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质谱课堂 | 为什么高端串联质谱都会使用氩气?

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在高端串联质谱(LC- MS/MS)仪器的设计与应用中,采用氮气与氩气两路独立气源的配置,是其实现高灵敏度、高稳定性及卓越分析性能的关键技术特征之一。这一设计并非简单的气体替代,而是基于不同气体在质谱离子化、传输、碰撞解离等关键环节中所扮演角色的物理化学特性优化选择。结合权威技术文献、专业报道及市场主流产品信息,本文将从气体功能分区、物理特性差异、高端应用需求及市场验证四个维度展开详细分析。

一、气源功能分区:各司其职,协同增效

串联质谱系统通常将气体分为“离子源气体”与“碰撞气体”两大功能模块,其对气体种类与纯度的要求存在显著差异。

离子源区域:以氮气为主力

在电喷雾离子源(ESI)或大气压化学离子源(APCI)中,氮气承担着雾化、干燥、气帘屏蔽及鞘气稳定等多重任务。其主要作用包括:

雾化与干燥:作为雾化气(Nebulizer Gas)和干燥气(Dry Gas),氮气促进液滴去溶剂化,提升离子化效率;

环境隔离:作为气帘气(Curtain Gas),在离子入口形成气幕,阻挡中性分子与杂质进入质量分析器,降低背景噪声;

喷雾稳定:鞘气(Sheath Gas)同轴包裹液流,稳定泰勒锥(Taylor Cone),提高喷雾重现性。

碰撞诱导解离(CID):氩气展现优势

在串联质谱的碰撞池(Collision Cell)中,高能母离子需与中性气体分子发生非弹性碰撞,将动能转化为内能,诱导其碎裂为子离子,用于结构解析与多反应监测(MRM)。此过程对气体的原子质量、惰性及纯度要求极高。权威资料指出,氩气(Ar)因其较高的原子质量(39.95 u)与优异的惰性,成为高端机型首选的碰撞气。相较于氮气(N₂,28 u),氩气在相同能量下可传递更大的动量,提升碰撞效率,尤其适用于大分子或难碎裂化合物的结构解析。

二、物理与化学特性对比:为何不统一使用单一气体?

尽管氮气在离子源中表现优异,但在碰撞池中,其性能存在局限:

质量劣势:氮气为双原子分子,质量较低,在低速碰撞中能量传递效率不如氩气;

化学活性风险:普通纯度氮气可能含微量氧气或水分,在高能碰撞环境中可能引发非预期氧化反应,产生“鬼峰”或干扰碎裂图谱;

纯度要求差异

离子源用氮气:纯度≥99%即可满足多数需求,高纯氮(99.999%)用于高灵敏分析;

碰撞气:必须使用高纯惰性气体,氩气纯度需达99.9%以上,氮气若作碰撞气也需≥99.999%,且需稳压控制(如氩气15–20 psi,氮气90–100 psi)。

因此,高端仪器采用“氮气+氩气”双气路设计,既保障离子源的高效雾化与洁净环境,又确保碰撞池的高效、可控碎裂,实现性能最大化。

三、高端应用需求:灵敏度、稳定性与多功能性的统一

在药物代谢、临床检测、环境痕量分析等高端领域,对质谱的灵敏度、重现性与结构解析能力提出极致要求。例如,气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)系统中,采用氩气碰撞室可实现动态范围≥8×10⁶,MRM灵敏度达100 fg OFN(S/N≥18000)。此类性能指标的实现,离不开高纯氩气作为碰撞气的能量传递优势。

此外,双气路设计还带来操作灵活性:用户可根据分析目标切换或组合使用气体,如在复杂基质中优先使用氩气提升碎裂效率,在高通量筛查中使用氮气降低成本,体现仪器的智能化与高端定位。

四、市场验证:主流高端机型普遍采用氩气作为碰撞气

市场主流高端质谱机型已广泛采用高纯氩气作为碰撞气,充分验证了其技术优越性与行业共识。目前,在LC-MS/MS领域,使用氩气作为碰撞气(毫升级别)的主流机型包括:SCIEX 6500系列、Waters Xevo TQ-XS、湖南德米特DMT 9600BG等。这些机型均以高灵敏度、低检出限和优异重现性著称,广泛应用于临床检测、食品安全、环境监测等高端分析场景。尤其对于侧重临床精准检测的前沿组学研究需求用户,使用氩气作为碰撞气显然能够具备更加灵活的实验设计方案。

特别值得注意的是,在LC-MS/MS(电感耦合等离子体质谱)中,氩气作为单原子气体,相较于氮气和氦气更易电离,且具有最低的热导率,有助于维持等离子体高温状态,减少能量损失,从而降低多原子离子干扰,提升信噪比与检测稳定性。这一特性进一步巩固了氩气在高端质谱中的核心地位。

五、成本与替代性分析:为何不使用氦气或氮气?

尽管氦气也是惰性气体,且在某些质谱中用作载气或冷却气,但其在碰撞解离中的应用受限:

成本高昂:氦气是稀有气体,不可再生,价格远高于氩气和氮气,长期运行成本极高;

质量过轻:氦原子质量仅4 u,碰撞动量传递效率低,难以有效诱导大分子碎裂;

资源稀缺:全球氦气供应紧张,不适合大规模常规分析使用。

而氮气虽成本最低,但作为双原子分子,在高能碰撞中可能发生解离或引发副反应,且其电离电位较高,在某些电离模式下可能干扰离子传输。因此,在需要极高数据准确性和重现性的高端分析中,氮气无法替代氩气作为碰撞气的角色

六、结论:湖南德米特DMT9600BG的高端技术体现

湖南德米特仪器有限公司自主研发的DMT 9600BG二维液相色谱-串联质谱系统,采用氮气与氩气两路独立气源作为碰撞气配置,正是产品定位高端、追求卓越性能与顶尖科研能力的重要体现



该设计表明:

1

技术对标国际一流:突破国产仪器普遍采用单一氮气碰撞的局限,引入高纯氩气碰撞路径,提升对难碎裂化合物的分析能力;

2

保障超高灵敏度:基于“灵敏度高达180万:1”+二维分离模块这两大核心产品能力,双气路设计有效降低背景干扰、提升碎裂效率,支撑其在“半滴血”(25 μL)样本中完成维生素A/D/E等痕量物质的精准检测;

3

体现系统集成创新:作为国内首个获批临床II类证的二维液相色谱串联质谱系统,其气源配置与核心专利液质耦合仪技术实现的在线抗基质效应、二维萃取能力协同,构建了高可靠性、高自动化、高抗干扰的分析平台。

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