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气相色谱分析中常见故障排除和维护

来源:互联网

毛细管柱安装

有关安装的详细信息，请参考随色谱柱一同提供的GC色谱柱安装指南。

预柱安装

一、根据要求更换除氧、水分和烃的捕集阱。

二、检查气体钢瓶的压力，以确保具有充足的载气、尾吹气和燃气供应。建议载气的最低纯度：氦为：99.995%,氢为：99.995%；

三、清洗进样口，并根据需要更换进样口的关键密封垫，进样口衬管以及隔垫。

四、检查检测器密封垫，根据需要进行更换。根据需要清洗或更换检测器喷嘴。

五、仔细检查色谱柱是否有损坏或断裂。

六、集中所需的安装工具：需要使用色谱柱切割器、色谱柱螺母、密封垫圈、放大镜和打字机修正液。

安装色谱柱

一、从色谱柱架上色谱柱的两端松开约0.5m和管线，以便安装进样器和检测器。避免猛烈地弯曲管线。

二、将色谱柱安装到柱温箱中。如果有挂架可以把它挂起来。

三、在色谱柱两端安装色谱柱螺母和Vespel或石墨密封垫圈：将螺母和密封垫圈推到管线下方约5cm的位置。（表1）

四、轻划（切割）色谱柱。使用切割器从距色谱柱的两端约4至5cm的位置处轻划色谱柱。

五、柱切割断面要整洁。在尽可能接近划痕处的位置用拇指和食指拿住色谱柱。轻轻拉动并弯曲色谱柱。色谱柱会很容易就断开。如果色谱柱不容易折断，请勿用力将其断开。在其它地方再次轻划，并尝试干净利落地将其断开。

六、使用放大镜检查切割处。确保切割处与管线成直角，并且管末端没有聚酰亚胺或玻璃碎片。

七、在进样口处安装色谱柱。检查GC制造商的仪器手册以确定正确的插入深度。使用打字机修正液在色谱柱上标记正确的插入深度。将色谱柱插入进样器。用手拧紧色谱柱螺母直到其将色谱柱固定，然后再拧紧1/4至1/2圈，以便在施加较轻的压力时不会将色谱柱从接头处拉出。

八、打开载气源并设定适当的流速。将柱头压、分流和隔垫吹扫流速设定为适当值。有关标称柱头压，请参见表2。如果使用分流/不分流进样口，请检查是否已打开吹扫（分流）阀。

九、确认载气流已通过色谱柱。把色谱柱的一端浸入盛有溶剂的瓶中，检查是否有气泡冒出。

十、将色谱柱装入检测器中。查看仪器制造商手册以确定正确的插入深度。

十一、检查是否存在泄漏。这点十分重要。在进行全面的泄漏检查之前不要将色谱柱加热。

十二、设定适当的进样器和检测器温度。

十三、设定适当的尾吹和检测器气流。点火或给打开检测器。

十四、在室温下将色谱柱吹扫最少10分钟。维护进样口或捕集阱之后，应再吹扫一段时间。

十五、注入非保留物质以检查进样器的安装是否正确。例如：丁烷或甲烷（FID）、乙腈的顶空气体（NPD）、二氯甲烷的顶空气体（ECD），空气（TCD）、氩气（质谱仪）。如果出现对称峰，则说明安装正确。如果观察到拖尾峰，请重新将色谱柱装入进样口。

表1：密封圈尺寸

表2：大约的柱头压力(PSIG)

老化和测试色谱柱

一、在高于最高分析温度20℃的环境下或在色谱柱所允许的最高温度下（取二者中温度较低的）将色谱柱老化2小时。如果在高温下10分钟后，背景信号没有下降，则立即冷却色谱柱并检查是否存在泄漏。

二、如果使用的是Vespel或石墨/Vespel密封垫圈，则请在老化过程完成后重新检查它的紧密性。

三、通过进样非保留物质，来确认最终适合的平均线速度。

GC毛细管色谱柱

最基本的毛细管柱由两部分组成：管线和固定相。熔融石英（管外涂渍了聚酰亚胺）和不锈钢是管线的主要材料。有各种各样的固定相。大多数是高分子量、热稳定性好的聚合物，这些聚合物是液体或胶。这一类固定相中最常用的是聚硅氧烷和聚乙二醇。次常用的固定相是小的多孔颗粒，由聚合物和沸石（例如：氧化铝、分子筛）组成。

固定相的选择

如果不确定要使用哪种固定相，可从DB-1或DB-5开始。

气密性好的（ms）色谱柱通常惰性较强并且温度上限较高。

使用极性与溶质极性类似的固定相。这一方法通常很有效，但使用这一方法并非始终能找到最佳固定相。

如果被分离混合物具有不同的偶极或氢键力，请改为使用具有不同偶极或氢键作用力（不一定要更大）的固定相。更换固定相后会出现其它共流出物，所以新的固定相不一定提供更好的总分离度。

如果可能，请避免使用含有能与选择性检测器产生高响应值功能团的固定相。例如含有氰丙基的固定相，用NPD会产生基线高度（由于柱流失）不成比例地增大的现象。

DB-1或DB-5、DB-1701、DB-17和DB-WAX以最少数量的色谱柱能覆盖最大范围的选择性。

PLOT柱用于在高于室温的柱温下分析气体样品。

色谱柱直径的选择

如果需要使用较为更高柱效的色谱柱，请使用0.18—0.25mm内径的色谱柱。0.18mm内径的色谱柱十分适用于泵容量低的GC/MS系统。直径较小的色谱柱容量较小，并需要最高的柱头压。

如果需要较大的样品容量，请使用0.32mm内径的色谱柱。与0.25mm内径的色谱柱相比，这种色谱柱通常对不分流进样或大体积（>2ul）进样时较早流出的溶质有较高的分离度。

只有在仪器配备大口径直接进样器，且要求较高柱效时，才使用0.45mm内径的色谱柱。特别适用于高载气流速的情况下，例如吹扫捕集、顶空进样器。

只有配备大口径直接进样器时，才使用0.53mm内径的色谱柱。特别适用于高载气流速的情况，例如吹扫捕集、顶空进样器0.53mm内径色谱柱在恒定的液膜情况下具有最高的样品容量。

色谱柱柱长的选择

如果不知道最佳长度，请使用25-30米长的色谱柱。

10-15米长的色谱柱十分适用于分离含易分离溶质的样品或含溶质较少的样品。直径较小的色谱柱通常长度较短，以便降低柱头压力。

如果通过其它方法（直径较小的柱，不同的固定相，改变柱温）不能达到分离度时，应使用50-60米长的色谱柱。这种色谱柱适用于分离含多种溶质的复杂样品。较长色谱柱的分析时间较长，费用较高。

色谱柱膜厚的选择

对于0.18-0.32mm内径的色谱柱，其平均或标准（即：不厚也不薄）膜厚为0.18-0.25µm，用于大多数分析。

对于0.45-0.53mm内径的色谱柱，其平均或标准（即：不厚也不薄）膜厚为0.8-1.5µm，用于大多数分析。

厚液膜色谱柱用于保留和分离挥发性溶质（如轻溶质、气体）。厚液膜色谱柱惰性更强，容量更大。厚液膜色谱柱具有较高柱流失性，使用温度上限也有所降低。

薄液膜色谱柱用于将高沸点高分子量溶质（如类固醇、甘油三酸酯）的保留时间降至最小。薄液膜色谱柱惰性较弱，容量较小。薄液膜色谱柱的气密性较好。

载气

载气的线速度或流速直接影响保留时间和效果。要获得最佳的分析时间、效率和重现性，必须正确选择和设定载气。载气的线速度或流速通过调节载气的柱前压（一般称为柱头压力）来控制。压力的设定值取决于载气的种类、柱长及柱径、柱温和要求的线速度或流速。

对毛细管柱，载气的平均线速度（µ）比流速（F）更有用。平均线速度可以看作是载气的平均“速度”，以cm/sec（即载气分子每秒通过色谱柱的厘米数）来计算。平均线速度可用等式1进行计算。

载气的线速度（和流速）取决于柱温。在恒定的柱头压力下，载气的线速度随柱温的升高而下降。这就说明如果要得到可重现的结果，需要在同一温度下为给出的方法设定平均线速度。如果不同的柱温下设定平均线速度会改变保留值和分离度。由于平均线速度取决于柱温，因此在温度程序运行时速度会下降。由电子压力控制的进样器在程序升温时由程序控制使平均线速度或流速保持恒定。使用这一功能可以使较晚流出的峰具有较好的分离度或缩短分析时间。

与通常的理解相反，氢是安全的载气。它很容易在空气中扩散，并且只有当空气在很窄的浓度范围内才会爆炸。换言之，在GC条件下很难出现氢爆炸的情况。最后，在现代GC内置的安全性功能大大降低了任何爆炸的可能性和危险性。

然而，载气供应商没有一种“行业标准”。气体供应商标有“高纯氦”的气体可能不适宜用作载气。不建议将杂质捕集阱用作使用正确纯度的载气的替代品，用纯度高的载气会使由更换不同载气瓶以用不同供应商所带来的差异降低到最小。最易使用的捕集阱是通用整合式捕集阱。

注：等式1：

保护柱和保留间隙

保护柱和保留间隙是相同的，但是它们的用途不同。二者均是色谱柱前连接的1-10米脱活熔融石英管线。脱活的熔融石英管线没有任何固定相，只是对表面进行了脱活处理，以便减小溶质的相互作用。需使用一种合适的接头把管线连接到色谱柱上。大多数情况下，保留间隙或保留柱的直径应与色谱柱相同。如果管线尺寸不一，则使用直径较大的保护柱或保留间隙比使用直径较小的好。

样品中含有可能会污染色谱柱的不挥发性残留物时，需使用保护柱。不挥发性残留物沉积在保护柱而非色谱柱中。由于保护柱不会保留溶质（因为其不含固定相），因此这极大地减小了残留物和样品之间的相互作用。另外，残留物将不会附着在固定相上，从而不会令峰形差。需要定期切割或修整聚集了残留的保护柱。保护柱常为5-10米长，以便在需更换整个保护柱前可进行实际的修整。如果出现峰形问题，则即表明保护柱需进行修整或更换。

保留间隙柱可用于某类样品，色谱柱和GC条件以改善峰形。通常需保留3-5米的管线，保留间隙柱即可起作用。在大体积进样（>2µL）以及不分流进样，大内径直接进样和柱头进样时溶剂固定相极性不匹配的情况下，最适宜使用保留间隙柱。在这些条件相结合的情况下有时峰会变形。样品溶剂和色谱柱固定相在极性上有很大差别时会出现极性不匹配的情况。对靠近溶剂峰前沿流出的峰或溶质的极性与溶剂很相似时，色谱峰会有很大的改善。当使用保护柱时会不经意的得到保留间隙益处。

色谱柱性能下降的原因

色谱柱断裂

熔融石英色谱柱的聚酰亚胺涂层如有少许破裂它就会断裂。聚酰亚胺涂层可保护易碎的熔融石英管线。柱温箱持续的加热或冷却，柱温箱风扇的震动以及把色谱柱绕在圆形柱架上均会对管线造成压力。最后在薄弱处发生断裂。通过轻划或磨损聚酰亚胺涂层会造成出面薄弱处。通常锋利的尖或边划管线时会造成划痕。色谱柱挂钩和标签、GC柱温箱的金属边、色谱柱切割器以及实验室实验台上的各种物品都带有锋利的尖或边。

色谱柱自身断裂的情况很少。色谱柱制造业试图找出所有有缺陷的管线并避免自己制好的色谱柱中使用过这种管线。直径较大的色谱柱更容易断裂。也就是说处理0.45-0.53mm内径的管线时要比处理0.18-0.32mm内径的管线更加谨慎以防断裂。

已断裂的色谱柱并非不能用。如果已断裂的色谱柱保持在高温下连续运行或运行多少温度程序，则将十分容易损坏。已断裂色谱柱的后关段暴露在高温的氧中会必需会迅速损坏固定相。而色谱柱的前半段因有载气通过仍会保持完好。如果已断裂的色谱柱未经加热而是仅在高温或含氧的环境下暴露很短时间，则后半段将不会受到严重损坏。

可以通过安装接头来接上已断裂的色谱柱。任何合适的接头都可连接色谱柱。一支色谱柱上不能装入超过3个接头。多个接头会造成死体积（拖尾峰）问题。

热损坏

超出色谱柱的使用上限会造成固定相和管线表面的加速损坏。这样会造成色谱柱的过分流失，活性组分形成拖尾，以及/或降低柱效（分离度）。幸好热损坏是一个很慢的过程，因此，在色谱柱严重损坏之前还有一段很长的时间可在高于温度极限的条件下使用。当有氧存在时会大加速热损坏。对有泄漏或载气中含氧较高的色谱柱进行过度加热可快速并永久地损坏该柱。

将GC的柱温箱最高温度设定为色谱柱温度极限或稍高于该温度极限是防止热损坏的最佳方法。这样可避免色谱柱意外过热。即使色谱柱受到热损坏，仍然可以使用。将色谱柱从检测器上卸下来。在色谱柱的恒温温度极限下，将其加热8-16小时。把色谱柱连接到检测器的一端截去10-15cm.。按正常安装色谱柱并进行老化。色谱柱将不能恢复到原来的性能，但仍可使用。在热损坏之后色谱柱的寿命会缩短。

氧损坏

氧是很多毛细管GC柱的大敌。在室温或近于室温的温度下，不会损坏色谱柱，但随柱温的升高色谱柱将被严重损坏。通常，对于极性固定相，在较低的温度和氧浓度条件下，就可发生严重损坏。长时间暴露在氧气中会出现氧损坏的问题。短时间暴露在氧中（如注射空气或快速取下隔垫螺母）不会有什么问题。

载气流路（例如气路、接头、进样器）中的泄漏往往是暴露在氧中的源头。随着色谱柱的加热，会很快地损坏固定相。这样会造成色谱柱的过度流失，活性组分形成拖尾，以及/或降低柱效（分离度）。其征兆与柱损坏相似。不幸的是发现氧损坏之时色谱柱已经受到严重的破坏，在不太严重的情况下，色谱柱仍可使用，但性能有所下降。在严重的情况下，色谱柱将完全不能使用。

让系统避免和氧接触和避免泄漏是不受到氧损坏最有效的方法。良好的维护GC系统包括定期检查气跟和压力表的泄漏，定期更换隔垫、使用高质量的载气、安装和更换氧捕集阱、在气体钢瓶完全用尽之前更换气瓶。

化学损坏

有相当少的化合物能损坏固定相。不挥发性化合物（高分子量或高沸点）进入色谱柱通常会降低色谱柱的性能，便不会损坏固定相。使用溶剂冲洗色谱柱通常可消除残留并恢复色谱柱的性能。

要避免进入色谱柱的主要化合物是无机酸和碱。酸类包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸和铬酸。碱类包括氢氧化钾、氢氧化钠、和氢氧化铵。大多数这些酸和碱不易挥发，会积聚在色谱柱前端。如果不清除它们，将会损坏固定相。这样会造成色谱柱的过分流失，活性组分形成拖尾，以及/或降低柱效（分离度）。其征兆与热损坏和氧损坏相似。盐酸和氢氧化铵是这一类化合物中危害最小的。这两种物质易溶于样品中的水。如果水不停留或几乎停留在色谱柱中，HCl和NH4OH在色谱柱中的时间就会很短。这就消除或降低了这些化合物所造成损坏的可能性。因此，如果样品中含有HCl或NH4OH，使用不保留水的环境或色谱柱，即可相对减小这些化合物对色谱柱危害。

只有全氟酸是可以损坏固定相的有机化合物。这些示例包括三氟乙酸、五氟丙酸和七氟丁酸。它们需在高浓度（例如1%或更高）时才有破坏作用。大多数问题发生在不分流进样或大口径直接进样的过程中，其中大量的样品会沉积在色谱柱前端。

由于化学损坏多发于色谱柱的前端，因此把色谱柱的前端修整或切割掉1/2-1米通常可以消除所有色谱方面的故障。在更为严重的情况下，可能需要切割掉5米或更长的一段。使用保护柱或保留间隙柱会将对色谱柱的损坏降至最小，但是，需要经常修整保护柱。酸或碱常常会破坏熔融石英管线的脱活表面，从而引起活性化合物的峰形变坏。

色谱柱被污染

在GC分析中色谱柱被污染是很普遍的问题。不幸的是它和各种常见的问题相似，因此常常被错误地判断为其它故障。通常，受到污染的色谱柱虽然没有损坏，但却不能再使用。

有两种基本的污染物：不挥发性污染物和半挥发性污染物。不挥发性污染物或残留物不会洗脱出来，而会积聚在色谱柱内。这样色谱柱即成为涂渍了残留物的色谱柱，因而影响了溶质在溶入固定相和洗出固定相的正确分配。而且残留物还会与活性溶质相互作用，从而引起峰的吸附问题（例如拖尾峰或峰面积变小）。活性溶质是指含有羟基（-OH）或氨基（-NH）以及某些硫醇基（-SH）和醛的物质。积聚在色谱柱内的半挥发性污染物或残留物，最终会被洗脱出去。但需要几个小时甚至几天才能完全从色谱柱中洗脱。与不挥发性残留物一样，它们也会引起峰形和峰面积出现问题，此外，通常还会引起很多基线问题（不稳定、飘移、偏离、鬼峰等）。

污染物的来源很多，其中进样是最主要的来源。萃取自基质复杂的样品。如生理体液和组织、土壤、废水、地下水和类似的基质均含有大量的半挥发性和不挥发性物质。即使采用了仔细并彻底的萃取方法，样品中还是会含有少许这些物质。进行几次直到几百次进样后，积聚的残留会引发问题。进样技术如柱上进样，不分流进样、和大口径直接进样均会将大量样品进到色谱柱中，因此采用这些进样方法常常会造成色谱柱的污染。

有时，污染物来源于气路和捕集阱、密封垫圈和隔垫颗粒中的材料，或任何与样品接触的物质（样品瓶、溶剂、注射器、移液管等）。如果突然出现污染问题，但在几个月或前几年类似的样品均未导致出现任何问题，则说明问题来自于这些种类的污染物。

最大限度地减少半挥发性和不挥发性样品残留是减少污染问题的最佳方法。然而是否存在污染物以及存在哪些污染物通常是不为人知的。严格和彻底的净化样品是防止出现污染问题的最佳方法。使用保护柱或保留间隙柱通常可以减轻色谱柱污染所引发问题的严重程度或推迟这些问题的出现。如果色谱柱已被污染，则最佳方法是使用溶剂冲洗色谱柱以去除污染物。

建议不要使用长时间加热（通常称为烘烤色谱柱）的方法来处理受到污染的色谱柱。因为烘烤色谱柱可能会把某些污染物残留变成不成溶解的物质而无法通过溶剂冲洗将它们从色谱柱中去除。如果出现这种情况，通常就无法再恢复色谱柱了。有时可将色谱柱切割为两段，后半段可能仍可使用。在色谱柱的恒温极限下烘烤色谱柱时，时间应不超过1-2个小时。

用溶剂冲洗色谱柱

用溶剂清洗色谱柱包括将色谱柱从GC上卸下来，并将几毫升溶剂至于色谱柱中。任何可溶于清洗剂的残留物就会从色谱柱中去除。如果未卸下色谱柱就注入大量溶剂，将不能清洗色谱柱，也不能从色谱柱中去除任何污染物。毛细管GC色谱柱必须具有键合和交联的固定相才可以使用溶剂进行清洗。使用溶剂清洗非键合的固定相会严重损坏色谱柱。

可使用色谱柱清洗装置来将溶剂注入色谱柱中，溶剂冲洗装置会连接到有压力的气源（N2或He），并把色谱柱插入到清洗装置中。把溶剂加入样品瓶中，然后使用气源对溶剂瓶回压。压力会强制溶剂流过色谱柱。残留物将溶解到溶剂中，并随溶剂反冲出色谱柱。然后将溶剂吹扫出色谱柱，并对色谱柱进行适当的老化。

清洗色谱柱前，从色谱柱的前端将其切去半米（即靠近进样器的一端）。将色谱柱连接检测器的一端插入清洗装置中。通常使用多种溶剂来清洗色谱柱。后面继续使用的溶剂必须与前面的溶剂互溶。一定不要使用高沸点溶剂，特别是不要用作最后使用的溶剂。溶解样品的溶剂通常是不错的选择。

建议使用甲醇、二氯甲烷和已烷，它们在大多数情况下都不错。可使用丙酮替代二氯甲烷、以避免使用含氯溶剂，但是二氯甲烷是最好的清洗溶剂之一。如果注射的是水性样品（例如生理体液或组织），则请在使用甲以前先使用水来冲洗。某些来自于水性样品残留物只能溶于水中而不溶于有机溶剂。应使用水和醇类（例如甲醇、乙醇和异丙醇）来清洗键合的聚乙二醇基固定相，但一般不建议采用该方法。

表3列出了针对各种直径的色谱柱，建议使用的溶剂的体积。使用大量溶剂虽无害，但效果不会好很多，并且还十分浪费。加入第一种溶剂后，对清洗装置加压，但要低于20psig。使溶剂流速低于1ml/min。除大多数0.53mm内径的色谱柱外，在流速达到1ml/min之前清洗装置的压力将先达到20psi。如果使用的是比重较大或粘度较大的溶剂，或色谱柱长度长或内径小，则需要较长的清洗时间。第一种溶剂全部进入或大部分进入色谱柱中后，加入下一种溶剂。当开始加入第二种溶剂后，上一种溶剂不要完全赶出色谱柱。

最后一种溶剂流出色谱柱后，让加压的气体流入色谱柱5-10分钟，将色谱柱装入进样口，然后通入载气。将载气通入色谱柱5-10分钟。把色谱柱连接到检测器上（或也可以不接检测器）。使用程序升温，从40℃-50℃开始将色谱柱以2-3℃/min的速度达到温度上限。将此温度保持1—4个小时，直至色谱柱完全老化为止。