正确使用气相色谱质谱联用仪

      近年来,随着食品中农药残留检测技术的发展,气相色谱质谱联用仪被广泛使用,大多数使用者都能够熟练操作仪器,但对于使用中应特别注意的一些问题、仪器的日常维护及如何进行期间核查,国内外尚缺乏文章进行详细系统的介绍。而分析数据的准确可靠,仪器状态是一个非常重要的影响因素,正确的使用及维护保养不仅可以确保仪器的良好状态,还可以延长仪器和易耗件的使用寿命。本文作者根据多年仪器操作经验,以FinnigantraceGCUltra、traceDSQ四极杆气相色谱质谱联用仪为例,从载气系统、质谱真空系统、进样系统、色谱柱使用、质谱系统的维护、仪器的期间核查等方面进行了较为详尽的阐述。　　1　载气系统　　1·1　载气体的使用　　气体纯度必须达到99·999%,并使用专用钢瓶灌装,载气纯度不够,或剩余的载气量不够时,会造成m/z28谱线丰度过大,根据所用载气质量,当气瓶的压力降低到几个MPa时,应更换载气,以防止瓶底残余物对气路的污染。　　1·2　载气净化　　一般载气进入色谱前都需经过净化,除去载气中的残留烃类化合物、氧、水等杂质,以提高载气的纯度,延长色谱柱使用寿命,减少色谱柱固定相流失,而且很大程度地降低背景噪音,使基线更加稳定。建议Z好安装一个高容量脱氧管和载气净化器或使用复合型载气净化管。净化装置应及时更换,脱氧管使用时间过长,吸附的氧气会随着载气进人仪器,导致m/z32的谱线丰度过大。市售的脱氧管通常会用氮气进行饱和,安装时,必须用氦气将脱氧管内和管线里的氮气吹扫干净,再接至仪器上。　　2　质谱真空泄漏的确认及检漏　　2·1　确认泄漏　　质谱真空是否出现空气泄漏,可从压力和空气/水的背景图谱进行判断。如果仪器达到稳定状态,一般情况下当柱流速为1ml/min时,前极压力（forepressure）应小于50mTorr,离子规压力（iongaugepressure）小于7e-5Torr,如果压力过大,则可能有泄漏;m/z18,28,32和44是空气/水的特征峰,空气/水的背景图谱正常情况下如图1;如果如图2,m/z28的峰远高于m/z18峰,且与m/z32峰的比例符合空气中氮气和氧气的比例,则可以判断有小漏;如果如图3,m/z28,32两峰异常高,总离子流强度超过10的8次方,则漏气严重,此时要立即关掉灯丝,否则会造成灯丝断掉。　　2·2　检漏　　2·2·1　钢瓶及气体管线的检漏　以Snoop测漏液检查每个管线接点,特别注意钢瓶头部份。每换一次气体钢瓶,必须以Snoop测漏液全面检查钢瓶及进气口接点,确保钢瓶与进气管线没有漏气。将钢瓶打开,调整至一定压力,关闭气相色谱仪进样口的压力,关闭气瓶的总阀,开启分压阀,若有漏气,一段时间后分压表的压力会有明显的下降。定时察看压力表（每小时）和压力降低情况,可由此查知气体主管线是否漏气。　　2·2·2　GC部分的检查　GC部分的空气泄漏通常会发生在内部的载气管接头、隔垫定位螺母、柱螺母等位置。可用适量的丙酮涂抹上述位置,每次一个位置,先后顺序依照离MS部分由近及远的原则。在适当的时间后,观察背景图谱中的峰图,若m/z58和m/z43处出现一个陡峭的、显著的攀升,说明在刚刚涂抹丙酮的位置存在空气泄漏。　　2·2·3　MS部分的检查　可以使用下述方法确定泄漏是在GC中还是MSD中:先观察空气/水的背景图谱,然后将气质联用仪所有加热区冷却后,取下色谱柱与GC进样口连接的一端,用一个废隔垫堵住色谱柱端口,等待15~20min,再一次观察空气/水的背景图谱,如果二者基本相同,则泄漏存在于MSD中或GC/MSD传输线末端的色谱柱螺帽处;如果结果显著不同,泄漏存在于GC部分。在MSD中查找空气泄漏的方法与GC部分类似,在可能发生泄漏的位置涂抹丙酮,每次一个位置,总是从Z近被打开过的密封装置开始,这是Z有可能发生空气泄漏的地方。在涂抹完一个位置后,观察背景图谱中的峰图变化加以判断。MSD部分空气泄漏比较容易出现在传输线末端的色谱柱螺帽处,此处由于柱箱温度反复变化,有可能会造成松动;另一方面,在装毛细管柱时,螺帽不可以拧得太紧,否则容易把石墨圈压碎,造成漏气,一般情况下用手拧紧,再用扳手拧四分之一圈即可。　　3　进样系统　　3·1　进样隔垫　　3·1·1　应使用高品质低流失及耐高温的进样隔垫　更换进样隔垫时先将柱温降至50℃以下,关掉进样口温度和流量（FinnigantraceGCUltra气相色谱仪具备漏气保护功能,如果流量不关闭,当旋开进样口螺帽时,大量载气漏失,气相色谱的所有加温部分会自动关闭,需重新开机才能开启）。隔垫更换时,注意进样口螺帽不要拧得太紧,否则隔垫被压紧,橡胶失去弹性,针扎下去会造成打孔效应,缩短进样垫使用寿命。Z后做漏气检测“leakcheck”,如果螺帽旋至合适,仪器会显示:“leakcheckpassed”。　　3·1·2　进样隔垫应视情况及时更换　微量漏气不易查觉,一般来说微漏可造成目标分析物出峰提前,因为炉温较高时空气中的氧气会氧化色谱柱固定液,使固定液流失加大,降低柱效,但要通过长时间比较才能发现;相对的大量漏气则会造成保留时间的延长。一般自动进样约100针后即应更换进样垫,手动进样还要少一些,视进样技术而定。　　3·2　衬管及石英棉　　3·2·1　衬管应视进样口类型、样品的进样量、进样模式（splitorsplitless）、溶剂种类等因素来选用。尤其是分流不分流衬管,注意不要混用,安装时上下不要装反。　　3·2·2　衬管的洁净度直接影响到仪器的检测限,应注意对衬管进行检查,更换下来的衬管如果不太脏可以用无水甲醇或丙酮超声清洗,取出烘干后继续使用;太脏则需先用清洁剂再用溶剂清洗,然后对衬管进行硅烷化处理后再度使用。　　3·2·3　应使用硅烷化处理过的石英棉,这种石英棉一般较未处理过的细而脆,未处理过的石英棉对分析物特别是极性化合物吸附严重,需进高浓度的目标物达吸附饱和后才可分析样品。使用过的石英棉应丢弃,不能重复使用。　　4　色谱柱　　4·1　色谱柱的选择与老化　　4·1·1　色谱柱的选择一般从固定液的类型、长度、口径和膜厚4个方面考虑,毛细管色谱柱的固定液分非极性、弱极性、中等极性和强极性,色谱柱固定液的极性越高,其温度使用上限越低,随柱温的升高固定液流失程度也越大,选择固定液的原则一般是能用极性低的则尽量不选用极性高的;柱长则能用短柱解决的就不用长柱;小口径色谱柱较大口径有较好的分离度,峰形与灵敏度也都好,但口径小了柱容量也小,应视分析要求而定;固定液膜较厚的可以承受较大的进样量,分离同分异构体,比薄膜者有较好的分离度,但柱流失也较严重,其实际操作的Zgao温度也较薄膜者低。　　4·1·2　新购毛细管商品柱（如DB系列的毛细管柱）一般出厂前已老化好,所以使用前一般不需要长时间老化,新柱老化一般不接质谱或其它检测器,设定一个程序升温程序走二至三次就能满足分析需要,其中程序升温程序的起始温度要低,一般设为50℃,Zgao温度可选择低于柱使用温度上限30℃或在平时使用的Zgao温度,升温速率要慢,一般设为5℃/min。旧柱老化时可接质谱或其它检测器,程序升温的Zgao温度可比平时使用的Zgao温度高一些,但不能超过柱允许使用的温度上限。　　4·2　色谱柱的使用与保存　　4·2·1　色谱柱使用时应注意说明书中标明的Zdi和Zgao温度,不能超过色谱柱的温度上限使用,否则会造成固定液流失,还可造成对检测器的污染。要设定Zgao允许使用温度,如遇人为或不明原因的突然升温,GC会自动停止升温以保护色谱柱。氧气、无机酸碱和矿物酸都会对色谱柱固定液造成损伤,应杜绝这几类物质进入色谱柱。　　4·2·2　色谱柱拆下后通常将色谱柱的两端插在不用的进样垫上,如果只是暂时拆下数日则可放于干燥器中。　　4·3　色谱柱的安装　　色谱柱的安装应按照说明书操作,切割时应用专用的陶瓷切片,切割面要平整。不同规格的毛细管柱选用不同大小的石墨垫圈,注意接进样口一端和接质谱一端所用的石墨垫圈是不同的,不要混用。进入进样口一端的毛细管长度要根据所使用的衬管而定,仪器公司提供了专门的比对工具,同样,进入质谱一端的毛细管长度也需要用仪器公司提供的专门工具比对。柱接头螺帽不要上得太紧,太紧了压碎石墨圈反而容易造成漏气,一般用手拧紧后再用扳手紧四分之一圈即可。接质谱前先开机让柱末端插入盛有有机溶剂的小烧杯,看是否有气泡溢出且流速与设定值相当。严禁无载气通过时高温烘烤色谱柱,以免造成固定液被氧化流失而损坏色谱柱。　　5　质谱的维护　　5·1　开机和关机　　开机时先开GC,后开质谱,设定合适的离子源温度和传输线温度,不要忘记打开真空补偿,否则真空难以达到50mTorr以下。关机前关闭传输线温度,离子源温度需降至175℃以下,等待分子涡轮泵转速降下来后,仪器会提示“OKtoturnoffpower”,此时方可关闭电源。　　5·2　实验前需先确定　　（1）离子源是否到达指定温度,一般推荐使用250℃;（2）当柱流速为1ml/min时,前极压力正常在30到50mTorr之间;（3）打开灯丝看空气/水的背景,确认真空没有泄漏。　　5·3　质谱有关参数的设置　　在灵敏度能够满足要求的前提下,发射电流一般为100uA,检测器增益为1,如果是痕量分析,需要提高灵敏度,可将发射电流设为200到300uA,增益设为2或3,数值越高,灵敏度越高,但相关部件的使用寿命将降低。扫描范围根据目标化合物性质而定,能覆盖碎片范围即可,没必要设得太宽,否则也会牺牲灵敏度,采样速率一般设每秒3到5张谱图。起始时间的设置考虑diyi个目标峰的保留时间和溶剂延迟,既不要丢失化合物,又要躲过溶剂。　　5·4　诊断与调谐　　质谱一般都有诊断功能,如果仪器灵敏度急剧下降或谱图出现明显异常,则应该进行诊断,帮助查找原因,注意做全诊断时必须保证前极压力在50mTorr以下。如果仪器正常,每一项测试都应该通过（PASSED）,如果哪一项测试未能通过,可点击查看详细信息,并保存页面,以方便与仪器公司的维修工程师联系,进行维修。在做质谱的调谐之前,先将MASS的范围调至50~650,打开灯丝、校正气,观察m/z100的特征峰,看其周围是否干净,如果有干扰离子,则升高柱温、进样口温度,先将杂质赶出,确保m/z100的周围干净,方可进行调谐。调谐过程中,若增益部分的校正不能通过,m/z502的特征峰找不到,或电子倍增管的电压增加太多,接近100伏,则很有可能是离子盒、透镜或预杆太脏,需要清洗。　　5·5　离子源和预杆的清洗　　清洗前先准备好相关的工具及试剂,然后打开机箱,小心地拔开与离子源连接的电缆,拧松螺丝,取下离子源。取预杆之前先取下主四极杆,竖放在无尘纸上,再取下预杆待洗。注意整个操作过程一要小心谨慎,二要避免灰尘进入腔体。将离子源各组件分离,在离子源的所有组件中,灯丝、线路板和黑色陶瓷圈是不能清洗的。而离子盒及其支架、三个透镜、不锈钢加热块以及预杆需要用氧化铝擦洗,将600目的氧化铝粉用甘油或去离子水调成糊状,用棉签蘸着擦洗,ZD擦洗上述组件的内表面,即离子的通道。氧化铝擦洗完毕后,用水冲净,然后分别用去离子水、甲醇、丙酮浸泡,超声清洗,待干后组合好离子源,先安装好预杆、四极杆,Z后小心装回离子源,盖好机箱,清洗完毕。　　6　仪器中间状态检查及进样操作时的注意事项　　6·1　仪器中间状态检查　　仪器状态直接影响到分析物的检测限、定性与定量,除了按照规定的周期进行计量检定外,还应该定期进行期间核查,根据仪器使用情况可每季度或每月核查一次。气质联用仪期间核查的内容可包括:仪器检测限（灵敏度）、分析物保留时间的重复性（稳定性）、数据的精密度、线性范围等几个方面。可通过系列浓度的有证标准物质溶液重复进样进行验证,质谱部分还可通过观察校正气FC43的特征离子是否正常确认仪器是否需要校正。通过核查证明仪器状态良好时才能进行样品分析。　　6·2　进样操作时的注意事项　　气相用定容试剂一般分子量小,易挥发,所以在整个进样过程中,为充分保证分析结果的准确可靠,应尽可能避免溶剂挥发,确保被分析的样品溶液浓度不变。一要保证室温尽可能恒定,使标准品溶液系列和样品溶液系列在同样的条件下被分析测定;二是自动进样时,所用小瓶盖垫Z好一次性使用,用过的瓶盖垫易造成定容试剂的挥发而使待测物浓度升高,且待测物浓度越高的样品误差也越大。如何正确选择气相色谱质谱联用仪一、决定质谱仪之种类　　目前桌上型质谱仪主要分为二种：四极棒质谱仪及离子阱。四极棒质谱仪之原理为分子在离子源被离子化后，产生断裂片后由推送电极推送，再经由加速电压加速后通过四极棒，到达侦测器。带电粒子经由四极棒所产生直流电压（DC）及射频（RF）所产生之电场中稳定变化，而过滤掉不同的荷质比（m/z）以达到分析不同分子的作用到达侦测器。离子阱之原理为离子在环电极及二个端盖电极所产生的电场被困于离子阱之小空间中，经过射频的扫描，使得离子不稳定而被激出（Eject）。其离子穿透率与四极柱不同，所以同一分析物图谱之离子相对比例在四极棒及离子阱所得到的并不相同。　　在一般长链纯碳氢化合物分析中，由于结构多相似，仅差别数个碳数而已，所以在质谱分析图中所呈现的断裂离子皆相近，所以此时离子之间之相对比例及分子离子（具分子量信息之离子）即为判定其成份之唯yi依据。但由于离子阱本身的原理会造成离子相对比例与典型质谱不同，使得在鉴定时出现误判。更由于当离子在离子阱的小空间之密度变大时容易产生离子-分子反应（自身CI反应），使得原本为M+的离子经由碰撞后变成（M+1）+，造成在定性时产生误判（将分子量由M误认为M+1），定量时出现偏差（质量偏移）及动态范围变窄等问题。特别是对于分子量不大的溶剂及不纯物之分析（主要成份远大于不纯物时）特别不利。目前虽然市场上已出现改良之四极棒式离子阱，仿照四极棒质谱仪将离子源独立于离子阱外，但是受限于先天的设计，仅能将原本误判之程度稍做改善，无法完全消除M+1之现象。　　离子阱之特别功能为质谱-质谱（MS/MS），其作用为选取diyi次分析时之断裂之质量进行第二次碰撞，藉由所产生之断裂片，由”人为“去判定其断裂机制，推衍出其结构，多使用于LC/MS（液相层析质谱仪）上，因其图库并不周全，且分析物较不易产生断裂离子，所以不得不藉由此法来辅助判定，一般在使用GC/MS时较少使用此法分析，因目前图库已建立相当完备，且GC所分析的样品大都容易产生断裂离子，已可提供相当之结构信息，故不须再使用MS/MS此项耗工又耗时之功能。　　相对地，四极棒质谱仪则因为其稳定度高，动态线性范围广及产生之图谱皆为典型图谱所以是目前市场上Z普遍使用之桌上型气相层析质谱仪之种类。　　在质谱仪分析中有二种收集断裂片数据之方式：全扫描及选择离子监测，全扫描是侦测所有断裂片，具有可执行图库搜寻之能力;而选择离子监测是在分析已知物时，仅选取已知物的数个断裂片收集其讯号强度，由于扫描的次数增加，所以灵敏度增加，但却因失去其它断裂片之讯号，所以也失去了可执行图库搜寻之能力，所以只能用在分析已知物的定量上。目前一般的GC/MS一次只能执行一种模式，不能同时执行二种模式，只有PerkinElmer具有同时执行两种模式之功能，在增加感度时又能保有其图库搜寻之功能。　　二、高真空泵浦之选择　　在GC/MS的分析中，真空是不可或缺之要素，它决定了分析之再现性与可预期性，也使得仪器具有高灵敏度及保护侦测器，所以高真空泵浦之选择就相当的重要。目前Z常见就是扩散泵浦及涡轮泵浦二种，根据其扩散泵浦原理，扩散泵浦会有油气污染之问题（因为必须加油使其运作），且于开机关机时必须耗时等待，所以要有高灵敏度及快速分析的数据就必须要选择涡轮泵浦。　　三、侦测器之选择　　由于光电倍增管之耐污染（密封性）及寿命长（十年），相较于电子倍增管仅二年之寿命与衰减性，所以侦测器选择使用光电倍增管。可免除讯号衰减所造成的不稳定及日后维护的费用。　　四极棒质谱仪（Quadrupole）与离子阱质谱仪（IonTrap）比较　　四极棒质谱仪（Quadrupole）：　　原理：分子在离子源被离子化后，由推送电极推送，再经由加速电压加速后通过四极棒，到达侦测器。带电粒子经由四极棒所产生直流电压（DC）及射频（RF）所产生之电场中稳定变化，而过滤掉不同的荷质比（m/z）以达到分析不同分子的作用到达侦测器。　　优点：1.目前所有商业化之图库大部份皆使用四极棒式质谱仪制作，所以四极棒所产生之图谱皆为典型图谱，比对结果准确度高　　2.稳定性高，不同浓度及不同时间所得到之图谱皆相同　　3.在真空度及四极棒原理设计改进后，灵敏度非常高　　4.动态线性范围广，可定量到极高浓度之样品　　缺点：无MS/MS功能　　离子阱质谱仪（IonTrap）：　　原理：离子在环电极及二个端盖电极所产生的电场被困于离子阱之小空间中，经过射频的扫瞄，使得离子不稳定而被激出（Eject）。其离子穿透率与四极柱不同，所以同一分析物图谱之离子相对比例在四极柱及离子阱所得到的并不相同。离子阱曾经具有高灵敏度之优点，但是随着四极柱技术的改进，目前已不再是其优势。　　优点：具有MS/MS功能（但仅特殊实验需要此项功能）　　缺点：1.因为原理不同，所以无法得到典型的图谱　　2.离子在小空间中容易产生Ion-MolecularReaction（Self-CI自身化学游离反应），使得原本为M+的离子经由碰撞后变成（M+1）+，造成在定性时产生误判、定量出现偏差及动态范围变窄等问题　　3.离子阱的小空间亦会产生空间电荷效应（SpaceChargeEffect），使离子在不是原应被激出（Eject）的电压下被激出，造成质量偏移，使得定性定量发生误判及偏差的情形。　　4.稳定度差：相同分析物在高浓度（或样品背景较脏）之样品与低浓度（背景较干净）之样品会得到不同的图谱（因为单位离子浓度过高会产生偏差）　　5.离子阱之AGC（AutomaticGainControl）的设计虽可将第二及第三的缺点稍加修饰，但却对于共滞留（无法分离）之分析物会造成非线性的校正曲线，亦会造成灵敏度会降低。　　6.使用外部离子游离（四极棒式离子阱）虽可降低某种程度的空间电荷效应及自身化学游离反应，但是仍会发生，效果较真正之四极棒质谱仪为差。　　扩散泵（DiffusionPump）与涡轮泵（Turbomolecularpump）比较　　由于MassSpectrometer的真空范围必须维持在10-12~10-6torr，高真空度能使得到图谱具有有再现性及可预期性，也使仪器具有高灵敏度及保护侦测器，所以如何维持这真空系统是GC/MS相当重要部份。　　扩散泵DiffusionPump：　　原理：利用泵浦油受热挥发上升，由喷嘴喷出再与空气分子吸附、凝结、沈降后被前段泵浦抽走。　　优点：价钱便宜　　缺点：1.抽气真空度仅能达10-6torr 　2.泵浦油气会漏进MS主体中，造成污染，使得灵敏度降低　　3.泵浦起动需等待泵浦油温度到达定值，关闭仪器也需等待泵浦油温度下降至室温，起动及关闭皆需耗时1个多小时　　4.短暂之跳电可能会造成油气倒灌入MS主体使得腔体受到严重污染，更甚者可能使侦测器损坏　　涡轮泵TurbomolecularPump：　　原理：利用叶片高速运转（60,000rpm）撞击空气分子，使其被碰撞至出口由前段泵浦抽走。　　优点：1.抽气真空度达10-9torr　　2.抽气速率快，抽气十分钟后即可开始做实验　　3.不使用泵浦油，不会有油气污染之问题　　4.具有保护装置，短暂电不会造成仪器损坏　　缺点：造价较高　　电子倍增管（ElectronMultiplier）Vs光电倍增管（Photomultiplier）　　电子倍增管（ElectronMultiplier）：　　原理：离子直接撞击电子倍增管电极Dynode，释放出一连串电子，由于倍增管内部表面为产生电子之材质，所以电子数会以倍数生成，大小由所设定之Gain而定，再侦测电流大小得到讯号　　优点：价格便宜　　缺点：1.由于离子直接撞击电子倍增管，会污染表面，所以电子倍增管之讯号会衰减，寿命仅6到18个月　　2.当电流超过10-8安培（Amp）时，电子倍增管易造成超载（overloading）与饱和（saturation）现象而降低其使用寿命。　　光电倍增管（Photomultiplier）：　　原理：离子先撞击转换电极ConversionDynode，释放出电子，电子再撞击磷片，放出光子，光子再撞击光电倍增管之电极，放出一连串电子，再侦测电流大小得到讯号　　优点：1.光电倍增管密封于玻璃内部，不会有污染的问题　　2.光电倍增管之寿命极长，可使用十年　　缺点：价钱较高

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