气相质谱原理和应用介绍
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可安装多达6个EPC 背压控制(新的PCM)
更快的降温速度
微流技术
安捷伦仪器实用软件
GC/MS 气相色谱四极杆质谱联用
载气(He, H2 )
离子源 •离子化
平均自由程
碰撞
Quad 1 质量分析器
长
MS
Page 5
检测器
FY10 Food Tour Agilent
电子轰击源（EI）-用于气质联用仪
空中时间 SIM 循环时间
TIME
扫描类型: MS1 Scan 全扫描
• 第一根四极杆MS1进行质谱全扫描 • 碰撞池中通有碰撞气体，但没有施加碰撞能量 • 第二根四极杆MS2处于RF Only的状态，不进行质量过滤，所有的离子能通过 这根四极杆，所以也叫Transmission of Total Ion （TTI）。
单四极杆质谱的工作原理
U V cos2ft
U V cos2ft
U：直流电压 V：射频幅值
与极棒碰撞，信号消失 特定m/z的离子到达离子检测器
操作模式： SCAN：采集设定范围内的质谱图，
用于定性分析 SIM：只采集设定m/z的离子信号，
用于定量分析
GCAPCI 源
1）对电负大的化合物可分析，使用范围非常小。 2）EI源得到标准的谱图，可到NIST 谱库中检索。而APCI源的谱图没有可以匹配的 库，都得靠解析，一般用户不能使用 3) 没有高分辨库，不能做筛查。 4) 不能接GCXGC
通过 CID会产生碎片，碎裂过程如下：
ABCD+
ABC+ + D (中性碎片)
电荷保留在质子亲和势较高的碎片上。
2 1
MS/MS (CID) 过程
前体 (母) 离子
从
四
极 杆
+
碰撞气体
动力学能量 N N
EI 离子 前体离子
N2 分子
产品 (子) 离子
N
M2+
到
N
四
极
M1+ 杆
M3+
离子碎片 产品离子
离子源 电离
四极杆1 六极杆 2 质量分析 碰撞池
四极杆2 质量分析
检测器
QQQ 扫描方式
• Scan 全扫描 • SIM 选择离子监测 • Daughter (product) ion scan 子离子扫描 • Parent (precursor) ion scan 母离子扫描 • MRM (Multiple Reaction Monitoring) 多反应监测 • Neutral loss scan 中性丢失扫描
2n 4 4
MS/MS在MS失败处成功
Page 17
GC/MS 单四极杆SIM
干扰基质峰=化学噪音
GC/MS 三重四极杆MRM
梦想中的色谱图: 平坦基 线上尖锐的色谱峰
FY10 Food Tour Agilent
三重四极杆气质在农药残留分析中的优势
• 有效排除基质的干扰,提高灵敏度和选择性 • 可简化样品前处理的步骤,节省单个样品的分析费用. • 灵明度明显提高,通常情况下会比单四极杆高1个数量级 • 完全满足欧盟法规的要求,完全满足定性确认.
Scan 全扫描
MS1
Scan
碰撞池
MS2
TTI
m
m
SIM (Single Ion Monitoring) 选择离子监测
MS1
碰撞池
MS2
SIM
TTI
m
m
m
Product Ion Analysis
子离子扫描
MS1
碰撞池
MS2
SIM m1
Scan m13 m12 m11
Precursor Ion Scan
碰撞气(Ar, N2, He)
离子源 •离子化
平均自由程
Quad 1 质量分析器
长
Quad 2 碰撞池
短
Quad 3 质量分析器
长
检测器
碰撞
No
Yes
No
MS
MS
硬件与单四极杆的主要区别:增加了碰撞池和一根四极杆.
Page 12
FY10 Food Tour Agilent
MS/MS消除了Scan和SIM时的干扰
• 形成加合离子
– C2H5+ + M [M + C2H5]+ – C3H5+ + M [M + C3H5]+
• 电荷转移形成分子离子
M+29 加合离子 M+41 加合离子
– CH4+ + M M+ + CH4
• 去氢过程 (M-1)
– C3H5+ + M C3H6 + [M-H]+ – 对于饱和烃效果很好
Page 13
FY10 Food Tour Agilent
MS/MS保证了最低的检出限
EI: 质谱图中每个离子来源于目标化合物，基质， 柱流失，载气和碰撞气杂质等
Q1 SIM
在碰撞气按分 离出母离子
产物离子2
产物离子3
产物离子1
化学噪音被消除了
CID + Q2 SIM
更低m/z的产物离子在零 化学噪音的情况下定量
欧盟法规96/23/EC- 4点法则
实验技术
GC-MS(EI or CI) GC-MS(EI or CI) GC-MS(EI or CI)2个衍生物
LC-MS GC-MS/MS LC-MS/MS GC-MS/MS LC-MS/MS LC-MS/MS/MS
HRMS GC-MS+LC-MS GC-MS+HRMS
M + X- (M-H)- + XH M + X- M- + X M + X- MXAB + X- BX + A-
• PCI • 适合很大部分化合物 • 提高灵敏度
• NCI(ECNI)适合分析
• 含卤素原子化合物 • 亲核性:I <Br <Cl < F • 提高灵敏度 • 若无含卤素原子,可用PFTBA,
• CH4+ + CH4 CH3 + CH5+ • CH3+ + CH4 H2 + C2H5+
– CH5+ C2H5+ 占主要比例
• 最后: 反应离子与样品分子发生分子-离子反应,通过质子交换,使样品分子电离
• 形成准分子离子 (M+1)
– CH5+ + M CH4 + MH+ – M+1 可继续裂解,形成更复杂的图谱
Page 14
FY10 Food Tour Agilent
单级质谱SIM与二级质谱MRM的选择性对比
检测限提高：MRM 的检测限远大于SIM的 结果 !
检测限 （ng/mg） MDA MDMA MDEA BDB MBDB
SIM-MS MRM-MS/MS
0.03
0.01
0.13
0.03
0.19
0.04
碰撞池中的CID
第一质量分析器（Q1）选择某一质荷比的离子进入碰撞池（Q2）。 被选择的离子在池里与碰撞气体（氮气）碰撞，经过CID产生的子离子 （碎片）由第二个质量分析器（Q3）进行扫描分析。
HARDWARE:
Байду номын сангаасMa+ Mb+ Mc+ Md+
API
Ma+
Ma+
M1+ MM23++ M1+ - M2+ - M3+
CI和EI: 选择4个离子得4分
粒子个数
N 2(EI)+2(CI) 2(衍生物A)+2(衍生物B)
N 1个母离子+2个产物离子 1个母离子+2个产物离子 2个母离子各有一个产物离子 2个母离子各有一个产物离子 1个母离子,1个产物离子，2个次级产
物离子
N 2+2 2+1
鉴定点（分数）
N 4 4 N 4 4 5 5 5.5
10
安捷伦专利的拉伸极离子源设计，有效提高传输效率， 提高灵敏度
早期离子源仅有推斥极设计
Page 11
现有离子源有推斥极和拉出极设计
FY13 Dalian meeting Agilent
GC/MS Triple Quad (QQQ) for GC/MS/MS 气相色谱三重四极杆质谱联用
载气(He, H2 )
0.07
0.02
0.18
0.03
MDA = DL-3,4-methylendioxyamphetamine MDMA = DL-3,4-methylendioxymethyl-amphetamine MDEA = DL-3,4-methylendioxyethyl-amphetamine BDB = DL-3,4-methylendioxyphenyl-2-butanamine MBDB = DL-N-methyl-1-(3,4-methylendioxy-phenyl)-2-butanamine
该过程应对样品蒸气有 最小影响。
色谱柱
实现样品组分的分离。
检测器
对流出柱的样品组分进 行识别和响应。
数据系统
将检测器的信号转换为 色谱图，并进行定性、 定量分析。
进样口 载气
色谱柱
检测器 数据系统
GC7890B
7693自动进样器
第三个检测器 (TCD) ALS 交叠进样 易于维护的进样口
第五代EPC控制精度 1/1000 psi
母离子定量
1 全扫描 scan，确认/得到化合物特征离子质量数 2 选择离子监测 SIM 定量
母离子扫描
MS1
碰撞池
MS2
Scan
m1 m2
SIM
m3
Constant Neutral Loss
中性丢失扫描
MS1
碰撞池
MS2
Scan
m3 m2 m1
Scan
m3-x m2-x m1-x
MRM (Multiple Reaction Monitoring) 多反应监测
MS1
碰撞池
MS2
SIM
SIM
Q1
Q2
Q3
(Collison Chamber)
Detector
四极杆的基本扫描模式SCAN与SIM比较
SCAN数据采集
四极杆 电压
(amu)
扫描时间 扫描循环时间
空中时间
TIME
SIM 数据采集
SIM mass 1
Dwell tim e
四极杆 电压
(amu)
SIM mass 2
SIM mass 3
18
三重串联四极杆 QQQ
载气 (He, H2 )
碰撞气 (Ar, N2, He)
离子源 电离
四极杆 1 质量分析
六极杆2 碰撞池
四极杆 3 质量分析
检测器
母离子的选择 母离子的碎裂 碎片离子的质量分析
什么是碰撞诱导解离(CID)
通过与中性分子碰撞将能量传递给离子的过程。能量传递足以导致键 的开裂和离子的重排。
• 既然母离子和干扰离子相同，那么母离子不 应该用于离子比率或者定量。
开发定量方法的逻辑顺序
子离子定量
1 全扫描 scan，确认/得到 化合物母离子质量数 2 子离子扫描 product ion scan，优化碰撞能量（collision energy），得到/选择/优化子
离子的响应 3 多反应监测 MRM 定量，使用已优化好的 碰撞能量（collision energy）。
m1
mx
MRM: 对于复杂样品来说选择性更好
EI-SIM
干扰 分析物e
产品 2 产品 3
EI-MS/MS
产品 1
干扰
母离子
单位质量分辨率
• 母离子的选择性和SIM相同。
• 选择性和质谱的分辨率呈正比 • 对于具有相同m/z的离子没有选择性.
• 至少一个产品离子是母离子独特的分解产物 而不是干扰物。
CI—化学电离技术
• 正化学离子化 (PCI)
• 质子转移 M + BH+ MH+ + B
• 电荷交换
M + X+• M+• + X
• 亲电加成 M + X+ MX+
• 阴离子吸附 AB + X+ B+ + AX
• 电子捕获化学离子化 (ECNI)
• 质子转移 • 电荷交换 • 亲核加成 • 亲核释放
气相质谱
1
内容介绍 1）气相色谱基本组成 2)气相色谱三重四极杆质谱的优势和工作原理介绍 3) 气相色谱三重四极杆质谱在食品安全中的应用
2
气相色谱仪的主要组成部分
气体 载气 用于传送样品 通过整个系统的气体。 检测器气体 某些检 测器所需的支持气体, 如 FID需要氢气、空气。
样品引入 将样品蒸气引入载气，
MFTBA衍生化 • 缺点:
– 不是所有汽化化合物都能产生 NCI谱
– 重复性存在问题
CI—化学电离技术过程
• 第一步: 反应气的电离和裂解如CH4
• CH4 + e- CH4+ + 2e• CH4+ CH3+, CH2+, CH+ , H+ , H2 • 第二步: 反应气电离的离子与反应气分子发生分子-离子反应,生成反应离子
单级质谱
选择性正比于质谱分辨率 无法分辨具有相同m/z的离子
干扰物
目标物
单位质量分辨率
三重四极杆质谱
母离子选择性与单级质谱相同，但是 监测的产物离子是母离子的特征离子， 与结构有关，而干扰物由于结果不同
不会产生同样的产物离子
产物离子2
产物离子3
产物离子1 干扰物
目标物
*由于基体的浓度要远远高过目标化合物，所以基质的同位素峰 (A+1, A+2, 等) 也可能 对目标物产生干扰，可依据同样的原理消除这种干扰
扫描
没有碰撞气
Abundance 100 90 80
THC TMS derivative 73
371 386
70
315
TTI （全通过）
60 50
40
30
20 43
10
58
95 119 135
343 219 246265 289 195
0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 m/z-->
更快的降温速度
微流技术
安捷伦仪器实用软件
GC/MS 气相色谱四极杆质谱联用
载气(He, H2 )
离子源 •离子化
平均自由程
碰撞
Quad 1 质量分析器
长
MS
Page 5
检测器
FY10 Food Tour Agilent
电子轰击源（EI）-用于气质联用仪
空中时间 SIM 循环时间
TIME
扫描类型: MS1 Scan 全扫描
• 第一根四极杆MS1进行质谱全扫描 • 碰撞池中通有碰撞气体，但没有施加碰撞能量 • 第二根四极杆MS2处于RF Only的状态，不进行质量过滤，所有的离子能通过 这根四极杆，所以也叫Transmission of Total Ion （TTI）。
单四极杆质谱的工作原理
U V cos2ft
U V cos2ft
U：直流电压 V：射频幅值
与极棒碰撞，信号消失 特定m/z的离子到达离子检测器
操作模式： SCAN：采集设定范围内的质谱图，
用于定性分析 SIM：只采集设定m/z的离子信号，
用于定量分析
GCAPCI 源
1）对电负大的化合物可分析，使用范围非常小。 2）EI源得到标准的谱图，可到NIST 谱库中检索。而APCI源的谱图没有可以匹配的 库，都得靠解析，一般用户不能使用 3) 没有高分辨库，不能做筛查。 4) 不能接GCXGC
通过 CID会产生碎片，碎裂过程如下：
ABCD+
ABC+ + D (中性碎片)
电荷保留在质子亲和势较高的碎片上。
2 1
MS/MS (CID) 过程
前体 (母) 离子
从
四
极 杆
+
碰撞气体
动力学能量 N N
EI 离子 前体离子
N2 分子
产品 (子) 离子
N
M2+
到
N
四
极
M1+ 杆
M3+
离子碎片 产品离子
离子源 电离
四极杆1 六极杆 2 质量分析 碰撞池
四极杆2 质量分析
检测器
QQQ 扫描方式
• Scan 全扫描 • SIM 选择离子监测 • Daughter (product) ion scan 子离子扫描 • Parent (precursor) ion scan 母离子扫描 • MRM (Multiple Reaction Monitoring) 多反应监测 • Neutral loss scan 中性丢失扫描
2n 4 4
MS/MS在MS失败处成功
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GC/MS 单四极杆SIM
干扰基质峰=化学噪音
GC/MS 三重四极杆MRM
梦想中的色谱图: 平坦基 线上尖锐的色谱峰
FY10 Food Tour Agilent
三重四极杆气质在农药残留分析中的优势
• 有效排除基质的干扰,提高灵敏度和选择性 • 可简化样品前处理的步骤,节省单个样品的分析费用. • 灵明度明显提高,通常情况下会比单四极杆高1个数量级 • 完全满足欧盟法规的要求,完全满足定性确认.
Scan 全扫描
MS1
Scan
碰撞池
MS2
TTI
m
m
SIM (Single Ion Monitoring) 选择离子监测
MS1
碰撞池
MS2
SIM
TTI
m
m
m
Product Ion Analysis
子离子扫描
MS1
碰撞池
MS2
SIM m1
Scan m13 m12 m11
Precursor Ion Scan
碰撞气(Ar, N2, He)
离子源 •离子化
平均自由程
Quad 1 质量分析器
长
Quad 2 碰撞池
短
Quad 3 质量分析器
长
检测器
碰撞
No
Yes
No
MS
MS
硬件与单四极杆的主要区别:增加了碰撞池和一根四极杆.
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MS/MS消除了Scan和SIM时的干扰
• 形成加合离子
– C2H5+ + M [M + C2H5]+ – C3H5+ + M [M + C3H5]+
• 电荷转移形成分子离子
M+29 加合离子 M+41 加合离子
– CH4+ + M M+ + CH4
• 去氢过程 (M-1)
– C3H5+ + M C3H6 + [M-H]+ – 对于饱和烃效果很好
Page 13
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MS/MS保证了最低的检出限
EI: 质谱图中每个离子来源于目标化合物，基质， 柱流失，载气和碰撞气杂质等
Q1 SIM
在碰撞气按分 离出母离子
产物离子2
产物离子3
产物离子1
化学噪音被消除了
CID + Q2 SIM
更低m/z的产物离子在零 化学噪音的情况下定量
欧盟法规96/23/EC- 4点法则
实验技术
GC-MS(EI or CI) GC-MS(EI or CI) GC-MS(EI or CI)2个衍生物
LC-MS GC-MS/MS LC-MS/MS GC-MS/MS LC-MS/MS LC-MS/MS/MS
HRMS GC-MS+LC-MS GC-MS+HRMS
M + X- (M-H)- + XH M + X- M- + X M + X- MXAB + X- BX + A-
• PCI • 适合很大部分化合物 • 提高灵敏度
• NCI(ECNI)适合分析
• 含卤素原子化合物 • 亲核性:I <Br <Cl < F • 提高灵敏度 • 若无含卤素原子,可用PFTBA,
• CH4+ + CH4 CH3 + CH5+ • CH3+ + CH4 H2 + C2H5+
– CH5+ C2H5+ 占主要比例
• 最后: 反应离子与样品分子发生分子-离子反应,通过质子交换,使样品分子电离
• 形成准分子离子 (M+1)
– CH5+ + M CH4 + MH+ – M+1 可继续裂解,形成更复杂的图谱
Page 14
FY10 Food Tour Agilent
单级质谱SIM与二级质谱MRM的选择性对比
检测限提高：MRM 的检测限远大于SIM的 结果 !
检测限 （ng/mg） MDA MDMA MDEA BDB MBDB
SIM-MS MRM-MS/MS
0.03
0.01
0.13
0.03
0.19
0.04
碰撞池中的CID
第一质量分析器（Q1）选择某一质荷比的离子进入碰撞池（Q2）。 被选择的离子在池里与碰撞气体（氮气）碰撞，经过CID产生的子离子 （碎片）由第二个质量分析器（Q3）进行扫描分析。
HARDWARE:
Байду номын сангаасMa+ Mb+ Mc+ Md+
API
Ma+
Ma+
M1+ MM23++ M1+ - M2+ - M3+
CI和EI: 选择4个离子得4分
粒子个数
N 2(EI)+2(CI) 2(衍生物A)+2(衍生物B)
N 1个母离子+2个产物离子 1个母离子+2个产物离子 2个母离子各有一个产物离子 2个母离子各有一个产物离子 1个母离子,1个产物离子，2个次级产
物离子
N 2+2 2+1
鉴定点（分数）
N 4 4 N 4 4 5 5 5.5
10
安捷伦专利的拉伸极离子源设计，有效提高传输效率， 提高灵敏度
早期离子源仅有推斥极设计
Page 11
现有离子源有推斥极和拉出极设计
FY13 Dalian meeting Agilent
GC/MS Triple Quad (QQQ) for GC/MS/MS 气相色谱三重四极杆质谱联用
载气(He, H2 )
0.07
0.02
0.18
0.03
MDA = DL-3,4-methylendioxyamphetamine MDMA = DL-3,4-methylendioxymethyl-amphetamine MDEA = DL-3,4-methylendioxyethyl-amphetamine BDB = DL-3,4-methylendioxyphenyl-2-butanamine MBDB = DL-N-methyl-1-(3,4-methylendioxy-phenyl)-2-butanamine
该过程应对样品蒸气有 最小影响。
色谱柱
实现样品组分的分离。
检测器
对流出柱的样品组分进 行识别和响应。
数据系统
将检测器的信号转换为 色谱图，并进行定性、 定量分析。
进样口 载气
色谱柱
检测器 数据系统
GC7890B
7693自动进样器
第三个检测器 (TCD) ALS 交叠进样 易于维护的进样口
第五代EPC控制精度 1/1000 psi
母离子定量
1 全扫描 scan，确认/得到化合物特征离子质量数 2 选择离子监测 SIM 定量
母离子扫描
MS1
碰撞池
MS2
Scan
m1 m2
SIM
m3
Constant Neutral Loss
中性丢失扫描
MS1
碰撞池
MS2
Scan
m3 m2 m1
Scan
m3-x m2-x m1-x
MRM (Multiple Reaction Monitoring) 多反应监测
MS1
碰撞池
MS2
SIM
SIM
Q1
Q2
Q3
(Collison Chamber)
Detector
四极杆的基本扫描模式SCAN与SIM比较
SCAN数据采集
四极杆 电压
(amu)
扫描时间 扫描循环时间
空中时间
TIME
SIM 数据采集
SIM mass 1
Dwell tim e
四极杆 电压
(amu)
SIM mass 2
SIM mass 3
18
三重串联四极杆 QQQ
载气 (He, H2 )
碰撞气 (Ar, N2, He)
离子源 电离
四极杆 1 质量分析
六极杆2 碰撞池
四极杆 3 质量分析
检测器
母离子的选择 母离子的碎裂 碎片离子的质量分析
什么是碰撞诱导解离(CID)
通过与中性分子碰撞将能量传递给离子的过程。能量传递足以导致键 的开裂和离子的重排。
• 既然母离子和干扰离子相同，那么母离子不 应该用于离子比率或者定量。
开发定量方法的逻辑顺序
子离子定量
1 全扫描 scan，确认/得到 化合物母离子质量数 2 子离子扫描 product ion scan，优化碰撞能量（collision energy），得到/选择/优化子
离子的响应 3 多反应监测 MRM 定量，使用已优化好的 碰撞能量（collision energy）。
m1
mx
MRM: 对于复杂样品来说选择性更好
EI-SIM
干扰 分析物e
产品 2 产品 3
EI-MS/MS
产品 1
干扰
母离子
单位质量分辨率
• 母离子的选择性和SIM相同。
• 选择性和质谱的分辨率呈正比 • 对于具有相同m/z的离子没有选择性.
• 至少一个产品离子是母离子独特的分解产物 而不是干扰物。
CI—化学电离技术
• 正化学离子化 (PCI)
• 质子转移 M + BH+ MH+ + B
• 电荷交换
M + X+• M+• + X
• 亲电加成 M + X+ MX+
• 阴离子吸附 AB + X+ B+ + AX
• 电子捕获化学离子化 (ECNI)
• 质子转移 • 电荷交换 • 亲核加成 • 亲核释放
气相质谱
1
内容介绍 1）气相色谱基本组成 2)气相色谱三重四极杆质谱的优势和工作原理介绍 3) 气相色谱三重四极杆质谱在食品安全中的应用
2
气相色谱仪的主要组成部分
气体 载气 用于传送样品 通过整个系统的气体。 检测器气体 某些检 测器所需的支持气体, 如 FID需要氢气、空气。
样品引入 将样品蒸气引入载气，
MFTBA衍生化 • 缺点:
– 不是所有汽化化合物都能产生 NCI谱
– 重复性存在问题
CI—化学电离技术过程
• 第一步: 反应气的电离和裂解如CH4
• CH4 + e- CH4+ + 2e• CH4+ CH3+, CH2+, CH+ , H+ , H2 • 第二步: 反应气电离的离子与反应气分子发生分子-离子反应,生成反应离子
单级质谱
选择性正比于质谱分辨率 无法分辨具有相同m/z的离子
干扰物
目标物
单位质量分辨率
三重四极杆质谱
母离子选择性与单级质谱相同，但是 监测的产物离子是母离子的特征离子， 与结构有关，而干扰物由于结果不同
不会产生同样的产物离子
产物离子2
产物离子3
产物离子1 干扰物
目标物
*由于基体的浓度要远远高过目标化合物，所以基质的同位素峰 (A+1, A+2, 等) 也可能 对目标物产生干扰，可依据同样的原理消除这种干扰
扫描
没有碰撞气
Abundance 100 90 80
THC TMS derivative 73
371 386
70
315
TTI （全通过）
60 50
40
30
20 43
10
58
95 119 135
343 219 246265 289 195
0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 m/z-->