气相色谱仪进样系统的选择与使用

2016-11-30 15:57 来源: 济南福的机械有限公司
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  一、进样系统的选择:

  气相色谱仪分析中,人们总希望有一种进样系统既能适应填充柱和毛细管柱,又能满足不同进样量和进样技术的需要,实践证明这是不现实的,因此,对于一项新的分析任务,面临选择进样系统的问题。进样系统主要是根据样品性质、分析目的和色谱柱类型等来选择,一般原则是在满足分析要求的前提下,尽量选用结构简单、操作和维修方便的进样系统。如填充柱和毛细管柱进样系统首选前者,毛细管柱常规分析时分流进样系统为首选等。

  1、首选填充柱进样系统的原因:

  (1)结构简单,操作和维修方便。

  (2)无隔垫吹扫功能对分析结果影响不大。

  (3)填充柱容量大,进样量高达10μL且样品全部进入色谱柱,分析重复性和定量准确度高,有利于微量和痕量分析。

  (4)对于极性和易吸附分解的样品,很容易用玻璃衬管或玻璃柱解决。

  (5)只要分离度允许,填充柱进样适用于各种挥发性样品的分析,而毛细管柱分析时必须仔细选择进样系统。

  (6)对于液体样品,由于柱效有限,进样速度对分析结果影响不大,手动进样和自动进样区别不大。为提高定量精度,只要注意进样量和进样速度尽量重现即可。

  2、毛细管柱进样系统:

  无论采用什么色谱分析方法,毛细管柱容量和载气流量与填充柱相比都较低,虽然根据毛细管柱分析特点,设计了多种进样系统,改进了进样技术,但进样引起的定量误差总体来说比填充柱进样大。因此,毛细管柱进样系统的选择比填充柱考虑的因素多。从理论上讲某一个样品可能有多种进样系统可供选择,但实际上在性价比、操作简便性和维修保养要求等方面可能存在很大不同。选择进样系统时,应首先列出不同进样系统的优缺点,经比较后再最终确定。如:

  (1)对于热稳定样品,分流-不分流进样是首选。

  (2)对于热不稳定或易分解的样品,应选用惰性小的进样系统。

  (3)在某一样品操作参数的选择中,采用大分流比和低气化温度,样品仍可能分解,应选用冷柱上进样等。

  实际工作中,无论哪种进样系统,完全避免样品歧视是不可能的。色谱分析是相对定量,只要操作参数和条件能稳定重现,即使有一定程度的样品歧视,分析结果也会重复,可通过标准样品的校准来消除样品歧视对定量准确度的影响。

  二、进样量:

  进样量主要由样品性质、色谱柱容量、检测灵敏度和进样系统等决定。进样量过大,保留时间会变化,峰展宽或畸变,分离度变差;若组分含量低,溶剂拖尾峰可能掩盖组分峰或难以定量。进样量小,可以克服上述问题,使峰分离良好,分析准确度提高,但保留时间会拖后;若样品组分含量相差较大,微量组分可能难以检出。

  进样量还和检测器的响应线性范围和动态范围有关。若进样量响应在线性范围内,定量简单,精度高。若进样量响应在动态范围内(非线性段),虽然可以定量,但定量麻烦,误差明显增大。若进样量响应超出动态范围,无法定量。对于非线性响应的FPD分析硫化物时,为了提高信噪比,适当增加进样量有利于提高灵敏度。

  色谱分析中,为了减少样品的预处理,实现直接进样,提高工作效率,设计了多种大体积进样系统。

  三、气化温度:

  气化温度对组分分离和峰形影响很大。温度过低,会产生前延峰。温度过高,会出现分解产物或峰前沿直立。气化温度一般根据样品组成、样品量、色谱柱类型和柱温选择。如冷柱上进样,由于色谱柱插入气化室,温度过高会使柱前沿部分固定相剥落或分解,造成基线不稳和引起鬼峰。

  四、隔垫:

  隔垫的作用是保证进样口处于密封状态,防止漏气,避免外部气体渗入。

  1、隔垫选择:

  隔垫的主要性能指标是耐温和耐穿刺次数。优良的隔垫最高使用温度可达400℃,耐穿刺次数近400次。质劣的隔垫耐温不到100℃,耐穿刺次数仅几次。实际工作中,应根据分析要求选用能满足要求的隔垫,没有必要非选用高级隔垫,关键是了解隔垫是否会对分析产生不利影响和正确使用。

  2、使用注意事项:

  (1)气化温度应尽可能低,温度越高隔垫寿命越短。当气化温度过高,可能由于隔垫降解而流失,产生等距鬼峰。此时气化温度可每次降低25℃直到无峰出现来判断和解决。

  (2)为了减小痕量分析时隔垫中挥发物对分析的干扰,常在高温下对隔垫进行老化。

  (3)隔垫螺母不要拧得太紧。优良注样器的隔垫螺母不用拧得很紧,好穿刺并延长了隔垫寿命。实验表明,隔垫螺母拧得太紧更易漏气。

  (4)注射针尖要锋利,无倒刺。针尖质量对隔垫的穿刺次数影响最大,质量不高的注射针每次进样可能割下一个约100μg硅橡胶微粒,而积存在衬管内或柱内,每个微粒能吸收高达10ˉ9g溶剂或样品,一旦被脱吸,在痕量分析中会引起鬼峰。

  (5)尽量使用隔垫吹扫功能。

  (6)应及时定期更换。

  (7)自动进样有利于延长隔垫寿命,可大大减少隔垫的不利影响。

  3、隔垫引起的故障:

  (1)漏气:

  样品经过隔垫流失,载气和分流流量下降,分析重复性变差。

  检漏,必要时更换新隔垫。

  (2)大峰后基线上移或下移:

  注射进样时隔垫可能有短时间的严重漏气。

  更换新隔垫或选用较细的注射针。

  (3)保留时间变化:

  隔垫密封不良,有间断漏气。

  检漏,必要时更换新隔垫。

  (4)引起鬼峰:

  隔垫表面吸附样品,当程序升温时脱附而产生鬼峰。样品注射过程中把隔垫碎片带入气化室,当温度高于250℃时发生分解而产生鬼峰。

  选用耐高温隔垫或适当降低进样口温度。

  五、衬管:

  1、衬管作用:

  (1)防止隔垫碎片和不挥发性样品组分进入色谱柱,保护色谱柱不被污染。

  (2)玻璃衬管比不锈钢衬管活性小,可减少对样品的催化分解,基本消除活性对定性和定量分析的影响。

  (3)不同的进样方法选择不同结构、形状和规格的衬管,可提高气化效率,大大减小样品气化过程中的样品歧视。

  2、衬管设计要求:

  (1)尽量减小进样时样品与金属表面的接触。

  (2)有不同结构和容积的衬管供选用,以适应不同进样技术的要求。

  (3)衬管内壁要进行去活处理。

  (4)不会对载气流动造成不良影响。

  (5)更换清洗方便。

  3、衬管材质:

  目前有石英玻璃和硬质(高温)玻璃两种。

  4、衬管形状:

  (1)毛细管柱分流进样的衬管一般不用直通式,衬管内有缩径结构、烧结玻璃粉、玻璃棉或石英玻璃棉等。这主要是为了增大与样品接触的表面积,加快气化速度,减小分流歧视。同时能防止不挥发性组分和机械杂质进入色谱柱,保护色谱柱不被污染。

  (2)毛细管柱不分流进样的衬管最好采用直通式。这主要是为了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0.25~1mL。

  (3)冷柱上进样不用衬管,采用保留间隙管。

  (4)采用自动进样时,因进样速度快,样品挥发快,一般采用容积大的直通式衬管。

  5、衬管容积:

  衬管容积是影响定性和定量分析结果的重要参数之一,基本要求是衬管容积至少等于样品和溶剂气化后的体积。如果衬管容积太小,进样时柱前压会突然升高,引起样品倒灌。如果衬管容积太大,会使样品初始谱带展宽,产生柱外效应。

  常用样品溶剂气化膨胀后的体积:

  条件:进样体积1μL,气化温度250℃,柱前压0.14 MPa

  (1)异辛烷:110μL

  (2)正己烷:140μL

  (3)甲苯:170μL

  (4)乙酸乙脂:185μL

  (5)丙酮:245μL

  (6)二氯甲烷:285μL

  (7)二硫化碳:300μL

  (8)乙氰:350μL

  (9)甲醇:450μL

  (10)水:1010μL

  6、衬管填充物:

  玻璃衬管中填充石英玻璃棉的目的是使样品混合物均匀,充分气化,防止不挥发性组分和机械杂质进入色谱柱。

  (1)石英玻璃棉填充量:

  1)分流进样衬管填充量较大,不分流进样和大口径毛细管柱直接进样约为分流进样的1/5,直接进样一般不用填充。

  2)高吸附性样品如农药,少填会得到更好的分析效果。

  3)样品中含有非挥发性化合物或某些特殊样品,减少或改变填充量可能分析效果更佳。

  4)对于高气化热的溶剂如水,适当增加填充量会得到更好的分析效果。

  5)石英玻璃棉填充应均匀,不宜太紧,也不宜太松。

  (2)石英玻璃棉填充位置:

  一般位于注射针尖下方1~2mm左右,太远太近都会使分析结果重复性差。

  (3)衬管和石英玻璃棉的硅烷化:

  虽然玻璃衬管的金属活性小,但其内表面仍有活性点,石英玻璃棉也存在活性点,对于某些样品特别是农药,为了减少吸附性和分解,需进行硅烷化处理。进样器在高温操作时,硅烷化处理的有效作用只有几天,应及时更换硅烷化衬管和石英玻璃棉,否则要重新硅烷化。

  常用硅烷化方法是二甲基氯硅烷化。

  1)衬管或石英玻璃棉用丙酮等清洗,凉干后在5%正己烷溶液中浸泡12h左右。

  2)取出浸泡后的衬管或石英玻璃棉,立即用甲醇清洗2~3次,然后在甲醇中浸泡1h左右。

  3)从甲醇中取出凉干后,与二甲基氯硅烷一起在干燥条件下保存。

  7、衬管密封:

  玻璃衬管常用密封材料是耐温硅橡胶和石墨。衬管上端的“O”形硅胶密封圈用一段时间后,会形成载气旁路(分流、柱流量),使峰忽大忽小,造成无法定量。因此,除保证衬管初装时的密封性外,还要及时检漏和更换。当进样口温度超过400℃时,最好采用石墨密封圈。使用石墨密封圈时,密封圈尺寸规格要和衬管相匹配,否则极易漏气。

  氟橡胶密封性比石墨好,但长期在高温下工作,容易漏气,寿命较短。

  8、衬管清洗:

  衬管使用一段时间后,衬管中的石墨垫粉末会附着溶剂,衬管中的石英玻璃棉会沾有隔垫碎片,需要进行清洗。清洗前一定先除去原有石英玻璃棉。清洗后应避免用手触摸,以防油脂污染。清洗方法主要有:

  (1)用蘸有溶剂(视样品情况选用溶剂)的纱布擦洗衬管内壁,若衬管内壁污垢较多,将衬管有污垢部分浸入溶剂中数小时后,再反复擦洗直至干净。清洗后的衬管凉干后,填充石英玻璃棉,在250℃恒温箱中烘干。

  (2)热酸氧化除污。

  (3)在火焰中加热到500℃,除去有机残留物。

  9、衬管引起的故障:

  (1)样品歧视。

  (2)样品可能分解。

  (3)样品倒灌:

  1)大体积进样时气化温度太高。

  2)进样量太大。

  3)衬管容积小。

  (4)定量重复性差。

  (5)峰形畸变。

  (6)引起鬼峰。

  10、使用注意事项:

  (1)对于分流进样和大体积进样,进样量一般大于1μL或更大,衬管容积应大于800μL或更大。对于快速分析(100μm小直径柱)、顶空进样和热解析进样等,衬管容积应适当减小。

  (2)更换衬管时,安装位置要重现。

  (3)当峰出现拖尾、定量重复性变差或检测器灵敏度明显减小时,应及时更换去活衬管或对衬管进行再去活处理。

  (4)对于“脏”样品,建议衬管每天更换一次。干净样品视情况而定。衬管一般可一个月更换一次。

  (5)衬管内填石英玻璃棉不适合分析酚类、有机酸类、农药类、胺类、性极性化合物和热不稳定性化合物等。

  (6)为防止注射针头进样时穿过石英玻璃棉,可在针头上装一个或几个隔垫。

  (7)为防止在衬管中石英玻璃棉位置改变,一定要在柱前压降至零时更换隔垫和毛细管柱。

  (8)衬管破碎后,应从柱箱内拆去毛细管柱、柱接头与气化室连接插件后,才能清除气化室中的衬管玻璃碎片。清除时玻璃碎片一定要清除干净,否则再装衬管时,密封面容易造成损伤而漏气。

  (9)新样品分析前应考虑:

  1)衬管规格和形状。

  2)是否填充石英玻璃棉。

  3)是否要硅烷化。

  4)已安装好衬管要复查密封性。

  5)衬管是否破碎。

  6)石英玻璃棉位置是否已改变。

  7)注射针插入深度。

  8)衬管和石英玻璃棉是否更换或重新硅烷化等。

  (10)衬管引起重复性差的主要原因:

  1)石英玻璃棉填充不当。

  2)硅烷化作用失效。

  3)进样量大可能出现样品气化后倒灌。

  4)填充的固体吸附剂或固定相不能正常发挥作用。

  六、进样器死体积:

  对于填充柱,进样器死体积可以忽略。

  对于毛细管柱,进样器死体积对峰展宽的影响不能忽略,应尽量减小进样量,适当提高气化温度,增大载气流量和分流比(若灵敏度允许)。若仍不能满足要求,只能考虑各种聚焦(浓缩)技术,如程序升温、溶剂聚焦即毛细管柱不分流进样的柱溶剂效应和冷阱聚焦即用致冷剂实现低温(比样品沸点低150℃左右)浓缩。

  七、液体微量注射器:

  气相色谱仪分析中,液体微量注射器进样对定性和定量重现性影响因素是多方面的,如进样系统的设计原理、结构和材质、样品中的杂质浓度和组分的理化性质、进样条件(气化温度、载气流量、隔垫吹扫气流量、衬管和隔垫老化等)、注射器规格、结构和质量、正确使用和保养、进样技巧(注射器取样方法、注射针的插入深度和拔出时间)等。

  1、进样前考虑:

  (1)进样速度:

  进样速度依赖于样品类型、色谱柱类型、加热方式、气化室结构、载气流量、衬管类型和分析要求等。若组分的挥发性大或峰宽小,注射速度应尽量快。如果注射时间超过峰宽,峰将加宽、拖尾和分离变差。若组分沸点高或保留时间长,进样速度显得不太重要。

  (2)注射针插入深度:

  进样器结构不同,注射针插入深度不同。

  冷柱上进样时针尖必须插到柱头,一般气化室针尖必须插到有效加热区或衬管的内填充物上方1~2mm处,才有利于样品的瞬时气化和以“塞子”进入色谱柱。每次插入深度应相同。

  (3)隔垫松紧:

  隔垫过紧有利于密封但进样困难,不易重复,隔垫寿命短。实际操作时,应根据柱前压大小适当调节松紧,以保证拨针不漏气为准。实验表明,某些情况下注入样品后在进样口停留几秒,有利于隔垫较松时进样的重复性。

  2、进样方法:

  (1)一般进样方法:

  1)吸取样品前,先用溶剂清洗3~5次,进样前再用样品清洗3~5次。

  2)对于10μL以上注射器,吸取样品时要注意有无气泡。

  3)注入GC前,把蘸在针头的多余样品用滤纸擦去。

  4)注射时不要边扎边推注射杆,当针全部插入气化室后,进样并敏捷拔出注射针。

  (2)空气夹心取样进样法:

  死体积10μL以上的微量注射器吸入样品后,通常在针头残留零点几微升的样品,在此状态下注入高温气化室时,针头部分的样品会先气化进入色谱柱,再是其余的样品,这近乎打两次针(两次进样)。为了克服这个缺点,可采用空气夹心取样进样,即在取样前,注射器先吸取一定量的空气,然后吸取一定量的液体样品,再吸取一段空气后进样。采用这种方法吸取的样品夹在两个空气柱之间。

  (3)空气溶剂夹心取样进样法(溶剂闪蒸进样法):

  具有高沸点组分的样品进样注入后,注射针内会有残留现象,这样进入色谱柱的样品组成与原样品组成不同。一般来说,低沸点组分进入色谱柱的量相对多,高沸点组分定量值变小。为防止进样歧视,可采用空气溶剂夹心取样进样,即在取样前,注射器先吸取1μL溶剂和0.5μL空气,然后吸取一定量的液体样品,再吸取一段空气后进样。采用这种方法吸取的样品,可确保全部注入GC,注射针内不会有残留现象。

  3、使用注意事项:

  (1)注射样品量在注射器量程的2/3左右为佳。

  (2)注射器量程的校正方法有汞称重法和比较法等。

  (3)注射器量程校正比较困难,为了减小进样量误差的影响,应采用内标法定量,尽可能采用同一支注射器进样。

  (4)注射器有一定寿命(主要指抽取次数)。10μL注射器以能否在浸润针壁排出气泡为准。

  (5)不宜快速推拉针头,太快不但不宜排出气泡,还会损坏。

  (6)0.5~1μL微量注射器的针芯拔出针头时,不要再用力推回,需把针头与刻度针管连接螺母扭开,用手轻轻把针芯穿过密封垫后再扭回螺母。

  (7)注射器被污染或用于注射其它样品后,清洗后可以再使用。但应注意:

  1)不能通过清洗后用同一支注射器注射不浓度的样品。

  2)注射浓度过高的样品后,不能注射低浓度(痕量)样品。

  3)像ECD分析所用注射器只能专用。

  (8)一天注射分析后或注射沸点过高样品的注射器,必须经清洗后方可存放,否则会粘住。

  (9)针尖处的残留样品是影响分析重复性的主要因素之一,进样前要用滤纸擦去。

  (10)特别是痕量分析时,应避免用手触摸针头,以防引起鬼峰。

  (11)清洗注射器时,若不能从针头吸入溶剂,可拔出柱塞从后部注入溶剂浸泡清洗。

  (12)根据样品特点,备好清洗注射器的溶剂和装废液的容器。

  八、微量注射器进样与进样阀进样的比较:

  1、微量注射器进样:

  (1)气体进样:

  气体定量分析一般采用外标法,采用微量注射器进样时注射体积要准确,否则定量准确度很难保证。因此尽量不用。

  (2)液体进样:

  采用微量注射器把液体样品注入加热的气化室中,一般不存在蒸发困难的问题。但对于高沸点组分(>300℃)特别是是固体样品,注射样品后,针头可能会残留高沸点组分。采用溶剂清洗可消除此影响。

  2、进样阀进样:

  (1)气体进样:

  死体积小的气体进样阀进样的定量分析结果比微量注射器好的多。但对于沸点较高的组分不能较快地从阀中蒸发,会使峰展宽而影响定量,采用恒温加热进样阀进样能很好的解决这个问题。

  (2)液体进样:

  液体进样阀进样效果不错,但不如微量注射器进样方便,只有某些特殊样品才考虑采用液体进样阀进样。

  九、含水样品的分析:

  常量和微量水可以用气相色谱分析(TCD),FID是唯一能进水样的检测器。由于水不是理想的溶剂,在遇到含水样品的分析时要谨慎处理。水某些物理特性对分析有不利影响:

  1、水的蒸发膨胀体积最大,衬管容积小会引起进样时样品倒灌。

  2、许多固定相对水的润湿性和溶解性较差。当水进入色谱柱时,在柱壁上不能形成光滑的溶剂膜而形成水滴,导致不能均匀地流过色谱柱,使柱性能变差。当柱温较低时,部分水以液态流过色谱柱,使在水中溶解性较好的组分峰展宽,甚至峰分裂。

  3、水能使许多固定相降解,影响柱性能,使分辨率变差,基线漂移,噪声增大。

  4、采用冷柱上进样时,不挥发性化合物如水溶性盐类被液态水带入色谱柱,会污染色谱柱和系统。

  5、大量水会使FID灭火,微量水会使ECD灵敏度降低和线性范围变窄等。

  6、当必须分析含水样品时,可选择色谱柱和分析条件,尽量减小水峰对其它峰的干扰,如选用键合相柱、柱温大于100℃和在水样中适当加入有机溶剂等。