今天说点新鲜事儿：台式单四极杆GC/MS仪的灵敏度

【核心介绍】本文扼要地介绍了气相色谱-质谱联用仪(GC/MS)的关键技术指标——灵敏度，它的定义、测定及其快速发展的历史概况，并阐述了台式单四极杆GC/MS仪为增加离子产率、提高离子传输率和降低中性粒子噪声而在硬件上所作出的重大改进。结合我们在GC/MS检测过程中的实践，讨论了可能影响GC/MS灵敏度测定的8个因素，如色谱柱的规格、色谱程序升温速率、进样浓度、不分流时间设定、倍增器电压等。 　

略谈台式单四极杆GC/MS仪的灵敏度

白伟东^1,2 陈翠杰³ 高文工^1,2 汪聪慧*⁴

（1钢研纳克检测技术有限公司 北京 100081； 2.北京中实国金国际实验室能力验证研究有限公司，北京 100081；3北京华阳利民仪器有限公司，北京 102627；4公安部物证鉴定中心，北京 100038）

摘 要:本文扼要地介绍了气相色谱-质谱联用仪(GC/MS)的关键技术指标——灵敏度，它的定义、测定及其快速发展的历史概况，并阐述了台式单四极杆GC/MS仪为增加离子产率、提高离子传输率和降低中性粒子噪声而在硬件上所作出的重大改进。结合我们在GC/MS检测过程中的实践，讨论了可能影响GC/MS灵敏度测定的8个因素，如色谱柱的规格、色谱程序升温速率、进样浓度、不分流时间设定、倍增器电压等。

关键词：GC/MS；台式仪；四极杆；灵敏度；信噪比

中图分类号: TH843

Sensitivity of Bench Top Gas Chromatography-mass Spectrometer with Single Stage Quadrupole

Bai Weidong^1,2 Chen Cuijie³ Gao Wengong^1,2Wang Conghui*⁴

（1 NCS Testing Technology Co. Ltd, Beijing 10081;2China NIL Research Center for Proficiency Testing, Beijing 10081;3 BeijingHuayang-Limin Instrument Corp. Ltd; 4 Institute of Forensic Science, MPS, Beijing 10038）

Abstract: In this paper the definition, measurement and its historical survey for rapid progress of the sensitivity – key technical specification for bench-top GC/MS were introduced briefly, and to elevate the sensitivity of GC/MS with single stage quadrupole the significant improvements of instrumental hardware aiming at increasing ion yield, enhancing ion transmission efficiency and decreasing the noise from neutral particles were described in detail. Combining with our practical experience， 8 items of factors which possibly affect sensitivity measure result were discussed, such as column dimension, programmed temperature rate, sample concentration, split less time sharing, SEM voltage etc.

Key words: GC/MS; Bench-top device；quadrupole; Sensitivity; S/N

发展到如今的气质联用仪（GC/MS）已成为具有高性能、多功能、小型化、自动化的台式分析仪器，并在许多领域中得到了广泛的应用。在国内，台式GC/MS仪的数量在某些领域中占有压倒性的优势，其中，台式单四极杆气质联用仪当之无愧成为台式GC/MS的主流产品。灵敏度作为该类仪器之技术规格中的关键指标，既为仪器制造者所追求，亦为化学工作者所关注。从上世纪第一台毛细管GC与单四极杆质谱的台式联用仪器在市场上出现，到目前许多厂商热销的台式单四极杆GC/MS商品仪器，其灵敏度（电子电离模式）从皮克量级提高到飞克量级，几乎递升了三个数量级。我们在赞叹这一技术进步的同时，不妨回顾一下实现了这一目标的主要技术措施。

1灵敏度定义、测定及其历史发展

1.1 仪器灵敏度定义和测定

按照国标中有关仪器灵敏度的定义，是指仪器的输出量与输入量之比^[1]，即被测量组分的量或浓度改变一个单位时分析信号的变化量。目前，台式单四极杆GC/MS商品仪器的生产厂商所采用的测试灵敏度指标的方法为：在指定的分辨率和扫描的质量范围条件下注射一定数量的样品溶液（浓度与体积之积），能产生多大信噪比的峰。规定为GC进样口上注射1µL八氟萘（OFN）异辛烷溶液（浓度1pg/µL），经全扫描后提取分子离子m/z=272，求出该信号强度（峰高）与基线噪声强度（取信号附近的噪声计算SD）之比。一些更具体的测试条件还可参见文献^[2]。

仪器分析中灵敏度依赖于检测器的灵敏度与仪器的放大倍数，但没有考虑到噪声的影响；其次，在噪声比较低的情况下，因噪声值提取的随意性，计算出来的信噪比数值会差异很大。因此，目前就有建议用检出限来表征仪器的最大检出能力，即检出限。这里是指仪器检出限（IDL），而且是经过多次进样获得的IDL平均值，而不是最佳的一次注射结果所代表的LOD值。这样，势必会提出以IDL的精密度（RSD%）进行评估可能更为合适。

1.2快速提高的GC-MS仪灵敏度

现选择1994年的时间节点，在中国市场上台式单四极杆GC/MS仪的主要生产厂商的一线产品^[3]，以1 pg OFN全扫描的EI灵敏度水平S/N为10:1~50:1.与上世纪80年代初首次出现的台式单四极杆GC/MS商品仪器的EI灵敏度相比，将近提高了一个多数量级^[4]。再选择2011年的时间节点，在中国市场上台式单四极杆GC/MS仪的主要生产厂商的一线产品，如Thermo Scientific  ISQ QD， Agilent 5975, PE Clarus 600 C&T,  Shimadzu 2010 ultra,  Bruker Scion SQ 等，以1 pg OFN全扫描的EI灵敏度水平为400:1~600:1，大概提高了一个数量级。2012年1月珀金埃尔默公司在PEClarus SQ C&T T的台式单四极杆GC/MS仪上获得了1 pg OFN 的EI全扫描m/z=272离子S/N 1761:1和SIR 10 fg  S/N 10:1的灵敏度数据。2013年2月安捷伦公司在5977AGC/MS仪的发布会上报道了EI全扫描1pg OFN其m/z=272离子的S/N 1500:1，并首次提出以IDL为衡量仪器的灵敏度^[5]。岛津公司宣称：2015年推出的QP 2020 GC/MS仪，其EI全扫描时1pg OFN 的S/N 优于2000:1（m/z=272）。赛默飞世尔公司在2016年版的产品规格上发布， ISQ QD300的台式单四极杆GC/MS仪在EI全扫描时1pg OFN 的S/N 为1500:1（m/z=272）^[6]。由此说明仪器发展到至今，灵敏度性能已进入一个新的阶段。

2实现上述发展的仪器硬件改进

提高台式单四极杆GC/MS仪灵敏度主要着眼于质谱仪的硬件改进，目前有三个方面考虑，即增加离子产率，提高离子的传输率和降低中性粒子产生的噪声。

2.1增加源内的离子产率

几乎各仪器制造商对离子源的金属材料广泛进行惰性化处理，或者是采用全惰性金属材料。据称，样品分子在离子化室内电离前要与器壁碰撞不下50次，惰性化处理即可避免对某些样品的催化作用，又能提高20%的样品利用率。

对灯丝部件的设计和产生的热电子聚焦也是一种提高离子产生率的举措。对于双灯丝的结构，为了避免其第二根灯丝受到第一根灯丝使用期间的影响，增加保护装置（如电子束反弹，电子透镜等）能够保持第二根灯丝的良好离子化产率。

2.2提高离子传输率

离子室内形成的离子是以离子束的方式离开离子源，改善离子束的聚焦可以提高离子的传输率。例如，安捷伦公司使用专利的Extractor透镜可以明显增加进入分析系统的总离子数^[5]。同样，检测器内的离子聚焦装置也是有利于提高离子的传输率。布鲁克公司采用90°的Q₀（位置在四极杆前），并在此处引入氦气，既可以强化离子束的聚焦也可提高离子传输率（此技术称为主动聚焦技术）。这样，既消除了中性粒子的噪声，又提高了仪器的灵敏度。又在离子束离开四极杆进入到检测器时，增加了专利的post filter 装置，以进一步提高离子传输率^[7]。热电公司（现为Thermo Fisher 公司）研发的Extracta Brite 离子源，在出口处加大了离子轨道孔径，提高了信号强度^[8]。

2.3降低中性粒子的噪声

噪声是一个复杂的问题。有文献报道^[9]，认为中性粒子的噪声来自于三个方面，即倍增器自发地散射粒子；10KV的打拿极自发的发射；载气He的非选择性质量噪声。其中，尤以第三种情况最为严重。除了布鲁克公司的Scion SQ(现已转为天美公司产品)仪器上使用90°的Q消除中性粒子噪声外^[7]，热电公司的ISQ仪器在离子源与四极杆分析器之间加上了专利的S型离子光学通道（SSIG）。这种离轴的结构能使中性粒子的噪声降低至2个离子/秒^[8]。

通过电场的作用让离子改变运动方向，而不让中性粒子进入检测器是仪器制造厂商主要考虑的技术方案。早先简单的90°偏转已经被其它方式所替代。珀金埃尔默公司在Clarus型号的仪器上使用专利的电子倍增器（称为Clarifi检测器），是让离子270°偏转后再进行检测的功能^[10]。安捷伦公司在Agilent 5975仪器上使用专利的三轴检测器。从四极杆出来的离子束偏转两个90°后，在互成90°的保护罩下，以高能轰击打拿极，再让后者产生的电子进入三通道电子倍增器，由此提高了信噪比^[5]。岛津公司在QP2010 Ultra 仪器上使用了专利的Overdrive Lens（简称ODL）偏转透镜检测器以降低噪声^[11]。

倍增器本身也是一个被改进的对象。使用离散型的倍增器代替传统的连续型倍增器，可以在高工作电压的条件下获得高灵敏度和低的噪声（如珀金埃尔默公司、赛默飞世尔等公司采用）。

3 色谱和质谱的实验参数与条件对灵敏度的影响

优良的硬件设计是提高灵敏度的基础，不过实现高的灵敏度还离不开实验设置的参数和条件，归纳起来大概有8个因素。

3.1 色谱柱以及它与离子体（或离子化室）的相对位置

常规定性用的色谱柱为25m*0.25mm*0.25μm,但是改用20m长，0.15~0.18mm，内径，膜厚0.10~0.25μm的色谱柱，可以提高灵敏度。所以测试仪器灵敏度用的测试柱基本上都选用这样的色谱柱,即20m*(0.15~0.18)mm*(0.10~0.25)μm。例如使用Abel 公司的Abel Bonded 色谱柱（即AB-5ms柱，20m*0.18mm*0.18μm）可以增加灵敏度40%以上。

柱与离子体之间的相对位置对灵敏度也有影响，距离过远则从毛细管出来的样品流被真空抽走得太多，过近则有可能挡住电离的电子束。

3.2色谱程序升温的速率

一般而言，较低的起始温度并适当地提高程序升温的速率，获得的色谱峰峰形相对较窄，有利于灵敏度的测定。不过程序升温速率与质谱的扫描速率要相配合,前者的速率过快而扫描速率跟不上会不利于灵敏度的测定。

3.3进样浓度

1pg/μL浓度注射1μL和0.5pg/μL浓度注射2μL，虽然进样的量是相同的，但实际测定的效果是不同的，前者的测试数据优于后者。同样, 10pg注射例如获得1000:1的S/N比，也不能推算为1pg注射能获得S/N比100:1。实际上,推算的灵敏度数据远差于实际注射1pg的结果。

3.4测试样品

八氟萘是目前仪器验收时统一的标准。不同测试样品其灵敏度数据没有可比性。

3.5不分流进样时不分流时间设定

采用不分流进样方式时，在进样时刻分流阀是关闭的，样品可以全部进入到色谱柱。实际上，多少样品进入到色谱柱取决于关闭时间的长短。如果设定1秒，则可以认为在此时间内90%以上的样品进入到色谱柱，但对保留时间小的哪些色谱峰峰形有影响,此时的分辨率都欠佳。保留时间小到多少有影响，取决于关闭时间的长短。通常折衷的办法设定0.7~0.8min左右，大概有70%左右的样品进入到色谱柱。

3.6源温

过高的源温会导致样品的热解，从而影响样品的利用率。这种影响对脂肪族化合物比较大，而对芳香族化合物则较小。较高源温对OFN的灵敏度测定影响不大，但对非芳香族化合物来说可能有影响。

3.7倍增器电压

有一些品牌的倍增器在一定的工作电压范围内，增加倍增器的电压能明显提高仪器的灵敏度，即增加电压时，噪声的增量低于信号的增量。超过一定电压后则它们的增量是同步的。当然，需要在试验中确定这种’临界值’。另外同型号的倍增器，在噪声值上是有差异的。

3.8质谱扫描速度的设定

在灵敏度测定时，扫描的质量范围与质谱的扫描速度是需匹配的。通常认为，最少需50个离子才能构成一个合格的质谱峰。因此，质谱的扫描速度是受到仪器具有的灵敏度所制约。如果仪器具有足够高的灵敏度，则快的扫描速度有利于灵敏度数据。同样，较小的扫描质量范围则有利于灵敏度数据。

总之，化学噪声、中性粒子噪声和电噪声这三大噪声是提高台式单四极杆GC/MS仪性能必须面对的问题。除了上述中性粒子噪声的那些解决方案外，化学噪声除了使用低流失的色谱柱外主要靠MS/MS来解决，而使用低噪声的电子元件是至关重要的，据称后者的实施可以有效的降低电子噪声30~40%。

实际上，若以信噪比来表征仪器灵敏度的话，有二个途径提高信噪比，一是降低噪声值，二是提高信号值。前者做了许多工作，噪声值已经降得很低以至于出现了需要修改灵敏度定义的动议，而后者预计还有空间。实现信号值的提升看来要从各环节的离子传输率测试开始^[12]。

参考文献

[1]北京分析仪器研究所，分析仪器术语，GB/T 13966-1992

[2]北京仪器分析测试标委会，气相色谱-单四极杆质谱仪性能的测定，GB/T 32264-2015

[3] 张选君，于小兵，气相色谱-质谱联用仪，朱良漪主编，分析仪器手册，第793页，化学工业出版社，1997

[4]汪正范等，色谱联用技术，第65页，化学工业出版社，2001年

[5]AgilentTech.,2013年色质联用系统新产品全球同步发布会, 5977A系列GC/MSD

[6]塞默飞世尔公司，ISQ-QD 300 单四极杆GC/MS系统产品规格，2016

[7] Bruker Daltonics, Scion SQ GC-MS, 2011

[8]Thermo Scientific, ISQ GC-MS, 2012

[9] Guckenberger GB, Quarmby ST, McCauley et al., Elimination of Neutral Noise from a GC/MS Quadrupole Mass Spectrometer, ThermoElectron Corp. Appl. Note, 10068, 2004

[10] PerkinElmer Instruments, Clarus SQ 8 GC/MS, 2011

[11] Shimadzu Co., Ltd, GCMS-QP2010 Ultra,2011

[12]张建、李纲、邓丰涛，现代科学仪器，2016（2）：49

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