气相色谱分析持久性气体

自从20世纪50年代初第一台商品化的气相色谱仪推出以来，气相色谱已经发展成在现代实验室中分析挥发性和半挥发性样品的最重要的技术之一。本篇所描述的气相色谱的应用主要包括对持久性气体和甲烷的分析。所用的高效气相色谱仪由中国团队自主开发并制造，并配有TCD检测器和中文操作界面，这使得它在快速增长的中国市场上具有特殊的价值。

Since the inDoduction of the first commercial gas chromatographs in the early 1950s, gas chromatography has advanccd to become onc of most important analytical techniques in the modern laboratory for volatile and semivolatile samples. The application described here covers dTe analysis ofpermallent gases and medTane. The high-performance GC instrument used in this work was manufactured in China and features a TCD detector and a Chinese-language interface, making it especially valuable in the fast-growing Chinese marketplace.

    气相色谱是一种分离混合物并对其定量的分析方法。自从1952年首次报道以来^[1]气相色谱在分析高温下不分解的物质和进行微量分析(微克级)时已经成为一种非常有用的技术。它广泛用于食品安全、环境保护和石油工业。今后气相色谱将会继续在这些领域里扮演重要的角色。

　　对中国科学家来说，在非中文界面上操作气相色谱仪可能是一种挑战。这篇论文所讨论的气相色谱仪是专门为中国制造的，并在中国国内得到充分的发展和应用。6820型气相色谱仪(AgilentTechnologies Shanghai [ATS]， Shanghai，China)(图1)在中国专门用于烃类处理、食品安全和环境工业，这台色谱仪具有汉语显示，并且整合了Cerlty Networked Data System(NDS)软件的中文版本(Agilent Technologies，PaloAlto，CA，U．S．A．)，全中文键盘控制，方便了操作和数据分析，从而提高了实验室的工作效率。

1 系统介绍

　　6820型气相色谱仪对于有意进行程序分析的实验室是一种好的选择，因为它不要求电动气路控制(EPC)或6890N型气相色谱仪(Agilent Technologies)的灵活性。6820型气相色谱仪与6890和5890型气相色谱仪基于同一技术平台，并且提供同样杰出的色谱性能和稳定可靠经久耐用的特点。

　　6820型气相色谱仪针对megabore柱和所有毛细管柱可以配备几个手动或自动的阀和分流／不分流进样口，并且每个系统最多可安装两个进样口。它能够高效分离复杂的混合物，具有5个温度梯度和6个独立的加热区的程序化的柱温箱能够确保在精确的温度控制下快速加热和冷却。

　　根据所测定的物质和分子，可以选择合适的检测器。每台气相色谱仪可以安装两台检测器，所有检测器都用手动气路来控制检测器气体。火焰离子检测器(FID)是分析有机化合物的理想检测器。热导检测器(TCD)很适合作为通用检测器。微电子捕获检测器(micro-ECD)能够选择性地检测卤代有机化合物。适合于分析两种类型并具有不同阀结构和检测器的系统如图2所示。系统2用于分析烃类(分流和不分流进样口、FID检测器)，系统1用于分析持久性气体，下面分别进行讨论。

　　安装的软件the Cerity NDS for chemical QA／QC适用于不需控制的环境下。系统一旦设定，输入样品名称就会自动选择方法和设备。这使得样品分析快速简单。软件显示了一个简单直观的界面，简化了对操作者的培训，使操作更加简单。此软件能够通过一台计算机控制两台设备，从而增大仪器的工作量，提高工作效率。面对中国市场，这些优点由于软件的中文界面而得到加强，使其产品明显优于与它竞争者。内置的诊断和全面的自检确保了设备能够在最优的条件下工作并且得到精确的结果。

　　制造者全面的技术支持、全套色谱柱技术和其他附件将使得使用者获得可靠的实验结果，并能帮助他们基于可靠的数据快速得出具有说服力的结论。

2 应用

　　持久性气体，例如：CO，CO₂，0₂，N₂，CH₄，通常存在于精炼油气体、天然气、燃料电池气体和其他工业过程中。在石化工业、化学工业和能源工业中这些气体浓度得到广泛的检测。对这些气体的监控能够更好地控制生产过程和产品质量。对持久性气体的分析有几种标准方法。美国测试材料学会(ASTM)D2504^[2]适用于测定C2和低碳产品中的ppm级(~10^-6，体积比)的H₂，N₂，O₂，CO。中国国家标准方法GB／T3394^[3]用镍催化辅助部件和FID检测器测定了聚合物类乙烯和丙烯中的CO和C0₂。这些应用提供了一个装配有3根多孔层开管(PLOT)毛细管柱和旋转阀的系统，此系统非常灵活，可用于分析持久性气体和沸点低的烃类。

3 结构

　　实验均在6820型气相色谱仪上进行，该仪器配有吹扫填充柱进样口和单丝TCD检测器。作为系统l的阀的构造如图2所示。系统2用于分析烃类物质(配有分流／不分流进样口和FID检测器)。这些应用基于一个十通阀(阀1)用于气体采样和反切预柱到检测器。两根HP。PLOT Q色谱柱(Agilent Techn010gies)与十通阀相联。首先用HP-PLOT Q色谱柱15m×0．53mm×40μm分离气体样品中的烃类，然后用HP-PLOT Q色谱柱30 m x 0．53mm x 40 μm作为预柱反切到检测器。六通阀(阀2)配有一个限流器用于调节HP-PLOT Molesieve 5A色谱柱(A8ilentTechnologies)的载流进出，这根色谱柱用于分离O₂，N₂，CO， CH₄。气相色谱参数如表1所列。
 

4 标准混合气体的分析

　　包括CO₂，CH₄，N₂和O₂的标准混合气体由Scott Specialty Gases Inc． (Plumsteadville，PA，U．S．A．)提供。标准品中约含每种气体100ppm，动态稀释至10ppm。The Cerrity NDS for chemlcal QA／QC软件用于控制6820型气相色谱仪并提供数据采集和数据报告。Cerity系统数据采集速率为5Hz／0．04min。

　　图3为100ppm的持久性气体混合物的分离色谱图。在中国，TCD检测器通常采用氢气作为载气。PLOT Q柱和Molesieve 5A柱对混合气体的分离效果都非常好，单丝TCD检测器对这些组分的检测也非常灵敏。实验结果表明CO₂，N₂，CH₄在检测器上的响应都很好。但O₂的峰被He峰的尾部所覆盖，这是因为在标准品中(在很高的浓度下)，He是平衡气体。
 

5 燃料电池气体的分析

　　对燃料电池气体的分析同样是在6820型气相色谱仪上进行的，所有持久性气体和甲烷均得到基线分离。H₂得到一个倒峰，这是因为为了使所有气体都得到好的检测灵敏度而选择He作为载气造成的。在运行桌面上调节TCD检测器的极性，H₂的信号就会从倒峰翻转为一个正峰，如图4所示的色谱图。当需要分析很宽范围浓度的H2时，用氩气作为载气是一种很好的选择。
 

6 结论

　　6820型气相色谱仪配有Agilent高品质的硬件，配有TCD检测器和两个阀，对持久性气体和甲烷的分析得到令人满意的效果。HP-PLOT Q色谱柱与Molesieve 5A柱相联合成功地分离了CO₂，0₂，N₂，CO和CH₄。单丝TCD检测器显示出了非常高的灵敏度，可以检测到10ppm的持久性气体(数据未给出)。此系统也非常灵活。如果只检测持久性气体和甲烷，就不需使用十通阀与PLOT Q柱，而分析低碳的烃类时(C₁~C₈)，系统2(图2)就要使用氧化铝PLOT与FID检测器。

　　除了高品质的硬件外，我们还安装了以样品为中心而不是以仪器为中心的软件系统，这个系统适用于石油化学工业和能源工业(包括天然气、精炼厂气体、燃料电池气体、丙稀、乙烯)上的多种应用，也可以用于食品安全和制药工业。中文操作界面使得6820型气相色谱仪对于国内使用者来说具有独特的价值。

参考文献:

1. James AT, Martin AJP. Biochem J 1952; 50:679-90
   
2. ASTM D2504-88. Standard Test Method for Noncondensable Gases in Cz and Lighter Hydrocarbon Products by Gas Chromatography.Gonshohocken, PA: ASTM. Annual book of ASTM standards, vol 5.01, 1988.
   
3. China National Standards GB/T3394-94.Chemical Industrial Standard Collection:Organic Chemicals no. 16, Beijing, China, l996.