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1、毛细管气相色谱系列讲座（1）毛细管气相色谱的出现 世界性的科学技术和生产的发展、进步，推动了分析化学的发展，激发了商品仪器的生产。而色谱法是分析化学的重要组成部分，从一出现就对科学的进步和生产的发展起着重要的作用。在3040年代他为揭开生物世界的奥秘，为分离复杂的生物组成发挥了他独特的作用；50年代为石油工业的研究和发展作出了贡献；6070年代成为石油化工、化学工业等部门不可缺少的分析监测工具。目前色谱法是生命科学、材料科学、环境科学、医药科学、食品科学、法庭科学以及航天科学等研究领域的重要手段。各种色谱仪器已经成为各类研究室、实验室极为重要的仪器设备。气相色谱是比较成熟的方法，气相色谱仪使用
2、极为普遍的仪器。1941年Martin 和Synge提出用气体代替液体作流动相的可能性，11年之后James 和 Martin 发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法(Gas-Liquid Chromatography)，因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。在此基础上1957年高雷(M.J.E .Golay)（见图1） 开创了开管柱气相色谱法(Open-Tubular Column Chromatography)。图1 高雷进行毛细管气相色谱的研究高雷本来是电学和数学专家，1955 年他加盟 Perkin-Elmer 公司，开发红外分光光度计的检测器，这一年 Perkin-Elmer 公司推
3、出了世界上第一台气相色谱仪，许多研究人员对这种新奇的分离方法进行深入的研究，也引起了高雷极大的兴趣，他用电学和数学的方法对填充柱色谱进行了大量的理论研究，发现如果使用毛细管柱可以把柱效大大提高。他在1957年美国仪器学会组织的第一届气相色谱会议上发表了第一篇毛细管气相色谱的报告，介绍了他的第一张毛细管气相色谱图，是在一支91m长的毛细管气相色谱柱上进行的，得到了12000个理论塔板数。次年他在阿姆斯特丹的国际气相色谱会议上发表了著名的高雷方程，阐述了各种参数对柱性能的影响。阿姆斯特丹的会议为毛细管气相色谱的发展奠定了重要的基础。高雷的研究激发了许多色谱学家的极大兴趣,如英国的Desty，Sco
4、tt 美国的Zlatkis, Lipsky, Lovelock；德国的Kaiser ，Schomberg ；意大利的 liberti, bruner, 都为毛细管气相色谱早期的发展做出了贡献。毛细管气相色谱系列讲座（2）毛细管气相色谱仪（A）现代的实验室用气相色谱仪大都是既可做填充柱气相色谱又可以进行毛细管气相色谱的色谱仪，在仪器设计上考虑了毛细管气相色谱仪的特殊要求。毛细管气相色谱仪的进样系统和填充柱气相色谱有较大的差别, 色谱柱出口到检测器的联接和填充柱也有些区别，毛细管气相色谱仪的示意图和气相色谱仪的照片如下图所示。毛细管气相色谱仪示意图gas inlets 三种气体进口 Injecto
5、r 进样口 Detector 检测器Detector amplifier 检测器放大器 Data system & Print数据处理系统和打印机Pneumatic Controls 气路控制系统 Column 色谱柱 Thermostated onen 柱恒温箱 毛细管气相色谱系列讲座（3）毛细管气相色谱仪（B）-气源和流量控制系统 毛细管气相色谱仪的这一部分部件和填充柱色谱仪没有太大的区别，只是由于毛细管气相色谱要求的载气流量比填充柱小得多(每分钟只有几毫升)，如不用分流进样，则柱前压较小，流量指示部件的数值也很低，对控制和检测部件的要求要高，所以早期的毛细管气相色谱仪多用分流进样。目前毛
6、细管气相色谱仪多采用电子压力和流量控制系统，大大提高了流量的精度。这种电子压力控制系统如下图所示：电子压力控制系统的示意图Caiier Gas flow载气流； Flow Restrictor限流器(过滤器)； EPC Board电子压力控制阀电路板； Pressur Senser压力传感器； Programmable Cool On-Column Inlet程序控制冷柱头进样口；Septum purge Regulator密封垫吹扫调节器；Septum purge Vent密封垫吹扫气放空；Flow Restrictor 限流器；Septum purge-密封垫吹扫；To Detector到
7、检测器；Column6色谱柱；Electronic Pressur Control Vaalve -电子压力控制阀； 毛细管气相色谱系列讲座（4）毛细管气相色谱仪（C）-分流/不分流进样色谱柱一般认为是色谱仪的心脏，而毛细管气相色谱仪的进样系统有把它比喻为“阿基里德的脚后跟”(Achilles heel)，即致命的弱点(据传说阿基里德除脚后跟外全身刀枪不入)，所以毛细管气相色谱的进展在很大的程度上决定于毛细管气相色谱柱(固定液和柱工艺)和进样系统的进展。毛细管气相色谱仪近年已经很成熟，正是因为在这两个关键问题上有了很大的发展。为了满足定性和定量分析的要求，进样系统要没有或有很小的歧视(disc
8、rimination)，所谓歧视就是进入色谱柱的组成含量与实际组成含量没有变异(就像在填充柱色谱那样)，在分流进样中常常会产生歧视，也就是非线性分流，所以对进样系统的第一个要求就是要避免歧视。对进样系统的第二个要求是由进样系统带来的谱带加宽越小越好。 目前使用的进样方式有: 分流进样，分流/不分流进样，柱头进样，直接进样，程序升温气化进样。分流进样：一般气相色谱仪的气化室体积为 0.5 2.0mL ，常用毛细管色谱柱的载气流速为0.52.0 mL/min 如果载气以理想的层流方式流过气化室，并把样品冲洗到色谱柱中，那么需要0.254min，这样色谱峰会大大变宽，以至无法应用。此外现有的微量注射
9、器也无法准确、重复地注入几个nL的样品。因此在毛细管色谱发展的初期就采用分流的办法解决上述问题。分流进样器：典型的分流/不分流进样器如下图所示，经预热的载气进入进样系统, 载气分为两路，一路气向上冲洗注射隔垫，另一路气以较高的流速进入气化室，在气化室内装有一个玻璃和石英的衬管，在此处样品与载气混合，混合以后的气流在毛细管入口处以一定的“分流比”进行分流，所谓分流比是指进入毛细管柱的混合气体体积与放空载气体积之比。对常规毛细管柱(0.220.32 mm I.D.)，分流比一般为 1:50到 1:500，对大内径厚液膜毛细管柱，其分流比比较低，一般为 1:5到 1:50。对小内径毛细管柱，其分流比
10、超过 1:1000。 分流/不分流进样器示意图 rubber septum 硅橡胶隔垫； septum purge outlet 隔垫吹扫气出口； carrier gas inlet 载气入口； split outlet 分流气出口； heated metal block 加热块； glass liner 玻璃衬管； vapourisation chamber 蒸发室； column色谱柱不分流进样器：所谓不分流进样是在进样时，把分流进样系统的分流阀关闭一段时间，所有样品在气化室内蒸发为样品蒸汽，并被载气带入毛细管中，然后又把分流阀打开，把少量未进入柱中的混合气体吹走。由于这一转移过程需要几百
11、毫秒，可能会造成谱带的加宽，但是通过优化的浓缩效应，可有效地抑制色谱峰的谱带加宽。 不分流进样的主要优点是可以把全部样品注入色谱柱，比分流进样的灵敏度大大提高，所以它适合于痕量分析。 上图也可以用作不分流进样器，在进样时分流电磁阀关闭，但注射隔垫处的吹洗气流(约 2 mL/min)一直保持，经过一段时间(3090s)，大部分溶剂和溶质蒸汽进入色谱柱，电磁阀打开，在气化室中剩余的溶剂和溶质蒸汽通过分流阀吹走。毛细管气相色谱系列讲座（5）毛细管气相色谱仪（D）-柱头进样器 柱头进样器是 1977 年提出来的方法，其目的是避免分流引起的歧视现象，尽管柱头进样器可提高精度，但是有严格的技术要求，在实际
12、使用中不太方便。Grob 设计的柱头进样器如下图所示。在柱头进样时，使用外径为 0.23 mm, 内径为 0.1mm, 长度为 85 mm 的注射器，如果使用一支弹性石英毛细管作针头的注射器，可以在内径小到 0.2 mm 的毛细管色谱柱上进样，在 Grob 柱头进样器的顶部有一个锥形导管和注射器进入的通道，此通道的内径要和注射器外径相匹配，以便在停止阀打开插入注射器时不会使载气泄漏，导至高挥发性溶质损失。在进样器底部通入冷空气，使注入的的样品溶液呈液态，注样后把注射器撤回到停止阀上部的标记处，关闭停止阀后再把注射器完全拔出。 1锥形孔；20.3mm 通道；3钢杯；4载气入口；5石墨垫；6毛细管
13、柱；7冷却空气出口；8冷却空气入口；9停止阀。 1979年后又有人改进了这种柱头进样器，即在进样器底部(在柱箱内)装上第二冷却系统，通入冷空气，使色谱柱入口处温度下降到溶剂沸点以下，可使柱箱温度高于溶剂的沸点。一般在使用柱头进样器时要在程序升温条件下工作，因此选择适当的溶剂和与之相适应的柱箱初温。在进样的过程中色谱柱柱头进样区应保持温度恒定，以免样品产生歧视。毛细管气相色谱系列讲座（6）毛细管气相色谱仪（E）-程序升温柱头进样器上一节所讲的柱头进样器要使用适当的柱箱程序升温，选择适当的溶剂和适合的起始温度十分重要。而且为了不会产生歧视效应，在进样过程中色谱柱在进样口的部分要适当恒温（第二次冷却
14、）。在大体积（比如大于1L）进样时高沸点组分常常会产生色谱峰分叉等不正常现象。为了改善大体积进样的色谱峰形、不出现上述的影响分离的现象，把进样口的温度控制和柱箱的温度控制隔离开，使进样口温度可以独立地进行程序升温，下图就是这中可做大进样量样品的程序升温柱头进样器。 1 注射器；2装弹簧的O-型圈密封垫；3不锈钢护套；4阀的杠杆；5加热槽；6载气入口；7玻璃插件（弹性石英毛细管色谱柱自校准导轨）8外径0.18 mm 内径0.10 mm 的弹性石英毛细管注射针；9冷却剂；10温度传感器；11针形阀；12电磁阀；13进样器吹扫；14柱箱15弹性石英毛细管色谱柱；16加热器 在进样口处的色谱柱可以进行
15、自动线性升温，从室温到350，对热稳定性差的样品使用慢速升温，对混合物样品温度范围宽的样品可以进行快速升温，以便减小色谱峰的加宽和拖尾。因为进样口的温度独立于色谱柱柱箱的温度，其温度可以低于柱箱的温度，所以可配合柱箱的恒温或程序升温分析。程序升温柱头进样器要使用电子流量控制系统，以便在程序升温时保持载气流量的稳定。毛细管气相色谱系列讲座（7）毛细管气相色谱仪（F）-吹扫捕集进样器在分析食品、饮料、生物样品、水中污染物和塑料中的有机挥发物时，由于样品成分很复杂，常常使用这种吹扫捕集进样器。使用吹扫捕集进样时往往要经过一次样品的预浓缩和富集，以便提高检测灵敏度。简单的吹扫捕集进样器包括一个顶空样品管或一支填充预柱，和一个冷阱，如下图所示：1 载气开关阀；2切换阀；3开关阀；4被分析样品室（顶空瓶或预柱管）；5切换阀；6冷却捕集阱；7进样器；8分流阀；9毛细管色谱柱；
