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（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（常为石英毛细管柱，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的实时测定，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。
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。
GC-MS就是通过适当的接口将GC与MS有机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 mL?min-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，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下，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，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 mL?min-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；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：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，GC-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
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 ionization，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——全扫描和选择性离子扫描（SIM）。
（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（5%二苯基-95%二甲基聚硅氧烷）MS 石英毛细管柱（30 m?0.25 mm?0.25 μm），美国Agilent
高纯氦（>99.999%）
微量注射器(1μL)
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），再打开减压阀，将压力调整至0.4~0.7 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<50 mTorr时再进行以下操作。a. 观察空气峰（质量范围为10~100），主要检查空气和水的情况，观察水峰及氮气峰的比例，水峰应大于氮气峰，总离子流通常在106左右，否则就认为漏气，应尽快检漏直至无漏气为止。b. 观察校正气质谱图：设定全扫描质量范围为50~650，选择打开校正气的方式，采用电子轰击源EI，观察校正气质谱图（要点：峰形、离子丰度、质量数、离子比率、基线噪音）是否满足要求，若不满足要求，可运行自动调谐使仪器达到分析的要求，保存调谐文件后关闭调谐窗口。
2. 仪器参数设置
（1）质谱参数设置：双击桌面Xcalibur图标，进入Xcalibur主页窗口，点击Instrument Setup图标进入仪器设置窗口，激活DSQ，根据所要分析的样品要求，并参考GC柱温设置，确定MS采集结束时间；离子源温度（200~250 ℃）；信号阈值，设置采集信号的的分段（通常只用一段采集）；设置采集开始时间（溶剂延时时间）；离子检测器增益；扫描方式；扫描速率；设置离子采集方式；指定合适的调谐文件等。
（2）色谱参数设置：相同界面下，激活GC，根据所要分析的样品要求，设置柱箱温度（对于复杂样品通常采用程序升温）；选择进样口进样方式（选择分流进样，设置分流比大小）；设置进样口温度（进样口温度要高于样品的沸点）；设置载气流量（对于常规测试柱流量设为1.0mL/min，载气控制方式通常选择恒流方式，还必须在Vacuum Compensation （真空补偿）前打“√”；设置传输线温度。
3. 将上述设定保存在C:\Xcalibur\DATA\自建文件夹\自定方法名称（注意：在进行样品分析时需调用此方法文件，测定开始后，仪器各部分均按照该文件所记录的参数设置运行）3. 样品分析
（1）样品序列设置：双击桌面Xcalibur图标，进入Xcalibur主页窗口点击Sequence
Setup图标进入样品序列设置窗口。a. 确定样品序列表栏目（通常已经设定好）：通常选择样品类型（Sample Type）、文件名（File Name）、路径（Path）、仪器方法(Inst Meth)、处理方法文件（(Proc Meth)、浓度（Level）等栏目。b. 编写样品序列表：在所选择的样品序列表栏目中填入相应内容。
（2）样品数据采集：当色谱仪与质谱仪均处于Ready to Download状态时，运行所建立的样品序列。待色谱仪与质谱仪同时转入Waiting For Contact Closure状态时，用微量注射器吸取0.1 L未知样品手动进样，进样后同时在色谱键盘上按一下
（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
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？