解决与气相色谱注射技术相关的挑战

2022年2月03日

作者:利物浦霍普大学的Tony Edge

免费阅读

文章可以免费下载。解锁文章将显示更多的内容，图表和图像。

历史上，帮助台并没有写太多与气相色谱相关的挑战。虽然气相色谱是一种强大的技术，但它仍然容易出现问题，对于这版色谱帮助台，我们将看看一个可以引起气相色谱仪大量焦虑的领域。

任何GC调查的重点都集中在注入器以及由于注入器设置不良而引起的问题上。注入器是气相色谱仪的关键部件，各种组件的不正确安装会导致分离科学家必须解决的一系列不同问题。与注入器相关的最常见问题是温度设置不正确，可能导致;
•隔膜出血
•样品的不同分子质量组分之间的区分。
•样品分解。
•与样本相关的所有峰值的信号强度下降。
•由于注入器内的冷点导致峰裂
图1显示了GC注入器的典型结构。喷射器的主要功能是通过加热的入口转移液体样品，使样品汽化，与载气混合，然后转移到色谱柱上。这种设计是由于毛细管气相色谱的发展而产生的，这使得分离效率大大提高，但在实验安排中引入了两个基本问题。
•注射器不再适合色谱柱，以前是一个相对较大的(1/4或1/8英寸直径)填充气相色谱柱。值得注意的是，可以在柱上进行注射，但在引入毛细管气相色谱时，缺乏合适的技术来实现这一点。
•毛细管开管色谱柱的有效表面积明显小于填充色谱柱，当直接向色谱柱上注入> μL样品时，会导致色谱柱严重过载。
图1。分裂/不分裂注入端口示意图。
解决方案是通过分流机制去除注入器单元内的部分原始样品。这大大增加了注入器气动的复杂性，也导致了检测问题，因为较少的样品到达检测器。还有其他的注入技术可以用于气相色谱，但本文将重点介绍分体式/非分体式注入器，尽管注意到冷柱的使用将缓解这里讨论的一些挑战。
样品通常在一个小瓶中，然后在注射过程之前立即转移到注射器中。在确保样品保持完整并与最初采集的样品一致的过程中存在一些问题。样品组分从瓶中丢失，可能是由于分析物在活化表面上的吸附，或由于不合适的封闭或不适当的使用特定隔片引起的蒸发。假设样品的完整性在样品瓶内保持，并转移到注射器，接下来要考虑的是将样品移动到注射口。
这需要针通常穿过间隔进入加热端口。这意味着隔膜材料的选择成为一个关键的决定，因为在更换隔膜之前，隔膜将被穿透多次。如果材料太硬，则可能导致针损伤或隔膜芯。同样重要的是，不要过度拧紧中隔螺母，这可能导致同样的效果发生。取芯是指在注射过程中隔膜的微小颗粒脱落，这些颗粒会转移到注射端口甚至柱上，导致污染或潜在的堵塞。应该注意的是，不要太紧隔阀螺母，因为这可能会导致样品通过隔阀丢失。
加热注入端口，以确保样品发生挥发，并且各个组分处于气态。使用的温度范围从室温到450°C，温度越高，隔膜内的组件就越有可能流入注入口，而在注入口内使用温度梯度可能会导致泄漏组件的积聚，这些组件在下一个注入循环中有效地重新注入。这些成分，如硅油或邻苯二甲酸盐，用于制造过程中。鼻中隔出血可通过多种方法缓解。
•使用隔膜吹扫，将气体从隔膜后面扫去任何来自隔膜的热降解成分的散装。
•使用前对隔层进行几个小时的热调节。
•使用专门设计的高温隔垫。这些隔片可能不适用于低温使用，但他们将不像低温使用隔片那样柔韧。
如果出现出血，可导致虚峰或基线升高(图2)。
图2。鬼峰示意图。
注入器的结构意味着样品被引入一个由衬垫包围的空间。有无数种不同的GC注入器衬里可供选择，所有这些衬里都是为特定的样品类型和注射类型而设计的，其中一些如图3所示。了解衬垫的作用以及选择错误的衬垫对应用程序的影响是很重要的。
在气相色谱系统中，衬垫的作用是形成一个容器，样品可以被注入和加热。这使得快速，均匀的蒸发样品和有效转移到气相色谱柱的头部作为一个紧带，没有任何吸附效应。如果转移到色谱柱的效率不高，则会导致峰值尾砂。对于分体式注入和使用温度编程的地方，例如PTV(可编程温度挥发)注入器，这种转换需要更长的时间。使用这些后一种注射技术，目的是将每个目标分析物作为窄带转移到色谱柱上，而不是整个样品。
图3。可供选择的iGC喷油器衬套数量不多。
用于分段注入的GC注入器衬套底部通常是开口的，这使得分段流可以通过衬套底部，从而去除一部分样品，从而进行分段注入。
无分离衬垫通常在底部呈锥形，柱插入锥形。这有助于将样品漏斗到色谱柱上，并最大限度地减少样品与入口中活性金属成分的接触。
在进入进样口时，样品将被汽化，该过程的第一部分是气溶胶的形成，然后由于进样口区域的高温，气溶胶将变成气态。重要的是，气溶胶在变成气体之前不能到达色谱柱，因此经常使用失活石英棉，通过增加加热发生的可用表面积来帮助挥发过程。这种改进的汽化提供了更可重复的注射，几乎没有沸点差别。
灭活的石英棉可以放置在注射针上面注射，或者注射器需要注射到夸脱羊毛中，后者的优点是注射后将注射器擦拭干净。石英棉也会从样品中捕获任何颗粒，但这可能会导致结转，因此石英棉应定期更换。
随着分体式进样器的发展，对样品的物理操作也会导致样品组分在色谱柱上的相等输送出现问题，因此在进样器端口进行区分是可行的。这可以发生在注射器内，因为样品被转移到注射端口，也可以发生在注射端口本身。在所有情况下，是样品的不同挥发率导致了歧视问题。
当样品离开注射器时，挥发性较强的组分会优先进入注射器口，而挥发性较低的组分则倾向于留在针尖。当样品进入注射口时，挥发性较强的组分比挥发性较弱的组分更容易被扫走。总的来说，后一种效应有最普遍的趋势，因此，注射器可以导致进入色谱柱的重分子量组分的浓度低于原始样品。如前所述，这通常是通过在注入器中引入大表面积的组件(如石英棉)来解决的。解决这一问题的一种方法是使用“热针”注射，即在注射前将针在注射口加热几秒钟。
如果使用PTV，其体积较小，那么使用挡板注射衬板可以帮助，因为挡板产生湍流，改善样品在入口的混合，提高注射的再现性。这种类型的衬垫可能不适合高沸点的样品，因为可能发生不完全汽化。
可用表面积的增加还突出了注入口内可能出现的另外两个潜在问题
•由于吸附导致分析物损失
•将分析物转化为另一种物种
在液相色谱中，已经详细讨论了底层二氧化硅对保留机制的影响，特别是对基本成分的影响。在使用GC时注入活性成分时也需要考虑类似的问题。在注入器内暴露的可用表面将高度依赖于所使用的衬垫类型，以及气相色谱仪的设计。暴露在外的金属会对多种成分产生反应，在使用分裂注入模式时，将这种情况降至最低是很重要的，而使用锥形衬管可以在很大程度上帮助解决这一问题。
高温和反应表面也有可能创造一个环境，使分析物在注入器内发生化学变化。
这方面的经典例子是在分析含氯农药时，如Endrin和DDT(二氯二苯三氯乙烷)，它们被设计为可分解，以避免在环境中积聚。在一个加热的环境中，这个分解过程可以急剧增加，特别是如果有一个活性表面，可以发生表面催化反应。图4显示了在滴滴涕喷射器内的错误条件下可能形成的一些产品。
图4。DDT的降解产物。
一旦优化了喷射器的物理结构，就必须设置温度和气体流量。在分段注入过程中，分段比被定义为流向废液的气体流量与进入色谱柱的气体量的比值。这一比率将取决于一系列因素，包括。
•检测灵敏度
•所需的色谱效率
•歧视效应
典型的比例是30:1到100:1，其中较高的数字代表浪费的气体的比例。
另一个需要设置的参数是注入器温度。注射器温度应设置得足够高，使样品发生挥发，但也不能太高，使样品发生降解。需要注意的是，在标准的分体式/非分体式喷油器的喷油器内，从隔垫螺母开始会有一个温度梯度，它会比喷油器中心部分的温度低，而柱的温度通常也会低于喷油器中心部分的温度。
最后，表1总结了GC可用的不同类型的注入器，并概述了与每种技术相关的特性和挑战。
表1。总结了与一系列GC注入技术相关的特性和挑战。
气相色谱进样器过程的自动化有助于将气相色谱分类为一种成熟的技术，人们认为很少有新的技术发展被发现，或者与该技术相关的挑战已经全部得到解决。与分离科学世界的许多领域一样，这种情况绝对不是这样的，气相色谱的发展将继续改善色谱性能和技术的适用性。随着新技术的引入，了解与注入器等不同组件相关的挑战变得非常重要，可以确保我们不会再重复之前观察到的问题。
对于有兴趣了解更多这方面知识的读者，这里有一些K. Grobb的优秀文本。