使用温度低于聚硅温度稳定性比聚硅氧烷类差，最高使用温度低于聚硅氧烷类固定液氧烷类固定液常用商品化毛细柱对照表常用商品化毛细柱对照表固定液固定液类类型型RestekJ&WSGEAlltechMachereyNagel100%dimethyl polysiloxaneRtx-1Rtx-1msDB-1DB-1MSBP1AT-1AT-1MSOptima 195%dimethyl/5%diphenyl polysiloxaneRtx-5Rtx-5msDB-5DB-5MSBP5BPX5AT-5AT-5MSOptima 5 65%dimethyl/35%diphenyl polysiloxane Rtx-35Rtx-35msDB-35DB-35MSBPX35BPX608AT-35-50%dimethyl/50%diphenyl polysiloxaneRxi-17Rtx-50DB-17DB-608BPX50AT-50Optima 176%cyanopropylphenyl/94%dimethyl polysiloxaneRtx-1301Rtx-624DB-1301DB-624BP624AT-1301AT-624Optima 1301Optima 62414%cyanopropylphenyl/86%dimethyl polysiloxaneRtx-1701DB-1701BP10AT-1701Optima 1701trifluoropropylmethyl polysiloxaneRtx-200DB-200DB-210AT-210Optima 21050%cyanopropylmethyl/50%phenylmethyl polysiloxaneRtx-225DB-225BP225AT-225Optima 225polyethylene glycol(PEG)Rtx-WAXDB-WaxBP20AT-WAXCarbonWAXOptima WAXpolyethylene glycol 2-nitroterephthalateStabiwax-DADB-FFAPBP21AT-1000Optima FFAP固定相选择固定相选择v 选择与目标化合物极性相近的固定相选择与目标化合物极性相近的固定相(“相似相溶相似相溶”原则）原则）v-峰形和分离变好峰形和分离变好.分析非极性化合物非极性柱(e.g.Rtx-1)分析极性化合物极性柱(e.g.StabilWAX）v 按照分析目的选择固定相按照分析目的选择固定相当组分沸点差异大时：-非极性柱(e.g.Rtx-1)当组分沸点差异不大时，如异构体：-极性柱(e.g.StabilWAX）v 按所需分离状况选择按所需分离状况选择需要高分离时：-内径:细、长度:长柱分离已足够，要缩短分析时间时：-内径:粗、长度:短、膜厚：薄柱v 按分析目的选择按分析目的选择分析低沸点化合物时：-长度:长、膜厚：厚 柱 分析高沸点化合物时：-长度:短、膜厚:薄 柱柱内径、长度、膜厚选择柱内径、长度、膜厚选择 色谱柱固定相典型应用色谱柱固定相典型应用序号序号名称名称固定液名称固定液名称应应用用领领域（域（Restek GC 应应用数据集）用数据集）1Rtx-1100%dimethyl polysiloxane空气样品、芳香族化合物、氯氟烃类化合物、香精油类、脂肪酸、香味挥发物、香味化合物、烃类、有机磷农药、氧化物（醚、醇等）、臭氧前体、溶剂、含硫化物、挥发物2Rtx-595%dimethyl/5%diphenyl polysiloxane 醇类、联苯胺类、丁基锡类、消毒副产物、氯代烃类、有机氯农药、柴油中有机物、成瘾药物、香精油类、汽油中有机物、卤代乙酸、卤代醚类、烃类（易燃物）、亚硝胺类、硝基芳香烃类、PCBs、基本药物、酚类、多环芳烃、邻苯二甲酸酯类、硅氧烷、溶剂、类固醇类3Rtx-6246%cyanopropylphenyl/94%dimethyl polysiloxane挥发性化合物4Rtx-170114%cyanopropylphenyl/86%dimethyl polysiloxane丙烯酸酯、甲醛、有机氯农药、香味化合物、有机磷农药、药物（酸性/中性）、基本药物、溶剂5Rtx-WAXpolyethylene glycol(PEG)醛类、芳香族化合物BTEX、香精油、FAMEs（酸酯顺反化合物）、二醇类、溶剂6Stabiwax-DACarboWAX polyethylene glycol 脂肪酸（游离）、香味挥发物、有机酸、溶剂毛细管柱流量设定内径载气流入 MS大流量 真空度差柱内径柱内径 流量流量 0.25mm 1-2ml/min 0.32mm 2-4ml/min 0.53mm 10-15ml/min GCMS-QP2010 Ultra:允许最大流量：15 mL/min(EI方式）v 恒流控制恒流控制（使用填充柱和宽口径毛细管柱时使用填充柱和宽口径毛细管柱时)不管色谱柱温度如何变化，载气流量始终恒定 (柱温上升时柱头压力自动调整)v 恒压控制恒压控制(通常用于毛细管柱通常用于毛细管柱)载气柱头压力始终恒定 (柱温变化时柱内流速同时改变)v 恒线速度方式恒线速度方式（用于毛细管柱用于毛细管柱）柱内平均线速度维持不变 (色谱柱温度变化时柱压自动调整)载气控制方式载气控制方式HETP曲线（Rtx-1，30m，0.25mmi.d.，0.25m）线速度（cm/sec）柱箱 130，样品 n-C15H320.00.0200.0200.0400.0400.0600.0600.0800.0800.01000.01000.01200.01200.01400.01400.00 01010202030304040505060607070柱箱柱箱 130 130，样品，样品 n-Cn-C1515H H32 32，k=7.6k=7.6GCMS 使用 He N2HeH2载气线速度与理论塔板高度关系载气线速度与理论塔板高度关系理论塔板高度(m)恒线速度控制方式恒线速度控制方式0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5min02500050000750002.4652.9803.8334.0544.3344.5815.1140.51.01.52.02.53.03.54.04.5min02500050000750001.8672.3053.1173.3333.5943.8444.3310.51.01.52.02.53.03.54.04.5min02500050000750001.2651.6002.3322.4892.5382.7723.0333.512线速度线速度:15cm/s线速度线速度:20cm/s线速度线速度:30cm/s不同载气控制方式分离的区别不同载气控制方式分离的区别恒恒压压控制方式控制方式恒线速度控制方式恒线速度控制方式优点优点2：GC 和和 GC/MS 的保留时间的保留时间保持保持一致一致毛细管柱t0P进P出毛细管柱P进P出t1MSFID大气压真空柱入口压力相同，线速度在 MS 检测器侧快组分保留时间短。恒线速度控制方式恒线速度控制方式恒线速度控制方式恒线速度控制方式FIDMS采用采用恒线速度方式恒线速度方式 FID 和和 MS 检测器的检测器的 RT 相同相同！第三部分第三部分MS基础基础Interface（接口）接口）v接口接口:GC to MS的连接部件的连接部件接口色谱柱 质谱高真空使用石墨垫圈使用石墨垫圈 密封（密封（85%Vespel+15%石墨）石墨）加热块真空真空-另一重要因素另一重要因素 真空系统确保离子由离子源转移至检测器真空系统确保离子由离子源转移至检测器+离子空气、水等.高真空高真空低真空低真空真空泵真空泵(主泵主泵)Turbo molecular pump（涡轮分子泵涡轮分子泵）v旋转叶片使气体分子向下移动并由出口排出v干净真空v启动和关机时间短v价格昂贵 单泵排气系统和差动排气系统单泵排气系统和差动排气系统 v差动排气系统更有利于高流量分析差动排气系统更有利于高流量分析单泵排气系统差动排气系统高真空RPGCGCMS-QP2010 PlusIonization（离子化）离子化）v样品分子在离子源中离子化样品分子在离子源中离子化v根据样品条件不同根据样品条件不同(如气体或液体如气体或液体)，离子化方法也不同，离子化方法也不同v对气体样品来说有三种离子化方法对气体样品来说有三种离子化方法vEI(Electron Impact，电子轰击电离)vCI(Chemical Ionization，正化学电离PCI)vNCI(Negative Chemical Ionization，负化学电离)e-e-e-e-e-样品灯丝+碎片离子四极杆四极杆EI(电子轰击电离电子轰击电离)分子离子产生：分子离子产生：MeM+2ev 最常用的离子化方法最常用的离子化方法 v 开放式开放式离子源离子源v 产生大量产生大量碎片离子碎片离子EI概述概述 碎片和质谱图碎片和质谱图v分子受到电子分子受到电子（70eV）轰击，在较低能量的化学键处发生断裂轰击，在较低能量的化学键处发生断裂A-B-C-D e ABCD(molecular ion)2e-ABC+、D+AB+、CD+A+、BCD+每一化合物具有特定的质谱图：用于化合物识别（定性）(谱库检索)ADABCDABCBCDABCD基峰基峰分子离子fragment ions（碎片离子）俵e-M m1m3m2EI 谱图示例谱图示例m.w.78m.w.72 GCMS质量分析器质量分析器v 磁质量分析器磁质量分析器v 四极杆质量分析器四极杆质量分析器v 离子阱质量分析器离子阱质量分析器v飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器四极杆质量分析器四极杆质量分析器离子源四极杆检测器X光透镜m1+m2+m3+m1+m1/z=kV1m2/z=kV2m3/z=KV3m2+m3+11m/zVm：质量z：电荷(=1 in GCMS)k：常数 V：四极杆上的电压四极杆质量分析器四极杆质量分析器数据采集模式数据采集模式v 当电压扫描时，离子依次进入检测器。测定间隔默认为 0.5 secSCAN mode（扫描模式扫描模式）imeVm/z0.5sec0.5secV35V350SCAN质谱图图谱认识图谱认识TIC:Total Ion Chromatogram 总离子流图总离子流图MS:Mass Spectrum 质谱图质谱图MC:Mass Chromatogram 质量色谱图质量色谱图MIC:Mixed Ion Chromatogram 加和离子流图加和离子流图 （指定质量数范围内的（指定质量数范围内的“总总”离子流图）离子流图）MS（-六六六）TIC&MC501001502000.025.050.075.0100.0%18121911122151771471211566196133187169207色谱图和质谱图色谱图和质谱图m/zRetention timeSIM(Selected Ion Monitoring)mode-选择离子模式选择离子模式v SIM主要用于定量分析v 只有特定质量数的离子被检测v根据目标化合物选择合适的检测离子相当重要。v灵敏度取决于所选择的检测离子。TimeVm/z0.2secV85V97SIM数据采集模式数据采集模式80.085.090.095.0100.050100%9785质谱图SIM ModeRetention timem/z=72 m/z=152 m/z=54灵敏度高于灵敏度高于 Scan 方式方式常见干扰的碎片离子常见干扰的碎片离子MS的调整（调谐，的调整（调谐，Tuning）所有调整都可利用工作站软件完成所有调整都可利用工作站软件完成v灵敏度调整v分辨率调整v质量数校正v相对强度校正第四部分第四部分分析方法的建立分析方法的建立分析方法分析方法v 仪器参数仪器参数v GC参数:色谱柱、流量、温度等v MS参数:温度、检测器电压、扫描范围等v 数据处理参数数据处理参数v 积分参数：峰宽、斜率等v 定性参数：相似性检索谱库等v 定量参数：计算方法、校正级别、组分表等积分参数积分参数积分参数积分参数 峰宽：WIDTH 斜率：SLOPE 漂移：DRIFT 变参时间：T.DBL注：GCMS中主要采用质量色谱图定量，基本不用考虑漂移和变参时间。定量参数校正级别（曲线计算方法）校正级别（曲线计算方法）v 单点校正（liner)v 多点校正（两点和两点以上）v线性回归v点到点连线（折线）v二次曲线v三次曲线单点校正单点校正v对每一组分仅做一个浓度的标样对每一组分仅做一个浓度的标样v标样浓度应尽可能接近实际样品中各组分的浓度标样浓度应尽可能接近实际样品中各组分的浓度v单点校正曲线通过原点单点校正曲线通过原点多点校正多点校正v 对每一组分至少作两个不同浓度水平的校正对每一组分至少作两个不同浓度水平的校正v 标样浓度范围应包含实际样品中各组分的浓度标样浓度范围应包含实际样品中各组分的浓度v 多级校正有几种方式多级校正有几种方式 1.响应值随浓度变化不呈线性变化时，使用多线性校正（折线校正)或二次曲线、三次曲线 2.组分响应值随浓度变化呈线性变化时，使用最小二乘法，进行线性回归校正计算方法计算方法v面积百分率法面积百分率法v校正面积百分率法校正面积百分率法v外标法外标法v内标法内标法计算方法（一）计算方法（一）v面积百分率法（面积归一）面积百分率法（面积归一）各组分浓度以面积百分率表示，该结果可以确认大概的浓度，但有误差。v校正面积百分率法（校正面积归一）校正面积百分率法（校正面积归一）用重量响应因子对峰面积进行修正，用该法测定的浓度比前者准确，但前提是样品中所有组分都出峰，否则也有误差存在。这两种方法应用的必须条件是：1.样品中所有组分都出峰；2.所有峰面积计算必须准确。面积百分率法面积百分率法v不需标样v组分的灵敏度相近v得到大致浓度.(不能用于精确定量)未知样 组分 A峰面积100020005001000总面积:4500+=+10004500=22.2%组分A的浓度为：校正面积百分率法校正面积百分率法v需要所有组分的标样标样(等量组分混合)峰面积100015001000500+组分A的浓度为未知样组分A峰面积 100020005001000校正后的总面积:2417+=+相对灵敏度2321:相对灵敏度2 3 2 1 5002417=20.7%3.3.外标法外标法该法是应用最广泛的方法之一，其误差来源主要是进样误差，因此，分析前一定要做面积重复性（即进样重复性）实验。4.4.内标法内标法在样品中添加内标物，通过组分与内标峰的面积比，对组分进行定量。该方法减小了进样误差对定量结果的影响。计算方法（二）计算方法（二）v需要标样 v目标组分被检测到，就可定量v进样量的误差直接影响定量结果100浓度(ppm)1000峰面积峰面积70070未知样 1L 组分A 峰面积:700标样 1L（组分A 100ppm）组分 A峰面积:1000组分A的浓度为70ppm外标法外标法v需要标样和内标物。v目标组分和内标物被检测到，就可定量。v可减小进样量的误差对结果的影响。-定量结果最为准确v内标物必须准确添加入所有未知样品中。未知样+IS:100ppm1L组分 A1浓度比1.2面积比0.70.58标样 1L组分A:100ppm内标:100ppm组分 A峰面积12001000面积比1.2内标：IS内标：IS峰面积7001000面积比 0.7组分 A 的浓度为：未知样中的内标浓度:100ppmX浓度比:0.58=58ppm内标法内标法内标物的选择内标物的选择v内标物峰与试样中所有成分的峰完全分离。v内标物峰与目标成分峰保留时间不应差太远。v内标物具有与分析目标成分类似的化学性质。GCMS分析步骤（分析步骤（I）一、开机顺序一、开机顺序 Mpa之间。2、打开气谱电源开关。3、打开质谱仪电源开关。4、打开计算机。二、进入系统及检查系统配置二、进入系统及检查系统配置 1、双击GCMS real time analysis 图标，进入实时分析窗口。2、如需修改系统配置，单击助手栏中system configuration，设定系统配置，退出。三、系统启动三、系统启动1、单击助手栏中vacuum control图标 2、单击 Auto startup 按钮 四、方法编辑四、方法编辑 1、单击助手栏中的Date Acquisition图标后进入了方法编辑中，设定自动进样器、GC和MS的参数，保存方法。2、选择 Acquisition菜单下的Dowmload Initial Parameter下传参数 五、调谐五、调谐1、单击助手栏中的Tuning图标，进入调谐窗口2、系统检漏：单击Peak monitor view图标，在Monitor选项中选择Water,air组，打开灯丝，检查水峰、氮峰和氧峰。3、调协：新建调谐文件，点击Start Auto Tuning图标进行调谐，完成后保存调协文件六、样品测定操作六、样品测定操作 1、单击助手栏中Data Acquisition 中的 Sample login，登录样品信息2、单击Standby按钮，待GC、MS均Ready后，按Start按钮，进样分析。七、后处理操作七、后处理操作 1、双击GCMS Postrun Analysis 图标打开后处理窗口2、在Data explorer 窗口中双击要处理的数据文件名称3、打开数据后进行定性或定量处理 八、关机八、关机 1、日常关机：选择实时分析窗口中的Tools菜单中daily shutdown 2、完全关机：单击助手栏中的Vacuum control，单击Auto shutdown。GCMS分析步骤（分析步骤（IIII）谢 谢！