GCMS基础理论

1、.,GCMS基础知识,.,GCMS的基本流路图,GC,接口,MS,数据处理,真空系统,.,气相色谱仪的流动相-载气,高纯氦气（纯度99.999%以上）,.,MS流程图,样品,进样系统,离子源,真空系统,质量分析器,检测器,数据处理,GC进样直接进样,.,为什麽MS需要高真空,提供足够的平均自由程提供无碰撞的离子轨道减少离子-分子反应减少背景干扰延长灯丝寿命消除放电增加灵敏度,.,真空系统确保离子由离子源转移至检测器,ion,air,wateretc.,高真空,低真空,为什麽MS需要高真空,.,压力10-3-10-4Pa(平均自由路径5m-50m),排气系统,主泵,副泵,.,真空泵(主泵),涡轮

2、分子泵（Turbomolecularpump）,旋转叶片使气体分子向下移动并由出口排出干净真空启动和关机时间短价格昂贵,.,单泵排气系统和差动排气系统,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,.,Interface:GC和MS的连接部件,使用石墨垫圈密封（85%Vespel+15%石墨）,加热块,接口,.,MS的分类,磁质谱四极杆质谱飞行时间质谱(TOF)离子肼质谱,.,四极杆质量分析器,.,m/zVm：massnumberz：charge(=1inGCMS)k：constantV:voltageappliedtoQP,四极杆质量分析器,.,QP/MS的结构,离子源

3、,透镜,四极杆,检测器,气质联用使用的电离技术,电子轰击电离（EI）正化学电离（PCI）负化学电离（NCI）,.,电子轰击电离（EI）,e-,e-,e-,e-,e-,样品分子,灯丝,+,+,+,+,碎片离子,QP,电子轰击电离（EI）,热电子（70eV）轰击分子，使其电离丰富的碎片离子=丰富的结构信息“指纹”,EIspectrum硬酯酸甲酯M.W.298,.,反应气,灯丝,QP,CH4,CH5+C2H5+,样品分子,H+,-CH4,M+1,-C2H4,正化学电离（PCI）,正化学电离（PCI）,首先电离反应气分子样品分子主要由质子转移电离容易产生准分子离子用于确定分子量,+,PCIspectr

4、um硬酯酸甲酯M.W.298,.,EI和PCI的比较,EI模式,PCI模式,.,负化学电离(NCI),灯丝,e-,e-,e-,e-,捕获电子形成负离子,MX+e(015eV)-MX,X:电负性强元素,CH4,MX,CH4,+,CH3,+,H,CH4,CH4,CH4,e,MX,_,负化学电离(NCI),.,NCI质谱图,六氯苯M.W.284,负化学电离(NCI),.,NCI的优点,适合分析电负性强的元素高灵敏度与GC-ECD灵敏度相当高选择性,.,EI,PCI,NCI,Marthone(MW330),EIPCINCI的比较,.,NCI-GC/MS和GC-ECD定量结果的比较,按JP方法进行前处理

5、,.,面积的重现性,.,离子源结构,电离室透镜,.,电离室,永久磁铁灯丝靶电子聚焦,离子化过程：样品分子与电子相互作用，电子把能量给予样品。如果这个能量足够大，则化合物被活化，失去一个电子，产生一个正离子，我们称之为分子离子。电子的能量通常为70ev。如果样品分子离子含有剩余的能量，会导致离子进一步断裂，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，负离子撞击到离子源的其他部件上。,.,透镜,排斥极：使带正电荷的离子碎片向质量分析器方向运动。排斥极位于离子化室出口对面；它的极性与离子相同。排斥极帮助离子穿过透镜。拉出极：帮助带正电荷的离子碎片向质量分析器方向运动。拉出极

6、的电压比排斥极负，吸引正电子向质量分析器方向运动。拉出极是一个中心带有小孔的圆片。离子聚焦：如果没有其他部件，离子穿过拉出极后会发生散射，离子聚焦部件可以帮助离子成束状进入质量分析器。离子聚焦带负电，形成一个电场，即使离子聚成束，又防止聚焦部件捕获电子。入口透镜：位置紧挨四极杆，作用是使离子加速，并且抑制四极杆的边缘效应，防止离子外溢。,.,离子检测器,电子倍增器：从质量分析器出来的离子轰击电子倍增管的阴极表面，使其发射出二次电子，再由二次电子依次轰击一系列电极，使二次电子获得不断倍增，最后由阳极接受电流，使离子束信号得到放大。,.,MS调谐,灵敏度调节分辨率调节质量数修正相对强度修正,.,M

7、S调谐标样,PFTBA(全氟三丁胺),稳定可挥发碎片涵盖质量范围宽仅有C-13和N-15同位素无质量缺陷,.,PFTBA,relativem/zintensity69100.013126.021932.04142.05022.06140.2,.,MS自动调谐流程,寻找质量峰粗调EM电压和峰宽调节离子源部件使502达到最佳调节EM和峰宽达到最佳质量轴校正,.,GC-MS常用术语,基峰：179分子离子：304质荷比（m/z),质谱图（棒图）,.,GC-MS常用术语,总离子流图（TIC),TIC和MC（质量色谱图）,.,GC-MS常用术语,总离子流图（TIC),.,数据采集模式,Scan（扫描）SI

8、M(选择离子),massnumber,massnumber,Time,Time,Scan,SIM,(定性),(定量),.,Scan模式（定性）,m/z,Retentiontime,TIC:Scan,72,54,152,MS质谱图,.,SIM模式（定量）,灵敏度高于Scan模式,.,SIM(选择离子模式）,SIM主要用于定量分析只有特定质量数的离子被检测根据目标化合物选择合适的检测离子相当重要。灵敏度取决于所选择的检测离子。,数据采集模式,.,SIM模式（定量）,SIM的优点：提高灵敏度改善峰形改善精确度应用痕量分析复杂基质常规定量,.,原子质量和质量数,以12C质量12为单位来表示原子质量质量

9、数:整数表示,examplemassmassnumber1H1.0078252212H2.01410222212C12.000000001213C13.003355081314N14.003074401416O15.994915021618O17.9991599618,示例:水的质量数(H2O)1x2+16=18更精确的分子量1.00782522x2+15.99491502=18.01056546,.,分析方法计算方法,方法的建立,.,分析方法（仪器参数）,分析参数选择分析系统:进样方式、色谱柱等GC参数:载气流量、分流比、温度条件等MS参数:扫描模式：SCAN,SIM离子源：EI,PCI,N

10、CI检测器电压等,.,进样口、色谱柱、检测器的温度设定,进样口温度考虑样品中各组分的沸点，设定温度使样品瞬间汽化。色谱柱温度考虑样品中各组分的沸点，及希望的分析周期，宽沸程样品应使用程序升温。检测器温度防止检测器污染，一般比色谱柱温度高20-30。DET.TINJ.TCOL.T+20,.,恒温分析和升温分析的比较,恒温分析,升温分析,沸程窄时采用恒温分析恒温分析时，保留时间和碳数程指数关系,C8,C9,C10,C11,C8,C9,C10,C11,沸程宽时采用升温分析升温分析时，碳数和保留时间程比例关系基线调整困难，应确认空白是否有鬼峰出现。,.,计算方法（数据处理参数）,峰处理参数（WIDTH

11、,SLOPE,DRIFT,T.DBL等）定量参数定量方法：内标法、外标法、面积归一法等工作曲线的制作曲线点数：一点、两点及多点曲线计算：线性回归、折线、二次曲线、三次曲线定性参数：保留时间、时间窗、时间带,.,峰处理参数,去除高频噪声(电磁干扰）WH/2WIDTH/4控制数据采集速度，WIDTH/10采一次数据控制S.TEST时间，斜率测试时间为10WIDTH,WIDTH：设为最窄峰的半高宽，单位：秒,推荐值：填充柱5毛细柱23,.,判断峰起点滤除低平噪声（如蛇行等）SLOPE的确定：一般通过S.TEST进行，测定时间为10倍WIDTH的时间。特殊情况，可根据实际需要改变该值。,SLOPE：1

12、0倍WIDTH的所有信号的总和，用于：,峰处理参数,.,SLOPE值的手动设定,单位：uv/min,SLOPE,SLOPE,SLOPE峰斜率，作为峰计算,SLOPE峰斜率，作为噪声滤除,SLOPE峰斜率，积分不稳定，须手动设定,.,峰处理参数,DRIFT：判断相邻峰的积分方式,注：1）设定值为0时，积分仪将自动判断2）如DRIFT与基线至峰谷连线较接近时，积分可能不稳定，导致面积值变化较大，需加以注意。,.,DRIFT值的设定,DRIFT,DRIFT,DRIFT,DRIFT,DRIFT,DRIFT,.,峰处理参数,设定值为0时，自动判断；不使用时可设为1000T.DBL设定为某值时，SLOPE

13、和WIDTH按下图改变,T.DBL：峰展宽一倍所需要的时间,.,定性参数,保留时间允许误差：时间窗(WINDOW)，相对允差设定简单，但所测组分保留时间跨度大时，不易设定时间带(BAND)，绝对允差设定较繁，需逐个组分设定,绝对保留值、相对保留值、多参考保留值,.,定量参数,校正级别（曲线计算方法）单点校正（liner)两点校正（liner)多点校正线性回归点到点连线（折线）二次曲线三次曲线,.,单点校正,对每一组分仅做一个浓度的标样标样浓度应尽可能接近实际样品中各组分的浓度单点校正曲线通过原点,.,多点校正,对每一组分至少作三个不同浓度水平的校正标样浓度范围应包含实际样品中各组分的浓度多级校

14、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,.,定量方法,面积归一化法校正面积归一化法外标法内标法,.,定量方法（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。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。,.,面积归一化法,公式：,优点：1）无需做校正，简便，快速2）进样量不严格要求,缺点：1）所有组分都流出且被检测到2）所有组分的检测灵敏度都相同,.,校正面积归一化法,公式：式中：Fi为校正因子，Fi浓度（含量）/面积,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。优点：进样量要求不严格缺点：1）所有组分都流出且被检测到2）所有组分都需作校正,.,3.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.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。