色谱分析中色谱柱的安装和维护

摘要：探讨了在环境监测等领域利用气相色谱分析有机物时，如何正确安装色谱柱，分析了老化和测试色谱柱、色谱柱性能下降的原因及如何保存色谱柱，结合色谱分析工作的经验提出了相应解决问题的措施，对色谱分析工作者有一定的借鉴作用。

关键词：气相色谱；色谱柱；老化；性能

中图分类号：O657.7

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10008803

1 引言

自1952年马丁和詹姆斯发明了气-液色谱方法以来，特别是1957年戈雷发明了开口毛细管柱，使得气相色谱得到快速发展，经过60多年的发展，气相色谱法在环境科学研究、环境监测等领域的应用日益广泛，已成为环境污染物分析的两大支柱之一[1，2]。在《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）109项因子中59项用气相色谱法分析[3]，大气有机污染物、土壤中有机污染物大部分也为气相色谱法分析，而气相色谱最关键部分为分离系统，为此，探讨在分析时如何正确安装色谱柱和维护色谱，确保气相色谱的最佳性能，最高效率和最长的柱寿命具有重要意义。

2 色谱柱的正确安装

2.1 安装前准备

（1） 及时更换氧气、水汽和烃捕集阱， 清洗进样口，并根据需要更换进样口密封垫、进样口衬管以及隔垫，及时更换检测器密封圈，清洁或者必要时更换检测器喷嘴。

（2） 仔细观察色谱柱是否有损坏或破损。

（3） 确认高压气瓶的输出压力以确保载气、尾吹气和燃气的充足供应，载气纯度最低要求为：氦气大于99.995% 或氢气大于99.995%，水汽小于1×10-6 ，氧气小于0.5×10-6；

（4） 准备好必要的安装工具：如色谱柱切割器、一些柱螺母、柱螺母扳手、密封垫圈、放大镜和打字机修正液。

2.2 安装色谱柱

（1）从色谱柱架上将色谱柱的两端松开约0.5 m（1 圈约0.5 m）的管线，以便装入进样口和检测器。安装时避免小角度折弯柱管，以防断裂。

（2） 带上不脱毛手套，将色谱柱装到柱温箱里（可以使用柱架），在色谱柱两端安装色谱柱螺母和石墨/Vespel 或石墨密封垫圈；将螺母和密封垫圈推到柱管端口下方约15 cm 的位置，于距色谱柱两端各约4～5 cm 处轻划色谱柱，用大拇指和食指在靠近划痕处捏紧色谱柱，轻轻拉动和弯曲色谱柱，将色谱柱折断，得到端口一定要整洁。

（3） 用放大镜检查色谱柱切口，确保毛细管横向切口是规整的，管端没有聚酰亚胺或者“玻璃”碎片。

（4） 将色谱柱安装到进样口，查看色谱仪的操作手册，以确定色谱柱在所用进样口类型要插入的深度，将色谱柱螺母和密封垫圈滑到合适的深度，然后用打字机修正液在色谱柱螺母的刚好下方作标记或用硅橡胶垫固定，挥干修改液，将色谱柱插入进样器，用手指拧紧色谱柱螺母，直到它固定住色谱柱，然后在拧紧螺母1/4 ～1/2 圈，保证施加一定的压力时色谱柱不会从接头处滑出。

（5） 打开载气并设定合适的流速或适当的柱头压力、分流流量和隔垫吹扫流量，确认通过色谱柱的载气流速和相关表观柱头压力，也可将色谱柱出口一端浸入盛有溶剂的小瓶中，观察产生的气泡，确认是否有气体流过色谱组。

（6） 将色谱柱安装到检测器。查看色谱仪的操作手册，确保色谱柱正确的插入距离。

（7） 检漏。

（8） 设定合适的进样器和检测器温度，检测器尾吹气和气体流量，然后点燃或“打开”z测器。

（9） 在室温下吹扫色谱柱至少10 min后，注入不保留样品进样，以检验色谱柱安装是否正确。例如：丁烷或甲烷（FID），乙腈顶空蒸汽（NPD），二氯甲烷顶空蒸汽（ECD），空气（TCD），氩气（质谱）。如果出现对称非保留峰，就说明安装正确，如果峰拖尾，应重新将色谱柱安装入进样口。

2.3 老化和测试色谱柱

（1） 将柱箱温度设定为最高分析温度以上20 ℃ 或者色谱柱的最高使用温度（以低者为准）老化2 h。

（2） 如果使用的是Vespel 或石墨/Vespel 密封垫圈，则需在老化过程完成后重新检查色谱柱螺母的紧密性。

（3） 通过再次进样非保留物质，来确认最终适合的平均线速度。

3 色谱柱性能下降的原因及解决措施

3.1 色谱柱断裂

色谱柱很少发生自然断裂，聚酰亚胺涂层对易断而具有弹性的熔融石英管起保护作用，但当聚酰亚胺涂层有被划掉或磨损的地方（脆弱点），熔融石英色谱柱就容易在此处折断，例如在柱温箱中持续的加热或冷却，风扇的振动，以及缠绕在圆形柱架上都会给柱管施加应力，最终导致其在薄弱的位点断裂，同时，相较于小内径（0.18～0.32 mm）的柱管，大内径（0.45～0.53 mm）的柱管的色谱柱更容易发生断裂，要更加小心和预防断裂问题，但断裂的色谱柱并不总是不能使用，断裂色谱柱的后半部分在高温下暴露于氧气中固定相会很快损坏，而前半部分因有载气不断通过仍会保持完好，如果断裂的色谱柱没有被加热，或者只在很短的时间内暴露于高温或氧气，那么，后半部分色谱柱将不会发生严重的损坏，可以通过安装接头来修复断裂的色谱柱。

3.2 热损坏

实际分析时，超过色谱柱使用温度上限操作会加速固定相和柱管内表面的损坏，会造成固定相过度流失、活性化合物的峰拖尾和/或柱效（分离度）降低，但热损坏是一个缓慢的过程，在使用温度上限以上操作较长的时间才能发生明显的损坏，将柱温箱温度最大值设定为色谱柱的使用温度上限可以有效防止色谱柱热损坏，即使色谱柱发生了热损坏，也可能可以使用，从检测器端拆下色谱柱，在色谱柱使用温度上限恒温加热8～16 h，从色谱柱的检测器一端截去10～15 cm，重新安装色谱柱并按正常情况进行老化，一般情况下不能完全恢复原来的性能，仍可以使用，但使用寿命将缩短。

3.3 氧损坏

氧气对于大多数毛细管色谱柱来说，是一种有害物，虽然在室温条件下，氧气不损害色谱柱，但随着温度升高，色谱柱将会发生严重的损坏。一般来说，对于极性固定相，造成色谱柱严重损害的温度和氧气浓度都较低，在有氧情况下，随着色谱柱加热，固定相会发生很快的降解，造成过多的柱流失、活性化合物的峰拖尾和/或柱效（分离度）损失，导致色谱柱过早地损坏。在损坏不太严重的情况下，色谱柱仍可以使用，但柱性能有所降低，在损坏较严重的情况下，色谱柱将完全不能使用。因此，采取对气体管线和压力表定期检漏、定期更换隔垫、使用高质量的载气、安装和更换氧气捕集阱，以及在载气完全用完之前就更换钢瓶等维护措施来保持色谱系统无氧和无泄漏是非常有必要的。

3.4 化学损坏

在日常分析时，有少数几种化合物能够损害固定相，主要是无机矿物碱和矿物酸。酸包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸和铬酸。碱包括氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化铵。这些酸碱大多数挥发性不高，容易于色谱柱前端聚集，如果不清除它们，会造成过多的柱流失、活性化合物的峰拖尾和/或柱效（分离度）降低，导致色谱柱过早损坏，现象与热损坏和氧气损坏很类似，同时酸碱经常会损害脱活的熔融石英柱表面，引起活性化合物的峰形发生变化。由于化学损害通常局限于色谱柱前端，所以从色谱柱端口开始修剪或切割掉0.5～1m（严重时截去5 m），便可消除所有色谱问题。

3.5 色谱柱被污染

色谱柱污染是气相色谱分析中最常见的问题之一，因它与其他常见的问题相似而被误诊为其他故障。色谱柱污染物一般有非挥发物和半挥发物两种[4]，非挥发污染物或残留不能被洗脱并积聚在色谱柱中覆盖在色谱柱内表面，干扰溶质在进出固定相时的分配，并且还会与活性溶质（含一个羟基或氨基基团，以及一些含巯基和醛基的化合物）相互作用，造成峰拖尾和响应值下降；半挥发性污染物或残留物也会于色谱柱中积聚，它们最终会流出，但完全离开色谱柱可能需要数小时到几天，也会造成峰形及其响应强度的问题，还经常会导致基线不稳定、波动、漂移和鬼峰等。这两种污染的来源多来自所分析的样品，如生物体液和组织、土壤、废水和地下水，以及类似基质的样品，都含有了大量的半挥发和不挥发成分。污染物偶尔也来自气体管线和捕集阱中的材料、密封垫和隔垫的颗粒物，或者与样品接触的任何部件（样品瓶、溶剂、进样针、滴管等），使用保护柱或者保留间隙管通常可以降低污染的严重性或延迟柱污染导致问题的发生。色谱柱一旦被污染了，最好使用溶剂冲洗以去除污染物，不要使用长时间烘烤（时间应限制在1～2 h）色谱柱的方法来处理，因为烘烤色谱柱可能会使一些污染残留物转化为不溶性物质，从而不能被溶剂冲洗出色谱柱，导致色谱柱无法再修复了。

3.6 色谱柱的清洗

色谱柱必须具有键合和交联的固定相，才能用溶剂冲洗，用溶剂冲洗非键合的固定相会造成色谱柱的严重损坏。冲洗时将色谱柱从气相色谱仪上拆下，从柱前端（即进样口一端）截去0.5m，使用色谱柱冲洗装置将溶剂注入色谱柱，同时将色谱柱连接检测器的一端插入冲洗装置中，然后连接到加压气源上（N2或He），再将溶剂加入到样品瓶中，然后使用气源对样品瓶加压，推动溶剂流过色谱柱，残留污染物便可溶解到溶剂中，并随溶剂被反向冲出色谱柱，可溶解于冲洗溶剂的残留物都会被冲洗出色谱柱。然后将溶剂吹扫出色谱柱，当最后的溶剂离开色谱柱后，继续保持加压气体流过色谱柱5～10 mim。然后将色谱柱安装到进样器上，并打开载气，让载气通过色谱柱5～10 min后进行程序升温，从40～50 ℃ 开始，升温速率2～3 ℃/min，直到达到色V柱的使用温度上限，在此温度下保持1～4 h，直到色谱柱完全老化好。

通常可以使用多种溶剂清洗色谱柱，但每一种后续溶剂必须与前一种溶剂互溶，但最后一种清洗溶剂应避免使用高沸点溶剂。使用样品基质溶剂是非常好的选择，例如甲醇、二氯甲烷和己烷[5]。

3.7 色谱柱的保存

从气相色谱仪柱温箱上卸下的毛细管色谱柱应保存在其原包装盒中。在色谱柱两端各置一个密封隔垫，防止碎屑和氧气进入色谱柱管。重新安装色谱柱时，色谱柱两端要截去2～4 cm，确保隔垫碎屑不会堵塞色谱柱。如果色谱柱留在加热的气相色谱仪中，须保证载气流持续通过。只有柱温箱、进样器、检测器和传输管线都关闭（即不进行加热）后，柱温箱回到室温，进样器、检测器在100℃以下才可以关闭载气。

4 结语

在环境监测等领域，利用气相色谱分析有机物时，做到以下4点便可延长色谱仪连续操作时间、减少停机时间、获得实验室所要求的重现性结果，确保气相色谱的最佳性能、最高效率和最长的柱寿命。

①正确安装每支毛细管色谱柱；

②正确老化和测试新的色谱柱；

③减少和避免由热损坏、氧化损坏及其他因素引起的色谱柱性能降低；

④查明和解决常见的色谱柱问题。

参考文献：

[1]

王永华. 气相色谱分析应用[M]. 北京： 科学出版社， 2006：21～26， 50.

[2]傅若农. 近年国内外毛细管气相色谱柱的进展和趋向[J]. 分析试验室， 2009， 28（3）： 103～122.

[3]中国环境保护部.地表水环境质量标准：GB 3838-2002[S].北京：中国环境保护部，2002.

[4]丁军凯， 李柏林. 毛细管气相色谱柱的保养与维护[J]. 刑事技术， 2001（5）：37～40.

[5]王 波. 毛细管气相色谱柱的使用及常见故障分析[J]. 现代仪器， 2008（5）：57～58，73.