GCMS原理介绍及其操作说明

GC/MS原理介紹及其操作說明中文名稱: 氣相層析質譜儀

英文名稱: Gas Chromatograph Mass Spectrometer

氣相層析質譜儀是氣相色譜與質譜儀的聯用技術,聯用技術是指兩種或兩種以上的分析技術在線結合起來,重新組合成一種以實現更快速﹑更有效地分離和分析技術.最常用的聯用技術是將分離能力最強地色譜技術與質譜或光譜檢測技術相結合.色譜法雖然具有高分離能力﹑高靈敏度和高分析速度等優點,但只憑色譜保留值難以對復雜物質中各未知物作出可靠的定性鑒定,一些光譜技術,如質譜、紅外光譜、核磁共振波譜等對未知化合物的結構有很強的鑒別能力.因此可以將再兩者的優越性結合起來,使每種聯用技術成為分析復雜混合物的有效方法,聯用技術在當今儀器領域中已成為一個很重要的發展方向.在這種聯用系統中,色譜儀相當於將純物質輸入各種譜學儀器的進樣裝置,如我們所用的質譜儀,由於質譜法的靈敏度高,掃描速度快,因此極適合與氣相色譜聯用,為柱後流出組份的結構鑒定提供確證的信息,而且使對含量處於ng級,在數秒鐘內流出的物質也可以鑒別.采用氣相色譜填充柱時,載氣流量達每分鐘十毫升,因此與高真空離子源極不匹配,為了解決此問題,必頇采用接口,即分子分離器,其基本原理是依據樣品分子與載氣分子的大小與性質不同,當柱後流出物進入分子分離器時,質量的小載氣分子擴散迅速,被大量抽除殆盡,爾質量大的組份分子絕大部分仍向前移動進入質譜儀,同時達到濃集組分的目的.采用開管柱後,流量降至1~2ml.min-1,因此可將開管柱出口直接插入質譜儀的離子源中.

從原理上講,幾乎任何質譜儀都可與氣相色譜儀聯用,四極質譜儀的掃描速度高,但分辨率及靈敏度要差一些,在這裡首先我將本中心使用的氣相層析質譜儀(Clarus 500)所用到的一些硬件在這裡作一介紹:

質量分析器帶予過濾四極桿的鉬金屬四極桿濾質器

質量范圍 1.0~1200 導爾頓(amu)

質量穩定性±0.1 m/z ,超過48 h

離子化模式EI電子轟擊離子化(Standard)

電子離子化電壓10~100 eV ,可調

真空泵系統250 L/Sec 空氣冷卻的分子渦輪泵,標配帶兩個真空計

抽真空時間< 3 min 達到空氣/水本底值

< 90 min 達到定量穩定性

檢測器全封閉光電倍增管

GC傳輸線毛細管色譜柱直接連接,傳輸溫度溫度從50~350℃,可

0.53 nm內徑毛細柱安裝,流量5ml/min.

離子源溫度獨立的加熱系統120~350℃

GC/MS樣品分析流程:

樣品微波處理Injector Carrier Gas C olumn (層析柱)傳輸線電離室

電

子

轟

擊

記錄系統檢測器質譜分析質量分析器產生離子

現在我們將本中心的GC/MS分解為兩部分來了解,即GC部分和MS部分,因為聯用技術就是聯合各儀器的優點,避免各儀器分析時存在的問題,達到分析定量定性的最優化狀態.

GC/MS由兩部分組成:

1. GC氣相色譜部分,它是作為質譜儀的進樣系統,同時也是樣品各組份進行分離的過程.

主要組成: a.兩個注射口 b. Column c.烘箱

2. MS 是儀器的檢測系統,收集樣品中各組份分離後的Peak與信號強度.

主要組成: a. 電離室 b.質量分離器c.離子檢測器 d.記錄系統

輔助氣體

N2保護MASS這一部分,當儀器關閉時, N2自動填充電離室,以防止空氣以及水汽進入,以確保下次開機燈絲的安全性.

He作為樣品的載氣,其質量小,分子擴散迅速,圖譜簡單,不會對樣品圖譜造成干擾.

GC的分離原理

色譜法(Chromatography)是一種分離分析方法,是利用各物質在固定相和流動

相中具有不同的分配系數,當兩相作相對運動時,這些物質在兩相中進行多次反復的分配來達到分離的目的.

具體過程是利用物質的沸點﹑極性以及吸附性等物理性質的差異來實現混合物分離,要使樣品分離,必頇具有流動相固定相及控制烘箱升溫的條件.汽化樣品被流動相(即載氣)帶入色譜柱,柱內含有固體固定相,樣品中各組份因其物理性質的差異,每種組份都傾向於流動相與固定相之間形成分配,結果造成在載氣中分配濃度大的組份先流出,爾在固定相中分配濃度大的組份後流出,從而將樣品得以分離.

(He) (He)

A+B

( a )

A

檢測器

( b )

注: A為重組份B為輕組份

圖一二組份混合樣的分離

(a)柱內洗脫過程; (b) 所記錄下來的色譜圖

在氣相的分離過程中主要遵循的是塔板理論,其是將一根色譜柱當作一個精餾塔,用塔板概念來描述組份在色譜柱內的分配行為,塔板概念是從精餾塔中借用來的,可以理解為極小的一段色譜柱.

將A 、B兩個組份看作是兩個質量相差較大的人,分離過程看作是兩個人的跑步比賽,讓它們跑相同的路程,開始前我們假設A 、B得到相同的能量,我們以動量作為衡量能量大小的標准,P = m*V,從這個公式我們不難看出,質量越小,其速度久越大,反之,速度就越小,所以質量最小的那個人最先到達終點,同樣當兩個質量不同的分子穿過一根固定長的毛細管時,在管口加相同的溫度,即分子得到相同的能量,質量輕的分子先出毛細管,即先被檢測器偵測到,出現一個波峰,以後依據分子量的大小依次出現其相應的波峰.

MASS的檢測原理:

質譜法(mass spectrometry) 是將樣品分子置於高真空中(<10-3Pa),並受到高速電子流或強電場等作用,失去外層電子而生成分子離子,或化學鍵斷裂生成各種碎片離子,然後在磁場中得到分離後加以收集和記錄,從所得的質譜圖推斷出化合物結構的方法, 質譜法具有分析速度快,靈敏度高以及可以提供樣品分子的相對分子質量和豐富的結構信息的優點, 質譜分析通常只要幾微克樣品,在最優化條件下,甚至只要10-12g樣品,這是解決只能獲得極微量樣品的分析的有效手段, 質譜法要求純樣的特點,使它的應用受到一定限制,但是質譜法與不同的分離方法聯用,特別是氣相色譜與質譜的聯用,已成為一種極強有力的可以分離和鑒定復雜混合物組成及結構的可靠手段.

質譜儀主要部件及其功能:

部件:

(1)樣品導入系統

(2)電離源

(3)質量分析器

(4)信號檢測和數據系統

功能:

(1)使樣品分子轉變成離子.

(2)通過電場使離子加速.

(3)按質量與電荷之比(簡稱質荷比m/z)分離離子.

(4)將離子流轉變成電信號