質譜儀真空系統的故障排查和日常維護

    真空系統提供和維持質譜儀器正常所需要的高真空度，通常在10-3～10-9Pa。由于日常工作中，需要經常更換配件或定期保養儀器，在拆卸安裝儀器時，質譜儀容易出現空氣泄漏的故障。而空氣泄漏故障發生的位置比較多，排查時比較費時費力。本篇文章將對質譜儀真空系統的故障排查和日常維護進行簡單介紹。
 

　　質譜儀的真空要求
 

　　質譜儀必須在良好的真空條件下才能正常工作，一般要求離子源的真空度應達10-3～10-4Pa，質量分析器和檢測器的真空度應達10-4～10-5Pa。
 

　　質譜儀器為什么需要高真空？
 

　　(1)離子的平均自由程必須大于離子源到收集器的飛行路程；
 

　　(2)氧氣分壓過高影響電子轟擊離子源中燈絲的壽命；
 

　　(3)離子源內的高氣壓可能引起高達數千伏的加速電壓放電；
 

　　(4)高氣壓產生的高本底會干擾質譜圖及分析
 

　　(5)離子源內高氣壓會引起離子—分子反應，改變質譜圖樣；
 

　　(6)電離盒內的高氣壓會干擾轟擊電子束的正常調節。
 

　　真空泵的用途
 

　　質譜儀一般采用兩級真空系統，由機械泵和高真空泵組合而成。常用的機械泵是旋轉式油封泵。那么真空泵的主要用途是什么呢？
 

　　一是作為高真空泵-擴散泵或分子泵的前級泵，提供高真空泵正常工作所需要的前級真空；
 

　　二是預抽真空，為直接進樣系統、間接進樣系統以及離子源或整個儀器暴露大氣后預抽真空，色質聯用時也用于分子分離器抽低真空，高真空泵才能達到和維持質譜儀器正常工作所需要的10-4pa以上的真空水平。
 

　　為了保護高真空泵并使其充分發揮效率，必須在前級的機械泵達到一定真空度的條件下，才能開啟和關閉高真空泵。常見的高真空泵有油擴散泵、汞擴散泵、濺射離子泵、渦輪分子泵等。
 

　　空氣泄漏癥狀
 

　　任何需要真空操作的儀器都存在空氣泄漏的故障。出現空氣泄漏時，主要癥狀有哪些？
 

　　(1)超過正常真空多級連接管壓力或前級壓力；(2)超過正常本底；(3)空氣特征峰(m/z 18、28、32和44，或m/z 14、16)；(4)靈敏度低；(5)m/z 502處相對豐度低(該值隨所使用的調諧程序而有所不同)。
 

　　確認空氣泄漏的存在

　　如何才能發現空氣泄露？
 

　　處于m/z 18、28、32和44的峰是MSD有空氣泄漏時的典型峰。這些質量的小峰是正常的，m/z 14和16的大峰是空氣明顯泄漏的癥狀。如果MSD近進行過放空，需要經過4h，m/z 28(氮氣)才能降至適當低的
 

　　水平；需要經過24h，m/z 18(水)才能降至適當低的水平。如果這些峰變大或干擾了分析，需檢查調諧報告。
 

　　調諧報告比較m/z 18(水)和m/z 28(空氣)的豐度與m/z 69(全氟三丁胺)的豐度之比。如果調諧報告中的比例不可接受(m/z 18大于m/z 69的10%)，等待幾個小時然后重新調諧。如果比例仍然不可接受，且沒有降低，檢查空氣泄漏。如果空氣泄漏存在，那么m/z 28與m/z 32的豐度比值約為5∶1。
 

　　查找空氣泄漏的方法

　　①載氣管線的檢查
 

　　首先需要確定所有接頭是否有明顯松動。對于嚴重的漏氣，可以采用皂液檢漏的方法，在管線和閥的接口處擠上適量的肥皂檢漏液，漏氣的部位會出現明顯的氣泡；對于輕微的漏氣，關閉氣相色譜儀進樣口的壓力，關閉氣瓶的總閥，開啟分壓閥，若有漏氣，15min后分壓表的壓力會有明顯的下降。
 

　　②GC部分的檢查
 

　　通常GC部分的空氣泄漏通常會發生在內部的載氣管接頭、隔墊、隔墊定位螺母、O形圈、柱螺母等位置。此外，色譜柱斷裂也會引起空氣泄漏。若隔墊漏氣，可以看到以下信號:如保留時間的延長或漂移，響應值降低，或柱前壓降低等。
 

　　用適量的丙酮涂抹上述位置(進樣口、進樣口柱螺母、色譜柱)，每次一個位置，先后順序依照離MS部分由近及遠的原則。在適當的時間后，觀察數據系統中的峰圖，若m/z 58和m/z 43處出現一個陡峭的、顯著的攀升，說明在剛剛涂抹丙酮的位置存在空氣泄漏。同樣，也可以噴射惰性氣體(如氬氣)進行檢漏，觀察峰圖中曲線在m/z 40處的攀升情況加以判斷。
 

　　③MS部分的檢查
 

　　空氣泄漏還可出現在MSD的更多處，如GC/MSD接口柱螺帽、GC/MSD接口O形圈、側板O形圈(整個周圍)、前端蓋和后端帽的O形圈、三級真空規管的連頭、校準閥。空氣泄漏更容易出現在頻繁開關的密封墊處，如色譜柱螺帽、側板O形圈或放空閥的O形圈。空氣泄漏在很少或從不打開的密封墊處出現較少，如前端蓋和后端帽的O形圈或GC/MSD接口柱螺帽。
 

　　在MSD中查找空氣泄漏的方法與GC部分類似，在可能發生空氣泄漏的位置涂抹丙酮或噴射氬氣，每次一個位置。總是從近被打開過的密封裝置開始，這是有可能發生空氣泄漏的地方。在涂抹完一個位置后，觀察數據系統中的峰圖變化加以判斷。
 

　　④隔離難以發現的泄漏
 

　　如果尋找空氣泄漏過程中遇到困難，可以使用下述方法確定泄漏是在GC中還是MSD中:先進行空氣和水檢查；將氣質聯用儀所有加熱區冷卻后，取下GC色譜柱，用一個隔墊蓋住色譜柱端口；等待15～20min，再一次檢查空氣和水，比較次和第二次檢查的結果。
 

　　如果結果基本相同，則泄漏存在于MSD中或GC/MSD接口末端的色譜柱螺帽處。如果結果顯著不同，泄漏可能存在于GC。
 

　　真空系統的維護
 

　　①氣源
 

　　載氣純度不夠，或剩余的載氣量不夠時，也會造成m/z 28譜線豐度過大。選購的氦氣純度必須達到99。999%，當氣瓶的壓力達不到3MPa時，應更換載氣，以防止瓶底殘余物(N2)對氣路的污染。載氣管線　周圍的溫度改變和振動可導致載氣供給和GC之間的管路接頭泄漏，因此應定期對所有的外加接頭進行檢漏(大約每隔4～6個月)。
 

　　②脫氧管
 

　　根據推薦，每用完3瓶氣，應更換脫氧管，以防止氣體的污染。脫氧管使用時間過長，吸附的氧氣會隨著載氣進入儀器，導致m/z 32的譜線豐度過大。市售的脫氧管通常會用氮氣進行飽和，安裝時，必須用氦氣將脫氧管內和管線里的氮氣吹掃干凈，再接至儀器上。
 

　　③機械泵
 

　　為了保證機械泵的工作狀態，達到要求的真空度，機械泵必須及時維護。由于前級泵油受熱，或進入空氣、水、溶劑和樣品時會逐漸失效(一種癥狀是油的顏色逐漸變深)，前級泵不能有效工作，可能增加前級壓力和真空多路連接管壓力。
 

　　國外公司要求三個月更換一次油，如果油變色或者有泡沫，應該隨時更換。換的泵油型號也一定要相同，不同牌號的泵油不能混合使用。
 

　　④進樣口
 

　　隔墊的使用壽命由進樣頻率和針頭質量決定。針頭的毛刺、尖銳邊緣，粗糙表面，或針頭鈍都會降低隔墊的使用壽命。隔墊應該少每100次進樣后進行更換。當儀器連續使用時，建議每天更換隔墊。O形圈材料中有使其增加柔韌性的增塑劑，在高溫下增塑劑會固化，使O形圈變硬，不能起到密封作用。
 

　　⑤GC/MS接口和GC接口
 

　　GC/MS接口和GC接口在色譜柱溫箱里，溫差變化大，十分容易泄漏。在安裝時，必須使用石墨化的Vespel圈，螺帽緊固到一定程度后，隨色譜箱溫度程序升溫一個周期后再緊固1/4～1/2圈為好。
 

　　⑥抽真空時間
 

　　每次開機時，等候直到MSD加熱區位于其標準設定值至少2h，然后嘗試自動調諧。如果MSD近進行過放空，需要經過4h，m/z 28(氮氣)才能降至適當低的水平；需要經過24h，m/z 18(水)才能降至適當低的水平。
 

　　質譜儀開機時，需要將側門用力的推一下，使側門能在負壓的作用下吸緊，防止細小纖維或灰塵吸附在側門周圍；放空后，放空閥要及時關緊。
 

　　質譜儀操作過程中，做好儀器的日常記錄和維護。在質譜儀發生空氣泄漏的故障時，根據近期的使用狀況，仔細排查可能發生問題的部位，并采取適當的措施，空氣泄漏的故障通常能很快排除。