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气质联用

气相色谱-质谱联用仪原理

气相色谱-质谱联用仪简称气质联用(GC-MS),它是气相色谱仪和质谱仪的联用,其中气相色谱仪是进样系统,利用自身色谱柱的分离能力对气化的样品进行分离,而质谱仪属于后期的离子鉴别仪器,将分离后的样品分子离子化后,并按它们的质荷比顺序依次进行分离和记录。

气相和样品分离:利用气相色谱中色谱柱的分离功能,被气化的组分在载气的运载下,于色谱柱的流动相和固定相中进行反复分配,然后同类物质聚集,各组分顺序流出色谱柱,达到组分分离的目的,分离出的各组分依次进入质谱仪。

质谱和离子分析:对样品的离子化,和离子的分离记录都在质谱仪中完成。

质谱仪的功能分三个部分,一是对分离出的样品进行离子化,这个过程是在离子源内完成的。二是通过四极杆质量分析器把不同质荷比的离子分开,最后由电子倍增管对收集到的离子进行信号放大并记录。得到的曲线分布图称为质谱图,横坐标是质荷比,纵坐标为每种带电离子的相对丰度。这样通过质荷比就可以确定离子的质量,从而进行样品的定性分析和结构分析,而图上每种离子的峰高可以进行物质的定量分析。

 

1 通常给出的棒状质谱图

 

离子源:组分粒子被离子化的场所。实验所用的离子源为电子轰击源(EI),装置原理图如下。

2 离子源结构示意图

灯丝发出的电子束经过一定的电压加速后,对进入离子室的样品分子或原子进行轰击,这些原先的中性粒就会失去电子,成为带正电荷的离子,这个过程就称为电子轰击离子化。两类产物,负电荷的电子,被电离室的收集极吸收,正电荷的离子在受到加速电极的加速,聚集狭缝的聚焦后离开电离室,进入质量分析器。离子化的过程可简单表述为:

M代表进入电离室的组分分子, 表示失去一个电子,称分子离子,其m/z值相当于该化合物的分子质量。在质谱图中,分子离子所呈现的峰为分子离子峰,正常情况下,该峰位于质谱图的最右端。

但实际中,样品分子在离子源中可以发生各种电离,产生多种离子。

碎片离子:为了保证离子化效率,加在轰击电子上的电压一般为70eV,超过了分子电离所需的能量,分子离子能够进一步裂解产生质量数较低的碎片,称“碎片离子”。碎片离子峰在质谱上位于分子离子峰的左侧。

重排离子:分子离子裂解为碎片离子时,不仅存在着简单的键断裂,分子内部还会有原子或基团从一个位置转移到另一个位置的情况,这称为重排离子,最常见的重排途径是麦氏重排。

通过分子离子反应生成加合离子

同位素离子:和离子中所含有的同位素种类有关,在质谱图上,表现为一些比分子离子峰或碎片离子峰高1~2或更多原子质量单位的峰。

电离室中要求是高真空的,一方面是为了避免发射电子的电阻丝高温氧化,二来低压下,可以忽略掉离子与分子或电子发生二次碰撞的可能性,三是在后期的四级杆分析器中,要求只是被测组分相关的粒子进入检测器,故环境中的其他杂质粒子应尽可能的少。

质量分析器:实验中仪器所配置的是四极(杆)滤质器,由四根平行的金属电极组成,电极上加以直流电压和射频电压,离子进入电极中的射频场后,其运动轨迹是两个方向的运动合成,一是原方向的运动,和电极方向平行,另一个就是垂直于电极方向的横向摆动。仪器所施加的电场的设置会保证只有一种质荷比的离子才能穿过该射频场,被离子收集器收集,并产生相应的电信号,其他质荷比的离子都会因横向摆动的幅度较大,而撞击到金属电极上,并被真空泵抽走。通过快速的电压扫描,就能够确定出一定的质荷比范围内的各离子的数量。

3 四极杆滤质器结构及功能示意图

记录仪:气质联用的记录仪一般是电子倍增管。其具有的电子倍增极,能够让少量的电子成倍激发多个电子,由此多次激发,将信号放大 倍。

 

气相色谱-质谱联用:质谱法是一种有效的鉴定方法,其直观的质谱峰信息,提供了可靠的定性分析和结构分析结果,但它不具备分离功能,对有机混合物分析无能为力。而色谱法是各种分离技术中效率最高的。应用范围最广。但在定性分析时显得牵强。两者的结合,先通过色谱仪进行分离,然后对分离出的每一个组分进行质谱鉴定,充分发挥两者的优势,可同时完成复杂有机混合物的分离、定性和定量分析工作。

 

4 GC-MS系统示意图

气质联用涉及到的技术问题主要由两个,一是气压的调整。色谱是常压,而质谱仪要求高真空。当分离设备是毛细管柱时,情况有所简化,从这种色谱柱中流出的样品和载气直接引入了质谱仪的离子源。而填充柱色谱柱就要麻烦些,必须经过一个分子分离器降低气压,并将载气与样品分子分开。装置为喷射式分子分离器。较大质量的样品分子将在惯性的作用下继续直线运动,经收集器进入离子源,载气,由于质量小扩散速度快被真空泵抽走。

二是大量数据的高速采集。要求在色谱出峰时间内,完成质谱的鉴定工作。

4 采集到的三维信息

 

由质谱仪得到的其实是个三维分布的谱图信息,如上图。一般将它们分为色谱图和质谱图。色谱图(下图上半部分)的横坐标是时间(time(min)),纵坐标是相对丰度(Relative abundance)RT:保留时间;SN:信躁比;NL:最高信号值;TIC:总离子流图:F:Ms ICIS:一种积分方式

5 色谱图与质谱图

质谱图的横坐标是质荷比(m/z,纵坐标是相对丰度,按设定的扫描方式,两种类型:全扫描(Full Scan)和选择离子扫描(SIM)

全扫描是对扫描整个被测化合物的分子离子和碎片离子的质量,得到是化合物的完整(实际上不是全部)的质谱图,可以用来进行谱库检索,一般用于定性分析。特点是碎片信息多,定性准确,但灵敏度低且易受干扰。

选择离子监测只是针对你所选定的特定离子进行监测,符合设定条件的离子才能出峰。所以选择离子扫描灵敏度更好,谱图更好看些,会有效的去除基质的干扰,同时可以获得较高的灵敏度,但是,由于选择离子技术只采集几个离子进行扫描,就决定了这种扫描方式只能提供较少的定性信息,使定性结果存在一定的不准确度。

定性和定量

质谱图可以提供有关分子结构的许多信息,通过质谱解析能够推断化合物的相对分子质量,确定化学式和结构式

1.相对分子质量的测定

通过质谱图上分子离子峰的m/z 可以准确地确定该化合物的相对分子质量。一般来说,除同位素峰外,分子离子峰一定是质谱图上质量数最大的峰,它应该位于质谱图的最右端。

2. 化学式的确定

用质谱法确定有机化合物的化学式,一般是通过同位素峰相对强度法来确定。各元素具有一定天然丰度的同位素,从质谱图上测得分子离子峰M、同位素峰M+1M+2的强度,并计算其(M+1/M、(M+2/M强度百分比,根据拜诺(beynon J H)质谱数据表查出可能的化学式,再结合其他规律,确定化合物的化学式。

3. 结构式的确定

在确定了未知化合物的相对分子质量和化学式以后,首先根据化学式计算该化合物的不饱和度,确定化合物化学式中双键和环的数目。然后,应该着重分析碎片离子峰、重排离子峰和亚稳离子峰,根据碎片峰的特点,确定分子断裂方式,提出未知化合物结构单元和可能的结构。最后再用全部质谱数据复核结果。必要时应该考虑试样来源、物理化学性质以及红外、紫外、核磁共振等分子方法的波谱信息,确定未知化合物的结构式。

定量,同气相色谱,分内标和外标。