气相色谱之气路载气篇

-.z.气体种类及优劣分析现代的气相色谱操作需要多种不同的气体。进样口、色谱柱和检测器的类型决定了所需气体的性质和纯度。载气数量和类型的选取主要取决于系统所使用的检测器。在前面已经讨论过,载气的选择对气相色谱柱效的影响是很重要。我们已经了解到,不同类型的载气对填充柱和毛细管柱都适用，这是因为色谱柱径大小不同〔例如典型的0.32mm毛细管柱和4mm的填充柱〕载气通过时的线速度会发生改变。载气通过色谱柱的体积流速受色谱柱炉温度和程序升温控制，如果压力补偿不够，载气流速会明显下降。选择一种在较大流速和温度围使用且能维持较高柱效率的载气是很重要的。从这点上来说，氢气是毛细管色谱法最适宜的载气,其次分别是氦气和氮气。因为在较大的气体线速度围，氢气的第姆特曲线最平坦，塔板高度〔H〕最低，柱效〔N〕最高。线速度较低时，氮气的柱效率最高，但是第姆特曲线上最小线速度的取值围很窄。气源气体供给和调控对气相色谱至关重要，因为高纯度和持续不断的载气补充才能维持气相色谱的分析功能。从气瓶或气体发生器出来的气体依次通过减压阀、管道系统〔包括挠性管或猪尾管〕、稳压阀和调节阀。〔在第2、3节查看更多容〕操作使用高压气瓶时必须十分小心，为了防止气瓶跌倒，应该用锁链或平安绳捆绑并靠墙存放。为防止气体流速的干扰建议在气瓶与备用气瓶之间安装调节阀，尤其对载气来说安装调节阀是非常重要的，例如当色谱柱正在升温时载气供给缺乏将严重损坏气相色谱柱。使用二级减压阀将从气瓶出来的气体压力调节到所需的工作压力。在更换气瓶和安装减压阀时应尽量远离。新安装完成的气瓶减压阀尤其是在刚开场使用的24小时应完全翻开，目的是防止减压阀部的压力降造成压力不稳。一般来说气瓶总压力下降到200-300psi(或初始压力的10%)时需要更换气瓶，因为随着气瓶压力下降,杂质如水分、碳氢化合物和小颗粒会集中在气体大降低了气体纯度。气体纯度载气纯度对延长色谱柱使用寿命、降低噪声背景干扰和保持峰形完整的影响至关重要。检测器气体也易受污染，载气不纯可导致背景信号增加、基线噪声和灵敏度下降。三种主要的气体污染物是氧气、水分和烃类杂质。氧气和水分可以通过管道连接头扩散进入载气流，烃类杂质由管道的润滑脂和润滑油、空气压缩机或气体发生器的塑料管产生。氧气和水分通过氧化降解作用消耗色谱柱的固定相，缩短色谱柱使用寿命。烃类杂质可导致出现鬼峰，背景噪声增加，检测器灵敏度降低。为了减少气体污染物，通常是将高纯气体与气体净化器〔捕集阱〕联合使用。捕集阱的安装应尽可能靠近气相色谱仪以减少阀与仪器之间的污染。表格所示为不同载气和检测器气体所使用的捕集阱。气体供给商都有高纯气体的专有名称，一般他们将产品归类为“超纯气〞和“高纯气〞。翻滚按钮可查看气体纯度。一般应尽可能给气相色谱提供相关杂质含量少于1ppm的气体。氢气发生器许多实验室用气体发生装置替代气瓶使用，可降低本钱，而且相比气瓶减小了平安隐患。氢气发生器是通过电解水或离子交换技术产生氢气，只需充足的蒸馏水，电阻率为18mW或更高便能够更便捷、平安的产生高纯氢气。当然实验室使用氢气时需要做好风险预防,防止氢气发生自发爆炸。分析实验室的用氢平安指南在第二段进展讨论。用空气压缩机提供空气，然而由于压缩机要用到润滑油，因此大多数压缩空气中含有微量烃类。由于压缩空气含有烃类物质或硫磺气体，因此压缩空气不适用于FID、FPD、TCS、ELCD检测器。建议从气源出来的压缩空气通过过滤器或净化器去除掉烃类杂质。现代的空气发生器集制气和过滤于一体。氮气发生器采用膜技术过滤和碳床技术过滤，过滤掉压缩空气中的水分、氧气、烃类和邻苯二甲酸盐，产生氮气。手动压力控制老式的及一些比拟廉价的气相色谱仪采用手动压力控制改变通过仪器的各类气体的压力〔流量〕。手动流量控制是通过阀门和流量调节器改变气相色谱系统部的压力。这是一个典型的分流/不分流进样口的手动压力控制示意图——我们将在例如模块中详细介绍，所以不用担忧这些术语你还不熟悉。而现在我们只需要了解气体流量是如何调控的。在这个特定的仪器中有多条气路需要手动调节阀控制，分别是：总流量控制阀——这个阀是用来调节气体供给管路上进入气相色谱仪的载气总流量隔垫吹扫调节阀——此阀用于调节隔垫吹扫气占总流量的比例，因为阀门安装在隔垫的后面，因此流量是反向压力调控柱前压控制阀——调控通过色谱柱的气体流量(反向压力)。压力表可以读出柱前压的值。同样由于是反向压力调节，阀门和测量计安装在柱头或入口的后面。分流流量——改变总流量与柱流量+隔垫吹扫流量，因为一旦色谱柱流量设定,分流流量随总流量控制阀的调整而改变。自动〔电路〕压力控制更现代的(或更昂贵的)气相色谱仪都配有电子压力控制器，这是一个通过流量控制器、压力和流量传感器进展设置、检测和压力调控的微处理器。电子压力控制器(EPC)可以控制压力和流量，对于仪器所需要的各种气体流量值可用键盘输入，便于操作，压力或流量的设置值和实际值(通过仪器上的传感器测量)可在旁边显示。电子压力控制器最大的优势是可以编程，载气可以不受柱炉温度影响，以恒定的流速通过气相色谱柱。恒流操作的诸多优点在下一话题讨论。电子压力控制器使载气在仪器之间迁移更容易，在一项分析任务的尾声可以快速升高压力〔或流量〕，加快对较高保存物的洗脱速率，从而缩短分析检测的时间。气相色谱仪器使用EPC也有一些在优势，如加快分析物的进样速率以及仪器操作更加简单，这样也减少了由于操作人员的技能水平而影响气相色谱的分析质量。利用旁边的互动演示来考察EPC和手动入口压力/流量控制的区别。压力/流量程序设定色谱分析系统在恒压条件下操作时，载气粘度增加会导致其线速度或流量降低，最终致使柱效率下降，分析物保存时间延长。当使用质量型检测器如FID,NPD或FPD时，降低柱流量对色谱的基线不利，基线的位置会有规律的上升或下降。这使得色谱图中谱峰错综复杂且不能重复。使用电子压力控制器可以补偿由于仪器柱炉温度的增加对气体压力的改变。从而使基线更加平稳、峰形良好，并且能够缩短较高保存值分析物的洗脱时间。取样及进样技术采样技术概述对于任意气相色谱来说分析过程中最难的一步是样品引入。固体和液体样品首先需要将其转化为气相，然后才能转移到色谱柱。为防止在转移过程中发生冷凝，需将气相样品快速地转移到色谱柱中。用于各类样品的气相色谱进样装置有很多，这些装置将在本章详细介绍。所有采样技术的最初目的是要保证转移进气相色谱柱的样品均匀且具有代表性。气相色谱分析在进样时需要考虑许多影响因素。这些影响因素在旁边显示出来。根本上，液体样品用注射器引入到气相色谱的进样口。当然，也有许多类型的采样装置，用于较困难基质的采样，并且可以实现从其他基质组分中预富集目标分析物。这类装置同样将在本章介绍。手动进样通常对于带有汽化装置的进样口如分流/不分流进样口，利用注射器手动进样法将液体样品注入到气相色谱进样口。液体在进样口被加热汽化，汽化生成的局部或全部气体被吹扫进入色谱柱中。可供选择的注射器数量和种类很多，但无论任何型号或制造商，有几个根本参数是很重要的，其中包括：注射器容积固定针头或可移除针头针头外径〔OD〕针尖类型液体样品手动进样时需要考虑几个重要的概念。这些概念主要涉及到如何使最终得到气相产品能代表原始的样品。例如，当针头在退回过程中，沸点高〔不易挥发〕的物质在针头处冷凝，导致这些物质有损失，因此，在手动注射时需要一定的专业技巧。每次注射进气相色谱进样口的液体体积应该相等，并且体积要适合进样口的部尺寸大小。冷针进样技术手动进样时有两种根本的进样技术。第一种技术被称作“冷针进样〞，类似于自动进样器的进样，注射速度非常迅速，针头在热注射筒中的停留时间最短，并且注射完成后针头被迅速撤回。之所以被称为冷针进样是由于注射速度非常快，针头在注射器中没时间被加热。正是由于来不及加热针头，除非使用“针头在活塞〞的注射器，否则注射过程完毕针头有液体残留。冷针技术所注射的样品溶液的体积与注射器针筒上读出的体积数一样。这种技术在分析挥发性较弱的化合物时存在一些潜在的问题。在退针时，气相分析物在进样口碰到冰冷的针头会在针头的外外表冷凝，这可能会导致挥发性较弱的样品组分比挥发性较强的组分损失更多。这种现象被称为“物质歧视效应〞，将在气相色谱/进样/样品歧视章节中再次讲到。热针进样技术手动进样的第二种方法是热针进样技术，该技术是指在将样品溶液推出注射器之前，将针头放在汽化室中保持5秒钟或更长时间使针加热。这种技术通常建议使用在含有高沸点化合物的样品或可能发生质量歧视的样品。热针技术有助于加速样品汽化，当样品移过针头时就已经开场被汽化。热针技术能够保证用活塞推出样品溶液后针头没有样品残留，并且沸点高的分析物在针头外表没有冷凝，因此，降低了过程中的歧视效应。热针技术与冷针技术的关键区别是分配体积不同。冷针技术的分配体积从注射器针管测量。热针技术的分配体积包括注射器针管体积和针头体积两局部。冷针技术的分配体积为1µl，等于活塞撤回到1µl刻度的体积。而对于热针技术分配体积则是1.5µl，因为针头一般会含有大约0.5µl的液体，当然这也取决于针头的长度和针头部直径的大小。固定注射器针管的吸入体积很有必要，例如，当标准物质的注射量为2uL，而样品的注射量为1uL，直接从校准曲线外推或将样品的峰面积值翻倍的方法是不可取的。这是因为标准物质的实际注射量为2.5uL，样品的实际注射量为1.5uL，也就是2.5/1.5，而不是2/1。空气间隔进样技术空气间隔进样技术既可以与热针技术结合使用也可以与冷针技术配合使用，但与冷针技术结合使用时有更加可观的进步。操作顺序概述如下：在注射器中吸入超过所需刻度值得样品，然后将多于的样品排出。将液体完全撤回到注射器针管，这样能明显的看到一个气体间隙〔经历方法吸入双倍体积的液体〕。将针头快速插入气相色谱的进样口并立即推压活塞。将针从进样口迅速拔出。使用气隙技术的好处是当空气是通过针时，针头本身会被加热。当液体样品通过针头时会被明显加热，因此对沸点高的物质歧视效应会明显降低甚至消失。气隙技术的优点：挥发性物质在注射到气相色谱之前没有损失定量分析的重现性好样品转移彻底溶剂冲洗技术在分析极性化合物时使用到溶剂冲洗技术，这类化合物很可能会被吸附到玻璃针管或针头里。在注射器先吸入少量的溶剂，接着是空气，最后才是样品。溶剂冲洗的目的是为了使溶剂沿样品流过的路径通过注射器，冲洗掉任何附着在注射器针管外表和针头外表上的物质。因此可用不同于样品溶剂的其他溶剂，像极性较强的溶剂进展冲洗。还要注意到，如果吸入到注射器衬的容积太大，超出了衬的总容积，可能会发生倒回现象。这一现象将在气相色谱——进样技术——优化进样量一章中深入学习。自动进样器进样技术一般来说，现代气相色谱法中最受欢送的液体进样方法是自动液体取样装置或自动进样器。这些装置模拟手动进样的过程，利用自动注射器吸入样品，然后将样品注进分流/不分流进样口、冷柱上进样口或大体积进样口。自动进样器通常安装在气相色谱的顶部，进样口的上方。大多数现代自动进样器的活塞安装有一个步进式电机进展驱动，采样体积非常准确。而且大多数进样器也配备了洗瓶，在注射前后自动清洗注射器，减少了样品残留。可无人时操作，当结合样品托盘使用时，可以依次用于成百个样品的进样及隔夜分析。许多精细的自动进样器采用快速进样技术，防止了歧视效应和针分馏，这些知识在手动进样章节中阐述过。扎针、按活塞、从进样口拔针这些操作步骤的循环时间不到一秒，而且样品以液相注入。由于没时间加热针头，进样快速，防止了挥发性组分通过针分馏或沸点高的化合物被吸附到针头的外表等样品损失问题。由于针头拔出时非常迅速，挥发度低的分析物没有时机在针的外外表冷凝下来，因此，降低或消除了分析物的歧视效应。气体取样装置气相色谱中气体采样装置既可以脱机使用也可以联机使用。脱机装置是指使用气瓶、注射器或气袋采集气体样品，然后将样品从适宜的气相色谱进样口注入，例如分流/不分流进样口或填充柱进样口。在使用气密性注射器或专业设备进样之前，可以用气密型注射器、聚乙烯塑料袋或气瓶从收集地点采集气体样品。在线取样装置通常含有加热控制阀组件，这些组件都打到供气系统中，并且连接导流阀用以控制气相色谱的微量气体进样量。气体取样阀通常比其他气体取样装置的准确性和精细度高。有一点需要注意，那就是在气相色谱进样之前，要求所有的样品都是气态，为了到达这个目的，通常在可能发生气体冷凝的地方需要加热进样装置。可加热型气体进样阀的使用提高了定量分析的准确度。进样阀定量管的压力对定量分析的准确性有重要的影响。定量管气体与载气之间的任何压力差都可能导致基线漂移、色谱峰形不完整、定量分析变差。为防止这些问题，一种方法是给定量管中的气体样品加压，另一种方法是在恒压模式下操作气相色谱，而不是恒流模式操作。在恒压模式下操作不仅可以降低压力差，也可以改善进样后的色谱峰形。聚乙烯气袋用于现场气体采集。气密型注射器可将气体样品转移到气相色谱进样口。气密注射器用于气相样品的进样。需要加热注射器防止样品发生冷凝。吹扫捕集自动进样器吹扫和捕集技术通常被称为“动态〞顶空分析。不同于静态顶空分析，吹扫和捕集技术不依赖于样品基质的挥发性组分与其顶部固定体积的气体之间