Газовый хроматограф Масс-спектрометр

Что такое газовый хроматограф-масс-спектрометр (ГХ-МС)?

Газовый хроматограф-масс-спектрометр (ГХ-МС) — аналитический прибор, сочетающий в себе газовый хроматограф (ГХ) и масс-спектрометр (МС). ГХ разделяет испаренные смешанные компоненты по принципу распределительной хроматографии, а МС ионизирует органические соединения, элюированные из ГХ, разделяет и детектирует их по массе ионов. Целевыми компонентами ГХ-МС являются летучие соединения, и он широко используется для качественного анализа органических соединений, количественного анализа опасных веществ в окружающей среде и т. д.

Информация, полученная с помощью ГХ-МС.

Хроматограммы получают путем разделения смешанных компонентов с помощью ГХ. Хроматограмма, представляющая собой график зависимости полного ионного тока от времени, называется хроматограммой полного ионного тока (TICC). Разделенные компоненты ионизируются в МС, а их масса (м / г) измеряется для получения масс-спектра. Связь между TICC и масс-спектром показана на рисунке ниже.

Информация, полученная из масс-спектров

Масс-спектры предоставляют следующую информацию.

Что может ГХ-МС?

Анализ с помощью ГХ-МС можно разделить на качественный и количественный анализ.

Область применения ГХ-МС

ГХ-МС используется в широком спектре приложений как для качественного, так и для количественного анализа летучих соединений.

• Химия натуральных продуктов / Синтетическая органическая химия
  • Подтверждение молекулярной массы, структурный анализ
• Химия / Материалы
  • Синтетические полимеры, материалы, добавки и нефть
• Анализ окружающей среды
  • СОЗ (стойкие органические загрязнители: диоксины, ПХБ, пестициды и т. д.), вода, атмосфера и воздух внутри помещений.
• Биохимия / Медицина / Фармация / Судмедэкспертиза
  • Допинг-тестирование, наркотики, стимуляторы, опасные наркотики, взрывчатые вещества и порох
• Другое
  • Ароматические компоненты, газовый анализ

О ГХ для ГХ-МС

О режиме впуска и ввода для ГХ

Входное отверстие ГХ — это место, где образец испаряется и вводится в разделительную колонну. Режимы впрыска включают режимы с разделением и без разделения, и для анализа необходимо выбрать соответствующий режим.

• Разделенный режим
  В этом режиме часть испаренной пробы вводится в разделительную колонну с любым соотношением разделения. Коэффициент разделения (отношение скорости потока в колонке к скорости разделенного вентиляционного потока) определяется с учетом количества загрузки в колонку и чувствительности целевого соединения.
• Режим без разделения
  В этом режиме весь инжектируемый объем вводится в разделительную колонну. Он подходит для анализа микроэлементов благодаря большому абсолютному объему, вносимому в колонку.

Типы столбцов и выбор

Капиллярная колонка покрыта полимером, называемым неподвижной фазой, на внутренней стенке трубки из кварцевого стекла.
Тип неподвижной фазы, длина колонки, внутренний диаметр и толщина пленки влияют на разделение, поэтому важно понимать каждую характеристику и выбирать подходящую колонку.

• Тип стационарной фазы
  Капиллярные колонки имеют разные характеристики (полярность, максимальная рабочая температура и т. д.) в зависимости от типа неподвижной фазы, нанесенной на внутреннюю стенку. В общем, выбор стационарной фазы с полярностью, близкой к полярности целевых компонентов, приведет к хорошей форме пика благодаря ее сродству. Когда компоненты анализируются на колонке с низкой полярностью, они элюируются в порядке их температуры кипения.
  
• Длина колонки
  Обычно используются колонны длиной от 20 до 60 м. При том же внутреннем диаметре, толщине пленки и линейной скорости газа-носителя более длинная колонка обеспечивает лучшее разделение, но требует больше времени для анализа.
• Внутренний диаметр колонны
  Обычно используется внутренний диаметр от 0.18 до 0.53 мм. Использование колонки с более узким внутренним диаметром улучшит разделение за счет сужения ширины пика, но также уменьшит приемлемую нагрузку пробы, поэтому необходимо соблюдать осторожность при выборе объема вводимой пробы.
• Толщина пленки колонки
  Более тонкие пленки приводят к более узкой ширине пиков и меньшему уносу из колонки. Толстопленочные колонны с высоким удерживанием используются для низкокипящих соединений.
  

Методы ионизации для ГХ-МС

Помимо электронной ионизации (ЭИ), методы ионизации летучих образцов, подходящие для ГХ/МС, включают химическую ионизацию (ХИ), фотоионизацию (ПИ) и ионизацию полем (ФИ). Что касается ЭИ, существуют соединения, молекулярную массу которых трудно подтвердить. CI, PI и FI эффективны для анализа таких соединений.

EI (Электронная ионизация) → Метод жесткой ионизации

Масс-спектры ЭУ большого числа соединений заархивированы в виде библиотеки. Поиск в библиотеке масс-спектров ЭУ, такой как NIST и Wiley Registry, обеспечивает идентификацию соединения. Однако подтвердить молекулярную массу некоторых соединений может быть затруднительно, поскольку метод ЭУ имеет тенденцию диссоциировать связи внутри соединений. Если молекулярный ион соединения не может быть обнаружен, точность идентификации может быть низкой.

CI (Химическая ионизация), PI (Фотоионизация), FI (Полевая ионизация) → Методы мягкой ионизации

Эти методы ионизации можно использовать для подтверждения молекулярной массы соединения. Поскольку их трудно фрагментировать, они не могут предоставить информацию о структуре конкретных соединений. В зависимости от образца необходимо выбрать подходящий метод ионизации.

⇒ Используя метод мягкой ионизации, можно подтвердить молекулярную массу!
Использование методов ЭУ и мягкой ионизации повышает качественную точность!

Сравнение масс-спектров каждым методом ионизации

• CI → Ионизация с помощью ионно-молекулярной реакции с ионами газа-реагента.
  • Типичный метод мягкой ионизации. Важным является выбор газа-реагента (метана, изобутана, аммиака и т. д.), подходящего для целевых соединений. Способность отдавать протоны: метан > изобутан, однако метан имеет тенденцию производить больше фрагментированных ионов.
  • Доступно на квадрупольном МС (QMS), тройном квадрупольном тандемном МС (TQMS) и времяпролетном МС (TOFMS) компании JEOL.
• PI → Ионизация путем облучения вакуумно-ультрафиолетовым (ВУФ) светом.
  • Низкая энергия ионизации от 8 до 11 эВ подавляет фрагментацию.
  • Некоторые соединения могут разлагаться в процессе ионизации или не подвергаться ионизации.
    (Это зависит от диапазона длин волн источника света и энергии ионизации соединения.)
  • Газ-реагент не требуется!!
  • Доступен в системах QMS, TQMS и TOFMS компании JEOL в качестве комбинированного источника ионов EI/PI.
• FI → Ионизация с использованием сильного электрического поля.
  • Дает меньше избыточной внутренней энергии и вызывает меньшую фрагментацию, чем EI, CI и PI.
  • Самый мягкий из всех методов ионизации, используемых в ГХ-МС.
  • Газ-реагент не требуется!!
  • Доступен на TOFMS компании JEOL в качестве комбинированного источника ионов EI/FI.

Подробнее о каждой ионизации см. "Методы ионизации для масс-спектрометров JEOL. Справочник.".

О МС для ГХ-МС

Масс-спектрометры, используемые в ГХ-МС, включают квадрупольный масс-спектрометр (QMS), тройной квадрупольный масс-спектрометр (TQMS) и времяпролетный масс-спектрометр (TOFMS).

[СМК] Этот прибор прост в эксплуатации, надежен и универсален, что делает его пригодным для рутинного анализа.
[ТСК] Этот прибор, позволяющий проводить двухэтапное масс-разделение с помощью тандемной масс-спектрометрии (МС/МС), обладает высокой селективностью и подходит для количественного анализа образцов со сложными матрицами и помехами.
[ТОФМС] Большинство TOFMS (включая JEOL) обладают высокой разрешающей способностью и высокой точностью измерения массы, а также способны определять элементный состав путем точного измерения массы. TOFMS с высоким массовым разрешением может идентифицировать неизвестные соединения, не полагаясь на поиск в библиотеке, и подходит для нецелевого анализа.

Различия между данными, полученными с помощью QMS/TQMS и TOFMS

В то время как QMS и TQMS могут измерять номинальную массу, TOFMS имеет разрешение по массе, обеспечивающее точность массы порядка 1/1000.
Когда требуется точный массовый анализ, оптимальным выбором является TOFMS высокого разрешения.

Различия между методами сбора данных QMS/TQMS и TOFMS

Формат сбора данных для QMS и TQMS (квадрупольный тип) представляет собой тип передачи, тогда как TOFMS (времяпролетный тип) представляет собой тип одновременного анализа.

Режим сканирования

В трансмиссионном квадрупольном масс-анализаторе при соответствующей настройке ВЧ-напряжения (В) и постоянного напряжения (U), приложенных к квадруполю, только ионы с определенным м / г можно передать. Масс-спектры могут быть последовательно получены путем многократного сканирования напряжения РЧ (V) и напряжения постоянного тока (U), сохраняя при этом соотношение V и U постоянным. По полученным данным масс-спектр в любой момент времени и ЭИК любого м / г может быть получен. Качественный анализ (идентификация) соединения можно провести по масс-спектру, а количественный анализ - по ЭИК.

Режим SIM (мониторинг выбранных ионов)

Измерение выполняется путем многократного ступенчатого изменения ВЧ-напряжения (В) и постоянного напряжения (U) так, чтобы одно или несколько заданных значений м / г ионы могут передаваться последовательно. Высокая чувствительность может быть получена потому, что время, в течение которого конкретный м / г Ион передается гораздо дольше, чем в режиме сканирования. Полученные данные состоят только из хроматограмм заранее заданного м / г ионы (SIM-хроматограммы) и не могут быть использованы для качественного анализа. Эти данные используются для количественного анализа микроэлементов, чувствительность которых в режиме сканирования недостаточна.

Времяпролетный масс-спектрометр: м / г ∝ [время полета]2

Когда ионы с разными м / г ускоряются при одном и том же напряжении в одно и то же время, все ионы приобретают одинаковую кинетическую энергию и летят в свободной от поля области. Меньший м / г ионы летят быстрее и крупнее м / г ионы летят медленнее, поэтому масс-спектры можно получить путем последовательного детектирования ионов, достигающих детектора. Поскольку один цикл полета иона может быть завершен за десятки микросекунд до сотен микросекунд. Теоретически можно измерить более 10,000 50 масс-спектров в секунду, но на самом деле соответствующее количество масс-спектров суммируется и затем записывается. Возможна регистрация до XNUMX масс-спектров в секунду.

Качественный анализ ГХ-МС

Первым шагом качественного анализа ГХ/МС является поиск в библиотеке масс-спектров NIST. Когда трудно судить, присутствуют ли молекулярные ионы в масс-спектре ЭУ или нет, вы можете повысить уверенность в идентификации, обнаруживая молекулярные ионы по данным мягкой ионизации. Однако для неизвестных соединений окончательная идентификация может быть затруднена. Выполняя точный массовый анализ, мы можем узнать элементный состав (его молекулярную формулу) и выбрать дальнейший структурный анализ.

Полезность комплексного качественного анализа

При качественном анализе с помощью ГХ-МС обычно выполняют поиск в базе данных библиотеки с использованием масс-спектров, полученных методом электронной ионизации (ЭИ). На следующих рисунках и в таблице показаны масс-спектры ЭУ и мягкой ионизации (SI) компонента А, а также результаты поиска в базе данных библиотеки с использованием масс-спектра ЭУ. Результаты поиска в базе данных библиотеки показывают, что все кандидаты имеют высокий показатель сходства, превышающий 800. В большинстве случаев компонент A будет определен как первый кандидат с наивысшим показателем сходства в поиске в базе данных библиотеки при выполнении качественного анализа. используя только масс-спектр ЭУ. Однако, м / г 314, который предположительно является молекулярным ионом, был обнаружен в масс-спектре SI. Следовательно, можно предположить, что компонент А является вторым кандидатом «дибензоат диэтиленгликоля». В компании JEOL Ltd. мы называем сочетание поиска в БД библиотеки с использованием масс-спектра ЭУ и анализа молекулярных ионов в масс-спектре СИ «интегрированным качественным анализом». msFineAnaанализ iQ — это программное обеспечение, которое может автоматически выполнять комплексный качественный анализ.

Результаты поиска в БД библиотеки компонента А (5 лучших кандидатов)

Комплексный качественный анализ может быть выполнен автоматически и легко с помощью программного обеспечения.

Качественный анализ неизвестных компонентов

Рабочий процесс качественного анализа

Ниже показан рабочий процесс качественного анализа неизвестных компонентов, не зарегистрированных в базе данных библиотеки. С помощью GC-QMS сложно проанализировать качественно неизвестные компоненты. В этом случае эффективным является сочетание упомянутого выше интегрированного качественного анализа и точного массового анализа с помощью ГХ-ТОФМС.

Предсказание структурной формулы неизвестных соединений

Получение структурной формулы для анализа неизвестного соединения является основной целью качественного анализа. Поскольку большое количество фрагментных ионов, наблюдаемое в масс-спектрах ЭУ, содержит богатую структурную информацию, формулы их состава можно использовать для точного структурного анализа. В целом фрагментарные ионы с большой массой предполагают функциональные группы и субструктуры, тогда как фрагментированные ионы с малой массой подходят для классификации соединений. Существуют также фрагменты, такие как перегруппировка Маклафферти, которые характеризуют структуру соединения.

Как упоминалось выше, молекулярные формулы и формулы состава фрагментных ионов являются полезной информацией при анализе неизвестных соединений. Однако ручной структурный анализ требует знаний и опыта интерпретации масс-спектров. В этом случае эффективен анализ с использованием автоматизированного программного обеспечения для структурного анализа.

Количественный анализ ГХ-МС

Количественный анализ представляет собой аналитический метод исследования концентрации целевого компонента, содержащегося в образце, и становится возможным благодаря созданию EIC ионов, полученных из целевых компонентов данных, измеренных в режимах сканирования QMS/TQMS и TOFMS. Если чувствительность в режиме сканирования недостаточна, измерение проводится в режиме SIM с QMS/TQMS. Если чувствительность и избирательность недостаточны даже в режиме SIM, необходимо провести измерения в режиме SRM (описанном далее) TQMS.

Количественный анализ на основе данных режима сканирования и данных TOFMS.

EIC создаются путем указания м / г ионов с высокой интенсивностью, специфичных для анализируемых компонентов.
Затем количественное значение можно рассчитать по площади пиков на ЭИК.

Количественный анализ данных режима SIM (мониторинг выбранных ионов)

Если в режиме сканирования чувствительность недостаточна, измерение можно провести в режиме SIM. Ионы с высокой интенсивностью, специфичные для анализируемого компонента, идентифицируются путем предварительного измерения стандартного образца в режиме сканирования. Затем выполняется измерение образцов для калибровочной кривой и реальных образцов в условиях измерения SIM, которые контролируют только эти ионы.

Количественный анализ данных режима SRM (мониторинг выбранных реакций)

SRM — это режим измерения, специфичный для TQMS. Он обладает высокой селективностью и эффективен для многокомпонентного анализа, где полное разделение компонентов с помощью ГХ невозможно, а также для анализа проб, когда сложно обеспечить достоверность количественных результатов из-за большого количества матриц.
TQMS (тройной квадрупольный масс-спектрометр) представляет собой тандемный масс-спектрометр, состоящий из двух квадрупольных масс-анализаторов: 1-го МС и 2-го МС. Конкретные ионы-предшественники, выбранные на 1-м МС, сталкиваются с газом столкновения, а определенные образующиеся ионы-продукты выбираются на 2-м МС и контролируются. Поскольку массовое разделение конкретных ионов таким способом выполняется дважды, можно получить более селективные и надежные результаты количественного определения, чем в режиме SIM, в котором массовое разделение выполняется только один раз с помощью 1-й МС.

SRM обеспечивает высокочувствительный и надежный количественный анализ даже для образцов, содержащих большое количество матриц, где м / г Как целевой, так и мешающий компоненты перекрываются и не могут быть точно определены количественно с использованием режима SIM.

Устройства предварительной обработки, подключаемые к ГХ-МС

ГХ-МС позволяет анализировать компоненты газовых, жидких и твердых проб в сочетании с различными устройствами предварительной обработки. Здесь мы представляем популярные устройства предварительной обработки: пробоотборник из пространства головки (HS), пиролизер (Py) и систему термогравиметрии/дифференциального термического анализа (TG/DTA).

Пробоотборник свободного пространства (HS)

Образец (жидкий или твердый) помещают в герметично закрывающуюся пробирку и нагревают. Летучие компоненты из пробы извлекаются при сохранении состояния равновесия распределения между газовой фазой и фазой пробы. Затем часть газовой фазы, содержащей летучие компоненты, вводят в ГХ-МС.

Пиролизер (Пи)

Py-GC-MS — это метод, используемый для анализа выделяющихся газов или продуктов пиролиза, образующихся при нагревании образца в пиролизной печи. Он в основном используется для анализа полимерных материалов, включая идентификацию полимеров и количественное определение добавок в смоле.

Термогравиметрия/Дифференциальный термический анализ (ТГ/ДТА)

Систему ТГ/ДТА можно использовать для наблюдения за изменениями веса образца в процессе нагревания и его теплофизическими свойствами, такими как выделение тепла и поглощение тепла в результате химических реакций. Кроме того, подключившись к МС, можно анализировать компоненты газа, образующиеся в процессе нагрева.

• ТГ (термогравиметрия)
  Метод измерения изменения веса образца при нагревании.
• ДТА (Дифференциальный термогравиметрический анализ)
  Метод наблюдения экзотермических/эндотермических реакций в образце путем определения разницы температур между образцом и стандартным материалом.