单四极杆气质联用仪的结构、故障诊断及日常维护

张 红

（西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，杨凌712100）

1 单四级杆气质联用仪的环境条件及基本结构

1.1 仪器要求的环境条件

GC／MS室严禁明火，环境温度≤25°C，17～21°C最适合。因为MS本身需要散热，如果环境温度太高，会烧坏电路板。也不能太低，否则仪器无法启动。湿度30%～60%。太潮湿的环境，如果长时间不开机会使电路板受潮，且载气管路里的水气会很多。最好单独安装空调来控温和控湿。南方地区可以安装除湿器。保持周围环境的干净，建议用空调过滤网罩，将MS后边风扇盖住。

用电要保持电压稳定，接地良好。推荐安装UPS断电保护装置，防止断电后立即来电对电路冲击过大，或者安装空气开关，断电后手动打开。实验室应配备UPS或单相稳压电源。UPS要求允许通过的电流大于25A（用于质谱仪）。稳压电源功率要求5kW。标准15A插头的插线板2个，插座不少于6个。

1.2 仪器的基本结构

气质联用仪主要包括载气系统、进样系统、色谱柱、质谱真空系统、数据处理系统［1］。下面就将各部分的正常使用、易发生故障排查和日常维护工作等方面进行介绍，以供用户作为该类故障排查维修的思路和参考。

2 载气系统

2.1 载气的要求

GC／MS常用的载气为氦气，纯度需要达到99.999%以上。只有选择高纯度的氦气才能维持质谱的高真空和质谱仪的洁净。载气纯度不够或者剩余的载气量不够时，会造成m／z28丰度过大。当气瓶余压2MPa左右时，需要换气，主要原因为氦气比较轻，会从气瓶中先跑出，导致余气中有较多杂质。另外气瓶在使用时应保持直立，严防阳光直射。换气时将气瓶拆下后马上换上，同时注意气瓶头没有保护套的，接口处较脏，要用纸巾擦拭干净后装上［2，3］。

2.2 更换载气时的操作要求

换气时，把GC面板上所有的温度包括传输线温度设为off，柱温箱温度降到50℃以下，进样口温度设为off。等这些温度下降100℃后关闭载气，这主要是由于在没有载气的条件下过高的温度会把柱子烧坏。气相载气关闭后，将气瓶上总阀门关死，分压阀拧松。换好气后，把气瓶总阀打开，顺时针拧紧分压阀至0.6MPa左右，把GC面板上的载气打开，并保持10min左右，升高气相的各项温度。

2.3 气体过滤器故障的干扰与排查

对于GC／MS分析，必须安装过滤器过滤载气中的水气和氧气，否则质谱图会产生很多干扰，一般条件下，3～4瓶氦气要换一次过滤器，以延长色谱柱使用寿命，减少色谱柱固定相流失，降低背景噪音，使基线更加稳定。可通过筛管中填料的颜色水的指示来分析过滤器是否达到使用极限，一般过滤水的填料会从黄色变为无色；过滤氧的指示从绿色变为褐色。

3 进样系统

3.1 自动进样器维护

进样后洗针需不同的溶剂清洗。进样针使用一段时间后，需取下用甲醇、丙酮清洗。这主要是由于自动进样器清洗体积只有5mL，进样针上部不会被清洗。因此，为了保证进样针通畅，需要手动清洗。

3.2 进样垫

进样垫分为几种类型，最常用的是红色和灰绿色，红色是耐高温进样垫，灰绿色的特性为低流失。更换进样垫时先将柱温箱的温度降到50°C，关掉进样口温度和载气。如果不将载气off，在更换进样垫时，载气会从进样口处泄漏并报警、把所有温度等设置off，在这种情况下只有关闭GC总电源后重新开机才可对参数进行设置。如果进样口的螺母拧的过紧，垫片失去弹性，则会形成打孔效应，易形成漏气。一般建议进50针以上就要做一次leak check，观察是否有漏气。（气相漏气一般发生在垫片，装柱子端，和MS进柱子端）少量漏气不易察觉，可能会造成目标物提前出峰，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，相对大漏则容易造成保留时间的延长。

公路路基的施工过程中，边坡出现的问题相对较多，一直都是工程建造环节中的困扰。路基边坡存在缺陷，会影响工程的建造质量，并一定程度上的延误工程进度。因此，我们应加大对路基边坡缺陷的改善力度，结合工程的实际情况，提出切实可行的治理措施。我国在边坡缺陷处理上处在探索阶段，应不断改进完善自身施工水平，强化道路质量。

3.3 衬管

衬管的作用是加速样品的气化和保护色谱柱，共分有两种：分流衬管和不分流衬管，分流衬管上下内径一样粗，而不分流衬管上粗下细，注意二者不能混用。安装时不要装反，如果装反，压紧后会将衬管底部挤碎。衬管可以让不挥发的组分滞留在衬管内，从而保护色谱柱。但是当污染物积累到一定程度时，就会吸附样品，从而造成峰拖尾或出现鬼峰，使仪器检测的灵敏度下降。正确选择衬管并经常维护清洗，可以减少污染物造成的样品损失或峰形异常。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。

4 色谱柱

4.1 色谱柱的选择与使用

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，具体应视分析要求而定。色谱柱使用时应注意说明书中标明的最低和最高温度，一般应在低于最高温度10～20°C的范围内使用，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，GC会自动停止升温以保护色谱柱。保存柱子时需注意将两端用废弃的隔垫密封好，避免水和空气破坏柱子内涂层［4］。

4.2 色谱柱的安装

色谱柱安装的好坏直接影响到检测结果，初次安装时无方向性，一旦使用过，不能再改变进样端和MS端的方向。不同规格的毛细管柱选用不同大小的石墨垫，注意进样口端和质谱端所用的石墨垫是不同的，绝对不能混用。MS端柱接头螺帽不要上得太紧，否则容易压碎石墨垫造成漏气，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，观察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］。

5 质谱真空系统

真空系统是整个仪器的核心，也是比较容易发生故障的部件。

5.1 质谱仪器的真空要求

质谱仪器必须在良好的真空条件下才能正常工作，一般要求质谱仪需要在高真空下工作，离子源：10－3～10－5Pa，质量分析器：10－6Pa。质谱仪器要求高真空是因为：（1）大量氧会烧坏离子源的灯丝；（2）用作加速离子的几千伏高压会引起放电；（3）引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，使谱图复杂化。一般采用两级真空系统，由机械泵和高真空泵组合而成。

5.2 空气泄漏的症状

漏气是最为常见的症状。对于Thermo Fisher Trace 2000DSQII单四级杆气质联用仪来说，可以通过以下步骤确认仪器漏气故障。首先，打开GC和MS总电源，打开Tune窗口，在Tune／Show status view／Vaccum里显示Turbo Pump和Turbo Pump RPM，这两项在3～5min内要显示OK，否则说明仪器严重漏气。等待仪器真空度＜50～60mTorr时，在Instrument／set temperature里设定离子源的温度为250°C，MS－Tranfer温度调节在GC面 板 上 的AUX／Temperature zone到250°C。待离子源、进样口和传输线温度稳定后，检查空气／水谱图，选择Experiment｜Full Scan然后从m／z 10－100扫描，选择Instrument｜Fil／Mult／Dyn On打开灯丝，比较空气／水谱图，确定是否有泄漏。m／z18，28，32和44是空气／水的特征峰。一般情况下，m／z18的丰度高于m／z28，m／z32，总离子流强度达到106表示空气无泄漏（图1）。如果m／z28，m／z32丰度高于m／z18，且m／z28，m／z32比为4∶1，可以判断有小漏（图2）；如果m／z28，m／z32两峰异常高，总离子流强度超过108，表明漏气严重（图3），此时必须立即关闭灯丝，以免将灯丝烧断［1］。

图1 空气／水谱图（无泄漏）

图2 空气／水谱图（少量泄漏）

5.3 查找空气泄漏的方法

漏气的原因很多，通常需做逐一排查才能确定真正漏气的位置，找到解决问题的方法。

（1）检查载气线路。首先要确定所有接头是否有松动。其次，当有严重漏气时，可以在各管路和阀门接口处涂抹适量的皂液，漏气的部位会出现明显的气泡；对于微漏，可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，15min后分压表的压力会有明显的下降。

图3 空气／水谱图（大量泄漏）

（2）检查GC部分。空气泄漏通常80%以上发生在进样口位置，进样口端检漏通常有2种方法：（a）适合在开机情况下操作：将炉温升至50℃，柱流量设置1.0mL／min（恒流模式），点击GC面板上Column Eval（柱评价）得出K值，与原值不能相差太远，如果实测值过小表明柱子有漏，值过大则表明柱子有堵。然后将炉温升至100℃，进行Leak Check，Leak Check和Column Eval结果的K值一样，表示Passed。这一般对于新柱子，且能确保质谱端不漏气的情况下适用。（b）在质谱关机情况下操作：打开GC，将GC面板上的吹扫和分流OFF，然后用隔垫堵上进样口，设置进样压力为200Psi，如果0.5min内压力不下降，说明进样口不漏。

此外，用脱脂棉蘸取适量的丙酮涂抹进样口、进样口螺母、色谱柱，每次一个位置，按先后顺序依照离MS部分由近及远的原则，在适当的时间后，观察数据系统中的峰图，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。

（3）检查MS部分。打开质谱，设定m／z10－100扫描，选择打开灯丝，用脱脂棉蘸上丙酮，涂在接质谱端的传输线螺母处，观察质谱图，看有没有出现m／z58－m／z43的丙酮特征峰，如果有，说明在刚刚涂有丙酮的位置存在空气漏气。一般用手拧紧螺母，再用扳手拧l／4圈即可（注意：不要拧太紧，否则会把石墨垫拧碎，导致漏气）。将柱温箱升高到300℃，保持5min后降温，再用扳手拧紧1／4圈。防止反复的升温降温导致螺母变松漏气。

另外，在质谱内部的放空阀可能有漏。首先打开机箱找到放空阀位置，用脱脂棉蘸取丙酮涂在放空阀周围，观察质谱图，看是否有丙酮的特征峰出现，如果有说明有漏。然后将放空阀取出用脱脂棉蘸上甲醇清洗。注意拆装的方向不能颠倒［6－9］。

5.4 质谱的维护

（1）开机和关机。对于质谱来讲，最好一直保持抽真空，不建议频繁开机关机。开机时先开GC，后开质谱，待达到一定真空度后，设定合适的离子源温度和传输线温度，此时必须打开真空补偿，否则真空难以达到50mTorr以下。关机前首先将离子源温度降至100℃以下，然后将传输线温度off、进样口温度Off、柱温50℃，等待分子涡轮泵转速降下后，仪器会提示“OK to turn off power”，此时方可关闭电源。

（2）实验前需先确定：（a）离子源是否到达指定温度，一般推荐使用250℃；（b）当柱流速为1mL／min时，前极压力正常在30～50mTorr之间；（c）打开灯丝看空气／水的背景，确认真空没有泄漏。

（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100μA，检测器增益为1，如果是痕量分析，需要适当提高灵敏度，可将发射电流设为200～300μA，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。扫描方式和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5张谱图。起始时间的设置考虑第一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，这样可以延长灯丝的寿命。

（4）诊断与调谐。仪器带有诊断功能，当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），如果某项测试未能通过，可点击查看详细信息，并保存页面，以方便与仪器公司联系，进行维修。在做质谱调谐前，先将扫描的范围调至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，先将杂质高温烧掉，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100V，则很有可能是离子盒、透镜或预四级杆太脏，需要清洗［10］。

（5）离子源和预四级杆的清洗。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线，拧松螺丝，取下离子源。取预四级杆之前先取下主四极杆，竖放在无尘纸上，再取下预四级杆待洗。注意整个操作过程一要小心谨慎、轻拿轻放，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四级杆需要用氧化铝擦洗，用甘油将氧化铝粉调成糊状，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，待干后组合好离子源，先安装好预四级杆、四极杆，最后小心装回离子源，盖好机箱，清洗完毕。

6 结论

气质联用仪的正确操作和良好维护是保证分析数据准确可靠的重要前提。仪器管理人员需要加强对仪器结构、功能和控制原理的了解，做好仪器的日常记录和维护，逐渐积累经验，减少仪器故障，延长仪器的使用寿命，更好地为教学科研服务。

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