JJF1164气相色谱仪质谱联用仪.docx
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JJF1164气相色谱仪质谱联用仪
JJF-1164-2006-气相色谱仪-质谱联用仪
台式气相色谱-质谱联用仪校准规范
1范围
本规范适用于离子阱和四极杆型台式气相色谱-质谱联用仪（以下简称台式GC-MS）的校准，其它类型台式GC-MS的校准可参照此规范进行。
2引用文献
JJF1001―1998通用计量术语及定义
JJF1059―1999测量不确定度评定与表示
GB/T15481―1995校准和检验实验室能力的通用要求
GB/T6041―2002质谱分析方法通则
JJG（教委）003―1996有机质谱仪检定规程
JJG700―1999气相色谱仪检定规程
OIML/TC16/SC2/R83Gaschromatograph/massspectrometersystemforanalysisofrganicpollutantsinwater
使用本规范时，应注意使用上述引用文献的现行有效版本。
3术语和计量单位
3.1分辨力（resolution）
分辨两个相邻质谱峰的能力，对于台式GC-MS以某离子峰峰高50％处的峰宽度（简称半峰宽）表示，记为W1/2，单位u。
3.2基线噪声（baselinenoise）
基线峰底与峰谷之间的宽度，单位计数。
3.3信噪比（signal-to-noiseratio）
待测样品信号强度与基线噪声的比值，记为S/N。
3.4质量色谱图（masschromatogram）质谱仪（和色谱图是两回事）
质谱仪在一定质量范围内自动重复扫描所获得的质谱数据，可以不同形式再现，其中以一个或多个离子强度随时间变化的谱图，称为质量色谱图。
3.5质量准确性（massaccuracy）
仪器测量值对理论值的偏差。
3.6u（atomicmassunit）
原子质量单位。
4概述
气相色谱－质谱联用仪是将气相色谱仪与质谱仪通过一定接口耦合到一起的分析仪器。
样品通过气相色谱的分离后的各个组分依次进入质谱检测器，组分在离子源被电离，产生带有一定电荷、质量数不同的离子。
不同离子在电场和/或磁场中的运动行为不同，采用不同质量分析器把带电离子按质荷比（m/z）分开，得到依质量顺序排列的质谱图。
通过对质谱图的分析处理，可以得到样品的定性、定量结果。
气相色谱－质谱联用仪主要包括气相色谱系统（一般不带检测器）、离子源、质量分析器、检测器、真空系统和计算机系统等几部分。
5计量特性
台式GC-MS各项技术指标见表1。
表1台式GC-MS主要技术指标
技术指标
要求
质量范围
不低于600u
质量准确性**
±0.3u
分辨力（R）**
W1/2<1u
信噪比**
EI
100pg八氟萘，m/z272处S/N≥10:
1（峰峰值）
正CI
10.0ng苯甲酮，m/z183处S/N≥10:
1（峰峰值）
负CI
100pg八氟萘，m/z272处S/N≥100:
1（峰峰值）
测量重复性*
RSD≤10%
谱库检索
10ng硬脂酸甲酯，相似度≥75％
气相色谱柱箱温度控制
柱箱温度稳定性（10min）优于0.5%、程序升温重复性优于2%
注：
1、标**的为必须校准的项目；
2、用于定性测试时，标*的可不做，用于定量测
评价质量准确性数据。
7.6测量重复性
参照7.4.1条件，前面例如7.2注入1.0μL浓度为10.0ng/μL的六氯苯-异辛烷溶液，连续六次，提取六氯苯特征离子m/z=284，再现质量色谱图，按质量色谱峰进行面积积分，根据公式（4）计算RSD：
×
×100%（3）
式中：
RSD——相对标准偏差（%）；
xi——六氯苯第i次测量峰面积；
——六氯苯6次测量峰面积算术平均值；
i——测量序号。
注：
对于CI源，可采用相应的测试灵敏度的标准物质进行重复性测量。
7.7气相色谱柱箱温度控制
7.7.1柱箱温度稳定性
把铂电阻温度计的连线连接到数字多用表（或色谱仪检定专用测量仪）上，然后把温度计的探头固定在柱箱中部，设定柱箱温度为70℃。
加热升温，待温度稳定后，观察10min，每变化一个数记录一次，求出数字多用表最大值与最小值所对应的温度差值，其差值与10min内温度测量的算术平均值的比值，即为柱箱温度稳定性。
7.7.2程序升温重复性
按7.7.1的校准条件和方法进行程序升温重复性校准。
选定初温50℃，终温200℃。
升温速率10℃/min左右。
待初温稳定后，开始程序升温，每分钟记录数据一次，直至终温稳定。
此实验重复2~3次，求出相应点的最大相对偏差（Rd），其值应≤2％，结果按下式计算。
式中：
tmax——相应点的最大温度（℃）；
tmin——相应点的最小温度（℃）；
——相应点的平均温度（℃）。
7.8谱库检索
根据7.5质量准确性测试总离子流色谱图，得到硬脂酸甲酯质谱图，扣除本底后，在系统提供的谱库内对硬脂酸甲酯进行检索。
8校准结果处理
根据校准结果，发校准证书，所有校准项目及其结果均应在证书中反映。
校准结果的表达按照JJF1071-2000技术规范的要求，包含标题、实验室名称和地址、送校单位的名称和地址、校准日期、校准所用测量标准的溯源性及有效性说明、校准环境等方面内容。
9复校时间间隔
台式气相色谱-质谱联用仪的复校时间间隔由用户自定，推荐不超过2年，更换重要部件、维修或对仪器性能有怀疑时，应随时校准。
附录A记录格式
附录B证书格式
附录C气相色谱和质谱参数
C.1质谱参数
EI源：
离子化能量：
70eV；
扫描范围：
信噪比测试，m/z＝200～300；质量准确性测试，m/z＝20～350；重复性测试，m/z＝200～300；
溶剂延迟：
3min（或视具体情况而定）；
离子源和四极杆温度根据厂家推荐值设定；
其它参数，如电子倍增器或光电倍增器工作电压，均以自动或手动调谐时确定的值作为校准参数。
CI源：
反应气：
根据厂家推荐方法选择载气种类和流量；
扫描范围：
负化学源信噪比测试，m/z＝200～300；正化学源信噪比测试，m/z＝100~230；重复性测试，根据测试对象确定；
溶剂延迟：
3min（或视具体情况而定）；
离子源和四极杆温度根据厂家推荐值设定；
其它参数，如电子倍增器或光电倍增器工作电压，均以自动或手动调谐时确定的值作为校准参数。
C.2色谱参数（参考条件）
色谱柱：
DB-5MS30m×0.25mm×0.25μm，或其它类似色谱柱；
进样口温度：
250℃；
传输线温度：
250℃；
程序升温：
八氟萘和苯甲酮，70℃（2min）→10℃/min→220℃（5min）；
六氯苯和硬脂酸甲酯，150℃→10℃/min→250℃（5min）；
进样方式：
不分流进样；进样量：
1.0μL；
载气：
高纯氦；
流速：
1.0mL/min，恒流或恒压（无恒流控制部件）。
注：
当色谱柱不同时，柱箱温度可作相应改变。
附录D不确定度评定
台式GC-MS校准，在考察的各项指标中，主要对信噪比进行不确定度评价，不确定度主要来自：
1、n次测量相对标准偏差，A类，记为：
u1；
2、所采用标准物质的不确定度，B类，记为：
u2。
因此，得到合成标准不确定度uc：
uc=
2
将合成标准不确定度乘以包含因子k（k=2）得到扩展不确定度U扩展：
U扩展＝k×uc
附录E硬脂酸甲酯主要离子峰理论值
离子（m/z）理论值
7474.04
8787.04
129129.09
143143.11
199199.17
255255.23
267267.27
298298.29
附录F全氟三丁胺主要离子峰值
质量数（m/z）质量数（m/z）质量数（m/z）
50131265
69132314
70145326
76150352
81164376
93169414
95176415
100181426
101214464
112219502
113220503
114226614
119264615
质谱仪的工作原理
质谱仪是一种分析各种同位素并测量其质量及含量百分比的仪器。
当一束带电的原子核通过质谱仪中的电场和磁场时，凡其荷质比不相等的，便被分开。
S1和S2为两个狭缝，从离子源引出的离子受到施于S1及S2间的电位差，在通过S1的匀强磁场区。
进入磁场时的速度由下式决定：
V²=2（q/m）v
（1）
正离子在这一磁场中运动时其轨道如图中所示半径为r的圆。
当离子走过一半圆而抵达照相底片P时会在它上面留下痕迹。
由轨道半径r=mv/qB（见洛仑兹力），得
v=qb^r/m
（2）
合并
（1）、
（2）式，消去v，即得
q/m=2V/b²r²
因为V、b及r可直接测量得到，所以如果我们能够用其他方法决定离子所带的电荷q，则由上式便可求出离子的质量。
我们可以用质谱仪将电荷相同而质量不同的离子分开。
科学家应用这种仪器在1920年左右发现了同种化学元素的原子其质量可以不相同；这些质量不同的同一种元素的原子被称为同位素。
汤姆逊首先利用电磁场测定电子的荷质比的原理，同样可运用到带正电的离子，从荷质比很容易算出该离子的质量。
正离子通常带电量等于一个电子（称为单电荷离子）。
但有时也带有两个、三个甚至四个电子电量（称为多电荷离子）。
目前应用的质谱仪是非常精确的仪器，它不但可以测量出每种同位素之准确质量，并可测定每种同位素在元素中所占的百分比。
如将这种仪器略加修改，也可应用到同位素分离。
质谱仪的形式很多，但所应用的主要原理及结构却大同小异。
图3-32所示是一台现代用质谱仪的主要装置部分。
这装置是在真空中，正离子流自离子源引出经过窄隙S进入一曲圆形之电场C1C2，调节C1C2之间的电压，可选择一定能量之正离子，这些正离子随着电场之形状弯曲90°而进入一个半圆形的匀强磁场中，磁场的方向与图面垂直且指向纸内，进入磁场之正离子受磁力作用而沿半圆形轨道进行。
因正离子e/m之大小不同，轨道形成大小不等的半圆。
分别落在底片上的不同位置也就是说元素将按其质量大小的顺序而排列，故称之为“质谱”。
如果我们分别测出每种粒子的电流。
就能从这些电流大小的比例中，得出该种在离子源中被电离的物质的各种同位素的成分比例。
它也可以把化合物中的不同物质的离子分开和成分分析。
质谱分析法主要是通过对样品的离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法。
因此，质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离子，有质量分析装置把不同质荷比的离子分开，经检测器检测之后可以得到样品的质谱图，由于有机样品，无机样品和同位素样品等具有不同形态、性质和不同的分析要求，所以，所用的电离装置、质量分析装置和检测装置有所不同。
但是，不管是哪种类型的质谱仪，其基本组成是相同的。
都包括离子源、质量分析器、检测器和真空系统。
本节主要介绍有机质谱仪的基本结构和工作原理。
离子源（Ionsource）
离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品信息的离子。
质谱仪的离子源种类很多，现将主要的离子源介绍如下。
电子电离源（ElectronIonizationEI）
电子电离源又称EI源，是应用最为广泛的离子源，它主要用于挥发性样品的电离。
图9.1是电子电离源的原理图，由GC或直接进样杆进入的样品，以气体形式进入离子源，由灯丝F发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离。
一般情况下，灯丝F与接收极T之间的电压为70伏，所有的标准质谱图都是在70eV下做出的。
在70eV电子碰撞作用下，有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子，也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。
由分子离子可以确定化合物分子量，由碎片离子可以得到化合物的结构。
对于一些不稳定的化合物，在70eV的电子轰击下很难得到分子离子。
为了得到分子量，可以采用1020eV的电子能量，不过此时仪器灵敏度将大大降低，需要加大样品的进样量。
而且，得到的质谱图不再是标准质谱图。
离子源中进行的电离过程是很复杂的过程，有专门的理论对这些过程进行解释和描述。
在电子轰击下，样品分子可能有四种不同途径形成离子：
样品分子被打掉一个电子形成分子离子。
分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。
分子离子发生结构重排形成重排离子。
通过分子离子反应生成加合离子。
此外，还有同位素离子。
这样，一个样品分子可以产生很多带有结构信息的离子，对这些离子进行质量分析和检测，可以得到具有样品信息的质谱图。
电子电离源主要适用于易挥发有机样品的电离，GC-MS联用仪中都有这种离子源。
其优点是工作稳定可靠，结构信息丰富，有标准质谱图可以检索。
缺点是只适用于易汽化的有机物样品分析，并且，对有些化合物得不到分子离子。
化学电离源（ChemicalIonization，CI）。
有些化合物稳定性差，用EI方式不易得到分子离子，因而也就得不到分子量。
为了得到分子量可以采用CI电离方式。
CI和EI在结构上没有多大差别。
或者说主体部件是共用的。
其主要差别是CI源工作过程中要引进一种反应气体。
反应气体可以是甲烷、异丁烷、氨等。
反应气的量比样品气要大得多。
灯丝发出的电子首先将反应气电离，然后反应气离子与样品分子进行离子-分子反应，并使样品气电离。
现以甲烷作为反应气，说明化学电离的过程。
在电子轰击下，甲烷首先被电离：
甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：
加合离子与样品分子反应：
生成的XH2+和X+比样品分子XH多一个H或少一个H，可表示为（M1），称为准分子离子。
事实上，以甲烷作为反应气，除（M+1）+之外，还可能出现（M+17）+，（M+29）+等离子，同时还出现大量的碎片离子。
化学电离源是一种软电离方式，有些用EI方式得不到分子离子的样品，改用CI后可以得到准分子离子，因而可以求得分子量。
对于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度，因此，CI源一般都有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择。
由于CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。
EI和CI源主要用于气相色谱-质谱联用仪，适用于易汽化的有机物样品分析。
快原子轰击源（FastAtomicbombardment，FAB）
是另一种常用的离子源，它主要用于极性强、分子量大的样品分析。
其工作原理如图9.2所示：
氩气在电离室依靠放电产生氩离子，高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子流，氩原子打在样品上产生样品离子。
样品置于涂有底物（如甘油）的靶上。
靶材为铜，原子氩打在样品上使其电离后进入真空，并在电场作用下进入分析器。
电离过程中不必加热气化，因此适合于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。
例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。
FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。
但是，它与EI源得到的质谱图很不相同。
其一是它的分子量信息不是分子离子峰M，而往往是（M+H）+或（M+Na）+等准分子离子峰；其二是碎片峰比EI谱要少。
FAB源主要用于磁式双聚焦质谱仪。
4．电喷雾源（ElectronsprayIonization，ESI）
ESI是近年来出现的一种新的电离方式。
它主要应用于液相色谱-质谱联用仪。
它既作为液相色谱和质谱仪之间的接口装置，同时又是电离装置。
它的主要部件是一个多层套管组成的电喷雾喷咀。
最内层是液相色谱流出物，外层是喷射气，喷射气常采用大流量的氮气，其作用是使喷出的液体容易分散成微滴。
另外，在喷嘴的斜前方还有一个补助气喷咀，补助气的作用是使微滴的溶剂快速蒸发。
在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大，当增大到某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来。
离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取样孔进入分析器（见图9.3）。
加到喷嘴上的电压可以是正，也可以是负。
通过调节极性，可以得到正或负离子的质谱。
其中值得一提的是电喷雾喷嘴的角度，如果喷嘴正对取样孔，则取样孔易堵塞。
因此，有的电喷雾喷嘴设计成喷射方向与取样孔不在一条线上，而错开一定角度。
这样溶剂雾滴不会直接喷到取样孔上，使取样孔比较干净，不易堵塞。
产生的离子靠电场的作用引入取样孔，进入分析器。
电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等。
电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子。
这样，一个分子量为10000Da的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有1000Da，进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。
根据这一特点，目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在300000Da以上的蛋白质。
图9.4是由电喷雾电离源得到的肌红蛋白的质谱图：
5．大气压化学电离源（AtmosphericpressurechemicalIonization，APCI）
它的结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+和O+等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分析物分子离子化，这些反应过程包括由质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等。
图9.5是大气压化学电离源的示意图:
大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。
有些分析物由于结构和极性方面的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式增加离子产率，可以认为APCI是ESI的补充。
APCI主要产生的是单电荷离子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。
用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子。
以上两种电离源主要用于液相色谱-质谱联用仪。
由上式可知，在一定的B、V条件下，不同m/z的离子其运动半径不同，这样，由离子源产生的离子，经过分析器后可实现质量分离，如果检测器位置不变（即R不变）、连续改变V或B可以使不同m/z的离子顺序进入检测器，实现质量扫描，得到样品的质谱。
图9.6是单聚焦分析器原理图，这种单聚焦分析器可以是180°的（如图9.6），也可以是90°或其它角度的，其形状象一把扇子，因此又称为磁扇形分析器。
单聚焦分析结构简单，操作方便但其分辨力很低。
不能满足有机物分析要求，目前只用于同位素质谱仪和气体质谱仪。
单聚集质谱仪分辨力低的主要原因在于它不能克服离子初始能量分散对分辨力造成的影响。
在离子源产生的离子当中，质量相同的离子应该聚在一起，但由于离子初始能量不同，经过磁场后其偏转半径也不同，而是以能量大小顺序分开，即磁场也具有能量色散作用。
这样就使得相邻两种质量的离子很难分离，从而降低了分辨力。
为了消除离子能量分散对分辨力的影响，通常在扇形磁场前加一扇形电场，扇形电场是一个能量分析器，不起质量分离作用。
质量相同而能量不同的离子经过静电电场后会彼此分开。
即静电场有能量色散作用。
如果设法使静电场的能量色散作用和磁场的能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分散对分辨力的影响。
只要是质量相同的离子，经过电场和磁场后可以会聚在一起。
另外质量的离子会聚在另一点。
改变离子加速电压可以实现质量扫描。
这种由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器（见图9.7）.双聚焦分析器的优点是分辨力高，缺点是扫描速度慢，操作、调整比较困难，而且仪器造价也比较昂贵。
四极杆分析器（Quadrupoleanalyzer）
离子从离子源进入四极场后，在场的作用下产生振动，如果质量为m，电荷为e的离子从Z方向进入四极场，在电场作用下其运动方程是：
离子运动轨迹可由方程9.2的解描述，数学分析表明，在a，q取某些数值时，运动方程有稳定的解，稳定解的图解形式通常用a，q参数的稳定三角形表示。
（图9.9）当离子的a，q值处于稳定三角形内部时，这些离子振幅是有限的，因而可以通过四极场达到检测器。
在保持Vdc/Vrf不变的情况下改变Vrf值，对应于一个Vrf值，四极场只允许一种质荷比的离子通过，其余离子则振幅不断增大，最后碰到四极杆而被吸收。
通过四极杆的离子到达检测器被检测。
改变Vrf值，可以使另外质荷比的离子顺序通过四极场实现质量扫描。
设置扫描范围实际上是设置Vrf值的变化范围。
当Vrf值由一个值变化到另一个值时，检测器检测到的离子就会从m1变化到m2，也即得到m1到m2的质谱。
Vrf的变化可以是连续的，也可以是跳跃式的。
所谓跳跃式扫描是只检测某些质量的离子，故称为选择离子监测（selectionmonitoringSIM）。
当样品量很少，而且样品中特征离子已知时，可以采用选择离子监测。
这种扫描方式灵敏度高，而且，通过选择适当的离子使干扰组份不被采集，可以消除组分间的干扰。
SIM适合于定量分析，但因为这种扫描方式得到的质谱不是全谱，因此不能进行质谱库检索和定性分析。
飞行时间质量分析器（Timeofflightanalyzer）
飞行时间质量分析器的主要部分是一个离子漂移管。
图9.10是这种分析器的原理图。
离子在加速电压V作用下得到动能，则有：
式中：
m：
离子的质量
e：
离子的电荷量
V：
离子加速电压
离子以速度v进入自由空间（漂移区），假定离子在漂移区飞行的时间为T，漂移区长度为L，则：
由式（9.4）可以看出，离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的平方根成正比。
也即，对于能量相同的离子，离子的质量越大，达到接收器所用的时间越长，质量越小，所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子分开。
适当增加漂移管的长度可以增加分辨力。
飞行时间质量分析器的特点是质量范围宽，扫描速度快，既不需电场也不需磁场。
但是，长时间以来一直存在分辨力低这一缺点，造成分辨力低的主要原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。
这样，即使是质量相同的离子，由于产生时间的先后，产生空间的前后和初始动能的大小不同，达到检测器的时间就不相同，因而降低了分辨力。
目前，通过采取激光脉冲电离方式，离子延迟引出技术和离子反射技术，可以在很大程度上克服上述三个原因造成的分辨力下降。
现在，飞行时间质谱仪的分辨力可达20000以上。
最高可检质量超过300000Da，并且具有很高的灵敏度。
目前，这种分析器已广泛应用于气相色谱-质谱联用仪，液相色谱-质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。
下图是基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪原理图:
离子阱质量分析器
离子阱的结构如图9.11所示。
离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面，并满足r20=2Z20（r0为环形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的最短距离）。
直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都处于地电位。
离子阱的特点是结构小巧，质量轻，灵敏度高，而且还有多级质谱功能（见9.2.2.3节）。
它可以用于GC-MS，也可以用于LC-MS。
傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fouriertransformioncyclotronresonanceanalyzer，FTICR）
这种分析器是在原来回旋共振分析器的基础上发展起来的。
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