无论气相色谱怎么发展,各种型号的气相色谱仪都包括六个基本单元。 各单元功能如下: 1)气源系统 气源分载气和辅助气两种,载气是携带分析试样通过色谱柱,试样在柱内运行的动力,辅助气是检测器燃烧或吹扫用,有的仪器采用EPC系统对气流进行数字化控制。 2)进样系统 引入试样,并保证试样汽化,有些仪器还包括试样预处理装置,例如热脱附装置(TD)、裂解装置、吹扫捕集装置、顶空进样装置。 3)柱系统 试样在柱内运行的同时得到所需要的分离。 4) 检测系统 对柱后已被分离的组分进行检测,有的仪器还包括柱后转化(例如硅烷化装置、烃转化装置)。 5) 数据采集及处理系统 采集并处理检测系统输入的信号,给出后试样定性和定量结果。 6)温控系统 控制并显示进样系统、柱箱、检测器及辅助部分的温度。 所有的气相色谱仪都需包括以上六个基本单元,其功能都相同,差异的只是水平的配置,因此**了解各单元的组成功能对仪器使用、开发及故障的分析排除都是必要的。下面分别介绍气路系统、进样系统和检测系统,柱系统和数据采集处理系统。 一 气路系统 气相色谱法是利用各组分沿色谱柱运动时,组分在柱内固定相与流动相间反复多次进行分配,多次分配差异的累积就将各组分分开,所以载气不仅是推动组分在柱中运行的动力,而且也参加组分的分离过程。在检测器中,载气也直接影响组分信号的检测,例如热导检测器的检测原理是载气携带组分进入热导池时,池内气体组成发生变化,其热导率也相应改变。热敏元件的热平衡被破坏,引起热敏元件的阻值的变化,惠更斯电桥就输出电压不平衡的信号,通过数据采集系统就得到组分的色谱峰。所以载气不仅作为柱分离的动力,而且参加柱的分离过程和组分的检出过程。辅助气直接进入检测器,同样也会影响检测的结果。因此一个成功的分析方法不仅要考虑到气流的稳压和流量的控制,而且需考虑到载气和辅助气的选择和净化,以保证GC分析质量和分析结果的稳定性;延长柱寿命和减少检测器的噪声提高检测的灵敏度。图a为气体流路的主要配置。图中各部分作用分述如下。
图a 气相色谱气路流路的主要配置
1.1气源系统 它的作用是足够压力的气源。例如:钢瓶、空气泵、气体发生器。 通常使用钢瓶,但近几年气体发生器的使用逐年增多,发生器供给的典型的氮气纯度为O2<2~3μl/L,低达—56~700C。典型的H2纯度为99.99% ;典型的气体流量:H2和O2为0~300ml/min;空气为0~3000ml/min;工作压力为0~0.4MPa。这些发生器可以满���一般气相色谱分析对气体的要求,更高的要求就必须采用进口的发生器。例如安捷伦公司PARKER公司生产的气体发生器:纯净氢纯度可达99.99999%;超纯氮纯度99.9995%~99.99999%;空气中杂质小于0.1μl/L(按甲烷计)。 1.2净化系统 净化器的功能是帮助我们保证GC的分析质量和分析结果的稳定性,延长柱寿命和减少检测器的噪声。净化器的作用主要是去除气体中水分、烃、氧。存在气源管路及气瓶中的水分、烃、氧会产生噪声、额外峰和基线“毛刺",尤其对特殊检测器(例如ECD、PID)影响更为显著,极端情况下还会破坏色谱柱。通常水分存在于气体容器的表面和气体管路内,它不仅会影响组分的分离,还会使固定相降解,缩短柱的寿命。氧的破坏作用严重,即使很微量的氧也会破坏毛细管柱及极性填充柱,氧会使固定相氧化,从而破坏柱性能和柱寿命,氧化物还会引起基线噪声的飘移,并随柱温升高破坏性急剧增大,对特殊检测器及高灵敏度检测器氧的破坏作用更加明显,尤其是TCD和GC/MS,氧会直接烧坏热丝和灯丝。 为了保护色谱柱及检测器和获得稳定的基流,必须对载气及辅助气进行严格的脱水、脱氧、脱碳氢合物。考虑到硅胶价格便宜,活化再生方便的特点,通常采用室温下用硅胶初步脱水、分子筛进一步深脱水;用活性炭脱除除甲烷外的碳氢化合物;用脱氧剂脱除氢或氮中的微量氧气。一般气体净化后纯度要达到99.99%以上方可使用,特殊检测器如ECD对电负性较强组分的脱除要求更高,其载气和吹扫气中的氧含量必须低于0.2μl/L,否则检测器会出现基流太低无法运行.当然与检测器的灵敏度与分析检测限有关. 由于分子筛净化的原理是筛分作用,所在针对不同气体可以采用不同类型的分子筛(常见的有3A、4A、5A、10X、13X)达到不同的净化要求(在脱水的同时脱除其他的杂质),这方面可以参考产品说明书,活化条件也随之而异。但总的来说,活化后残留的水量会影响脱水的效率,残留的水越少,则脱水的效率就越高,反这亦然。所以活化的完全程度决定脱水的深度,在基本没有残留水条件下,脱水深度可以达到在—900C以下(<0.08mg/m3的水=;同样可以理解,在使用时,分子筛失效3/4~4/5后就必须重新活化,否则就会影响净化的效果。 各公司都不同形式的净化管(又称捕集器)。其净化容量与净化深度各不相同,用户可以根据各种不同分析要求的需要选择合适的捕集器。 净化管材质一般采用金属和有机玻璃。采用有机玻璃时,要注意空气中氧气和水的渗透,净化管采用有机玻璃时,净化后出口气体大约含0.5μl/L的氧气和水。净化管进出口必须用玻璃棉或烧结不锈钢堵好,以防止净化剂的粉末吹入气相色谱仪的气路系统,损害阀件的性能和色谱性能。净化管中所用的吸附剂(硅胶、分子筛、活性炭)及催化剂(脱氧剂)用前必须活化,失活后可再生重复使用,催化剂的活化必须用专用设备,一般可送回厂家再生,其他吸附剂再生方法见表1。
吸附剂
活化处理方法
活性炭
160℃烘烤2h后冷至室温装净化器
硅胶
160℃烘烤至全部变天蓝色后冷至室温装净化器
分子筛
500℃烘烤3h,冷却至200℃左右放入干燥容器内冷至室温后快速装净化器,或350℃通无水的N22h,冷却至室温快速装净化器
一般情况下GC仪使用的各种气体净化要求见表2。
系统
气体
净化对象
填充柱配置FID,TCD
填充柱配置ECD,FPD,NPD,MSD或其它选择性的检测器
毛细管柱配置任何检测器
吹扫气
载气纯度>99.99﹪
ECD吹扫气
FID上空气
FID上氢气
ELCD反应气
烃、水分、O2(一般脱O2就可)
烃、水分、O2(严格脱氧)
除O2(严格脱氧)、水
烃
实际上,载气和辅助气的净化纯度还与分析检测限的要求有关,对通用的检测器可见表3。从表3可以看出检测样品的浓度愈低,对气体的纯度要求就愈高。对于特殊的检测器,气体纯度的要求比通用的检测器更高。
气体类型
功能
是否接
触 样 品
检测限的要求
痕量(0~1ul/L)
1~103ul/L
103ul/L~1﹪
1﹪~100﹪
氢气
载气或检测器燃烧气
是
99.9999﹪
99.9995﹪
99.999﹪
氢气/氮气
检测器燃烧气
甲烷/氦气或氮气
ECD用载气或尾吹气
空气
检测器用氧化气
否
氮气、氦气
载气或尾吹气