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正確使用氣相色譜質譜聯用儀
閱讀：10725 發布時間：2012-11-9
近年來,隨著食品中農藥殘留檢測技術的發展,氣相色譜質譜聯用儀被廣泛使用,大多數使用者都能夠熟練操作儀器,但對于使用中應特別注意的一些問題、儀器的日常維護及如何進行期間核查,國內外尚缺乏文章進行詳細系統的介紹。而分析數據的準確可靠,儀器狀態是一個非常重要的影響因素,正確的使用及維護保養不僅可以確保儀器的良好狀態,還可以延長儀器和易耗件的使用壽命。本文作者根據多年儀器操作經驗,以Finnigan trace GC Ultra、trace DSQ四極桿氣相色譜質譜聯用儀為例,從載氣系統、質譜真空系統、進樣系統、色譜柱使用、質譜系統的維護、儀器的期間核查等方面進行了較為詳盡的闡述。
1 載氣系統
1·1 載氣體的使用
氣體純度必須達到99·999%,并使用鋼瓶灌裝,載氣純度不夠,或剩余的載氣量不夠時,會造成m /z28譜線豐度過大,根據所用載氣質量,當氣瓶的壓力降低到幾個MPa時,應更換載氣,以防止瓶底殘余物對氣路的污染。
1·2 載氣凈化
一般載氣進入色譜前都需經過凈化,除去載氣中的殘留烴類化合物、氧、水等雜質,以提高載氣的純度,延長色譜柱使用壽命,減少色譜柱固定相流失,而且很大程度地降低背景噪音,使基線更加穩定。建議安裝一個高容量脫氧管和載氣凈化器或使用復合型載氣凈化管。凈化裝置應及時更換,脫氧管使用時間過長,吸附的氧氣會隨著載氣進人儀器,導致m /z32的譜線豐度過大。市售的脫氧管通常會用氮氣進行飽和,安裝時,必須用氦氣將脫氧管內和管線里的氮氣吹掃干凈,再接至儀器上。
2 質譜真空泄漏的確認及檢漏
2·1 確認泄漏
質譜真空是否出現空氣泄漏,可從壓力和空氣/水的背景圖譜進行判斷。如果儀器達到穩定狀態,一般情況下當柱流速為1 ml/min時,前極壓力（ fore pressure）應小于50mTorr,離子規壓力（ ion gauge pressure）小于7e-5Torr,如果壓力過大,則可能有泄漏;m /z18, 28, 32和44是空氣/水的特征峰,空氣/水的背景圖譜正常情況下如圖1;如果如圖2,m /z28的峰遠高于m /z18峰,且與m /z32峰的比例符合空氣中氮氣和氧氣的比例,則可以判斷有小漏;如果如圖3,m /z28, 32兩峰異常高,總離子流強度超過10的8次方,則漏氣嚴重,此時要立即關掉燈絲,否則會造成燈絲斷掉。
2·2 檢漏
2·2·1 鋼瓶及氣體管線的檢漏 以Snoop測漏液檢查每個管線接點,特別注意鋼瓶頭部份。每換一次氣體鋼瓶,必須以Snoop測漏液全面檢查鋼瓶及進氣口接點,確保鋼瓶與進氣管線沒有漏氣。將鋼瓶打開,調整至一定壓力,關閉氣相色譜儀進樣口的壓力,關閉氣瓶的總閥,開啟分壓閥,若有漏氣,一段時間后分壓表的壓力會有明顯的下降。定時察看壓力表（每小時）和壓力降低情況,可由此查知氣體主管線是否漏氣。
2·2·2 GC部分的檢查 GC部分的空氣泄漏通常會發生在內部的載氣管接頭、隔墊定位螺母、柱螺母等位置。可用適量的丙酮涂抹上述位置,每次一個位置,先后順序依照離MS部分由近及遠的原則。在適當的時間后,觀察背景圖譜中的峰圖,若m /z58和m /z43處出現一個陡峭的、顯著的攀升,說明在剛剛涂抹丙酮的位置存在空氣泄漏。
2·2·3 MS部分的檢查 可以使用下述方法確定泄漏是在GC中還是MSD中:先觀察空氣/水的背景圖譜,然后將氣質聯用儀所有加熱區冷卻后,取下色譜柱與GC進樣口連接的一端,用一個廢隔墊堵住色譜柱端口,等待15~20 min,再一次觀察空氣/水的背景圖譜,如果二者基本相同,則泄漏存在于MSD中或GC/MSD傳輸線末端的色譜柱螺帽處;如果結果顯著不同,泄漏存在于GC部分。在MSD中查找空氣泄漏的方法與GC部分類似,在可能發生泄漏的位置涂抹丙酮,每次一個位置,總是從zui近被打開過的密封裝置開始,這是zui有可能發生空氣泄漏的地方。在涂抹完一個位置后,觀察背景圖譜中的峰圖變化加以判斷。MSD部分空氣泄漏比較容易出現在傳輸線末端的色譜柱螺帽處,此處由于柱箱溫度反復變化,有可能會造成松動;另一方面,在裝毛細管柱時,螺帽不可以擰得太緊,否則容易把石墨圈壓碎,造成漏氣,一般情況下用手擰緊,再用扳手擰四分之一圈即可。
3 進樣系統
3·1 進樣隔墊
3·1·1 應使用高品質低流失及耐高溫的進樣隔墊 更換進樣隔墊時先將柱溫降至50℃以下,關掉進樣口溫度和流量（Finnigan trace GC Ultra氣相色譜儀具備漏氣保護功能,如果流量不關閉,當旋開進樣口螺帽時,大量載氣漏失,氣相色譜的所有加溫部分會自動關閉,需重新開機才能開啟）。隔墊更換時,注意進樣口螺帽不要擰得太緊,否則隔墊被壓緊,橡膠失去彈性,針扎下去會造成打孔效應,縮短進樣墊使用壽命。zui后做漏氣檢測“leak check”,如果螺帽旋至合適,儀器會顯示:“leak check passed”。
3·1·2 進樣隔墊應視情況及時更換 微量漏氣不易查覺,一般來說微漏可造成目標分析物出峰提前,因為爐溫較高時空氣中的氧氣會氧化色譜柱固定液,使固定液流失加大,降低柱效,但要通過長時間比較才能發現;相對的大量漏氣則會造成保留時間的延長。一般自動進樣約100針后即應更換進樣墊,手動進樣還要少一些,視進樣技術而定。
3·2 襯管及石英棉
3·2·1 襯管應視進樣口類型、樣品的進樣量、進樣模式（splitor splitless）、溶劑種類等因素來選用。尤其是分流不分流襯管,注意不要混用,安裝時上下不要裝反。
3·2·2 襯管的潔凈度直接影響到儀器的檢測限,應注意對襯管進行檢查,更換下來的襯管如果不太臟可以用無水甲醇或丙酮超聲清洗,取出烘干后繼續使用;太臟則需先用清潔劑再用溶劑清洗,然后對襯管進行硅烷化處理后再度使用。
3·2·3 應使用硅烷化處理過的石英棉,這種石英棉一般較未處理過的細而脆,未處理過的石英棉對分析物特別是極性化合物吸附嚴重,需進高濃度的目標物達吸附飽和后才可分析樣品。使用過的石英棉應丟棄,不能重復使用。
4 色譜柱
4·1 色譜柱的選擇與老化
4·1·1 色譜柱的選擇一般從固定液的類型、長度、口徑和膜厚4個方面考慮,毛細管色譜柱的固定液分非極性、弱極性、中等極性和強極性,色譜柱固定液的極性越高,其溫度使用上限越低,隨柱溫的升高固定液流失程度也越大,選擇固定液的原則一般是能用極性低的則盡量不選用極性高的;柱長則能用短柱解決的就不用長柱;小口徑色譜柱較大口徑有較好的分離度,峰形與靈敏度也都好,但口徑小了柱容量也小,應視分析要求而定;固定液膜較厚的可以承受較大的進樣量,分離同分異構體,比薄膜者有較好的分離度,但柱流失也較嚴重,其實際操作的zui高溫度也較薄膜者低。
4·1·2 新購毛細管商品柱（如DB系列的毛細管柱）一般出廠前已老化好,所以使用前一般不需要長時間老化,新柱老化一般不接質譜或其它檢測器,設定一個程序升溫程序走二至三次就能滿足分析需要,其中程序升溫程序的起始溫度要低,一般設為50℃,zui高溫度可選擇低于柱使用溫度上限30℃或在平時使用的zui高溫度,升溫速率要慢,一般設為5℃/min。舊柱老化時可接質譜或其它檢測器,程序升溫的zui高溫度可比平時使用的zui高溫度高一些,但不能超過柱允許使用的溫度上限。
4·2 色譜柱的使用與保存
4·2·1 色譜柱使用時應注意說明書中標明的zui低和zui高溫度,不能超過色譜柱的溫度上限使用,否則會造成固定液流失,還可造成對檢測器的污染。要設定zui高允許使用溫度,如遇人為或不明原因的突然升溫,GC會自動停止升溫以保護色譜柱。氧氣、無機酸堿和礦物酸都會對色譜柱固定液造成損傷,應杜絕這幾類物質進入色譜柱。
4·2·2 色譜柱拆下后通常將色譜柱的兩端插在不用的進樣墊上,如果只是暫時拆下數日則可放于干燥器中。
4·3 色譜柱的安裝
色譜柱的安裝應按照說明書操作,切割時應用的陶瓷切片,切割面要平整。不同規格的毛細管柱選用不同大小的石墨墊圈,注意接進樣口一端和接質譜一端所用的石墨墊圈是不同的,不要混用。進入進樣口一端的毛細管長度要根據所使用的襯管而定,儀器公司提供了專門的比對工具,同樣,進入質譜一端的毛細管長度也需要用儀器公司提供的專門工具比對。柱接頭螺帽不要上得太緊,太緊了壓碎石墨圈反而容易造成漏氣,一般用手擰緊后再用扳手緊四分之一圈即可。接質譜前先開機讓柱末端插入盛有有機溶劑的小燒杯,看是否有氣泡溢出且流速與設定值相當。嚴禁無載氣通過時高溫烘烤色譜柱,以免造成固定液被氧化流失而損壞色譜柱。
5 質譜的維護
5·1 開機和關機
開機時先開GC,后開質譜,設定合適的離子源溫度和傳輸線溫度,不要忘記打開真空補償,否則真空難以達到50mTorr以下。關機前關閉傳輸線溫度,離子源溫度需降至175℃以下,等待分子渦輪泵轉速降下來后,儀器會提示“OKto turn off power”,此時方可關閉電源。
5·2 實驗前需先確定
（1）離子源是否到達溫度,一般推薦使用250℃; （2）當柱流速為1 ml/min時,前極壓力正常在30到50mTorr之間; （3）打開燈絲看空氣/水的背景,確認真空沒有泄漏。
5·3 質譜有關參數的設置
在靈敏度能夠滿足要求的前提下,發射電流一般為100 uA,檢測器增益為1,如果是痕量分析,需要提高靈敏度,可將發射電流設為200到300 uA,增益設為2或3,數值越高,靈敏度越高,但相關部件的使用壽命將降低。掃描范圍根據目標化合物性質而定,能覆蓋碎片范圍即可,沒必要設得太寬,否則也會犧牲靈敏度,采樣速率一般設每秒3到5張譜圖。起始時間的設置考慮*個目標峰的保留時間和溶劑延遲,既不要丟失化合物,又要躲過溶劑。
5·4 診斷與調諧
質譜一般都有診斷功能,如果儀器靈敏度急劇下降或譜圖出現明顯異常,則應該進行診斷,幫助查找原因,注意做全診斷時必須保證前極壓力在50mTorr以下。如果儀器正常,每一項測試都應該通過（PASSED）,如果哪一項測試未能通過,可點擊查看詳細信息,并保存頁面,以方便與儀器公司的維修工程師,進行維修。在做質譜的調諧之前,先將MASS的范圍調至50~650,打開燈絲、校正氣,觀察m /z100的特征峰,看其周圍是否干凈,如果有干擾離子,則升高柱溫、進樣口溫度,先將雜質趕出,確保m /z100的周圍干凈,方可進行調諧。調諧過程中,若增益部分的校正不能通過,m /z502的特征峰找不到,或電子倍增管的電壓增加太多,接近100伏,則很有可能是離子盒、透鏡或預桿太臟,需要清洗。
5·5 離子源和預桿的清洗
清洗前先準備好相關的工具及試劑,然后打開機箱,小心地拔開與離子源連接的電纜,擰松螺絲,取下離子源。取預桿之前先取下主四極桿,豎放在無塵紙上,再取下預桿待洗。注意整個操作過程一要小心謹慎,二要避免灰塵進入腔體。將離子源各組件分離,在離子源的所有組件中,燈絲、線路板和黑色陶瓷圈是不能清洗的。而離子盒及其支架、三個透鏡、不銹鋼加熱塊以及預桿需要用氧化鋁擦洗,將600目的氧化鋁粉用甘油或去離子水調成糊狀,用棉簽蘸著擦洗,重點擦洗上述組件的內表面,即離子的通道。氧化鋁擦洗完畢后,用水沖凈,然后分別用去離子水、甲醇、丙酮浸泡,超聲清洗,待干后組合好離子源,先安裝好預桿、四極桿,zui后小心裝回離子源,蓋好機箱,清洗完畢。
6 儀器中間狀態檢查及進樣操作時的注意事項
6·1 儀器中間狀態檢查
儀器狀態直接影響到分析物的檢測限、定性與定量,除了按照規定的周期進行計量檢定外,還應該定期進行期間核查,根據儀器使用情況可每季度或每月核查一次。氣質聯用儀期間核查的內容可包括:儀器檢測限（靈敏度）、分析物保留時間的重復性（穩定性）、數據的精密度、線性范圍等幾個方面。可通過系列濃度的有證標準物質溶液重復進樣進行驗證,質譜部分還可通過觀察校正氣FC43的特征離子是否正常確認儀器是否需要校正。通過核查證明儀器狀態良好時才能進行樣品分析。
6·2 進樣操作時的注意事項
氣相用定容試劑一般分子量小,易揮發,所以在整個進樣過程中,為充分保證分析結果的準確可靠,應盡可能避免溶劑揮發,確保被分析的樣品溶液濃度不變。一要保證室溫盡可能恒定,使標準品溶液系列和樣品溶液系列在同樣的條件下被分析測定;二是自動進樣時,所用小瓶蓋墊一次性使用,用過的瓶蓋墊易造成定容試劑的揮發而使待測物濃度升高,且待測物濃度越高的樣品誤差也越大。
如何正確選擇氣相色譜質譜聯用儀
一、決定質譜儀之種類
目前桌上型質譜儀主要分為二種：四極棒質譜儀及離子阱。四極棒質譜儀之原理為分子在離子源被離子化后，產生斷裂片后由推送電極推送，再經由加速電壓加速后通過四極棒，到達偵測器。帶電粒子經由四極棒所產生直流電壓（DC）及射頻（RF）所產生之電場中穩定變化，而過濾掉不同的荷質比（m/z）以達到分析不同分子的作用到達偵測器。離子阱之原理為離子在環電極及二個端蓋電極所產生的電場被困于離子阱之小空間中，經過射頻的掃描，使得離子不穩定而被激出（Eject）。其離子穿透率與四極柱不同，所以同一分析物圖譜之離子相對比例在四極棒及離子阱所得到的并不相同。
在一般長鏈純碳氫化合物分析中，由于結構多相似，僅差別數個碳數而已，所以在質譜分析圖中所呈現的斷裂離子皆相近，所以此時離子之間之相對比例及分子離子（具分子量信息之離子）即為判定其成份之*依據。但由于離子阱本身的原理會造成離子相對比例與典型質譜不同，使得在鑒定時出現誤判。更由于當離子在離子阱的小空間之密度變大時容易產生離子-分子反應（自身CI反應），使得原本為M+的離子經由碰撞后變成（M+1）+，造成在定性時產生誤判（將分子量由M誤認為M+1），定量時出現偏差（質量偏移）及動態范圍變窄等問題。特別是對于分子量不大的溶劑及不純物之分析（主要成份遠大于不純物時）特別不利。目前雖然市場上已出現改良之四極棒式離子阱，仿照四極棒質譜儀將離子源獨立于離子阱外，但是受限于先天的設計，僅能將原本誤判之程度稍做改善，無法*消除M+1之現象。
離子阱之特別功能為質譜-質譜（MS/MS），其作用為選取*次分析時之斷裂之質量進行第二次碰撞，藉由所產生之斷裂片，由”人為“去判定其斷裂機制，推衍出其結構，多使用于LC/MS（液相層析質譜儀）上，因其圖庫并不周全，且分析物較不易產生斷裂離子，所以不得不藉由此法來輔助判定，一般在使用GC/MS時較少使用此法分析，因目前圖庫已建立相當完備，且GC所分析的樣品大都容易產生斷裂離子，已可提供相當之結構信息，故不須再使用MS/MS此項耗工又耗時之功能。
相對地，四極棒質譜儀則因為其穩定度高，動態線性范圍廣及產生之圖譜皆為典型圖譜所以是目前市場上zui普遍使用之桌上型氣相層析質譜儀之種類。
在質譜儀分析中有二種收集斷裂片數據之方式：全掃描及選擇離子監測，全掃描是偵測所有斷裂片，具有可執行圖庫搜尋之能力;而選擇離子監測是在分析已知物時，僅選取已知物的數個斷裂片收集其訊號強度，由于掃描的次數增加，所以靈敏度增加，但卻因失去其它斷裂片之訊號，所以也失去了可執行圖庫搜尋之能力，所以只能用在分析已知物的定量上。目前一般的GC/MS一次只能執行一種模式，不能同時執行二種模式，只有PerkinElmer 具有同時執行兩種模式之功能，在增加感度時又能保有其圖庫搜尋之功能。
二、高真空泵浦之選擇
在GC/MS的分析中，真空是*之要素，它決定了分析之再現性與可預期性，也使得儀器具有高靈敏度及保護偵測器，所以高真空泵浦之選擇就相當的重要。目前zui常見就是擴散泵浦及渦輪泵浦二種，根據其擴散泵浦原理，擴散泵浦會有油氣污染之問題（因為必須加油使其運作），且于開機關機時必須耗時等待，所以要有高靈敏度及快速分析的數據就必須要選擇渦輪泵浦。
三、偵測器之選擇
由于光電倍增管之耐污染（密封性）及壽命長（十年），相較于電子倍增管僅二年之壽命與衰減性，所以偵測器選擇使用光電倍增管。可免除訊號衰減所造成的不穩定及日后維護的費用。
四極棒質譜儀（Quadrupole）與離子阱質譜儀（Ion Trap）比較
四極棒質譜儀 （Quadrupole）：
原理：分子在離子源被離子化后，由推送電極推送，再經由加速電壓加速后通過四極棒，到達偵測器。帶電粒子經由四極棒所產生直流電壓（DC）及射頻（RF）所產生之電場中穩定變化，而過濾掉不同的荷質比（m/z）以達到分析不同分子的作用到達偵測器。
優點：1.目前所有商業化之圖庫大部份皆使用四極棒式質譜儀制作，所以四極棒所產生之圖譜皆為典型圖譜，比對結果準確度高
2.穩定性高，不同濃度及不同時間所得到之圖譜皆相同
3.在真空度及四極棒原理設計改進后，靈敏度非常高
4.動態線性范圍廣，可定量到*濃度之樣品
缺點：無MS/MS功能
離子阱質譜儀 （Ion Trap）：
原理：離子在環電極及二個端蓋電極所產生的電場被困于離子阱之小空間中，經過射頻的掃瞄，使得離子不穩定而被激出（Eject）。其離子穿透率與四極柱不同，所以同一分析物圖譜之離子相對比例在四極柱及離子阱所得到的并不相同。離子阱曾經具有高靈敏度之優點，但是隨著四極柱技術的改進，目前已不再是其優勢。
優點：具有MS/MS功能（但僅特殊實驗需要此項功能）
缺點：1.因為原理不同，所以無法得到典型的圖譜
2.離子在小空間中容易產生Ion-MolecularReaction（Self-CI自身化學游離反應），使得原本為M+的離子經由碰撞后變成（M+1）+，造成在定性時產生誤判、定量出現偏差及動態范圍變窄等問題
3.離子阱的小空間亦會產生空間電荷效應（Space ChargeEffect），使離子在不是原應被激出（Eject）的電壓下被激出，造成質量偏移，使得定性定量發生誤判及偏差的情形。
4.穩定度差：相同分析物在高濃度（或樣品背景較臟）之樣品與低濃度（背景較干凈）之樣品會得到不同的圖譜（因為單位離子濃度過高會產生偏差）
5.離子阱之AGC（Automatic GainControl）的設計雖可將第二及第三的缺點稍加修飾，但卻對于共滯留（無法分離）之分析物會造成非線性的校正曲線，亦會造成靈敏度會降低。
6.使用外部離子游離（四極棒式離子阱）雖可降低某種程度的空間電荷效應及自身化學游離反應，但是仍會發生，效果較真正之四極棒質譜儀為差。
擴散泵（Diffusion Pump）與渦輪泵（Turbomolecular pump）比較
由于Mass Spectrometer的真空范圍必須維持在10-12~10-6torr，高真空度能使得到圖譜具有有再現性及可預期性，也使儀器具有高靈敏度及保護偵測器，所以如何維持這真空系統是GC/MS相當重要部份。
擴散泵Diffusion Pump：
原理：利用泵浦油受熱揮發上升，由噴嘴噴出再與空氣分子吸附、凝結、沈降后被前段泵浦抽走。
優點：價錢便宜
缺點：1.抽氣真空度僅能達10-6 torr
2.泵浦油氣會漏進MS主體中，造成污染，使得靈敏度降低
3.泵浦起動需等待泵浦油溫度到達定值，關閉儀器也需等待泵浦油溫度下降至室溫，起動及關閉皆需耗時1個多小時
4.短暫之跳電可能會造成油氣倒灌入MS主體使得腔體受到嚴重污染，更甚者可能使偵測器損壞
渦輪泵Turbomolecular Pump：
原理：利用葉片高速運轉（60,000rpm）撞擊空氣分子，使其被碰撞至出口由前段泵浦抽走。
優點：1.抽氣真空度達10-9 torr
2.抽氣速率快，抽氣十分鐘后即可開始做實驗
3.不使用泵浦油，不會有油氣污染之問題
4.具有保護裝置，短暫電不會造成儀器損壞
缺點：造價較高
電子倍增管（Electron Multiplier） Vs光電倍增管（Photomultiplier）
電子倍增管 （Electron Multiplier）：
原理：離子直接撞擊電子倍增管電極Dynode，釋放出一連串電子，由于倍增管內部表面為產生電子之材質，所以電子數會以倍數生成，大小由所設定之Gain而定，再偵測電流大小得到訊號
優點：價格便宜
缺點：1. 由于離子直接撞擊電子倍增管，會污染表面，所以電子倍增管之訊號會衰減，壽命僅6到18個月
2.當電流超過10-8安培（Amp）時，電子倍增管易造成超載（overloading）與飽和（saturation）現象而降低其使用壽命。
光電倍增管 （Photomultiplier）：
原理：離子先撞擊轉換電極ConversionDynode，釋放出電子，電子再撞擊磷片，放出光子，光子再撞擊光電倍增管之電極，放出一連串電子，再偵測電流大小得到訊號
優點：1. 光電倍增管密封于玻璃內部，不會有污染的問題
2. 光電倍增管之壽命極長，可使用十年
缺點：價錢較高