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气质联用仪测试的用途及仪器保养知识

来源：时间：2022-12-06 09:55:16 浏览：1128次

1.引言

在对物质进行分析测试时，有时仅依靠单一的测试技术，不能获得很好的测试结果，研究者往往会将两种或两种以上的测试方法结合起来，以期达到理想的测试结果，像这种将两种或两种以上方法结合起来的技术称之为联用技术。

气相色谱法是一种以气体作为流动相的色谱柱分离分析方法，作为一种分离和分析化学物的有效方法，特别适用于定量分析，但对于复杂样品中混合物测定，只采用保留时间很难得出准确可靠的定性结果。

质谱法是通过测量物质的质荷比，其基本原理是试样中各组分置于高真空的离子源中发生电离，经质量分析器分析，获得质谱图，从而进行复杂化合物的结构分析定性。

鉴于气相色谱法与质谱法各自具有的测试特点，将两者有效地结合起来，必将为化学家及生物化学家提供一个进行复杂有机化合物高效的定性、定量分析工具。因此，将气相色谱仪和质谱仪联合起来使用的仪器叫做气质联用仪，如图1所示。该仪器被广泛应用于复杂组分的分离与鉴定，其具有气相色谱的高分辨率和质谱的高灵敏度，是生物样品中药物与代谢物定性定量的有效工具。

2.气质联用仪简介

2.1 气质联用仪的来源

气质联用仪全称为气相色谱质谱联用仪，于1957年首次由霍姆斯和莫雷尔实现应用，目前已广泛地应用于化学、环境、生命科学、包装印刷等各个领域，分析过程涉及到物理、化学、生物等综合性知识。

2.2 气质联用仪的工作原理

气质联用仪的工作原理如下：

混合物样品经色谱柱分离后进入质谱仪离子源，在离子源被电离成离子，离子经质量分析器、检测器之后即成为质谱信号并输入计算机。样品由色谱柱不断地流入离子源，离子由离子源不断进入分析器并不断得到质谱，只要设定好分析器扫描的质量范围和扫描时间，计算机就可以采集到一个个质谱。计算机可以自动将每个质谱的所有离子强度相加，显示出总离子强度，总离子强度随时间变化的曲线就是总离子色谱图，总离子色谱图的形状和普通的色谱图是相一致的，可以认为是用质谱作为检测器得到的色谱图。

2.3 气质联用仪的结构

气质联用仪主要由以下部分组成：色谱部分、气质接口、质谱仪部分（离子源、质量分析器、检测器）和数据处理系统。该仪器简图如图2所示。

一、色谱部分

色谱部分和一般的色谱仪基本相同，包括柱箱、气化室和载气系统。除特殊需要，多数不再装检测器，而是将质谱作为检测器。此外，在色谱部分还带有分流/不分流进样系统，程序升温系统，压力、流量自动控制系统等。色谱部分的主要作用是分离，混合物样品在合适的色谱条件下被分离成单个组分，然后进入质谱仪进行鉴定。色谱仪是在常压下工作，而质谱仪需要高真空。因此，如果色谱仪使用填充柱，必须经过一种接口装置-分子分离器，将色谱载气去除，使样品气进入质谱仪。如果色谱仪使用毛细管柱，因为毛细管中载气流量比填充柱小得多，不会破坏质谱仪真空，可以将毛细管直接插入质谱仪离子源。

二、气质接口

气质接口是气相质谱到质谱的连接部件。最常见的连接方式是直接连接法，毛细管色谱柱直接导入质谱仪，使用石墨垫圈密封（85%Vespel+15%石墨），接口必须加热，防止分离的组分冷凝，接口温度设置一般为气相色谱程序升温最高值。

三、质谱仪部分

质谱仪既是一种通用型的检测器，又是有选择性的检测器。它是在离子源部分将样品分子电离，形成离子和碎片离子，再通过质量分析器按照质荷比的不同进行分离，最后在检测器部分产生信号，并放大、记录得到质谱图。质谱仪的基本部件有 :离子源、滤质器、检测器三部分组成，它们被安放在真空总管道内。

1、离子源：离子源的作用是接受样品产生离子，常用的离子化方式有:

（1）电子轰击离子化（electron impact ionization，EI）：EI是最常用的一种离子源，有机分子被一束电子流（能量一般为70 eV）轰击，失去一个外层电子，形成带正电荷的分子离子（M+），M+进一步碎裂成各种碎片离子、中性离子或游离基，在电场作用下，正离子被加速、聚焦、进入质量分析器分析。

电子轰击离子化的特点：

a）结构简单，操作方便；

b）图谱具有特征性，化合物分子碎裂大，能提供较多信息，对化合物的鉴别和结构解析十分有利；

c）所得分子离子峰不强，有时不能识别；

d）本法不适合于高分子量和热不稳定的化合物。

（2）化学离子化（chemical ionization，CI）：将反应气（甲烷、异丁烷、氨气等）与样品按一定比例混合，然后进行电子轰击，甲烷分子先被电离，形成一次、二次离子，这些离子再与样品分子发生反应，形成比样品分子大一个质量数的（M+1）离子，或称为准分子离子。准分子离子也可能失去一个H2，形成（M-1）离子。

化学离子化的特点：

a）不会发生像EI中那么强的能量交换，较少发生化学键断裂，谱形简单；

b）分子离子峰弱，但（M+1）峰强，这提供了分子量信息；

（3）场致离子化（fieldionization，FI）：适用于易变分子的离子化，如碳水化合物、氨基酸、多肽、抗生素、苯丙胺类等，能产生较强的分子离子峰和准分子离子峰。

（4）场解吸离子化（field desorption ionization，FD）：用于极性大、难气化、对热不稳定的化合物。

（5）负离子化学离子化（negative ion chemical ionization，NICI）：是在正离子质谱的基础上发展起来的一种离子化方法，其给出特征的负离子峰，具有很高的灵敏度（10～15 g）。

2、质量分析：其作用是将电离室中生成的离子按质荷比（m/z）大小分开，进行质谱检测。常见质量分析器有:

（1）四极质量分析器：其原理为由四根平行圆柱形电极组成，电极分为两组，分别加上直流电压和一定频率的交流电压。样品离子沿电极间轴向进入电场后，在极性相反的电极间振荡，只有质荷比在某个范围的离子才能通过四极杆，到达检测器，其余离子因振幅过大与电极碰撞，放电中和后被抽走。因此，改变电压或频率，可使不同质荷比的离子依次到达检测器，被分离检测。

（2）扇形质量分析器：磁式扇形质量分析器被电场加速的离子进入磁场后，运动轨道弯曲了，离子轨道偏转可用公式表示:当H，V一定时，只有某一质荷比的离子能通过狭缝到达检测器。

特点：分辨率低，对质量相同、能量不同的离子分辨较困难。

（3）双聚焦质量分析器：由一个静电分析器和一个磁分析器组成，静电分析器允许有某个能量的离子通过，并按不同能量聚焦，先后进入磁分析器，经过两次聚焦，大大提高了分辨率。

3、检测器：离子阱检测的原理类似于四极分析器，但让离子贮存于井中，改变电极电压，使离子向上、下两端运动，通过底端小孔进入检测器。

检测器的作用是将离子束转变成电信号，并将信号放大，常用检测器是电子倍增器。当离子撞击到检测器时引起倍增器电极表面喷射出一些电子，被喷射出的电子由于电位差被加速射向第二个倍增器电极，喷射出更多的电子，由此连续作用，每个电子碰撞下一个电极时能喷射出2～3个电子，通常电子倍增器有14级倍增器电极，可大大提高检测灵敏度。

4、真空系统：由于质谱仪必须在真空条件下才能工作，因此真空度的好坏直接影响了气质联用仪的性能。一般真空系统由两级真空组成，前级真空泵和高真空泵。前级真空泵的主要作用是给高真空泵提供一个运行的环境，一般为机械旋片泵。高真空泵主要有油扩散泵和涡轮分子泵，目前主要应用的是涡轮分子泵。

2.4 气质联用仪的性能指标

气质联用仪的整体性能指标主要包括以下几个：质量范围、分辨率、灵敏度、质量准确度、扫描速度、质量轴稳定性、动态范围。

a）质量范围：即能检测的最低和最高质量，决定了仪器的应用范围，取决于质量分析器的类型。四极杆质量分析器的质量范围下限1~10，上限500~1200；

b）分辨率：即质谱分辨相邻两个离子质量的能力，质量分析器的类型决定了质谱仪的分辨能力。四极杆质量分析器的分辨率一般为单位质量分辨力；

c）灵敏度：气质联用仪一般采用八氟萘作为灵敏度测试的化合物。灵敏度的高低不仅与气质联用仪的性能有关，测试条件也会对结果产生一定影响；

d）质量准确度：为离子质量测定的准确性，与分辨率一样取决于质量分析器的类型。四极杆质量分析器属于低分辨质谱，质量准确度为0.1 u；

e）扫描速度：即每秒钟扫描的最大质量数，是数据采集的一个基本参数，对于获得合理的谱图和好的峰形有显著的影响；

f）质量轴稳定性：是指在一定条件下，一定时间内质量标尺发生偏移的程度，一般多以24 h内某一质量测定值的变化来表示；

g）动态范围：决定了气质联用仪的检测浓度范围。

3.气质联用仪的特点

根据气质联用仪的组成部分可知，该仪器的试验实际上是把质谱仪作为色谱仪的一个通用检测器来使用，其作为色谱仪和质谱仪的“合体”，集两者之所长，补其不足，因此能更好地发挥试验效果，下面我们将详细介绍一下该仪器本身所具有的特点：

a）稳定高效EI源设计，实现了离子的高效传输，同时使离子源的温度更加均匀，发射电子流自动控制系统提供连续可调的50～100 eV的轰击电子流；

b）独立、可靠、稳定的离子源加热系统，温度范围120～400 ℃可控。可有效减少离子源污染问题，使数据库检索更可靠；

c）双灯丝设计，延长灯丝更换周期，提高气质联用仪的分析效率；

d）带四极质量分析系统，有效改善离子污染造成的影响，实现了气质联用仪的长期稳定性和低噪声；

e）高带宽的信号放大器组成的检测系统为微弱信号的采集提供了保障；

f）电源的过载硬件保护等功能为仪器提供了周密的保护措施，延长气质联用仪的使用寿命；

g）稳定高效的数据采集，保证了质谱的准确性；

h）耐用的自动进样器，使样品分析自动化，提高工作效率的同时实现了更好的重现性。

4.气质联用仪的保养维护

气质联用仪作为气相色谱与质谱的结合体，虽然具有两者的优点，但是它常出的问题也是两者相加，读者朋友们若想很好地掌握这种仪器，还需对该仪器的日常保养维护有所了解。因此，接下来我们针对这方面展开介绍[3-4] ：

1、仪器涉及的密闭性问题

气质联用仪是一个气体运行的系统，因而仪器的密封性相当重要。

（1）换柱：毛细管柱进入质谱腔中的长度不适当，太长或太短都不行；

（2）垫圈要松紧合适，太松会有漏气的隐患，太紧则会压碎垫圈，每次更换色谱柱时需要更换新的密封垫圈；

（3）清洗离子源时打开腔体后要注意其密封性。

2、色谱柱的使用与保存

（1）色谱柱使用时应注意说明书中标明的最低和最高温度，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。要设定最高允许使用温度，如遇人为或不明原因的突然升温，气相色谱会自动停止升温以保护色谱柱；

（2）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；

（3）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）色谱柱的安装：

a）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;

b）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；

c）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；

d）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；

e）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。

（3）离子源和预杆的清洗

a）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；

b）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，注意整个操作过程要小心谨慎、避免灰尘进入腔体；

c）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；

d）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，重点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；

e）清洗待干后组合好离子源，先安装好预杆、四极杆，最后小心装回离子源，盖好机箱，清洗完毕。

5.气质联用仪可能出现的故障及解决方法

我们以7890B一5977A型气质联用仪为例，系统讲解仪器在使用过程中可能出现的故障以及相应的解决方法[3] ：

1、高真空系统漏气

（1）故障分析：

a）质谱仪的真空腔内，连接各部位的通道不同，压强也不相同。影响气质联用仪真空度的因素主要有进入系统的气体流量、系统结构、通道及真空泵的抽气效率，以及泵与泵之间管道连接的密封性；

b）真空管线是否保持洁净、未受挤压、未扭曲或断裂；

c）色谱柱和质谱端接口、色谱柱和进样口接口端是否拧紧等，其中色谱柱和质谱端接口处是常出现问题的部位。

（2）解决方法：

将注射器针头接到氩气的管线上，调节流量至刚好感觉到有气体吹出，将针头对准可能漏气的部位吹扫，并将质谱仪的扫描窗口调在氩气的特征峰（m/z 40），观察氩气峰强度；当吹扫至色谱柱和质谱端接口处时，发现氩气峰增大，确定该部位漏气，重新拧紧色谱柱和质谱端接口，问题解决。

（3）注意事项：

a）质谱仪的真空腔处于负压状态，出现漏气情况时，都是负压漏气，即系统外的气体往里漏气；因此进行检漏时，气相部分和质谱部分均不能采用正压检漏方式，即像检漏液法就不可取，否则会造成检漏液渗入真空系统，导致污染；

b）判断真空系统是否漏气，最直接的方式是查看仪器离子源真空显示、腔体真空显示及碰撞室真空显示是否达到额定要求，通常三者的真空度依次增高。

2、自动调谐异常

（1）故障分析：

通常以下的情况会导致自动调谐异常：

a）系统真空度不够，存在严重的漏气；

b）离子源受到污染，或离子源上的接线已松动。

（2）解决办法：

在对7890B一5977A气质联用仪进行自动调谐时，显示氮氧水比例稍偏高，且有大量质荷比小于50的未知气体存在；对整个系统进行检查确认无误后再次调谐，未知气体仍然存在；考虑到曾用氩气对整个系统进行试漏，未知气体可能是管道里残存有尚未排干净的氩气；因此用氦气重新吹扫气路管道约半天，并烘烤气路接口处，氮氧水比例正常，分子量小于50的未知气体消失。

（3）注意事项：

a）若是空气/水检查未通过，表明抽真空未到或者存在泄漏点，此时应将真空室烘烤过夜，再查看效果，如无改善，则应寻找泄漏点，首先观察质谱端的放空阀是否已经拧紧关闭，侧板是否用手推压完全密封；然后依次观察进样口隔垫、衬管上的密封圈、柱子两端密封的石墨垫是否漏气，或者尝试调整色谱柱位置；

b）若质荷比校准偏差很大，可通过扫描查看背景离子，背景过脏应拆掉离子源进行清洗，然后正确安装，必要时还要清洗预四级杆和四级杆；

c）为保证样品测试时获得最佳的灵敏度，还应注意色谱柱尾端到离子源的位置安装要到位，过近会导致背景信号过高，过远又会损失灵敏度。

3、用NIST谱库检索化合物时，匹配度最高的化合物并不是目标化合物

（1）故障分析：

质谱库收集的质谱图是采用正常EI电离方式，在一定条件下获得的纯化合物的质谱图以及和化合物相关的一些信息，人们习惯上称数据库中的谱图为标准谱图，实际上称之为参考谱图更准确，因为收集的谱图尽管都是纯化合物的正常EI图谱，经过一定的评估和筛选，但不可避免的会有疏漏，而且谱图的来源不同，所用仪器类型、操作条件也不可能完全相同。

（2）解决办法：

不在峰顶点进行检索，选择峰的稍偏前的位置进行检索，目标化合物出现，问题解决。

（3）注意事项：

在使用谱库检索时要注意:

a）被检索的质谱图必须是在EI源70 eV下轰击获得，否则检测结果不可靠。

b）检索时必须扣除本底的干扰，主要是扣除色谱柱流失造成的本底，本底的选择完全要凭借经验。

c）当总离子流的峰很强时，不应选择在峰顶点进行检索，而应根据具体情况选择峰的前沿或后沿进行检索，以避免由于峰顶时进入离子源的样品量太大，在源内发生分子一离子反应。当被检索的峰前干扰严重时，应选择峰的后沿进行检索；当峰后干扰严重时，则应选择峰的前沿进行检索，这样可大大减少其他物质对被检索物质的干扰。

d）谱库检索时，将给出匹配度最高的20个质谱图的相关数据，包括化合物的名称、分子式、分子量、匹配度等。通常匹配度最高的化合物就是要检索的化合物，但也不总是如此，还要考虑到样品的来源、使用范围、稳定性及其他物理化学性质，被检索物质是否含有某些特殊元素（如卤素、氮、硫）等，综合以上的因素选定正确的目标化合物。

6.气质联用仪的应用

气质联用仪由于其本身所具有的特点，同时具有气相色谱的高分辨率和质谱的高灵敏度，因此被广泛应用于复杂组分的分离与鉴定，进而做出定性和定量分析[1]。如今，气质联用技术不仅广泛应用于科学研究领域，另外在工业生产以及各种检测部门也有了大面积应用。接下来我们以列举实例的方式来说明该仪器在生产生活中的应用。

甲基异柳磷是一种土壤杀虫剂，对害虫具有较强的触杀和胃毒作用。目前，检测甲基异柳磷的方法只有《植物性食品中甲基异柳磷残留量的测定》（GB/T 5 009.144—2003），该方法繁琐和试验时间长，不适应大批量多参数的农药残留检测。参考相关研究结果：气相色谱-质谱法完全能满足甲基异柳磷残留检测要求，该方法简便、快速、高效，适用于多参数、大批量的农药残留检测，具有重要的实用价值和推广价值。因此，陈立娇等人使用气质联用仪测定水果中的甲基异柳磷农药残留，甲基异柳磷的出峰时间、离子色谱图分别如图 3～4 所示，可以看出，甲基异柳磷的出峰时间为16.017 min，峰型良好。并且根据表1～2的验证结果可知，甲基异柳磷相对标准偏差均小于10%，精密度良好；平均回收率为88.6%～112.8%，相对标准偏差为1.73%～5.91%。这说明气质联用技术对水果中甲基异柳磷的提取是稳定的，受到基质的干扰比较小[2] 。

葡萄酒香气是评判葡萄酒品质的重要依据，这些复杂的香气成分在不同葡萄酒中的含量上的差异构成了不同个性和品质的葡萄酒，也构成了葡萄酒的重要感官特征指标。为区分不同年份赤霞珠千红葡萄酒，并建立其香气特征，郭松年等人选取 2007、2009、2011、2013四个年份的赤霞珠葡萄酒作为研究对象，对其香气物质进行测定和分析[5] 。

研究者在实验中采用搅拌棒吸附萃取法进行前期处理，以2一辛醇为内标物进行气相色谱一质谱检测，对结果进行香气特征分类和主成分分析。由图5的结果可知，通过气相联用技术检测了4种不同年份赤霞珠干红葡萄酒酒样的香气物质含量，其中2013年赤霞珠葡萄酒香气总含量最高，为178.13 mg/L，2011年赤霞珠干红葡萄酒香气总含量最低，为96.72 mg/L，2007年和2009年赤霞珠干红葡萄酒香气总含量介于两者之间，分别为 124.96 mg/L和 105.04 mg/L。