气原理、仪器和分析和gc - MS / MS

气相色谱质谱法是什么?

气相色谱质谱(gc - ms)包含两个不同的分析技术:气相色谱法(GC)用连字符连接(因此使用连字符不是一个斜杠)质谱(MS)。通常,分析仪器由气相色谱仪,通过加热用连字符连接行转移到质谱仪,以及两种技术在系列。然而,一些专家和一般微型或便携式仪器包含整个气相在一个盒子里。

GC是一种分离科学技术用于分离样品的化学成分混合物,然后发现他们确定他们的存在与否和/或存在多少。GC探测器在他们给的信息是有限的;这通常是二维分析柱上的保留时间和探测器响应。识别是基于比较峰的保留时间的样本来自已知化合物的标准,分析了使用相同的方法。然而,GC独自不能用于识别未知,这是用连字符号连接到一个女士工作很好。女士可以用作唯一的探测器,或者列废水可以分开女士和GC检测器(s)。

女士是一个措施质荷比的分析技术(m / z)的带电粒子,因此可以用来确定分子量和元素成分,以及阐明分子的化学结构。从气相三维数据,提供质谱可用于身份确认或识别未知化合物加上色谱可用于定性和定量分析。

样本混合物首先分离前的GC分析物分子筛选了MS检测。¹他们运输由承运人气体(图1(1)),不断流经GC和女士,在疏散的真空系统(6)。

1。样品首先介绍了GC手动或由autosampler(图1(2))和进入载气通过GC入口(3)(图1)。如果样品是液体,它在加热蒸发GC进口和样本蒸汽是转移到分析柱(4)(图1)。

2。示例组件,“分析物”分离分歧在分区之间的流动相(载气)和液体固定相(列)内举行,或者更容易挥发气体固体固定相吸附。gc - ms分析,液体固定相在一个狭窄的内直径(0.1 - -0.25毫米)和短期(10 ~ 30米长)列是最常见的。

3所示。分离后的gc - ms分析不需要总基线决议,除非分析物是同分异构体,中性分子洗提通过激烈的传输线(图1(5))进入质谱仪。

4所示。在质谱仪中,中性分子电离最常见的,电子电离(EI)。EI、一个电子产生的灯丝,加速了70电子伏(eV),敲一个电子的分子产生分子离子是一个激进的阳离子。这个高能电离可能导致不稳定的分子离子和多余的能量可以通过分裂了。债券破损(s)可能导致一个激进的损失或中性分子和分子重组也可以发生。这所有的结果,有时很大,不同质量的离子数量,最重的是分子离子和碎片离子的各种低质量,取决于:

• 分子式
• 分析物的分子结构
• 键断裂发生在哪里
• 保留了哪一部分费用

5。 下一步是单独的不同质量的离子,根据m / z的实现质量分析器(8)(图1)。

有许多不同的质量分析器类型,这就是质量分辨率的巨大差异(因此仪器价格)。质量分辨率质量分析器的单独的离子m / z很小的差异。单位质量分辨率仪器只能单独名义群众或一个小数位,而高质量分辨率(,8经)工具可以分开他们四或五位小数。

最常见的一种单位质量的工具四极,这是一个扫描仪器和不同电压只允许离子的m / z通过四杆有一个稳定的轨迹实现离子探测器。四极仪器被用于两种不同模式的操作:

• 全扫描模式,所有离子获得质量范围,用于识别未知,方法开发和更高的浓度分析物的定性和定量分析。
• 选择离子监测模式(SIM),只有选择离子代表了目标化合物,用于痕量分析,获得更高的灵敏度,但只有目标分析物。

一个离子阱也是一个扫描仪器,但三维捕获的离子mass-dependent轨道顺序喷射之前到达离子检测器。

飞行时间(ToF)质量分析仪基于分离离子的时间他们沿着飞行管达到离子检测器。相同的动能,这些较低的质量有更高的速度,因此第一个到达,而那些高质量较低速度和后到达。ToFMS仪器可以在质量分辨率和采集率范围:ToFs很快,收购利率1000光谱/第二单位质量分辨率,而,8经ToFs收购率较低。收购率高有利于二维GC (GC×GC)应用程序与峰值宽度30 ms,然而,8经确定分子式是非常有用的。因此,市场上有ToFs范围在速度和质量分辨率,这取决于应用程序的选择,但GC峰宽必须匹配的采集速度功能。

其他,8经GC包括用连字符连接的工具磁性行业质量分析器,弯曲的轨迹离子分开使用电场和磁场。磁性行业gc - ms仪器更常见的同位素比率分析。

在,8经orbitrap,离子绕中心轴和频率上下移动中央轴m / z-dependent。

6。离子分离后的质量分析仪基于m / z,他们到达离子探测器(图1(9)信号的放大电子倍增器大多数低分辨率(MS)或一个多渠道板(对于大多数,8经仪器)。信号采集软件在电脑上记录的(图1)(10)生产色谱和质谱为每个数据点。

图1: 气相色谱仪光谱仪的简化图显示(1) (2)autosampler载气,(3)进口,(4)分析柱,(5)接口,(6)真空,(7)离子源,(8)质量分析器,离子检测器(9)和(10)电脑。来源:Anthias咨询。

是三维,gc - ms数据如图2所示。保留时间轴显示;从进样的GC运行。这个数字也可以被视为扫描,这是数据点的数量获得了对面的女士。轴是由离子探测器响应或强度测量(图1 (9)。z轴的m / z是离子的质量范围。

图2: 是三维,gc - ms数据给扫描数量/保留时间,响应/强度和m / z。来源:Anthias咨询。

二维色谱图,如图3所示,由加法的所有离子的丰度在单个数据点,策划反对保留时间(RT) /扫描数量生产总离子色谱图(TIC),更与GC产生的色谱检测器。然而,每个数据点的总离子色谱图是一个单独的质谱和通常可以在单独的窗口中打开的软件。在图3中所示的示例中,顶点数据点的峰值3已被打开。

图3: 总离子色谱图(TIC)从气相输出。来源:Anthias咨询。

一个例子的质谱直链烃n-decane图4中可以看到。分子离子,142 m / z可以看到站在最右边。癸烷是一个饱和烃,多余的能量从电离不能离域内部,因此大多数分子离子碎片,导致许多碎片离子和分子离子的丰度较低。饱和烃链长度越长,分子离子丰度越低,直到没有观察到分子离子质谱。然而,不饱和分子离子和共轭双键,尤其是像芳香族化合物,减少碎片,多余的能量可以更容易内化。另一个观察癸烷的质谱碎片离子的系列在m / z 43, 57岁,71年,85年、99年和113年不同的m / z 14。这些是由连续债券- c的重叠的乳沟₂H₄单位,如果费用+ 1这相当于28统一质量相对原子质量单位(u)和质谱的一个关键特性是碳氢化合物。质谱是一种分子的指纹,如果获得使用相同的电离技术和电压,可以获得的光谱库相比,使用相同的技术在同一电压。最常见的商业库EI谱产生70 eV。质谱也可以解释为确定分子的分子式和结构使用的质量离子、同位素和碎片离子之间的损失。

图4: 癸烷的例子质谱(C₁₀H₂₂),一个直链烃。

在GC,目标分析物的保留时间用于识别,通常用于定量。对准确定量,山顶需要有良好的色谱分离与基线决议,如图3所示的山峰RT1也和RT2。与气相色谱-质谱提供了一个额外的目标分析物的确认方法充分利用质谱或使用的存在和相对比例的离子。定量采用气相区域的数据通常是一个独特的离子,它不太可能从co-eluting干扰峰用抽搐峰下的面积比。因此,色谱基线决议不需要精确的定量,只要可以选择一个独特的离子中不存在coeluting山峰,因此山峰是可怕地解决,和baseline-to-baseline集成可以实现。

使用色谱和光谱分辨率非常强大的目标分析物的分离和鉴定。然而,在痕量分析物的分析到毫微微克(fg)水平在非常复杂的样品,例如环境、食品或生物样本矩阵能承受得起。^2,3样品制备可用于消除大多数的矩阵;然而,分析物分子也经常丢失。色析法地,矩阵的峰值可以使用GC x GC分析物峰分开,在两列不同固定相。在质谱仪中,可以使用光谱分辨率,独特的目标分析物的离子选择不出现在coeluting矩阵的山峰。然而,这经常失败时分析这些非常复杂的样本,从各种碎片离子coeluting矩阵山峰有相同的m / z离子从目标峰值,扭曲离子比率和导致假阴性或不准确的定量。

串联质谱分析(MS / MS)使用多个阶段(质量分析器)在质谱仪增加分析物的敏感性降低的背景coeluting矩阵的山峰。不同,可能创建分子/碎片离子色谱coeluting化合物具有相同的m / z;然而,这些离子将有不同的结构。电离后,第一个质量分析器选择离子,称为前体离子。下一阶段进一步是片段,这通常是通过一种惰性气体(如氩气)通过这一过程被称为碰撞诱导解离(CID)。产生的离子,称为产品离子将依赖于前体离子的结构,因此产品的离子质谱干扰物质(s)将目标分析物的不同。MS / MS的下一个阶段是使用另一个分离离子产品质量分析器离子探测器。有几种不同的配置的MS / MS仪器包括一个三重四极(回调)Q1用于选择前体,q2用作碰撞细胞和Q3用作产品离子质量分析器。三重四极是最常见的,因为它们是单位质量的仪器,因此更能负担得起。一个三重四极的例子如图5所示多反应监测(MRM)模式。Q-ToFs使用四极前体离子选择和一个,8经ToF产品离子质量分析器。离子陷阱有能力执行女士吗ⁿ,所有阶段发生在一个陷阱。所有离子驱逐除了前体离子和一个共鸣能量的电压稳定和片段的前体离子特殊的m / z。这个过程可以进一步片段,重复多次。

一般来说,MS / MS仪器仅用于目标分析而不是为未知数的常规分析。有几种操作模式包括MRM,单一反应监测(SRM)相似但更敏感,产品离子扫描第三季在哪里操作在扫描模式中获得离子质谱和完整的产品中性丢失扫描。MS / MS仪器也可以用作标准MS-this需要在方法开发/ techniques-however女士,女士应该谨慎,可能产生的质谱质量较低,影响识别,特别是对扫描仪器。一些制造商也使双重收购模式,例如,之间的收购交替MRM模式为目标分析和扫描模式识别的未知数。

图5: 一个三重四极MS / MS仪器多反应监测(MRM)模式。 来源:Anthias咨询。

GC本身是有限的,它不可能识别未知化合物GC使用标准探测器,但这是可能的,当搭配女士相反,直接分析样品使用女士产生混合质谱很难deconvolute和解释,尤其是当有超过几个化合物的样品。但与GC分离混合物的能力。

并非所有的化合物都可以标准GC柱分离,因此使用光谱分辨率的能力消除干扰导致更准确的定量。质谱使检测的反褶积的小山峰下基线和矩阵的山峰,和选择性MS / MS使非常复杂样品中痕量分析物的识别⁴几乎没有干扰。

同分异构体的分析物通常具有相同或非常相似的质谱,因此很难区分他们仅仅使用质谱。因此,色谱分辨率要求分开。个人同分异构体是根据它们的保留时间和良好的色谱分辨率识别需要准确的集成和定量。这是相同的同源系列,如饱和碳氢化合物,在超过一定的链长,没有可以看到分子离子质谱看起来都一样。必须使用的保留时间确定饱和烃的身份。

的分子离子的缺乏用于化合物的识别、选择软电离方法可以使用。例如,EI eV较低或化学电离在积极或消极的模式会导致更少的碎片离子和防止分子离子的损失或使其峰强。然而,非常分裂模式用于鉴定化合物的结构,和目标库通常需要创建一些存在软电离技术,但这是提高软电离技术越来越广泛应用。

GC的断字和女士汇集了两个强大的技术相互补充,可用于样品中化合物的分离和鉴定。当一个方法不能提供答案,可以依赖的其他方法。

在气相色谱仪器最常见的问题泄漏系统和系统污染。

通常有一个女士真空减少背景干扰和ion-molecular反应,增加组件的生命周期,减少维护,以避免任何的放电,使用高电压在一个非常好的女士需要真空获得良好的灵敏度和小泄漏会增加背景而大型泄漏阻碍真空系统。高列流增加气体分子的数量进入女士和真空系统无法足够快地撤离他们建立一个良好的真空,所以灵敏度降低。因此,当将一个方法从GC, GC - ms,应该使用较小的内直径列列较低的流动。高灵敏度分析的最大流量是依赖质谱仪的真空系统。这应该是已知的和考虑,以及最佳载气的流量,最好的分离效率。

质谱仪仪器和很敏感定期维护需要清洗离子源和更换真空泵油的保持良好的灵敏度。高分子量矩阵的示例应该保留GC进口衬管,通过优化进气温度,很容易取代而不是转移到列可以破坏固定相离子源女士和肮脏的。离子源污染的另一个来源是列流血。更稳定的“最近”列应该安装在一个质谱仪和列空调时不应进行连接。

GC-related问题仍然发生,例如活动和样本退化,尤其是在样品已经通过更少的样品制备,例如如果使用gc - MS / MS和矩阵不能“看到”。

gc - MS、gc - MS / MS在许多行业用于常规分析寻找挥发性污染物的分子量通常少于700阿姆河,例如食品,²环境、⁵取证,⁶反兴奋剂⁷和消费产品⁸行业。气也用于研究识别未知的挥发性化合物,其中包括食物和口味,空间、石化、化工、农业、烟草、制药、医疗、能源、矿业、环境和取证等等,不一而足。

药物测试,作为一个例子,可以进行多个原因:病理学、医疗和反兴奋剂的人类和动物。⁹生物体液尿液和血液样本通常是复杂的和大量的矩阵和药物在非常低的浓度。因此,检测需要用连字符连接技术像气开始感兴趣的目标或化合物分离距离矩阵的山峰。他们可以有选择地确定更频繁地使用MS / MS和MS / MS,8经和有时额外GC x GC分离。

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关于作者:

黛安娜是Anthias咨询的高级顾问和董事有限。她开发方法,给予支持和高质量的培训公司在世界各地的大多数行业20多年。华威大学毕业,黛安娜完成她的硕士学位环境化学,分析化学,开始她的职业生涯之后获得重大的经历作为应用程序的化学家。黛安娜的研究领域开放大学是通过她的博士研究疾病的诊断。黛安娜是皇家学会的当选总统的化学分析部门和分析化学的主席信托基金。黛安娜是一个访问学者和顾问的开放大学。