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高效气相色谱仪的分流不分流进样
2016-02-17 14:43:57 来源: 中国振动机械网

 

分流-不分流进样是高效气相色谱仪的专业进样方式,既可用作分流进样,也可用作不分流进样。分流进样操作简单,应用更为广泛,但有分流歧视和样品可能分解的问题。不分流进样虽然操作复杂些,但分析灵敏度高,常用于痕量分析。实际工作中,只是在分流进样不能满足分析要求时(主要是灵敏度要求),才考虑使用其它进样方式如不分流进样。
一、分流进样:
分流进样是先将较大体积的样品注入到高效气相色谱仪气化室中,样品气化后和载气均匀混合,通过分流器,样品被分流成流量相差悬殊的两部分,其中流量较小的部分进入毛细管柱,流量较大的部分放空。
1、概念:
1)分流比:
分流比是指在所进样品完整气化并与载气充分混合的条件下,样品通过分流进样器进入色谱柱的流量与通过分流器放空的流量之比。
分流比的大小一般由色谱柱所允许的样品量决定,常用分流比范围为1201200。分流中的放空流量可通过皂膜流量计测量。
2)线性分流:
线性分流是指经过分流器分出的进入色谱柱的样品能够代表原样品,即进入色谱柱的样品中各组分的含量与原样品一致。
3)非线性分流:
非线性分流是指进入色谱柱的样品中各组分的含量与原样品中组分的含量不同,会产生分流歧视。
2、分流进样系统结构:
1)载气流路:
分流进样时,进入进样口的载气总流量由总流量阀控制,而后载气分成两部分:一是隔垫吹扫气(13mL/min,克服记忆效应),二是进入气化室的载气。进样时分流阀打开,当样品进入衬管气化后,进入气化室的载气与样品气体混合后又分成两部分:大部分经分流出口放空,小部分进入色谱柱。
将柱前压调节阀置于分流气路上,可在总流量不变的情况下,改变柱前压。柱前压越高,柱流速越大,分析速度越快。而要在柱前压不变(柱流速不变)的条件下改变分流比,则必须调节总流量。总流量越大,分流比越大。
为尽量使进入色谱柱的样品组成与原样品组成相符,关键在于样品气化的速度和程度。
2)衬管:
分流衬管是一个混合腔和弯曲的流路,以保证样品到达分流点前能够全部蒸发并均匀化为蒸气。分流进样口可采用多种衬管,用于分流进样的衬管大都不是直通的,衬管内有缩径处、烧结板、玻璃珠或玻璃毛。这主要是为了增大与样品接触的比表面,保证样品完整气化,减小分流歧视,也是为了防止固体颗粒和不挥发的样品组分进入色谱柱,保护色谱柱不被污染。
少量的玻璃毛能促进样品蒸发完整,重现性好,经济,容易更换,可随意调整高低。玻璃毛活性较大,不适合分析极性化合物。此时可用经硅烷化处理的石英玻璃毛。
填充物应位于衬管的中间,即温度较高的地方,也是注射器针尖所到达的地方,可提高气化效率,减少注射器针尖对样品的歧视。
衬管的上端常用O形硅胶环密封,用一段时间后该环会老化而造成漏气,要及时更换。当进样口温度超过400℃,较好采用石墨密封环。
3)尾吹气路:
由于色谱柱内载气流量很小,载气进入检测器后会突然减速,使谱峰展宽。因此在色谱柱出口与检测器之间安装辅助尾吹装置,使样品快速流过检测器,从而克服检测器的死体积,使峰形尖锐。
3、分流进样目的:
1)减少载气中样品的含量,使色谱柱不超载。
2)气化室中载气流量大,速度快,气化后的样品在气化室的停留时间短,使样品以较窄的带宽进入色谱柱。同时气化室能得到迅速冲洗。
4、分流进样特点:
1)优点:
1)用于浓缩样品。
2)可注入较大体积的样品。
3)不会引起色谱柱超载,能有效防止柱污染。
4)分流比调节容易。
5)色谱峰窄而尖锐。
6)分析结果重现性好。
2)缺点:
1)不适合浓度和沸点范围宽的混合样品。
2)不适合痕量分析。
3)操作不当会产生分流歧视。
5、分流歧视:
分流歧视是指高效气相色谱仪分析中,在一定分流比条件下,不同样品组分的实际分流比不同,造成进入色谱柱的样品组成与原样品组成不同,从而影响定量分析有效度。
1)分流歧视的原因:
1)不均匀气化。由于样品中各组分的极性不同,沸点各异,因而气化速度各不相同。这些导致沸点不同的组分到达分流点时,气化状态可能不完整相同。气化不完整的组分比完整气化的组分可能多分流一些样品。
2)不同样品组分在载气中的扩散速度不同,扩散速度与温度成正比。尽量使样品快速气化是消除分流歧视的重要措施。
3)分流比的大小影响分流歧视。一般来说,分流比越大,越有可能造成分流歧视。在样品浓度和柱容量允许的条件下,分流比小些有利。
2)消除分流歧视的措施:
1)尽量使样品快速气化,包括采用较高的气化温度和合适的衬管(添加经硅烷化处理的石英玻璃毛)。
2)初始柱温尽可能高些。气化温度和柱温差别小些,样品在气化室经历的温度梯度会小些,可避免气化后的样品发生部分冷凝。
3)安装色谱柱时,保证柱入口端超过分流点,保证柱入口端处于气化室衬管的中央(气化室内色谱柱与衬管同轴)。
尽管分流进样有歧视问题,但仍然是高效气相色谱中较常用的进样方式。实际工作中,分流歧视很难完整消除,只要操作重现,一定程度的歧视是重现的,可通过标准样品的校准消除歧视效应对定量有效度的影响。
6、操作参数:
1)进样口温度:
进样口温度应接近或等于样品中较重组分的沸点,以保证样品快速气化,减小初始谱带宽度,但溢度太高可能会使样品组分分解。对于未知的新样品,可将进样口温度设置为300℃进行试验。
2)分流比:
分流比小时,分流歧视效应可能小些,但初始谱带宽度(主要是溶剂谱带)会大些,必要时可采用聚焦技术。分流比大时,初始谱带宽度小,但分流歧视效应可能会增大。实际工作中,应据样品情况和分析要求选择一个合适的折衷点。
常用分流比范围为1201200。样品浓度大或进样量大时,分流比可相应增大。反之则减小。用大口径毛细管柱时,分流比可小些或采用不分流进样。
3)载气流速:
常用毛细管柱内载气流速可根据具体情况确定,同时还要测定隔垫吹扫气流量和分流流量。隔垫吹扫气流量一般为13mL/min,分流流量要根据样品情况(如待侧组分浓度等)、进样量和分析要求来确定。
常用毛细管柱内载气流速:氦气为3050cm/s,氮气为2040cm/s,氢气为4060cm/s
4)进样量和进样速度:
进样量一般不超过2μL,较好控制在1μL以下。因为衬管容积有限,液体气化时体积要膨胀数百倍。进样量还和分流比相关,分流比大时,进样量可大些。
进样速度越快越好,以防止样品不均匀气化,保持窄的初始谱带宽度。快速自动进样往往比手动进样的效果好。
5)柱温:
如果程序升温,初始柱温应高于溶剂沸点,进样后应快速升温。
7、分流进样应用:
1)适合不能稀释后进行分析的样品(如溶剂)、浓度较高的样品和大部分挥发性样品(包括液体和气体样品)的分析,特别是一些化学试剂的分析。
2)在溶剂峰之前有很重要的小峰流出。样品中一些组分在主峰前流出,而且样品不能稀释,分流进样往往是理想的选择(如白酒中甲醇和香味成分分析)。
3)进样时间长(如阀进样)的样品分析。
4)在色谱方法开发过程中,如果对样品的组成不是很清楚,应首先采用分流进样。
5)对于样品应采用分流进样。因为分流进样时大部分样品被放空,只有小部分样品进入色谱柱,在很大程度上防止了色谱柱污染。
二、不分流进样:
不分流进样是在高效气相色谱仪进样前,分流阀将分流气路关闭3080s,待气化的样品基本或大部分进入毛细管柱后打开分流气路,将残留在气化室中的样品通过分流气路放空。
分流进样是因为柱容量小和样品浓度高而不得不采用的方法,那么低浓度样品采用不分流进样以提高分析灵敏度就是理所当然的选择了。实际工作中,不分流进样的应用远没有分流进样普遍,只是在分流进样不能满足分析要求时(主要是灵敏度要求),才考虑使用不分流进样。
1、不分流进样系统结构:
不分流进样与分流进样采用同一个进样口。不分流进样是将分流气路的电磁阀关闭,使气化的样品基本或大部分进入色谱柱。这样既可提高分析灵敏度,又能消除分流歧视的影响。
不分流进样时,在气化室中气化的含有大量溶剂的样品不可能瞬间进入色谱柱,溶剂峰会严重拖尾,使早流出组分的色谱峰被掩盖在溶剂拖尾峰中,从而使分析变得困难甚至不可能,此现象称为溶剂效应。
1)载气流路:
1)瞬间不分流进样:
进样开始时关闭分流阀,使系统处于不分流状态,待气化的样品基本或大部分进入色谱柱后开启分流阀,使系统处于分流状态,将残留在气化室中的溶剂气体(包含小部分样品组分)很快通过分流气路放空,从而在很大程度上消除了溶剂峰拖尾现象。分流状态一直持续到分析结束,注射下一个样品时再关闭分流阀。
不分流进样并不是绝对不分流,而是分流与不分流相结合,确定瞬间不分流时间(又称溶剂吹扫时间)往往是分析成败的关键。
2)瞬间不分流时间的确定原则:
瞬间不分流时间的确定依赖于样品性质、溶剂性质、衬管容积、进样量、进样速度和载气流速。
原则上讲,这一时间应足够长,保证绝大部分样品进人色谱柱,避免分流歧视的影响。同时又要尽可能短,较大限度地消除溶剂峰拖尾,使早流出峰的分析更为有效。这显然是矛盾的。实际工作中,常根据样品的具体情况(如溶剂沸点、待测组分沸点和浓度等)和操作条件确定优化的折衷点。一般情况下,这一时间为3080s,多用45s,可保证95%以上的样品进入色谱柱。
对于高沸点样品,不分流时间长些有利于提高分析灵敏度,而不影响分析有效度。对于低沸点样品,不分流时间要尽可能短些,较大限度地消除溶剂峰拖尾,以保证分析有效度。
3)确定瞬间不分流时间的方法:
首先确定溶解样品的溶剂、衬管容积、进样量、进样速度和载气流速。
开始时可将这一时间设置的长些(90120s),以保证全部样品组分进入色谱柱。样品进行分析后,选择一个待测组分的峰面积(该峰的k值应大于5)作为测定指标,该峰面积代表100%的样品进入了色谱柱。
然后逐步缩短不分流时间分别进样分析,计算同一组分在不同溶剂吹扫时间条件下的峰面积与首先次分析的峰面积之比,直到比值小于0.95,此时的不分流时间为较短时间。
再进一步微调不分流时间,使同一组分的峰面积达到首先次分析时峰面积的95%99%,此时的溶剂吹扫时间即为较优条件。
2)衬管:
1)样品在不分流衬管中的滞留时间取决于衬管形状、衬管容积、气体速度和样品气化的时间。
为使样品在气化室中尽可能少稀释,减小初始谱带宽度,衬管容积小些有利,一般为0.251mL,较好使用直通式衬管。当用自动进样器进样时,因进样速度快,样品挥发快,建议采用容积稍大些的直通式衬管。
有时采用锥形衬管,以使样品聚集到色谱柱上,限制样品反冲,减少与样品口金属的接触。
2)对于干净样品,衬管内可不填充玻璃毛。
3)对于样品,衬管内要填充玻璃毛或石英玻璃毛,以促进样品气化,保证分析重现性,防止固体颗粒和不挥发的样品组分进入色谱柱,保护色谱柱不被污染。
4)由于不分流进样时样品在气化室滞留的时间比分流进样时长,热不稳定化合物分解的可能性大,衬管和其中填充的石英玻璃毛都必须经硅烷化处理,要及时清洗、更换和重新硅烷化。
2、不分流进样特点:
1)优点:
1)适合程序升温操作。
2)用于低浓度样品。
3)可注入较大体积的样品。
4)可使用较低进样温度,有利于热不稳定化合物的分析和减少样品的热分解。
5)分析灵敏度比分流进样高的多。
6)适合痕量分析。
2)缺点:
1)操作条件优化比较复杂,操作技术要求比较高。
2)样品初始谱带比较宽(样品气化后的体积相对于柱内载气流量太大),溶剂峰严重拖尾,掩盖早流出组分的色谱峰。
3、操作参数:
1)进样口温度:
进样口温度可以比分流进样时稍低些,因为不分流进样时样品在气化室的滞留时间长,气化速度稍慢些不会影响分离结果。进样口温度的底限是能保证待测组分在瞬间不分流时完整气化,否则过低的进样口温度会造成高沸点组分的损失,影响分析灵敏度和重现性。当然,过高的进样口温度会造成样品分解。因此要根据样品的具体情况优化进样口温度。当改变进样口温度后,必须重新优化设置瞬间不分流时间。
2)载气流速:
从减小初始谱带宽度的角度考虑,不分流进样的载气流速应高些,其上限应以保证分离度为准。分流出口的流量(开启分流阀后)一般为3060mL/min。只要开启分流阀的时间设置正确,分流出口的流量在此范围内变化对分析结果的影响很小。
3)进样量和进样速度:
进样量一般不超过2μL。进样量大时应选用容积大的衬管。
进样速度应快些,较好用自动进样器进样。若采用手动进样,进样速度的重现性会影响分析结果。
4)溶剂:
不分流进样对溶剂的要求比较严格。
1)进样口温度、初始柱温、瞬间不分流时间和进样体积都与溶剂沸点有关。一般来说,使用高沸点溶剂比低沸点溶剂有利,因为溶剂沸点高时容易实现溶剂聚焦,且可使用较高的初始柱温,还可降低进样器针尖歧视和气化室压力的突变。
2)溶剂极性一定要与样品极性相匹配,保证溶剂在所有被测样品组分之前出峰,否则早流出的组分峰会被溶剂的大峰掩盖。同时溶剂要与固定相匹配,才能实现有效的溶剂聚焦。
5)柱温:
初始柱温尽可能低些,较好低于溶剂沸点1020℃,以使溶剂在柱上冷凝,从而使溶质分子形成紧密的窄的谱带。
4、不分流进样规则:
1)将进样口设为不分流进样模式。
2)设定进样口温度比样品组分中较高沸点的温度高20℃以上。
3)采用三明治进样(即注射针先吸一段溶剂,再往上拉一段空气,然后将样品吸入注射针),快速注入样品,让注射器停在进样口几秒钟,以确保样品完整气化。
4)开始时柱温箱温度设为比溶剂沸点低20℃,保持1min,然后以30℃/min升至比溶剂沸点高4060℃,再根据样品需要程序升温。
5)进样3080s后,进样口切换到分流模式,排气流量至少应设为50mL/min
6)隔垫吹扫打开,设为25mL/min
5、不分流进样应用:
不分流进样的分析灵敏度比分流进样高的多,在药物代谢产物和天然产物的痕量分析领域受到重视。
对于高沸点痕量样品的分析,不分流进样可以不考虑溶剂沸点,采用高的初始柱温可以缩短分析时间。不分流进样是高沸点痕量样品分析的专业方法。
   

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