带你体验气相色谱-质谱联用实验的完美过程(GC-MS)

 一.实验目的

1.了解质谱检测器的基本组成及功能原理，学习质谱检测器的调谐方法;

2.了解色谱工作站的基本功能，掌握利用气相色谱-质谱联用仪进行定性分析的基本操作。

二.实验原理

气相色谱法(gas chromatography，GC)是一种应用非常广泛的分离手段，它是以惰性气体作为流动相的柱色谱法，其分离原理是基于样品中的组分在两相间分配上的差异。气相色谱法虽然可以将复杂混合物中的各个组分分离开，但其定性能力较差，通常只是利用组分的保留特性来定性，这在欲定性的组分完全未知或无法获得组分的标准样品时，对组分定性分析就十分困难了。随着质谱(mass spectrometry，MS)、红外光谱及核磁共振等定性分析手段的发展，目前主要采用在线的联用技术，即将色谱法与其它定性或结构分析手段直接联机，来解决色谱定性困难的问题。气相色谱-质谱联用(GC-MS)是最早实现商品化的色谱联用仪器。目前，小型台式GC-MS已成为很多实验室的常规配置。

1.质谱仪的基本结构和功能

质谱系统一般由真空系统、进样系统、离子源、质量分析器、检测器和计算机控制与数据处理系统(工作站)等部分组成。

质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作，以减少本底的干扰，避免发生不必要的分子-离子反应。质谱仪的高真空系统一般由机械泵和扩散泵或涡轮分子泵串联组成。机械泵作为前级泵将真空抽到10-1～10-2Pa，然后由扩散泵或涡轮分子泵将真空度降至质谱仪工作需要的真空度10-4～10-5Pa。虽然涡轮分子泵可在十几分钟内将真空度降至工作范围，但一般仍然需要继续平衡2小时左右，充分排除真空体系内存在的诸如水分、空气等杂质以保证仪器工作正常。

气相色谱-质谱联用仪的进样系统由接口和气相色谱组成。接口的作用是使经气相色谱分离出的各组分依次进入质谱仪的离子源，接口一般应满足如下要求：

(a)不破坏离子源的高真空，也不影响色谱分离的柱效;

(b)使色谱分离后的组分尽可能多的进入离子源，流动相尽可能少进入离子源;

(c)不改变色谱分离后各组分的组成和结构。

离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，汇聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。其性能直接影响质谱仪的灵敏度和分辨率。离子源的选择主要依据被分析物的热稳定性和电离的难易程度，以期得到分子离子峰。电子轰击电离源(EI)是气相色谱-质谱联用仪中最为常见的电离源，它要求被分析物能气化且气化时不分解。

质量分析器是质谱仪的核心，它将离子源产生的离子按质荷比(m/z)的不同，在空间位置、时间的先后或轨道的稳定与否进行分离，以得到按质荷比大小顺序排列的质谱图。以四极质量分析器(四极杆滤质器)为质量分析器的质谱仪称为四极杆质谱。它具有重量轻、体积小、造价低的特点，是目前台式气相色谱—质谱联用仪中最常用的质量分析器。

　　

检测器的作用是将来自质量分析器的离子束进行放大并进行检测，电子倍增检测器是色谱-质谱联用仪中最常用的检测器。

　　

计算机控制与数据处理系统(工作站)的功能是快速准确地采集和处理数据;监控质谱及色谱各单元的工作状态;对化合物进行自动的定性定量分析;按用户要求自动生成分析报告。

　　

标准质谱图是在标准电离条件——70eV电子束轰击已知纯有机化合物得到的质谱图。在气相色谱-质谱联用仪中，进行组分定性的常用方法是标准谱库检索。即利用计算机将待分析组分(纯化合物)的质谱图与计算机内保存的已知化合物的标准质谱图按一定程序进行比较，将匹配度(相似度)最高的若干个化合物的名称、分子量、分子式、识别代号及匹配率等数据列出供用户参考。值得注意的是：匹配率最高的并不一定是最终确定的分析结果。

　　

目前，比较常用的通用质谱谱库包括美国国家科学技术研究所的NIST库、NIST/EPA(美国环保局)/NIH(美国卫生研究院)库和Wiley库，这些谱库收录的标准质谱图均在10万张以上。

2.质谱仪的调谐

　　

为了得到好的质谱数据，在进行样品分析前应对质谱仪的参数进行优化，这个过程就是质谱仪的调谐。调谐中将设定离子源部件的电压;设定amu gain和amu off值以得到正确的峰宽;设定电子倍增器(EM)电压保证适当的峰强度;设定质量轴保证正确的质量分配。

　　

调谐包括自动调谐和手动调谐两类方式，自动调谐中包括：自动调谐、标准谱图调谐、快速调谐等方式。。。如果，分析结果将进行谱库检索，一般先进行自动调谐，然后，进行标准谱图调谐以保证谱库检索的可靠性。

　　

三.仪器和试剂

HP-6890plus气相色谱、HP-5973N质谱、He气源(99.999%)、毛细管色谱柱：HP-5MS (30m×0.32mm×0.25μm)、10.0μL微量进样器;

　　

甲苯、邻二甲苯和萘的混合物的苯溶液，浓度均为100ppm。

　　

四.实验步骤

1.气相色谱-质谱联用仪的开启及调谐

(1)检查质谱放空阀门是否关闭，毛细管柱是否接好。

(2)打开He钢瓶，调节输出压力为0.5Mpa。

(3)依次启动计算机、HP-6890plus气相色谱、HP-5973N质谱的电源。

(4)输入正确的密码后进入计算机桌面。

(5)左键双击桌面上的“化学工作站”图标，输入“用户名”和“密码”，进入“化学工作站”。

(6)左键单击“化学工作站”界面中“view”，再用左键单击其下拉菜单中的“Diagnostics/Vacuum Control”项，进入“Diagnostics/Vacuum Control(诊断与真空控制)”窗口。

(7)在Vacuum的下拉菜单中选择pump down开始抽真空;同时分别设定离子源和四极杆的温度为150和230。

(8)在View的下拉菜单中选择Manual Tune，进入调谐界面。

(9)在Tune的下拉菜单中选择Auto tune，进入自动调谐状态。自动调谐通过后，在File的下拉菜单中选择Save Tune Values，以Atune. U为文件名，以Custom(*.U)格式，点击Open钮将调谐文件保存在5973n的目录下。

(10)在Tune的下拉菜单中选择Standard Spectra Tune，进行标准谱图调谐。调谐完成后，在File的下拉菜单中选择Save Tune Values，以Stune. U为文件名，以Custom(*.U)格式，点击Open钮将调谐文件保存在5973n的目录下。

(11)在View的下拉菜单中选择Instrument Control，返回仪器控制界面。

2.方法的输入设定

(1)在Method的下拉菜单中选择Edit Entire Method进入方法编辑界面;

(2)对check method section to edit 和method to run 等界面中的选项都选中并点击OK按钮;

(3)在Inlet and Injection界面中，sample项选择GC;Injection source项选择Manual;Injection Location项选择front;选中use MS，点击OK钮确定;

(4)在Instrument[Edit]界面中，点击Inlet图标，在Mode栏选择Split、Gas栏选择He，分流比1：20;选中Heater℃，并在Set point栏中输入气化室温度250，点击Apply钮确定输入的参数。

(5)单击Columns图标，在Mode栏选择Const Flow，Inlet栏选择Front，Detector栏选择MSD，Outlet psi栏选择Vacuum，Flow栏输入1.1mL/min，单击Apply确定输入的参数。

(6)单击Oven图标，选中On，将程序升温条件按下表输入： 

(7)单击Detector图标，关闭所有GC检测器及气体，单击Apply确定。

(8)单击Aux图标，在Heater栏选中On，Type栏选中MSD，温度按下表设置。

(9)单击OK，出现GC Real Time Plot界面，直接点击OK。

(10)出现MS Tune File界面，选择Stune.U作为调谐文件，单击OK。

(11)出现MS SIM/Scan Parameters界面，在EM Voltage栏输入0，Solvent Delay栏输入3.2(min)，在Acq. Mode栏选择Scan，单击OK。

(12)出现Select Reports界面，选中Percent Report，单击OK。

(13)出现Percent Report Options界面，选中Screen，设定为屏幕输出方式，单击OK。

(14)出现Save Method As界面，输入本方法的名称为Test. m，单击OK以保存方法。

3.数据的采集

(1)在Instrument Control界面中，单击绿箭头图标，出现Acquisition-Sample Information界面，分别输入Operator Name、Data File Name(文件名)、Sample Name等栏的内容，单击Start Run，稍后出现进样的提示框。

(2)用微量进样器进1.0μL甲苯、邻二甲苯和萘的混合溶液，按下GC键盘上的Start键开始。

(3)出现“Override solvent delay?”的提示时，单击No或不作任何选择。

(4)双击桌面上的Data Analysis图标，进入数据分析界面，在Files菜单中选择Take Snapshot(快照)可得到截至快照时刻的所有数据。

4.数据分析

(1)数据采集结束后，在Data Analysis界面中选择File/Load File，打开得到的谱图;

(2)在不同的谱峰上双击右键，可得到各峰的定性结果和结构式;

(3)选择Chromatography中的Integrate，对谱图积分。也可在调整了积分事件中的有关参数的设置后再积分;

(4)选择Spectrum中的Select Library，出现Library Search Parameter界面。在Library Name栏中输入Nist98.L，单击OK，确定进行用来检索的标准谱库;

(5)选择Spectrum中的Library Search Report，出现Library Search Report Options界面，在Style栏选择Summary，在Destination栏选择Screen或Printer可在屏幕上显示或大于检索结果报告。