色譜分析中色譜柱的安裝和維護

張樣盛　肖霏　呂萍

摘要：探討了在環境監測等領域利用氣相色譜分析有機物時，如何正確安裝色譜柱，分析了老化和測試色譜柱、色譜柱性能下降的原因及如何保存色譜柱，結合色譜分析工作的經驗提出了相應解決問題的措施，對色譜分析工作者有一定的借鑒作用。

關鍵詞：氣相色譜；色譜柱；老化；性能

中圖分類號：O657.7

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10008803

1 引言

自1952年馬丁和詹姆斯發明了氣-液色譜方法以來，特別是1957年戈雷發明了開口毛細管柱，使得氣相色譜得到快速發展，經過60多年的發展，氣相色譜法在環境科學研究、環境監測等領域的應用日益廣泛，已成為環境污染物分析的兩大支柱之一[1，2]。在《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）109項因子中59項用氣相色譜法分析[3]，大氣有機污染物、土壤中有機污染物大部分也為氣相色譜法分析，而氣相色譜最關鍵部分為分離系統，為此，探討在分析時如何正確安裝色譜柱和維護色譜，確保氣相色譜的最佳性能，最高效率和最長的柱壽命具有重要意義。

2 色譜柱的正確安裝

2.1 安裝前準備

（1） 及時更換氧氣、水汽和烴捕集阱， 清洗進樣口，并根據需要更換進樣口密封墊、進樣口襯管以及隔墊，及時更換檢測器密封圈，清潔或者必要時更換檢測器噴嘴。

（2） 仔細觀察色譜柱是否有損壞或破損。

（3） 確認高壓氣瓶的輸出壓力以確保載氣、尾吹氣和燃氣的充足供應，載氣純度最低要求為：氦氣大于99.995% 或氫氣大于99.995%，水汽小于1×10-6 ，氧氣小于0.5×10-6；

（4） 準備好必要的安裝工具：如色譜柱切割器、一些柱螺母、柱螺母扳手、密封墊圈、放大鏡和打字機修正液。

2.2 安裝色譜柱

（1）從色譜柱架上將色譜柱的兩端松開約0.5 m（1 圈約0.5 m）的管線，以便裝入進樣口和檢測器。安裝時避免小角度折彎柱管，以防斷裂。

（2） 帶上不脫毛手套，將色譜柱裝到柱溫箱里（可以使用柱架），在色譜柱兩端安裝色譜柱螺母和石墨/Vespel 或石墨密封墊圈；將螺母和密封墊圈推到柱管端口下方約15 cm 的位置，于距色譜柱兩端各約4～5 cm 處輕劃色譜柱，用大拇指和食指在靠近劃痕處捏緊色譜柱，輕輕拉動和彎曲色譜柱，將色譜柱折斷，得到端口一定要整潔。

（3） 用放大鏡檢查色譜柱切口，確保毛細管橫向切口是規整的，管端沒有聚酰亞胺或者“玻璃”碎片。

（4） 將色譜柱安裝到進樣口，查看色譜儀的操作手冊，以確定色譜柱在所用進樣口類型要插入的深度，將色譜柱螺母和密封墊圈滑到合適的深度，然后用打字機修正液在色譜柱螺母的剛好下方作標記或用硅橡膠墊固定，揮干修改液，將色譜柱插入進樣器，用手指擰緊色譜柱螺母，直到它固定住色譜柱，然后在擰緊螺母1/4 ～1/2 圈，保證施加一定的壓力時色譜柱不會從接頭處滑出。

（5） 打開載氣并設定合適的流速或適當的柱頭壓力、分流流量和隔墊吹掃流量，確認通過色譜柱的載氣流速和相關表觀柱頭壓力，也可將色譜柱出口一端浸入盛有溶劑的小瓶中，觀察產生的氣泡，確認是否有氣體流過色譜組。

（6） 將色譜柱安裝到檢測器。查看色譜儀的操作手冊，確保色譜柱正確的插入距離。

（7） 檢漏。

（8） 設定合適的進樣器和檢測器溫度，檢測器尾吹氣和氣體流量，然后點燃或“打開”檢測器。

（9） 在室溫下吹掃色譜柱至少10 min后，注入不保留樣品進樣，以檢驗色譜柱安裝是否正確。例如：丁烷或甲烷（FID），乙腈頂空蒸汽（NPD），二氯甲烷頂空蒸汽（ECD），空氣（TCD），氬氣（質譜）。如果出現對稱非保留峰，就說明安裝正確，如果峰拖尾，應重新將色譜柱安裝入進樣口。

2.3 老化和測試色譜柱

（1） 將柱箱溫度設定為最高分析溫度以上20 ℃ 或者色譜柱的最高使用溫度（以低者為準）老化2 h。

（2） 如果使用的是Vespel 或石墨/Vespel 密封墊圈，則需在老化過程完成后重新檢查色譜柱螺母的緊密性。

（3） 通過再次進樣非保留物質，來確認最終適合的平均線速度。

3 色譜柱性能下降的原因及解決措施

3.1 色譜柱斷裂

色譜柱很少發生自然斷裂，聚酰亞胺涂層對易斷而具有彈性的熔融石英管起保護作用，但當聚酰亞胺涂層有被劃掉或磨損的地方（脆弱點），熔融石英色譜柱就容易在此處折斷，例如在柱溫箱中持續的加熱或冷卻，風扇的振動，以及纏繞在圓形柱架上都會給柱管施加應力，最終導致其在薄弱的位點斷裂，同時，相較于小內徑（0.18～0.32 mm）的柱管，大內徑（0.45～0.53 mm）的柱管的色譜柱更容易發生斷裂，要更加小心和預防斷裂問題，但斷裂的色譜柱并不總是不能使用，斷裂色譜柱的后半部分在高溫下暴露于氧氣中固定相會很快損壞，而前半部分因有載氣不斷通過仍會保持完好，如果斷裂的色譜柱沒有被加熱，或者只在很短的時間內暴露于高溫或氧氣，那么，后半部分色譜柱將不會發生嚴重的損壞，可以通過安裝接頭來修復斷裂的色譜柱。

3.2 熱損壞

實際分析時，超過色譜柱使用溫度上限操作會加速固定相和柱管內表面的損壞，會造成固定相過度流失、活性化合物的峰拖尾和/或柱效（分離度）降低，但熱損壞是一個緩慢的過程，在使用溫度上限以上操作較長的時間才能發生明顯的損壞，將柱溫箱溫度最大值設定為色譜柱的使用溫度上限可以有效防止色譜柱熱損壞，即使色譜柱發生了熱損壞，也可能可以使用，從檢測器端拆下色譜柱，在色譜柱使用溫度上限恒溫加熱8～16 h，從色譜柱的檢測器一端截去10～15 cm，重新安裝色譜柱并按正常情況進行老化，一般情況下不能完全恢復原來的性能，仍可以使用，但使用壽命將縮短。

3.3 氧損壞

氧氣對于大多數毛細管色譜柱來說，是一種有害物，雖然在室溫條件下，氧氣不損害色譜柱，但隨著溫度升高，色譜柱將會發生嚴重的損壞。一般來說，對于極性固定相，造成色譜柱嚴重損害的溫度和氧氣濃度都較低，在有氧情況下，隨著色譜柱加熱，固定相會發生很快的降解，造成過多的柱流失、活性化合物的峰拖尾和/或柱效（分離度）損失，導致色譜柱過早地損壞。在損壞不太嚴重的情況下，色譜柱仍可以使用，但柱性能有所降低，在損壞較嚴重的情況下，色譜柱將完全不能使用。因此，采取對氣體管線和壓力表定期檢漏、定期更換隔墊、使用高質量的載氣、安裝和更換氧氣捕集阱，以及在載氣完全用完之前就更換鋼瓶等維護措施來保持色譜系統無氧和無泄漏是非常有必要的。

3.4 化學損壞

在日常分析時，有少數幾種化合物能夠損害固定相，主要是無機礦物堿和礦物酸。酸包括鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸和鉻酸。堿包括氫氧化鉀、氫氧化鈉和氫氧化銨。這些酸堿大多數揮發性不高，容易于色譜柱前端聚集，如果不清除它們，會造成過多的柱流失、活性化合物的峰拖尾和/或柱效（分離度）降低，導致色譜柱過早損壞，現象與熱損壞和氧氣損壞很類似，同時酸堿經常會損害脫活的熔融石英柱表面，引起活性化合物的峰形發生變化。由于化學損害通常局限于色譜柱前端，所以從色譜柱端口開始修剪或切割掉0.5～1m（嚴重時截去5 m），便可消除所有色譜問題。

3.5 色譜柱被污染

色譜柱污染是氣相色譜分析中最常見的問題之一，因它與其他常見的問題相似而被誤診為其他故障。色譜柱污染物一般有非揮發物和半揮發物兩種[4]，非揮發污染物或殘留不能被洗脫并積聚在色譜柱中覆蓋在色譜柱內表面，干擾溶質在進出固定相時的分配，并且還會與活性溶質（含一個羥基或氨基基團，以及一些含巰基和醛基的化合物）相互作用，造成峰拖尾和響應值下降；半揮發性污染物或殘留物也會于色譜柱中積聚，它們最終會流出，但完全離開色譜柱可能需要數小時到幾天，也會造成峰形及其響應強度的問題，還經常會導致基線不穩定、波動、漂移和鬼峰等。這兩種污染的來源多來自所分析的樣品，如生物體液和組織、土壤、廢水和地下水，以及類似基質的樣品，都含有了大量的半揮發和不揮發成分。污染物偶爾也來自氣體管線和捕集阱中的材料、密封墊和隔墊的顆粒物，或者與樣品接觸的任何部件（樣品瓶、溶劑、進樣針、滴管等），使用保護柱或者保留間隙管通常可以降低污染的嚴重性或延遲柱污染導致問題的發生。色譜柱一旦被污染了，最好使用溶劑沖洗以去除污染物，不要使用長時間烘烤（時間應限制在1～2 h）色譜柱的方法來處理，因為烘烤色譜柱可能會使一些污染殘留物轉化為不溶性物質，從而不能被溶劑沖洗出色譜柱，導致色譜柱無法再修復了。

3.6 色譜柱的清洗

色譜柱必須具有鍵合和交聯的固定相，才能用溶劑沖洗，用溶劑沖洗非鍵合的固定相會造成色譜柱的嚴重損壞。沖洗時將色譜柱從氣相色譜儀上拆下，從柱前端（即進樣口一端）截去0.5m，使用色譜柱沖洗裝置將溶劑注入色譜柱，同時將色譜柱連接檢測器的一端插入沖洗裝置中，然后連接到加壓氣源上（N2或He），再將溶劑加入到樣品瓶中，然后使用氣源對樣品瓶加壓，推動溶劑流過色譜柱，殘留污染物便可溶解到溶劑中，并隨溶劑被反向沖出色譜柱，可溶解于沖洗溶劑的殘留物都會被沖洗出色譜柱。然后將溶劑吹掃出色譜柱，當最后的溶劑離開色譜柱后，繼續保持加壓氣體流過色譜柱5～10 mim。然后將色譜柱安裝到進樣器上，并打開載氣，讓載氣通過色譜柱5～10 min后進行程序升溫，從40～50 ℃ 開始，升溫速率2～3 ℃/min，直到達到色譜柱的使用溫度上限，在此溫度下保持1～4 h，直到色譜柱完全老化好。

通常可以使用多種溶劑清洗色譜柱，但每一種后續溶劑必須與前一種溶劑互溶，但最后一種清洗溶劑應避免使用高沸點溶劑。使用樣品基質溶劑是非常好的選擇，例如甲醇、二氯甲烷和己烷[5]。

3.7 色譜柱的保存

從氣相色譜儀柱溫箱上卸下的毛細管色譜柱應保存在其原包裝盒中。在色譜柱兩端各置一個密封隔墊，防止碎屑和氧氣進入色譜柱管。重新安裝色譜柱時，色譜柱兩端要截去2～4 cm，確保隔墊碎屑不會堵塞色譜柱。如果色譜柱留在加熱的氣相色譜儀中，須保證載氣流持續通過。只有柱溫箱、進樣器、檢測器和傳輸管線都關閉（即不進行加熱）后，柱溫箱回到室溫，進樣器、檢測器在100℃以下才可以關閉載氣。

4 結語

在環境監測等領域，利用氣相色譜分析有機物時，做到以下4點便可延長色譜儀連續操作時間、減少停機時間、獲得實驗室所要求的重現性結果，確保氣相色譜的最佳性能、最高效率和最長的柱壽命。

①正確安裝每支毛細管色譜柱；

②正確老化和測試新的色譜柱；

③減少和避免由熱損壞、氧化損壞及其他因素引起的色譜柱性能降低；

④查明和解決常見的色譜柱問題。

參考文獻：

[1]

王永華. 氣相色譜分析應用[M]. 北京： 科學出版社， 2006：21～26， 50.

[2]傅若農. 近年國內外毛細管氣相色譜柱的進展和趨向[J]. 分析試驗室， 2009， 28（3）： 103～122.

[3]中國環境保護部.地表水環境質量標準：GB 3838-2002[S].北京：中國環境保護部，2002.

[4]丁軍凱， 李柏林. 毛細管氣相色譜柱的保養與維護[J]. 刑事技術， 2001（5）：37～40.

[5]王 波. 毛細管氣相色譜柱的使用及常見故障分析[J]. 現代儀器， 2008（5）：57～58，73.