气相色谱质谱
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对高沸点、难挥发，热稳定性差、化学性质极为活泼或强腐蚀性物质不 能用GC 测定。应用范围受到限制，在所有的有机物分析中只有 15~20% 能 用GC进行分离分析。
NIST05库：163198种化合物的谱图、CAS号、
分子式等信息
GC-MS的一些概念
• • • • • • • • •
• •
1.进样量 1-2 uL，进样浓度 1ppm 以下（水、酸、碱不可行） 2.分离温度，约325度以下（由色谱柱决定） 3.色谱柱决定分离效果，相似相溶原理 4.同系物按碳数大小顺序出峰 5.GC-MS可以不基线分离 （通过出峰时间和碎片离子定性） 6.定量离子只有一个，质谱扫描范围1-700amu 7.GC-MS载气常用He，纯度99.999% 。 8.GC-MS必须设置溶剂延迟。
100 ℃ -10 ℃ /min-280 ℃ 程序升温分析 正构烷烃出峰间隔相等的
C23 | C23
C12 | C12
C18 | C18
低沸点的化合物的分离度较好高沸点 的化合物出峰也较早
Isothermal Analysis | 等温分析
正构醇的混合物 乙醇 甲醇 正丙醇 正丁醇
保 留 时 间 的 对 数
（4）色谱峰纯度判别：
自动判别色谱峰纯度，解叠共流出组分（Automated mass spectrometry deconvolution and identification system, AMDIS)
8、 谱图检索
Library search 作为定性分析的手段，应用日益广泛。 NIST检索系统的基本功能： （1）质谱数据查询：
GC 柱容量 (克) Mass 分析损失 30 ng = 30x10-9 g 99.9%
气相色谱操作条件的选择 Optimization of GC Column Performance
1 载气（ Carrier gas）：种类，速度
2 色谱柱（ Column）：固定液，柱长
3 柱温（ Column temperature） 4 进样量
（1）分离效率高：
复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。
（2） 灵敏度高：
可以检测出μ g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量.
（3） 分析速度快：
一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。
（4） 应用范围广：
适用于沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。
不足之处：
GC-MS定量分析 GC/MS 定量的优势： 1、可在色谱峰不完全分离的情况下，用质量色谱法或 选择性离子检测， 对 其中的每个化合物分别定量。 2、 可通过多种方法检测色谱峰纯度，因而定量结果更加准确可信，当前 GC/MS（或GC/MS/MS）常被作为定量检测的最终确定方法。
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。
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
500~400 0 500~600 0 500~106 1000~15 000
使用范围
操作流程：
依次启动计算机、气相色谱、质谱的电源 进入化学工作站 view菜单 tune/vacuum control pump down
2~4h, 调谐 设定仪器操作参数
采样
分析 谱图检索 积分定量
谱图检索应注意的问题：
（１）相似系数的使用：
90% 比较可靠 60% 可靠性较差
注：并非匹配率较高的化合物就一定是未知物，异构体、同系物和结 构比较相似的化合物谱图也比较相似，所以匹配率相近。
同系物,按碳数从小到大的顺序出峰
乙酸酯类混合物 正构醇的混合物
乙酸酯类混合物 乙酸甲酯 乙酸乙酯 乙酸正丙酯
1 2 3 碳数 4
同系物的碳数 ( 沸点) 和保留时间 的对数之间大致成的线性关系。 在等温分析时，通常出峰早的化合物峰形 较尖锐，通常出峰晚的化合物峰形较宽
程序升温分析
正构醇的混合物
正丙醇 甲醇
注入太多样品 -->造成峰形变差及进样口污染
各种不同溶剂的汽化体积(在进样口 250 ℃及 140kPa 的情况下）
溶剂 1uL 异辛烷 正已烷 甲苯 乙酸乙酯 丙酮 二氯甲烷 二硫化碳 乙腈 甲醇 水 110uL 140uL 170uL 185uL 245uL 285uL 300uL 350uL 450uL 1010uL 进样量 2uL 220uL 280uL 340uL 370uL 490uL 570uL 600uL 700uL 900uL 2020uL
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
类型
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
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
低分辨 低分辨 高分辨 高分辨
因此各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱
长后，便彼此分离，顺序离开色谱柱进入检测器，产生的 离子流信号经放大后，在记录器上描绘出各组分的色谱峰。
Gas Chromatography
Detector
热导 (TCD)：热导系数差异 （通用性） 火焰电离 (FID)：火焰电离 （有机物） 电子俘获 (ECD)：化学电离 火焰光度 (FPD)：分子发射 氮磷 (NPD)：热表面电离 原子发射 (AED)：原子发射（通用性） 红外 (FTIR)：分子吸收 质谱 (MS)：电离和质量色散相结合
气相色谱柱
气相色谱柱
填充柱(Packed Column)
管
内径(I.D.)
长度 填料
2-4 毫米
0.5-5 米(2 米最常用) 涂覆有0.5-25%固定液的担体
固定液
填料
理论塔板数一般都很小
毛细管柱(Capillary Column)
融熔石英
内径（I.D.） 0.1，0.25，0.32，0.53 毫米 长度 5-100 m(30 m最常用) 融熔石英 理论塔板数一般都较大
标准样品的抽取时需要使 用与样品一样的方式，操 作较麻烦。
uL 3 uL 3 2 1 0 溶剂 uL 3 2 1 0 uL 3 2 1 0 空气 2
1
0
空气
样品溶液
进样口
质谱仪
离子源 质量分析 器 Quadrupole
s
* 样品导入
Ion formation and collimation Quadrupoles Ion separation and speciation Ion detection and amplification
手动调谐：检漏（28,18,32,69） 自动调谐报告 自动调谐：调整仪器状态
相近的峰宽
适当的EM电压 平滑对称的峰形 合适的丰度值
Low water and air
典型的相对丰度
合适的同位素比例 正确的质量分配
色谱－质谱的扫描模式及 其提供的信息
色谱-质谱联用分析扫描模式
全扫描（full
scanning）
同系物中碳数的较小先出峰
乙酸酯类混合物
保 留 时 间
乙醇
正丁醇
正构醇的混合物
乙酸酯类混合物
乙酸乙酯 乙酸甲酯 乙酸正丙酯
1 2 3 含碳数 4
同系物的碳数 ( 沸点) 和保留时 间之间大致成的线性关系。 (出 峰时间间隔几乎相等)
样品注入方法
注入GC 的样品体积
气体样品:0.2-1 毫升 液体的样品:1-2 uL
ELCD ELCD
10-15 fg pptrillion
质量分析器 四极质量分析器
扫描速度快，并可从正离子到负离子检测自 动切换，而且灵巧轻便，价格便宜，是GC-MS 中最流行的质量分析器。
离子阱质量分析器 飞行时间质量分析器
质谱仪的主要性能指标
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。
总离子流色谱图（TIC）是总离子流强 度随时间（扫描次数）变化的色谱图
其中对应某一时间点的峰高是该时间点流 进的组分的所有质荷比的离子强度的加和。
给出保留 值、峰高 和峰面积
提取离子流色谱图（EIC
质谱图 将全扫描得到的所有碎片离子的质荷比与
其对应的离子流的相对强度作图 给出总离子流色谱图上每一个色谱峰的质谱
溶剂的闪蒸注入方法
吸入样品前吸溶剂和适当体 积的空气进入注射器, 而且 调整针杆到刻度。 吸入１ uL 样品 吸空气进入 针部分 注射1 uL样品进 入 GC 。 溶剂留 在针尖部分。 防止进样误差测试时使用 同一个注射器，样品进样 体积可保持一致。
因为是 (样品 + 少量溶 剂)的方式进样, 峰面积 (包括溶剂) 会变化。定量 时必需使用标准曲线。
选择离子监测(SIM)
色谱－质谱三维谱 X坐标表示质荷比m/z，Y坐标表示时间或 连续扫描的次数，Z坐标表示离子流的强 度(离子丰度)。
Fra Baidu bibliotek扫描
全扫描是质量分析器在给定的时 间范围内对给定质荷比范围进行无间 断地扫描，获得样品中每一个组分 （或在某一特定时刻）的全部质谱。 在这种扫描模式下，可以获得各种定 性和定量信息。
化合物识别码（ID）、化学文摘登记号（CAS）、化合物名称、分子 式、分子量、特征离子等信息，查阅或打印所需要的质谱图。
（2）质谱图比较：
将未知化合物质谱图和谱库中标准谱图逐一进行比较，然后按相似系数 由高到低顺序排列（概率匹配，PBM， probability-based matching)。 任意指定两张谱图进行比较，找出它们差别。
气相色谱/质谱的简单介绍
气相色谱的工作原理
• 实质上气相色谱分离是利用试样中各组分在色谱柱中 的气相和固定相间的分配系数不同，当汽化后的试样被载 气带入色谱柱中运行时，组分就在其中的两相间进行反复 多次（１０３－１０６）的分配（吸附－脱附－放出）。由 于固定相对各种组分的吸附能力不同（即保存作用不同），
检测器
Vacuum Manifold
High Vacuum Pump
真空系统
Mechanical Pump
Outlet
离子源
电子轰击源（EI）是GC-MS中最常用的离子源 优点： ①谱图重现性好 ②有较多的碎片离子，提供丰富的结构信息 ③灵敏度高 化学电离源（CI）也是GC-MS配置的离子源之一 （软电离，分子离子峰）
（2）影响谱图库检索的因素：
A 仪器调谐方式不对，导致离子相对强度不对；
B 采集数据或处理谱图时，设定的检测质量范围不合适； C 色谱分离不好，得到的不是单一组分的质谱图，而是共流出的混合物谱图；
D 谱图处理或选择不当（平均谱、峰顶谱、峰起点谱等）。
（3）谱图分析：
计算分子量、分析碎片离子、研究断裂方式等。
• 1.GC-MS能做什么？
• 2.GC-MS的对象局限性
• 3.为什么选择GC-MS？
气相色谱－质谱分析的应用
GC-MS联用分析的灵敏度高，适合于低分子化 合物(相对分子质量＜1000）的分析，尤其适 合于挥发性成分的分析。
•在药物的生产、质量控制和研究中 •在中药挥发性成分的鉴定 •食品和中药中农药残留量的测定 •体育竞赛中兴奋剂等违禁药品的检测 •环境监测
固定液
材质 固定液
柱温与分离的关系
C15 | C15 C12 | C12 C15 | C12 C15 | C12 C18 | C18
170℃等温分析 C12-C15 分离的比较好。 高沸点化合物出峰晚和峰较宽。
C18 | C18
C23 | C23 C15 | C15
230℃等温分析 高沸点化合物出峰会比较早。 The separation of C12C15 is poor. C12-C15 分离的比较差。
M+
选择离子检测
用途： 用于目标化合物检测和复杂混合物中杂质的定量分析。 参数的设置： 1 化合物特征离子（ 分子离子、特征碎片离子或重排离子）
定量离子、辅助定量离子
2 离子扫描停留时间
3 质量窗口 0.1
特点：比全扫描模式有更高的灵敏度，因排除了干扰，峰形较好，提高了信 噪比，适于定量分析。 不用于未知物鉴定。
GC检测器比较
TCD FID ECD AED PID NPD (N) NPD (P) FPD (S) MSD (SIM) (X) (S or N) 10-12 pg ppb 1 ppm = 10-9 ng ppm 1 ng 1 mL = 10-6 mg ppthousand 1 mg Liter = 10-3 mg percent 1m L Liter (SCAN) IRD
NIST05库：163198种化合物的谱图、CAS号、
分子式等信息
GC-MS的一些概念
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1.进样量 1-2 uL，进样浓度 1ppm 以下（水、酸、碱不可行） 2.分离温度，约325度以下（由色谱柱决定） 3.色谱柱决定分离效果，相似相溶原理 4.同系物按碳数大小顺序出峰 5.GC-MS可以不基线分离 （通过出峰时间和碎片离子定性） 6.定量离子只有一个，质谱扫描范围1-700amu 7.GC-MS载气常用He，纯度99.999% 。 8.GC-MS必须设置溶剂延迟。
100 ℃ -10 ℃ /min-280 ℃ 程序升温分析 正构烷烃出峰间隔相等的
C23 | C23
C12 | C12
C18 | C18
低沸点的化合物的分离度较好高沸点 的化合物出峰也较早
Isothermal Analysis | 等温分析
正构醇的混合物 乙醇 甲醇 正丙醇 正丁醇
保 留 时 间 的 对 数
（4）色谱峰纯度判别：
自动判别色谱峰纯度，解叠共流出组分（Automated mass spectrometry deconvolution and identification system, AMDIS)
8、 谱图检索
Library search 作为定性分析的手段，应用日益广泛。 NIST检索系统的基本功能： （1）质谱数据查询：
GC 柱容量 (克) Mass 分析损失 30 ng = 30x10-9 g 99.9%
气相色谱操作条件的选择 Optimization of GC Column Performance
1 载气（ Carrier gas）：种类，速度
2 色谱柱（ Column）：固定液，柱长
3 柱温（ Column temperature） 4 进样量
（1）分离效率高：
复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。
（2） 灵敏度高：
可以检测出μ g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量.
（3） 分析速度快：
一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。
（4） 应用范围广：
适用于沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。
不足之处：
GC-MS定量分析 GC/MS 定量的优势： 1、可在色谱峰不完全分离的情况下，用质量色谱法或 选择性离子检测， 对 其中的每个化合物分别定量。 2、 可通过多种方法检测色谱峰纯度，因而定量结果更加准确可信，当前 GC/MS（或GC/MS/MS）常被作为定量检测的最终确定方法。
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。
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
500~400 0 500~600 0 500~106 1000~15 000
使用范围
操作流程：
依次启动计算机、气相色谱、质谱的电源 进入化学工作站 view菜单 tune/vacuum control pump down
2~4h, 调谐 设定仪器操作参数
采样
分析 谱图检索 积分定量
谱图检索应注意的问题：
（１）相似系数的使用：
90% 比较可靠 60% 可靠性较差
注：并非匹配率较高的化合物就一定是未知物，异构体、同系物和结 构比较相似的化合物谱图也比较相似，所以匹配率相近。
同系物,按碳数从小到大的顺序出峰
乙酸酯类混合物 正构醇的混合物
乙酸酯类混合物 乙酸甲酯 乙酸乙酯 乙酸正丙酯
1 2 3 碳数 4
同系物的碳数 ( 沸点) 和保留时间 的对数之间大致成的线性关系。 在等温分析时，通常出峰早的化合物峰形 较尖锐，通常出峰晚的化合物峰形较宽
程序升温分析
正构醇的混合物
正丙醇 甲醇
注入太多样品 -->造成峰形变差及进样口污染
各种不同溶剂的汽化体积(在进样口 250 ℃及 140kPa 的情况下）
溶剂 1uL 异辛烷 正已烷 甲苯 乙酸乙酯 丙酮 二氯甲烷 二硫化碳 乙腈 甲醇 水 110uL 140uL 170uL 185uL 245uL 285uL 300uL 350uL 450uL 1010uL 进样量 2uL 220uL 280uL 340uL 370uL 490uL 570uL 600uL 700uL 900uL 2020uL
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
类型
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
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
低分辨 低分辨 高分辨 高分辨
因此各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱
长后，便彼此分离，顺序离开色谱柱进入检测器，产生的 离子流信号经放大后，在记录器上描绘出各组分的色谱峰。
Gas Chromatography
Detector
热导 (TCD)：热导系数差异 （通用性） 火焰电离 (FID)：火焰电离 （有机物） 电子俘获 (ECD)：化学电离 火焰光度 (FPD)：分子发射 氮磷 (NPD)：热表面电离 原子发射 (AED)：原子发射（通用性） 红外 (FTIR)：分子吸收 质谱 (MS)：电离和质量色散相结合
气相色谱柱
气相色谱柱
填充柱(Packed Column)
管
内径(I.D.)
长度 填料
2-4 毫米
0.5-5 米(2 米最常用) 涂覆有0.5-25%固定液的担体
固定液
填料
理论塔板数一般都很小
毛细管柱(Capillary Column)
融熔石英
内径（I.D.） 0.1，0.25，0.32，0.53 毫米 长度 5-100 m(30 m最常用) 融熔石英 理论塔板数一般都较大
标准样品的抽取时需要使 用与样品一样的方式，操 作较麻烦。
uL 3 uL 3 2 1 0 溶剂 uL 3 2 1 0 uL 3 2 1 0 空气 2
1
0
空气
样品溶液
进样口
质谱仪
离子源 质量分析 器 Quadrupole
s
* 样品导入
Ion formation and collimation Quadrupoles Ion separation and speciation Ion detection and amplification
手动调谐：检漏（28,18,32,69） 自动调谐报告 自动调谐：调整仪器状态
相近的峰宽
适当的EM电压 平滑对称的峰形 合适的丰度值
Low water and air
典型的相对丰度
合适的同位素比例 正确的质量分配
色谱－质谱的扫描模式及 其提供的信息
色谱-质谱联用分析扫描模式
全扫描（full
scanning）
同系物中碳数的较小先出峰
乙酸酯类混合物
保 留 时 间
乙醇
正丁醇
正构醇的混合物
乙酸酯类混合物
乙酸乙酯 乙酸甲酯 乙酸正丙酯
1 2 3 含碳数 4
同系物的碳数 ( 沸点) 和保留时 间之间大致成的线性关系。 (出 峰时间间隔几乎相等)
样品注入方法
注入GC 的样品体积
气体样品:0.2-1 毫升 液体的样品:1-2 uL
ELCD ELCD
10-15 fg pptrillion
质量分析器 四极质量分析器
扫描速度快，并可从正离子到负离子检测自 动切换，而且灵巧轻便，价格便宜，是GC-MS 中最流行的质量分析器。
离子阱质量分析器 飞行时间质量分析器
质谱仪的主要性能指标
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。
总离子流色谱图（TIC）是总离子流强 度随时间（扫描次数）变化的色谱图
其中对应某一时间点的峰高是该时间点流 进的组分的所有质荷比的离子强度的加和。
给出保留 值、峰高 和峰面积
提取离子流色谱图（EIC
质谱图 将全扫描得到的所有碎片离子的质荷比与
其对应的离子流的相对强度作图 给出总离子流色谱图上每一个色谱峰的质谱
溶剂的闪蒸注入方法
吸入样品前吸溶剂和适当体 积的空气进入注射器, 而且 调整针杆到刻度。 吸入１ uL 样品 吸空气进入 针部分 注射1 uL样品进 入 GC 。 溶剂留 在针尖部分。 防止进样误差测试时使用 同一个注射器，样品进样 体积可保持一致。
因为是 (样品 + 少量溶 剂)的方式进样, 峰面积 (包括溶剂) 会变化。定量 时必需使用标准曲线。
选择离子监测(SIM)
色谱－质谱三维谱 X坐标表示质荷比m/z，Y坐标表示时间或 连续扫描的次数，Z坐标表示离子流的强 度(离子丰度)。
Fra Baidu bibliotek扫描
全扫描是质量分析器在给定的时 间范围内对给定质荷比范围进行无间 断地扫描，获得样品中每一个组分 （或在某一特定时刻）的全部质谱。 在这种扫描模式下，可以获得各种定 性和定量信息。
化合物识别码（ID）、化学文摘登记号（CAS）、化合物名称、分子 式、分子量、特征离子等信息，查阅或打印所需要的质谱图。
（2）质谱图比较：
将未知化合物质谱图和谱库中标准谱图逐一进行比较，然后按相似系数 由高到低顺序排列（概率匹配，PBM， probability-based matching)。 任意指定两张谱图进行比较，找出它们差别。
气相色谱/质谱的简单介绍
气相色谱的工作原理
• 实质上气相色谱分离是利用试样中各组分在色谱柱中 的气相和固定相间的分配系数不同，当汽化后的试样被载 气带入色谱柱中运行时，组分就在其中的两相间进行反复 多次（１０３－１０６）的分配（吸附－脱附－放出）。由 于固定相对各种组分的吸附能力不同（即保存作用不同），
检测器
Vacuum Manifold
High Vacuum Pump
真空系统
Mechanical Pump
Outlet
离子源
电子轰击源（EI）是GC-MS中最常用的离子源 优点： ①谱图重现性好 ②有较多的碎片离子，提供丰富的结构信息 ③灵敏度高 化学电离源（CI）也是GC-MS配置的离子源之一 （软电离，分子离子峰）
（2）影响谱图库检索的因素：
A 仪器调谐方式不对，导致离子相对强度不对；
B 采集数据或处理谱图时，设定的检测质量范围不合适； C 色谱分离不好，得到的不是单一组分的质谱图，而是共流出的混合物谱图；
D 谱图处理或选择不当（平均谱、峰顶谱、峰起点谱等）。
（3）谱图分析：
计算分子量、分析碎片离子、研究断裂方式等。
• 1.GC-MS能做什么？
• 2.GC-MS的对象局限性
• 3.为什么选择GC-MS？
气相色谱－质谱分析的应用
GC-MS联用分析的灵敏度高，适合于低分子化 合物(相对分子质量＜1000）的分析，尤其适 合于挥发性成分的分析。
•在药物的生产、质量控制和研究中 •在中药挥发性成分的鉴定 •食品和中药中农药残留量的测定 •体育竞赛中兴奋剂等违禁药品的检测 •环境监测
固定液
材质 固定液
柱温与分离的关系
C15 | C15 C12 | C12 C15 | C12 C15 | C12 C18 | C18
170℃等温分析 C12-C15 分离的比较好。 高沸点化合物出峰晚和峰较宽。
C18 | C18
C23 | C23 C15 | C15
230℃等温分析 高沸点化合物出峰会比较早。 The separation of C12C15 is poor. C12-C15 分离的比较差。
M+
选择离子检测
用途： 用于目标化合物检测和复杂混合物中杂质的定量分析。 参数的设置： 1 化合物特征离子（ 分子离子、特征碎片离子或重排离子）
定量离子、辅助定量离子
2 离子扫描停留时间
3 质量窗口 0.1
特点：比全扫描模式有更高的灵敏度，因排除了干扰，峰形较好，提高了信 噪比，适于定量分析。 不用于未知物鉴定。
GC检测器比较
TCD FID ECD AED PID NPD (N) NPD (P) FPD (S) MSD (SIM) (X) (S or N) 10-12 pg ppb 1 ppm = 10-9 ng ppm 1 ng 1 mL = 10-6 mg ppthousand 1 mg Liter = 10-3 mg percent 1m L Liter (SCAN) IRD