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食品检测实验室液相色谱-质谱仪的选型（上）

上一篇 / 下一篇 2011-04-11 16:13:37/ 个人分类：我的经验

　　前年根据目前食品 实验室分析工作的需求和网友的建议，写了一篇博客“食品检测实验室气相色谱-质谱仪的选型”。本文将根据笔者这些年来使用液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)经验和文献、用户、公司等介绍，对不同液相色谱-串联质谱仪设备的特性与配置再做一些介绍。

　　食品检测实验室主要检测任务是对有害残留物进行分析，所以，对仪器首先要求有较高的灵敏度，以满足法律法规限量要求。液相色谱-四极质谱(单四极)检测灵敏度基本满足不了残留兽药的限量要求。当然，对于一些限量值较高的项目还是能用的。因此，本文不对单四极质谱仪做描述，主要介绍串接质谱仪。

与LC联用的主要MS类型有：四极质谱(Q-MS)、离子阱质谱(IT-MS)、飞行时间质谱(TOF-MS)、傅立叶变换质谱(FT-MS)。不同类型的MS串接起来，组合成多种丰富的形式，适用于各种不同目的的分析。

简介

　　近年来随着各个领域对LC-MS技术的需求，特别是生物技术(蛋白质分析)、制药技术(药物代谢分析)等，促进了LC-MS技术有了突飞猛进的发展，LC与各种类型质谱(包括多种类型的组合质谱)的联用，使LC-MS的联用形式较之气相色谱-质谱(GC-MS)的更丰富，应用的领域也更广泛。图1是现在讲到LC-MS常常要提到的，它说明大气压电离源，即：电喷雾电离源(ESI)+大气压化学电离源(APCI)的应用覆盖了绝大部分有机物分析领域。

图1 不同离子化方式应用于有机化合物分析的范围，从非极性到极性，从小分子到大分子

　　与GC-MS相比，LC-MS商品化及大规模普及使用要晚近10年。这是由于LC-MS的接口比GC-MS要复杂的多。现将不同仪器的工作状态列于表1中。

表1 不同仪器的工作状态

仪器名称	分析物状态	工作状态
GC	气体	正压（0~100 psi）
LC	液体	正压（~1000 psi）
MS	气体	真空（10^-4~10^-11 torr）

　　由表1可以看出，GC和LC都是在正压状态下工作，而MS则是在真空状态下工作，为了完成二者的联用，必须将正压降为负压。因而需要一个装置进行过渡，这个装置通常称为接口。从表1中还看到，GC和MS分析物的状态均为气体，二者的相连显然更容易些，而且GC-MS的流动相是氦气，分子量小(m/z 4)，惰性气体稳定性好，现在GC通常采用0.25mm内径的毛细管柱，流量一般为1mL/min，现代质谱用的分子涡轮泵(特别是双分子涡轮泵配置)抽这点气不成问题，能够很好的保持MS的真空度，不会对离子化和检测产生影响。

LC的液体状态流动相与分析气体状态化合物的MS联用，难度要大的多。将液体汽化，其汽化后的体积约为原体积的500倍，排除如此大量的物质不仅要求真空泵的抽率足够大(这点还比较容易做到)，而且在尽可能排除流动相物质时，还要尽可能减少被测物的丢失。所以，对接口的要求就非常高。在几十年的研制过程中，推出了多种形式的接口，但检测灵敏度均不太理想。经过几代质谱人努力，推出了常压电离源接口(API)，比较好的解决了流动相与被测物的分离，大大提高了离子化效率，提高了信/噪比(S/N)。从而加速了LC-MS商品化的进程。仪器性能的不断提高满足了食品中残留兽药分析的需要，使之成为食品检测实验室必备的检测仪器。现在的商品化仪器基本都是配置API电离源，包括电喷雾电离源(ESI)和大气压化学电离源(APCI)。图2是ESI电离的原理图，图3是APCI电离的原理图。详细的原理解释可参考相关文章。

图2 ESI工作原理，①液滴带电—②溶剂蒸发液滴表面电荷密度增加—③离子溅射成为带电离子进入MS分析器

图3 APCI工作原理，①溶剂通过加热区蒸发成为液滴—②液滴通过放电针使离子带电—③带电离子进入MS分析器

　现在仪器设计的ESI和APCI更换略有不同，但都非常方便。如AB SCIEX公司的ESI与APCI只是更换一下喷针即可，见图4。

图4 AB Sciex公司设计的离子源的ESI和APCI喷针，上方较长的为ESI喷针，下方较短的为APCI喷针

　　从图1可以看到，ESI主要用于极性、大分子有机物分析。蛋白质分析用纳升电喷雾电离源(N- ESI)。APCI主要用于弱极性有机化合物的分析。此外，还有光电离源(APPI)，主要用于非极性有机化合物的分析，如多环芳烃等。

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购买仪器前应考虑的几个因素

　　前面已经提到，由于LC-MS的MS部分为二级MS，不同类型MS的组合组成了多种类型MS，各种类型的MS有其各自特点，各厂家的仪器也都各有特点，购买前一定要明确任务，做好调研工作，当然还要考虑经费情况。残留分析实验室应综合考虑仪器的性能以及仪器公司的技术支持：

　　1. 灵敏度高 特别要注意在检测实际样品时有较高的灵敏度，不要一味地追求指标灵敏度，LC-MS的基质效应影响较GC-MS的大，所以仅用标准品还不能真正的衡量出一台仪器的性能，有时标准品的与实际样品的灵敏度能差两个数量级。有条件可以用1、2个实际样品到不同公司的仪器实测一下，这样对比得到的结果更能说明仪器真实灵敏度。

　　2. 质量稳定性好 通常我们是利用质谱检测目标化合物的特征离子，因此，这些被检测的特征离子各个参数(如：取簇电压、碰撞能量、雾化气流量、离子源温度等)经优化将其输入分析方法中，若仪器的质量稳定性不好，按照已确定的参数可能无法达到最优的检测值，甚至找不到目标离子，这将出现假阴性，这样的结果会出大问题的。对于低分辨质谱仪，好的1个季度，甚至半年校正一下质量轴即可，而差的每周都需要校正。

　　3. 离子化稳定性好 影响LC-MS离子化的因素较多，所以MS的定量重现性不及紫外检测器(UV)。因此，在实际分析时，较好的稳定性有助于定量的重现性好，且线性的相关性好。

　　4. 抗污染 由于食品(特别是动物源食品)基质相当复杂，分析过程中不可避免会污染仪器。因此，一方面仪器设计本身应具有良好的抗污染性，另一方面仪器易污染部分便于拆洗，如：锥孔挡板、离子传输毛细管等。这样的仪器操作和维护都比较简单。

　　5. 分辨率，质量精度 对于低分辨MS，如：Q-MS和IT-MS，分辨率、质量精度不是重要指标。但对于高分辨MS，如：FT-MS和TOF-MS这是非常重要的指标。对于高分辨MS，质量稳定性比低分辨质谱更重要，因为测量的质量精度是ppm级的。通常FT-MS一周较正一次，而TOF-MS基本每天都要校正。

　　6. 操作方便 包括仪器操作和软件操作两方面。MS的优化参数较色谱要多，通过优化才能得到理想的灵敏度和分辨率。有的公司仪器MS的优化是自动调谐，优化后可达最佳值的90-95%，提高了效率，对于新手也非常方便，并能尽快掌握、应用好仪器。

　　7. 质量范围 残留实验室主要的分析对象是兽药、农药、添加剂、化学有害物等，多为m/z小于500的小分子，仅有少量的聚醚类兽药和生物毒素m/z 1000左右。LC-MS的质量范围上限最小的也有m/z 1500，均能满足残留分析的要求。质量数再高，对残留分析没有太多用途。但是，若做蛋白质分析质量数高还是有用的。

　　8. 分析速度快 现在这些仪器公司都可以选配超高效(也有称作超高压、超快速等)LC，提高分析速度3-5倍。若实验室仪器不多时，这种配置还是很不错的，分析效率高，而对整套仪器而言增加的费用并不多。

　　9. 良好的售后服务 现在的售后服务包括两方面，一是传统意义上的仪器维修，二是近年来比较注重的应用支持。进入21世纪，LC-MS-MS刚开始在国内推广，AB Sciex公司最先推出应用工程师到现场做技术支持，即：安装工程师安装完仪器后，应用工程师到现场，一方面做操作软件的培训，另一方面根据用户的需求，与用户一起建立1、2个检测方法，通过建立方法，了解仪器性能，熟悉仪器操作步骤，掌握定性、定量方法。这使得用户可以很快掌握并应用好这套仪器。相比过去传统的将用户集中到公司进行培训更具针对性。现在各公司也多采用这种培训方法了。

　　以上列举了主要考虑的因素，而具体到各自实验室可能考虑的重点会有所不同。特别是当已经有了一套LC-MS-MS准备购置第二套仪器时，还应该考虑到实验室仪器的互补性，这样才能解决更多遇到的分析问题。

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未完待续......

食品检测实验室液相色谱-质谱仪的选型(下)