GCMS基本原理和VOC及其分析方法.ppt

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1、July 23,1,file_name,July 23,2,file_name,INFICON Primary Markets,全 球 性 公 司,Leybold InficonSyracuse(美国 纽约),Leybold Instrumentation Cologne(德国 科隆),Balzers Instruments Balzers(列支敦士登),综合235年真空技术创新的专业知识,由三家世界领先的仪器公司组成,Leak Detection,Process Control,Vacuum Control,EnvironHealth&Safety,July 23,4,file_name,8

2、90 employees in 12 countries for sales,service and technical support,INFICON Global infrastructure,July 23,5,file_name,Quality Certified,Registered with the internationally recognized quality assurance rating,ISO 9001.Selected locations are ISO 14001 certified.,HAPSITEbyINFICON,第一节 了解HAPSITEWhy is i

3、t called HAPSITE?(为何名称为HAPSITE?),HAPSITE is an acronym for:(HAPSITE是现场危害性空气污染物的缩写)Hazardous Air Pollutants on SITE,(HAPSITE 与 常规GC/MS比较),HAPSITE weighs A LOT less(HAPSITE重量轻得多)You dont have to be a GC/MS expert to successfully operate the HAPSITE(操作HAPSITE无需GC/MS专家)HAPSITE is as accurate as a standa

4、rd lab GC/MS(HAPSITE的精度与标准实验室GC/MS相同)Only the HAPSITE can run samples in the field(唯有HAPSITE可用于现场分析样品),整体配置,程控温度 微阱浓缩器检测 ppt 范围,内置全球定位系统(GPS)奔腾 II 處理功能,尺寸：46 x 43 x 18 cm 重量16公斤(无电池）,Internal View of the HAPSITE(内视图),ProbeConnector(探头连接件),Internal Computer(内置计算机),结构框图,外接真空系统,内置真空泵,What does a HAPSIT

5、E do?(HAPSITE能做什么?),Identifies and quantifies Volatile Organic Chemicals(VOCs)(鉴别和定量挥发性有机化合物(VOCs)Analyzes air,liquid,and solid samples(分析空气,液体和固体样品)Liquid/solid samples analyzed by Headspace(用頂空分析液态/固态样品)Capable of detecting chemical health and environmental risks at very low levels(能检测含量很低的危害健康与环境

6、的化合物),HAPSITE Statistics(HAPSITE一般资料),Dimensions(尺寸):46 x 43 x 18 cmWeight(重量):16 KgsRange(范围):1-300 Atomic Mass Units(原子质量单位)Power(功率):30 Watts(瓦)Average(平均)Battery Life(电池寿命):2 3 小时,载气 氮气 柱温度范围 45C 至 200CGC 柱 100%聚甲基硅氧烷固定相,30m x 0.32mm x 1.0m 载气使用率 1瓶/824小时(与使用的方法有关)内部标准气体使用率 1瓶/2472小时(与使用的方法有关),色

7、谱（GC）配置,Example:Fore flush(Injection):60 sec(Detectable until Retention time 10 min.)Back flush:Until the end of acquisition(until next Analysis),（Fore/Back Flush）,吹扫,质谱配置,电离模式 70 eV 电子电离源质量分离 四极杆质量分析器检测器 电子倍增器真空系统 15 升/秒 NEG 泵 0.2 升/秒 溅射离子泵 外接真空系统 数据系统 内置计算机或笔记本电脑,There are a few concepts to be fam

8、iliar with in order to better use the HAPSITE:(为更好地使用HAPSITE应熟悉的一些概念)Volatile Organic Chemical(VOC)(挥发性有机化合物)Atomic Mass Unit(AMU)and Atomic Weight(原子质量单位和原子量)Boiling Point(沸点),第二节VOC(挥发性有机化合物),What is a Volatile Organic Chemical?(什么是挥发性有机化合物?),Carbon-containing compounds(含碳 的化合物)Evaporate easily in

9、to the atmosphere(易蒸发入大气的化合物)Gas at room temperature with a high vapor pressure and a low boiling point(室温下具有高蒸汽压和低沸点的化合物)Some VOCs are toxic and/or carcinogenic(某些VOCs是毒性和/或致癌性的),VOC的两个主要性质Organic(有机物)主要由碳氢元素构成，除碳和氢外，有机物中常见的还有氧、氮、卤素、硫、磷和其他一些元素2.挥发性沸点低于250一般不是“重”化合物分子量300,Atomic Weight or Atomic Mas

10、s(原子重量或原子质量),Symbol符号,Atomic Mass原子量,AMU and Molecular Weight(AMU和分子量),The MW is the sum of the atomic weights of each of the elements in the compound(MW是每个元素在化合物中原子量的总和)Examples(例):Toluene(甲苯)=C7H8=7(12)+8(1)=92Carbon Tet.(四氯化碳)=CCl4=1(12)+4(35)=152Chloroform(氯仿)=CHCl3=1(12)+1(3)+3(35)=118,Boiling

11、Point(沸点),Boiling point is the temperature at which a liquid changes to a gas(vapor)at normal atmospheric pressure(沸点是在常规大气压下液体转变为气体(蒸气)的温度)A chemical does not have to be“hot”in order to boil(化合物沸腾不是必须“加热”的),挥发性有机化合物（VOC s）样品要求：样品最大含水量 8%重量 样品pH范围 2-11 样品沸点范围 40 AMU，分子量小于40需用特殊方法,样品适应范围,工作温度范围 0C 至

12、45C(32F 至 113F)(低温下使用有绝热层)工作湿度范围 在全部相对湿度范围内使用(可暴露于雨水和去污液体中)内部功耗 30瓦平均,24伏(DC)电池寿命 约 2 至 3 小时后充电外通讯 以太网端口或无线联机,HAPSITE仪器工作条件,三、GC、MS仪器结构、工作原理,气相色谱仪结构分离过程、影响分离的因素有机质譜仪的构成分析过程、影响质谱分析结果的因素质谱需要真空,气相色谱仪结构,色谱柱、柱箱,色谱工作站,检测系统,进样系统,气路系统,色谱分离,混合物,单体化合物,流出时间不同实现分离,气相色谱分离过程,气相色谱的分离是基于各种物质在固定相中的保留能力不同在一定温度和载气流速条件

13、下、流出时间不同而实现分离。,影响分离的因素,色 谱 柱：规格（柱长、柱径）固定相类型（弱、强、中等极性）操作条件：进样方式（分流/不分流、恒流、恒压）载气流速（毛细管不大于1ml/min)柱温（恒温、程序升温）进 样 量（毛细管不大于1l,柱容量）,四极质谱仪器结构,质谱分析过程,注意：质谱测定过程是在真空条件下进行的,离子化 质量分离 离子检测,？X 7 离子化效率：0.1%到达检测器0.01%,分子离子,碎片离子,谱图与化合物结构相关,质谱需要真空,保证足够的平均自由程 控制离子-分子反应（EI谱为单分子分解反应）减少残气信号的本底干扰（影响灵敏度，杂峰影响定性）保证离子良好的聚焦（离子

14、源压力高影响正常调谐）延长灯丝、电子倍增器寿命（空气对灯丝和电子倍增器寿命的影响）避免静电放电，压强高，气体传导引起的高压放电 提高灵敏度！,真空的基本概念,0时，1个大气压标准状态下，1立方厘米体积内有26510-19个气体分子，如果把1立方厘米体积内的气体分子全部抽掉，系统内的气压等于零。这是理想真空状态，实际上做不到，因此没有绝对的真空，目前可以获得10-15 orr的极高真空，月球真空为10-11 orr。,质谱分析中常用orr作为真空计量单位 1 orr=1 mmHg 1 orr=133.3Pa 1大气压=760 mmHg 真空的划分 P 10-2 orr 低真空 P=10-2-10

15、-4 orr 中真空 P=10-4-10-7 orr 高真空 P 10-8 orr 超高真空,真空指系统的气压低于一个大气压的状态。,内置真空系统,作为便携式仪器的真空泵有特殊要求,系统内要求维持足够的真空度：6*10-3 Pa,NEG泵，抽除活性气体，不能抽除惰性 气体 离子泵 抽除氩、氖、氪 和氙等惰性气体,外接真空系统,分子泵90,000 RPM前级泵4 stage diaphragm pump抽出分子泵出口排放气体,真空降低,压强增大,应订购 新NEG泵,更换 NEG泵,HAPSITE 不再工作,真空状态,离子轨迹,只有在高真空条件下，离子才能从离子源到达检测器,电子电离源 EI,单电

16、荷离子双电荷离子碎片离子,离子化机理,-电子电离源（EI）,四极质量分析器工作原理,m/z=（K/2 r2）V(t)离子依不同的DC/RF电压扫描穿过四极场到达检测器 四极杆动态场决定哪些离子能通过 电场某一值只允许某一质量离子通过，其他的离子都过不去 并不是由离子源出来的全部离子都能到达检测器,检 测 器,M+EM=增益*e(增益 106),M+e=N(1个离子=1个电子),四、GC、MS技术特点,色谱法特点、局限性质谱法特点、专一性GC-MS 联用的优势,色谱法特点,横坐标-出峰时间，代表组分性质；纵坐标-峰强度，代表组分的量,如果保留时间是唯一的，只要有标样，并能准确测定所有化合物保留时

17、间，GC将是最简捷、理想的定性方法，不需要解释谱图,分析混合物的有效手段,根据“保留时间”定性，峰高或峰面积定量,高效分离 高灵敏度（10-12g 10-15g）快速分析,GC 定性的局限性,发展：色谱柱（固定相、柱体、柱径、长度、液膜厚）多维色谱、多种检测器,难点：标样的获得不易 保留时间窗口有限 保留时间重复难,解决办法：选择性分离 选择性检测,局限性：不同化合物共流出，定性不专一未知物鉴定，保留时间需要标样确认有选择性，不同检测器响应不同,提高分离效率，也无法实现保留时间唯一性需寻找适用于 GC 定性的其它有效手段,质谱法,横坐标是离子质荷比 m/z，纵坐标是离子的丰度 IEI谱提供丰富

18、的结构信息（谱图重现性好、可迭加）,-质谱图和化合物结构相关,不同离子化、质量分析方式得到不同的谱图,C7H8 MW 92,甲苯,m/z 92:分子离子 M C7H8 m/z 91:碎片离子 M 1 C7H7,m/z 91,CH2Cl2 MW 84,二氯甲烷,m/z 84:分子离子 M CH235Cl2 m/z 86:同位素离子 CH235Cl37Cl m/z 88:同位素离子 CH237Cl37Cl m/z 49:碎片离子 M 35 CH235Cl m/z 51:同位素离子 CH237Cl,质谱法特点,结构鉴定手段,优点：高效、快速分析 高灵敏度（10-12g 10-18g）定性专一（质谱图

19、和化合物结构相关）高选择性 有效的定性、定量手段 集反应、分离、鉴定于一身局限：结构鉴定要求样品纯度高,质谱给出完整的结构鉴定信息,分子量分子式、离子的元素组成分子的基本骨架 由元素式计算环加双键数 由分子离子强度判断化合物类型化合物官能团 由特征离子和特征离子系列判断推导分子结构 根据离子碎裂规律,质谱与其它谱学方法主要区别,（1）能给出真正意义上的化合物分子量（原子量）低分辨质谱给出的是整数质量 高分辨质谱给出的是精确质量（ppm）十三烷基苯 C19H32 260.3331 苯基十一烷基酮 C18H28O 260.2967 萘苯并噻吩 C18H12S 260.1486（2）能获得元素组成

20、由精确质量和同位素丰度比推导 化合物的分子式或碎片离子的元素式,GC-MS 联用,GC-MS 联用优势,GC作为MS的进样器：纯化样品、减少污染 MS作为GC的检测器：定性专一 获得更多信息：色谱图（保留时间、强度）质谱图（质量数、强度）质量色谱图（特征质量强度分布）,两种技术结合优势互补,前提：色谱分离一定要好（单一组分）共流出峰的鉴别 质谱图要合理,GC-MS 联用 数据获得,扫描一次得到一张MS图,色谱峰每一点峰强度是一次扫描的质谱图中所有离子强度之和,每一个色谱峰可获得多张质谱图 取决于色谱峰宽,GC/MS联用可获得更多信息,TIC、MS、RIC多种信息,共流出组分分离(峰宽0.5秒)

21、,五、数据采集和数据处理,本底调谐数据采集,本底来源 残气成分（固有的和外来的）系统反复或较长时间放大气，残存的空气和水 载气中的杂质，色谱柱和密封垫流失 样品中杂质，样品残留 系统被污染（泵油蒸气，清洗溶剂等）本底判断 从调谐窗口观察(不进参考样品)不进样空白扫描，看基线变化 TIC图强度分布 TIC图上不同位置的质谱图,质谱图背景（本底）,实测本底（m/z 45-300）,仪器的正确调谐,调谐目的：使仪器达到分析要求的最佳状态，检查仪器状态 定性要求检索给出高的相似系数，定量要求最佳灵敏度调谐内容：质量轴校正（用标样标定）适当的分辨率（峰宽）最佳灵敏度（峰强）正确的离子丰度比（经典谱图）调

22、谐方式：适应不同分析要求有不同的调谐程序（自动、手动等）痕量分析要求灵敏度，不要求峰的比例 定性分析要求正确的离子强度比 不同的定量分析方法用不同的化合物进行调谐,调谐标样,1,3,5 tris（三甲基氟苯）溴五氟苯,调谐标样谱图,手动调谐,调谐面板显示,调谐结果评价,质量轴偏差（+/-0.2 u）所需分辨（峰宽 0.9u-1.0u 峰形对称、平滑）最佳灵敏度（m/z 117 的绝对强度适中）本底干净（杂峰多少，强度大小）真空状态好（6*10-3 Pa）各参数是否偏离仪器正常值，若偏离正常值说明离子源脏或仪器有问题 如果调谐通不过，表明仪器可能出现了问题 定性分析要求满足离子强度比,GC/MS

23、数据获得,被分析样品从色谱柱连续流出进入离子源质谱连续扫描，每秒钟采集若干张质谱图一次色谱分析可获得上千张质谱图,质谱数据采集,采集原理 计算机通过A/D转换采样接口，采集检测器输出的电压随时间 变化的模拟量，转换成数字量，经过处理获得以质量和强度表示 的质谱数据采集步骤-当质谱扫描时，电压以一定“步长”（如相当于0.1u的电压值 变化），按设定质量范围变化，而计算机则以一定的采样速率 采集和处理信号，确定每一个质谱峰的位置和强度，然后根据 质量标尺进行质量标定，得到质量、强度、时间（扫描次 数）储存下来，即原始数据文件。,质谱信号 离子流被检测器检测经过放大输出 是一个电压随时间变化的模拟量

24、,质谱图(MS)的获得,质谱数据形式,GC/MS数据是三维数据：保留时间、质量、强度 质谱图、总离子流色谱图、质量色谱图（均可列表）,质谱棒图（MS）纵坐标:强度 横坐标:质量 每次扫描获得的所有离子质量和对应强度的谱图 总离子流色谱图（TIC）纵坐标:强度 横坐标:保留时间(或扫描号)每次扫描中所有质量离子强度之和对应于扫描时间（或扫描号）的谱图 质量色谱图（MC）纵坐标:强度 横坐标:保留时间(或扫描号)某一质量离子的强度对应于扫描时间（或扫描号）的谱图,TIC、MS图,两相邻的色谱峰，代表不同化合物，应有不同的质谱图,MC（RIC）图,10.50,11.00,11.50,12.00,12

25、.50,time,-两个化合物基峰不同,质量色谱的用途,峰 纯 度 检 查-分辨共流出的色谱峰目标化合物鉴定-峰追踪目标化合物定量-消除背景干扰，定量准确 增加信噪比，利于降低检测限同 系 物 鉴 定 鉴别异构体 确定碳数分布,峰追踪实例,显示RIC图,寻找目标化合物,质谱扫描方式,全扫描（Scan）方式：在设定质量范围内所有峰都采集，得到的是全谱 用于未知样品分析，谱库检索必须采用全谱。选择离子（SIM）方式：只采集选择的某些质量离子，得到的不是全谱 因检测离子数少，离子被检测时间更长改善 噪声减少，信噪比提高 可获得最大灵敏度，好的峰形，改善精确度 适于复杂混合物痕量杂质定量,SIM灵敏度

26、为何比SCAN灵敏度高？,SCAN用于每个质量的采集时间约100-200微秒 SIM方式为100毫秒，每个质量检测时间增加1000倍 信噪比和检测时间的平方根成正比，约提高 30 倍 实际提高取决仪器状态，背景干扰，样品复杂程度SIM 缺点：无全谱-对未知物鉴定不利 能否进行库检索，取决于选择离子的个数 适合于目标化合物检测 采集数据前需要知道要采集的质量数,扫描质量范围根据样品分子量范围 确定扫描起点和终点 扫 描 速度 根据色谱峰宽阈 值 根据本底信号强度倍增器电压 根据灵敏度要求设置,全扫描参数设定,起始质量 扫描起点质量（45以上）终止质量 扫描终点质量（不超过300）跳过质量范围 不

27、采集的某一质量或一段质量范围停留时间 每一数据点采样时间长度（最大400 us)，时间长信噪比好扫描时间 1.02 sec,灯丝延时：45 sec,HAPSITE 全扫描参数设定,化合物的特征离子 反应化合物结构特征的离子 定量分析选1个定量离子 35个能确证化合物的离子 定性分析选68个离子离子组数目 根据需要离子扫描停留时间 根据扫描速度和离子数目扫描质量窗口 根据质量测定的精度和稳定性,选择离子参数设定,HAPSITE 参数设定,每组质量：名称，起始时间（分、秒），终止时间（分、秒），总时间 质量数 所选离子质量 质量宽度 每个离子质量扫描宽度（0.6意味峰中心两侧是0.3）累加扫描 每

28、一质量累加扫描10次 停留时间 每个质量采样时间（128-4000微秒，建议为400微秒，增大降低检测限）间隔时间 扫描设定质量前跳过的点数，经验值为1000s（停留 X 间隔时间）,方法参数,GC参数 流量、压力、升温程序（对分离效率影响）进样方式 分流进样，适用常量分析，检测主要成分 不分流进样，适用痕量分析MS参数 Scan方式-质量范围（起始、终止质量）、扫描速度（扫描循环时间）起始扫描时间、溶 剂延时、阈值、SIM方式-选择特征离子质量：化合物独有的、高质量、高强度离子 停留时间：监测每一个离子所需时间 质量窗口：监测离子质量偏差 究竟选择多少离子进行监测取决于应用需要，一般要求每组

29、3-5个离子即可 一个离子用以做定量(特别是基峰),其它离子用以鉴别化合物。,调 谐 谱图质量（同位素丰度比）灵敏度（检测限）方法参数 GC条件 MS扫描方式，采集参数 扫描质量范围设置本 底-背景谱的干扰进样方式-混合物分离、不分离 浓缩、不浓缩,影响谱图质量的因素,数据再现-方式：屏幕显示或打印输出 内容：各种图形,数据列表 数据加工-本底扣除,谱图累加,提取各种谱图 放大,缩小,注释，格式转换 数据输出-储存，打印，传送，交换，联网 查看数据的方法总离子流图-查看色谱图中所有峰质量色谱图-查看系列化合物质 谱 图-查看单一化合物,数据处理,检索鉴定,NIST检索,谱图简化：质量加权保留最

30、有意义的峰，如保留50个最大的峰 加权计算是峰强乘质量数平方根 使得较弱的高质量峰和强度大的低质量峰机会均等 但在计算匹配值时不用加权的强度 去掉某些质量峰（可删去4个峰或某质量以下的峰）予检索：简化的谱图和谱库中参考谱比较确定合适的候选谱图（逆检索）正式检索：取一定数量的最前面的候选谱，再仔细检查各个库并核对看是否通,正检索 未知谱和标准谱对照，计算相似系数 任何峰只在未知谱或参考谱中之一出现 相似系数都会降低逆检索 标准谱和对照未知谱，计算相似系数 任何峰只在参考谱出现，而未知谱中没有，相似系数都会降低,正检索、逆检索相似系数,相似系数高，说明两张谱图很相近 相似系数低，说明两张谱图相差大

31、 正检索高，逆检索高，可靠性高 正检索低，逆检索高，说明样品谱是混合物（纯度）许多因素影响谱库检索结果 最重要的是谱库中的参考谱和未知物的谱都必须是高质量的 检索只是未知物鉴定的一个措施 没有任何检索程序能提供100%的鉴定结果 相似系数最高的化合物不一定是正确答案，列表只是参考 需要分析者根据质谱知识和经验来决定检索结果的正确性 为了获得最大的可信度，可采用自己在相同仪器条件下建立的谱库,匹配系数的意义,检索结果分析,1.相似度（匹配系数）确认：大于90%可靠性大，小于60%可靠性差2.差谱鉴别 差谱没有峰或强度很小，说明相似度高，可靠性好 如果参考谱中的特征峰或强峰在样品谱中不出现或很弱，

32、可靠性差；样品谱的峰数和强度大于参考谱，说明有来自本低或混合物的干扰；3.鉴别样品谱中多出的峰 是来自本低（包括柱流失）或其他混合物4.用质量色谱鉴别（纯度检查）：即用多个质量色谱确定峰的归属 差异离子的质量色谱确定干扰源（混合物或本低）特征离子质量色谱确定同系物 分子离子质量色谱确定同系物分布5.其他辅助参数，如保留时间，样品的状况等,检索结果实例,NIST检索结果,未知谱和已知谱对照,定性分析,目的：未知化合物结构鉴定（新发现天然产物及合成新化合物）已知化合物定性鉴定（物质的成分测定及监测和检验）要求：了解样品来源 正确的采样和前处理方法 确定分析方案 调整仪器状态 规范的分析步骤（空白的重要性）严谨数据处理（合理的质谱图）科学的结论,