5分钟了解，应急监测如何选择便携GC-MS？

今年，《环境空气挥发性有机物的应急测定便携式气相色谱-质谱法》（

HJ1223-2021

）、《水质挥发性有机物的应急测定便携式顶空/气相色谱-质谱法》（

HJ 1227-2021

）两项标准正式实施，标志着便携式GC-MS成为应急检测的环境标准方法。那么问题来了，市场上好多种便携式质谱，哪种更适合便携监测呢？　　要回答这个问题，蹦到脑海里的第 一个想法是：便携GC-MS分为哪几种呢？答案so easy，便携GC-MS只有四极杆和离子阱两种类型。那么问题就变成：四极杆和离子阱便携GC-MS，哪种更适合应急监测？

　　我们先来捋一捋，应急监测的用户到底有哪些要求？　　想象下列几个场景，某地河水污染了，要最短时间内了解污染程度，测定水体污染物是什么，水体中污染物的浓度有多高？某化工厂爆炸，要赶紧到现场测定空气，判断是什么引起了爆炸，浓度是多少？奥运场馆万人即将入住，要在两天内迅速测定每个房间的污染气体浓度，如果有污染，要判断是什么污染。　　将这些场景的需求汇总，得到几项关键需求：（1）便携，背上就走。（2）定性，判断污染物到底是什么。（3）定量，判断污染程度如何。（4）要能耐受恶劣的环境。（5）要能边走边测，快速出结果。　　下面，我们逐条对比一下。以下对比均以A、B代表，不显示厂家和型号。

　　从便携性上看，四极杆和离子阱没有特别大的差别。且慢，咱们看一下这个括号（含电池）。这是什么意思呢？这是指左侧的A设计是全部内置（含电池），电池、载气、内标、调谐内置的总重量是<19kg；而B如果要正常工作，加上电池、载气、内标、调谐，重量将达到25.6 kg，重了十几斤，谁更便携，一试便知。

　　这点毋庸置疑，一定是四极杆更好。为什么？　　对于便携GC-MS来说，使用的都是EI源，每个用户都禁不住要去使用NIST质谱库，35万多张NIST的EI质谱库里，大多数收录的都是四极杆的谱图，为什么是这样？各位看官不妨去问NIST。

　　援引一段质谱专家们的解释如下：　　离子阱的定性问题：空间电荷效应是离子阱一切问题的根源。不管什么样的离子阱，不管怎么去控制阱里面的离子数量，这个效应一直存在。离子互相碰撞会产生离子反应，离子反应的结果导致：　　（1）创造出样品中不存在的离子，给定性带来大大的困扰，专业术语叫“鬼峰（ghost peak）”。　　（2）谱库检索匹配度低，质谱的定性依赖于谱库检索，所谓匹配度低，是指离子阱的谱图和标准谱库中的谱图相似性低，比较难确定被测物到底是不是谱库中那个东西。举个例子，现在人脸识别的准确度很高，但是如果拍出来的照片是糊的或者五官变形的，当然就识别不出来或者会张冠李戴。谱库检索匹配度低的原因：存在鬼峰、碎片离子强度比例畸变等。　　（3）定性结果不稳定，据用户反映，离子阱气质联用如果进样量不同，或者样品的前处理方法不同（如用不同的溶剂萃取），出来的碎片谱图可能会不一样。　　下面，我们看个实例。　　在定性测试中，我们使用定性难度较低的N2配置不同浓度的苯系物标气测试。

600 ppb甲苯，便携四极杆和离子阱质谱图与NIST库谱图对比　　在甲苯浓度为600ppb的检测样本中，四极杆质谱的匹配结果与NIST标准谱图基本一致，在m/z=91出现了特征峰，匹配出的甲苯结果排序第1。但是离子阱的质谱图出现了m/z=105的不相关峰，在NIST谱库匹配时排序是第4位。　　同样，乙苯等化合物也有类似的情况。　　虽然，用自建谱库也能比对，但若遇到的化合物没在自己的数据库里，离子阱就束手无策；毕竟，真实世界的化合物种类太多了。使用EI源的GC-MS，如果NIST匹配度不高，将失去一个最 大的定性利器。　　理论上说，定性不佳源于离子阱的空间电荷效应。从实际测试上，如果仪器本身能做到质量调谐更严格，也许可以弥补这个缺点。我们知道，调谐物质在EI源裂解后，会形成一段质量标尺，如果把标尺的每一段都校准精 准，那么真实化合物的质量一定会比较精 准。下面我们来继续对比四极杆和离子阱的调谐情况。

　　调谐是开展一切质谱检测的前提。通过调节离子源、质量分析器、检测器的参数，获得合适的分辨率、灵敏度、准确度与离子丰度，确认仪器状态正常，使仪器达到最 佳状态。　　调谐的内容主要包括：（1）质量轴校正，以质量增益与补偿调整；（2）分辨率，以 DC/RF比调整；（3）灵敏度，以倍增器电压调整；（4）离子丰度比，以透镜电压调整。　　本文开头提到的HJ 1223—2021和HJ 1227—2021，对调谐的要求是：若调谐物质为 1,3,5-三（三氟甲基）苯与溴五氟苯，则关键离子丰度应满足表 1 的要求；若调谐物质为全氟三丁胺，则关键离子丰度应满足表 2 的要求。

HJ 1223-2021和HJ 1227-2021的调谐要求

便携四极杆质谱调谐结果　　从便携四极杆质谱的调谐结果来看，使用的是表1的化合物，对10个质量数进行调谐，调谐了峰形、质量峰宽、峰的个数、质量分布、相对丰度、基峰、真空度、增益、EM电压共9个参数。为了用户方便使用，可以进行全自动调谐。

便携离子阱质谱调谐结果　　从某便携离子阱质谱的调谐结果来看，使用的是表2的化合物（全氟三丁胺PFTBA），但只调谐了3个质量数，缺失了对m/z=100的调谐，未达到标准规定的要求。调谐的参数中，也少了真空度、增益和EM电压。　　对比可知，便携四极杆采用了10个质量数进行调谐，调谐质量数多，调谐参数多；而便携离子阱仅调谐了3个质量数，未达到标准规定的要求，调谐参数少。到底哪个更准确，不言自明。

　　对于四极杆GC-MS来说，定量都用峰面积积分或峰高定量，有两种方式，用SIM（选择离子）或全扫描后用提取离子色谱（XIC）定量。　　我们就以HJ 1223和HJ 1227中提到的第二种方式：全扫描后，提取离子峰面积定量来对比。　　便携四极杆对特征的提取离子色谱图进行积分，再根据峰面积来定量。默认使用内标法进行检测。内标法定量准确，操作条件不必严格控制，对于没有标准物质的化合物可以快速半定量。

便携四极杆用提取离子的峰面积定量　　而便携离子阱默认使用TIC（总离子流色谱图）峰面积定量，这波操作实在是看不懂啊。如果在同一时间，流出了几种不同的离子，结果就一同给积分定量了。我们只好倒推一下设计者的意图：难道是想让定量的结果偏高，从而显示灵敏度比较高？但给用户带来的，却只有一条坏处：定量不准确。

便携离子阱用TIC的峰面积定量，不区分共流出物　　上图可知，用便携离子阱TIC定量，肉眼可见：明显不是单一峰，却直接积分成一个峰。　　因此，从定量上比较，人们希望的是准确，而不是将张三、李四、王五都抓到一起说：他们都叫张三。便携四极杆坚持的是准确，而便携离子阱的定量，目前如图的方法，一定是不准确的。其实，离子阱有自己最擅长的定量方法即全扫描MS/MS，但显然，目前市场上的离子阱便携GC-MS，没有MS/MS功能。

　　便携质谱常应用于应急现场，这意味着一般在测定现场污染情况时也在消防救火，便携质谱不可能躲着水监测，所以防水是必要条件。　　因此，选购便携式质谱，考察对恶劣环境的耐受度，咱们只要问工程师一句：你家的便携质谱，防水么？　　为啥这么说？一旦考虑了防水，密闭性、耐用性等问题一定已经考虑过了。　　GB 4208中IP55防护等级要求中，对“防喷水”的要求是：向外壳各个方向喷水无有害影响。而对便携质谱本身的一项技术要求是：仪器外壳或外罩应耐腐蚀、密封性良好、防雨、防尘，至少达到GB 4208中IP55防护等级要求。

　　这个边走边测、快速出结果，是超出标准的更高要求，同四极杆和离子阱也没有什么必然关联，只是仪器设计得是否更好。下面我们分别看看便携质谱的这两项“加分项”。　　“边走边测”的一个核心要素是：使用NEG泵。NEG 泵的移动性能好；而分子涡轮泵移动性能较差，对振动、 突然断电敏感。　　两者的差别是原理造成的。非蒸发型吸附(NEG)泵是吸附原理，利用材料的化学活性，进行表面吸附或者继续引起内部扩散而实现排气的泵，不受移动的影响。分子涡轮泵是高速转动原理，利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。分子涡轮泵为大家熟知，因为实验室里用质谱都用它，但到移动环境中，大家想想原理就明白，高速转动的轴承会倾斜，部件很容易损坏。因此，安装分子涡轮泵的便携质谱，其实都无法实现“边走边测”，只能是静止，把质谱放在相对平稳的地方然后测试。　　从用户的需求出发，当然希望便携质谱最 好能在移动时还能继续测试，就像我们在运动中也想进行摄影一样，用NEG泵是“加分项”，可以真正实现“边走边测”。　　咱们再说说另一个“加分项”——快速响应。众所周知，实现气相色谱分离至少得几分钟，所以要想达到秒级响应，自然希望样品能够不经过气相色谱，直接进入质谱测试。这种秒级响应的工作方式叫做：快速筛查测试，有的仪器方法叫做Survey模式。　　快速筛查测试的判断标准是：是秒级响应还是分钟级响应，而原理的差别是：秒级响应不经过气相色谱，由质谱直接进样产生结果；分钟级响应是经过气相色谱。

　　今年冬奥会时，负责检测的某单位，要在几天内测量所有场馆10000多房间是否符合空气质量要求。她们请多家企业来现场进行盲样测试，最 后由于四极杆便携GC-MS的速度又快，结果又准，用户在测试后，选择了四极杆便携GC-MS的方案。

　　综上所述，如果您想购买便携GC-MS，应主要考虑5点。而市场上已有的产品主要是四极杆便携质谱，代表为A，和离子阱便携质谱，代表B。它们的区别如下：

　　最 后，小编要说明一下，虽然从上文比较来看，根据市场上现有产品的对比情况来看，我们可以得出四极杆便携GC-MS技术更成熟，离子阱便携GC-MS还有不足的结论。　　但并不是说，离子阱不如四极杆，因为原理各有千秋。我们需要的是：研发制造者充分发挥所用原理的特性，造出一台好仪器。　　大家一定知道，对于定性，离子阱虽然匹配NIST库不擅长，但可以作多级MSn，对于定性非常有帮助，使用过离子阱液质的朋友们一定已经体验过MSn的功能。可惜的是，目前市场上的离子阱便携GC-MS，均没有MS/MS的二级质谱功能，更没有MSn的功能。　　从定量来说，离子阱质谱最 好的定量模式是全扫描的MS/MS定量，但可惜目前便携GC-MS也没实现。没有实现MS/MS和MSn的离子阱，其实还没有真正掌握离子阱“时间串联，人定胜天”的精髓。　　至于密闭防水，使用NEG泵实现边走边测，开发出直接进样模式，经过研发人员的努力，在离子阱便携GC-MS上其实也可以做到。　　因此，希望市场上现有的离子阱GC-MS研发企业，可以继续开发，发挥离子阱的更大价值。　　至于四极杆GC-MS，定性可用NIST，定量是最可靠的选择，只是不太容易实现便携。这里就顺便致敬一下那家著名企业的匠心之作吧，用四极杆质谱实现了真正的便携，让大家背起它出门，到各种应急的未知环境中，去破解各种未知污染的难题。听说，这家企业正在实现国产化，预祝更多的核心部件能够实现中国产、中国用，植根中国，惠及全 球。