CN111735870A - 一种在线实时分析质谱的校正方法及校正装置 - Google Patents

一种在线实时分析质谱的校正方法及校正装置 Download PDF

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刘超
曾嘉发
张志娟
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方明亮
高伟
谭国斌
周振
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Abstract

本发明公开的一种在线实时分析质谱的校正方法，采用气体动态稀释校准装置配制恒定浓度和恒定进样流量的标准气体；通过质谱仪的在线实时分析离子源电离气体，质谱仪检测器测定标准气体初始质谱响应强度，并以实时获取的信号响应强度计算响应强度均值和标准偏差；根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对仪器进行校正；通过校正后的质谱仪进行样品检测；本发明通过调整质谱仪的操作参数，将标准气体物质分子离子峰对应的信号强度调整到正常强度的误差范围内，进而提高了目标分析物连续监测数据的可比性与有效性。

Description

一种在线实时分析质谱的校正方法及校正装置
技术领域
本发明涉及质谱仪分析方法的研究领域，特别涉及一种在线实时分析质谱的校正方法及校正装置。
背景技术
离子源是质谱仪中最重要的部分，用于将待测物质离子化。在线实时分析离子源，属于大气压离子源；在线实时分析离子源的特点是无需进行色谱分离即可直接分析样品。二次电喷雾离子源(Secondary electrospray ionization，SESI)是一种在线实时分析离子源，适于电离气体、气溶胶样品，与质谱(Mass spectrometry，MS)耦合后，可实时在线检测生物体呼出气、细菌顶空气、室内外空气等样品，成功用于表征人体生物钟、诊断肺部疾病、解析室内外化学机制等研究。SESI源工作原理可简述为：在常温常压环境中，样品中的中性分子被电喷雾产生的初级带电液滴离子电离生成分子离子。
SESI-MS稳定的灵敏度是确保定量结果准确性和精确性的重要前提，但是电喷雾喷针位置的微小变化(更换SESI源电喷雾喷针、清洗离子源需要重新安装离子源，会改变喷针位置)、离子源内样品的残留效应，都会导致SESI-MS日间甚至日内灵敏度发生变化，使得不同批次、不同实验室的数据不具备可比性，严重影响数据的有效分析。Li和Zhang曾采用有机酸液体标准品的顶空气样品评价SESI-MS的稳定性，如果发现SESI-MS灵敏度超出正常范围，就可以通过调整电喷雾喷针位置、喷雾电压等质谱仪操作参数，调整标准样品信号强度。但液体标准品浓度变化、温度变化等都会影响气态条件下化合物的浓度，影响校正的准确性。因此，目前尚无一种易于操作、精准度高的SESI-MS的校正方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种在线实时分析质谱的校正方法用于质谱仪进行样品在线实时检测。在每次测样前，采用气体动态稀释校准仪配制恒定浓度和恒定进样流量的标准气体，通入质谱的在线实时分析离子源电离，质谱仪检测器检测其信号强度。检测固定浓度的标准气体样品，在质谱中得到气体物质分子离子峰对应的信号强度，通过调整电喷雾喷针位置、喷雾电压等质谱仪操作参数，将气体物质分子离子峰对应的信号强度调整到正常强度范围内，其正常强度根据三个实验室对标准气体的响应强度综合分析所得。
本发明的另一目的在于提供一种在线实时分析质谱的校正装置。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种在线实时分析质谱的校正方法，包括以下步骤：
采用气体动态稀释校准装置配置恒定浓度和恒定进样流量的标准气体；
通过质谱仪的在线实时分析离子源电离标准气体，质谱仪检测器测定标准气体初始质谱响应强度，并以初始质谱响应强度为校正基准；这里的初始质谱响应强度为正常强度。
在检测质谱仪状态过程中，通过实时获取质谱响应强度实时计算质谱响应强度偏差率；
根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态进行校正；
通过校正后的质谱仪进行样品检测。
进一步地，所述计算质谱响应强度偏差率，具体如下：
以初始质谱响应强度Ia为校正基准，实时获取时间点t时的质谱响应强度为Ia(t),则质谱响应强度偏差率计算如下：
Figure BDA0002613361270000021
其中，η为质谱响应强度偏差率，Ia为初始质谱响应强度，Ia(t)为时间点t的质谱响应强度。
进一步地，所述根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对仪器进行校正；具体如下：
若质谱响应强度偏差率小于阈值，则质谱仪状态正常，能进行正常样品检测；若质谱响应强度偏差率大于阈值，则质谱仪状态不正常，需要进行校正；
所述校正如下：通过电喷雾喷针调节把手对照电喷雾喷针刻度盘，调节电喷雾喷针与质谱仪入口位置，通过质谱仪里的Mass Traces功能实时反应标准物质的强度变化，根据实时质谱响应强度变化情况，对电喷雾喷针的位置进行移动，直到相同浓度标准气体的质谱响应强度与校正基准的质谱响应强度偏差率小于10％，则完成校正。
进一步地，所述阈值为10％。
进一步地，所述质谱仪的在线实时分析离子源为二次电喷雾离子源。
进一步地，所述标准气体包括酮类、烯烃、苯系物类。
本方法采用的标准气体和气体动态稀释校准仪，均为易于获取的商品，有利于校正方法的实现和推广；标准气体和气体动态稀释校准仪均为商业产品，品质稳定，标准气体浓度波动小，气体动态稀释校准仪有标准的操作流程；单次校正时间需要10分钟，在连续观测研究中，可以每天执行一次校正；对于样品基质较脏的情况，可能在离子源产生残留效应的情况，可以每次样品分析后，执行一次校正。该方法适用于成分复杂、长周期检测的气体样品的在线实时检测。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
一种在线实时分析质谱的校正装置，其特征在于，包括标准气体稀释装置、装配有在线实时分析离子源的质谱仪；其中，标准气体稀释装置包括排气罩、气体动态稀释校准装置、稀释气体钢瓶、标准气体钢瓶；稀释气体钢瓶和标准气体钢瓶分别与气体动态稀释校准装置的进气口连接，气体动态稀释校准装置的出气口与质谱仪的在线实时分析离子源连接，排气罩与气体动态稀释校准装置的废气出口连接。
进一步地，所述质谱仪的在线实时分析离子源为二次电喷雾离子源。
进一步地，所述质谱仪的在线实时分析离子源通过锁扣与质谱仪接口连接。
进一步地，所述稀释气体钢瓶和标准气体钢瓶分别通过特氟龙管与气体动态稀释校准装置的进气口连接。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明操作方便，适用于成分复杂、长周期检测的气体样品的在线实时检测，可提高目标分析物连续监测数据的可比性与有效性及不同实验室之间数据的可比性。
附图说明
图1为本发明所述一种在线实时分析质谱的校正方法流程图；
图2为实施例2所述的一种在线实时分析质谱的校正装置结构示意图；
图3为实施例2所述的二次喷雾离子源结构示意图；
图4为实施例2中2ppbvα-松油烯校正过程提取离子流示意图；
图5为实施例2中2ppbv丙酮提取离子流示意图。
附图中，1-排气罩，2-二次电喷雾离子源，3-质谱仪，4-气体动态稀释校准装置，5-标准气体钢瓶，6-稀释气体钢瓶，7-锁扣，8-石英毛细管，9-钽电极，10-电喷雾溶液，11-电离室，12-电喷雾喷针刻度盘，13-电喷雾喷针调节把手，14-进样管。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
一种在线实时分析质谱的校正方法，如图1所示，包括以下步骤：
采用气体动态稀释校准装置配制恒定浓度和恒定进样流量的标准气体；所述的标准气体的成分包括酮类(丙酮、2-丁酮和2-戊酮)、烯烃(异戊二烯、α-松油烯)及苯系物类(甲苯、苯乙烯和均三甲苯)，
通过质谱仪的在线实时分析离子源电离标准气体，质谱仪检测器测定标准气体初始质谱响应强度，并以初始质谱响应强度为校正基准；质谱仪的在线实时分析离子源为二次电喷雾离子源；
在检测质谱仪状态过程中，通过实时获取质谱响应强度实时计算质谱响应强度偏差率；具体如下：
以初始质谱响应强度Ia为校正基准，实时获取时间点t时的质谱响应强度为Ia(t),则质谱响应强度偏差率计算如下：
Figure BDA0002613361270000041
其中，η为质谱响应强度偏差率，Ia为初始质谱响应强度，Ia(t)为时间点t的质谱响应强度。
根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态进行校正，具体如下：
若质谱响应强度偏差率小于阈值10％，则质谱仪状态正常，能进行正常样品检测；若质谱响应强度偏差率大于阈值10％，则质谱仪状态不正常，需要进行校正，才可以进行样品检测，从而提高了目标分析物连续监测数据的可比性与有效性及不同实验室之间数据的可比性；
所述校正如下：通过电喷雾喷针调节把手对照电喷雾喷针刻度盘，调节电喷雾喷针与质谱仪入口位置，通过质谱仪里的Mass Traces功能实时反应标准物质的强度变化，根据实时质谱响应强度变化情况，对电喷雾喷针的位置进行移动，直到相同浓度标准气体的质谱响应强度与校正基准的质谱响应强度偏差率小于10％，则完成校正。
通过校正后的质谱仪进行样品检测。
实施例2：
一种在线实时分析质谱的校正装置，如图2所示，包括标准气体稀释装置、装配有在线实时分析离子源的质谱仪；其中，标准气体稀释装置包括排气罩、气体动态稀释校准装置、标准气体钢瓶、稀释气体钢瓶；标准气体钢瓶和稀释气体钢瓶分别通过规格为1/8和1/4的特氟龙管与气体动态稀释校准装置的进气口连接，气体动态稀释校准装置的出气口用1/4的特氟龙管与质谱仪的在线实时分析离子源的进样管相连，排气罩与气体动态稀释校准装置的废气出口连接；质谱仪的在线实时分析离子源通过锁扣与质谱仪接口连接。
标准气体由标准气体钢瓶5提供，所选用的标准气体为性质稳定的挥发性有机物，具体成分包括酮类(丙酮、2-丁酮和2-戊酮)、烯烃(异戊二烯、α-松油烯)及苯系物类(甲苯、苯乙烯和均三甲苯)。
质谱仪的在线实时分析离子源为二次电喷雾离子源，二次电喷雾离子源通过锁扣7与质谱仪接口相连，电喷雾石英毛细管8内径为20μm，长度为50cm；钽电极9接有3.5kV电压，通过供压气将电喷雾溶液10加压形成初级带电液滴离子；左侧进样管14安装有加热带，实验时采用130℃，防止高沸点的气体样品冷凝附着在进样管上，造成分析物损失；图3为二次喷雾离子源结构示意图。
所述标准气体钢瓶和稀释气体钢瓶分别通过特氟龙管与气体动态稀释校准装置的进气口连接。
将气体动态稀释校准仪4的配气浓度设置为2ppbv，配气流量设置为5L/min，这里的稀释气体钢瓶为氮气钢瓶，打开标准气体钢瓶5和氮气钢瓶6的总阀和减压阀，调节稳压阀至0.2MPa，待配气浓度稳定后接入二次电喷雾离子源的进样管14，经电离室11电离后进入质谱仪3进行检测。
具体步骤为：在每次测定待分析的样品前，测定一组标准气体，通过其中某一组分的响应强度来判定质谱的状态是否稳定。标准气体样品初始时的质谱响应强度为Ia，此强度为校正基准(本实验是采用标准气体中α-松油烯响应强度为3×107作为校正基准，参考物质及阈值选择是通过三个实验室对该标准气体的响应强度综合分析的结果)；某一时间点t的质谱响应强度为Ia(t)，则质谱响应强度偏差率：
Figure BDA0002613361270000061
若偏差率小于10％，则表明质谱仪状态相同，若偏差率大于10％，则需要对质谱仪进行校正。本方法采用通过电喷雾喷针调节把手13，对照电喷雾喷针刻度盘12，调节电喷雾喷针与质谱仪入口的位置。当调节电喷雾喷针的时候，通过质谱仪里的Mass Traces功能实时反应标准物质的响应强度变化，根据实时响应强度变化情况，对电喷雾喷针的位置移动进行指导，直到相同浓度标准气体的质谱响应强度与校正基准的偏差率小于10％，质谱仪状态才得以校正，此后才可以进行样品检测，提高了目标分析物连续监测数据的可比性与有效性及不同实验室之间数据的可比性。
实际操作中，根据2ppbvα-松油烯的质谱响应强度对质谱仪校正，校正过程的提取离子流示意图如图4所示。前4.5分钟电喷雾喷针与质谱仪入口的距离为0.5mm，2ppbvα-松油烯的质谱响应强度均值与校正基准3×107的偏差率大于10％，质谱仪状态不正常，故通过电喷雾探喷针调节把手13，对照电喷雾探喷针刻度盘12，将电喷雾探喷针与质谱仪入口的位置调节至2.5mm处，经过4.5分钟的检测，2ppbvα-松油烯的质谱响应强度均值与校正基准3×107的偏差率小于10％，质谱仪状态得以校正。连续三天运用图1的校正方法流程进行校正后，运用2ppbv丙酮单标验证质谱仪校正后的稳定性。图5为连续三天的2ppbv丙酮提取离子流示意图。结果显示，对质谱仪状态进行校正后，对于恒定浓度、恒定进样流量的丙酮，其质谱响应强度基本稳定，与该校正方法的目标是一致的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在线实时分析质谱的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用气体动态稀释校准装置配制恒定浓度和恒定进样流量的标准气体；
通过质谱仪的在线实时分析离子源电离标准气体，质谱仪检测器测定标准气体初始质谱响应强度，并以初始质谱响应强度为校正基准；
在检测质谱仪状态过程中，通过实时获取质谱响应强度实时计算质谱响应强度偏差率；
根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态进行校正；
通过校正后的质谱仪进行样品检测。
2.根据权利要求1所述的一种在线实时分析质谱的校正方法，其特征在于，所述计算质谱响应强度偏差率，具体如下：
以初始质谱响应强度Ia为校正基准，实时获取时间点t的质谱响应强度为Ia(t)，则质谱响应强度偏差率计算如下：
Figure FDA0002613361260000011
其中，η为质谱响应强度偏差率，Ia为初始质谱响应强度，Ia(t)为时间点t的质谱响应强度。
3.根据权利要求2所述的一种在线实时分析质谱的校正方法，其特征在于，所述根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对仪器进行校正；具体如下：
若质谱响应强度偏差率小于阈值，则质谱仪状态正常，能进行正常样品检测；若质谱响应强度偏差率大于阈值，则质谱仪状态不正常，需要进行校正；
所述校正如下：通过电喷雾喷针调节把手对照电喷雾喷针刻度盘，调节电喷雾喷针与质谱仪入口位置，通过质谱里的Mass Traces功能实时反应标准物质的强度变化，根据实时质谱响应强度变化情况，对电喷雾喷针的位置进行移动，直到相同浓度标准气体的质谱响应强度与校正基准的质谱响应强度偏差率小于10％，则完成校正。
4.根据权利要求3所述的一种在线实时分析质谱的校正方法，其特征在于，所述阈值为10％。
5.根据权利要求1所述的一种在线实时分析质谱的校正方法，其特征在于，所述质谱仪离子源为二次电喷雾离子源。
6.根据权利要求1所述的一种在线实时分析质谱的校正方法，其特征在于，所述标准气体包括酮类、烯烃、苯系物类。
7.一种在线实时分析质谱的校正装置，其特征在于，包括标准气体稀释装置、装配有在线实时分析离子源的质谱仪；其中，标准气体稀释装置包括排气罩、气体动态稀释校准装置、稀释气体钢瓶、标准气体钢瓶；稀释气体钢瓶和标准气体钢瓶分别与气体动态稀释校准装置的进气口连接，气体动态稀释校准装置的出气口与质谱仪的在线实时分析离子源连接，排气罩与气体动态稀释校准装置的废气出口连接。
8.根据权利要求7所述的一种在线实时分析质谱的校正装置，其特征在于，所述质谱仪的在线实时分析离子源为二次电喷雾离子源。
9.根据权利要求8所述的一种在线实时分析质谱的校正装置，其特征在于，所述质谱仪的在线实时分析离子源通过锁扣与质谱仪接口连接。
10.根据权利要求7所述的一种在线实时分析质谱的校正装置，其特征在于，所述稀释气体钢瓶和标准气体钢瓶分别通过特氟龙管与气体动态稀释校准装置的进气口连接。
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