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實驗室分析方法--氣相色譜進樣方法及原理分析

2022.1.27

一、進樣技術

在使用氣相色譜儀時，進樣技術的選擇與操作對分析結果的準確度和重現性有著直接影確，現就各種不同進樣技術的進樣口、操作參數設置及樣品適用性進行敘述。

氣相色譜進樣技術是一個頗復雜和費思考的事，因為涉及的因素很多。

表1列出了常見的進樣技術、因素及要求

樣品	進樣設備	氣化室情況	載氣情況
氣體	注射器	手動	氣化室氣體或液體樣品被送入氣化室空間	氣化室已加熱，進樣后保持恒溫	分流	經典的
自動
進樣閥	自動	不分流	Crob式的
手動	氣化室為低溫，進樣后程序升溫
氣體量管	手動	經典的
液體	注射器	手動
自動	液體樣品被直接送入色譜柱頭	氣化室已加熱，進化后保持恒溫	不分流	經典的
進樣閥	手動
自動
固體	裂解器	自動	氣化室為低溫進樣后程序升溫
將樣品用溶劑溶解為液體，然后以液體樣品處理

表1? 常見的進樣技術、因素及要求

一、進樣方法

就氣相色譜樣品的狀態而言，氣體、液體和固體都有。氣體和液體樣品可用不同規格的注射器、進樣閥以手動或自動方式進樣。注射器和氣體量管進樣的優點是：進樣量可以改變，操作簡便；缺點是：若非自動進樣，則進樣量難以達到重復。圖16-1是氣體量管進樣裝置。進樣前將樣品從儲氣瓶取入量管中，關閉活塞3，記下量管中樣品讀數，然后旋轉活塞3，用下口瓶把樣品氣壓入色譜柱。關閉活塞3，記下此時量管中樣品讀數，其差值是進樣量。

用進樣閥可獲得重復性頗好的定量結果。氣體樣品可用四通或六通閥手動方式定體積進樣。圖1是用兩個四通閥進樣的示意圖，進樣量管依樣品量大小而定。圖2（a）為取樣位置，此時用樣品氣置換量管中的載氣，使量管完全充滿樣品氣。圖2（b）為進樣位置，此時載氣將樣品氣帶入色譜柱中。圖3是用一個六通閥進樣的示意圖。實線為取樣位置，虛線為進樣位置。用進樣閥的缺點是在置換量管時消耗樣品氣較多，進樣系統耐壓較差。

圖1? 量管進樣裝置

1~4 活塞

圖2? 四通活塞定體積進樣示意圖

（a）取樣位置? （b）進樣位置

圖2（b）進樣位置

圖3? 六通活塞進樣示意圖

圖4? 滑桿閥示意圖

自動的進樣閥頗多，如流程色譜儀有氣動膜式六通閥、六通平面閥、六通滑桿閥等，用于在線周期性、定量取氣體樣品。有短管閥、旋轉閥、滑桿閥等取液體樣品。圖16-4是自動定量進樣滑桿閥的示意圖，當壓縮空氣進入氣室1時，將滑桿右推，完成進樣操作；當壓縮空氣進入氣室2時（同時將氣室1內的氣體放空），使滑桿推向左邊進行取樣操作。滑桿閥進樣重復性良好，最小進樣量為lμL。

固體樣品進樣則是用裂解器將樣品裂解并進樣，或者將樣品溶入溶劑中，如同液體樣品一樣進樣。

液體和固體樣品還可按頂空分析法進樣。

二、氣化方式

樣品必須先完全氣化，然后在氣相色譜柱中進行組分分離。當進樣裝置把樣品送入氣化室的空間或氣化室內色譜柱的頂端（柱頭進樣），此時氣化室可能是已加熱至高溫并保持恒溫；也可能是低溫，樣品進入后才快速程序升溫。一般地說，樣品進入氣化室空間之際，氣化室已經加溫至可完全氣化樣品的溫度。而柱頭進樣時，樣品進入氣化室內柱頭時，氣化室才開始程序升溫，使樣品開始氣化。例如由 Schomburg和Grob提出的冷柱頭進樣，它是一種把樣品直接送到柱子頂端而無隔膜、無分離（直接進樣）和無樣品瞬間激烈蒸發過程的“冷”進樣系統，對寬沸程和熱不穩定化合物均可得到極好的定性和定量結果。

三、進樣方式

氣相色譜分析主要有填充柱進樣和毛細管進樣兩種方式。

1.填充柱進樣

填充柱進樣口是目前最為常用，也是最簡單、最易操作的GC進樣口，該進樣口的作用就是提供一個樣品氣化室，所以氣化的樣品都被載氣帶入色譜柱進行分離。進樣口可連接玻璃或不銹鋼填充柱，進樣口溫度應接近于或略高于樣品中待測高沸點組分的沸點。內徑為2mm左右的填充柱，載氣流速一般為30mL/min（氦氣）。用氫氣作載氣時流速可更高一些，用氮氣時則要稍低一些，實際樣品要依據具體分離情況進行載氣流速的優化。填充柱的柱容量大，進樣量較大。

填充柱進樣口還可連接大口徑毛細管柱直接進樣分析。當使用大口徑毛細管柱時，進樣口溫度一般應高于待測組分沸點10～25℃。從減少初始譜帶寬度的角度看，載氣流量越快越好。但由于填充柱進樣口的載氣控制常常是恒流控制模式，其穩定流速不應低于15mL/min，而這正是大口徑毛細管柱的流量上限。由于大口徑的柱容量小于填充柱，故進樣量較小，進樣速度宜慢一些。

在填充柱分析中，有一些特殊的采樣方法和進樣技術：

（1）加壓進樣技術??在填充柱分析中，有時會出現進樣信號過大而干擾微量氣體組分檢測的現象。進樣信號的產生是由于柱系統壓力與進樣系統壓力過度失衡造成的。為了消除這種現象，可通過加壓進樣裝置，即在進樣系統中安裝一個微量調節閥，通過控制微調閥，使進樣系統壓力與柱系統壓力達到均衡有效地消除了進樣信號對微量氣體組檢測的干擾。

加壓進樣裝置流程如圖5所示。當六通閥處于采樣位置時，通過微量調節閥控制樣品

圖5加壓進樣裝置流程圖

1一定量管；2一轉子流量計；3一精密壓力表；4一微量調節閥（針形閥）；5色譜柱

氣的放空流量使樣品氣系統產生一定壓力，壓力的大小由系統中的精密壓力表測量并參照柱系統柱前壓力進行調節。當進樣系統壓力與柱系統壓力達到平衡時，進樣過程中系統無氣流沖擊，進樣信號即可得到消除。

（2）特殊情況下的樣品采集和進樣

①帶壓液化C₄、C₅烴類的采樣裝置有帶取樣瓶和帶取樣管兩種。取樣瓶是一個小的玻璃瓶，可耐壓0.15～0.2MPa。取樣的關鍵是既不要讓輕組分偏低，也不要讓重組分偏高，因此要求操作敏捷。取樣后，樣品放在冰鹽水浴中保存。分析時用預先被干冰冷卻的注射器抽取樣品，迅速注入色譜儀。后者取樣管是體積2～3mL的耐壓管，取樣時，將管直接接到取樣點的管路上，取樣后移接到氣化裝置上，使其全部氣化，令氣體樣品注入色譜儀。

②密封或氮氣保護取樣注射器玻璃注射器的尾部氣密性較差，當所取樣品不能與空氣接觸時，可在注射器尾部加密封墊，為增加密封性，注射桿上端可稍涂真空潤滑油。當測定溶劑油中溶解氧時，取樣的微量注射器尾部要用氮氣保護。

③C₄、C₅烴類混合氣樣的進樣C4、C3烴類混合氣體最好用六通閥進樣。因為注射器的速度快，樣品在瞬間可能達到露點，使得部分組分液化留在注射器內壁上，影響進樣的準確性，而六通閥進樣則不存在這一問題。用注射器進標樣進行定量分析時，標樣需用空氣或氮氣配制，不要用烴類配制，否則會產生較大誤差。

④負壓系統取氣樣裝置從負壓系統取氣樣，一般取樣量要大，不然轉變為常壓時樣品量太少。要盡量縮短進樣時間，以免不穩定的反應產物發生變化。負壓系統取氣樣的裝置可參看圖6。

圖6負壓系統取氣樣裝置

1一絕對壓力表：2-壓力調節器：3一流速控制器：4一取樣管（100mL）：5閥門:6一六通閥：7一真空泵

2.毛細管進樣

（1）分流/不分流進樣??樣品進樣量若較大，則需要減少其進入色譜柱的量，以免超過色譜柱負荷。可采取的辦法是只容許帶著氣化樣品的載氣一部分進入色譜柱，而將另一部分放空，即將載氣（樣品）進行分流。當然，如果用的是大口徑柱，樣品量不會超過其負荷，就無需分流了。

分流進樣是最經典且至今仍在廣泛應用的一種進樣方式，由 Desty最早提出，分流裝置大多如圖7所示，現在一般都設計為分流/不流兩用形式，關閉放空，就變成不分流進樣方式。

圖7分流/不分流進樣器

1一選樣隔膜：2一隔膜清洗氣針型閥：3-玻璃或石英內襯管；4一分流放空針型間：5玻璃毛細管柱

載氣引入氣化室上端后，一小部分用于隔膜清洗大部分樣品由微量注射器穿過隔膜進入氣化室。氣化室內裝有一玻璃或石英內襯襯管中填充石英或玻璃毛，使樣品的蒸氣和載氣充分混合。此混合氣在進柱前，大部分通過放空法放空，極少部分進入色譜柱，進入的樣品量可按一定的分流比來調節。分流比大都在（1：10）～（1：500）的范圍內調節。對柱長度25m、內徑＜0.3mm、液膜＜1.0m的柱子，常用分流比為（1：30）～（1：120）。

一個性能好的分流進樣器應滿足的基本要求是：在分流進樣器內樣品擴展小；樣品中各組分成線性分流，結果重復性好。

對于一些沸程寬、濃度差別大、化學性能各異的混合樣品，在分流進樣中，由于非線性分流導致定量失真，解決方式有 Bayer Schomburg等提出的柱頭進樣與分流相結合的預柱分流技術；Grob提出的液相分流進樣方法:以及 Schomburg提出的“冷卻針頭”（CNS）分流進樣技術，可供參考。

分流進樣法進樣口溫度應接近或等于樣品中最重組分的沸點，但溫度太高有使樣品組分分解的可能性，對于一個未知的新樣品，可將進樣口溫度設置為300℃進行實驗。

（2）不分流進樣? ?不分流進樣（Grob型或溶劑效應型）是近幾年新出現的一種進樣技術，它在稀溶液的痕量組分分析中頗受歡迎grob不分流進樣主要是基于在進樣時暫時關閉分流閥，使大量溶劑在柱頭冷凝，對溶質起到捕集效應（稱溶劑效應），加上進樣后用干凈載氣流吹洗氣化器等特點，以實現稀溶液的全樣品直接進樣。不分流進樣的特點及使用局限性見表16-2。不分流進樣的操作要點如下：在較低的適當氣化室溫度和柱溫下，于關閉分流閥和清洗氣閥后緩慢地將數微升樣品溶液注入進樣口。待90％～95％以上的樣品蒸氣被載氣轉入柱入口后，重新打開分流閥及墊片清洗閥（清洗閥也可一直呈低流量常開形式），讓載氣吹掃清洗進樣器，然后以等溫或程序升溫方式完成色譜分離，有關操作因素的推薦值見表2。

特點	使用局限性
（1）進樣量大，樣品全部進柱，色譜峰絕對響應值高。特別適于有機溶劑稀釋樣品的直接分析	（1）常量分析樣品（200×10-6以上）應事先用適當溶劑稀釋至10-4～10-5
（2）氣化室溫度較低且不要求動力學分流，故較好地消除了樣品的吸附、分解和失真。適于熱敏感性及極性樣品分析，墊片使用壽命較長	（2）溶劑純度要求高，沸點至少應比最先流出的組分沸點低20℃。溶劑選擇受一定限制
（3）墊片清洗措施消除了因樣品蒸氣的反擴散、吸附和墊片流失所造成的色譜峰拖尾和鬼峰干擾，并可縮短分析時間	（3）出峰位置在溶劑峰前者無法利用溶劑效應
（4）對各組分含量差距不大的多組分混合物，若能用低起始柱溫的程序升溫方式時，也可以采用不分流進樣	（4）分子量高過以下物質的樣品不宜使用:正構烷烴是n-C36；甲酸甲酯類是C30；多環芳烴是六苯并苯
（5）節省樣品，對來之不易和數量有限的樣品更有實際意義	（5）流出較早物質的保留時間重復性較差，其精度決定于進樣量的重復性
（6）結構簡單，易于實現自動化	（6）定量精確度與較多的操作因素有關

表2不分流進樣的特點及使用局限性

注：為控制分析時間，一般在90%~95%樣本進柱后即重開分流閥

操作條件	推薦值	對不分流進樣的影響
柱溫（進樣時）	至少在溶劑沸點以下20℃	影響溶劑效應大小。與溶劑揮發度和進樣量是三個最重要的影響因素
氣化室溫度	200～230℃
溶劑揮發度（沸點）	至少要在沸點最低的樣品組分沸點以下20℃	影響溶劑效應大小。與溶劑揮發度和進樣量是三個最重要的影響因素。揮發性太高使溶質峰變寬，太低則掩蓋早出的峰，且使保留時間增大
進樣量	至少要＞0.5μL，一般1～3μL	影響溶劑效應大小。與溶劑揮發度和進樣量是三個最重要的影響因素，還影響保留時間重復性
進樣時間（即注射針在內襯管的停留時間）	10～20s，一般0.1uL/s	決定進樣速度、樣品停留時間以及有無樣品反沖和失真
不分流時間（從進樣開始到重開分流閥的時間）	30～90s（以90％～95％樣品進柱計）	影響樣品回收率，即影響實際進樣量大小
啟動清洗氣閥時間（從進樣開始計）	30～50s（一般在重開分流閥時啟動，應使吹掃氣總體積＞6倍氣化室體積）	決定溶劑峰有無掩蓋、拖尾和形成鬼峰干擾。影響分析周期
載氣	以氫作載氣最有利	影響樣品轉移速度和不分流時間

表3 操作條件及其推薦值

不分流進樣操作條件的選擇比較復雜，是應用該技術能否成功的關鍵。這里僅就幾個重要問題加以說明，有關細節讀者可參閱有關文獻。

①操作條件及其對不分流進樣的影響? ? ? 操作條件及其對不分流進樣的影響和推薦值列于表3，實際應用中則需根據進樣器和樣品特點通過實驗來確定。

②溶劑及柱溫的選擇? ? 溶劑及柱溫選擇的推薦值見表16-3。溶劑選擇包括溶劑性質（沸點，極性及結構）和用量。在不分流進樣中它們與樣品性質、所用柱型及固定液、柱溫及所要求的溶劑效應大小都有關系。但是對于任何給定的分析，都可以找到具有最佳揮發度的溶劑。

③如何獲得理想的溶劑效應? ?不分流進樣能否成功，關鍵在于能否獲得理想的溶劑效應，即能否于正式色譜分離之前在柱入口處形成合平要求的冷凝溶劑譜帶或溶劑區。溶劑區太小、太薄不行，起不到峰冷聚焦作用，冷凝溶劑區過大也不行，會損害柱膜。因此，所謂操作條件的選擇主要是如何獲得理想溶劑效應的條件選擇。

柱溫、溶劑種類和進樣量是制約溶劑效應的重要因素。柱溫的選定須依據分析樣品、溶劑沸點和固定液性質，表4列出了幾種常用溶劑最佳使用的起始柱溫，一般要求進樣時柱溫至少要比溶劑沸點低20℃，否則會影響最先流出的色譜峰。進樣量一般在0.5～3μL。

溶劑	沸點/°C	建議使用的起始柱溫/°C
二氯甲烷	40	10～30
氯仿	61	25～50
二硫化碳	46	10～35
乙醚	35	10～25
戊烷	36	10～25
己烷	69	40~60
異辛烷	99	70~90

表4? 部分溶劑使用的起始柱溫

不分流進樣器氣化室溫度一般在200～220℃，用H2作載氣在緩慢進樣中（＞30s），分流閥被關閉，呆30～90s，確保90％～95％樣品進入柱子后再打開分流閥，讓最后一部分氣放空，以消除溶劑峰的拖尾干擾。放空閥的開啟時間必須合理掌握，太早或太晚都會影響定量結果和峰形。對于大多數系統，在相當于氣化室體積2倍的載氣體積掃過氣化室后放空，可得滿意結果。

不分流進樣法進樣口溫度的設置可比分流進樣時稍低一些，其下限是能保證待測組分在瞬間不分流時完全氣化。不分流進樣的載氣流速應當高一些，其上限以保證分離度為準。進樣量一般不超過2μL，進樣量大時應選用容積大的襯管。

（3）冷柱頭進樣???冷柱頭進樣就是在適當選擇柱頭溫度（比經典方式低得多）、進樣量和進樣速度的條件下，將液體樣品直接注入到色譜柱的入口，利用程序升溫、冷捕作用和溶劑效應獲得很窄的樣品起始譜帶，這樣可以防止在氣化及樣品從氣化室送到色譜柱的過程中產生偏差。特別適用于寬沸程多組分的分析。因為進樣體積不能太大，所以濃度過高的樣品（如千分之幾以上）需要事先用適當溶劑進行稀釋。柱頭溫度一般要求控制在溶劑沸點左右。與分流進樣和不分流進樣技術相比，冷柱頭進樣的主要優點是能夠更好地消除樣品歧視和分解，能夠提供高柱效和高的定量可靠性。其限制性主要是樣品中的非揮發性組分會污染和沉積在柱頭上，大量溶劑進入色譜柱也有一定的有害影響等。

圖8為G.Schomburg提出的常量型（坩堝法）和微量型MPI（微量移液管法）的冷柱頭進樣系統。該系統除柱溫由柱爐加熱外進樣系統的任何部分都不需要加熱。進樣時，將事先裝好樣品的坩堝或毛細移液管（具有不同容積），可通過傳動桿穿過滑板閥進入色譜流路，并與毛細管入口頭相接觸形成液封。樣品是靠載氣流的壓力被反抽進入色譜柱的。常量型進樣量不小于500nL，重復性約5％；微量型可準確地注入20～50nL樣品。進樣量是靠更換不同容積的坩堝或移液管來調節的。

圖16-9為Grob柱頭進樣系統，是另外一種典型的冷柱頭進樣系統。該系統為使用專用注射器進樣的準壓力密封進樣系統。不進樣時，靠關閉停止閥維持系統密封；進樣時，先把注射器針尖插入進樣通道并停在停止閥上方，然后打開停止閥把注射針繼續向下插到毛細管柱頭的進樣點上，并注射樣品。進樣完畢，待注射器針尖提至停止閥上部，并關閉停止閥后，

圖8毛細管柱柱頭進樣常量和微量型

1一載氣入口；2一載氣出口；3一毛細管柱；4一石墨密封；5一樣品坩堝；6滑板閥；7一柱爐絕緣；8一樣品導入桿；9—微量移液管；10—硅橡膠密封

圖9? ?Grob柱頭進樣系統

1一玻璃毛細管柱；2－石墨密封；3－載氣:4金屬保護坯；5－0.3mm進樣通道；6一錐形口；7一停止閥；8一冷卻銅管，冷空氣進口；9－冷空氣出口

再將注射器針尖全部拔出進樣通道，并開始以程序升溫方式進行分析。進樣時系統的壓力密封，實際上是靠專用注射器（針尖外徑0.2mm，長80mm）的針尖和進樣通道（內徑0.3mm）間的緊密配合實現的。注射點溫度靠同時調節冷卻管溫度和柱爐溫度來實現。該法因樣品大小的計量和調節很方便，所以比 Schomburg法更受歡迎。

（4）大體積進樣???大體積進樣（ Large Volume Injection，LV）技術是基于氣相色譜進樣技術發展起來的一種更有效提高檢測靈敏度的方法。它是一個功能強大、操作靈活的毛細管氣相色譜的進樣系統，不但可以有效提高分析的檢出限，還可以減少樣品的處理量，從而提高分析速度。其原理是利用專用的大體積進樣系統與氣相分離的有機組合，實現比常規氣譜大幾十到幾百倍的進樣量（5～500μL），從而比常規方法提高靈敏度一到兩個數量級；同時減少了分析方法對樣品的歧視效應，擴展了檢測范圍等，該技術適合于對復雜樣品體系及痕量樣品的測定。

大體積進樣是建立在程序升溫氣化（Programmed Temperature Vaporization，PTV）進樣基礎之上實施大體積進樣的一項技術。Vogt等人于1979年第一次公開介紹了該技術，它主要是通過增大進樣量來提高檢測靈敏度的。大體積進樣的方式主要有使用自動進樣器的多次進樣和單次進樣，即一次多量和多次常規量。大體積進樣所用的襯管種類主要有胃袋式襯管、直管型襯管以及帶填充物的襯管。進樣器通常有四種類型，第一種是程序升溫進樣器（簡稱PTV）；第二種是冷柱頭（Cold On-Column）進樣器（簡稱COC）；第三種是柱上進樣器：第四種是胃袋式大體積進樣器。COC進樣技術是用一根長預柱將溶劑和被測物分離，大體積的溶劑注入預柱后，通過控制溶劑排除口將溶劑蒸發，將被測物送入色譜柱，它的缺點是長預柱易造成峰的拓寬，且進樣速度要求較嚴，不易控制。柱上進樣技術結合PTV的優點，將襯管改為空心，避免了吸附作用，但帶來了新問題:不能充分利用原來進樣口的分流/不分流模式，而改為玻璃珠使進樣口和色譜柱分開，玻璃珠易受氣流影響而跳動不穩。K.Grob在發展液相色譜/氣相色譜的聯機分析技術中研究了柱上進樣方式的大體積進樣，但是柱上進樣方式對復雜系統的樣品不甚適用，因為樣品中存在的非揮發性組分會損害色譜分析柱的效能。胃袋式進樣器是由日本雜賀技術研究所研制的，“胃袋式”大體積進樣裝置基于新型“胃袋式”襯管之上，其特點是無需添加填充物，進樣量較大。目前，最常用的大體積進樣方式為程序升溫進樣，大體積程序升溫進樣器對傳統的分流/不分流進樣器進行了改進，增加了樣品的程序升溫控制系統，在較低溫度、大分流比下導入樣品，使樣品中大部分溶劑被吹掃出從而增加了樣品的絕對進樣量，這種進樣器可以接受基質比較復雜的樣品。

目前，氣相色譜中大體積進樣技術的實現是通過先在低溫進樣口將溶劑除去，溶劑排出后，分析物被熱捕集在襯管內，然后再通過進樣口的快速升溫使分析物進入到色譜柱中進行分析，低溫進樣口的程序升溫可以減少進樣口的熱分解并改善峰形和定量結果。大體積進樣的過程主要包括進樣、溶劑排空、樣品經富集進入到色譜柱中進行分析等。樣品進入進樣口后，電磁閥打開，進樣口溫度要低于溶劑沸點的溫度，當樣品沉積在襯管壁或填料時，溶劑蒸氣被吹掃出出口。當溶劑排出結束時，電磁閥關閉，進樣口繼續加熱使樣品轉移至色譜柱內進行分析，見圖10

圖10? 大體積PTV進程原理示意圖

將大體積樣品進樣到氣相色譜儀時，可檢測10^-9級，甚至10^-12級分析物，同時避免耗時的樣品濃縮過程，然而，大量的溶劑可能引起嚴重的帶展寬、峰變形、色譜柱或檢測器損壞因此，在進行大體積進樣時要將溶劑去除掉。在大體積進樣中，能夠實施溶劑吹掃的唯一要求是要保證在溶劑被吹掃出去的同時，被測的分析物仍能保留在襯管中，以實現溶劑和溶質的柱前分離。要達到這一要求，要從排空溫度、分流排空時間、進樣口壓力和排空流量幾個方面對大體積進樣條件進行優化。

在大體積進樣中往往采用了溶劑吹掃技術，其原理如圖11所示，圖中①～④步對應的過程如下：