气相色谱和质谱联用分析方法

气质联用检测技术的原理及应用培训内容第一章分析方法的选择第二章气质联用仪的原理和结构第三章气质联用仪的操作和要求第四章分析方法的评价第五章气质联用仪的应用第一章分析方法的选择基本思路1）根据课题要求，确定分析内容2）查阅资料根据目标化合物的理化性质、样品类型、标准、文献3）提出试验方案4）分析测定样品前处理仪器测定方法验证国内外常用的标准或法定方法Š中国国家标准、行业标准、地方标准Š美国环保局，EPA方法Š美国食品药品监督管理局，AOAC方法ŠFAO(联合国粮农组织)/WHO(世界卫生组织)法规Š日本方法Š欧盟标准GC-MS的选择原则z易挥发、半挥发、分子量小于500的化合物选择气相色谱法。z如是已知化合物，可以购到标准物质，选择气相色谱仪-配制普通检测器。z如是未知化合物，或者标准品暂时难以购到，选择GC-MS。z如果同时想了解同位素峰情况，选择GC-MS。GC和GC-MS技术特点GC定性：色谱峰的保留时间定量：色谱峰高或峰面积主要特点：高效的分离能力和更高的灵敏度，是分离混合物的有效手段。GC-MS定性：色谱峰的保留时间、质谱谱图定量：色谱峰面积主要特点：再具备普通气相特点的同时，还能给出化合物的分子量、元素组成、结构式及分子结构信息。样品分析过程样品采集样品前处理样品测试数据处理提取净化衍生浓缩具有代表性，保持目标物原有状态。色谱柱检测器类型及条件数据平行剔除异常值样品前处理关键点z原理主要是利用目标物与样品基质的物理化学特性差异，使其从样品基质中提取分离出来。z提取要求尽量完全地将目标物从样品中提取出来，同时又尽量少地提取出干扰性杂质。z净化要求在充分去除干扰杂质的同时，最大限度地减少目标物的损失。z衍生改造目标物性质，更适于气相色谱分析。z浓缩使上机溶液中目标物浓度达到分析仪器灵敏度以上。1）漂洗法--适用样本表面目标物易溶于水的性质。2）液-液萃取法--利用目标物在两种互不相溶液体中分配系数不同。如分液漏斗萃取液体样品。3）消化法----用消化液把试样消煮分解后，再用溶剂提取的一种方法。适用于测定动物组织样品或较稳定的目标物化合物。如电热消化、微波消解。4）液-固萃取法--利用目标物在不同溶剂中溶解度不同（固体样品）如索氏提取、超声萃取、微波萃取。5）柱色谱萃取法----利用目标物与固定相作用力不同（液体样品）。如固相萃取、固相微萃取。样品提取方法净化方法-1¾液液分配法利用样品中目标物和干扰物质在互不相溶的两种溶剂中的分配系数的差异进行分离。¾柱层析法利用目标物和干扰物质的吸附能力的不同而进行分离。常用的吸附剂有弗罗里硅土、中性氧化铝和硅胶。凝胶柱层析根据多孔凝胶对不同大小分子的排阻效应进行分离。¾磺化法浓硫酸与样品提取液中的脂肪、蜡质等干扰物质起磺化作用，从而和目标物分开。常用于有机氯农药。净化方法－2¾凝结剂沉淀法用凝结剂将脂肪和色素等杂质沉淀的净化方法，适用于极性较强，在水中有一定溶解度的农药。沉淀剂有醋酸铅、氯化铵和磷酸等。¾薄层层析法利用目标物和杂质在薄层板上的迁移速率不同而分离净化，常用吸附剂为硅胶和氧化铝。¾低温冷冻法利用脂肪或蜡质在低温下能够从丙酮等提取液中凝固析出而净化分离。气相色谱衍生化气相色谱衍生化目的：改造目标物性质，使之更适于气相色谱分析。包括挥发性、热稳定性、分子极性、灵敏度。衍生化的分子：含有活泼氢高极性基团，如：－COOH－OH；－SH；－NH2原理：用低极性基团取代活泼氢。举例举例：样品中脂肪酸测定：样品中脂肪酸测定酸酸--醇酯化法：羧酸类样品＋醇试剂→酯化反应：醇酯化法：羧酸类样品＋醇试剂→酯化反应：RR－－COOH+CH3OHCOOH+CH3OH→RR--COOCH3+H2OCOOCH3+H2O样品的浓缩‹氮气吹干仪‹旋转蒸发仪‹K-D样品浓缩器‹自然挥干法第二章气质联用仪的原理和结构气相色谱质谱联用仪（GC-MS）(gaschromatograph–massspectrometer)FinniganTraceGC/TraceMS(gaschromatogram–massspectrometer)Agilent6890GC/5973NMS气质联用仪的结构和组成zGC部分（常压）z接口部分zMS部分（高真空）z数据处理系统第一部分气相色谱部分（GasChromatography，GC）（常压）气相色谱仪组成载气系统进样系统分离系统检测系统数据处理系统N2He柱温箱色谱柱氮磷(NPD)氢火焰(FID)电子捕获(ECD)火焰光度(FPD)质谱（MS）色谱图进样口分流不分流气相色谱仪简易图oooooo空气H2N212346578ooooooooo空气H2N2123465781.载气系统2.进样系统3.色谱柱4.柱温箱5.检测器6.温度控制系统7.信号放大器8.记录与数据处理载气系统•载气种类:氮气,氦气,氢气,空气。（钢瓶，气体发生器）•载气要求:化学惰性，不参与对样品及固定相的反应；无毒；分子量小高纯，99.99%以上，纯度不够时需净化器净化。进样系统分流尾吹分流/不分流进样（split/splitlessinjection）分离系统z色谱柱色谱核心部件z柱温箱z温控系统控制气化器、色谱柱和检测器的温度；满足程序升温的需要。毛细管色谱柱固定液涂层极性柱极性柱中等极性柱中等极性柱弱极性柱弱极性柱非极性柱非极性柱内径：内径：标准毛细柱：标准毛细柱：0.25mm0.25mm；；宽口毛细柱：宽口毛细柱：0.32mm0.32mm；；大口径毛细柱：大口径毛细柱：0.53mm0.53mm。。长度：长度：15m;30m;50m15m;30m;50m。。色谱过程固定相流动相混合物中各组分－－理化性质不同－两相间分配系数不同(固定相对各组份的吸附或溶解能力不同（相似相溶）)－形成差速迁移－实现分离。色谱柱的选择基本步骤选择原则：相似相溶原理。即选择与目标物极性相似的色谱柱，使待测物质保留时间长，后出峰；杂质保留时间短，先出峰。规律：极性规律：高极性色谱柱－－低极性物质先出；低极性色谱柱－－高极性物质先出；碳数规律：同系物中，碳数低者先出；沸点规律：组分沸点相差大时，低沸点者先出。检测系统作用：将色谱柱流出各组分的浓度或质量转变成可测量的电信号。经放大传递给记录及数据处理系统。常用检测器ECD:电子捕获检测器,适用于含有Cl、Br等卤素的化合物NPD:氮磷检测器，适用于有机氮、有机磷化合物FPD:火焰光度检测器，－有机磷、有机硫化合物FID:氢火焰离子化检测器，－CH化合物MSD：质谱检测器气质联用数据处理系统1.根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。2.根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。3.根据色谱峰的面积或峰高,可以进行定量分析。第二部分接口部分（协调联用仪器输出和输入状态的硬件设备）z目的将GC部分气化的样品分子送入MS离子源电离。z分类直接接口(小内径毛细管柱)开口分流接口(大内径毛细管柱)z作用除去载气传输组分接口：(常压向高真空转化)第三部分质谱部分（MassSpectrometer，MS）（高真空）MS工作原理和构成气相色谱1.电子轰击EI2.化学电离CI1.四极杆2.离子阱3.飞行时间进样系统离子源质量分析器检测器高真空（1010--44~10~10--55PaPa））z经过气相色谱分离的各气态分子受离子源轰击，电离裂解成分子离子，并进一步碎裂为碎片离子。在电场和磁场综合作用下，按照m/z大小进行分离，到达检测器检测、记录和整理，得到质谱图，实现样品定性定量分析。1.电子倍增器2.光电倍增管质谱分析过程-2气质离子源分类z电子轰击源（electronimpact，EI）z化学电离源（chemicalionization，CI）电子轰击源(electronimpactEI)概述：气态分子受由阴极发射的电子流轰击，失去一个价电子成为带正电荷的分子离子，并进一步碎裂为碎片离子。（电子能量70eV，有机化合物的电离电位8-15eV）特点：1.由分子离子，可确定化合物的分子量。2.由碎片离子，可推断化合物的结构。3.有标准化合物质谱库进行比对4.有些样品得不到分子离子5.EI方式只能监测到正离子，负离子太弱不能监测到。z电离能量＜50eV时，离子产生率随着电离能量增加较快；z＝70eV时，增加趋于稳定；z＞70eV，几乎不变。z所以在70ev，谱图重现性好，可以建谱库。电子轰击源(electronimpactEI)为什么轰击电子流能量是70ev？电离效率70化学电离源(chemicalionizationCI)CH4+eCH4++2eCH4++CH4CH5++CH3结构与EI同，只是在离子化室引入CH4、异丁烷、NH3等反应气。以甲烷为例，灯丝发出的电子首先将CH4离解，其电离过程如下：生成的气体离子再与样品分子M反应：CH5++MCH4+MH+特点：9得到一系列准分子离子（M±1）+，（M+2）+等。9CI源碎片离子峰少，图谱简单，易于解释。9可检测负离子，灵敏度高。9谱图重现性差，故谱库中无CI源标准谱图。质量分析器四极杆质量分析器原理z离子从离子源出来后，沿着轴线方向进入四级杆中间的高频电场中。z满足一定要求的离子可以穿过四级杆到达检测器；其他离子则与四级杆相撞，放电被中和，被真空泵抽走。z有规律地改变所加电压或频率，就可使不同质荷比的离子依次到达检测器，实现离子分离。检测器（离子检测、信号放大接收装置）工作原理：由质量分析器出来的离子打击电子倍增器的阴极表面产生二次电子，二次电子经过一系列的倍增，最后由阴极输出电信号，记录不同离子的信息即得到质谱。MS在高真空状态工作的原因两级真空机械真空泵，低真空，＜10-1Pa。分子涡轮泵，高真空，＜10-4Pa。z提供无碰撞的离子轨道z减少离子-分子反应z减少背景干扰z延长灯丝寿命z增加灵敏度气质联用仪总体内部结构第四部分数据处理部分（信号输出和谱图获取部分）质谱扫描方式-1zFullScan：全扫描最常用的一种扫描模式，扫描的质量范围覆盖被测化合物的分子离子和碎片离子的质量，得到的是化合物的全谱，可以用来进行谱库检索。扫描质量起点和终点的选择，取决于待测化合物的分子量和低质量的特征碎片。质谱扫描方式-2zSIM：选择离子监测不是连续扫描某一质量范围，而是跳跃式地扫描某几个选定的质量，仅对感兴趣的质量进行分析。z优点：提高灵敏度、改善峰形、改善精确度谱图类型色谱图质谱图TotalIon色谱图FullScan质谱图SIM质谱图Mass色谱图Melamine质谱图常用术语Mw＝46基峰分子离子峰m/z相对丰度（RA）碎片离子峰质谱图--同位素离子峰1615m/zRA13.1121.0133.9149.2158516100171.1m/z例如：CH4M=1612C+1H×4=16M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子离子峰由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3……质谱图--碎片离子峰H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷碎片离子2040506070809014357712930858658正己烷质谱图（Mw86）一般有机化合物的电离能为8－15ev，质谱中常用的电离电压为70ev，多余的能量能够使结构裂解，产生各种“碎片”离子。第三章气质联用仪的操作和要求气质联用的测试流程待测样品待测样品58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBAABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)色谱分离质谱定性BACDcc样品准备适于测定的样品状