气相毛细管柱色谱仪分流不分流进样系统

分流－不分流进样是气相毛细管柱色谱仪的首选进样方式，既可用作分流进样，也可用作不分流进样。分流进样操作简单，应用更广泛，但有分流歧视和样品可能分解的问题。不分流进样虽然操作复杂，但分析灵敏度高，常用于痕量分析。实际工作中，只是在分流进样不能满足分析要求时（主要是灵敏度要求），才考虑使用不分流进样。

一、分流进样系统：

分流进样是先将较大体积的样品注入到气相毛细管柱色谱仪气化室中，样品气化后和载气均匀混合，通过分流器，样品被分流成流量相差悬殊的两部分，其中流量较小的部分进入毛细管柱，流量较大的部分放空。

1、概念：

（1）分流比：

分流比是指在所进样品完全气化并与载气充分混合的条件下，样品通过分流进样器进入色谱柱的流量与通过分流器放空的流量之比。分流比的大小一般由色谱柱允许的样品量决定，常用分流比范围为1：20～1：200。分流中的放空流量可通过皂膜流量计测量。

（2）线性分流：

线性分流是指经过分流器分出的进入色谱柱的样品能够代表原样品，即进入色谱柱的样品中各组分的含量与原样品一致。

（3）非线性分流：

非线性分流是指进入色谱柱的样品中各组分的含量与原样品中组分的含量不同，会产生分流歧视。

2、结构：

（1）分流器：

分流器是按一定比例将一种气体或液体分成若干部分的装置。分流器用于毛细管柱分流进样中，使小部分样品进入色谱柱，以防柱超载而大部分放空。1）分流后样品各组分峰的相对大小应与分流前严格一致。2）样品组分浓度变化时，峰面积与浓度应有良好的线性关系。3）当温度（气化温度、柱温和室温）、分流比和载气流速发生变化时，各组分相对大小要保持恒定。分流进样分析时，若重复性和定量精度欠佳，也应考虑分流器的影响。（2）载气流路：分流进样中进入进样口的载气总流量由总流量阀控制，而后分成两部分：一是隔垫吹扫气（1～3mL/min，克服记忆效应），二是进入气化室的载气。进样时分流阀打开，当样品进入衬管气化后，进入气化室的载气与样品气体混合后又分成两部分：大部分经分流出口放空，小部分进入色谱柱。将柱前压调节阀置于分流气路上，可在总流量不变的情况下改变柱前压，柱前压越高，柱流速越大，分析速度越快。而要在柱前压不变（柱流速不变）的条件下改变分流比，则必须调节总流量，总流量越大，分流比越大。隔垫吹扫气路的主要作用是将隔垫可能挥发出来的气体带走，防止对正常分析产生干扰或引起鬼峰。隔垫产生的挥发性气体主要来源有隔垫本身、进样时反冲到隔垫上的样品蒸气和注射时被隔垫吸附的样品（主要是溶剂）等。从结构上看，隔垫吹扫气也起着分流作用，因此，在某些分析时，吹扫气流的波动可能会给分析结果带来不利影响。此时若用针型阀把吹扫气流改为可根据分析要求随意调节，可能更实用。为尽量使进入色谱柱的样品组成与原样品组成相符，关键在于样品气化的速度和程度。（3）总流量控制器：目前绝大部分GC采用稳压阀调节柱前压供气，稳压阀的性能特别是压力和流量特性，在操作参数变化时会引起载气流量、分流流量和隔垫吹扫气流量的变化。（4）分流针型阀：分流针型阀和GC气路系统中的普通针型阀有很大不同。分流针型阀工作时，要求输入压力不同时能线性调节流量，最大到几百毫升/分钟（甚至1000mL/min）。通过它的气体不是单一气体，是分流气和样品组分的混合气，且组分沸点不同。为保证分流流量恒定，提高分流流量的重复性，防止高沸点组分在分流针型阀中冷凝而影响流量的稳定性，分流针型阀最好加热控温。（5）分流放空过滤器：特别是在分析有毒和高沸点样品时，大部分被分流放空的组分应避免直接排入室内和防止在排出管路上冷凝，必须在出口配装过滤器。过滤器要安装在温度较低的区域，容量要足够大，活化和更换要方便。（6）衬管：衬管是一个混合腔和弯曲的流路，以保证样品到达分流点前能够全部蒸发并均匀化为蒸气。对于非极性化学稳定的样品，衬管结构和填充物对分析影响较小，可不必多考虑。但对于极性、热不稳定和易吸附分解的样品，必须仔细选择衬管结构和填充物。衬管结构和填充物还应配合进样量、温度和流量等通过标样试验仔细选用。1）衬管应有合适的气化容量，防止样品气化膨胀体积大而引起倒灌。2）为减少样品蒸气反吹，衬管顶部应有缩径结构。3）衬管内径和热容量要足够大，以利于样品气化和样品与载气的混合。衬管都不是直通的，衬管内有缩径结构、烧结玻璃粉、玻璃棉或石英玻璃棉等。衬管内的填充物增加了样品与衬管接触的表面积，加快了气化速度，有利于减小分流歧视。同时能防止不挥发性组分和机械杂质进入色谱柱，保护色谱柱不被污染。填充物应位于衬管的中间即温度最高的地方，也是注射针尖所到达的地方，以提高气化效率，减少注射针尖对样品的歧视。4）少量的玻璃棉能促进样品蒸发完全，重现性好，可随意调整高度，经济，容易更换。但玻璃棉活性较大，不适合分析极性化合物，此时可用经硅烷化处理的石英玻璃棉或采用多级缩径衬管。5）若衬管壁做薄些，填充几毫米固定相，可起到预柱作用。同时能阻挡不挥发性组分和机械杂质通过，再生和更换也很方便。6）目前衬管材料多是玻璃，常用密封材料是耐温硅橡胶和石墨。衬管上端的“O”形硅胶密封圈用一段时间后，会形成载气旁路（分流、柱流量），使峰忽大忽小，造成无法定量。因此，除保证衬管初装时的密封性外，还要及时检漏和更换。当进样口温度超过400℃时，最好采用石墨密封圈。（7）尾吹气路：由于色谱柱内载气流量很小，载气进入检测器后会突然减速，使谱峰展宽。因此，在色谱柱出口与检测器之间安装辅助尾吹装置，使样品快速流过检测器，从而克服检测器的死体积，使峰形尖锐。3、特点：（1）优点：1）可用于浓缩样品。2）样品不需要溶剂稀释，不存在溶剂的有害影响。3）可注入较大体积的样品。4）不会引起色谱柱超载，能有效防止柱污染。5）分流比调节容易，进样量可大可小。6）色谱峰窄而尖锐。7）分析结果重现性好。8）结构和操作简单，有利于自动化。（2）缺点：1）不适合浓度和沸点范围宽的混合样品。2）不适合痕量分析。3）操作不当会产生分流歧视。4）由于进样口工作时温度较高或结构限制，对强极性样品会产生吸附、降解或按分子重量重排反应，不适合定量分析。5）对于挥发性和极性相近的样品，为满足分析重复性和定量精度要求，选取的实验参数多，建立较佳分析方法费时费力。6）非EPC控制，载气浪费较大。7）对于数量有限的贵重样品，选用应谨慎。4、分流歧视：分流歧视是指气相毛细管柱色谱仪分析中，在一定分流比条件下，不同样品组分的实际分流比不同，造成进入色谱柱的样品组成与原样品组成不同，从而影响定量分析准确度。（1）造成分流歧视的原因：分流进样对某些样品适应性差的主要原因是样品气化时失真。造成样品气化失真的原因是多方面的，随着对样品进样的实践和深入研究，人们终于认识到样品的蒸发步骤、隔垫和注射器手动进样等才是造成样品气化失真的根本原因。因此，为了获得满意的重复性和定量精度，除了在设计分流进样结构时尽量减小样品失真，更主要的是实现非失真进样。1）注射方式影响，如“热针”进样和溶剂消除进样等。2）进样速度太慢、太快和进样本身不重复等。3）不均匀气化。由于样品中各组分的极性不同，沸点各异，因而气化速度各不相同。这些导致沸点不同的组分到达分流点时，气化状态可能不完全相同。气化不完全的组分比完全气化的组分可能多分流一些样品。4）不同样品组分在载气中的扩散速度不同，扩散速度与温度成正比。尽量使样品快速气化是消除分流歧视的重要措施。5）强极性、不稳定样品在衬管和隔垫表面的吸附和分解等。6）分流比的大小影响分流歧视。一般来说，分流比越大，越有可能造成分流歧视。在样品浓度和柱容量允许的条件下，分流比小些有利。7）柱入口处气体粘度的变化和溶剂重新冷凝使柱阻力变化，造成分流比改变。（2）消除分流歧视的措施：1）尽量使样品快速气化，包括采用较高的气化温度和合适的衬管（添加经硅烷化处理的石英玻璃棉）。2）初始柱温尽可能高些。气化温度和柱温差别小，样品在气化室经历的温度梯度小，可避免气化后的样品发生部分冷凝。3）安装色谱柱时，保证柱入口端超过分流点，保证柱入口端处于气化室衬管的中央（气化室内色谱柱与衬管同轴）。尽管分流进样有歧视问题，但仍然是GC中最常用的进样方式。实际工作中，分流歧视很难完全消除，只要操作重现，一定程度的歧视是重现的，可通过标准样品的校准来消除歧视效应对定量准确度的影响。5、操作参数：气相毛细管柱分析以分流进样作为首选进样方式，主要是由于它的简易性而不是它的可靠性，因此，在常规分析时被广泛应用。实验表明，对于挥发性或极性相近和沸点低于正二十烷沸点的样品，通过主要操作参数的优化选择，可得到比较满意的定量精度。（1）气化温度：气化温度一般选择在接近或等于最高沸点组分的温度，以保证所有组分能气化。气化温度高可能有利于减小初始谱带宽度，但温度太高可能使样品某些组分分解和降解，反而产生样品歧视。更合理的方法不是提高气化温度而是选用合适的衬管，以增加热容量和样品与衬管接触的表面积。对于未知新样品建立分析方法时，气化温度可从300℃开始试验选择。（2）分流比：分流比大小要根据样品浓度和进样量调整，一般范围为1：20～1：200。分流比小时，分流歧视可能小些，但初始谱带会变宽。但分流比小，适合程序升温技术。分流大时，有利于峰形，但分流歧视可能比较严重。在分析要求不高时，选择分流比大些比较有利。实际工作中，要视样品浓度选用合适的分流比后再确定进样量。随着柱温升高、柱流量变化和气化温度变化等，分流比对针型阀的流量特性有影响，计算分流比和重新调整分流阀时，一定要在色谱柱和分流进样器温度恒定后进行。（3）载气流量：载气总流量是载气流量、分流流量和隔垫吹扫气流量的总和。对于配EPC控制的气路，各流量可在较大范围内自动设定调整，但用稳压阀调节柱前压供气时，要注意稳压阀的压力和流量特性。原则上讲，在分析要求允许的情况下，柱前压高些或分流比大些，有利于各流量的稳定和分析重复性。在柱前压较高时，隔垫吹扫气流量可能超过5mL/min，此时它的分流作用不能忽略。尤其当隔垫密封性能欠佳时，对进样失真的影响会更大。在分析要求允许的情况，可以把吹扫气路关闭操作。（4）分流点：分流点是指色谱柱进口、衬管填充物和注射针尖的相对位置。分流点不同对进样歧视程度不同。为了减小进样歧视，色谱柱入口在气化室中的较佳位置可通过多次试验确定。安装色谱柱时，保证柱入口端超过分流点，保证柱入口端处于气化室衬管的中央（气化室内色谱柱与衬管同轴）。每次重复安装时，一定要严格按相同尺寸安装。（5）进样量：进样量一般不超过2μL，最好控制在1μL以下。因为衬管容积有限，液体气化时体积要膨胀数百倍。进样量还和分流比相关，分流比大时，进样量可大些。（6）进样速度：进样速度越快越好，以防样品不均匀气化，保持窄的初始谱带宽度。快速自动进样往往比手动进样的效果好。（7）柱温：如果程序升温，初始柱温应高于溶剂沸点，进样后应快速升温。6、应用：（1）适用于不能稀释后进行分析的样品（如溶剂）和浓度较高的样品。（2）适用于绝大部分化学性稳定、可挥发的气体和液体样品（浓度在0.001%～10%，沸点低于正二十烷沸点），特别是一些化学试剂的分析。（3）在溶剂峰之前有很重要的小峰流出。样品中一些组分在主峰前流出，而且样品不能稀释，分流进样往往是理想的选择（如白酒中甲醇和香味成分的分析）。（4）进样时间长（如阀进样）的样品分析。（5）在色谱方法开发过程中，如果对样品组成不是很清楚，应首先采用分流进样。（6）对于“脏”样品应采用分流进样。因为分流进样时大部分样品被放空，只有小部分样品进入色谱柱，在很大程度上防止了色谱柱污染。二、不分流进样系统：不分流进样是在气相毛细管柱色谱仪进样前，分流阀将分流气路关闭30～80s，待气化的样品基本或大部分进入毛细管柱后打开分流气路，将残留在气化室中的样品通过分流气路放空。分流进样是因为柱容量小和样品浓度高而不得不采用的方法，那么低浓度样品采用不分流进样以提高分析灵敏度就是理所当然的选择了。实际工作中，不分流进样的应用远没有分流进样广泛，只是在分流进样不能满足分析要求时（主要是灵敏度要求），才考虑使用不分流进样。1、结构：不分流进样与分流进样采用同一个进样口。不分流进样是将分流气路的电磁阀关闭，使气化的样品基本或大部分进入色谱柱。这样既可提高分析灵敏度，又能消除分流歧视的影响。（1）载气流路：不分流进样时，在气化室中气化的含有大量溶剂的样品不可能瞬间进入色谱柱，溶剂峰会严重拖尾，使早流出组分的色谱峰被掩盖在溶剂拖尾峰中，从而使分析变得困难甚至不可能。此现象称为气化室溶剂效应。1）瞬间不分流进样：进样开始时关闭分流阀，使系统处于不分流状态，待气化的样品基本或大部分进入色谱柱后开启分流阀，使系统处于分流状态，将残留在气化室中的溶剂气体（包含小部分样品组分）很快通过分流气路放空，从而在很大程度上消除了溶剂峰拖尾现象。分流状态一直持续到分析结束，注射下一个样品时再关闭分流阀。不分流进样并不是绝对不分流，而是分流与不分流相结合，确定瞬间不分流时间（又称溶剂吹扫时间）往往是分析成败的关键。2）瞬间不分流时间的确定原则：瞬间不分流时间的确定依赖于样品性质、溶剂性质、衬管容积、进样量、进样速度和载气流速。原则上讲，这一时间应足够长，保证绝大部分样品进人色谱柱，避免分流歧视的影响。同时又要尽可能短，最大限度地消除溶剂峰拖尾，使早流出峰的分析更为准确。这显然是矛盾的。实际工作中，瞬间不分流时间要根据样品的具体情况（如溶剂沸点、待测组分沸点和浓度等）和操作条件确定，一般为30～80s，多用45s，可保证95%以上的样品进入色谱柱。对于高沸点样品，不分流时间长些有利于提高分析灵敏度，而不影响分析准确度。对于低沸点样品，不分流时间要尽可能短些，最大限度地消除溶剂峰拖尾，以保证分析准确度。3）确定瞬间不分流时间的方法：首先确定溶解样品的溶剂、衬管容积、进样量、进样速度和载气流速。开始时可将这一时间设置的长些（90～120s），以保证全部样品组分进入色谱柱。样品进行分析后，选择一个待测组分的峰面积（该峰的k值应大于5）作为测定指标，该峰面积代表100%的样品进入了色谱柱。然后逐步缩短不分流时间分别进样分析，计算同一组分在不同溶剂吹扫时间条件下的峰面积与第一次分析的峰面积之比，直到比值小于0.95，此时的不分流时间为最短时间。再进一步微调不分流时间，使同一组分的峰面积达到第一次分析时峰面积的95%～99%，此时的瞬间不分流时间即为最优时间。（2）衬管：1）样品在不分流衬管中的滞留时间取决于衬管形状、衬管容积、气体速度和样品气化时间。最好采用直通式衬管。这主要是为了使样品在气化室中尽可能少稀释，减小初始谱带宽度。衬管容积小些有利，一般为0.25～1mL。衬管内径比分流进样的小，最好使注射针紧贴在衬管内孔的周围，阻止样品反冲。当用自动进样器进样时，因进样速度快，样品挥发快，建议采用容积稍大的直通式衬管。有时采用锥形衬管，使样品聚集到色谱柱上，阻止样品反冲，减少样品与金属表面的接触。2）对于干净样品，衬管内可不填充玻璃棉。3）对于“脏”样品，衬管内要填充玻璃棉或石英玻璃棉，以促进样品气化，保证分析重现性，防止不挥发性组分和机械杂质进入色谱柱，保护色谱柱不被污染。4）由于不分流进样时样品在气化室中的滞留时间比分流进样时长，热不稳定化合物分解的可能性大，衬管和其中填充的石英玻璃棉都必须经硅烷化处理，要及时清洗、更换和重新硅烷化。（3）柱溶剂效应：不分流进样时，初始柱温比溶剂沸点低15～30℃，样品在气化室中气化后，大量溶剂带着组分流向低温色谱柱并在柱上冷凝，冷凝在柱上的溶剂与固定液混合，形成比固定液膜厚几倍的溶剂液膜（在柱入口附近最厚），组分蒸气塞的前沿在溶剂膜上保留较强，随着溶剂的挥发其后沿保留较弱，使峰变窄。此现象称为柱溶剂效应。不分流进样时，要获得良好的柱溶剂效应必须满足以下条件：1）溶剂峰一定要在被测组分峰之前流出。2）样品沸点要足够高，一般在150℃以上。3）要选择适当的溶剂，如二氯甲烷、氯仿、二硫化碳、己烷和异辛烷等。不宜使用极性和芳香烃溶剂，因为这些物质的气化温度高，虽然宜在柱上冷凝，但在二次气化时会损害原固定液膜，特别是非键合相柱。4）初始柱温必须低于溶剂沸点15～30℃。5）进样量一般为1～10μL，常用2～3μL。6）样品注射时间一般为3～15s。2、特点：（1）优点：1）有柱溶剂效应时，减小了溶剂峰拖尾，组分峰接近溶剂拖尾峰，组分峰变窄。2）不分流进样是高沸点痕量样品分析的首选方式。对于高沸点样品，不分流进样可以不考虑溶剂沸点，采用高的初始柱温以缩短分析时间。样品几乎（95%以上）全部进入色谱柱，比分流进样相应信号高1～3个数量级，特别适合稀释样品中痕量或超痕量组分的分析。3）对于沸程窄的样品、极性大的生物样品和要求进样量大的痕量分析，不分流进样比分流进样更有利。4）由于初始柱温较低，有利于热不稳定化合物的分析。5）用于低浓度样品。6）可注入较大体积的样品。7）分流进样时，无论如何选择实验条件，也无法克服样品歧视，特别是高沸点组分失真更严重。而不分流进样基本克服了上述不足，定量相对误差＜1.5%。8）适合程序升温操作。9）分析灵敏度比分流进样高的多。（2）缺点：1）为了获得较好的柱溶剂效应，要采用柱程序升温技术。2）实现柱溶剂效应时，溶剂选择有一定限制。3）柱溶剂效应对难挥发性组分会造成峰展宽和畸变，早流出峰保留时间重复性欠佳。4）样品初始谱带比较宽（样品气化后的体积相对于柱内载气流量太大），溶剂峰严重拖尾，掩盖早流出组分的色谱峰。5）实现柱溶剂效应时，要根据溶剂性质、初始柱温、进样量、进样时间和载气流量等反复选择，建立分析方法试验比较费时费力，且不宜掌握。6）若溶剂控制条件不当，大量进样对常规液膜柱的液膜有溶解作用。7）操作条件优化比较复杂，操作技术要求比较高。3、操作参数：（1）分流阀打开的时间：打开分流阀的目的是用大流量（50～150mL/min）迅速将气化室中的残余样品蒸气吹去。如不及时打开分流阀，在分析过程中，残余蒸气可能不断被载气稀释，使组分峰严重拖尾。分流阀的打开时间要根据气化温度、载气流量和进样量等确定，一般为30～90s，最优时间通过实验确定。（2）气化温度：气化温度可以比分流进样时稍低，因为不分流进样时样品在气化室中的滞留时间长，气化速度稍慢不会影响分离结果。气化温度的底限是能保证待测组分在瞬间不分流时完全气化。气化温度过低会造成高沸点组分的损失，影响分析灵敏度和重现性。气化温度过高会造成样品分解。因此，要根据样品的具体情况确定气化温度。当气化温度改变后，必须重新优化设置瞬间不分流时间。（3）载气流速：从减小初始谱带宽度的角度考虑，载气流速大些有利。但流量太大，能使样品蒸气和载气完全混合，溶剂在柱上冷凝困难，会降低或损失柱溶剂效应。（4）隔垫吹扫气流量：隔垫吹扫气流量较大时，可能造成样品损失，对分析重复性有较大不利。可在进样时关闭隔垫吹扫气路，在打开分流阀时，同时也打开隔垫吹扫气路。（5）进样量：进样量大些有利于形成或加大柱溶剂效应。进样量还和溶剂性质、气化温度、衬管容积和进样速度有关，常用2～3μL。（6）样品注射时间：样品注射时间对分析结果影响较小，一般为3～15s。注射速度快，样品蒸气反冲大，若隔垫吹扫气流量大，会损失样品。注射速度太慢，可能使样品蒸气和载气充分混合而影响柱溶剂效应。实验表明，在保证分离的情况下，注射速度快些有利。（7）柱温：初始柱温必须低于溶剂沸点15～30℃。    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