gc-ms / ms · 2. nmr (500 mhz) 窵磁留窕儀 (莊士稭 教授) 3. nmr (600 mhz) 窵磁留窕儀...
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GC-MS / MS 氣相層析質譜儀/質譜儀
交通大學 應用化學系
謝有容 教授
國立交通大學 應用化學系 貴重儀器中心
1. GC-MS 氣相層析質譜儀 (謝有容 教授)
2. NMR (500 MHz) 核磁共振儀 (莊士卿 教授)
3. NMR (600 MHz) 核磁共振儀 (孫仲銘 教授)
4. LC-MS 液相層析質譜儀 (黃立心 教授)
GC-MS 氣相層析質譜儀 NMR (500 MHz) 核磁共振儀
Quadrupole- Time-of-Flight
Liquid chromatograph
Autoseparator Q-TOF
Mass spectrameter
4
Quadrupole-
TOF
0.001%
(10 ppm)
10,000
20,000
MS2
Excellent accuracy
Good resolution
Low-energy
Collision
High sensitivity
Known for high
sensitivity &
accurancy when
used for tandem MS
measurements
Accuracy
Resolution
m/z Range
Tandem MS
Tandem MS
comments
General Comments
Droplets
Nano-spray
LC-MS 液相層析質譜儀
Distinction Between Mass and Weight
Mass is an invariant measure of the amount of matter in an object.
Weight is the force of attraction between an object and its surroundings (ex. earth).
w = mg (w is the weight of an object, m is its mass, and g is
the acceleration due to gravity)
Atomic Mass Units
The atomic mass unit (amu) is based on a relative scale in which the reference is the 12C carbon isotope, which is exactly 12 amu.
The amu is 1/12 of the mass of one
neutral 12C atom. 1 amu =1/12 of 12C
12C: 98.90 % 12 13C: 1.10 % 13.003355 C 12.0107
What is Mass Spectrometry ? Mass Spectrometry (MS) is an analytical spectroscopic tool primarily
concerned with the separation of molecular (and atomic) species
according to their mass. http://www-methods.ch.cam.ac.uk/meth/ms/theory/index.html
actually according to their mass to charge ratio (m/z)
m/z
- Inorganic mass
spectrometry
- Organic and
biological mass
spectrometry
Measurement of Ions or Molecules ? The interaction between neutral species and gravity is relatively weak; neutral
molecular beam of mass range 100 to 200 Daltons in a 3 keV gravity is
broadened by only 0.8 mm over a 1 km flight path.
A mass spectrometer does not actually measure the molecular mass directly,
but rather the mass-to-charge ratio of the ions formed from the molecules.
100 200
only distant 0.8 mm
3 KeV
In order to achieve a mass separation on a practical scale it is necessary to ionize the species under investigation the analyte.
Fly through 1 km flight path
Why should you be interested in mass
Spectrometry?
Mass spectrometry is a powerful analytical technique that is used
- to identify unknown compounds
- to quantify known compounds
- to elucidate the structure and chemical properties of molecules.
Detection limits : as little as 10-12g, 10-15 moles for a compound of mass 1000 Daltons.
What can mass spectrometry do for you?
Identify structures of biomolecules, such as
carbohydrates, nucleic acids and steroids
Determine how drugs are used by the body
Perform forensic analyses such as conformation and
quantitation of drugs of abuse
Analyze for environmental pollutants
Identify and quantitate compounds of complex organic
mixtures
Perform ultra-sensitive multielement inorganic
analyses
Components of A Mass Spectrometer
Mass Spectroscopy
離子之形成
M M+
ionization
m/z 29
m/z 57
m/z 15
m/z 27
m/z 43
a. 分析所有的離子
b. 記錄資料
c. 畫出長條圖
樣品蒸氣
吸收能量
斷裂分解
29 43 58
Mass 圖譜
Mass = amu = Dalton
1 amu = 1 Dalton = 1/12 of Carbon atom
= 1.66054 x 10 -24 g
斷裂物 fragment
A D1; D2; D3……..Dn-2; Dn-1; Dn
A為 Parent ion 母離子, Dn 為 Daughter ion 子代離子
Base peak and Relative intensity
Base peak 乃指最多量的斷裂離子
Relative intensity(相對強度%)則指每一斷裂物與最多量斷裂離子之比值
Mass Spectroscopy
質譜之專有名詞
Characteristics of a Mass Spectrum
Graph of ion abundance vs. m/z
Ion fragments detail structure and molecular
weight of compound
Example : mass spectrum of carbon
tetrachloride
Carbon Tetrachloride
CCl4 (MW 148)
CCl3
CCl2 CCl
Cl
Molecular Fragments and its Isotopes
Fragments Molecular Ions
M+
Isotopes
C13 M+1
C13/C12 : 1.1%
O18/O16 : 0.2%
S34/S32 : 4.4%
Si30/Si28 : 3.1%
Cl37/Cl35 : 33.3%
Br81/Br79 : 97% M+1 判斷
碳的數目
M+2 判斷
Cl, Br, S, Si & O
GC-MS 氣相層析質譜儀
GC
如何判斷一個試樣為混合物與否,如為混合物又將如何使各成份分離並分析其結構,對了解試樣的組成是很重要的課題。
氣相層析儀(GC)
Introduction
氣相層析屬於色層分析法的一種,以氣體當作流動相而得名,氣相層析的分析特點為 高選擇性
高效能
高靈敏度
快速分析
氣相層析儀為分析上的一大利器,廣泛的使用於易揮發的液體及氣體的分析 藥物
香氣
酒精度
有機酸
氣相層析分析不適用於以下的狀況
分子量很大的高沸點化合物
極性很高
受熱不安定會分解
受熱會增強吸附效應
受熱會聚合成高分子
氣相層析儀分析流程與概念
氣相層析儀分析原理
將分析物氣化後,藉由載流氣體(carrier gas,如氮,氫,氦)帶動,通過一分離管柱。管柱中充填了吸附物質(靜相),當分析物通過時,一方面載流氣體會推動分析物向前,但靜相又會與分析物有相互吸引的親合性,一個化合物在管柱中分離的速度快慢會因此兩種不同的親合性強弱而定,不同的化合物的親合性可能不同,因此在分析過程中有所差異,因此而分離,變換管柱中吸附物質可造成不同的分離效果。
氣相層析儀分析原理
動相:具推動與沖堤分析物的能力
固(靜)相:依分析物的親合性不同而產生分離效果
氣相層析儀硬體介紹
氣相層析儀分析流程與概念
氣體控制系統
樣品注入系統(injecter)
管柱(column)
烘箱(oven)
偵測系統(detector)
數據處理系統
自動樣品注入系統(autosampler)
Fused silica的管柱構造
典型的 fused silica capillary column(下圖)
Polyimide:保護 column 本體防止破損、折損
Fused silica:直接與固相接觸
Stationary phase:靜相
Fused silica
以石英材質披覆
製作時需用雷射來測量內徑要求達到一定的平滑及均勻度
必需均勻的覆在管壁內
直接與固相接觸
必需無化學活性,不與樣品反應。
必需提供固相均勻的表面
Stationary phase
極性對樣品分離的影響很大
暸解欲分析物質的極性是首要因素
非極性的固相較偏向吸附非極性的樣品,也表示對非極性樣品的滯留性較強。
選擇Column應注意的條件
固相極性
column內徑
column長度
column固相厚度
固相極性
分析物較為極性時,則應使用極性Column
非極性的 column 有較長的壽命
最廣泛使用的 column 為 HP-1、HP-5、HP-1701、
HP-17、HP-WAX等五種column。可滿足95%以上的樣品分析,所以儘可能由這五種column作選擇
HP1 … HP5 … HP17 HP Wax 低 高
Column的內徑
0.35mm 內徑 可提供良好再現性與分析效果,適用於各種Detector,為一般大眾所選。
0.53mm 內徑 注射較大量的樣品使用。
小內徑的column 有較佳的分離效果;內徑減一半則可增加一倍的分離效果。
樣品量的多少與 column 內徑的選擇必需配合,配合不好就會造成分析效能變差,如訊號過高。
Column的長度
越長的 column 分析效能越好
每增加n倍,分析效能增,時間增n倍
column增長代表分離時間加長,使後面出現的Peak更寬
一般選擇改變固相或內徑,而不選擇增加 column
長度。
一般Column長度
15 m 用於很簡單的或高分子量的樣品
30 m 的長度最適用
60 m 用於非常複雜的樣品
偵測系統Detector
分析物經GC分離後,需一偵測器偵測分離物為何
依不同的目的,選擇適當的偵測器
偵測器概述
FID(火焰光度偵測器)
適用於無機氣體及有機物的偵測,對羰基、醇、鹵素、胺等官能基及安定性氣體不敏感。
TCD (熱導偵測器)
適用含碳有機化合物。如二氧化碳等氣體,由於靈敏度較低,不適合搭配capillary column。
ECD (電子捕獲偵測器)
適用鹵素、硫、磷、氮、氧,農藥及環境分析常用。
FPD (火焰光度偵測器)
對磷、硫化物有很高的選擇性。
GC / Mass GC : Gas Chromatography 氣相層析
利用每個分析物對靜相的不同作用力,沖堤
時間不同,而達到分離混合物的效果。(分離)
Mass : Mass Spectrometer 質譜儀
先將分析物離子化形成帶電體後,再使其通
過校正過的電場或磁場,可得其斷裂離子之
質量及其相對強度。(定性,定量)
為何選擇 GC/MS偵測 ?
同時具有通用性及特定性
靈敏度高
除了使用標準品定性外,亦具有標準圖庫定
性未知物
定量不受基質干擾
可使同位素取代之標準品,定量可信度更高
GC/MS: 三維資訊
除了可以得到一般GC可得到之層析圖資訊外,
還可以得到其質譜資訊,進而判定其成份
Sensitivity and Selectivity
Full Scan全圖譜掃描模式
偵測極限: 1 - 10 picograms
可利用圖庫搜尋鑑定未知物圖譜
可利用滯留時間及質譜圖譜定性
Selected Ion Mode選擇離子偵測模式
偵測極限: 10 - 100 femtograms
利用滯留時間鑑定成份
利用離子比例確定
Selectivity
Compound (vs. functionality like ECD or NPD)
Universal and Specific
Interference-Free Quantification
Universal Specific
Universal and Specific
GC/MS 各部份元件
GC 離子源 質譜分析 偵測設備
主真空槽 高真空幫浦
輔助幫浦
資料處理系統
GC及質譜控制
GC/MS 質譜儀離子化方法
電子游離法
目前最常使用之離子化法,能產生較多之斷裂片,得到較
完整之結構資訊,但會損失分子量資訊,現今所有GC/MS
皆使用此法製作圖庫
化學游離法
為較“Soft”(低能量)之離子化法,產生較少的斷裂片,可
以得到分子量之資訊,且可以做正負離子之偵測
電子游離法
Electron Impact Ionization
電子游離法步驟
帶有高能量70eV之電子撞擊中性分子,將分子中的電子
撞擊出,產生具有高能、能量不穩定之分子離子
這多餘之能量使得分子進行振動、轉動及分子重新排列
之內能變化
導致分子斷裂
Electron Ionization Source
Electron Ionization Reactions
Fragmentation
mole
+ mo
+ + le
neutral molecule
+ e- molecule + 2e- molecule
+ .
molecule
+ mole
+ + cule
ion radical
. .
Electron Ionization (EI)
influence of e- energy on fragmentation
ionization efficiency curve: best at 70 V
70 V is selected for EI
電子游離法之優點
硬體架構容易
離子化效率高
產生具定性功能的斷裂片
已有電子游離法圖庫進行成份比對
可避免因碰撞所產生的二次反應
樣品必需存在於氣態
可能會造成過多的斷裂片
部份化合物無法產生具有分子量訊息的分子離子
可能無法分辨同分異構物所得到的圖譜
部份化合物之圖譜相當複雜,增加判讀之難度
電子游離法之缺點
化學游離法
Chemical Ionization
化學游離法
能量較低,”soft”之游離法
先使離子化室充滿反應氣體分子,則70eV之電子會先撞
擊到這些氣體分子,使其離子化,帶電荷之氣體分子再與
分析物碰撞,將電荷轉移至分析物上使其帶電
由於分析物不直接受高能量電子碰撞,故斷裂變少,可以
得到分子量訊息
化學游離法之反應機制
電荷交換 Charge exchange ( 反應物為He )
He+ + M He + M+
酸鹼反應 Acid/ Base ( 反應物為甲烷 )
CH5+ + M CH4 + MH+
CH3+ + MH CH4 + M+
酸鹼反應 Acid / Base ( 反應物為水 )
OH - + MH H2O + M-
帶電烷基加成 Alkyl addition
C2H5 +
+ M MC2H5 +
Minimal fragmentation
MW information, even when EI may not
Reagent gases can be compound selective
Selectivity by proton or electron affinity
Isomer selectivity possible
Double-bond location
ECD selectivity possible
ECD-like sensitivity possible
Lower background spectra
化學游離法之優點
所產生之斷裂離子較EI少
圖譜所提供之資訊較少
所得到的結果受下列之因素影響:
反應氣體種類,壓力大小
溫度及反應時間
分析物本身種類
圖譜斷裂片太少無法用圖庫搜尋
沒有已商品化的圖庫可供比對
離子源需要較頻繁的維護工作
化學游離法之缺點
Mass spectra of EI vs. CI
Mass spectra of the sedative pentobarbital, using EI and
CI. The molecular ion (m/z 226) is not evident with EI. The
dominant ion from CI is MH+. The peak at m/z 255 in the CI
spectrum is from M(C2H5)+.
質譜分析器之種類
Magnetic Sector
High resolution
High sensitivity
High cost
Time-of-Flight (TOF)
High speed
100 - 1000
spectra/second
High sensitivity
Wide mass range
High cost
New technology for
GC/MS
質譜分析器之種類
Ion Trap
Self Induced CI
MS/MS
Quadrupole
Rapid Scanning
Easily Interfaced
High Sensitivity
Best GC Detector
Single Focusing
Magnetic Sector Mass Analyzer
Ion Source
Magnetic Field
M/Z too small
M/Z too large Acceleration Region
Detector
Time-of-Flight Mass Analyzer
Ion extraction Drift tube
Reflectron Detector
Ion
Source
Ion Trap-MS
electrodes: a ring & 2 caps
trap: ions confined inside served as the ion source & mass filter
operation:
electron pulse (EI) generate ions
RF VAC stabilize & destabilize ions
physically simple
mathematically complicated
more sensitive, less expensive than quadrupole
ejected & measure spectrum
source
detector
離子的形成、儲存、掃描
分析均在同一空間進行
the most common analyzer
compact, less expensive high scan rates ~0.1 s/spectrum
NOT a high resolution MS, can easily resolve m/z by one unit
Quadrupole Mass Spectromater
四極矩式分析器主要是由四支圓柱形的電極棒所組成,以四方形之對角線形成雙曲面排列,使其在棒中央形成一個靜電場。
不同質荷比(m/z)遵循不同之振動軌跡,唯有呈穩定振動之離子才可通過四極矩而到達偵檢器被偵測到,其他呈不穩定振動之離子則撞擊到四極矩上而被中和。
不同質荷比之離子在場中的解析能力(mass resolution)決定於加在電極棒上的dc及rf電壓的比值,固定dc/rf的比值,並同時改變dc及rf的電壓,可使不同質荷比的離子被偵測到。
Advantages of Quadrupole Mass Spectrometry
靈敏度高
操作簡易
即使對共滯留化合物 coeluting peaks依然可
達到很好的定性定量功能
快速掃描
可做單一及多個離子掃描
組裝界面容易
應用:
非離子型界面活性劑 –壬基苯酚聚乙氧基醇類
(Nonylphenol polyethoxylates,NPEOs)
n
CH
2CH
2OHCH
2CH
2OC
9H
19O
n=0-18
因有不同的支鏈而有45種異構物
O HC9H19
NP
NPEO
NP之EI層析圖
OH
CH3
CH3
C6H
13
m/z 135
OH
CH3
C2H
5
C5H
11
m/z 149
Retention time
老街溪中NP、短鏈式NPEO選擇質量層析圖
NP
NP1EO
NP2EO
Retention time 資料來源: 環境荷爾蒙物質分析方法建立與開發, 國立中央大學碩士論文 郭瀚文
老街溪中NPEC、CNPEC之選擇質量層析圖
NP3EC
C9-CNP2EC
C7-CNP2EC
NP2EC
C9-CNP1EC
C7-CNP1EC
NP1EC
Retention time
丙酯化-NP1EC之EI質譜圖
C5H
11
CH3
C2H
5
OCH2COOC
3H
7
m/z 249
m/z
丙酯化-C7-CNP1EC之EI質譜圖
H7C
3OOC-(C
3H
6) OCH
2COOC
3H
7
m/z 235
m/z
GC/MS Summary
具通用性(Universal)及特定性 (specific)
高靈敏度(Sensitive)
較一般GC偵測器多了以圖譜定性之功能,加上圖庫搜尋
之功能,是一對未知物鑑定十分有力之分析工具
即使在GC層析條件無法分離之情況下仍可準確定量
(Interference-free quantitation)
Thanks for your attention