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气相色谱一质谱分析法的实验技术
【来源/作者】周世华 【更新日期】2017-03-16

进行GC-MS分析要分别设定GC和MS的分析条件。

一、色谱条件的选择

GC分析条件与普通的气相色谱的条件设置相同,要根据样品情况进行设置。在分析样品之前应尽量了解样品的情况,比如样品组分的多少、沸点范围、相对分子质量范围、化合物类型等。这些是选择分析条件的基础。

(1)色谱柱的选择

一般情况下,如果样品组成简单,可以使用填充柱,样品组成复杂则一定要使用毛细管柱。根据样品类型,如极性、非极性和弱极性等选择色谱柱的固定相,极性组分选用极性固定相,非极性组分选用非极性固定相。也可以参照文献选择色谱柱的固定相。

(2)气化温度的选择

气化温度一般要高于样品中沸点最高组分的沸点20~300C。

(3)程序升温

要根据样品情况设定。选择合适的升温范围,使低温下低沸点组分出峰,高温下高沸点组分出峰。要选择合适的升温速度,使各组分都实现很好的分离。

(4)载气流量

载气流量直接影响色谱柱的塔板高度或分离效能。载气流量一般有最佳值,通过调整载气流量可以改善色谱分离度。填充柱流量一般为10~30mL/min,毛细管柱流量一般为1mL/min左右。

二、质谱条件的选择

MS分析条件的选择包括扫描范围、扫描速度、灯丝电流、电子能量、倍增器电压等。

(1)在GC-MS中,灯丝电流、电子能量等已在仪器自动调整时设定好。

(2)扫描范围:所谓扫描范围就是通过分析器的离子的质荷比范围,该值的设定取决于欲分析化合物的相对分子质量,应该使化合物所有的离子都在设定的扫描范围之内。例如一个混合物样品,其最大相对分子质量为350左右,则扫描范围上限(高质量端)可设到m/z为400或450,扫描下限(低质量端)可以从m/z 15开始,有时为了去掉水、氮、氧的干扰,也可以从m/z 29或m/z 33开始。

(3)倍增器电压:倍增器电压与仪器灵敏度有直接关系。在仪器灵敏度能够满足要求的情况下应使用较低的倍增器电压,以保护倍增器,延长其使用寿命。

(4)溶剂去除时间:在进行GC-MS分析时,一般不希望大的溶剂峰出现在色谱图中,同时,溶剂在电离、质量分离和检测时会污染离子源、分析器和电子倍增器,因此,GC-MS有一个去溶剂时间的设定,该时间设定之后,从进样到设定的时间之内,灯丝电流和倍增器电压一直为0,此时,离子不会产生。过了设定时间之后,欲测组分的离子才开始产生并得到检测。这样,在总离子色谱图上不会出现溶剂峰,同时也保护了灯丝、质量分析器和倍增器。

三、GC-MS提供的信息及相关分析技术

1、总离子色谱图

在一般GC-MS分析中,样品连续进入离子源并被连续电离,产生的离子进入质量分析器。质量分析器每扫描一次(比如1s),检测器就得到一个完整的质谱并送入计算机存储。样品浓度大,质谱峰就强,反之亦然。由于样品浓度随时间变化,因此,得到的质谱峰强度也随时间变化。如果一个组分从色谱柱开始流出到完全流出大约需要10s。计算机就会得到这个组分不同浓度下的10张质谱图。同时,计算机就把每张质谱的所有离子强度相加得到总离子强度。这些随时间变化的总离子强度所描绘的曲线就是样品总离子色谱图,其横坐标是保留时间或质谱扫描次数,纵坐标为离子强度。总离子色谱图中每个峰表示一个组分。它的外形和由一般色谱仪得到的色谱图是一样的。只要所用色谱柱相同,样品出峰顺序就相同。其差别在于,总离子色谱图所用的检测器是质谱仪,而一般色谱仪所用的检测器是氢焰、热导等。两种色谱图中各成分的校正因子不同。由总离子色谱图可以得到任一组分的质谱图,并且可以根据峰面积进行定量分析。

2、质谱图

由总离子色谱图可以得到任何一个组分的质谱图。对于一个色谱峰,在不同扫描数得到的质谱图是几乎相同的,但是为了提高信噪比,通常由色谱峰峰顶对应的扫描数得到质谱图。但如果两个色谱峰有相互干扰,质谱图应尽量选择在不发生干扰的位置。也可以通过扣本底消除其他组分的影响。

由质谱图可以得到化合物的结构信息,可以通过库检索,进行定性分析。

3、库检索

GC-MS的数据库中存有数十万个标准质谱图。得到未知化合物质谱图后,可以通过计算机检索对未知化合物进行定性分析。检索结果可以给出几个可能的化合物,并以匹配度大小顺序排列出这些化合物的名称、分子式、相对分子质量、结构式等。如果匹配度比较好,比如90以上(最好为100),那么可以认为这个化合物就是欲求的未知化合物。不过在检索过程中要注意下面几个问题:①有时我们要检索的化合物在谱库中并不存在,但计算机也会挑选一些结构相近的化合物作为检索结果。计算机给出的结果匹配度可能都不太好,此时我们绝不能选一个匹配度相对好的作为检索结果,这样会造成错误。②由于本底影响、其他组分影响或色谱峰太弱造成质谱图质量不高,检索结果往往匹配度不高,不容易准确定性。遇到这种情况则需要尽量设法扣除本底,减少干扰,提局质谱图的质量,增加检索的可靠性。值得注意的是,检索结果只能看做是一种可能性,匹配度大小只表示可能性大小,不能把库检索作为定性分析的惟一方法。

4、提取离子色谱图

总离子色谱图是将每个质谱的所有离子加合得到的色谱图,是总离子强度随时间的变化曲线。同样,计算机也可以给出质谱中任何一个质荷比的离子强度随时间的变化曲线,某一质荷比离子强度随时间的变化曲线叫质量色谱图或提取离子色谱图。由于提取离子色谱图是由一种质荷比的离子得到的,因此,若某化合物的质谱中不存在这种离子,该化合物也就不会出现色谱峰,这样,一个样品的提取离子色谱图可能只有几个甚至一个化合物出峰。利用这一特点司以识别具有某种特征的化合物,也可以通过选择不同质量的离子作提取离子色谱图,使正常色谱不能分开的两个峰实现分离,以便进行定量分析。由于提取离子色谱图是采用一种质量的离子作图,因此进行定量分析时,也要使用同一离子得到的提取离子色谱图进行标定或测定校正因子。

5、选择离子监测技术

一般扫描方式是连续改变Vrf使不同质荷比的离子顺序通过分析器到达检测器。选择离子监测(SIM)是对选定的离子进行跳跃式扫描。采用这种扫描方式可以提高检测灵敏度。其原因如下:假定正常扫描从m/z 1~500扫描时间为1s,那么每个质量扫过的时间为1/500=0.002s。如果采用选择离子监测方式,假定只扫5个特征离子,那么每个离子扫过的时间则为1/5=0.2s,是正常扫描时间的100倍。离子产生是连续的,扫描时间长则接收到的离子多,也即灵敏度高。从上面的例子估计,选择离子扫描对特征离子的检测灵敏度比正常扫描要高大约100倍。由于这种方式灵敏度高,因此适用于量少且不易得到的样品分析。同时,通过适当选择离子,可以消除其他组分对待测组分的干扰,是进行微量成分定量分析常用的扫描方式。也可以利用这个技术对某类化合物进行监测。

四、定性分析和定量分析

1、定性分析

目前,GC-MS定性分析主要依靠数据库检索进行。得到总离子色谱图之后,可以逐一对每个峰进行检索,得到样品的定性分析结果。但是数据库中标准化合物数量有限,库中可能没有被检物,这样,检索时就会给出错误结果。有时得到的质谱图质量不高(本底影响、色谱峰太弱或其他组分干扰所致)也会造成误检,因此,为了得到可靠的分析结果,最好再用其他方法进行辅助定性分析。

2、定量分析

用GC-MS法进行有机物定量分析,其基本原理与GC法相同,即样品量与总离子(或选择离子)色谱峰面积成正比。定量分析方法有归一化法、外标法和内标法(参见色谱分析一章)。

(1)归一化法:此法是将色谱中所有成分的含量定为100%,求色谱中任一成分的百分含量。在利用归一化法定量时,由于质谱仪对不同化合物的响应值不同,即便是含量相同的两个组分,其色谱峰面积也不相同。这就需要进行峰面积校正,测定不同组分的校正因子。利用校正后的峰面积进行定量计算。

(2)外标法:配制待测组分标准系列,制作含量一峰面积标准曲线,由未知含量组分的峰面积,在标准曲线上可查得其含量(或浓度)。在用外标法定量时,由于在定量分析过程中,仪器状态会有些变化,每次进样量也不可能一致,为了克服仪器状态和进样量变化的影响,可以在标准样品系列和待测样品中都加一内标物,内标物含量固定。当分析条件变化时,内标物峰面积与待测组分峰面积同时变化,峰面积之比不受外界条件影响。因此,以此比值和含量所作的校正曲线求得的待测样品浓度也不受外界条件影响。该法也称为内标外标法。在这里,内标物的作用只是为了克服外界条件和仪器状态变化对分析结果的影响,不起定标作用。

(3)内标法:如果仪器重现性很好,可以直接利用内标法进行定量。加入内标后,对于待测样品有Wi=fiAi,对于内标物有Ws=fsAs,两式相除得Wi /Ws= fi Ai /fsAs或Wi= fi Ai Ws /fsAs。则未知物含量Pi= Wi/W= fi Ai Ws /fsAsW。其中Pi为待测物含量,fi/fs为相对校正因子,Ws为内标物质量,W为样品总量。使用内标法时,内标物须能与样品混溶,其色谱峰能与待测组分峰分开,其保留时间要与待测组分接近,加入量也要接近待测组分含量。

如果对分析结果的精确度要求不高,还可以采用单点外标法定量。即用浓度为cs的标样测定其总离子色谱的峰面积As,在同样条件下,测定未知样品的峰面积Ai,则未知样品浓度ci=Aics/As

参考资料:现代仪器分析实验与技术


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