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