Principle and Application of GC-MS

1. Principle and Application of GC-MS 2012-09-17

2. Content • GC-MS &HPLC-MS • Instrument and column • Sample preparation • Preferences • Application in my research

3. GC-MS &HPLC-MS • Preface • Differences 1.Principle polar VS non-polar 2. Mobile phase liquid VS gas 3. Ionization way EI,CI VS ESI, APCI 4.Application heat stability

4. Principle of GC-MS • 物理分离方法； • 组份沸点差异 &分配系数的差异； • 质谱检测器----电离源----质谱碎片----谱库检 索----匹配度----完成定性。

5. Process of GC-MS

6. Manufacturer of GC-MS • 美国Agilent • 日本岛津 Shimadzu

7. 6890N/5973C

8. Chromatographic column • Capillary column and packed column

9. Preferences of capillary column • 内径(inner diameter)：0.25mm • 高柱效，低负荷量，必须分流进样或无分流进样。 • 用于复杂多组份样品分析。 • 柱长(column length )：30m • 25—30m 中长柱：分离10—50个组份。     50m 长柱：分离大于50个组份或包含有难分离物质。 • 膜厚(film sickness)：0.25—0.33μm • 对于流出达300℃的大多数样品（包括蜡、甘油三酯、甾族化合物等）能够很好的分析。 • 固定液(stationary liquid) 分析时间加倍，分辨率增加40%

10. stationary liquid ---“相似相溶” • a. 非极性物质—非极性固定液；低沸点组分 • b. 极性物质—极性固定液；小极性组分 • c. 极性与非极性混合物—极性固定液；小极性组分 • d. 易形成氢键物质—极性或氢键型固定液； 不易形成氢键的组分 • e. 复杂难分离样品—多种固定液混合；

12. Sample preparation • Without water and salt; • Organic solvent with low boiling point; • 丙酮、正己烷、氯仿、苯等 • 毛细管柱样品浓度mg/ml级或更低； • 进样量----进样方式而定 • sample derivatization（样品衍生化）

13. sample derivatization • 硅烷化 • 酰化 • （1）乙酰化（体内药物筛选，大多数的临床药物） （2）三氟乙酰化/五氟丙酰化/七氟丁酰化（苯丙胺类和麻黄碱类） • 烷基化（农药和杀虫剂） • 目的：改善待测物质的气相色谱性质如热稳定性、分子质量、质谱行为；

14. Preferences of GC-MS ----sample injection • 自动进样（auto-injection） • 手动进样（hand-injection）

15. split or not？split ratio? • 分流(split)----主要组分分析； • 脉冲分流(pulse split)----允许更大进样量； • 不分流(splitless)---- 痕量组分分析； • 脉冲不分流(pulse splitless)----允许更大进样量。

16. carrier gas • hydrogen ,nitrogen, argon, helium, Carbon dioxide • flow rate：i.d<0.25mm：0.5-3ml/min; • 0.32mm: 5-10ml/min; • 0.53mm: 5-20ml/min • i.d<0.32mm，衡流模式，1.0ml/min;

17. temperature of inlet • 考虑样品的稳定性？ • 样品是否能够瞬间气化？ • 一般在200~250℃

18. column temperature program • 影响样品分离度的最主要因素； • 升温慢可改善分离效果，增加分析的时间； • 升温快会加快载气流速，相近组分难完全分离; • 柱温极限;

19. Selection principle • 在使最难分离的组分尽可能好的分离的情况下，尽可能采取 较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。 • 高沸点300-400℃，低于其沸点100-200℃; • 沸点200-300℃，中等柱温; • 沸点100-200 ℃ ，平均沸点的2/3左右 • 气体，气态烃等，沸点或沸点以上

20. Ionization source for GC-MS • 样品分子 ---- 带电的离子 ----离子束----质量分析器 • EI：NIST标准谱库，70eV，230℃，易挥发 成分 • CI：软电离技术，EI分析不了的物质，非标准质谱图 • FAB, ESI, APCI for HPLC-MS

21. Mass detector分辨率, 灵敏度, 扫描速度

22. Data acquisition • 全扫描（Scan）VS选择离子扫描（SIM） • 灵敏度：SIM比Scan的高三个数量级 • 阈值的设置：为限制采集的峰数

23. Qualitative analysis • Library, • 一般为probability-based matching(PBM)检索 • 匹配度≥80, • else AMDIS • Research

24. library • NIST：美国国家科学技术研究所出版 • NIST/EPA/NIH：美国国家科学技术研究所、美国环保局、 美国国立卫生研究院共同出版 • Wiley库:3个版本，同一化合物可能有重复的不同来源的 质谱图 • 农药库、药物库、挥发油库 • 前三个通用，后三个专用，NIST/EPA/NIH库应用最广泛。

25. Some advice • 1 EI，70eV for NIST • 2 纯化合物的质谱图 Subtract Background(BSB) & Savitzky-Golay • 3 匹配度(相似度)& 其他有关信息

26. Influencing factor for library searching • 仪器调谐方式不对 • 数据采集时最强峰超量程 • 采集数据或处理谱图时设定的低质量范围过高 • 色谱分离不好，或本底峰干扰严重 • 检索参数的选择（如质量范围等）

27. Quantitative analysis • 面积归一化法(area normalization method) • 外标法(external standard method) • 内标法(internal standard method)

28. Area normalization method • 方法：各组分浓度以面积百分率表示，可确认大概的浓度，但有误差； • 要求： • 1）所有物质都出峰，各物质响应因子接近，主要物质含量足够大，各峰型都较尖锐且对称； • 2）峰高，只要不超过检测的线性范围最大值的一半就行；

29. External standard method • 目前应用最广泛的方法之一； • 误差来源：主要是进样误差； • 解决办法：分析前一定要做面积重复性（即进样重复性）实验

30. Internal standard method • 在样品中添加等体积等浓度的内标物，通过组分与内标峰 的面积比，对组分进行定量; • 内标物选择原则： • 内标物的峰与试样中的所有成分的峰完全分离; • 内标物的峰与目标成分的峰保留时间不应差太远; • 内标物具有与分析目标成分类似的化学性质

31. Integrator of chromatographic peak • RTE Integrator • ChemStation Integrator

32. RTE • 相对简单的色谱图（其中的峰很窄且已完全解析） • 尤其适用于 target compound analyses(目标化合物分析) • 缺省参数 • 整个色谱图范围内;毛细管色谱柱;总离子流 (TIC)

33. ChemStation Integrator • 各种类型色谱图的积分方便，直观，准确 • 带有难于处理的基线和负峰的色谱图 • 但自动编辑定量时，用RTE较好

34. Application in my research • 6890/5973, Agilent • auto sampler (7683B, Agilent) • Agilent HP-5MS capillary column (30m×0.25mm i.d., 0.25μm film), • 1μl extracts solution (1g/ml, extracts/methanol) & n-Tridecane • split ratio 10:1 • helium (1.0ml/min). • column temperature programwas : • 60℃(1 min), 60-140℃at 4℃/min, 140℃(10min), 140-155℃at 3℃/min,155℃(2min),155-250℃at 20℃/min,250℃(1min). • EI,70eV; • Inlet--250℃, ionization source --230℃, MS detector --150℃ • scan,m/z 40-500.

35. 参考文献 • 1. N.Y. Qin, F.Q. Yang, Y.T. Wang, S.P. Li. Quantitative determination of eight components in rhizome (Jianghuang) and tuberous root (Yujin) of Curcuma longausing pressurized liquid extraction and gas chromatography–mass spectrometry[J]. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2007,43:486–492. • 2．Li, M (Li, Ming)， Zhou, X (Zhou, Xin)， Zhao, Y (Zhao, Yang)， Wang, DP (Wang, Dao-Ping) ，Hu, XN (Hu, Xiao-Na). Quality Assessment of Curcuma longa L. by Gas Chromatogrotphy-Mass Spectrometry Fingerprint, Principle Components Analysis and Hierarchical Clustering Analysis.Bulletin of The Korean Chemical Society[J].2009,30(10):2287-2293. • 3. http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100320/ • 4.http://www.home.agilent.com/agilent/home.jspx?cc=CN&lc=chi • 5.汪正范,杨树民,吴侔天等. 色谱连用技术[M].化学工业出版社.2001. • 6.王光辉, 熊少祥. 有机质谱解析[M]. 化学工业出版社 . 2005.

36. Thank you!