GC-MS對氮氣及壓縮空氣的規格要求

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GC-MS（氣相色譜-質譜聯用）對於氮氣源的要求與LC-MS (液態層析質譜分析儀) 有所不同，因為GC-MS的應用場景和氮氣用途不同。在GC-MS中，氮氣通常用作載氣（carrier gas）、吹掃氣（purge gas）或在某些情況下作為碰撞氣（collision gas，特別是在GC-MS/MS系統中）。以下是GC-MS對氮氣源的具體要求：

純度要求

GC-MS對氮氣的純度要求通常較高，因為任何雜質（例如氧氣、水分或烴類）都可能影響色譜分離、質譜檢測的靈敏度或導致基線漂移。

  1. 載氣用途：如果氮氣用作載氣（雖然氦氣更常見，但氮氣在某些低成本或特定應用中也會使用），純度通常需要達到**99.999%（5N）**或更高。這是因為載氣直接影響色譜柱的分離效果和檢測器的穩定性。
  2. 吹掃氣或碰撞氣：如果氮氣用於吹掃（purge）或碰撞池（collision cell），純度要求可能稍低，但仍建議至少99.99%（4N），以避免雜質干擾離子化或碎片化過程。

氧氣和水分可能與樣品反應，導致偽峰（artifact peaks）或降低檢測器的靈敏度；烴類雜質則可能增加背景噪音，影響低濃度樣品的檢測。這也就是為甚麼氮氣純度需要級高純度的原因。

流量要求

GC-MS對氮氣的流量需求通常比LC-MS低，因為氮氣在GC-MS中的使用量相對較少，且主要取決於其具體用途：

  1. 載氣：如果氮氣用作載氣，流量通常在1-5 mL/min範圍內，具體取決於色譜柱的類型（例如毛細管柱或填充柱）和分析條件。
  2. 吹掃氣：用於吹掃（例如在EI源中去除殘留氣體），流量可能在20-50 mL/min左右。
  3. 碰撞氣：在GC-MS/MS系統中，氮氣作為碰撞氣時，流量需求更低，通常在1-3 mL/min。

總體來說，GC-MS的氮氣總流量需求通常遠低於LC-MS，可能每分鐘只需幾十毫升到幾百毫升，具體取決於儀器型號和設置。

壓力要求

氮氣的壓力需要穩定且符合GC-MS系統的要求：

  1. 載氣壓力：如果用作載氣，壓力通常需要控制在0.5-2 bar（約7-30 psi），具體取決於色譜柱的長度和內徑。
  2. 吹掃氣或碰撞氣：壓力需求可能稍高，通常在**1-4 bar（約15-60 psi）**範圍內。

穩定性至關重要，因為壓力波動可能導致色譜峰形變差或質譜信號不穩定。建議使用高品質的調壓閥（pressure regulator）來確保壓力穩定。

乾燥度和潔淨度

氮氣必須是乾燥且無油的，以保護GC-MS的色譜柱和質譜系統：

  1. 露點（dew point）：建議大氣露點 (A.D.P.) 低於 -50°C，最好達到-70°C，以防止水分進入系統。水分可能導致色譜柱老化（如極性固定相的降解）或質譜離子源的污染。
  2. 無油無烴：氮氣中不能含有油分或烴類雜質，這些雜質可能在質譜中產生背景噪音或污染離子源。

建議在氮氣管路中安裝小型吸附式乾燥機或活性碳過濾器（槽) (例如：分子篩或活性炭過濾器）來進一步去除水分和有機雜質。

穩定性和連續性

GC-MS分析通常需要長時間運行（例如：數小時的樣品序列），因此氮氣供應必須穩定且連續：

  1. 任何供應中斷（例如：更換氣體鋼瓶）都可能導致分析中斷，影響數據一致性。
  2. 這也是為什麼許多實驗室選擇使用現場氮氣發生器（nitrogen generator），因為它們可以提供穩定的氮氣流，避免氣瓶更換的麻煩。

氮氣作為載氣的適用性

雖然氮氣可以用作GC-MS的載氣，但需要注意以下幾點：

  1. 效率：氮氣的范德瓦爾斯力較大，與氦氣或氫氣相比，作為載氣時的色譜分離效率較低（根據Van Deemter曲線，氮氣的最佳線性流速較低，導致分離時間更長）。
  2. 靈敏度：氮氣可能會降低某些檢測器的靈敏度（例如在EI源中，氮氣可能影響離子化效率）。
  3. 替代選擇：氦氣是GC-MS中最常用的載氣，因為它具有更好的分離效率和惰性。但由於氦氣成本較高且供應可能受限，氮氣在某些低成本應用中仍被使用。

氮氣產生器與氣瓶的選擇

與LC-MS類似，GC-MS實驗室可以選擇高壓氮氣瓶或現場氮氣產生器：

  1. 氮氣瓶：適合低流量需求的實驗室，但需要定期更換，存在安全風險（例如：高壓氣體洩漏可能導致窒息）。
  2. 氮氣產生器：更適合需要穩定供應的實驗室，尤其是多台GC-MS共用氣源時。GC-MS對流量的需求較低，因此可以選擇小型氮氣產生器，例如：Chromalytic的(U)HP1與(U)HP2系列（流量範圍分別為1L/min與2L/min）。
  • U系列碳氫化合物含量 < 0.05ppm.

壓縮空氣需求

氮氣產生器的原料是潔淨乾燥的壓縮空氣，而具備經濟效益使用氮氣產生器的場域通常需要運轉數小時製氮， 加上產生氮氣的純度越高需要的潔淨乾燥壓縮空氣量越大；因此多會採用工業級設計的無油式空壓機，搭配後置乾燥過濾設備與裝置以提供氮氣產生器全天候運轉製氮使用。

筆者在空壓機產業數十年的經驗不建議採用氮氣產生器內置空壓機系統的機型，原因很簡單：內置在氮氣產生器內部的空壓機會是商用型的、空壓機是產生高溫的壓縮熱機械需要良好的通風散熱、空壓機需要維護的頻率較高不容易在極小空間執行良好維護、空壓機故障則整台氮氣產生器失效無法有效備援…。

雖然無內置空壓站的氮氣產生器建置時佔的空間較大，需要引入外部的潔淨乾燥的壓縮空氣源，但是在系統穩定性與備援機制能力上還是具有最佳的優勢的；雖然Chromalytic有(U)HP1A與(UHP2A內置空壓站的機型，我們仍舊以無內置空壓站的氮氣產生器(U)HP1或(U)HP2為唯一推薦。

每一個品牌的氮氣產生器對於輸入材料：壓縮空氣品質的要求不太相同，以Chromalytic (U)HP1 / (U)HP2 氮氣產生器來看，潔淨乾燥壓縮空氣的各種要求規範如下–

  1. 壓縮空氣品質：ISO 8573-1 Class 1.4.1 (乾燥程度壓力露點3℃以下且含油量0.01mg/m3以下)。
  2. 操作壓力：7.0 ~ 8.0 bar。
  3. 輸入流量：(U)HP1需求流量10L/min；(U)HP2需求流量20L/min。

我們會推薦搭配的空壓機會是取得ISO 8573-1 Class 0級認證百分之百無油的日本岩田SLP07EED ( 一馬力風量255L/min ) 內置乾燥機無油渦卷式空壓機，下圖是一馬力的尺寸規格。

結論與建議

GC-MS對氮氣源的要求可以概括為：

  1. 純度：99.99%-99.999%（視用途而定，載氣要求更高）。
  2. 流量：載氣1-5 mL/min，吹掃氣20-50 mL/min，碰撞氣1-3 mL/min。
  3. 壓力：0.5-4 bar，需穩定。
  4. 乾燥度：大氣露點低於-50°C，無油無烴。
  5. 穩定性：需連續供應，避免中斷。

如果 貴機構的GC-MS主要使用氮氣作為載氣，建議選擇高純度氮氣（5N）並確保壓力穩定；如果僅用於吹掃或碰撞氣，4N純度通常已足夠。根據儀器型號（例如：Agilent 7890/5977、Thermo Fisher TRACE 1300等）和實驗室需求，可以選擇合適的氮氣產生器或氣體鋼瓶供應系統。或者隨時聯絡我們進一步交流討論後提案建議！

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發表者：科研實驗室空壓機系統

未來服務工業 GoOneAir解決方案係由 ESG / SDGs 理念出發, 並且以穩定耐久與持續節能的無油化系統推廣無油渦卷式空壓機系統與氣體產生機系統. 以 極穩, 極省, 極簡 三大原則精選代理服務方案的產品載具, 加上幹練實務的系統豐富經驗, 我們在生技製藥與IC設計高科技兩大領域的科研實驗室, 研發中心, 品質設計測試中心以及科技廠辦提供潔淨無油壓縮空氣, 氮氣產生機系統, Zero Air 產生機與氫氣產生機...等氣體產生機解決方案, 歡迎隨時交流討論!

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