便携式质谱仪技术方案

便携式气相色谱-质谱联用仪的研制及应用李晓旭;刘立鹏;马乔;俞建成;郑毅;吴文明;王健【摘要】A portable gas chromatograph-mass spectrometer (GC-MS) was developed based on a quadrupole ion trap (IT) mass analyzer and a low thermal mass GC. The portable GC-MS system, mainly composed of a sample system, a low thermal mass GC module, a GC-MS interface and a miniaturized ITMS system, has a dimension of 44 cm×36 cm×22 cm and weighs of 14 kg. The power consumption during sample analysis is about 100 W. The ITMS system has a mass range of mlz 15-550 and can give a mass resolution at full-width half-maximum (FWHM) of less than 0.5 amu at a high scan rate up to 10,000 amu/s. Furthermore, the ITMS system has the ability of performing three-stage tandem mass spectrometry. The performance of the portable GC-MS system was investigated by testing the volatile organic compounds (VOCs) standard including EPA TO 14 and EPA-624 by this system. The portable GC-MS system can be used for in situ analysis of hazard compounds in a variety of complex and harsh environments with portability, rapid response, low detection limit and high specificity.%将双曲面三维离子阱质谱技术与低热容气相色谱技术相结合,研制了便携式气相色谱-质谱联用仪(GC-MS).此仪器主要由进样系统、低热容气相色谱模块、气质接口以及小型化离子阱质谱模块等构成,其主机重量小于14 kg,体积为44 cm×36 cm×22 cm,功耗小于100W.该仪器中的离子阱质谱仪系统具有15～550 amu的质量范围,在全质量范围内质量分辨率优于0.5 amu(FWHM),最高扫描速率可达10000 amu/s,此系统还具有三级质谱分析功能.采用此便携式GC-MS分别测试环境标准样品EPA TO- 14和EPA 624,结果表明,仪器具有定性能力强、分析速度快、检测灵敏度高、功耗小以及便携性能优等特点,可对空气、水体、固态废弃物中的有毒有害物质进行现场分析和检测.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2011(039)010【总页数】6页(P1476-1481)【关键词】便携式;气相色谱-质谱联用仪;离子阱质谱;低热容气相色谱;多级质谱【作者】李晓旭;刘立鹏;马乔;俞建成;郑毅;吴文明;王健【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院杭州310018;光科技(杭州)股份有限公司杭州310052;光科技(杭州)股份有限公司杭州310052;光科技(杭州)股份有限公司杭州310052;杭州电子科技大学电子信息学院杭州310018;光科技(杭州)股份有限公司杭州310052;光科技(杭州)股份有限公司杭州310052;光科技(杭州)股份有限公司杭州310052;光科技(杭州)股份有限公司杭州310052【正文语种】中文近年来，环境污染问题日趋严重，化工原料泄漏等突发事件增多，地质灾害频发，生化恐怖袭击威胁加剧，严重危害人们的生命财产和国家安全。

便携式气相色谱/质谱仪技术参数1.基本要求1.1 便携式，用于工作场所以及事故现场的有毒有害化合物（TICs）快速定性定量测定。

配备顶空进样器监测水质、土壤、大气等环境样品中的挥发性有机物，能够鉴别大气、水体中ppm（百万分之一）到ppt（万亿分之一）范围内的分析对象。

内设小瓶载气供移动使用，有专用电池，可接外部气源、电源。

1.2 产品在国内有不小于50台的销售成功案例，并提供验收报告。

1.3 提供生产厂家的ISO质量认证证书。

1.4 提供产品抗震测试报告。

1.5提供针对环境空气污染的应急监测方案。

2.技术指标2.1 工作条件2.1.1环境温度：-10～40℃2.1.2环境湿度：在全部相对湿度范围内使用2.1.3使用电源：220 V (±10%)，50/60Hz。

可用充电电池和交流电两种供电模式。

2.1.4仪器内置野外分析气源（N2）:标气气罐，且可充气。

2.2 主要技术性能指标2.2.1柱温箱：温度可编程的GC柱，45℃至200℃；GC柱：15m×0.25mm内径，Rtx-1ms毛细柱 1套。

2.2.2进样探头：内置混合吸附剂的捕集阱浓缩器2.2.3内含野外分析的气源（氮气或氦气）、标气气罐。

2.2.4携带重量：≤19公斤（含电池），完全便携，不受现场工作条件限制，能够在运动过程中实现样品分析。

2.2.5质谱部分2.2.5.1 电离模式：70eV EI，四极杆的分析器。

2.2.5.2 真空系统：适应震动、颗粒物浓度、湿度等各种环境的非蒸发分子吸附泵。

2.2.5.3 动态范围：7个量级2.2.5.4检测值限: PPT（对包括烷烃、芳烃、卤代烃在内的大多数分析物）2.2.6样品进样2.2.6.1 气体样品为直接进样或直接进入捕集阱吸附浓缩再热解析进样。

2.2.6.2 液体或固体样品通过动静态顶空进样系统进样。

2.2.7动静态顶空进样器2.2.7.1顶空进样器能容易地与GC/MS相连，进行有机污染物的分析；能够分析ppm～ppt 浓度的挥发性有机化合物。

便携式气相色谱/质谱仪技术参数1.基本要求1.1 便携式，用于工作场所以及事故现场的有毒有害化合物（TICs）快速定性定量测定。

配备顶空进样器监测水质、土壤、大气等环境样品中的挥发性有机物，能够鉴别大气、水体中ppm（百万分之一）到ppt（万亿分之一）范围内的分析对象。

内设小瓶载气供移动使用，有专用电池，可接外部气源、电源。

1.2 产品在国内有不小于50台的销售成功案例，并提供验收报告。

1.3 提供生产厂家的ISO质量认证证书。

1.4 提供产品抗震测试报告。

1.5提供针对环境空气污染的应急监测方案。

2.技术指标2.1 工作条件2.1.1环境温度：-10～40℃2.1.2环境湿度：在全部相对湿度范围内使用2.1.3使用电源：220 V (±10%)，50/60Hz。

可用充电电池和交流电两种供电模式。

2.1.4仪器内置野外分析气源（N2）:标气气罐，且可充气。

2.2 主要技术性能指标2.2.1柱温箱：温度可编程的GC柱，45℃至200℃；GC柱：15m×0.25mm内径，Rtx-1ms毛细柱 1套。

2.2.2进样探头：内置混合吸附剂的捕集阱浓缩器2.2.3内含野外分析的气源（氮气或氦气）、标气气罐。

2.2.4携带重量：≤19公斤（含电池），完全便携，不受现场工作条件限制，能够在运动过程中实现样品分析。

2.2.5质谱部分2.2.5.1 电离模式：70eV EI，四极杆的分析器。

2.2.5.2 真空系统：适应震动、颗粒物浓度、湿度等各种环境的非蒸发分子吸附泵。

2.2.5.3 动态范围：7个量级2.2.5.4检测值限: PPT（对包括烷烃、芳烃、卤代烃在内的大多数分析物）2.2.6样品进样2.2.6.1 气体样品为直接进样或直接进入捕集阱吸附浓缩再热解析进样。

2.2.6.2 液体或固体样品通过动静态顶空进样系统进样。

2.2.7动静态顶空进样器2.2.7.1顶空进样器能容易地与GC/MS相连，进行有机污染物的分析；能够分析ppm～ppt 浓度的挥发性有机化合物。

【仪器知识】便携式气相色谱-质谱仪的原理与构造便携式气相色谱-质谱联用仪一．工作原理该仪器利用气相色谱和质谱两种技术来分离、鉴别和测量样品中的挥发性有机化合物（VOCs）。

样品从取样口进入气相层析系统，气相色谱仪执行样品化合物的时间分离（滞留时间分离次序主要基于递增的化合物沸点），再被高能量的电子（70eV）轰击成为离子碎片，气流被导入质谱仪，质谱仪基于四级杆原理检测和鉴别淘析化合物，再与谱库对比来识别化合物。

二．仪器构成此仪器由取样系统、气相色谱仪、质谱仪、真空系统和数据处理系统 5 部分组成。

取样系统：有探头、顶空进样装置和吹扫捕集装置3 种形式。

仪器每次只能自动识别一个连接的采样装置。

气相色谱仪利：用内置氮气瓶中的高纯氮气作为载气，通过一根长度为 15m、内径为0.25 mm、膜厚0.1μm 的窄孔熔融石英管的色谱柱输送分析物，然后进入检测器。

色谱柱的内壁镀覆一层100%聚甲基硅氧烷固定相，使用温度范围为45～220 ℃。

质谱仪：包含电离合、质量选择器和离子检测器。

真空系统：由非蒸发吸气剂泵和小型溅射离子泵提供，非蒸发吸气剂泵内装有特殊的锆合金，被加热时可非常有效地吸附气体分子，非蒸发吸气剂泵对抽除活性气体效果明显，但无法抽除惰性气体。

溅射离子泵用于抽除氩、氖和氪等气体，以免这些气体聚积在质谱仪中导致压强上升和干扰其运行。

数据处理系统由控制和分析软件构成。

三．操作过程常用采样方式有直接进样法和顶空进样法。

直接进样方法采集的气体不进入色谱柱，直接进入质谱分析，对较纯的物质可很快给出定性结果，但是对于混合物无法直接定性，且需要被测物质浓度在ppm 级。

顶空法采样手段，主要是对水和土壤中的挥发性有机物进行前处理。

在一定的温度条件下，顶空瓶内样品中挥发性组分向液面上部空间挥发，产生蒸汽压，使气液两相达到热力学动态平衡。

采样时，先向顶空瓶中冲入氮气，再通过置于探针顶部的吸管抽取气相中的挥发性有机物，经色谱分离后，送质谱仪检测。

便携式质谱仪的技术与应用随着科技的发展和社会的进步，人们对仪器的要求也越来越高，强调高效、精准、方便、快捷等特点。

质谱仪是一种用于分析化学物质的高科技仪器，具有高灵敏度、高分辨率、高可靠性、高速度等优点。

传统的质谱仪体积庞大、重量沉重，很难实现场地转移和实时检测，而便携式质谱仪正是为了解决这个问题而发展起来的。

一、便携式质谱仪的原理便携式质谱仪与传统质谱仪相比，主要的区别在于质谱分析部分的小型化、轻量化和微型化。

便携式质谱仪采用了多种新型技术，例如微流控技术、微机电系统技术，使得质谱分析部分成为了一个微小的系统，可以装在一个普通的背包中，方便携带。

同时，便携式质谱仪在样品的处理、分析、结果的输出等方面都使用了尽可能简便的设计和方法。

二、便携式质谱仪的应用领域随着便携式质谱仪的不断发展和完善，其应用领域也越来越广泛。

目前，便携式质谱仪主要应用于以下几个方面：1.食品安全检测便携式质谱仪可以实现立即检测和分析食品中的有害物质，例如污染物、重金属、农药等。

平时生活中，我们可以随身携带，随时随地进行食品安全检测，更加保障自己的健康。

2.环境监测便携式质谱仪可以对大气、水质、土壤等环境参数进行快速监测和分析，及时发现污染源，对环境保护和治理工作提供有力的技术支持。

3.医药领域便携式质谱仪可以用于医药工业中的新药开发、旧药改良、药品治疗效果的监测等方面。

医药领域的质谱仪需求量大，便携式质谱仪能够为医药领域带来革命性的变革。

4.安检领域便携式质谱仪可以用于安全检查、危险品鉴定、爆炸物品检验等方面。

既可在执行安保任务时使用，还可用于扫描邮件、包裹等，针对一些敏感场合有着独特的应用价值。

5.矿产领域便携式质谱仪可以用于矿藏勘探、采矿、石油气勘探等方面。

它能够对矿石物质的成分、结构和性质等进行测定，对于提高勘探效率和保障采矿安全具有重要的意义。

三、便携式质谱仪的特点1.体积小、重量轻与传统质谱仪相比，便携式质谱仪一般不需要固定的电源和气源，体积小，重量轻，可以满足不同需求的场合和环境条件下使用。

主要用途：★移动环境监测，区域环境评估★应急检测，对现场未知样品快速鉴定，保证现场人员安全★移植实验室GC-MS国标测试方法进行实验室样品测试三、技术指标一）、主机技术指标1.整机模块1.1环境温度：-20℃~45℃；1.2环境湿度：可在全部相对湿度范围内使用；1.3电源：220 V (±10%)，50/60Hz；或电池24伏（DC）供电，30W；电池供电时间大于2.5h，支持不关机更换电池；1.4开机及稳定时间：≤10min（稳定条件保留时间RSD≤5%）；1.5循环分析时间：实时显示，GCMS分析模式循环分析时间3～10分钟可调；1.6使用条件：可在实验室、车辆行驶及人员携带状态下开机及使用；1.7重量：≤20公斤（含主机、内置电池、气罐等）；1.8防护等级：军用机箱整体具有IP65级防护能力，可在雨天、风沙、地震等恶劣环境下短时间正常工作；1.9数据库：内装NIST与AMDIS的质谱库，并配有NIOSH的数据库，谱库软件可以终身更新；1.10通信：使用TCP/IP通讯模式；1.11操作：可通过仪器面板、手持式控制器、外接笔记本电脑等方式进行操作。

2.气相色谱模块1.载气：内置便携式高纯氦气瓶，单瓶气体可持续使用≥12小时，可分析≥150个样2.3.载气流量：最大支持1.0ml/min载气流量直接流入质谱模块；4.载气流量控制方式：电子压力控制模式，控制范围0-100psi，控制精度0.01psi；5.进样口：气体样品通过进样探头直接进样或进入内置复合吸附剂的捕集阱吸附浓缩6./不7.8./分流进样和脉冲进样，分流比可调；9.低热容毛细管色谱柱：标配30m×0.25mm×1μm低热容色谱柱，根据客户实际使用10.45℃11.≥15米（DB-1MS)，升温速率≥20℃/分钟。

根据不同规格色谱12.10℃至280℃；13.进样模式：气体样品能通过吸附浓缩管解吸模块或定量环模块直接完成气体样前处14.15.300℃；16.定量环模块、吸附浓缩管解吸模块及样品全套管路都经过表面惰性化处理，满足现17.18.定量方法：内标法；19.内置捕集阱浓缩器；20.进样方式切换：不同进样方式的切换（SPME/热解析/顶空）均无需对仪器硬件进21.3.质谱模块1.质量分析器：带预四极全金属高精度四极杆质量分析器，预四极与主四极杆一体化 2.3.离子源：高温惰性化陶瓷离子源，70eV EI ，配置长寿命双灯丝结构； 4.电子能量：10eV-100eV 电离能量可选； 5.检测器：带高能打拿极电子倍增器； 6.质量精度：0.1amu/24h ； 7.灵敏度：＜0.5ppb （对包括烷烃、芳烃、卤代烃在内的大多数分析物）； 8.质量范围：2amu 至550amu ，其中SIM 模式下1amu 至300amu ，软件能完成设 9.10.扫描模式：全具有全扫描（Full Scan ）和选择离子监测（SIM ）两种方式可选； 11.扫描速度：≥3000 amu/s ； 12.真空系统：抽除化学背景的质谱真空系统，由微型隔膜泵及高速分子泵组成； 13.动态范围：107，满足现场高低不同浓度样品检测； 14.质量分辨率：≤1amu ； 15.快速速查分析功能：气态样品可不经过色谱分离直接进入主机质谱检测，在线实 16.17.自动调谐：仪器每次开机会自动进行调谐，用户也可以随时手动调谐； 18.热解析附件：主机内置热解析附件，包含捕集阱浓缩器，可对低浓度化合物进行痕 19.二）、便携式动静态顶空进样器技术指标系统顶空进样器采用便携式顶空进样套件HSP1000，该设备具备动态顶空（吹扫捕集）和静态顶空双重顶空分析功能。