图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

日期:2019-9-18

与液相色谱不同,气相色谱仪可选择的“流动相”(载气)的范围较窄,满足需要的载气主要有氢气、氦气、氮气以及氩气。此外气相色谱的载气不像液相色谱的流动相那样灵活,可实现多种混合模式,具有多种选择性,提供待分离组分分离的驱动力(疏水相互作用,氢键,偶极,离子对等)。载气在气相色谱中的主要作用与液相的流动相一样,提供分配的介质并提供各组分向检测器端移动的动力,不同的载气之间最大的区别在于具有不同的最低理论塔板高度,也即柱效,而基本上没有选择性的差异。

载气的种类以及特性

如前所述,常用的气相色谱载气有氢气、氦气、氮气以及不太常用的氩气等。常用的载气的黏度以及扩散能力如下表1所示。

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

如上表1所示,氢气与氦气的扩散能力是氮气的4倍左右,而氢气的黏度则是氦气以及氮气的1/2左右。载气的扩散能力直接影响待分离组分在载气以及固定相中的分配平衡时间,最终将影响到达到最低理论塔板高度时,所允许的最大流速。而载气的黏度则影响到气相进样口处的柱前压,一般地,其出口压力为大气压,载气在柱前压的作用下被一定程度的压缩,由于在方法运行时,载气的体积流速是一定的,其实际线速度小于设定值。因此,在使用长色谱柱的时候,柱前压会比较大,此时需要选择使用黏度比较小的氢气作为载气。

上述三种载气在实际应用时,具有不同的最佳流速范围(此时,理论塔板高度最低,柱效最高),载气线速度与最低理论塔板高度之间的关系如下图1所示。

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

如上图所示,氮气的最佳线速度比较低,其次是氦气,最佳线速度最大的是氢气。而在各载气的最佳线速度范围内,最低理论塔板高度相差不大,柱效基本一致,这也说明在使用气相色谱对样品组分进行分离的时候,载气的分离选择性差异很小,这同时也是不同的载气之间可以通过调整相关参数实现相互转换的基础之一。

此外,从图中可以得出,使用氢气作为载气的时候,分离的效率是最高的,大概是使用氦气的分离效率的2倍,是使用氮气的分离效率的四倍。这一点非常重要,如在使用气相手性分析色谱柱对异构体进行拆分的时候,虽然三种载气通过调整最佳线速度得到近乎相同的塔板高度以及柱效,但实际情况下,我们会发现氮气的色谱峰宽最大,氦气下的峰宽其次,氢气下的峰宽最小,表观柱效最高,分离情况最为让人满意。

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

从上图2,可以看到三种不同的载气之间均有交互点,在不同的交点处,不同的载气具有不同的线速度,但具有相同的柱效。需要注意的是,这种等效柱效,是在牺牲部分柱效的基础上实现的。

此外,气相色谱柱的柱效还与色谱柱的内径有关(如下图3所示),一般地,内径越小,其柱效越高;且内径越小,最佳线速度越大,且其范围越宽(这一点类似于液相色谱柱的填料粒径,如下图4所示)

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

如上图所示,60 m长内径为0.53 mm的色谱柱与30 m长内径为0.25 mm以及20 m长内径为0.15 mm的色谱柱的理论塔板数一致,可见色谱柱内径对于柱效的影响。在实际应用的过程中,我们很少会用到60m长的气相色谱柱,如前所述,这是因为使用更长的色谱柱意味着更高的柱前压,载气在色谱柱入口处的压缩程度更大,此外也会降低分析的效率(色谱柱长度增加一倍,实际分析时间将大于2倍)。

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

如上图4所示,随着色谱柱内径的减小,理论塔板高度也减小,且最佳线速度增大。因此在使用氮气作为载气的时候,可以选择内径较小一点,长度稍短一些的色谱柱。

3. 载气的选择

从分析的效率以及柱效角度考虑,氢气是最合适的载气,但限制载气选择的还有其他的因素,如检测器(当使用PDD检测器的时候,只能使用氦气;当使用TCD检测器的时候,最好的载气是氢气,因为其热传导性能最好,而在使用MSD检测器的时候,最好不要使用氮气作为载气,因为其灵敏度大大降低,约下降20倍左右),安全风险,渗透性等。

应用氢气作为载气的最大限制来自于其自身的安全性,当氢气在空气中的浓度在4%-70%的时候,比较容易发生爆炸事故,但也有部分实验室使用。根据仪器供应商的信息,在使用氢气作为载气的时候,将铜管更换为不锈钢管此外,氢气也可以作为MSD检测器的载气,但一般不能直接与库比较进行定性,特别是对于芳香族以及其他不饱和化合物而言。

一般情况下,MSD检测器配置的分子涡轮泵的抽真空的能力是有一定限制的,电离室内残余的氢气会与待分析物发生离子碰撞,产生一些未知杂峰,且基线噪音水平增加,仪器的灵敏度降低(如下图5所示)。而对于氦气而言,相比氢气而言,化学惰性,其黏度是氢气的两倍,最佳线速度是氢气的二分之一,可保证电离室的高真空度。此外,氦气作为载气,色谱柱使用结束之后,最好将两端封闭,或用其他载气置换氦气。

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

使用氮气作为载气,其耗费最少且来源稳定,其分析效率比较低的缺点,可通过使用窄内径的色谱柱以及避免使用比较长的色谱柱来弥补。

无论选择何种气体作为载气,都要保证气体的纯度在99.999%以上,特别是对于FID这种碳敏感型检测器,极少量的杂质都会影响到基线噪音,甚至出现一些鬼峰。

4. 不同载气之间方法转换

如前所述,尽管不同的载气具有不同的黏度,扩散速率以及最佳的线速度。在牺牲部分柱效的前提下,不同的载气之间还是可以相互转换的。如下图6所示,氦气到氮气的转换。

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

Fig.6 Transformation from He to N2

如上图6所示,氦气到氮气的转换,需要更换色谱柱,如保持填料不变以及相比不变的前提下,将色谱柱减短,色谱柱的内径减小通过调整流速或线速度,实现氦气到氮气方法的转换。其中,之所以要减短色谱柱的长度,原因在于如果保持原有色谱柱长度,柱前压变化太大,且导致保留时间发生变化。

下图7与图8,是两种由氦气到氢气作为载气的转换方法。

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

Fig.7 Transformation from He to H2

图解气相色谱仪载气的种类、选择、转换及设置

Fig.8 Transformation from He to H2

如上图7与图8所示,两种将氦气转换为氢气作为载气的方法的不同之处在于是否改变梯度升温程序。在不改变梯度升温程序的前提下,通过降低氢气的线速度来实现不同载气之间的转换;在改变梯度升温程序的时候,如增大梯度升温程序的斜率,这时就需要相应地增加氢气的线速度,提高理论塔板数,实现不同载气之间的转换。

5. 结论

不同的载气以其不同的物理化学性质,如粘度,扩散性以及化学反应性,具有不同的最佳载气流速以及不同检测器之间的适应性。在实际的应用中,无论使用何种载气,均需要保证具有较高的纯度。氦气相比氢气以及氮气,具有比较适宜的粘度,扩散性能,特别适合应用于MS检测器,而氢气、氮气一般不作为MS检测器的载气。限于氦气的单位价格以及获得情况,大规模应用GC色谱仪的时候,也可以使用氮气作为载气。虽然氮气的最佳线速度较低,却可以通过使用较细内径以及较短的毛细色谱柱来获得较为可观的高柱效。此外,不同载气之间可以结合色谱理论与实验数据进行相互转换,也可借助一些色谱柱厂家的相应软件来实现不同载气之间的转换。

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