气相色谱-质谱联用

MOTOR
6、 质谱仪的主要性能指标
1) 质量范围
质谱仪器能检测的最低和最高质量,质量范围取决于质量分析器的类型。
m/z 不是 m 质量下限高，得不到低质量端的特征离子； 质量上限低， 不能检测分子量高于质量上限的分子离子。
不同类型质量分析器的质量范围
质量分析器
四极杆 离子阱 飞行时间 扇形场
质量下限
1~10 1~10 1~10 1~10
质量上限
500~4000 500~6000 500~106 1000~15000
使用范围
小分子、多电荷离子大分子 小分子、多电荷离子大分子 小分子、大分子 小分子、中等大小分子
2) 质量准确度
质量准确度是指离子质量测定的准确性。
△M = M 计算- M 测量
准确度=100%
正离子 + + ++ -+ + + -++ + + + + +++ +++++++ + ++ + + + + +++++ +++ -+ -++ ++ + +++ + + --高能打拿极
二次电子 电子倍增器
四级杆
检测器离子 聚焦
光电倍增器
离子束
二次电子 闪烁晶体
反射光子
电子倍增
过程： 打拿极发射出的二次电子，打到一个能发射光子的闪烁晶体上，发射出光
子，由光电倍增管及放大器放大，转换成电流被检测。
5、 真空系统
真空的度量： 压强 巴（bar)、 大气压（atm)、托（Torr)
p 10-2 Torr
p =10-2 ~10-4Torr p =10-4 ~10-7Torr p10-8Torr p10-12Torr
低真空
中真空 高真空 甚高真空 超高真空
3）、飞行时间质量分析器
U
离子源
飞行管
K 常数 电压
离子检测器
KU m/z 2 t D
U
2
D
t
飞行距离
飞行时间
特点：
1 在理论上不存在质量上限,因此在高分子量(生物大分子和高分子聚合物)物质分析中
应用广泛。 2 由于可采用离子延迟引出、反射器以及快电子技术，TOF具备高分辨和高质量准 确度的性能。 3 与扫描质谱仪不同，它可平行记录所有离子，因此是最快的质量分析器。
2）、 四极杆质量分析器 Ｉ 单四极杆质量分析器（Single quadrupole, Q) 结构：由四根严格平行并与中心轴等间隔的圆柱形或双曲面柱状电极 构成正负两组电极，在其上施加直流和射频电压，产生一动态 电场（四极场）。
特点： GC/MS联用中最通用的一种质量分析器，性能稳定。 全扫描获得丰富信息；选择离子检测采集效率高，灵敏度高特 别适合于定量分析。
GC-MS联用仪的接口
接口作用:
降低压力; 减少流量。
接口类型
分子 分离器
喷射式、渗透式、 半透膜等
喷射式分离器结构示意
开口分流接口

直接连接接口
GC-MS联用仪组成示意图
第二节
划分：
质谱基础
依据质量分析器：低档（ 质量范围1000， 分辨率 1000）
中档（质量范围 4000， 分辨率 5000）
气体和样品一同被电离，产生的信号会抬高基线，影响灵敏度，造成谱图识别困难，对定性、 定量都不利。
质谱的真空系统
吸油阱
机械泵
10-1 - 10-2 torr
进油口 油液面
泵腔
定子
排油口
出口 (到机械泵)
扩散泵
10-5 - 10-6 torr
加热区
原理： 加热炉盘将泵液（聚苯醚）加热至沸腾，蒸气沿塔式泵芯上
2、 离子源：使样品分子转化为离子
（1 ） 电子电离（EI ）源 N
eeee ee e ee M e ee e e e eM e ee e M e e ee e Me e e M e eM
FILAMEN T Lens
Sample
M+ . F+ 1 F. 2
Ion exit
Repeller
S
优点：
特点： 不能解决离子能量分散问题，因此分辨率较低（~5000）。
只适合于离子能量分散较小的离子源，如EI， CI。
双聚焦质量分析器
在一恒定的电压条件下，加速的离子束进入静电场，不同动能的离子具有的运动曲率 半径不同，只有运动曲率半径符合的离子才能通过狭缝而进入磁分析器。换句话说，静
来自百度文库
电分析器可将离子源发散出的离子束按动能聚焦成一系列点，因而具有能量色散和方向
压不断增加来提高发射电流，最终导致灯丝烧毁。
3、气体传导会引起高压放电
在离子源区域，如果气压大于10-1Torr ，就很可能引起放电，导致相关部件和高压电路板的损 坏。
4、 气体对电子倍增器寿命的影响
电子倍增器的打拿极是特殊材料制成，频繁暴露大气会缩短其使用寿命，因此需要真空保护。
5、 气体形成本底干扰
质谱仪的真空要求： 10-5 ~10-10Torr
质谱为何需要真空
1、平均自由程
运动的气体分子，在发生相互作用之前所飞越的平均距离。
平均自由程短
平均自由程长
10-5Torr 平均自由程可达5米
2、压强对离子源调谐的影响
气压达到10-1Torr或更高，灯丝发射电流会受到抑制甚至被完全截止，此时反馈信号迫使灯丝电
4）分辨率
质谱分辨相临两个离子质量的能力。 M1和M2能被分辨，则分辨率可用公式R=M/ △ M 计算 实际中，两种计算方法： （1） 双峰法
R
（2） 单峰法(FWHM)
M a M b
R
M M
GC/MS 联用的质谱仪器的分辨率
质量分析器
四极杆 离子阱
分辨率
1000~2000 1000~2000
气相色谱-质谱联用技术
(GC-MS)
内 容
概述
质谱基础 GC-MS 操作及维护
第一节 概 述
MS: 将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(m/z)大小进行分离记录的分析 方法。 早期主要用于同位素质量测定。 1942，商用质谱仪问世．当前,广泛应用于有机化学、生物化学、环境科 学等领域。 GC: 1906年，俄国植物学家茨维特（M. Tswett）发明了色谱法。 20世纪50年代，商用气相色谱仪问世。石化、农残、环境等领域。
高档（质量范围 5000), 依据用途： 有机质谱 分辨率 10000）
无机质谱
1 、 MS 进样系统：在不降低真空度的情况下，将样品引入离子源
直接进样系统：适于高沸点、热不稳定性化合物、粘稠液体或固体样品。 间歇进样系统： 适于气体及沸点不高、易于挥发的液体。
色谱进样系统：GC-MS HPLC-MS CE-MS 等
质量分析器
飞行时间 扇形场
分辨率
500~1000,2000~10000 5000~8000
低分辨质谱：应用广泛，有庞大的谱库可检索，可对未知物 快速鉴定。 高分辨质谱：可获得元素组成进行未知化合物的结构鉴定；可 消除复杂基质重叠峰干扰，用于定 量分析能获得更高的信噪比（S/N）
不同质量分析器配置和功能
分析器
EI
离子源
CI FI
扫描方式
全扫瞄 SIM MS/MS
分辨率
四极质谱 三重四极质谱 离子阱质谱 飞行时间质谱 扇形磁场质谱






低 低 低 中、高 高
４、 离子检测器：接受由质量分析器分离的离子，进行离子计数并转换 成电压信号放大输出,输出的信号经计算机进行处理， 得到质谱图
特征：只检测带电粒子，测定的是离子的质荷比m/z
只检测气相离子，为控制气相离子运动轨道，必须在真空状态下工作 四极杆 低分辨 质 量 分 析 器 离子阱
飞行时间 高分辨 扇形场
1）、扇形磁质量分析器
1 mv 2 2 mv 2 qBv r qU
v
qBr m mv r qB
m B 2r 2 q 2U
聚焦作用。经过适当加工的极面可使磁场将具有相同m/z的离子束再聚焦于一点。
特点： 分辨率可达150 000甚至更高，对于相对分子量为600的化合物可测至误差0.0002u。
在高分辨质谱领域仍占有一席之地，尤其是动态范围和可靠性使其在二恶英和兴奋剂痕量 分析中极具竞争力。 扫描速度慢，操作比较烦琐，造价昂贵。
离子化效率高、灵敏度高 指纹谱提供丰富结构信息
谱图重复性好，谱图库检索
电离效率与电离能量关系
缺点：
样品必须能气化
分子离子易破碎，得不到分子量信息
谱图解析复杂 只检测正离子，不检测负离子
其它离子源：
化学电离源
场致电离源
快原子轰击源
电喷雾电离源
3、 质量分析器：将离子源产生的离子按质荷比m/z进行分离
GC-MS联用的可行性
两者均在气态下进行。 气相色谱分析的化合物沸点范围适于质谱分析。 检测灵敏度相当，GC 分离的组分足够MS 检测所用。
GC-MS 联用的技术难点---工作压力的差异
GC 流量（压强）不应破坏质谱正常运行的真空。 * 气相色谱柱出口气体压力和质谱工作所需要的高真空相适配。 * 质谱扫描速度和色谱峰流出时间的相互适应。 * 色谱和质谱信号同时检测，获得完整的色谱、质谱图。 20世纪80年代， CGC出现
II 三重四极杆质量分析器（triple quadrupole, Q-Q-Q) 结构:
特点：1 两个质量分析器在不同条件下操作，具有MS-MS功能。 2 通过子离子、母离子、中性丢失三种扫描方式，可确定各个离子的归 属，研究离子的破碎途径，用于化合物结构分析。 3 多反应选择离子检测模式（MRM)比单四极杆SIM模式信噪比更高， 检测限更低,用于定量分析。
△M
M 测量
离子质量： 组成该离子所有元素的单同位素质量之和，而不是周期表中的原子质量。
35Cl=34.9689
35.453
37Cl=36.9659
CH2Cl2
12+21.0087+2 34.9689=83.9534 12+21.0079+2 35.453=84.9328
不同类型质量分析器质量准确度的典型值
升，由向下倾斜的喷口以高速黏性蒸气向下喷射，其冲量传递 给气体分子，气体分子下移至底部出口被前级泵抽走。
优点： 泵中少机械移动部件，稳定可靠； 只需定期更换泵液，很少用维修；价格低。 缺点： 存在泵液返流，造成质谱污染形成本底； 会产生较大热量；忽然停电，严重返油， 污染仪器。
轴转速可达 60,000 每分钟 旋转叶片
GC-MS联用技术的特点
GC 为MS提供纯的样品，省缺了MS分析前样品制备、转移等步骤，避免了样 品污染、提高了定量的准确性、大大提高了分析效率。 MS作为检测器，是一种通用型检测器，可获得化合物质谱图，解决了GC定 性的局限性。而且MS有多种扫描方式和质量分析技术可供选择，不仅能排 除基质和杂质峰的干扰，还极大地提高了检测的灵敏度。 GC-MS 联用可获得质量、保留时间和强度三维信息。(双重定性)
质量分析器
四极杆 离子阱 飞行时间 扇形场
质量准确度
0.1u 0.1u 0.0001u 0.0001u
用途
给出整数质量 给出整数质量 精确质量和元素组成 精确质量和元素组成
类型
低分辨 低分辨 高分辨 高分辨
3) 质量轴的稳定性
质量轴指质谱测定离子质量的坐标，即质量标尺。 在一定条件下、一定时间内质量标尺发生漂移的幅度，多以8h和12h 内某一质量测定值的变 化来 表示。如： 0.1u/12h
涡轮分子泵
固定叶片
10-5 - 10-6 torr
MOTOR
Lubricating Wick
原理：高速旋转的叶片给气体分子以定向的速度向下运动，气体分子由底部出口被前级泵抽走。 优点： 达到真空极限的时间短；无泵油污染，谱图干净；自身保护措施，避免断电产生不 良后果。 缺点： 价格昂贵；内部部件损坏将导致泵完全报废。
2）、 离子阱质量分析器
20世纪80年代推出 结构:
特点：1 具有全扫描和选择性离子扫描功能，同时还具备离子储存技术，可 进行高灵敏的质谱测定和在时间上实现多极质谱（MSn)功能。 2 体积小，结构简单，价格便宜，广泛应用于蛋白质组学和药物代谢分析。 3 属低（中）分辨仪器，检测限、线形范围、稳定性稍逊四极杆一筹。 4 定量分析不是强项，A 动力学范围有限； B 捕获期间，离子-分子反应；离子-离子相互作用 对定量造成不利影响。
4）、傅立叶变换离子回旋共振质谱计
v zB 0 r m

v r zB 0 m

特点：
1 具有超高的分辨率，通过加长采集离子信号的时间,就可以实现从低分辨率到到高 分辨率的转变，且不损失灵敏度。 2 具有很高的质量准确度。一般情况下，可达（3~4）10-6，如使用内标物，可达1 10-6水平。 3 与离子阱质谱一样，可进行“时间串联”的多级质谱实验。 4 需采用超导磁场及高真空，硬件、软件较复杂，操作费用高，对操作者要求也高。