氮氣純度和質(zhì)量以及氮氣發(fā)生器的選擇對LC-MS運行的影響

概述

在為LC-MS儀器選擇氮氣源時，需要注意哪些問題？應(yīng)該如何選擇適合的發(fā)生器？

本文闡述了LC-MS儀器對氮氣的要求，以及設(shè)計和選擇氮氣發(fā)生器時應(yīng)考慮的問題，包括氮氣純度和氮氣質(zhì)量，以及氮氣發(fā)生器的選擇對LC-MS運行的影響。
 

介紹
鋼瓶高純氮的純度一般是99.999%，通過氮氣發(fā)生器，我們可以獲得更高純度的氮氣，例如用作GC載氣的氮氣，純度高達99.9999%。工業(yè)上傳統(tǒng)的深冷空分制氮法，以空氣為原料，利用液氧和液氮的沸點不同，采用低溫蒸餾的方式，使它們分離來獲得氮氣。氮氣一般無法直接測試，氮氣純度主要指非氧化氣體的含量，其中包括氮氣和其他惰性氣體等。

通常我們會看到LC-MS適配的氮氣發(fā)生器顯示純度在98-99.5%之間，為什么不提供99.999%的純度呢？為什么所有LC-MS儀器制造商都建議氮氣發(fā)生器產(chǎn)氣的純度大于95%就足以滿足質(zhì)譜的要求？（本文中所提到的LC-MS用氣指的是離子源部分用的霧化干燥氣，作為碰撞氣用的高純氮氣，耗氣量很少，一般由鋼瓶提供。）
 

LC-MS技術(shù)特點
讓我們先來看看LC-MS的技術(shù)特點：簡單來說，氧氣并不會影響LC-MS信號強度。事實上無碳氫化合物、無顆粒、干燥的空氣是完全可以用于LC-MS分析的。我們選用氮氣的原因是，在電離階段，有機溶劑+氧氣+高熱+高壓會導(dǎo)致爆炸，這不僅是一個巨大的安全風(fēng)險，而且會對昂貴精密的LC-MS造成極大的損害。

純度實際上只是我們評估氮氣的一個參數(shù)。僅僅因為一種氣體純度高，并不意味著其中沒有像碳氫化合物（實驗室溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的VOC）、鄰苯二甲酸酯類、硅氧烷類和其他影響靈敏度和基線的有機化合物，以及水分和會污染離子源的灰塵顆粒等，這些會造成昂貴的儀器清潔、維護和維修的成本。


LC-MS離子源部分需要一個低氧環(huán)境，且不含顆粒和有機污染物，以防止發(fā)生爆炸，減少維護和離子源的清潔操作，以保證儀器本身的性能。
 

氮氣發(fā)生器的技術(shù)特點
接下來讓我們看看氮氣發(fā)生器的技術(shù)特點：從氮氣發(fā)生器生產(chǎn)商的角度來看，有兩個看起來一樣但實際上是完全不同的概念，即氮氣純度和氮氣質(zhì)量。

氮氣純度主要是指非氧化氣體的含量（因為氮氣不能直接測量，一般以氧氣的含量來推算）。

氮氣質(zhì)量定義了氮氣中其他雜質(zhì)的含量，通常是通過分析氧氣、水分、碳氫化合物和其他有機物質(zhì)的含量，這些物質(zhì)可以通過分析方法分別進行測試和報告。

氮氣純度
通過良好的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝可實現(xiàn)純度在98-99.5%之間的氮氣。空氣由78%的氮氣、21%的氧氣和1%的其他氣體組成。通過分離得到的氮氣，純度要求越高，需要的空氣也越多。純度要求越低，所需空氣就越少。而空氣消耗與氮氣純度之間的關(guān)系不是線性的，詳細見下圖。

尤其是當(dāng)?shù)獨饧兌却笥?9.5%時，所消耗的空氣量呈指數(shù)增長。關(guān)于氮氣發(fā)生器原理的文章請點擊此處。

Peak用于氣相色譜載氣的氮氣發(fā)生器能生成純度高于99.9999%的氮氣，但如圖所示，在這種氮氣純度下，我們需要大約12-14倍的空氣量。但因氣相色譜儀用氣量較少，所以如此高的空氣消耗量就不是主要問題。

但一般的LC-MS離子源部分的氮氣用量在24-30 L/min，有些儀器高達60 L/min，以純度99.999%為例，我們需要向氮氣發(fā)生器提供325-750 L/min的空氣。然而，在純度為99.5%時，空氣消耗量為75-150 L/min。因此對氮氣發(fā)生器的總體成本、尺寸、噪音和功耗都有很大的影響。所以，當(dāng)使用氮氣發(fā)生器時，高純度氮氣用于對LC-MS離子源供氣是不可取的。

用戶在選購發(fā)生器的時候需要注意什么？首先，若看到用于LC-MS離子源部分的氮氣發(fā)生器宣稱氮氣純度可高于99.5%，應(yīng)有所質(zhì)疑，因為我們知道，考慮到發(fā)生器的尺寸、噪音和成本，這其實是不合理的。客戶還應(yīng)選擇信譽可靠的氣體發(fā)生器生產(chǎn)商，因為如果氧氣含量超過4%，那么在工作條件下，爆炸風(fēng)險很高，而設(shè)計不佳的氮氣發(fā)生器往往不能很好地控制氧含量。另外，過濾系統(tǒng)，特別是除水系統(tǒng)，應(yīng)是高質(zhì)量的，并根據(jù)使用情況定期更換。這將大大降低LC-MS維護的成本。

氮氣質(zhì)量
如前文所述，氮發(fā)生器選擇性地去除氮氣以外的其他分子，包括氧氣、水分等。分離過程中還有哪些分子未被除去呢？首先是氬氣，但由于是惰性氣體，不會對LC-MS的靈敏度、離子源污染或爆炸造成任何風(fēng)險。所以，將其歸入氮氣含量中是完全沒有問題的。但其他的像碳氫化合物、硅氧烷類、鄰苯二甲酸酯類、灰塵、溶劑、清潔用化學(xué)品（例如地板清潔材料等）等都會污染離子源，并出現(xiàn)在質(zhì)譜圖上。

實際上，氮氣發(fā)生器產(chǎn)生氮氣的質(zhì)量還取決于周邊的空氣質(zhì)量。如今的環(huán)境污染日益增多，諸如汽車尾氣、電站以及化工廠排放、化學(xué)制品、食品生產(chǎn)加工、日常工作中使用的溶劑、VOC（想想買新車或家具以及粉刷我們的辦公室或公寓時的味道，我們將花費大量的時間和精力來去除這些氣味，這些氣味通常是VOC釋放的）等都將出現(xiàn)在環(huán)境空氣中。因此，一個好的氮氣發(fā)生器需要一個完善的去除雜質(zhì)的過程。 

我們曾遇到以下案例，一位客戶在LC-MS校準(zhǔn)過程中測到了硅氧烷物質(zhì)，來源不明，經(jīng)摸索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗室有一個新的玻璃隔板，密封玻璃用的密封劑揮發(fā)產(chǎn)生了小分子鏈的硅氧烷，而污染了室內(nèi)空氣。

另一個問題是汽車內(nèi)部制造商試圖制造低VOC含量的產(chǎn)品，但是當(dāng)比較塑料材料釋放出的VOC量與周圍背景空氣時，他們發(fā)現(xiàn)環(huán)境背景空氣VOC含量變化很大，就像風(fēng)向一樣難以預(yù)測。

那么我們可以從中得出哪些結(jié)論呢？
由于氮氣分離工藝不能去除這些物質(zhì)，氮氣發(fā)生器應(yīng)具有去除這些雜質(zhì)的過濾裝置，且應(yīng)根據(jù)使用情況定期更換。這將減少離子源的維護和清洗，并防止譜圖上出現(xiàn)鬼峰等其他干擾。我們的用戶在高質(zhì)量的分析級溶劑上花費了大量的時間和成本，同樣也應(yīng)該重視氣源的質(zhì)量。希望這篇文章能為用戶提供有用的信息。