气相色谱质谱原理

质量分析器
检测器
数据系统
数据系统
快速准确地采集和处理数据，监控仪器的工作状态，实现全自 动操作。
Sample injected into
GC
Compound is ionised
GC/MS组成
Ions are analysed
GC
Gas supply (Helium)
Interface
Ion Source Analyser Detector
FAB
e－
ＭＭ
m2
Ｍ＋ m3
ｍ１
硬脂酸甲酯
EI 离子化
EI/CI
EI CI
M+
EI为应用最多、最广泛，质谱图特征性强。
EI谱图
100
2 pg 六氯苯
%
71
107 142 177
214
0
100
200 pg 六氯苯
% 71
0
107 142
179 214
100
%
0 50
60 ng 六氯苯
71
107
100
离子阱 ~20%的台式质谱仪 (~700/年) Varian, TMQ
飞行时间 (ToF) 目前用户较少 (50-60/年) Leco, Micromass, TMQ
扇形磁场 通常不是台式仪器
质量分析器
扇形磁场质量分析器
++
离子束通过变化的磁场和电场，其运动的曲率半径与离 子的质荷比和加速电压有关，得到空间位置的分离。
upper end cap electrode ring electrode
lower end cap electrode
质谱的组成 - 4
大气
真空系统
样品入口
离子化方法
质量分析器
检测器
数据Байду номын сангаас统
电子倍增器 多通道板检测器 光电倍增管 阵列检测器
检测器类型
质谱的组成 - 5
大气
真空系统
样品入口
离子化方法
这是四极杆质谱仪的特点
数据观察 - 选项
总离子流色谱图
观察所有色谱和可见峰的最好方法 选择离子色谱图
观察某一化合物的最好方法 消除背景的影响
增加信噪比 分离共流出物峰
没有质谱图 - 不能用于未知物分析
你必须知道哪个离子需要采集 方法设置需要更多的时间
SIM仅对目标化合物有用途
SIM - 缺点
质量色谱图和TIC
•欧盟对输欧中国茶叶至少要检验下列25种农药（包括异构 体）的残留量，如乙酰甲胺磷，乐果，甲胺磷，三唑磷，氯 氟氰菊醒，氟氯氰菊酯，甲氰菊酯，联苯菊酯，氰戊菊酯， 氯菊酯，氟胺氰菊酯，氯氰菊酯，六六六，滴滴涕，三氯杀 螨醇，三氯杀螨砜，六氯苯，硫丹，噻嗪酮。
农药残留监测
•2002年日本卫生署对218种农药制订出了9,000多个最高 残留限量。其中对蔬菜类农产品制定的残留限量最为齐全， 制订了3,728个最高残留限量，分别对十字花科、薯类、葫 芦科、菊科、蘑菇类、伞形科、茄科、百合科、单列蔬菜品 种等蔬菜类别制定了最高残留限量，如对大白菜制定了77种 农药的MRL，对蘑菇类农产品制定了141个农药最高残留限 量。对大米制订了122种农药的最高残留限量 。
100
105 77
%
51 76 78
106
0
182 152 181 183
100
%
105
0
183 184 211 223
100
%
0 50
200
183 201 217
100
150
200
250
Scan EI+ 苯甲酮, EI
Scan CI+
苯甲酮 甲烷 CI+
Scan CI+
苯甲酮 氨 CI+
m/z
300
四极质量分析器
++
+
+
离子通过改变四极杆的DC/RF电压而被扫描
原理与四极杆的非常相似 离子被存储在RF和DC场中 扫描场逐出精确m/z的离子
离子阱
飞行时间质量分析器
+
+
+
+
所有离子同时启动 小的离子移动速度快 测量已知距离下的速度(飞行时间)
离子源/质量分离器类型之一：外离子源/四极杆
SIM of m/z 283.8
0
time
8.300 8.400 8.500 8.600 8.700 8.800 8.900 9.000 9.100
什么是选择离子监测 - SIM?
代替全质谱范围的扫描，质谱仪允许仅在数个质量数 范围扫描 正如我们集中在数个质量数范围扫描，我们能够采集 更长的时间 与全扫描相比，SIM灵敏度可提高10到100倍
EI/NCI质谱图
100
C H3 O
510
O
%
C F3
O
NCI
511
C F3
512
0
m/z EI和CI的质谱图
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
100
241
EI
%
213
242
510
0
m/z
50
100 150 200 250
300 350
400
450 500 550
4、同位素稀释技术或内标化合物的应用，MS定量分析的灵敏 度极大改善；
?
样品进入
什么是理想的质谱计?
黑匣子
保留时间 分子量
分子结构信息
给出答案
质谱的组成
大气
真空系统
进样系统
离子化方法
质量分析器
检测器
数据系统
质谱仪主要由分析系统、电学系统和真空系统组成。
真空系统
真空系统是MS分析的基础； 离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作； 减少本底干扰，避免离子-分子反应。
%
0
Time
11.00
12.00
数据观察 -选择离子色谱图
254.2 100
507.3
%
0 100
194.2
334.3 399.7
200 300 400 500
m/z 600
100
intensity
[M+H]+ m/M m/z
质谱分辨率
分离相邻峰的能力
分子离子 [M+H]+ M.+ [M-H]-
分辨率 FWHM 10% 峰谷
灵敏度?
四极杆质谱仪在全扫描模式下能分析到低于pg级的水平
四极杆仪器最终的灵敏度在选择离子(SIM)模式下能分析 到低至fg级的水平
什么是SIM模式?
农药残留监测
•开展农药残留监测的两个基本条件：一是必须有农药残留检 测方法标准，二是必须有农药残留判别标准即农药残留限量 标准。
•我国农药残留检测存在以下不足： 1）覆盖面窄，已制定的 38项农药残留检测方法国家标准（单残留检测方法26个， 单类农药多残留检测方法9个，2类农药多残留检测方法2个 ，3类农药多残留检测方法1个），总共涵盖农药种类为72 种；2）检测方法标准没有随着检测技术的发展而及时更新 ；3）与限量标准不相配套；4）无技术储备 。
气相色谱-质谱联用仪原理
色质联用技术
• 色谱良好的分离能力与质谱丰富的定性功能有机结合。 • 色谱通常利用保留时间定性，缺乏足够的信息； • 质谱是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，提供
化合物结构指纹和分子量信息，确保定性鉴别准确； • 随着电离技术、质量分析技术、联用技术及二维分析方
法的发展，质谱是最广泛应用的分析手段。
一次进样，交替产生六氯苯的正负化学电离扫描：[M+H]+和 [M]_
一次进样，交替产生六氯苯的正负化学电离扫描：[M+H]+和 [M]_
哪种离子化方式?
100,000
分子量
1000 EI/CI
非极性
ESI
APCI
极性
离子化和碎片
API 软 无碎片
CI 离子化
EI 硬 有碎片
质谱的组成 - 3
大气
真空系统
样品入口
离子化方法
质量分析器
检测器
数据系统
质谱仪的核心，是利用电磁场（包括磁场、磁场和电场的组合、高频电场、和高频 脉冲电场等）的作用将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置、时间 先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离 ，得到质谱图。
四极杆 ~80% 的台式质谱仪 (~3000/年) HP, PE, TMQ, Shimadzu
350
EI和PCI的比较 使用甲烷和氨气
e－ CH4
CCHH4 4
H
++
CH4 CH3
CH4
e－
ＭＸ ＭＸ－
Hexachlorobenzene
NCI 离子化
e－ CH4
CCHH4 4
H
++
CH4 CH3
CH4
e－ － ．
ＡＢ
ＡＢ
Parathion
CI是利用反应气体的离子与样品分子发生的分子-离子反应，分子离子峰特征性强。
142 150
177 214 200
284 282
288 249
253
284
282 288 249
253
在TRACE MS
284 EI/70获得的结果
282 288
249 253
250
300
350
PCI 离子化
e－
CH4
+ C2H4 MH
+
C2H5
Ｍ
(M+H)+
硬脂酸甲酯
准分子离子为最强峰
CI谱图
气体 例如：气相色谱仪(GC/MS)
液体 例如：液相色谱仪(LC/MS)
固体 固体进样杆(Probe)
质谱的组成 -2
大气
真空系统
样品入口
离子化方法
质量分析器
检测器
数据系统
离子源
是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使生成的离子 会聚成为一定几何形状和一定能量的离子束，进入质量分析 器被分离。 离子源的结构和性能与质谱的灵敏度和分辨率有关
质谱联用技术的用途
•事故分析：为不明原因的判断提供依据； •确认检测的需要：农残、兽残、β2-受体激动剂残留等假阳 性样品的确认； •痕量有毒有害化合物监测的需要：二恶英、持久性有机污 染物、内分泌干扰物等； •复杂基质中化合物分析的需要：食品、生物材料等； •多残留检测的技术需要：共流出物的分析； •仲裁方法； •贸易纠纷的公正检测；
不采集全质谱图，仅采集样品中特征离子 分子离子 特征碎片 提高置信度 (离子的比率)
仪器用更多的时间采集有用的数据使得灵敏度显著地改善
采样频率快于全扫描，所以定量精度得到改善
全扫描和SIM
100
%
2 pg 六氯苯，全扫描 选择离子 m/z 283.8
0
100
更少的样品更好的
信噪比
%
100 fg六氯苯
离子传输效率1%~10% 离子化效率1%~0.1%
离子源/质量分离器类型之二：外离子源/四极离子阱
离子传输效率1%~10%
顶端
环电极
o
底端
内离子源/四极离子阱
灯丝 色谱柱进口
电子倍增器
离子阱组件
electron beam
ion beam
M -> P+ P+ - F -> D+
AGC gate
GC-MS与GC比较
1、GC-MS定性参数增加：除保留时间外， GC-MS还提供质 谱图，由质谱图、分子离子峰得到的分子量、碎片峰强度、同 位素离子峰比，选择离子的子离子质谱图使定性可靠；
2、MS为GC的通用性检测器，可检测多类不同的化合物，而 不受基质的干扰；
3、采用选择离子检测技术或串联质谱技术，可以降低化学噪音 的影响;
机械泵 分子涡轮泵 油 扩散泵 离子泵 升华泵
质谱的组成 -1
大气
真空系统
样品入口
离子化方法
质量分析器
检测器
数据系统
进样系统
• 色质联用仪的进样系统由色谱仪和接口组分；
• 接口是色谱联用的关键装置。1、不影响色谱柱的分 离柱效，不破坏离子源的高真空；2、除去流动相，使 色谱分离后的组分尽可能多的进入离子源；3、不改变 色谱分离后各组分的组成和结构。
兽药残留分析
•质谱法已成为兽药残留分析常用的定量及确证方法。 •为了确保兽药残留分析的可靠性，欧盟在兽药残留鉴定中 提出具有最大残留限量的残留鉴定分值（identification point， IP）需要3分，而禁用兽药需要4分。低分辨单级质 谱每个离子仅1分，高分辨质谱为2分，而串联质谱的母离子 为1分、子离子为1.5分。
样品分子电离的难易与其分子组成和结构有关，为使稳定性 不同的样品分子在电离时获得分子离子信息，需要不同的电 离方法。
GC/MS
电子轰击离子源 化学电离源
正化学电离源 负化学电离源
LC/MS
电喷雾离子源 大气压化学电离源 热喷雾电离源 快原子轰击电离源
通常的离子源
EI CI PCI NCI
ESI APCI TSI
农药残留监测
•发达国家采用先进的检测技术加强农药残留监测，如气相 色谱与质谱联用、液相色谱与质谱联用、毛细管电泳与质谱 联用等。这些技术的应用，大大提高了农药残留检测的定性 能力和检测的灵敏度、检测限和检测覆盖范围。
•欧盟2000/24/EC和2000/42/EC规定了更为严格的残留限 量规定 ；
Mass Spectrometer
Vacuum System
Analyst
Instrument control Data acquisition Data processing Data storage
GC-MS考察指标
•质量分析器 •质量范围 •离子源 •检测系统 •真空系统 •控制系统 •灵敏度（EI 、CI+ 、CI- ）
100
240.27
1.41e5
Mass 240
%
0 100
TIC 4.67e5
%
TIC
0
Time
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
2.40
2.60
2.80
3.00
数据观察 -选择离子色谱图
100
TIC
1.57e5
TIC图上显示的两个接近的流 出峰，但每个峰是具有不同
质谱指纹的不同化合物...