未来已来，行则将至 | 氢气结合反吹技术助力GCMS分析降本增效
时间：2023-08-02 阅读：328
氢气作为可再生能源，相较于气质联用中常用的氦气而言有诸多优势。例如可以通过经济高效的方式生成氢气、用作载气时可以实现快速色谱分析和更高的样品通量，作用于离子源时可以减少或防止污染物积聚并延长仪器的正常运行时间。这次气质联用创新技术专题将带大家详细了解安捷伦专有的智氢洁技术（JetClean）、氢气惰性离子源（HydroInert）以及优势反吹技术（BackFlush）如何从质谱和色谱的角度互相配合、巧妙地应用氢气特点助力实现更低成本、更高通量的分析应用。
智氢洁 JetClean
Agilent JetClean 智氢洁技术直接将氢气通入离子源中，借助氢气的活性气体特性可大大减少甚至消除手动清洁离子源的需求，从而最大程度延长仪器的正常运行时间、提高样品通量。对于开展包含复杂基质的食品、环境、消费品和材料分析的高通量实验室而言，减少离子源维护就意味着显著提高实验室效率。依据我们的用户反馈，使用 JetClean 之后离子源的清洗频率降低了90%，甚至分析结果也有改善【1】。
JetClean 具有两种可选的工作模式：
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仅清洁模式 – 氢气在样品分析完成之后才被引⼊系统做单独的清洁工作。
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采集和清洁模式 – 少量氢气（约 0.1 mL/min）会被引⼊离子体在分析的同时减少和清除离子源的污染物。
图 1 中显示的是 JetClean 在仅清洁模式下工作的提取离子谱图示例。提取的离子 m/z=55 和 57 反映的是碳氢化合物的背景污染，m/z=91 反映芳烃类化合物的背景污染。不难看出，快速的轻度处理只需要不到 2 分钟，可以根据样品情况调整参数进⾏清洁以去除不同程度的污染。
图 1. 智氢洁在仅清洁模式下工作的提取离子谱图
图 2 显示配备了 JetClean 的单四极杆（GC/MSD）和三重四极杆（GC-MS/MS）在设置“采集和清洁模式”时的软件界面。软件同步提醒在采集的同时引入氢气可能会改变质谱图结果，这是因为氢气作为活性气体有可能会与我们分析的目标化合物发生还原反应。因此，部分应用场景下并不适合使用 JetClean 的“采集和清洁模式”，但是 Agilent HydroInert（氢气惰性离子源）的推出让氢气即使作为 GCMS 载气使用也能获得很好的质谱图还原度。
图 2. “ 采集和清洁 ” 模式下的氢气流量设置界面
氢气惰性离子源 HydroInert
在先前的专题中我们已经看到，氢气作为 GCMS 载气时分离度、峰型、分析速度等诸多方面优于氦气作为载气的效果（未来已来，行则将至 | 氢气作为 GCMS 载气分析多环芳烃 ）。图 3 显示了以禁用偶氮染料的分析为例、氢气作为载气分析致癌芳香胺的结果。与 GB/T 17592-2011 《纺织品 禁用偶氮染料的测定》对比，氢气作为载气时获得了更快的分析速度（18 min 缩短至 10 min，效率提升了 1.8 倍！）以及更好的分离度（以图中虚线框示意为例）。
图 3. 氢气作为载气的偶氮染料分析谱图以及与标准中的谱图对比
由于偶氮染料分析的常用采集模式为全扫描，我们在图 4 的软件界面中显示了各个目标化合物与 NIST 谱库的匹配分数，在获得了更高通量结果的同时，可以看到 HydroInert 离子源的质谱图还原度很好。不仅全部目标化合物的匹配分数都在 90 以上，图中示例的 5-硝基-邻甲苯胺也获得了与 NIST 高度一致的质谱图结果，充分说明使用 HydroInert 离子源时氢气的活性特点对于偶氮染料的分析没有产生影响。
图 4. 使用 HydroInert 离子源获得的质谱图还原度示例
反吹技术 BackFlush
反吹是在最后一种目标化合物流出色谱柱后使载气气流反向吹扫的一种技术，气流反向功能可以由安捷伦吹扫 Ultimate 接头（PUU） 提供。由于反向气流可以将不需要分析的高沸点化合物带出柱头并进入分流出口捕集阱中，反吹技术经常被用作复杂基质分析中提升系统稳定性的关键技术【2】，并且反吹在提升通量方面还有更重要的功能：缩短运行时间。
依然以偶氮染料分析为例，图 5 中偶氮染料分析实际样品的黑色谱图结束时间 10.5 min 处最终柱温为 240℃，此时全部目标化合物均已流出色谱柱。然而，实际样品中有许多更高沸点的化合物仍然在色谱柱中。蓝色空白运行前段使用和样品相同的升温程序，谱图并没有低沸点化合物残留；而后端持续将柱温箱升温至 310℃ 并保持 10 min，能够发现前一针样品残留大量的高沸点化合物。因此，为了实际样品中更高沸点的化合物能够全部流出色谱柱，我们需要更高的柱温、更长的时间来保证下一针的运行结果。
在这次的示例里，我们使用 PUU 连接两根相同的 10 m 色谱柱实现柱中反吹功能，我们不仅可以在完整的运行之后（10.5 min 后）将气流反向、吹出高沸点化合物，还可以在目标化合物流出第一根色谱柱、经过 PUU、到达第二根色谱柱时就提前开启反吹！使用反吹向导（图 6），软件将自动运行样品、优化提前开启反吹的时间，并且验证最后的目标化合物是否依然保留。最终，图5中绿色谱图显示了提前开启反吹进行实际样品分析（分析结束时间仍然为 10.5 min），而紧接着红色谱图的空白运行显示反吹之后系统没有任何高沸点化合物的残留。
图 5. 不执行反吹的实际样品（黑色）与空白运行（蓝色）；以及执行反吹的实际样品（绿色）与空白运行（红色）的谱图对比
图 6. 反吹向导自动优化反吹时间并缩短运行时间的示例
结语
未来已来，氢气作为可再生资源在气质联用上具有宽广的应用前景。安捷伦专有的智氢洁技术（JetClean）让氢气作为活性气体维持离子源的洁净，且在部分应用展现出更好的分析性能。全新的氢气惰性离子源（HydroInert）进一步把氢气作为载气带入实际 GCMS 分析中，在氢气改善分析性能的同时保持了质谱图的还原度、不需要担心质谱特征离子的改变且继续使用氦气建立的质谱库。从色谱角度出发，反吹技术通过载气的反向吹扫将不需要分析的高沸点化合物带出柱头，不仅有利于减少色谱系统维护，更是可以用于开发快速运行的方法。特别是在诸如氢气作为载气的快速分析中，无须再增加高温、长时间的色谱柱烘烤，最大限度地提升分析通量。氢气与反吹技术的结合不仅是消除了“氦气焦虑”，更是将“降本增效”发挥到极致、改变和颠覆我们对于气质联用性能的认知。
表 1. 安捷伦优势技术的作用原理与功能优势总结
*：部分应用使用“采集和清洁”模式时