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实验室分析方法--气相色谱进样方法及原理分析

2022.1.27

一、进样技术

在使用气相色谱仪时，进样技术的选择与操作对分析结果的准确度和重现性有着直接影确，现就各种不同进样技术的进样口、操作参数设置及样品适用性进行叙述。

气相色谱进样技术是一个颇复杂和费思考的事，因为涉及的因素很多。

表1列出了常见的进样技术、因素及要求

样品	进样设备	气化室情况	载气情况
气体	注射器	手动	气化室气体或液体样品被送入气化室空间	气化室已加热，进样后保持恒温	分流	经典的
自动
进样阀	自动	不分流	Crob式的
手动	气化室为低温，进样后程序升温
气体量管	手动	经典的
液体	注射器	手动
自动	液体样品被直接送入色谱柱头	气化室已加热，进化后保持恒温	不分流	经典的
进样阀	手动
自动
固体	裂解器	自动	气化室为低温进样后程序升温
将样品用溶剂溶解为液体，然后以液体样品处理

表1 常见的进样技术、因素及要求

一、进样方法

就气相色谱样品的状态而言，气体、液体和固体都有。气体和液体样品可用不同规格的注射器、进样阀以手动或自动方式进样。注射器和气体量管进样的优点是：进样量可以改变，操作简便；缺点是：若非自动进样，则进样量难以达到重复。图16-1是气体量管进样装置。进样前将样品从储气瓶取入量管中，关闭活塞3，记下量管中样品读数，然后旋转活塞3，用下口瓶把样品气压入色谱柱。关闭活塞3，记下此时量管中样品读数，其差值是进样量。

用进样阀可获得重复性颇好的定量结果。气体样品可用四通或六通阀手动方式定体积进样。图1是用两个四通阀进样的示意图，进样量管依样品量大小而定。图2（a）为取样位置，此时用样品气置换量管中的载气，使量管完全充满样品气。图2（b）为进样位置，此时载气将样品气带入色谱柱中。图3是用一个六通阀进样的示意图。实线为取样位置，虚线为进样位置。用进样阀的缺点是在置换量管时消耗样品气较多，进样系统耐压较差。

图1 量管进样装置

1~4 活塞

图2 四通活塞定体积进样示意图

（a）取样位置（b）进样位置

图2（b）进样位置

图3 六通活塞进样示意图

图4 滑杆阀示意图

自动的进样阀颇多，如流程色谱仪有气动膜式六通阀、六通平面阀、六通滑杆阀等，用于在线周期性、定量取气体样品。有短管阀、旋转阀、滑杆阀等取液体样品。图16-4是自动定量进样滑杆阀的示意图，当压缩空气进入气室1时，将滑杆右推，完成进样操作；当压缩空气进入气室2时（同时将气室1内的气体放空），使滑杆推向左边进行取样操作。滑杆阀进样重复性良好，最小进样量为lμL。

固体样品进样则是用裂解器将样品裂解并进样，或者将样品溶入溶剂中，如同液体样品一样进样。

液体和固体样品还可按顶空分析法进样。

二、气化方式

样品必须先完全气化，然后在气相色谱柱中进行组分分离。当进样装置把样品送入气化室的空间或气化室内色谱柱的顶端（柱头进样），此时气化室可能是已加热至高温并保持恒温；也可能是低温，样品进入后才快速程序升温。一般地说，样品进入气化室空间之际，气化室已经加温至可完全气化样品的温度。而柱头进样时，样品进入气化室内柱头时，气化室才开始程序升温，使样品开始气化。例如由 Schomburg和Grob提出的冷柱头进样，它是一种把样品直接送到柱子顶端而无隔膜、无分离（直接进样）和无样品瞬间激烈蒸发过程的“冷”进样系统，对宽沸程和热不稳定化合物均可得到极好的定性和定量结果。

三、进样方式

气相色谱分析主要有填充柱进样和毛细管进样两种方式。

1.填充柱进样

填充柱进样口是目前最为常用，也是最简单、最易操作的GC进样口，该进样口的作用就是提供一个样品气化室，所以气化的样品都被载气带入色谱柱进行分离。进样口可连接玻璃或不锈钢填充柱，进样口温度应接近于或略高于样品中待测高沸点组分的沸点。内径为2mm左右的填充柱，载气流速一般为30mL/min（氦气）。用氢气作载气时流速可更高一些，用氮气时则要稍低一些，实际样品要依据具体分离情况进行载气流速的优化。填充柱的柱容量大，进样量较大。

填充柱进样口还可连接大口径毛细管柱直接进样分析。当使用大口径毛细管柱时，进样口温度一般应高于待测组分沸点10～25℃。从减少初始谱带宽度的角度看，载气流量越快越好。但由于填充柱进样口的载气控制常常是恒流控制模式，其稳定流速不应低于15mL/min，而这正是大口径毛细管柱的流量上限。由于大口径的柱容量小于填充柱，故进样量较小，进样速度宜慢一些。

在填充柱分析中，有一些特殊的采样方法和进样技术：

（1）加压进样技术 在填充柱分析中，有时会出现进样信号过大而干扰微量气体组分检测的现象。进样信号的产生是由于柱系统压力与进样系统压力过度失衡造成的。为了消除这种现象，可通过加压进样装置，即在进样系统中安装一个微量调节阀，通过控制微调阀，使进样系统压力与柱系统压力达到均衡有效地消除了进样信号对微量气体组检测的干扰。

加压进样装置流程如图5所示。当六通阀处于采样位置时，通过微量调节阀控制样品

图5加压进样装置流程图

1一定量管；2一转子流量计；3一精密压力表；4一微量调节阀（针形阀）；5色谱柱

气的放空流量使样品气系统产生一定压力，压力的大小由系统中的精密压力表测量并参照柱系统柱前压力进行调节。当进样系统压力与柱系统压力达到平衡时，进样过程中系统无气流冲击，进样信号即可得到消除。

（2）特殊情况下的样品采集和进样

①带压液化C₄、C₅烃类的采样装置有带取样瓶和带取样管两种。取样瓶是一个小的玻璃瓶，可耐压0.15～0.2MPa。取样的关键是既不要让轻组分偏低，也不要让重组分偏高，因此要求操作敏捷。取样后，样品放在冰盐水浴中保存。分析时用预先被干冰冷却的注射器抽取样品，迅速注入色谱仪。后者取样管是体积2～3mL的耐压管，取样时，将管直接接到取样点的管路上，取样后移接到气化装置上，使其全部气化，令气体样品注入色谱仪。

②密封或氮气保护取样注射器玻璃注射器的尾部气密性较差，当所取样品不能与空气接触时，可在注射器尾部加密封垫，为增加密封性，注射杆上端可稍涂真空润滑油。当测定溶剂油中溶解氧时，取样的微量注射器尾部要用氮气保护。

③C₄、C₅烃类混合气样的进样C4、C3烃类混合气体最好用六通阀进样。因为注射器的速度快，样品在瞬间可能达到露点，使得部分组分液化留在注射器内壁上，影响进样的准确性，而六通阀进样则不存在这一问题。用注射器进标样进行定量分析时，标样需用空气或氮气配制，不要用烃类配制，否则会产生较大误差。

④负压系统取气样装置从负压系统取气样，一般取样量要大，不然转变为常压时样品量太少。要尽量缩短进样时间，以免不稳定的反应产物发生变化。负压系统取气样的装置可参看图6。

图6负压系统取气样装置

1一绝对压力表：2-压力调节器：3一流速控制器：4一取样管（100mL）：5阀门:6一六通阀：7一真空泵

2.毛细管进样

（1）分流/不分流进样 样品进样量若较大，则需要减少其进入色谱柱的量，以免超过色谱柱负荷。可采取的办法是只容许带着气化样品的载气一部分进入色谱柱，而将另一部分放空，即将载气（样品）进行分流。当然，如果用的是大口径柱，样品量不会超过其负荷，就无需分流了。

分流进样是最经典且至今仍在广泛应用的一种进样方式，由 Desty最早提出，分流装置大多如图7所示，现在一般都设计为分流/不流两用形式，关闭放空，就变成不分流进样方式。

图7分流/不分流进样器

1一选样隔膜：2一隔膜清洗气针型阀：3-玻璃或石英内衬管；4一分流放空针型间：5玻璃毛细管柱

载气引入气化室上端后，一小部分用于隔膜清洗大部分样品由微量注射器穿过隔膜进入气化室。气化室内装有一玻璃或石英内衬衬管中填充石英或玻璃毛，使样品的蒸气和载气充分混合。此混合气在进柱前，大部分通过放空法放空，极少部分进入色谱柱，进入的样品量可按一定的分流比来调节。分流比大都在（1：10）～（1：500）的范围内调节。对柱长度25m、内径＜0.3mm、液膜＜1.0m的柱子，常用分流比为（1：30）～（1：120）。

一个性能好的分流进样器应满足的基本要求是：在分流进样器内样品扩展小；样品中各组分成线性分流，结果重复性好。

对于一些沸程宽、浓度差别大、化学性能各异的混合样品，在分流进样中，由于非线性分流导致定量失真，解决方式有 Bayer Schomburg等提出的柱头进样与分流相结合的预柱分流技术；Grob提出的液相分流进样方法:以及 Schomburg提出的“冷却针头”（CNS）分流进样技术，可供参考。

分流进样法进样口温度应接近或等于样品中最重组分的沸点，但温度太高有使样品组分分解的可能性，对于一个未知的新样品，可将进样口温度设置为300℃进行实验。

（2）不分流进样 不分流进样（Grob型或溶剂效应型）是近几年新出现的一种进样技术，它在稀溶液的痕量组分分析中颇受欢迎grob不分流进样主要是基于在进样时暂时关闭分流阀，使大量溶剂在柱头冷凝，对溶质起到捕集效应（称溶剂效应），加上进样后用干净载气流吹洗气化器等特点，以实现稀溶液的全样品直接进样。不分流进样的特点及使用局限性见表16-2。不分流进样的操作要点如下：在较低的适当气化室温度和柱温下，于关闭分流阀和清洗气阀后缓慢地将数微升样品溶液注入进样口。待90％～95％以上的样品蒸气被载气转入柱入口后，重新打开分流阀及垫片清洗阀（清洗阀也可一直呈低流量常开形式），让载气吹扫清洗进样器，然后以等温或程序升温方式完成色谱分离，有关操作因素的推荐值见表2。

特点	使用局限性
（1）进样量大，样品全部进柱，色谱峰绝对响应值高。特别适于有机溶剂稀释样品的直接分析	（1）常量分析样品（200×10-6以上）应事先用适当溶剂稀释至10-4～10-5
（2）气化室温度较低且不要求动力学分流，故较好地消除了样品的吸附、分解和失真。适于热敏感性及极性样品分析，垫片使用寿命较长	（2）溶剂纯度要求高，沸点至少应比最先流出的组分沸点低20℃。溶剂选择受一定限制
（3）垫片清洗措施消除了因样品蒸气的反扩散、吸附和垫片流失所造成的色谱峰拖尾和鬼峰干扰，并可缩短分析时间	（3）出峰位置在溶剂峰前者无法利用溶剂效应
（4）对各组分含量差距不大的多组分混合物，若能用低起始柱温的程序升温方式时，也可以采用不分流进样	（4）分子量高过以下物质的样品不宜使用:正构烷烃是n-C36；甲酸甲酯类是C30；多环芳烃是六苯并苯
（5）节省样品，对来之不易和数量有限的样品更有实际意义	（5）流出较早物质的保留时间重复性较差，其精度决定于进样量的重复性
（6）结构简单，易于实现自动化	（6）定量精确度与较多的操作因素有关

表2不分流进样的特点及使用局限性

注：为控制分析时间，一般在90%~95%样本进柱后即重开分流阀

操作条件	推荐值	对不分流进样的影响
柱温（进样时）	至少在溶剂沸点以下20℃	影响溶剂效应大小。与溶剂挥发度和进样量是三个最重要的影响因素
气化室温度	200～230℃
溶剂挥发度（沸点）	至少要在沸点最低的样品组分沸点以下20℃	影响溶剂效应大小。与溶剂挥发度和进样量是三个最重要的影响因素。挥发性太高使溶质峰变宽，太低则掩盖早出的峰，且使保留时间增大
进样量	至少要＞0.5μL，一般1～3μL	影响溶剂效应大小。与溶剂挥发度和进样量是三个最重要的影响因素，还影响保留时间重复性
进样时间（即注射针在内衬管的停留时间）	10～20s，一般0.1uL/s	决定进样速度、样品停留时间以及有无样品反冲和失真
不分流时间（从进样开始到重开分流阀的时间）	30～90s（以90％～95％样品进柱计）	影响样品回收率，即影响实际进样量大小
启动清洗气阀时间（从进样开始计）	30～50s（一般在重开分流阀时启动，应使吹扫气总体积＞6倍气化室体积）	决定溶剂峰有无掩盖、拖尾和形成鬼峰干扰。影响分析周期
载气	以氢作载气最有利	影响样品转移速度和不分流时间

表3 操作条件及其推荐值

不分流进样操作条件的选择比较复杂，是应用该技术能否成功的关键。这里仅就几个重要问题加以说明，有关细节读者可参阅有关文献。

①操作条件及其对不分流进样的影响操作条件及其对不分流进样的影响和推荐值列于表3，实际应用中则需根据进样器和样品特点通过实验来确定。

②溶剂及柱温的选择溶剂及柱温选择的推荐值见表16-3。溶剂选择包括溶剂性质（沸点，极性及结构）和用量。在不分流进样中它们与样品性质、所用柱型及固定液、柱温及所要求的溶剂效应大小都有关系。但是对于任何给定的分析，都可以找到具有最佳挥发度的溶剂。

③如何获得理想的溶剂效应不分流进样能否成功，关键在于能否获得理想的溶剂效应，即能否于正式色谱分离之前在柱入口处形成合平要求的冷凝溶剂谱带或溶剂区。溶剂区太小、太薄不行，起不到峰冷聚焦作用，冷凝溶剂区过大也不行，会损害柱膜。因此，所谓操作条件的选择主要是如何获得理想溶剂效应的条件选择。

柱温、溶剂种类和进样量是制约溶剂效应的重要因素。柱温的选定须依据分析样品、溶剂沸点和固定液性质，表4列出了几种常用溶剂最佳使用的起始柱温，一般要求进样时柱温至少要比溶剂沸点低20℃，否则会影响最先流出的色谱峰。进样量一般在0.5～3μL。

溶剂	沸点/°C	建议使用的起始柱温/°C
二氯甲烷	40	10～30
氯仿	61	25～50
二硫化碳	46	10～35
乙醚	35	10～25
戊烷	36	10～25
己烷	69	40~60
异辛烷	99	70~90

表4 部分溶剂使用的起始柱温

不分流进样器气化室温度一般在200～220℃，用H2作载气在缓慢进样中（＞30s），分流阀被关闭，呆30～90s，确保90％～95％样品进入柱子后再打开分流阀，让最后一部分气放空，以消除溶剂峰的拖尾干扰。放空阀的开启时间必须合理掌握，太早或太晚都会影响定量结果和峰形。对于大多数系统，在相当于气化室体积2倍的载气体积扫过气化室后放空，可得满意结果。

不分流进样法进样口温度的设置可比分流进样时稍低一些，其下限是能保证待测组分在瞬间不分流时完全气化。不分流进样的载气流速应当高一些，其上限以保证分离度为准。进样量一般不超过2μL，进样量大时应选用容积大的衬管。

（3）冷柱头进样 冷柱头进样就是在适当选择柱头温度（比经典方式低得多）、进样量和进样速度的条件下，将液体样品直接注入到色谱柱的入口，利用程序升温、冷捕作用和溶剂效应获得很窄的样品起始谱带，这样可以防止在气化及样品从气化室送到色谱柱的过程中产生偏差。特别适用于宽沸程多组分的分析。因为进样体积不能太大，所以浓度过高的样品（如千分之几以上）需要事先用适当溶剂进行稀释。柱头温度一般要求控制在溶剂沸点左右。与分流进样和不分流进样技术相比，冷柱头进样的主要优点是能够更好地消除样品歧视和分解，能够提供高柱效和高的定量可靠性。其限制性主要是样品中的非挥发性组分会污染和沉积在柱头上，大量溶剂进入色谱柱也有一定的有害影响等。

图8为G.Schomburg提出的常量型（坩埚法）和微量型MPI（微量移液管法）的冷柱头进样系统。该系统除柱温由柱炉加热外进样系统的任何部分都不需要加热。进样时，将事先装好样品的坩埚或毛细移液管（具有不同容积），可通过传动杆穿过滑板阀进入色谱流路，并与毛细管入口头相接触形成液封。样品是靠载气流的压力被反抽进入色谱柱的。常量型进样量不小于500nL，重复性约5％；微量型可准确地注入20～50nL样品。进样量是靠更换不同容积的坩埚或移液管来调节的。

图16-9为Grob柱头进样系统，是另外一种典型的冷柱头进样系统。该系统为使用专用注射器进样的准压力密封进样系统。不进样时，靠关闭停止阀维持系统密封；进样时，先把注射器针尖插入进样通道并停在停止阀上方，然后打开停止阀把注射针继续向下插到毛细管柱头的进样点上，并注射样品。进样完毕，待注射器针尖提至停止阀上部，并关闭停止阀后，

图8毛细管柱柱头进样常量和微量型

1一载气入口；2一载气出口；3一毛细管柱；4一石墨密封；5一样品坩埚；6滑板阀；7一柱炉绝缘；8一样品导入杆；9—微量移液管；10—硅橡胶密封

图9 Grob柱头进样系统

1一玻璃毛细管柱；2－石墨密封；3－载气:4金属保护坯；5－0.3mm进样通道；6一锥形口；7一停止阀；8一冷却铜管，冷空气进口；9－冷空气出口

再将注射器针尖全部拔出进样通道，并开始以程序升温方式进行分析。进样时系统的压力密封，实际上是靠专用注射器（针尖外径0.2mm，长80mm）的针尖和进样通道（内径0.3mm）间的紧密配合实现的。注射点温度靠同时调节冷却管温度和柱炉温度来实现。该法因样品大小的计量和调节很方便，所以比 Schomburg法更受欢迎。

（4）大体积进样 大体积进样（ Large Volume Injection，LV）技术是基于气相色谱进样技术发展起来的一种更有效提高检测灵敏度的方法。它是一个功能强大、操作灵活的毛细管气相色谱的进样系统，不但可以有效提高分析的检出限，还可以减少样品的处理量，从而提高分析速度。其原理是利用专用的大体积进样系统与气相分离的有机组合，实现比常规气谱大几十到几百倍的进样量（5～500μL），从而比常规方法提高灵敏度一到两个数量级；同时减少了分析方法对样品的歧视效应，扩展了检测范围等，该技术适合于对复杂样品体系及痕量样品的测定。

大体积进样是建立在程序升温气化（Programmed Temperature Vaporization，PTV）进样基础之上实施大体积进样的一项技术。Vogt等人于1979年第一次公开介绍了该技术，它主要是通过增大进样量来提高检测灵敏度的。大体积进样的方式主要有使用自动进样器的多次进样和单次进样，即一次多量和多次常规量。大体积进样所用的衬管种类主要有胃袋式衬管、直管型衬管以及带填充物的衬管。进样器通常有四种类型，第一种是程序升温进样器（简称PTV）；第二种是冷柱头（Cold On-Column）进样器（简称COC）；第三种是柱上进样器：第四种是胃袋式大体积进样器。COC进样技术是用一根长预柱将溶剂和被测物分离，大体积的溶剂注入预柱后，通过控制溶剂排除口将溶剂蒸发，将被测物送入色谱柱，它的缺点是长预柱易造成峰的拓宽，且进样速度要求较严，不易控制。柱上进样技术结合PTV的优点，将衬管改为空心，避免了吸附作用，但带来了新问题:不能充分利用原来进样口的分流/不分流模式，而改为玻璃珠使进样口和色谱柱分开，玻璃珠易受气流影响而跳动不稳。K.Grob在发展液相色谱/气相色谱的联机分析技术中研究了柱上进样方式的大体积进样，但是柱上进样方式对复杂系统的样品不甚适用，因为样品中存在的非挥发性组分会损害色谱分析柱的效能。胃袋式进样器是由日本杂贺技术研究所研制的，“胃袋式”大体积进样装置基于新型“胃袋式”衬管之上，其特点是无需添加填充物，进样量较大。目前，最常用的大体积进样方式为程序升温进样，大体积程序升温进样器对传统的分流/不分流进样器进行了改进，增加了样品的程序升温控制系统，在较低温度、大分流比下导入样品，使样品中大部分溶剂被吹扫出从而增加了样品的绝对进样量，这种进样器可以接受基质比较复杂的样品。

目前，气相色谱中大体积进样技术的实现是通过先在低温进样口将溶剂除去，溶剂排出后，分析物被热捕集在衬管内，然后再通过进样口的快速升温使分析物进入到色谱柱中进行分析，低温进样口的程序升温可以减少进样口的热分解并改善峰形和定量结果。大体积进样的过程主要包括进样、溶剂排空、样品经富集进入到色谱柱中进行分析等。样品进入进样口后，电磁阀打开，进样口温度要低于溶剂沸点的温度，当样品沉积在衬管壁或填料时，溶剂蒸气被吹扫出出口。当溶剂排出结束时，电磁阀关闭，进样口继续加热使样品转移至色谱柱内进行分析，见图10

图10 大体积PTV进程原理示意图

将大体积样品进样到气相色谱仪时，可检测10^-9级，甚至10^-12级分析物，同时避免耗时的样品浓缩过程，然而，大量的溶剂可能引起严重的带展宽、峰变形、色谱柱或检测器损坏因此，在进行大体积进样时要将溶剂去除掉。在大体积进样中，能够实施溶剂吹扫的唯一要求是要保证在溶剂被吹扫出去的同时，被测的分析物仍能保留在衬管中，以实现溶剂和溶质的柱前分离。要达到这一要求，要从排空温度、分流排空时间、进样口压力和排空流量几个方面对大体积进样条件进行优化。

在大体积进样中往往采用了溶剂吹扫技术，其原理如图11所示，图中①～④步对应的过程如下：