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色譜進(jìn)樣原理是將待測(cè)樣品置入一密閉的容器中，通過加熱升溫使揮發(fā)性組分從樣品基體中揮發(fā)出來，在氣液或氣固兩相中達(dá)到平衡，直接抽取頂部氣體進(jìn)行色譜分析，從而檢驗(yàn)樣品中揮發(fā)性組分的成分和含量。目前，樣品設(shè)備有十多種，主要有：自動(dòng)進(jìn)樣器、頂空進(jìn)樣器、六通閥進(jìn)樣器、手動(dòng)進(jìn)樣器、液體進(jìn)樣器、色譜進(jìn)樣器、氣體進(jìn)樣器、固體進(jìn)樣器等。
概述
氣相色譜是液相色譜之外，應(yīng)用較為廣泛的另一種色譜，理論上講可以分析任何可揮發(fā)性樣品，如在食品，水體，土壤等樣品中農(nóng)藥殘留檢測(cè)，大氣有機(jī)污染物檢測(cè)，以及醫(yī)藥研發(fā)過程中所使用到的溶劑殘留檢測(cè)等。但在實(shí)際的應(yīng)用過程中由于色譜柱耐受溫度的限制，其可分析的樣品的氣化溫度范圍受到了一定的限制。此外，與配備通用型DAD或PDA檢測(cè)器的HPLC相比，氣相色譜的檢測(cè)器一般配置通用型的氫火焰離子檢測(cè)器(FID)，該檢測(cè)器對(duì)于絕大多數(shù)有機(jī)化合物均具有響應(yīng)，而不受化合物本身結(jié)構(gòu)特性的限制(DAD或PDA檢測(cè)器受限與化合物本身具有紫外吸收特性)，且其響應(yīng)的大小與分子結(jié)構(gòu)中碳元素的相對(duì)豐度有關(guān)。
一般來講，氣相色譜儀一般由載氣以及載氣控制系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)，色譜柱以及柱溫箱，檢測(cè)器以及數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)組成。以下內(nèi)容針對(duì)氣相色譜儀的進(jìn)樣系統(tǒng)組成，進(jìn)樣方式以及一些常見的問題，做簡(jiǎn)單介紹。
氣相色譜儀進(jìn)樣系統(tǒng)
氣相色譜進(jìn)樣系統(tǒng)一般由自動(dòng)進(jìn)樣器(當(dāng)然也可手動(dòng)進(jìn)樣，但是，對(duì)進(jìn)樣技術(shù)要求比較高)，進(jìn)樣口以及相關(guān)氣路三部分組成。不同廠家的自動(dòng)進(jìn)樣器具有各自的操作模式以及特點(diǎn)，但是，進(jìn)樣口的設(shè)計(jì)除外觀存在較大差異之外，其內(nèi)部構(gòu)成以及流路設(shè)計(jì)卻存在相通之處，如下圖1所示。
從外觀上看，進(jìn)樣口存在較大的差異，這種差異也僅在外觀上，如下圖2所示為進(jìn)樣口的簡(jiǎn)明示意圖，其基本的內(nèi)部構(gòu)造是一致的。
1.GC進(jìn)樣口組成
氣相色譜儀的進(jìn)樣口一般由固定部分以及可拆解清洗維護(hù)部分組成，前者主要包括各氣體的入口以及出口，加熱塊等組成;后者主要有導(dǎo)針器，進(jìn)樣隔墊，襯管，O形環(huán)密封，分流平板以及石墨或聚合物套管等。如下圖3所示。
其中比較容易出現(xiàn)問題的地方，分別是進(jìn)樣隔墊，O形環(huán)密封，襯管，分流平板以及與色譜柱連接口處。進(jìn)樣隔墊主要起到對(duì)進(jìn)樣口進(jìn)行密封的作用，當(dāng)需要進(jìn)樣的時(shí)候，自動(dòng)進(jìn)樣器的針通過進(jìn)樣隔墊而扎入襯管中間，待將樣品釋放再?gòu)倪M(jìn)樣隔墊退出，保障進(jìn)樣針在進(jìn)出進(jìn)樣口的過程中，進(jìn)樣口保持一個(gè)相對(duì)密閉的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓力相對(duì)穩(wěn)定。在使用的過程中，進(jìn)樣隔墊發(fā)生磨損(如下圖4所示)或者連續(xù)進(jìn)樣比較臟，沸程較寬的樣品，使得部分樣品殘留在進(jìn)樣隔墊中，對(duì)之后的樣品分析產(chǎn)生干擾甚至出現(xiàn)鬼峰。
進(jìn)樣隔墊形狀以及材質(zhì)均有不同，如下圖與5B所示。
不同的進(jìn)樣隔墊具有不同的耐受性以及不同的流失性，此外，其耐受能力也與進(jìn)樣針的形狀有關(guān)。因此，在選擇不同的進(jìn)樣隔墊的時(shí)候需要考慮以下因素如：進(jìn)樣口溫度設(shè)置，樣品本身特點(diǎn)，進(jìn)樣針的形狀。無論選擇那種類型的進(jìn)樣隔墊，均需要定期檢查并擇需更換。
O形環(huán)密封的作用主要是將整個(gè)進(jìn)樣腔體隔開，在安裝O形環(huán)的時(shí)候，使其距離襯管上端3～5mm左右，距離下端底座1～2 mm左右。進(jìn)樣口溫度不超300℃的時(shí)候，可以使用橡膠材質(zhì)，超過300℃的時(shí)候，需要使用石墨材質(zhì)。此外，O形環(huán)亦是易耗品，需要定期檢查并根據(jù)需要進(jìn)行更換。
進(jìn)樣口的高溫是通過偶聯(lián)在其上的金屬加熱塊實(shí)現(xiàn)的，從而使得整個(gè)進(jìn)樣腔體實(shí)現(xiàn)設(shè)定的高溫度，且其溫度分布為中間溫度高，往兩側(cè)方向溫度遞減，如下圖6所示。
而高溫下，裸露的金屬部分在接觸到樣品的時(shí)候，樣品極大可能被金屬催化發(fā)生降解、聚合以及重排等反應(yīng)而影響到方法的線性以及方法的回收率。而內(nèi)置襯管一般則是化學(xué)惰性的硅酸鹽類或石英材質(zhì)，其化學(xué)反應(yīng)性很低，可以提供一個(gè)供樣品氣化的惰性環(huán)境。
一般地，分流進(jìn)樣可使用直通襯管，鵝頸襯管(如下圖7A)，鵝頸且底部楔形結(jié)構(gòu)的襯管;不分流進(jìn)樣可使用底部楔形襯管(如下圖7B)，兩端均楔形襯管，此外還有一些襯管如聚焦襯管等。
此外，襯管在使用的時(shí)候，一般在其內(nèi)部填充一段5～10mm長(zhǎng)的去活石英棉(分流進(jìn)樣時(shí)8～10mm左右，不分流進(jìn)樣時(shí)5mm左右為宜)，起到加速樣品氣化并消除針尖歧視的作用。襯管的鵝頸結(jié)構(gòu)起到一定的樣品聚焦作用，而其兩端的楔形結(jié)構(gòu)則可在不分流進(jìn)樣的時(shí)候起到防止樣品反沖出襯管以及將樣品全部引入色譜柱的作用;當(dāng)樣品中含有寬沸程組分的時(shí)候，底部的楔形結(jié)構(gòu)對(duì)于分流進(jìn)樣來說，具有減小甚至消除襯管內(nèi)壁歧視的作用(如下圖8所示)。
選擇襯管的時(shí)候，除了需要考慮其本身是否去活以及其構(gòu)造特點(diǎn)之外，還需要考慮另外兩個(gè)特性，外徑以及內(nèi)部體積。分流襯管的外徑相對(duì)不分流襯管要稍微小一些，使得其與進(jìn)樣口的腔體之間留出一定的空隙，便于分流;而不分流襯管則不需要預(yù)留空隙。襯管內(nèi)部體積的大小與進(jìn)樣量的多少，分流比的設(shè)置以及色譜柱的內(nèi)徑有關(guān)，一般地，色譜柱的內(nèi)徑越大，進(jìn)樣量越大，襯管的體積也越大，如在使用窄內(nèi)徑色譜柱進(jìn)行快速分析的時(shí)候，需要使用小體積的襯管且將分流比盡可能的設(shè)置大一些。
色譜儀的分流平板的作用主要是支撐襯管并引導(dǎo)載氣分流。其表面平滑且經(jīng)過鍍金處理，將化學(xué)反應(yīng)性降到低，其類型有三種：表面平滑型，其上一字凹槽型，其上十字凹槽型。分別如下圖9所示：
一般地分流平板是不需要更換的，但是，在分析的樣品比較臟的情況下，色譜圖中有鬼峰出現(xiàn)的時(shí)候，可檢查分流平板是否老化或者被污染，選擇清洗或更換操作。
2.分流進(jìn)樣與不分流進(jìn)樣
從下表1中的比較，可以看出填充柱相比毛細(xì)管柱而言，具有更大的內(nèi)徑，更大的載樣量以及更大的載氣流速。
因此，在使用填充柱的時(shí)候，由于較大的載氣流速，較大的色譜柱內(nèi)徑，可以不用分流樣品，樣品進(jìn)入色譜柱的時(shí)間也足夠短，起始色譜帶也不會(huì)很寬且不會(huì)過載,而毛細(xì)管色譜柱，其內(nèi)徑較小，體積流速只有填充柱的幾十分之一，載樣量比填充柱小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，其在進(jìn)樣的時(shí)候，一般就需要分流進(jìn)樣(痕量檢測(cè)除外，并不關(guān)注主峰是否過載)，以期獲得較窄的起始色譜帶寬以及樣品量不超過色譜柱的載樣量范圍。
如下圖10A所示，分流的情況下，樣品各組分的分離比較良好，而當(dāng)樣品過載之后，其峰形變異，如下圖10B所示。從其過載狀況可以看出，超載量越大，起始色譜帶寬越大，保留時(shí)間漂移越厲害。
因此，在使用毛細(xì)管色譜柱的時(shí)候，分流進(jìn)樣對(duì)于常規(guī)氣相分析而言是十分理想的一種進(jìn)樣方式，既可以克服毛細(xì)管色譜柱載樣量小的缺點(diǎn)，又能充分發(fā)揮毛細(xì)管色譜柱的高柱效的特點(diǎn)。
3.分流進(jìn)樣與不分流進(jìn)樣的過程
與進(jìn)樣相關(guān)的氣路系統(tǒng)，如下圖11所示。載氣進(jìn)入進(jìn)樣口之后被分成三個(gè)氣路，分別為隔墊吹掃氣路，分流氣路以及色譜柱氣路。其中O形環(huán)以及支撐固件將整個(gè)進(jìn)樣口分割為上下兩個(gè)部分。其中，在分流氣路上裝有分流氣路捕集阱，用來吸收分流廢氣中的樣品。
分流進(jìn)樣如下圖12所示，總流速104mL/min的載氣進(jìn)入進(jìn)樣口之后，通過控制隔墊吹掃氣路上的閥，使得隔墊吹掃流速為3mL/min，余下101mL/min的載氣則通過襯管被分流為100mL/min的分流流路以及1mL/min的柱流速。經(jīng)樣品針注射到襯管的樣品被氣化，在101mL/min的載氣帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣，整個(gè)過程不到1s。分流流路上的壓力傳感器，則可通過調(diào)節(jié)該氣路上的閥，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣時(shí)的柱前壓保持相對(duì)穩(wěn)定。
不分流進(jìn)樣如下圖13A以及13B所示。不分流進(jìn)樣并不是在整個(gè)方法運(yùn)行過程中都不分流，而是在進(jìn)樣的瞬間不分流，在進(jìn)樣結(jié)束之后依然分流。如下圖13A所示，在進(jìn)樣的瞬間分流流路處于關(guān)閉狀態(tài)，54mL/min的載氣被分流為53mL/min的隔墊氣路以及1mL/min的柱流速，53mL/min的隔墊氣路通過隔墊吹掃氣路以及分流氣路上的兩個(gè)閥，實(shí)現(xiàn)終的3mL/min的隔墊吹掃流速以及50mL/min的分流流速。
樣品則在1mL/min的柱流速的帶動(dòng)下進(jìn)入色譜柱，該種進(jìn)樣方式，樣品在襯管內(nèi)的停留時(shí)間比分流進(jìn)樣要長(zhǎng)，造成溶劑峰的起始帶寬比較寬。
在進(jìn)樣結(jié)束之后，分流氣路閥被打開，以分流的形式運(yùn)行到方法結(jié)束(如下圖13B所示)，在此過程中可開啟載氣節(jié)省模式，節(jié)省載氣，特別是在使用氦氣作為載氣的時(shí)候。
此外，由于樣品中的組分的氣化速度的快慢程度不同，分子量不同以及其在載氣中的擴(kuò)散速率不同，在分流進(jìn)樣的時(shí)候，難免會(huì)發(fā)生分流歧視作用，而這種作用，一般隨分流比的變大而變大。
4.進(jìn)樣口活性
進(jìn)樣口的活性主要是指由于進(jìn)樣口的作用而導(dǎo)致的方法回收率問題以及方法線性問題。其活性主要與進(jìn)樣口內(nèi)的金屬裸露部分，襯管是否去活以及石英棉是否去活有關(guān)。此外，進(jìn)樣口的活性還與待分析的化合物的特性以及所使用的載氣有關(guān)(如，含氯有機(jī)物在使用氫氣作為載氣的時(shí)候)。
如下圖14所示，需要根據(jù)譜圖分辨樣品發(fā)生變化的時(shí)候是發(fā)生在進(jìn)樣時(shí)還是進(jìn)樣后。如下圖14A所示，母體化合物以及兩個(gè)主要產(chǎn)物的色譜峰形對(duì)稱，彼此之間不基線粘連，可以判斷其是在進(jìn)樣或者進(jìn)樣之前就已經(jīng)發(fā)生變化，而14B所示，母體化合物峰形嚴(yán)重變異，則是在程序升溫的過程中發(fā)生了變化。
進(jìn)樣口所用的襯管以及內(nèi)襯石英棉的惰性，不僅與其自身制造工藝有關(guān)也與進(jìn)樣樣品的特點(diǎn)以及進(jìn)樣的次數(shù)有關(guān)。如下圖15所示，多次進(jìn)樣后的襯管內(nèi)壁以及石英棉均被樣品不揮發(fā)成分嚴(yán)重污染，勢(shì)必會(huì)影響方法回收率，如圖16A所示。
此外，需要區(qū)分方法回收率減小的方式，如比例減少還是常量減少，如下圖16B所示。方法回收率常量減少的時(shí)候，多是由于進(jìn)樣口內(nèi)部的某處或多處對(duì)于樣品具有吸附作用，這種情況對(duì)于低濃度的方法回收率的影響大于對(duì)高濃度的方法回收率的影響;方法回收率減少與樣品進(jìn)樣量呈現(xiàn)比例較小，這種情況對(duì)于低濃度以及高濃度的方法回收率的影響相差不大。
結(jié)論
分流進(jìn)樣作為氣相色譜應(yīng)用毛細(xì)管色譜柱進(jìn)行常規(guī)分析測(cè)試的主要的進(jìn)樣方式，在發(fā)揮毛細(xì)管色譜柱的高柱效的同時(shí)克服了毛細(xì)管色譜柱載氣流速小，載樣量低的缺點(diǎn)。利用氣相色譜進(jìn)行分析的時(shí)候，需要經(jīng)常對(duì)整個(gè)進(jìn)樣口進(jìn)行日常的維護(hù)，如，更換進(jìn)樣隔墊，O形環(huán)，更換襯管等，避免由于組成復(fù)雜以及較臟樣品殘留在進(jìn)樣口各處，給之后的分析測(cè)試帶來不必要的麻煩，如，方法回收率差以及色譜圖中出現(xiàn)鬼峰等情況。
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