气相色谱质谱测定苯系物

气相色谱-质谱（GC-MS）法对苯系物的分离分析

一. 实验目的

（1）了解气相色谱-质谱联用仪的基本构造，熟悉工作站软件的使用；

（2）了解运用GC-MS仪分析简单样品的基本过程。

二. 实验原理

气相色谱法是利用不同物质在固定相和流动相中的分配系数不同，使不同化合物从色谱柱流出的时间不同，达到分离化合物的目的。在分离分析方面，其具有高效能、高灵敏度、高选择性、速度快、应用范围广和所需试样量少等优点。按不同的分类方法，可以分为：

1、按固定相聚集态分类：

（1）气固色谱：固定相是固体吸附剂，

（2）气液色谱：固定相是涂在担体表面的液体。

2、按过程物理化学原理分类：

（1）吸附色谱：利用固体吸附表面对不同组分物理吸附性能的差异达到分离的色谱。

（2）分配色谱：利用不同的组分在两相中有不同的分配系数以达到分离的色谱。（3）其它：利用离子交换原理的离子交换色谱：利用胶体的电动效应建立的电色谱；利用温度变化发展而来的热色谱等等。

3、按固定相类型分类：

（1）柱色谱：固定相装于色谱柱内，填充柱、空心柱、毛细管柱均属此类。（2）纸色谱：以滤纸为载体，

（3）薄膜色谱：固定相为粉末压成的薄漠。

4、按动力学过程原理分类：可分为冲洗法，取代法及迎头法三种。

质谱法是利用带电粒子在磁场或电场中的运动规律，按其质荷比（m/z）实现分离分析，测定离子质量及强度分布。它可以给出化合物的分子量、元素组成、分子式和分子结构信息，具有定性专属性、灵敏度高、检测快速等特点。

气相色谱-质谱联用仪兼备了色谱的高分离能力和质谱的强定性能力，可以把气相色谱理解为质谱的进样系统，把质谱理解为气相色谱的检测器。气相色谱-质谱联用仪的基本构成为：

质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作，以减少本底的干扰，避免发生不必要的分子－离子反应。质谱仪的高真空系统一般由机械泵和扩散泵或涡轮分子泵串联组成。机械泵作为前级泵将真空抽到10-1－10-2Pa ，然后由扩散泵或涡轮分子泵将真空度降至质谱仪工作需要的真空度10-4－10-5Pa 。虽然涡轮分子泵可在十几分钟内将真空度降至工作范围，但一般仍然需要继续平衡2小时左右，充分排除真空体系内存在的诸如水分、空气等杂质以保证仪器工作正常。

气相色谱－质谱联用仪的进样系统由接口和气相色谱组成。接口的作用是使经气相色谱分离出的各组分依次进入质谱仪的离子源。接口一般应满足如下要求：(a)不破坏离子源的高真空，也不影响色谱分离的柱效；(b)使色谱分离后的组分尽可能多的进入离子源，流动相尽可能少进入离子源；(c)不改变色谱分离后各组分的组成和结构。

离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，汇聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。其性能直接影响质谱仪的灵敏度和分辨率。离子源的选择主要依据被分析物的热稳定性和电离的难易程度，以期得到分子离子峰。电子轰击电离源（EI ）是气相色谱－质谱联用仪中最为常见的电离源，它要求被分析物能气化且气化时不分解。

质量分析器是质谱仪的核心，它将离子源产生的离子按质荷比（m/z ）的不同,在空间位置、时间的先后或轨道的稳定与否进行分离，以得到按质荷比大小顺序排列的质谱图。以四极质量分析器（四极杆滤质器）为质量分析器的质谱仪称为四极杆质谱。它具有重量轻、体积小、造价低的特点，是目前台式气相色谱信号处理器

进样系统

离子源 真空系统 质量分析器 检测器

GC / DI 样品

－质谱联用仪中最常用的质量分析器。

检测器的作用是将来自质量分析器的离子束进行放大并进行检测，电子倍增检测器是色谱－质谱联用仪中最常用的检测器。

计算机控制与数据处理系统（工作站）的功能是快速准确地采集和处理数据；监控质谱及色谱各单元的工作状态；对化合物进行自动的定性定量分析；按用户要求自动生成分析报告。

标准质谱图是在标准电离条件——70eV电子束轰击已知纯有机化合物得到的质谱图。在气相色谱－质谱联用仪中，进行组分定性的常用方法是标准谱库检索。即利用计算机将待分析组分（纯化合物）的质谱图与计算机内保存的已知化合物的标准质谱图按一定程序进行比较，将匹配度（相似度）最高的若干个化合物的名称、分子量、分子式、识别代号及匹配率等数据列出供用户参考。值得注意的是，匹配率最高的并不一定是最终确定的分析结果。

本实验中待分析样品为苯系物，各组成物质的沸点见表1.混合样品经GC分离成一个一个单一组份，并进入离子源，在离子源样品分子被电离成离子，离子经过质量分析器之后即按m/z顺序排列成谱。经检测器检测后得到质谱，计算机采集并储存质谱，经过适当处理可得到样品的色谱图、质谱图等。

表1 甲醇和苯系物沸点

甲醇苯甲苯二甲

苯

沸点(℃) 64.8 80 110.8 144

对于沸点不同的物质，在进行气相色谱分离时，沸点低的先出峰，也就先被质谱仪检测到，而沸点高的后出峰，后被质谱仪检测到。

三. 仪器和试剂：

（1）Agilent 6890-5973N GC-MS仪（安捷伦科技有限公司）；

（2）HP-5 MS 色谱柱；

（3）0-5mL移液器(Transferpette, 德国BRAND 公司)；

（4）0.45μm的有机相微孔膜过滤器；

（5）苯、甲苯、二甲苯（分析纯），甲醇（色谱纯）；

（6）容量瓶

（7）10μL 的进样针

四. 实验内容与步骤：

1）分别用移液器取1ml 苯、甲苯、二甲苯混合后，用甲醇稀释1000倍后待用；

2）用移液器取2ml 稀释液，使用0.45μm 的有机相微孔膜过滤器后，转移至标准样品瓶中待测；

3）设定好GC-MS 操作参数后，可进样分析：

4）设置样品信息及数据文件保存路径后，按下“Start run”键，待“Pre -run”结束，系统提示可以进样时，使用10μl 进样针准确吸取1μl 样品溶液（不能有气泡）。将进样针插入进样口底部，快速推出溶液并迅速拔出进样针，然后按下色谱仪操作面板上的“start”按钮，分析开始。

五. 色谱条件

进样口温度：250℃； 质谱离子源温度：230℃；

色质传输线温度：250℃； 质谱四极杆温度：150℃；

柱温： 20C/min 5C/min 60C(2min)100C 120C(3min)︒︒︒−−−−→︒−−−→︒

载气流速: 1.2ml·min -1；

进样量：1μl ； 分流比：10:1。

溶剂延迟：1.5分钟

六. 实验结果与数据处理：

1） 未分流得到的色谱图：

键可得相应的质谱图；）

将未分流和分流的色谱图对照可以看出，未分流得到的色谱图的色谱峰规则性较差，且峰较宽，分离效果不是很好；这是因为未分流时由于进样量较大，不在仪器合适的检测范围内，导致检测分离效果不好。因此，在进行气相色谱实验实验时，要根据情况进行分流，并采用合适的分流比。

3) 在质谱图中，双击鼠标右键，得到相应的匹配物质，根据匹配度可对各峰

定性；列出所有的物质，并结合其他知识确定各峰所对应的具体物质名称；

第一个峰：

综合匹配度和荷质比等相关因素，可以得知第一个峰是苯的峰。

第二个峰：

根据匹配度、荷质比和所加物质等因素，可以判断第二个峰是甲苯的峰。

第三个峰：

1）

2）

根据最佳匹配度判断，第二个峰应该是乙苯，但由于所加物质中没有乙苯，且匹配度并不是判断结构的唯一标准，故综合多方面因素可以判断第三个峰应该是对二甲苯。

第四个峰：

从色谱图上可以看出，第四个峰特别高，面积很大，而且与第3、5两个峰相距较近，难以分离，其他物质在此处也可能有加大的峰，因此其可能不是单一物质的峰。根据质谱图判断，结果正是如此，无法确定其最合适的结构。

第五个峰：

1）

2）

单纯根据匹配度判断，该峰应该是间二甲苯的峰，但综合多方面因素判断，实际上该峰应该是邻二甲苯的峰。

由此可以判断，第四个峰其实应该是间二甲苯，但是其峰的形成还含有其他多种物质的色谱峰。

4)绘制样品的总离子流色谱图，给出色谱峰定性结果（含质谱检索结果、物

质名称、保留时间）

其中，第一个峰是苯的峰，保留时间是2.778min；

第二个峰是甲苯的峰，保留时间是3.588min；

第三个峰是对二甲苯的峰，保留时间是4.558min；

第四个峰主要是间二甲苯的峰，保留时间是4.657min；

第五个峰主要是邻二甲苯的峰，保留时间是4.934min。

5)SIM模式下得到的色谱图。

荷质比为91的色谱图：

由SIM模式下的色谱图可以看出，一种荷质比并不只有一个峰，因此在全离子扫描模式下的分析结果是可能的。

七. 思考题

1．GC-MS仪是如何得到总离子流色谱的？除此之外，使用GC-MSD，我们还能获得哪几种色谱图，它们各有什么特点？

将混合物溶液通过气相色谱仪后，各种物质由于保留时间不同得到分离，然后依次进入质谱仪被电离，到达检测器被检测出荷质比，因此就得到了总离子流色谱。

1）质谱图：可由总离子色谱图得到，一般由色谱峰峰顶处得到相应质谱图，但如果两个色谱峰有相互干扰，应尽量选择不发生干扰的位置得到质谱，或通过扣本底消除其他组分的影响。

2）质量色谱图（或提取离子色谱图）

由质谱中任何一个质量的离子也可以得到色谱图，即质量色谱图。质量色谱图是由全扫描质谱中提取一种质量的离子得到的色谱图，因此，又称为提取离子

色谱图。可以用于识别具有某种特征的化合物，也可以通过选择不同质量的离子做质量色谱图，使正常色谱不能分开的两个峰实现分离，以便进行定量分析，进行定量分析时也要使用同一离子得到的质量色谱图测定校正因子。

3）选择离子扫描色谱图：

选择某一荷质比进行扫描，得到该荷质比的色谱图，具有很好的定量功能，但由于所含信息不全，无法进行库检索，故几乎不能用于定性。

2．绘制某一保留时间处苯、甲苯的质谱图，分析它们主要产生了哪些离子峰。查阅质谱电离过程中分子碎裂的机理，写出苯、甲苯可能的分子碎裂过程。

由图可知，只要产生的离子的荷质比为（只考虑苯与甲苯）：92、91、79、78、77、63~65、50~53、39等；分析可知主要为

C7H7+：

CH 2+

、荷质比65 ：

荷质比为39：

等。可能过程如下：

3．解释：溶剂延迟（Solvent Delay）、分流比。

溶剂延迟：在进行气质联用时，由于开始出来的主要是溶剂，而大量的溶剂会使得质谱仪的灯丝损耗严重，严重时可能导致烧毁，故为了延长灯丝寿命，采取在气相色谱流出一段时间后再打开质谱仪测定质谱图，这就是溶剂延迟。

分流比：将加入色谱仪中的样品中的一部分分出弃去不用，只将余下部分进入毛细管柱，其中弃去部分：留下部分即为分流比。

4．气相色谱适用于分析哪些样品，请举例说明。

适用于分析易挥发或易于载气作用的样品，且不能与载气或固定相反应。多用于易挥发的有机化合物的分离分析等。如：简单物理性质相近的有机混合物的分离和分析等。

注意事项

1）进样时要排尽气泡；

2）进样时要快，不要使进样针在进样口里停留太久。