1、24实验十 气相色谱-质谱法（GC-MS）对酯类混合试样的定性分析一、实验目的1. 了解 GC-MS 的基本结构和工作原理；2. 初步掌握 GC-MS 的操作过程；3. 掌握 GC-MS 对未知化合物定性的分析方法。二、基本原理气相色谱（GC）-质谱（MS ）联用仪可看作是以 MS 为检测器的 GC，或以 GC 为进样、分离装置的 MS。因此同时具备 GC 对混合物的高效分离效能和 MS 对未知物的强定性能力，可在较短时间内实现对多组分混合物质的定性及定量分析。在所有联用技术中，GC-MS 的发展最为完善，广泛应用于环保、食品、石油化工、轻工、农药、医药、法医毒品及兴奋剂检测等各个领域。 气相
2、色谱（GC）是以气体为流动相的色谱方法，仪器结构见图 9-1，待测样品由进样口注入到色谱分离柱柱顶的气化室（进样后瞬间被气化） ，然后在惰性载气（流动相）的带动下进入色谱柱（与质谱联用的 GC 常用石英毛细管柱，内壁涂覆固定相） ，组分在随载气运动的同时与固定相发生作用，由于不同组分与相同固定相的作用力大小不同，因此固定相对不同组分的保留能力不同，作用力小的组分会随流动相在较短时间流出色谱柱，作用力大的组分则需较长的时间才能流出色谱柱，因此实现了分离。利用柱末端的检测器对流出组分进行实时测定，就可以获得色谱流出曲线（见图 9-2） ，根据各组分的保留时间（从进样到出现色谱峰值的时间）和峰面积就
3、可分别实现对其的定性和定量分析。但仅利用保留时间定性（相同测定条件下，同一组分的保留时间不变）的可靠性不高，而常用色谱检测器也无法提供其它可反映结构的信息。25图 10-1 气相色谱仪器示意图图 10-2 色谱流出曲线质谱法（MS）是在离子源（能量源）的作用下把待测试样转化为运动的气态离子并按核质比（m/z）大小进行分离记录的方法，测量结果可以质谱图（见图 9-3）表示。离子源能量一定时，同一化合物可生成的碎片离子及各离子间的相对强度是一定的，即质谱图可反映化合物的结构特征，因此可用来进行定性及结构解析。此外离子强度（任一离子或总离子强度和）与进样量在一定条件下存在正比关系，这为定量分析提供了
4、依据。图 10-3 采用电子轰击源时谷氨酸的质谱图质谱仪结构示意图见 9-4，离子源、质量分析器和检测器必须处在高真空状态，否则会有以下危害：大量氧会烧坏离子源的灯丝；会使本底增高，干扰质谱图；会引起额外的离子- 分子反应，改变裂解方式，使质谱图复杂化；干扰离子源正常调节；用作加速离子的几千伏高压会引起放电等问题。质谱具有很强的定性及结构解析能力，而且灵敏度也很高，但通常仅适于纯试样的测定，对混合物的分析很不理想。2610-4 质谱仪的基本结构示意图GC-MS 就是通过适当的接口将 GC 与 MS 结合起来实现在线联用，以便同时获得 GC的高分离效能和 MS 的强定性能力，能在短时间内实现对多
5、组分的定性及定量分析。但GC 的柱末端压力为一个大气压左右，MS 则需要在高真空下工作，因此接口技术是实现联用的关键一步。由于目前 GC 通常采用内径很小（0.25 mm 左右）的毛细管柱，流量控制在 1 mLmin-1 以下时，可采用直连方式，即柱末端流出的成分（试样与载气）直接进入电离室，在离子源的作用下，试样发生电离而载气不电离（载气的电离能要比较大） ，于是在电场力的作用使得带电粒子向质量分析器运动，而载气由于不受电场力的作用而被真空泵抽走。适用于直连方式的载气只有氦气（贵）和氢气（便宜，但灵敏度较低） 。图 9-5 GC-MS 结构示意图三、仪器及分析条件的简单介绍（1）GC 部分，
6、GC-MS 中的 GC 与普通 GC 区别不大，需要设定的参数有：（a）载气系统：通常选择 He（纯度 99.999以上） ，柱流速 1 mLmin-1 以下（b）进样系统：进样口温度（目的是使样品瞬间气化但又不能被破坏） ；分流比（毛细管柱的允许进样量很少，采用微量注射器进样时需通过分流排除大部分样品）（c）分离系统：应选择与待分离试样性质相近的固定液的色谱柱；柱温是决定分离效果的主要因素，可根据实际情况选择恒温或者程序升温方式。（d）接口：色谱与质谱检测器联接的部分，其温度不低于色谱柱温，以防止样品凝结。（2）MS 部分（a）离子源：MS 中使用的离子源种类很多，应根据实际情况进行选择，G
7、C-MS 中最常使用的是电子轰击源（Electron impact，EI） ，即利用灯丝阴极向阳极所发射的热电子来轰击样品分子，可获得丢失一个电子的离子（分子离子） ，但由于能量较高，会使得分子离子进一步碎裂成碎片离子，这些碎片离子可反映分子结构信息。GC-MS 仪都配有美国国家标准研究所（NIST）提供的由电子轰击源所获得标准物质谱图（70 eV） ，通过比对即可进行27定性分析。因此选用 EI 源时通常需要设定电子轰击能量为 70eV，并将离子源温度设置与接口相等。由于电子轰击源的能量比较大，很多物质经其离子化后分子离子会很少或丧失，这时也可采用化学电离源（chemical ionizat
8、ion，CI）来获得分子离子峰信息（由于本实验所用仪器没有配制 CI 源，不详细介绍）（b）质量分析器：GC-MS 测定的试样需要具有较好的挥发性，因此分子量较小（1000 以内） ，通常质谱仪选用的质量分析器有四级杆或离子阱，它们的结构简单，体积小，质量轻，分析速度快，分辨率较低但也满足一般测试需要，非常适合和气相色谱仪联用。本机配制的是四级杆质量分析器，但这种分析器对高质量离子有质量歧视，因此为保证检测结果准确，系统每次开机需用标准物全氟三丁胺进行校准，即所谓的调谐（Tune） 。（3）数据采集GC-MS 的质谱鉴定器有两种扫描方式全扫描（Full Scan）和选择性离子扫描（SIM ）
9、。（a）全扫描：是对指定质量范围内的离子全部扫描并记录，获得正常的质谱图数据，然后这张质谱图中所有离子的强度加合作为色谱图中的一个数据点（这就要求质量分析器和检测器的反应要非常快，能够在很短时间内 1-2 秒内完成测定过程） 。这种方式可用来进行定性分析，亦可定量（灵敏度略低）（b）SIM：是指仅对选定的个别离子进行测定，因此得不到完整的质谱图，无法进行定性分析，但定量时灵敏度高。四、仪器及试剂气相色谱仪（型号：Trace GC ultra 美国 Finnigan INC）质谱仪（型号：Trace DSQ 美国 Finnigan INC）气相色谱柱：DB-5 MS（固定相 5%二苯基-95%二
10、甲基聚硅氧烷）石英毛细管柱（30 m0.25 mm0.25 m） ，美国 Agilent高纯氦（99.999%）微量注射器 (1L)丙酮（分析纯）酯类混合物（溶剂为丙酮）五、实验内容1. 开机（1）开启载气：关闭减压阀，开动气体主阀（注意通常气瓶总压力不能低于 0.5 MPa） ，28再打开减压阀，将压力调整至 0.40.7 MPa 之间。（2）接通气相色谱仪电源，在色谱仪键盘上设置色谱柱载气流量为 1.0 mL/min，恒定柱流量模式，真空补偿设置为“ON”，把柱温升到所要使用的初始温度。（3）接通质谱仪电源，机器自检后，第一级机械真空泵开始工作，到达适合条件后，第二级分子涡轮泵开始工作，等
11、待（4）打开电脑，双击桌面快捷键 DSQTune 图标，进入 Tune 界面，等系统初始化完成后，在显示状态窗口选择 Vacuum 真空页面，监视质谱仪的真空状态，待 Turbo Pump RPM（涡轮泵转速）和 Vacuum（真空）的状态都显示 OK 后才能设定离子源和传输线（接口）的温度。（5）检查质谱仪的工作状态：等质谱仪设定的参数稳定后，通常在真空度键，系统各部件均进入 Running 状态，进行数据采集。（3）样品数据分析（定性）：进入 Xcalibur 主页窗口，点击 Qual Browser 图标进入定性浏览器窗口，打开上面采集的原始数据谱图，根据所得到的总离子流图（TIC）和质
12、谱中的离子信息在 NIST 谱图库中进行手动检索，进一步确认化合物。4. 关机在色谱键盘上关闭传输线加热（按后再按 键） ，关闭进样口加热（设置进样口温度为 Off） ，柱温箱温度设置为 50；在 Tune 界面窗口下，在工具栏菜单中点击 Instrument，选择 Shutdown 打开关机窗口，分子涡轮泵自动减速，给出 10分钟倒计时，同时离子源降温至 175，最后系统给出关断 TRACE DSQ 电源的提示，切断质谱仪电源；待色谱仪的加热块温度降至室温时切断色谱电源，完成关机。依次关闭载气（氦气）瓶主阀和减压阀。六、思考题（1）为什么说高真空系统是使质谱仪正常工作的保障系统，GC-MS 上是怎样实现的？（2）在接通质谱仪电源时，为什么一定要保证色谱柱有适当的柱流量？（3）本实验中为什么将采集时间设定在 1.7 min 后开始？（4）MS 调谐的目的是什么？（5）分流比的设定有什么意义？如何实现分流的？（6）MS 的全扫描模式和选择离子扫描模式有什么不同？为什么？（7）怎么看待 GC-MS 给出的定性分析结果？（8）GC-MS 可以分析哪些试样？（9）如果样品非常复杂，譬如包括很多不适合 GC-MS 分析的组分，应该怎么处理？
