气相色谱仪分析准确度的探讨

2015-12-12何思

安徽化工 2015年3期

何思

（铜陵金泰化工股份有限公司，安徽铜陵 244000）

气相色谱仪（GC）是通过气相色谱法的原理对样品进行分离、分析的。分析样品在汽化室气化后被载气带入色谱柱，随着载气流动，使样品组分在色谱柱中进行反复多次的分配或吸附/解吸附。在载气中浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出，进入检测器变为电信号，将这些信号放大并记录下来即形成气相色谱图。

为提高气相色谱的检测准确度，结合实际工作，本文通过对气路系统、进样系统、色谱柱和检测器等方面进行分析，探讨如何提高气相色谱的检测准确度。

1 载气与辅助气

气相色谱是利用各组分沿色谱柱运动时，组分在柱内固定相和流动相间反复多次进行分配，多次分配差异的累计就将各组分分开，所以载气不仅是推动组分在柱中运行的动力，而且也参加组分的分离过程。辅助气直接进入检测器，影响检测结果，因此要保证GC分析质量和分析结果的稳定性，不仅要考虑到气流的稳压和流量的控制，还要考虑气体的选择和净化。

（1）气体的选择

气相色谱仪常用载气为氢气、氮气、氦气、氩气等，通常采用钢瓶气，结合实际生产一般是钢瓶气与气体发生器组合使用。

气相色谱仪对载气的要求十分严格，存在气路及气源系统中的水分、烃、氧会产生噪声、额外峰和基线“毛刺”，尤其对特殊检测器（ECD、PID）影响更为显著，极端情况下还会破坏色谱柱。通常水分存在于气体容器表面和气体管路内，不仅影响组分分离，还会使固定相降解，缩短柱寿命。氧的破坏作用最严重，即使很微量的氧也会破坏毛细管柱及极性填充柱，使固定相氧化，从而破坏柱性能和缩短柱寿命，此外，氧化物还会引起基线噪声和漂移，使分析工作无法进行。因此，为保证仪器的灵敏性和准确性，必须对载气和辅助气进行严格的净化。气相色谱仪各种通用气体净化指标如表1所示[1]。

表1 GC通用气体净化指标

我们分析样品使用的是FID检测器，载气用氮气，燃烧气为氢气和氧气。在实际应用中将载气通过净化器中进行脱水、脱除碳氢化合物及微量氧后气体纯度达到99.999%后方可使用。

（2）气体流速的选择

由速率理论可知：

式中：H—理论塔板数；u—载气的线速度（cm/s）；A—涡流扩散项；B/u—分子扩散项；C·u—传质阻力项。

由上述方程可知，分子扩散项与流速成反比，传质阻力项与流速成正比，故必有一最佳流速能使色谱柱的理论塔板高H最小，柱效能最高，如图1所示。在曲线的最低点H最小，柱效能最高，该点对应的流速为最佳流速。由速率方程可知，当载气流速小时，有利于传质，组分能获得较好的分离，但此时分析速度较慢；当载气流速大时，分析速度加快，但分离度降低，因而在实际工作中为兼顾分离度与分析时间，往往使流速稍高于最佳流速。经过长时间的验证，分析碳酸酯类产品时我们使用氮气作载气，流量控制在30mL/min，且氮气∶氢气∶氧气=1∶1∶2，分析效果较好。

2 进样系统及色谱柱分离系统

2.1 进样系统

（1）进样量的选择

进样量与气化温度、柱容量和仪器的线性响应范围等因素有关,进样量过大容易造成柱超载，影响分离的准确性，因此进样量应控制在瞬间气化达到规定分离要求和线性响应的允许范围内。我们检测的均为液体样品，因此进样量一般为0.1μL～1μL。

（2）内衬管

液体进样一般是通过汽化室把溶剂和样品转化为蒸汽进入色谱柱中，由于样品中往往会有微量杂质以及进样垫长时间在高温下使用会有细小颗粒脱落，这些杂质和颗粒会在内衬管内聚集，对样品产生吸附作用，影响分析结果的准确度。我们采取的措施是定期清洗内衬管，并且在内衬管中加入石英棉，这样既可以增加样品接触的表面积，达到快速汽化的目的，同时可以用石英棉阻挡杂质，要注意的是石英棉必须勤更换。

2.2 色谱柱分离系统

（1）色谱柱的选择

气相色谱是一种分离分析手段，分离是核心，因此担负分离作用的色谱柱是色谱系统的心脏，一根高效、质量好的色谱柱应该具有选择性好、内壁惰性、温度使用范围广的特点，这取决于色谱柱内固定相、柱内径、膜厚及柱长。

根据相似相容原理，一般选用非极性的固定相分析非极性化合物，如果化合物可以用不同极性的固定相分析，首选最小极性的固定相；对于偶极或氢键化合物，选用含腈基或聚乙二醇的固定相。我们主要产品为碳酸酯类，因此选用弱极性和中极性固定相的色谱柱。

分离度与柱长的平方根成正比，当柱长增加1倍，分离度理论上增加0.414倍，同时分析时间也增加1倍[2]。在实际工作中，分离度难以达到的时候，选择柱长更长的柱子仍是最直接有效的方法。一般来说，对于毛细管柱，30m的色谱柱是最常用的柱长，大多数的分析在此长度上完成，分离更复杂的样品可以用50m、60m或者更长的色谱柱；填充柱一般柱长在0.5～10m。

选择色谱柱内径和膜厚要考虑分离难度和检测难度，柱径影响柱效率、保留特性和样品容量，膜厚影响柱的保留特性和柱容量。柱效率与柱半径平方成反比，柱内径越小，柱效越高，但柱容量更小。当进样量超过柱容量时，会导致色谱峰畸变，柱分辨率降低，因此，对于复杂样品需要使用精确分离的柱内径小的柱子。实际应用中根据不同内径的标准膜厚来选择，一般0.18～0.32mm内径的色谱柱，标准膜厚在0.18～0.25μm，0.45～0.53mm内径的色谱柱，标准膜厚在0.8～1.5μm。

（2）柱温的选择

在气相色谱分离中，色谱柱选定后，柱温就是一个重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度。

柱温低有利于分配和组分的分离，但温度过低，被测组分可能在柱中冷凝或者传质阻力增加，使色谱峰扩张，甚至拖尾（如图2）。柱温高有利于传质，但柱温过高时，分配系数变小，不利于分离（如图3）。一般通过实验选择最佳柱温，要使物质对既完全分离，又不使峰形扩展、拖尾。经验表明，选择的柱温等于样品的平均沸点或高于平均沸点10度时最为适宜（如图4）。

实际工作中我们所要分析的大部分样品沸程窄、组分较简单，因此采取恒温模式分析能得到较好的分离效果。但是，对于沸程宽、组分较复杂的样品，如在一恒定的温度下分离，那么随着保留时间的增加，峰宽迅速增加，导致保留较弱的组分重叠，而保留较强的组分又因为分析时间长，张起峰展宽，峰高下降[3]。因此，通过程序升温来解决，即保留的组分在较低的温度下洗脱，而强保留的组分在较高的温度下洗脱，这样可使复杂的混合物在适当的时间内实现最佳分离。

（3）色谱柱的污染

长时间的使用，毛细管柱色谱柱头处会积累杂质，这些杂质会在下一次的进样分析中被带入色谱柱内，影响检测的准确度，通常在检测较复杂的样品后会对色谱柱进行20～30min的升温老化，以消除柱内的污染物。如老化后仍有污染，可将毛细管柱前端截去15cm左右。

（4）检测器的影响

检测器的污染会导致出现噪声和鬼峰，严重时无法进行分析工作，此时应对检测器进行清洗。通常可在进样口注入丙酮进行清洗，如清洗后无效，则可以将检测器拆下来进行彻底的清洗。

3 其它方面

（1）色谱工作环境

工作环境对气相色谱的使用也会有影响，仪器室及其周围不能有震源、火源、电火花、强大磁场和电场、易燃易爆和腐蚀性物质等存在。室内温度最好在10～35℃范围之内，相对湿度在80%以下，以保证各元件能正常工作，因此，我们在仪器室内配备空调来调节温度和湿度。通过提供较稳定的环境来减少甚至消除环境因素对色谱准确度的影响。

（2）操作水平

进样技术不佳会造成色谱峰不重复，峰面积忽大忽小，变化无规则。因此为提高检测结果的准确度，操作人员的培训十分必要。