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Cryo system with GC/MS for ppt level Analy GC/MS 의 의의 의 의의 의의의의의의 VOCs/ 의의의의의

GC/MS 의 원리 및 이론

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GC/MS 의 원리 및 이론. 부경대공실관 VOCs/ 냄새분석실. What is Mass Spectrometry?. Measure the masses of individual molecules & atoms which are converted into gas phase ions in terms of their mass to charge ratios. convert into gas (chromatographic separation). Inlet. Source. Analyzer. Detector. - PowerPoint PPT Presentation

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Cryo system with GC/MS for ppt level Analysis

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부경대공실관 VOCs/ 냄새분석실

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Gas Chromatograph/Mass Spectrometer

Source

Measure the masses of individual molecules & atomswhich are converted into gas phase ions in terms of their mass to charge ratios

Inlet Analyzer Detector Data System

solidliquidgas

ionization sort ions by m/z

convert into gas(chromatographic separation)

mass spectrum

What is Mass Spectrometry?

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▣ ▣ GCGC 의 기본 구성과 기능의 기본 구성과 기능

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Gas Chromatograph/Mass Spectrometer

▣ ▣ 시료주입기와 주입방법시료주입기와 주입방법

1. 섬광기화 직접법

2. 섬광기화 분할법 (split)

3. 섬광기화 비분할법 (splitless)

4. 섬광기화 냉각법

5. 온도프로그래밍 기화법 (PTV)

6. 냉각 온 - 컬럼 주입법 (OCI)

7. 기타

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▣ ▣ 컬럼오븐컬럼오븐

분리도와 머무름 재현성 향상을 위해서

1. 설정온도와 실제온도의 일치

2. 최저 및 최고 작동 온도의 범위의 확장

3. 오븐의 가온 · 냉각 속도가 정확

4. 오븐 온도의 평형 시간의 단축

5. 설정된 온도가 주기적인 변동없이 안정

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▣ ▣ 컬럼온도에 따른 분리도 컬럼온도에 따른 분리도

30℃ 등온분석

100℃ 등온분석

30~200℃승온분석

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▣ ▣ 검출기의 종류검출기의 종류

1. 이온화 검출기 (ionization detector) 불꽃이온화 검출기 (flame ionization detector;FID) 열이온화 검출기 (thermionic ionization detector;TID) 광이온화 검출기 (photo ionization detector;PID) 전자포획 검출기 (electron capture detector;ECD)

2. 물리적 성질 검출기 (bulk physical detector) 열전도도 검출기 (thermal conductivity detector;TCD)

3. 광학 검출기 (optical detector) 불꽃광도 검출기 (flame photometric detector;FPD) 원자방출 분광 검출기 (atomic emission detector;AED)

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What is the Mass Spectrum?

mass to charge ratio

# o

f io

ns

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Inlet + Source : 시료도입 및 이온화 방법에 따라

EI, EI/DIP, CI, DCI, FD, FI, TI, FAB(LSIMS), LD, ESI, APCI, MALDI,GC-MS, LC-MS, CE-MS, etc.

Analyzer : 질량분석관에 따라

Sector, TOF, Q(quadrupole mass filter, 2D-Q)Quadrupole IT(ion trap, 3D-Q), ICR (FTMS)Hybrid MSs (Sector-TOF, QqTOF, TOF-TOF, QqQ, IT-TOF, etc)

Diverse Mass Spectrometric Systems

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Reservoir Inlet

DIP

FAB, LD, MALDI

Non-volatileVolatile

GC/MS

Thermally Stable Thermally labile

GC/MS

ESI, MALDI

Choice of MS Method I

ESI/APCI (but should be soluble in ESI/APCI compatible solvents)

FAB, APCI

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Choice of MS Method II

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Quantitation

InformationfromMS

Molecular Weight& Elemental Composition

molecular ion → molecular mass (M+Na)+=897 → M=874accurate mass → elemental composition 897.4976 → C48H74O14Naisotopic distrib’n → elemental composition

source of the sample

Molecular StructureFrom fragmentation

Non-covalent InteractionNon-covalent adduct(Ab-Ag, host-guest)

Information from Mass Spectrometry

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Advantage of MS detector

Information of chemical structure Identification of target compound Determination of molecular weight High sensitive and rapid analysis

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Identification

m/z

Retention time

Chromatogram

MS

Spec

trum

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Configuration of GCMS Configuration of GCMS

Mass Spectrometer

Gas Chromatograph

Interface

Ion source box

Data Store

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Flow Chart of GC-MS

Sample

Inlet System

Ion Source

Vacuum System

Mass Analyzer

Detector

Signal Processor

Print Out

GC Direct

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MS analyzer

Magnetic sector type (sector type) Quadrupole type Time of flight type (TOF type) Ion Trap type

Quadrupole type of GCMS is very popular.

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Schematic of a Quadrupole MS systemSchematic of a Quadrupole MS system

Generation

Introduction

Selection

Detection

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Hardware structure of QP/MS

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Ion Source Box- Increased ionization efficacy -

Ion Source Box- Increased ionization efficacy -

Interface

Filament

Ion source box

Conventional ion source

QP2010 ion source High luminosity ion source

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Ion Source Box Ion Source Box

Extractor : This device can draw ion generated into the ion source box.

from GC

To QP

QP2010

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Optimum adjustment of the Lens system

QP

Software can optimize lens voltage in order to introduce more ions to Quadrupole.

X

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Quadrupole Rod - Minimize losses in transit to the Quadrupole -

Quadrupole Rod - Minimize losses in transit to the Quadrupole -

Main RodSpecific ion only can be passed by the electronic field into Quadrupole Rod which is controlled by PC.

Pre Rod

From ion sourceTo detector

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rotary pump

Vacuum systemVacuum system- Minimize losses in transit to the Quadrupole -

turbo molecular pump [260 L/sec X 65 L/sec]

Dual turbo pumping system

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Low-noise Dynode multiplier - Increased detection of created ions -

EMDetector

Conversion dynode

Low noise detector unit

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High Sensitivity High Sensitivity

Octaflouronaphthalene, 1pg : S/N > 60

Octafluoronaphthalene, 1pg : S/N > 30

QP-2010

QP-5050

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Modes of Ionization

EI : Electron Impact Hard Ionization, High Energy Structural information

CI : Chemical Ionization Soft Ionization, Low Energy Molecular weight information

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Ionization techniques available for GC/MS

Electron Impact Ionization (EI)

Positive Chemical Ionization

(PCI)

Negative Chemical Ionization

(NCI)

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Electron Impact Ionization (EI)Electron Impact Ionization (EI)

e-e-Sample

from GC

filament

++

+ +

Fragment ion

QPe-e-e-

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Gas Chromatograph/Mass SpectrometerElectron Impact Ionization

(EI)

Thermal electrons (ca. 70 eV) hit molecules and ionize them. Ample fragment ions = ample structural information “finger print”

EI spectrumMethylstearate M.W. 298

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Positive Chemical Ionization (PCI)

Positive Chemical Ionization (PCI)

from gas cylinder

filament

e-e-

e- e-e-

QP

CH4 CH5

+

C2H5+

Sample from GC

H+

-CH4

[M+1]-C2H4

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Positive Chemical Ionization (PCI)

Reagent gas molecules are ionized first. Sample molecules are ionized mainly by “proton

transfer”. Quasi molecular ions easily produced useful for

molecular weight verification.

+

PCI spectrumMethylstearate M.W. 298

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Comparison of EI and PCIComparison of EI and PCI

EI mode

PCI mode

Fragment

Molecular weight

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Negative Chemical Ionization - NCI -Negative Chemical Ionization - NCI -

filament

e-e- e-e-

Reagent Gas

Sample

NCI for highest sensitivity for electrophilic compounds

Sample

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Negative ion formation by electron capture (associative resonance capture)

MX + e- (~0 eV) MX-.

X: positive electron affinity part

CH4

e-

MX

CH4+

CH3

+H

CH4

CH4

CH4

e-

MX-

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Advantages of negative chemical ionization

Ion formation by electron capture

High sensitivity Close to GC-ECD sensitivity

High selectivity

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Application fieldfor negative chemical ionization

Environmental chlorinated pesticides phosphorus pesticides PCB etc.

Life science Drugs, steroids, bile acids

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Measurement Mode

Scan Mode SIM Mode (Selected Ion Monitoring)

mas

s n

um

ber

mas

s n

um

ber

Time Time[Scan] [SIM]

(Qualitative)(Qualitative) (Quantitative)(Quantitative)

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Scan Mode

m/z

Retention time

TIC : Scan Mode

72

54

152

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SIM Mode

Retention time

m/z=72 m/z=152 m/z=54

Higher Sensitivity than Scan Mode.For quantitation purpose

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Adjustment of MS

All adjustment of the instrument can be carried out by Windows Software.

Sensitivity adjustment Resolution adjustment Correction of mass number Correction of relative intensity

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MS TuningMS Tuning

PFTBA(perfluorotributylamine) is use for MS tuning.

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PFTBAPFTBA

relative

m/z intensity

69 100.0131 26.0219 32.0414 2.0502 2.0614 0.4

CF3 -CF2 -CF2 -CF2 -N -C4F9

C4F9

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Direct Injection Mode (DIP)

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Operational Precaution Operational Precaution for GCMSfor GCMS

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Operation Precautions

• Sample• Pretreated sample• Know amount of components in the sample• Used the smallest appropriate sample volume• For unknown, screen on GC first

• Tools• Wear sanitary gloves when performing any work on IS or analyzer housing• Wipe/clean all the tools with acetone to minimize the background noise

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Operation Precautions

•Column• Avoid wide bore, thick film & dirty column.

•Use the recommended standard sample and column to evaluate the system performance.

•Perform preventive maintenance frequently to minimize problems.

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Sample Pretreatment

• Filtration• Centrifuge• Extraction

• HSG• Dynamic HS (Purge & Trap)• Static HS

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Extraction• LLE

• isolating organic compounds from aqueous samples

• SPE• isolating organic compounds from aqueous samples

• Soxhlet• extracting nonvolatiles and semivolatiles from solid samples

• Sonication• extracting nonvolatiles and semivolatiles from solid samples

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Sample Clean-up

• Acid-base partition • Sulfur clean-up• Adsorption column chromatography

• Alumina clean-up• Silica gel clean-up• Florisil clean-up

• GPC

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Typical GCMS Problem

•Poor sensitivity•Contamination•Vacuum leak•Dirty ion source•Untrained operator

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Troubleshooting for Poor Sensitivity

• Sample • Active• Thermal decomposition

• Injector• Septum leak• Seal rings/graphite damage• Glass insert broken

• GC parameters• Injection parameter

• MS parameters

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• Possible Source• Carrier Gas• Injector - Dirty glass insert

- Septum bleed - Graphite bleed• Cleaning solvents• Fingerprints• Plasticizers

• Verify the source by isolating MS from GC• Identify the source

Troubleshooting for Troubleshooting for ContaminationContamination

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Typical Contaminants

Mass (M/Z) Compound Classification Potential Source------------------------------------------------------------------------------------------------------------------18, 28, 32, 40, 44 Air H2O, N2, O2, Ar, CO231 Solvent Primary alcohol (MeOH)43, 58 Solvent Acetone77 Bz, Xyl85 Freons91, 92 Tol105, 106 Xyl22, 73, 147, 207, 281, 295, 355, 429 Dimethylpolysiloxane Septum/column41, 45, 55, 57, 71, 85, 99 Hydrocarbon Fingerprint/pump oil149 Phthalates Plasticizers