质联用仪的主要性能指标及验收.ppt

质谱仪的主要性能指标及参数的设置,一、质谱仪的主要性能指标,质谱仪器的整体性能同样依赖各个组成部件的性能，和气相色谱不同的是，一般质谱仪器除了给出各个部件的技术规格参数外，作为仪器整体性能常给出以下几项主要指标：质量范围，包括质量测量准确度和质量标尺稳定性；分辨率；灵敏度；扫描速度。、项指标主要取决于质量分析器的类型，其中扫描速度还和计算机接口板的AD、DA转换和数据传输速率密切相关；第项质谱灵敏度，不单是质谱检测器的灵敏度，而是和离子源、质量分析器、离子透镜系统的设计以及真空系统的配置都有关系,（一）质量测定范围,质量范围通常定义为质谱仪器能检测的最低和最高质量。质量范围取决于质量分析器的类型,（一）质量测定范围,因为质谱检测的是质荷比(mz)，而不是质量(m)，所以实际检测的质量取决于离子所带电荷数z，当z值越大，mz就越小。仅当离子所带电荷数z=1时，才能将质量上、下限看成是能检测化合物的最高、最低相对分子质量 对于z1的多电荷离子，能在低于其相对分子质量的mz处被检测到，如相对分子质量为1 0000的化合物，若带1 0个电荷，其mz=1 00001 0=1 000。所以质量上限为1 000的质量分析器也能检测相对分子质量为1 0000的化合物。在LCMS联用仪器上配置的ESI离子源，可检测多电荷离子 但目前GCMS联用议器配置的EI、CI、FI(场致电离field ionization)离子源，只检测单电荷(z=1) 离子,（一）质量测定范围,台式GCMS联用仪器质量范围的下限通常可低到1 0以下，但也有的大于1 0以上，质量上限最高达到1200。质量下限高，可能得不到低质量端的特征离子；质量上限低，则不能检测分子量高于质量上限的化合物分子离子。质量范围是仪器档次的标志之一，比如质量范围为1 0400和1 1 000应是两个档次的仪器,（一）质量测定范围,考察仪器质量范围时，还要注意全质量范围的离子丰度，是否存在质量歧视，尤其是高质量端的离子是否有足够的丰度。可通过测定分子量较高的实际样品进行考察,十溴联苯醚(C12Br10)的EI谱图，相对分子质量是950，在高质量区有较强的特征碎片，有Br的同位素峰，可用它作性能测试样品,（一）质量测定范围,质量准确度(accuracy)是指离子质量测定的准确性。有两种表达方式： (1)M=M计算M测量 (2)准确度=1 00M计算/ M测量 例如，计算质量=400.0020，用高分辨测得质量=400.0000，测量的准确度应为： M =0.0020(2 mu) 准确度=1 00 0.002400=0.0 00 5,注意质量测量的准确度和分辨率的关系，这里的M准确度和下面将要讨论的分辨率中的M质量差数值上可能相同，但是表达两种完全不同的意义,不同类型仪器质量准度的典型值,（一）质量测定范围,分辨率高可测定化合物的准确质量，但并不意味着质量测定的准确性就很高，同样，分辨率低虽然只能测定整数质量，但也不意味着质量测量准确性就差,(a)和(b)无论高分辨或低分辨，质量测量的准确性都不好，而(c)和(d)无论高低分辨质量测量准确度都较好。高、低分辨的区别是，低分辨不能把整数质量重叠的峰(整数质量相同，精确质量不同)分辨开来，只有高分辨才能分开整数质量重叠峰。无论低分辨或高分辨在测试过程中，都必须是在全质量范围内保证应有的质量准确度,（一）质量测定范围,注意：质谱分析中，是以12C质量(12C=12.000 u)的1/12为一个质量单位。对离子质量的计算值是指组成该离子所有元素的单同位素 (丰度最大的同位素)质量之和，例如二氯甲烷(CH2C12)分子离子的质量应 该是： 12+21.0078+234.9689=83.9534 而不是按周期表中的原子量计算的值： 12.011+21.0079+235.453=84.9328 周期表中的原子质量定义为：给定元素的所有同位素质量的平均值，如氯的原子质量是两个同位素质量35Cl=34.9689u和37Cl=36.9659u的平均值 35.453u。把周期表中的原子质量代替单同位素的质量带入分子式计算化合物的分子质量，是初学质谱者常见的一个错误，这将导致质量误差,（二）质量轴的稳定性,质量轴(mass axis)指质谱测定离子质量的坐标，亦称质量标尺。质量轴稳定性指在一定条件下，一定时间内质量标尺发生漂移的幅度，一般多以 8 h或1 2 h内某一质量测定值的变化来表示 如01 u1 2 h表示在1 2 h内，质量轴平均漂移在01 u。质量轴的稳定性关系到质量测量的准确度 它和仪器的性能以及仪器操作条件有关，会随着仪器状态和操作条件变化而发生变化。不同质量范围的仪器采用不同的标样对质量标尺进行校正,（二）质量轴的稳定性,此外，还有离子丰度的稳定性。即在一定条件下，一定时间内离子丰度的变化。一般不作为仪器的指标给出，但作为检验仪器稳定性能，有必要进行考察。因为离子丰度的变化，会影响定性和定量分析结果。在许多定量分析的标准方法中，作为质量保证和质量控制(QAQC)要求用标准物质进行仪器标定。例如环境中优先监测污染物分析方法，使用的标准物有溴氟苯(bromofluorobenzene，BFB)、十氟三苯基膦(decafluorotriphenylphosphine，DFTPP)，分析方法中规定了这些化合物离子丰度的范围，仪器条件必须满足规范要求，分析结果才能被接受,（三）分辨率,分辨率是指质谱分辨相邻两个离子质量的能力。 若两个相邻质量分别为 M1和M2的峰能被分辨，则分辨率可用公式 R=M M计算。 式中 M= M2M1，M可以是M1或M2中的任一个，也可用平均值。但如果对能分辨 的两个峰重叠部分形成的峰谷高度不加限定的话，所谓两个峰能“被分辨“的 含义是不确定的，通常有两种限定标准即两峰形成的峰谷为峰高的1 0或5 0时的分辨率,（三）分辨率,质谱仪10%峰谷分辨率,质谱仪50%峰谷分辨率,显然1 0峰谷分辨率比5 0峰谷分辨率好,（三）分辨率,对四极质谱，因其在全质量范围内的峰宽都相等，所以任何质量M的半峰宽 M是恒定的，如果半峰宽分别为1、0.5、0.4时，任何质量的分辨率R则分别为：M1=1M，M0.5=2M，M0.4=2.5M。对质量M=502，1M的分辨率为502，2M的分辨率相当于1004，2.5M的分辨率相当于1255。 不同质量分析器能达到分辨率不一样。四极质谱和离子阱质谱均属低分辨仪器，早期飞行时间质谱也是低分辨仪器!由于一系列技术突破，目前飞行时间质谱的分辨率已接近1 0000进入高分辨仪器行列,GCMS联用的质谱仪器分辨率,（三）分辨率,飞行时间质谱和四极质谱对质量分别为556、557、558三个峰的分离情况，四极质谱分辨率556(1 0峰谷)，飞行时间质谱分辨率7000(FWHM),（三）分辨率,GCMS联用中，低分辨质谱应用更为广泛，在定性分析中，低分辨EI谱有庞大的谱库检索，能在不到1 s内对未知物快速鉴定 在定量分析中，低分辨质谱EI、CI结合选择离子监测、多反应离子监测，检测限可达到pg或fg级 高分辨质谱的主要应用是准确质量测定，可获得元素组成进行未知化合物的结构鉴定；高分辨也具有高的选择性，可消除复杂基质重叠峰的干扰，用于定量分析能获得更好的信噪比(SN)，因此在二恶英和兴奋剂检测中成为重要的手段,（三）分辨率,高分辨选择离子检测时，用精确质量提取离子只有一个峰，SN=58：1 低分辨选择离子检测，相同整数质量有多个峰，SN=3 6：1,（四）灵敏度,通常仪器灵敏度有绝对灵敏度和相对灵敏度之称。绝对灵敏度定义为检测器对一定样品量的信号响应值。按此定义其表达式如下： S=IQ,式中 S灵敏度； I信号响应值； Q单位进样量。,在质谱法中灵敏度单位表示为：Cg(库仑微克)或CTorr(库仑托)，即进样量可以是质量(g)或压强(Torr)为单位，信号强度则以电量单位库仑(C)表示,（四）灵敏度,用直接进样测试仪器绝对灵敏度，分辨率1 000，EI源70 eV，胆固醇标准样品进样量1g，在给定气化温度、扫描速度下，监测其分子离子峰mz 386的信号强度，若在10 min内平均信号强度为5 V，通常电子倍增器增益是106，输入电阻为107 ，由此可得到以电量(库仑)表示的离子流信号强度： I= 10-10C 进样量Q=1g，灵敏度： S=I/Q=3 10-10 C/g (1Torr=133322Pa),（四）灵敏度,相对灵敏度定义为一定进样量获得的待测信号强度(signal，S)和噪声信号强度(noise，N)之比SN，是无量纲的数值 噪声一般是指检测器基线的波动或漂移产生的背景信号，是仪器固有的电噪声。但在实际应用中还要考虑仪器污染、样品基质、色谱柱流失等多种因素产生的干扰信号，所谓化学噪声 对多数质谱仪器而言灵敏度(S)和分辨率是(R)互为倒数关系： R=S/K,（四）灵敏度,随着分辨率提高，灵敏度会显著下降。灵敏度是反映仪器整体性能的一项指标，它和离子化效率、质量传输效率、扫描方式、扫描速度、检测器增益、进样方式等许多因素密切相关,（五）扫描速度(或速率),扫描速度指质谱进行质量扫描的速度，定义为每秒钟扫描的最大质量数,U scan=dm/dt,扫描速度取决于质量分析器的类型和结构参数，又因质谱扫描是由计算机控制，所以扫描速度还和计算机的运行速度以及接口的AD、DA的转换速率有关系,（五）扫描速度(或速率),各类仪器典型的扫描速率,（五）扫描速度(或速率),扫描速度是质谱数据采集的一个基本参数，影响质谱的数据采集质量。对获得合理的质谱图和好的色谱峰形有显著影响。扫描速度慢，质谱图中的离子丰度比将受GC组分浓度变化的影响，色谱峰形也会因为采样点数不够使峰形变坏,数据采集时需要的最低扫描速率可由下式计算： 10=10M/W 式中 10每一色谱峰1 0次扫描所需的扫描速率； 10M 10次扫描的质量范围； W色谱峰宽。,U,U,（六）灵敏度指标及测试方法,1灵敏度 气相色谱常用最低检测限来衡量检测器灵敏度。将标样组分信号强度为噪 声信号两倍时，单位体积的载气或单位时间内进入检测器的组分量定义为最低检测限，即： D=2N/S 式中 N噪声，mV； S检测器灵敏度，mVmLmL、mVmLmg、mVpgs； D检测限，mgmL、mgmL、pgs。,（六）灵敏度指标及测试方法,GCMS联用仪器的灵敏度习惯上直接用信号与噪声比(SN)来检验。采用一定浓度的标样，在一定操作条件下采集质谱图，选择某一质量离子信号峰值和某一段基线的噪声峰值，计算它们的比值。信号峰值取所选择的质量离子的峰高，而基线的噪声峰值有以下有三种不同定义,峰峰(peak to peak)信噪比，用某一段基线噪声的平均高度；噪声峰值的取法 峰半峰(half peak to peak)信噪比，用某一段基线噪声平均高度的12； 均方根(RMS)信噪比，用某一段基线噪声的均方根值计算,（六）灵敏度指标及测试方法,2影响灵敏度的因素 灵敏度既然是仪器整体性能的综合反映，除上面提到的质谱条件外 还和色谱进样方式、样品利用率、色谱分离效率有关。进行灵敏度测试必须考虑各种因素的影响，例如不同离子源的灵敏度指标和测试条件都不一样 在仪器验收时，各仪器厂家都会提供灵敏度测试所需的标样和测试方法，欲比较不同仪器的灵敏度，只有在完全相同条件下才会有可比性,（六）灵敏度指标及测试方法,(1)标样的选择 常用于GCMS仪器灵敏度测试的标样有硬脂酸甲酯、六氯苯、八氟萘、二苯酮等化合物,选择的离子质量都是化合物的分子离子为： m/z 298 m/z 284,（六）灵敏度指标及测试方法,GCMS仪器灵敏度测试的标样,选择的离子质量都是化合物的分子离子为： m/z 272 m/z 182,（六）灵敏度指标及测试方法,从三个化合物的谱图特征可以看出，若选用硬脂酸甲酯，要求较苛刻，因为mz 298离子丰度不高，只有基峰的1 0左右，易受干扰 选用六氯苯的mz 284是谱图中的基峰，有利于获得好的信噪比，同时还可以考察同位素峰的比例 目前多采用八氟萘mz 272离子，也是基峰，而且谱图相对简单，更有利于获得好的信噪比 二苯酮的质子亲和力比甲烷或异丁烷高，易形成(M+H)+离子(m/z 183)，多用于化学电离源正离子检测模式的灵敏度测试；负离子检测模式灵敏度测试则用八氟萘，因其电子亲和力较强，易获得电子而形成负离子m/z 272,（六）灵敏度指标及测试方法,(2)标准样品溶液 测试用标准样品的浓度为1 pg/L 一般厂家都会提供几个不同浓度(1 pgL、10 pgL、100 pgL)的标样，因为常需要用高浓度的标样摸索最佳测试条件，要特别注意不能过多使用高浓度样品进样，不仅是样品残留和记忆效应影响测试的真实性，而且标样的杂质和溶剂不纯引起的化学噪声会反而会降低信噪比,（六）灵敏度指标及测试方法,(3)测试条件 包括进样方式、进样量、色谱柱规格、温度条件和质谱的离子化方式、仪器调谐、分辨率、扫描速度、扫描质量范围等，都应有统一的规范，实际上各厂家给出的仪器灵敏度指标的测试条件并不完全相同 色谱条件上的区别主要是色谱柱，柱长多数用30 m，有的用15 m；升温速率有15min、20min、25min，显然色谱柱短，升温快，出峰快有利于提高信噪比,（六）灵敏度指标及测试方法,质谱条件一般和测试的项目有关，如EI、CI的灵敏度，全扫描(scan)、选择离子检测(SIM)、多反应检测(MRM)等的灵敏度测试条件都不相同 全扫描方式主要在质量范围的起始质量上有区别，如从40 u、50 u、200 u不同起点开始扫描，终点质量一般都在300 u。由于起点不同，全程扫描的质量可相差150u，显然扫描质量范围越窄对灵敏度越有利 分辨率：对低分辨仪器，通常用单位质量分辨，磁质谱低分辨用R=1000，高分辨用R=10000 调谐方式对灵敏度也会有影响。如果只追求所检测离子有最大丰度，不顾及所有离子的相对丰度比，得到的标准化合物谱图库检索的匹配度会较差。,（六）灵敏度指标及测试方法,(4)信噪比的计算 多数仪器的数据系统都有计算信噪比的应用程序，同时给出三种定义的信噪比计算结果，非常快捷、方便,给出三个不同结果，均方根法信噪比为98，峰峰比为19，半峰比为38。可以看出结果的明显区别,（六）灵敏度指标及测试方法,作为检验仪器性能，信噪比的噪声峰值一般是指仪器的电噪声，但在实际测试中，色谱柱固定液的流失、扩散泵油蒸气、样品中的杂质会使谱图的本底增高，因此信噪比的计算结果不仅和噪声峰值的定义有关，还和所取噪声的位置有关，取信号哪一侧基线的噪声，取多长一段基线上的噪声，计算结果都不完全相同，有时相差甚远。当本底峰干扰严重时，均方根计算方法有明显优势，或取没有干扰峰基线位置的电噪声计算信噪比也会较高，一般多取样品峰两侧的噪声峰值计算。,（六）灵敏度指标及测试方法,3影响灵敏度相关因素,(1)质谱分辨率对灵敏度的影响 对四极质谱、离子阱质谱、磁场质谱灵敏度和分辨率成反比。其它条件相同时，提高分辨率，灵敏度会降低,两个相邻峰的分辨率提高后，两个峰分得更开(阴影部分)，但峰高明显减小了,在高分辨磁场质谱的灵敏度验收指标中，如果分辨率1000的灵敏度为3 10-10 Cug，则分辨率10000时的灵敏度为3 10-11 Cug，刚好相差一个数量级,（六）灵敏度指标及测试方法,(2)不同扫描方式的灵敏度,单四极质谱全扫描(scan)和选择离子检测(SIM)方式的灵敏度比较，检测标样为六氯苯(HCB)，全扫描的进样量是2 pg，选择离子检测的进样量是2 fg，进样量相差三个数量级，从图中mz 284离子质量色谱峰可见，选择离子检测的信噪比要优于全扫描的信噪比。选择离子的检测限比全扫描低几个数量级,（六）灵敏度指标及测试方法,对选择离子检测所选择的离子质量，当样品基质较复杂时，基质中干扰离子质量信号比待测样品离子质量信号还强，信噪比很差。而采用MSMS多反应检测方式扫描，选择性更强，排除了杂质的干扰，信噪比明显提高,（六）灵敏度指标及测试方法,(3)不同真空条件的灵敏度指标 真空系统配置不同，如高真空泵的抽速和抽气方式不同(单泵抽气或双泵差动抽气)给出的灵敏度指标也不相同。扩散泵油蒸气造成本底升高也会影响灵敏度,在灵敏度的测试中，如果真空达不到仪器正常运转要求，灵敏度也难达到指标。在实际样品测试中，真空状态不好，灵敏度也会显著下降,（六）灵敏度指标及测试方法,(4)化学噪声对灵敏度的影响 经常遇到新仪器使用不长时间，灵敏度显著下降 就目前仪器性能而言，电噪声影响不是主要原因，主要是化学噪声问题 灵敏度化学噪声来源是多方面的，除上面已经提到的色谱柱流失、扩散泵油蒸气、样品基质外，还有载气纯度、色谱进样口隔垫流失、衬管污染、样品残留、清洗仪器用溶剂残留、离子源和分析器污染等 要获得高的信噪比，必须最大限度地降低一切噪声来源。离子源污染是常见的灵敏度下降的重要原因之一,（六）灵敏度指标及测试方法,脏的离子源谱图噪声明显较高，干净的离子源谱图基线光滑，噪声较低,（六）灵敏度指标及测试方法,(5)调谐方式对灵敏度的影响 有些仪器的自动调谐程序将校正用的标准样品全氟三丁胺的mz 219峰强度调到最大，使其相对强度达70以上，接近甚至超过标准谱图中的基峰mz 69而成为基峰。这意味着提高这一质量段的灵敏度，正好是测试灵敏度标样所用的质量范围，有利于得到高的信噪比。这种调谐方式也称为灵敏度调谐,二、质谱仪的主要参数设置,质谱法是分子水平的一项分析技术，从样品离子化到实现离子质量分离和最终检测，全过程需要控制的参数较多 包括样品导入、离子化条件、离子透镜聚焦参数、质量分离的不同扫描方式、质量分辨能力、灵敏度、数据采集、谱图处理和分析结果的获得，每一步骤相互关联，任何环节的失误都将影响最终结果 通过质谱仪器调谐、数据采集和扫描方式的讨论，介绍各操作参数的意义 质谱仪器类型不同，具体参数可能不相同，但是操作原理是一样的 下面的讨论均以四极质谱为例,（一）、仪器的调谐,仪器调谐就是进行仪器的校准。通过调节离子源、质量分析器、检测器各个参数，获得需要的分辨率、灵敏度、准确的质量测量以及正确的离子丰度比 仪器调谐目的一是为了解仪器状态，如在验收仪器进行性能测试时，仪器故障维修或仪器维护清洗后，检查仪器是否正常，能否达到规定的性能指标 二是为了满足不同分析方法要求，获得最佳定性、定量分析条件。除了适当的分辨率和质量测定准确外，定量分析要求有足够的灵敏度和重现性，定性分析要求正确的离子丰度比，否则定量结果的可靠性以及定性依据的谱图解释和谱库检索都会有问题,（一）、仪器的调谐,仪器状态是否满足要求，需要用规定标准样品的测试结果来检验。仪器调谐所需的标准化合物因质量范围不同，采用的标准样品也不同 通常质量范围小于1000的低分辨GC/MS多采用全氟三丁胺(perfluorotributyamine，PFTBA或FC43)进行调谐，因为全氟三丁胺易挥发、稳定性好、碎片质量范围宽，仅有15N、13C同位素,全氟三丁胺(FC43)质谱数据,（一）、仪器的调谐,不同定量分析方法也需采用不同标准化合物标定仪器，如环境分析的EPA 524和EPA 525方法规定使用氯氟苯(BFB)和十氟三苯膦(DFTPP)，油品烃类型组成分析ASTM标准方法规定使用正十六烷烃校准仪器 调谐必须在仪器稳定条件下进行，仪器不稳定调谐结果将不可靠。无论何种调谐方式，使用何种标样，调谐的步骤大致相同。不同仪器的操作系统软件都会提供几种调谐方式，有人工输入参数的手动调谐(manual tune)，也有完全由计算机控制的自动调谐(auto tune)。导入标准样品后，根据设定的特征离子质量和丰度比，手动或自动按一定程序反复调节仪器各个参数直至获得满意的分辨率、灵敏度，并进行质量校正得到应有的质量准确度,1调谐参数设置,有些仪器软件操作系统，给出若干个不同应用要求的调谐程序，初学者往往忽略了这些调谐程序的差别，没能根据不同的需要选择不同调谐程序，或无意中一直使用程序中的默认参数值，没有根据需要设定离子质量和强度比以及温度条件等 因此调谐虽然也能通过，但实际样品分析中却得不到满意的灵敏度，或离子丰度比例不对，使谱图检索结果的匹配率相差甚远。调谐必须根据方法要求，设置标准化合物的特征离子质量和相对强度 采用FC43标准样品调谐时，一般选择mz 69、mz 219、mz 502三个离子，其相对强度可参考表中的相对强度或根据不同需要设置。离子源、分析器的温度一般不低于150度，离子源的温度一般高于分析器，还要注意真空状态。若存在漏气或系统严重污染，调谐不能正常进行,1调谐参数设置,调谐程序运行中调节的仪器操作参数，包括离子源的发射电流、电子能量(EI源给定70 eV，CI源可改变)、透镜电压；分析器的工作电压(四极质谱的DCRF电压比值和DC电压补偿)；电子倍增器或光电倍增器工作电压,1调谐参数设置,运行调谐程序时，在调谐窗口可观察到设定质量离子的峰形，以及各参数 的变化情况，不同仪器显示窗口大同小异，多数显示所选择三个离子的峰形图 ，也有给出标准化合物的全谱。调谐结束后可以储存或打印出调谐 结果报告,2调谐参数对结果的影响,离子源的参数是影响灵敏度和离子相对丰度的主要因素，灯丝发射电流和电子能量关系到离子产率 离子透镜中推斥极的作用是将离子引出离子源进入分析器，提高推斥极电压，引出的离子数增加，从而增加灵敏度 聚焦透镜作用是使离子束聚焦，离子聚焦透镜电压大小影响高、低质量端的离子丰度和峰形变化 质量分析器的参数主要影响分辨率、离子丰度比以及灵敏度 四极质量分析器的直流电压(DC)与射频电压(RF)在扫描过程中同时变化，各个质荷比的离子在这个复合电压下有各自的稳定区,2调谐参数对结果的影响,在这个区域中，该离子能够顺利穿过四极质量分析器，扫描线表示在扫描过程中四极的DC电压与RF电压以恒定比值变化，DC电压与RF电压比值(扫描线的斜率)决定每个离子的峰宽(分辨率)和峰高(灵敏度)，当扫