GCMS硬件基本操作
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7 分辨率和峰宽 质量分辨率和峰宽 质量分辨率通常定义是： R=（W×M）/（△W×△M） 考虑到峰之间的距离是 1 个质量数，峰宽 W 以及质量数的单位为 amu，W=1，△M=1，所以 R=M/△W。当△W（FWHM，半峰宽）大于△M 时，这时很难分辨出是两个峰，R<2M 意味着半 峰宽小于 0.5 个质量数是可能的。四极杆质量分析器的一个典型特征是能够把两个相差一个质量 岛津国际贸易（上海）有限公司
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SIM MODE
总离子流色谱图（TIC） 同次扫描下所有扫描范围内质量色谱强度的加和形成的色谱图称为总离子流色谱图，总离子
流色谱图类似于 GC 的色谱图，需要指出的是，总离子流色谱图中包含样品成分也包含了背景噪 音。 质量色谱图（MC）
质量色谱图（MC）是一个特定质量数的色谱图，质量色谱图是由单个质量离子的谱图形成， 质量色谱图能够提供给我们混合样品中单个组分的色谱图，可以消除噪音信号的影响。
11 离子的类型 基峰 竖轴表示离子的相对丰度比例，质谱图中强度最高的峰称为“基峰”，“基峰”的强度被认为是
100%，基峰离子是离子源中存在的最丰富的离子，也是最稳定的离子，这对于化合物的定性很有 用处。
分子离子峰
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中性的化合物激发出一个电子而成为带一个正电荷的离子，这个离子就是分子离子，分子离 子提供给我们分子量的信息，因为电子的质量与分子的质量相比非常小，可以忽略不记，分子离 子的质量可以被认为是分子量。
10 谱库检索 质谱分析中，谱库检索是利用计算机来确定化合物成分的简易工具。既然质量谱图的式样表
示了化合物的化学结构，同一化合物在同样的实验条件下就应该得到同样的质谱图，因此我们可 以通过未知化合物的谱图与标准谱库的质谱图的比较来对未知化合物进行定性。
相似度表示了目标化合物的谱图与标准谱库的谱图的匹配程度。 谱库的种类：
（2） 负化学源内的压力大约 1-10Pa （3） 负化学源对于电负性强的化合物具有高的灵敏度和选择性 不是所有的化合物都能被负化学源离子化，负化学源只能检测易于捕获电子的化合物，比如， 碳氢化合物不能被负化学源离子化。因此，负化学源能够进行高灵敏度和高选择性的分析，与 GC-ECD 灵敏度相当 负化学源适于分析无公害杀虫剂、有机磷杀虫剂、有毒卤素化合物（比如，印刷电路板）、类 固醇和药品，这些样品具有强的电负性易于捕获电子。 以下是 EI，CI，NCI 三种离子源的外观的比较：
9 检测模式 在 GC/MS 分析中，有 SCAN 和 SIM 两种分析模式，选用哪一种模式取决于分析的目的，如
果你用质谱图来确定样品成分构成，SCAN 模式是必要的。SIM 模式主要适用于微量化合物的定 量分析。
扫描（SCAN）模式-定性分析和定量分析 扫描模式所获取的质谱图可以对样品成分进行定性分析，也可以做定量分析，或确定 SIM 模 式下的一些参数设置。 选择离子扫描（SIM）模式-定量分析 在定量分析中，选择离子扫描模式比扫描模式可以得到更小的检测限，因为选择离子扫描的 灵敏度比扫描模式高几十到上百倍。 SCAN MODE
岛津国际贸易（上海）有限公司ຫໍສະໝຸດ 10第二部分 关于安装
1 对气体的要求 氦气钢瓶压力及容量 99.995% 以上 15Mpa (150kg/cm2)，47L 减压阀 氦气或氧气减压阀（输出使用范围为 600-900Kpa，无漏气） 反应气（CI 和 NCI 用） ： CH4 (甲烷) 99.95%以上 15Mpa。3.4L 满刻度为 0.4Mpa的压力表 i-C4H10 (异丁烷) 99.9% 以上 1.5 kg。4.8L 满刻度为 0.4Mpa的压力表
6 检测器 四级杆质量过滤器把离子分开，检测器把离子信号转换成电流信号，然后电路再对电流信号
进一步的处理，目前最流行的检测器是电子倍增器，离子撞击打拿极表面激发出二次电子，二次 电子再进一步被多个打拿极放大，这样离子信号就被检测器放大。
电子倍增器的增益是通过加在第一极打拿极上的高压来控制的，其它打拿极的电压是通过安 装在倍增器内的分压电阻来自动分配的。通常情况下，长时间的持续使用电子倍增器的增益会缩 减，为了延长倍增器的寿命，最好避免不必要的高增益使用。
Relay
FOR EI and CI
FOR EI and CI And NCI
High voltage board for NCI; both positive &
negative voltages
High voltage board for detecting positive ions
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3
REPELLER EI
REPELLER CI, NCI
REPELLER CI ,NCI（DI）
z EI 电子轰击源，属开放源。开孔直径约 4.0mm。 z CI 化学电离源，属封闭源。开孔直径约 0.7mm。 z NCI 负化学电离源，属半封闭源或半开放源。开孔直径约 1.2mm。 EI，CI 源与 NCI 源还有不同之处： z 高压电源不同。NCI 源的高压单元带有高压继电器。 z 5mL/min，是 CI/NCI 使用时的最大柱流速。因为此时加入了反应气。
割柱子时方法得当（c）；保持柱子插入进样口和质谱端的部分洁净（d）。
稳定状态。捕集电极有时被集成为另一个灯丝。 PCI，正化学源，是一种软电离方式，产生很少的碎片，对于确定化合物的分子量是一个有
效的工具。软电离方式，很少的碎片产生。准分子离子峰（M+1）通常用来确定分子量 样品离子化的反应: 在正化学源模式下，样品的离子化是通过样品分子与反应物离子在几种不同方式下的反应而
分子涡轮泵 岛津国际贸易（上海）有限公司
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2 离子源（Ion source） EI（电子轰击）源，是一个典型的离子源，在 GC/MS 分析中，EI 源是最通用的离子源。 1．透镜组的作用是使得离子源产生的离子能够高效率到达四极杆 2．灯丝通常用的材质是金属铼或钨，通过电流加热而激发出电子 3．排斥极，加正电压把离子源中的正电荷推出 4．捕集电极，捕获灯丝发出的电子来检测灯丝激发的电流，是用来控制灯丝发射的电流达到
只需适度的真空等特点，所以相比其它类型质谱，四极杆质谱更加实用和便宜。正是这些优势四 岛津国际贸易（上海）有限公司
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极杆质谱更适合与其它色谱类仪器联用，比如 GC、LC 等，这类联用仪具有一般的质量分辨率和 质量数扫描范围。
四极杆质量分析器的结构 四极杆是由平行放置的四个杆构成，整个长度大约 20 厘米，因为主四极杆精确的装配，以致 于一些在主四极杆上的操作（比如重新安装、清洗等）会导致四极杆的致命错误。
丝寿命得到了延长。
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4 LENS 系统 LENS 系统是由几组带有不同电压的金属片构成，作用是聚焦离子，使之高效率地传送到检
测器。
5 四极杆 样品在离子源中离子化，四极杆根据离子不同的荷质比将离子分离。 最通用的质谱仪是四极杆质谱仪，四极杆具有简洁、易操作、易维护、高灵敏度、快速扫描、
产生负离子的热电子的能量特别小，以至于不能使得化合物破碎为太多小的碎片离子，因此，与 EI 源相比，负化学源的谱图显的更加简单。
（1） 反应气的导入 电子和反应气的碰撞使得反应气被离子化，同时通过碰撞，电子能量减少，使得灯丝 发射的高能量、高速电子转换成易于被捕获的低能量、低速的电子。甲烷和异丁烷通 常用做负化学源的反应气。
4
下图是 QP5000 系列的离子源和灯丝：
GCMS-2010PLUS 的离子源盒与以前的仪器相比作了重要的改进。
设定温度 高于设定温度的区域
电场 离子运动方向
z 减弱了温度对电场的影响 z 离子源内部的温度均衡
3 灯丝
z 灯丝电流 QP2010 时，默认值是 60uA；QP2010plus 时，默认值是 150uA。 z QP2010 的灯丝与 QP2010Plus 的灯丝不同。见下图 z 新型的灯丝可以被用于 QP2010 的仪器上。此时的灯丝电流仍然可设为 60uA，而灯
7
数的峰完全分开 通常情况下，考虑到分辨率和信号强度的平衡，0.6-0.7 的峰宽是最合适的，因为设置高的分
辨率，就意味着峰宽变窄，也就导致信号强度变小。
8 灵敏度 信噪比的定义 在 GC/MS 仪器中，信噪比通常作为衡量灵敏度的尺码，也是 GC/MS 仪器的一个重要指标。
在此描述的是信噪比，实际检测中，样品的检出限是很难被评估的，不同样品的检出限各不相同 并受诸多因素影响，例如，化合物的组分、样品的机制等等。
碎片离子 碎片离子是分子离子在离子源中的分解产生的，依照不同的碎片化方式产生出许多种的碎片 离子，碎片的分布反映出化合物的化学结构。碎片离子的质量小于分子离子的质量。 同位素峰 许多元素具有天然同位素，例如，氯元素除了 35Cl 外还有 37Cl 存在，由于同位素的存在， 在谱图的分子离子峰和碎片峰边上理所当然的产生同位素的离子峰。另外，我们有时观察背景峰 的干扰，我们会发现背景峰不是从样品中产生，而是从其它化学品中产生的，比如水、空气，还 有色谱柱固定相的流失等。
1、 常规化合物的谱库 NIST（147，198 张标准谱图，2002 版） WILEY（338，323 张标准谱图，Ver7）
2、 特殊应用领域的谱库 Pflegar/Maurer/Weber 谱库（药品和代谢物） 杀虫剂谱库等
3、 个人谱库 用户自己生成的谱库
对于四极杆或者磁质谱仪，注册在谱库中的谱图大多情况通常是使用 70eV 的电子能量来轰 击样品得到的，对于未知样品的谱图也应该在同样电子能量下获得。近来，谱库中开始包括离子 阱质谱仪的质谱图，在这种情况下，如果要得到与谱库同样的谱图，需要注意的是很多仪器参数 可以影响到谱图的式样。
1
第一部分 GCMS 原理
1 真空系统 真空系统是使得离子能够在质量分析器内无碰撞飞行的必须品，质谱中通常用两级的真空泵
系统，第一级的泵称为主泵，通常是分子涡轮泵，主要功能是抽出载气保持腔体内处于高真空状 态。第二级的泵通常是机械泵，起到将第一级主泵抽出的气体排出的功能。
离子源
检测器
真空腔体
四级杆
完成的，一些重要的反应归结如下： （1） 质子的转移 质子（氢离子 H+）由反应物离子[BH]+转移到样品分子 M，形成 准分子离子[M+H]+， 这是最主要的样品离子化反应。 （2） 加合了反应物离子 样品分子捕获反应物离子 X+形成 加合离子[M+X]+ （3） 氢离子的提取 氢离子在样品分子中被提取，形成[M-H]+离子 （4） 电荷交换 电荷由反应物离子[BH]+转移到样品分子 NCI，负化学源 负离子主要由捕获（或附着）热电子形成的，我们称这个过程为电子捕获或电子附着。用来
决定信噪比的因素： 对于高灵敏度的分析，增加信号的强度和降低噪音是非常重要的。信号强度取决于：
z 到达离子源中样品的量 z 离子化的效率 z 离子从离子源通过透镜和四极杆的传输效率 噪音的来源： z 电信号的噪音。 z 化学背景干扰，比如，进样口和离子源区域的污染、色谱柱的流动相，真空腔体的机
械部件等。 z 样品和样品瓶以及进样针的污染。 z 真空腔体内机械部件的残余气体，以及机械部件本身的干扰。 GC/MS 仪器用基线波动的标准偏差作为噪音信号值，假定基线的波动在统计学上具有标准的 噪音分布。通常认为信噪比大于 3 是样品的检出限。
图为氦气过滤器 2 柱子的使用
z MS 使用专用柱，通常在柱子的型号后面带有“MS”或“ms” z 可以使用 ID 0.25mm，ID 0.32mm，ID 0.53mm 的柱子。 z 极性柱子使用时，要严格控制温度，避免固定相的大量流失。固定相的流失会对离
子源以及 lens 系统，甚至 pre-rod 造成严重的污染。 z 柱流量 < 15mL/min。(注意：CI/NCI 时,<5mL/min) z 使用宽口径毛细管柱时，最好长度不小于 25m，推荐使用 60 米以上。 z 安装柱子时应注意 Vespel 的方向（a）；用进样垫来标记柱子的接入长度（b）；切
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SIM MODE
总离子流色谱图（TIC） 同次扫描下所有扫描范围内质量色谱强度的加和形成的色谱图称为总离子流色谱图，总离子
流色谱图类似于 GC 的色谱图，需要指出的是，总离子流色谱图中包含样品成分也包含了背景噪 音。 质量色谱图（MC）
质量色谱图（MC）是一个特定质量数的色谱图，质量色谱图是由单个质量离子的谱图形成， 质量色谱图能够提供给我们混合样品中单个组分的色谱图，可以消除噪音信号的影响。
11 离子的类型 基峰 竖轴表示离子的相对丰度比例，质谱图中强度最高的峰称为“基峰”，“基峰”的强度被认为是
100%，基峰离子是离子源中存在的最丰富的离子，也是最稳定的离子，这对于化合物的定性很有 用处。
分子离子峰
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中性的化合物激发出一个电子而成为带一个正电荷的离子，这个离子就是分子离子，分子离 子提供给我们分子量的信息，因为电子的质量与分子的质量相比非常小，可以忽略不记，分子离 子的质量可以被认为是分子量。
10 谱库检索 质谱分析中，谱库检索是利用计算机来确定化合物成分的简易工具。既然质量谱图的式样表
示了化合物的化学结构，同一化合物在同样的实验条件下就应该得到同样的质谱图，因此我们可 以通过未知化合物的谱图与标准谱库的质谱图的比较来对未知化合物进行定性。
相似度表示了目标化合物的谱图与标准谱库的谱图的匹配程度。 谱库的种类：
（2） 负化学源内的压力大约 1-10Pa （3） 负化学源对于电负性强的化合物具有高的灵敏度和选择性 不是所有的化合物都能被负化学源离子化，负化学源只能检测易于捕获电子的化合物，比如， 碳氢化合物不能被负化学源离子化。因此，负化学源能够进行高灵敏度和高选择性的分析，与 GC-ECD 灵敏度相当 负化学源适于分析无公害杀虫剂、有机磷杀虫剂、有毒卤素化合物（比如，印刷电路板）、类 固醇和药品，这些样品具有强的电负性易于捕获电子。 以下是 EI，CI，NCI 三种离子源的外观的比较：
9 检测模式 在 GC/MS 分析中，有 SCAN 和 SIM 两种分析模式，选用哪一种模式取决于分析的目的，如
果你用质谱图来确定样品成分构成，SCAN 模式是必要的。SIM 模式主要适用于微量化合物的定 量分析。
扫描（SCAN）模式-定性分析和定量分析 扫描模式所获取的质谱图可以对样品成分进行定性分析，也可以做定量分析，或确定 SIM 模 式下的一些参数设置。 选择离子扫描（SIM）模式-定量分析 在定量分析中，选择离子扫描模式比扫描模式可以得到更小的检测限，因为选择离子扫描的 灵敏度比扫描模式高几十到上百倍。 SCAN MODE
岛津国际贸易（上海）有限公司ຫໍສະໝຸດ 10第二部分 关于安装
1 对气体的要求 氦气钢瓶压力及容量 99.995% 以上 15Mpa (150kg/cm2)，47L 减压阀 氦气或氧气减压阀（输出使用范围为 600-900Kpa，无漏气） 反应气（CI 和 NCI 用） ： CH4 (甲烷) 99.95%以上 15Mpa。3.4L 满刻度为 0.4Mpa的压力表 i-C4H10 (异丁烷) 99.9% 以上 1.5 kg。4.8L 满刻度为 0.4Mpa的压力表
6 检测器 四级杆质量过滤器把离子分开，检测器把离子信号转换成电流信号，然后电路再对电流信号
进一步的处理，目前最流行的检测器是电子倍增器，离子撞击打拿极表面激发出二次电子，二次 电子再进一步被多个打拿极放大，这样离子信号就被检测器放大。
电子倍增器的增益是通过加在第一极打拿极上的高压来控制的，其它打拿极的电压是通过安 装在倍增器内的分压电阻来自动分配的。通常情况下，长时间的持续使用电子倍增器的增益会缩 减，为了延长倍增器的寿命，最好避免不必要的高增益使用。
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FOR EI and CI
FOR EI and CI And NCI
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negative voltages
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REPELLER EI
REPELLER CI, NCI
REPELLER CI ,NCI（DI）
z EI 电子轰击源，属开放源。开孔直径约 4.0mm。 z CI 化学电离源，属封闭源。开孔直径约 0.7mm。 z NCI 负化学电离源，属半封闭源或半开放源。开孔直径约 1.2mm。 EI，CI 源与 NCI 源还有不同之处： z 高压电源不同。NCI 源的高压单元带有高压继电器。 z 5mL/min，是 CI/NCI 使用时的最大柱流速。因为此时加入了反应气。
割柱子时方法得当（c）；保持柱子插入进样口和质谱端的部分洁净（d）。
稳定状态。捕集电极有时被集成为另一个灯丝。 PCI，正化学源，是一种软电离方式，产生很少的碎片，对于确定化合物的分子量是一个有
效的工具。软电离方式，很少的碎片产生。准分子离子峰（M+1）通常用来确定分子量 样品离子化的反应: 在正化学源模式下，样品的离子化是通过样品分子与反应物离子在几种不同方式下的反应而
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2 离子源（Ion source） EI（电子轰击）源，是一个典型的离子源，在 GC/MS 分析中，EI 源是最通用的离子源。 1．透镜组的作用是使得离子源产生的离子能够高效率到达四极杆 2．灯丝通常用的材质是金属铼或钨，通过电流加热而激发出电子 3．排斥极，加正电压把离子源中的正电荷推出 4．捕集电极，捕获灯丝发出的电子来检测灯丝激发的电流，是用来控制灯丝发射的电流达到
只需适度的真空等特点，所以相比其它类型质谱，四极杆质谱更加实用和便宜。正是这些优势四 岛津国际贸易（上海）有限公司
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极杆质谱更适合与其它色谱类仪器联用，比如 GC、LC 等，这类联用仪具有一般的质量分辨率和 质量数扫描范围。
四极杆质量分析器的结构 四极杆是由平行放置的四个杆构成，整个长度大约 20 厘米，因为主四极杆精确的装配，以致 于一些在主四极杆上的操作（比如重新安装、清洗等）会导致四极杆的致命错误。
丝寿命得到了延长。
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4 LENS 系统 LENS 系统是由几组带有不同电压的金属片构成，作用是聚焦离子，使之高效率地传送到检
测器。
5 四极杆 样品在离子源中离子化，四极杆根据离子不同的荷质比将离子分离。 最通用的质谱仪是四极杆质谱仪，四极杆具有简洁、易操作、易维护、高灵敏度、快速扫描、
产生负离子的热电子的能量特别小，以至于不能使得化合物破碎为太多小的碎片离子，因此，与 EI 源相比，负化学源的谱图显的更加简单。
（1） 反应气的导入 电子和反应气的碰撞使得反应气被离子化，同时通过碰撞，电子能量减少，使得灯丝 发射的高能量、高速电子转换成易于被捕获的低能量、低速的电子。甲烷和异丁烷通 常用做负化学源的反应气。
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下图是 QP5000 系列的离子源和灯丝：
GCMS-2010PLUS 的离子源盒与以前的仪器相比作了重要的改进。
设定温度 高于设定温度的区域
电场 离子运动方向
z 减弱了温度对电场的影响 z 离子源内部的温度均衡
3 灯丝
z 灯丝电流 QP2010 时，默认值是 60uA；QP2010plus 时，默认值是 150uA。 z QP2010 的灯丝与 QP2010Plus 的灯丝不同。见下图 z 新型的灯丝可以被用于 QP2010 的仪器上。此时的灯丝电流仍然可设为 60uA，而灯
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数的峰完全分开 通常情况下，考虑到分辨率和信号强度的平衡，0.6-0.7 的峰宽是最合适的，因为设置高的分
辨率，就意味着峰宽变窄，也就导致信号强度变小。
8 灵敏度 信噪比的定义 在 GC/MS 仪器中，信噪比通常作为衡量灵敏度的尺码，也是 GC/MS 仪器的一个重要指标。
在此描述的是信噪比，实际检测中，样品的检出限是很难被评估的，不同样品的检出限各不相同 并受诸多因素影响，例如，化合物的组分、样品的机制等等。
碎片离子 碎片离子是分子离子在离子源中的分解产生的，依照不同的碎片化方式产生出许多种的碎片 离子，碎片的分布反映出化合物的化学结构。碎片离子的质量小于分子离子的质量。 同位素峰 许多元素具有天然同位素，例如，氯元素除了 35Cl 外还有 37Cl 存在，由于同位素的存在， 在谱图的分子离子峰和碎片峰边上理所当然的产生同位素的离子峰。另外，我们有时观察背景峰 的干扰，我们会发现背景峰不是从样品中产生，而是从其它化学品中产生的，比如水、空气，还 有色谱柱固定相的流失等。
1、 常规化合物的谱库 NIST（147，198 张标准谱图，2002 版） WILEY（338，323 张标准谱图，Ver7）
2、 特殊应用领域的谱库 Pflegar/Maurer/Weber 谱库（药品和代谢物） 杀虫剂谱库等
3、 个人谱库 用户自己生成的谱库
对于四极杆或者磁质谱仪，注册在谱库中的谱图大多情况通常是使用 70eV 的电子能量来轰 击样品得到的，对于未知样品的谱图也应该在同样电子能量下获得。近来，谱库中开始包括离子 阱质谱仪的质谱图，在这种情况下，如果要得到与谱库同样的谱图，需要注意的是很多仪器参数 可以影响到谱图的式样。
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第一部分 GCMS 原理
1 真空系统 真空系统是使得离子能够在质量分析器内无碰撞飞行的必须品，质谱中通常用两级的真空泵
系统，第一级的泵称为主泵，通常是分子涡轮泵，主要功能是抽出载气保持腔体内处于高真空状 态。第二级的泵通常是机械泵，起到将第一级主泵抽出的气体排出的功能。
离子源
检测器
真空腔体
四级杆
完成的，一些重要的反应归结如下： （1） 质子的转移 质子（氢离子 H+）由反应物离子[BH]+转移到样品分子 M，形成 准分子离子[M+H]+， 这是最主要的样品离子化反应。 （2） 加合了反应物离子 样品分子捕获反应物离子 X+形成 加合离子[M+X]+ （3） 氢离子的提取 氢离子在样品分子中被提取，形成[M-H]+离子 （4） 电荷交换 电荷由反应物离子[BH]+转移到样品分子 NCI，负化学源 负离子主要由捕获（或附着）热电子形成的，我们称这个过程为电子捕获或电子附着。用来
决定信噪比的因素： 对于高灵敏度的分析，增加信号的强度和降低噪音是非常重要的。信号强度取决于：
z 到达离子源中样品的量 z 离子化的效率 z 离子从离子源通过透镜和四极杆的传输效率 噪音的来源： z 电信号的噪音。 z 化学背景干扰，比如，进样口和离子源区域的污染、色谱柱的流动相，真空腔体的机
械部件等。 z 样品和样品瓶以及进样针的污染。 z 真空腔体内机械部件的残余气体，以及机械部件本身的干扰。 GC/MS 仪器用基线波动的标准偏差作为噪音信号值，假定基线的波动在统计学上具有标准的 噪音分布。通常认为信噪比大于 3 是样品的检出限。
图为氦气过滤器 2 柱子的使用
z MS 使用专用柱，通常在柱子的型号后面带有“MS”或“ms” z 可以使用 ID 0.25mm，ID 0.32mm，ID 0.53mm 的柱子。 z 极性柱子使用时，要严格控制温度，避免固定相的大量流失。固定相的流失会对离
子源以及 lens 系统，甚至 pre-rod 造成严重的污染。 z 柱流量 < 15mL/min。(注意：CI/NCI 时,<5mL/min) z 使用宽口径毛细管柱时，最好长度不小于 25m，推荐使用 60 米以上。 z 安装柱子时应注意 Vespel 的方向（a）；用进样垫来标记柱子的接入长度（b）；切