GCMS在现代科研、现代检验监测领域中的进展和应用技术

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1、GC/MS在现代科研、现代检验监测 领域中的进展和应用技术 康致泉 2004年 10月 20日 目录 第一部分：有机质谱在现代科研、现代检验监测领域中的地位和进展。 一、现代科研队伍的组成 二、现代科技人员的发展趋向 三、现代科研规划设计的指导思想 四、现代有机质谱向提高灵敏度、减少样品的预处理方向发展 五、现代检验监测领域分析、鉴定的发展 第二部分： GC/MS在现代科研、现代检验监测领域中的应用技术与色谱技术的异同点 一、 GC/MS选择毛细管柱的三项基本原则 二、 GC/MS选择毛细管柱的规格 三、 GC/MS毛细管柱的老化技术 四、 GC/MS研究常用柱型流失和质谱空白的重要性 五、

2、GC/MS灵敏度的测试和维护的重要性 六、 GC/MS参数设臵与作出合理性谱图的关系 七、 GC/MS数据处理与库检索中合理性谱图的关系 八、分子离子峰的辨别与合理性谱图的关系 九、试剂、标样的纯度分析与选择不可轻信标签 十、做好 GC/MS分析应重视的问题 第一部分 有机质谱在现代科研、现代检验监测领 域中的地位和进展 一、现代科研队伍的组成： 现代科研是由现代科研管理、现代科技队伍，现代物质技术 条件三部分组成，但就科研队伍中的科技人员来讲：科技队伍主要 由实验人员和仪器分析人员组成。从一定程度上讲，高水平的科技 人员与现代分析仪器相结合是衡量一个研究、生产单位的重要标准。 二、现代科技人

3、员的发展趋向： 现代科技人员除由完备的外语、计算机、专业基础外都向掌 握一、两门现代分析仪器方向发展，用以实现所从事的科研规划和 方案。从现代科研角度来讲，有什么水平的仪器设备，就有什么水 平的科学数据，就研究出什么水平的成果。因此，现代分析仪器不 仅起着眼睛的作用，而往往在科研中起先导作用，是现代生产力的 具体实现。 三、现代科研规划设计的指导思想 1、 首先研究用什么水平的仪器设备，用什么水平的研究方法， 以达到什么水平的研究成果。而后方是在此指导思想的指导下配 备所需要的科技人员。目前，国际上重大科研项目的实施，都遵 循这一思维。 2、 对研究项目的完成，以物质技术为基础的分析研究与思

4、维研究的比例一般为 7： 3，甚至到 8： 2。也就是说研究项目的完 成，是在一定思维研究的指导下，主要靠由一定技术水平的科技 人员动手去实践完成。从中看出现代分析技术在现代科研中的重 要性。 3、 由于现代有机质谱的发展，使与有机化学有关的研究方 法都发生了重大变化。将样品的预处理方法、分析方法、鉴定方 法提高到新的水平。因此，有机质谱成为现代化学学科中核心仪 器之一。在有机化学中没有有机质谱很难对新的有机化合物的结 构进行痕量、快速、准确地定性、定量鉴定。 四、现代有机质谱向提高灵敏度、减少样品的预处理方向发展： 1、 现代有机质谱小型化、自动化、智能化、专用化是特点 2、现代有机质谱向提

5、高灵敏度的方向发展 ，近十几年来 GC/MS的灵敏度迅 速提高，列表如下： 年代 硬脂酸甲酯 六氯苯 80年代初 500 pg/l 100 pg/l 80年代末 100 pg/l 20 pg/l 90年代初 10 pg/l 2 pg/l 90年代中 5 pg/l 1 pg/l 90年代末 1 pg/l（ 精确质量 ） fg/l（ 定性 ） 1 pg/l（ 精确质量 ） fg/l（ 定性 ） 八氟萘 1 pg/l 3、现代有机质谱向减少预处理、提高分离效果方向发展： （ 1）配臵温度程升技术进行分离 （ 2）配臵载气程升技术进行分离 （ 3）配臵进样口程升技术进行分离 （ 4）配臵不同进样技术进

6、行分离：柱上进样，冷柱头进样、分流进样、 不分流进样 4、顶空进样、裂解进样、脱附管进样、冷阱进样等等 （ 5）多维毛细管分割分离 （ 6）多柱连柱法进样分离 （ 7）多气路连柱法进样分离 （ 8）特种柱型高效进样分离：特种柱型、整体柱柱效 2万、小颗粒高效柱 柱效十几万（ LC/MS） （ 9）不同电离技术分离鉴定： GC/MS/MS, LC/MS/MS，用子离子鉴别母离 子，分离难分离的混合物 （ 10）软件处理分离：特征离子定性、定量、重建 TIC图定量、鉴别混和 峰等 （ 11） 高灵敏度、提高扫描速度 五、现代检验监测领域分析、鉴定的发展： 1、农残、毒物、药物、食品安全的分离鉴定

7、（ 1）痕量： pg/l, fg/l 级。用高灵敏度的有机质谱： GC/MS/MS, LC/MS/MS, GCT, LCT 等 （ 2）结构定性：用 3到 4个子离子确认母离子，用高灵敏度的 GC/MS/MS, LC/MS/MS, GCT, LCT等 （ 3）不出分子离子峰：有机质谱配臵化学电离， CI性能，化学修饰后用 GC/MS/MS, LC/MS/MS等 （ 4）痕量混合物：用高效柱不能分离时，用 GC/MS/MS, LC/MS/MS, GCT, LCT 用子离子进行鉴别 2、打假分离鉴定： （ 1）痕量 （ 2）混合物 （ 3）定结构 3、传统 GC、 LC分离鉴定方法，已被现代有机质

8、谱痕量、快速、准确的结构鉴 定方法所代替， GC、 LC发挥其分离的功能。如此，方能与国际接轨，如此，方 能解决进出口相互制约问题 第二部分 GC/MS有机质谱在现代科研、现代检验 监测领域的应用技术与色谱应用技术 的异同点 1、柱效要高： 因大部分样品只在少数几根毛细管柱上进行分析研究。由于现代毛细 管柱的涂渍不仅每米塔板数高，而且随着毛细管的增长，总柱效更高。高柱 效补偿了固定相选择性的不足，这样就扩大了毛细管柱对样品的分析范围， 提高了对混合物分离效果，缩短了分离时间。 高柱效可将被分离的样品得到区域宽度很窄的峰，使峰不拖尾，也就 是提高了将混合物分离成单个化合物的能力。 高柱效对位臵异

9、构体有较好的分离效果 2、柱惰性要好： 柱惰性不好，表面活性大，增大对样品的吸附性，不仅产生样品峰峰 型拖尾，而且使有关样品的响应值降低或不出峰，不能作痕量分析。柱惰性 不好，也会降低毛细管柱的热稳定性，增大柱流失，影响作出合理的质谱图。 柱子产生的不可逆吸附、可逆吸附、催化降解反应都与柱惰性等有关系。是 GC/MS联用使用毛细管柱分离鉴定中特别重视的问题之一。 一、 GC/MS选择毛细管柱的三项基本原则： 3、热稳定性要好： 所有毛细管柱都有流失现象，这是由于固定相的正常降解而 产生的被洗脱物质，而且柱流失随着温度的升高而加剧；一般来 说，极性柱流失较大，非极性柱流失较小。 毛细管柱流失大小

10、与毛细管柱热稳定好坏有直接关系。毛细 管柱热稳定性不好，流失增大，会导致固定相劣化。这不仅降低 柱效，而且增大柱内表面活性，对样品吸附性增大，直接干扰 GC/MS作出合理的谱图。 毛细管热稳定性不好，流失增大，影响了 GC/MS痕量分析， 并缩短了毛细管柱子使用寿命。 因此，在 GC/MS选择毛细管柱中热稳定性做为第一选择原则， 购臵后首先作热稳定性实验，对新毛细管柱进行检查，找出最佳 使用温度，确定对毛细管柱的老化方法： 250 流失 503 415 355 281 207 TIC 270 流失 300 流失 320 流失 350 流失 100 200 300 400 m/z GC/MS热稳

11、定检查方法 关于热稳定性不好的原因，检查热稳定性方法在 GC/MS应用中有质谱结构分 析方法进行鉴别。总之 GC/MS选择毛细管柱性能可用， GC方法一定能用，而 GC方法选柱能用， GC/MS不一定可用。 二、 GC/MS对毛细管柱规格的选择 1、对毛细管柱单项规格选择要点： （ 1）从柱体选择： 玻璃柱、不锈钢柱、刚性柱、石英柱等。目前以石英柱为佳，具有优 良的柔性和惰性，甚至不经过钝化处理，便可涂渍非极性和中等极性固定相 （ 2）从外涂层进行选择： 在石英柱体外壁涂聚酰亚胺，增加弹性，可耐温 300 左右，在石英 柱体外壁涂渍金属铝，恒温可达 400 ，程升可达 450 ，此柱内涂聚硅氧

12、 烷可分析分子量 1000到 1200 amu，程升可达 650-750 。 （ 3）从柱内径进行选择： 内径通用系列： 0.1mm 0.2mm 0.25mm 0.32mm 0.53mm 0.1mm 0.15mm 0.22mm 0.32mm 0.53mm 其中 0.1mm为超临界柱， 0.25mm为 GC/MS通用柱， 0.32mm为 GC/MS灵敏度降低 时，增大柱容量保持 GC/MS灵敏度用柱； 0.53mm为大口径柱，可涂渍厚液膜， 用于分析低挥发点样品用，涂渍薄液膜柱分析高挥发点样品用，扩展了 GC/MS分析样品范围。 （ 4） 从柱长度进行选择： 选择长度时应考虑分析时间与分离度的关

13、系：分离时间与柱长成正 比，分离度与柱长呈平方根的关系，即使分离度增大 1倍，柱长必须增加 4 倍，时间也延长 4倍。一般柱长可提高柱效和分辨率；但柱子过长也带来很 多不足之处。 GC/MS选择柱长一般为 30m, 50m为宜，大口径柱要在 30m以上为宜， 与 GC有较大差别。 （ 5）从液膜厚度进行选择： GC/MS选择液膜厚度时：一般常规柱内径有 0.25mm时，液膜为 0.25m ；柱内径为 0.32mm时，液膜为 0.50 m ，大口径厚液膜柱液膜为 1.0至 4.0 m 左右， .020 m 的液膜除大口径薄液膜高温柱外，尽量不选 购，因液膜薄，不易覆盖活性点，易被损坏，产生流失。

14、 （ 6）从固定相类型选择： 聚硅氧烷 聚甲基硅氧烷系列： 聚甲基苯基硅氧烷系列： 聚甲基苯基氰丙基系列： 聚乙醇系列： 环糊精系列： S i - O - S i On S i - O - S i O n OnS i O S i | | | | | C H 2 C H 2 C H 2 C N | C H 2 C H 2 - O - C H 2 C H 2 - OH O Hn 三、 GC/MS中对毛细管柱的老化技术 1、毛细管柱老化的重要性： 毛细管柱的老化是用好柱子，保护好柱子，延长柱子寿命的关键环 节。老化好柱子，使柱子更加成熟，充分发挥柱子的性能，老化不好柱子， 柱子内涂层受到损坏，加快流

15、失，失去柱子的性能。柱子的性能下降， 50 以上的因素不是用坏，而是柱子老化不当造成的。 2、毛细管柱老化的目的 3、老化方法 （ 1）分段老化法 （ 2）程升老化法 （ 3）进样老化法 （ 4）不通载气老化法：特殊老化法 4、关于毛细管柱吸附性、基线漂移原因，何种状态进行老化等 四、常用柱型流失和质谱仪空白本底的研究 1、研究柱流失和仪器本底的重要性 （ 1）柱流失和仪器本底影响质谱仪的灵敏度 （ 2）柱流失和仪器本底影响作出合理谱图 （ 3）柱流失和仪器本底影响质谱解析 2、造成质谱仪本底的来源 扩散泵油 ： 77， 115， 141， 149， 260， 354， 446 机械泵油 ：

16、43， 57， 69， 88， 97， 109， 111， 149 氯苯醚 ： 262， 296， 298 灯丝 （ 铼 Re） 的氧化物 ： 187， 203， 219， 235， 258 硅氧烷垫圈 ： 207， 281， 355， 503 3、 毛细管柱流失本底 五、 GC/MS灵敏度的检测和维护的重要性 有机质谱的性能使按有机化合物的裂分规律作出的唯一性的质谱图，质谱图是有 机化合物的标志。 GC/MS的灵敏度使用最小的含量作出质谱全图。灵敏度使有机质谱的灵 魂，有机质谱失去了灵敏度，这台质谱机失去了生命，就该更新了。 1、什么叫灵敏度： 灵敏度是质谱仪对分析样品的最小检测量。灵敏度的

17、指标，与进样系统，离子源、 四极杆、倍增器、结构设臵、真空系统都有关系，因此检查有机质谱的灵敏度指标，也 是检查有机质谱各组织部件的质量和优劣。 2、用什么指标来判断最小检测量的可靠性： （ 1）在定量方面用信噪比来标志 （ 2）在定性方面用作出比与标准谱图相匹配的质谱图来标志 （ 3）信噪比与质谱图二者的关系： 信噪比与质谱图二者是互相匹配的统一体。前者是定量标志，后者是定性标志， 并用后者检验信噪比的真伪性，对质谱仪的最小检测量来说，起试金石的作用，但二者 缺一不可。 质谱公司有机质谱说明书中只说信噪比，不谈作出与标准质谱图相匹配的谱图是 片面的。 在有机质谱验收中，只计算信噪比，不作与标

18、准谱图相匹配的质谱图是不正确的 验收。 3、如何维护有机质谱的灵敏度（要点） （ 1）对样品的性能，浓度进行分析，其灵敏度与有机质谱仪的灵敏度是 否相匹配，不可盲目进样 （ 2）经常清洗进样系统，防止碳化积累污染，使灵敏度很难恢复。因此 学会清洗有机质谱是质谱科技人员的基本功 （ 3）经常检查灵敏度的变化，并及时更换倍增器。一般电子倍增器，两 年换一次，光电倍增器 6年左右换一次。并建立起快速检测灵敏度的方法。 六、参数设置与作出合理性谱图的关系 1、 FC-43校正质谱图与样品质谱图匹配率的关系 2、仪器的灵敏度与作质谱图的关系 3、调零点与质谱图中同位素比的关系 4、扫描范围设臵与质谱图的

19、关系 5、温度设臵与质谱图的关系 6、仪器本底、柱流失与质谱图的关系 7、不同有机质谱技术作出同一质谱图的差异 七、数据处理与库检索中合理性谱图的关系 1、什么是标准谱图： （ 1） EI源全谱，电子能量 70eV （ 2）纯样品或 GC/MS分离成单一的峰 （ 3）样品浓度适量，质谱图丰度成比例 2、与标准谱图相比较的五个基本因素： （ 1）辨别有无分子离子峰 （ 2）对比基峰 （ 3）对比强度较大的裂分碎片，对比特征官能团 （ 4）对比同位素峰 （ 5）对比保留时间：对异构体或在不同温度下分离出的有机物具有相 同的谱图，要用保留实价进行辨别 3、库检索的谱图对纯度的要求 （ 1）一般情况下

20、，库检索的纯度在 80 90以上可信度高 （ 2）被分析的化合物含量低，但化合物结构稳定，主要裂分碎片及分子 离子峰强度大，库检索纯度低，甚至纯度在 50 60左右，也可确认。 如图 芘 m/z=202； 保留时间合理 202 4、库检索所作谱图与标准谱图相匹配，可否定性，应辨别分析： （ 1）该化合物在 GC/MS分离中挥发点是否正确（查化学手册）对比后方 可确认 （ 2） GC/MS分离时低挥发点的化合物与高挥发点化合物是同一库检索图， 肯定不是同一化合物。可能是高温时一热解产物与低挥发点化合物有相同的 谱图，这在高碳脂肪烃分析中经常发生 （ 3）保留时间相近的几个谱图是同一库检索图，很可

21、能是异构体，可 用保留时间区别，或用双柱定性鉴别 5、同位素处理比例与库检索的关系 （ 1）进样量大，同位素峰比例失调，库检索比例不正确 （ 2）在 TIC峰上作质谱图，选择丰度位臵不合适，同位素比例不正确 （ 3）有时同位素比例强度大，有 M+1叠加，强度增大 6、库检索中基峰的变化与辨别： （ 1）一个质谱图只有一个基峰，如有多个基峰出现或进样超量，比例 失调，或有杂峰叠加 （ 2）局部放大质谱图，要与原图同时提供，以示区别 7、混和谱图的处理与库检索 （ 1）如有两种化合物在 TIC图中很难分离，处理的是谱图使混和谱图， 检索时知其中一个化合物，可用减差法，对余下的质谱图再进行库检索，得

22、 到更多信息 （ 2）如质谱图中有一强度大的裂分碎片与标准谱图不相同，不可轻率 删去： 其一：用质量色谱图检查是否杂质碎片 其二：有没有 M+1叠加 其三：谱库有没有错误，谱库有时有错误 其四：可能是不同的化合物 8、同一化合物在库检索中提供多张相似质谱图，要进行辨别选 择： （ 1）此情况不一定是纯度高的被确认。 （ 2）分析产物中可能有哪类化合物，可能没有哪类化合物。 （ 3）不仅对比质量数高，强度大的裂分碎片，更重视质量数低，强度 小的有特征性官能团的裂分碎片的分析对比，以确认化合物的结构特征 9、库检索中的样品质谱图与标准图中的一部分谱图相匹配，对质 谱解析有重要参考价值 （ 1）系列

23、离子相同，可确认是那类化合物，如常见离子系列表，可将系 列离子分类： m/z 化学式 可能的官能团 15， 29， 43， 57， 71， 85， CnH 2n+1 烷基（ CH3+, ） 29， 43， 57， 71， 85， CnH 2n-1O+ 醛酮（ HCO+, ） 30， 44， 58， 72， 86， CnH 2n+2 N+ 胺（ CH2=+NH2, ） 31， 45， 59， 73， 87， CnH 2n+1O+ 醚、醇（ CH3O+, ） 45， 59， 73， 87， 101， CnH 2n- 1O2+ 酸、酯（ +COOH, ） CH2=COO+H m/z=60 33， 4

24、7， 61， 75， 89， CnH 2n+1S+ 硫醇、硫化物（ HS+ ） 35， 49， 63， 77， 91， CnH 2nCl+ 氯化烷烃（ Cl, ） 40， 54， 68， 82， 96， CnH 2n-2 N+ 氰（ CH2=C+N, ） 27， 41， 55， 69， 83， 87， CnH 2n-1 烯基，环烷基（ CH2=C+H, ） (2)高挥发点有机物的质谱图与低挥发点有机物的质谱图为同一库检索图 其一：可确认其中之一是热解产物 其二：用以推导挥发点的化合物结构 八、试剂、标样的纯度分析与选择不可轻信标签 1、 GC/MS分析系统中的空白、背景值与数据处理可靠性的关系

25、 ; 进入 GC/MS系统的溶剂、溶液、标样和仪器本身的真空系统，进样系统 中的进样针、进样管、毛细管柱、离子源等都要进行分析，了解其空白和背 景值，用以保证数据处理的可靠性。这是一个专题内容。本节重点介绍溶剂 和标样的纯度分析与选择。 2、试剂的空白本底： （ 1）我国市场销售试剂存在的问题 ; 不同产地杂质含量不同，京、津、沪三地产品杂质相差很大，有机试 剂标签上的杂质以无机物为主；没有有机物杂质，在销售、倒卖过程中成分 变化较大。 （ 2） GC/MS应用时必须纯化处理 市场销售的试剂，不论分析纯、化学纯，都要重蒸或精馏，作为样品 的溶剂和洗脱剂方能使用，在引用水分析中更加严格，浓缩几百

26、倍以上进 GC/MS分析，不应有杂质峰流出。否则影响定性、定量分析和质谱解析。 （ 3）对市售 CH2Cl2纯度分析如下： 市售 CH2Cl2浓缩 100倍图 二氯甲烷杂质鉴定结果 峰号 名称 峰号 名称 峰号 名称 110 156 166 196 221 303 447 460 496 535 666 622 681 694 782 环己烷 3氮丙烯（ 1） 丙（ 2） 1， 2二氯乙烯 四氯比碳 二氯甲烷 三氯甲烷 四氯甲烷 甲苯 1， 2二氯乙烷 乙苯 氯乙醛 1， 2二甲苯 1， 4二甲苯 1， 4二甲苯 1， 3二甲苯 823 896 916 942 955 970 970 1007

27、 1008 1031 1051 1083 1148 1161 1188 1218 1氯丙酮（ 2） 甲氧基乙酸乙醇 氯化戊醇 氯乙酸甲酯 5（戊氧基）戊烯 2） 5氯戊酮（ 2） 1乙氧基丙烷 氯乙酸乙酯 1经基丙酮（ 2） 1甲基丙烷 二氯乙酸 3， 3， 3三氯丙烯 1 胍 羟基乙酸甲酯 N甲基甲酰氨 羟基乙酸乙酯 1241 1251 1270 1287 1308 1343 1423 1440 1454 1531 1549 1637 1680 1692 1856 N甲基丁胺 1 4戊烯醇 2 1， 2， 3三氯丙烷 1， 2乙二醇二乙酸 (2， 2二甲基丙基 )苯 1， 2二乙醇醋酸酯 1甲氧基丙烷 1， 2二甲氧基丙烷 1， 2二氯环丁烷 3， 8二甲基十一烷 3， 7二甲基壬烷 1， 3二氯丙酮 (2) 1,2,3,4-四氯丁烷 2， 2， 2三氯乙醇 5丙基壬烷 2， 3二氯丙醇 (1) 二氯甲烷重蒸浓缩 100倍 3、标样纯度分析 不论国产、进口标样都应进行纯度分析，不可轻信标签。对进口标样纯度分析 如下： 氯丁烷标签纯度 96（ 98峰） 蒎烯标签纯度 98（ 130峰）