气相色谱柱老化的目的及如何老化气相色谱柱

2020-08-19 09:27:08

在气相色谱分析中,色谱柱的老化是非常重要和常见的操作,色谱柱老化又称之为“色谱柱活化”或者“烧柱子”、“烤柱子”。色谱柱供应商和仪器厂家均建议对新的色谱柱、长期放置未使用又重新启用的色谱柱、长期使用的色谱柱和进行复杂基质或者大量样品分析的色谱柱进行老化。

 

1 色谱柱老化的目的和效果

1.1 色谱柱老化的目的和作用

色谱柱的老化具有多个方面的作用,对于新的色谱柱,通过色谱柱的老化,可以除去柱内残留的溶剂、键合或者涂布不够稳定的固定相/液,让新柱子性能更稳定;对于长期放置未使用又重新启用的色谱柱,通过色谱柱的老化,可以排除由于长期放置进入色谱柱内的氧气、水等物质,使色谱柱性能恢复最佳;对于长期使用的色谱柱和进行复杂基质或者大量样品分析的色谱柱,通过色谱柱的老化,一方面可以排除频繁使用造成的高沸点杂质残留,另一方面可以通过固定相的热胀冷缩,重新覆盖住色谱柱内壁上部分由于固定相流失造成的活性位点(注:色谱柱长期在高温下使用,由于高温、微量水的水解作用、微量氧气的氧化作用,会诱发固定相破坏和缓慢流失,导致毛细管柱内壁活性基团——硅羟基暴露,暴露的硅羟基吸附样品可能导致色谱峰拖尾,分叉和基线噪声变大等问题)。

简而言之,气相色谱柱老化是指色谱柱在通载气情况下进行高温烘烤,借以用载气带出污染物和恢复色谱柱性能的过程。

 下图展示了某厂家的新色谱柱(填充柱)使用前进行老化的谱图监控:

上海灵华气相色谱仪

上图的新填充柱在高温老化时候,出现了连出大峰的状况;经过约120min的老化,基线逐渐平稳,基线噪声变小。一般而言,色谱柱厂家在装填色谱柱(填充柱)之后会进行过夜老化(4h-8h),将色谱柱内的残存溶剂、低分子量固定液以及低沸点杂质除去,使固定液在载体表面涂渍的更均匀牢固。但实际情况可能有所出入,因此在使用前一定要再进行一次老化。

 下图展示了毛细管色谱柱长期使用后,空白运行有杂峰的情况,此种情况下需要对色谱柱进行老化。

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因此,如果色谱柱老化不及时,会为分析造成很多影响,包括鬼峰(可能和目标物重合或者干扰目标物,影响分离度、重复性峰面积和保留时间重复性及检测结果准确性)、色谱峰拖尾和展宽、基线噪声变大甚至不出峰等。在分析中,为了避免以上问题,应当及时对色谱柱进行老化。

1.2 什么时候进行色谱柱的老化

色谱柱是否需要进行老化,一般从四个方面来进行判断。

首先,做好色谱柱的日常维护。应当根据样品量和色谱柱使用情况制定色谱柱的老化计划,包括固定数目/批次的样品之后进行老化或者每周、每月甚至每季度的固定时间进行老化。日常维护最好结合进样口进样垫、衬管的维护和更换同步进行。

其次,考虑色谱柱的使用情况。当使用新的色谱柱,或者色谱柱长期放置未使用又重新启用的时候,需要对色谱柱进行老化。

再者,考虑样品的情况。如果样品基质较为简单(如白酒、饮用水等),或者使用热解吸装置、顶空进样或者吹扫捕集进样,不需要频繁老化色谱柱;如果色谱柱基质比较复杂(如高沸点物质、农残提取液、土壤半挥发性有机物萃取液),或者含有对色谱柱固定相有破坏的物质(有机酸、碱)等,或者直接分析水样等,则需要适当增加老化频率。

最后,需要根据实验现象进行判定。比如运行仪器空白出现杂峰、柱效和分离度下降、拖尾等,则需要判断是否是进样口的问题之后,对色谱柱进行老化。

 

1.3 什么情况可以判定色谱柱老化合格?

1.3.1 色谱柱接在检测器上进行老化

在进行色谱柱的老化时,如果色谱柱接在检测器上(如FID),可以通过对检测器基线进行监控来判断是否还有杂峰,如果没有杂峰可以认为老化合适。下图为某厂家OV-101填充柱老化过程的谱图监控:

上海灵华气相色谱仪

1.3.2 色谱柱未接检测器上进行老化

如果老化时色谱柱没有接在检测器上,老化完毕后,请正常安装和使用色谱柱(即将色谱柱正常连接在进样口和检测器上),之后运行一个程序升温仪器空白,通过判断是否有杂峰来判断老化是否合适。之所以运行程序升温空白的原因在于,同样的色谱柱在恒温时可能没有杂峰,但是程序升温却会产生杂峰。下图为PLOT Q毛细管色谱柱老化后运行仪器空白:

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毛细管色谱柱老化后最好进行一个程序升温空白进行检查。需要注意的是,在进行程序升温空白时候,色谱柱的基线抬升是正常现象。


2 老化之前的准备

在进行色谱柱老化之前,建议先做一些准备工作,避免仪器系统的污染(如进样口污染、载气不纯等)对色谱柱造成二次污染,导致老化效果不佳。

 2.1 常规维护

老化之前的常规维护准备内容主要包括以下内容:(1)开启钢瓶,观察钢瓶载气等压力是否足够;(2)如果使用氢气发生器,检查氢气发生器的液位是否在要求之内(即使老化色谱柱时色谱柱不接在如FID等检测器上——即不开启和不使用检测器,也应该及时观察液位);(3)检查气体净化装置是否需要更换(包括发生器自带的净化装置及管路安装另行安装的净化装置);(4)检查进样口的进样垫和衬管、O型圈等是否需要更换;(5)做好仪器使用记录,包括使用人、使用日期、用途,钢瓶压力记录和钢瓶更换记录,仪器维护记录(如进样垫和衬管更换记录)等。

仪器在长期使用过程中,毛细柱进样口的衬管中可能积聚大量的污染物、进样垫碎屑等;O型圈老化变形后也会持续散发污染物,老化之前应当及时更换相关耗材,避免在老化色谱柱时污染物进入到色谱柱中,却不能完全排出色谱柱,从而对色谱柱造成二次污染。如果是填充柱,主要是用溶剂超声清洗一下填充柱进样口用以安装填充柱的适配器并烘干。

气源的纯度保证、气体净化装置的及时更换可以除去气源中的污染物以及水、微量氧等,延长色谱柱寿命,因此也应当及时更换。


2.2 正确维护待老化的色谱柱

对于分析了基质比较复杂样品(如高沸点物质、农残提取液、土壤半挥发性有机物萃取液)的毛细管色谱柱,会有大量的污染物聚集在柱头,对于该种情况下的色谱柱,老化之前应适当截取一段色谱柱的柱头(当截取长度较长时候,如果使用带有EPC的仪器,请注意更改软件中色谱柱长度的设置);另外,对于新的色谱柱或者长期放置未使用又重新启用的色谱柱,平时保存时候会使用橡胶密封垫封闭两端,老化之前也应当截取一段柱头,避免橡胶碎屑残留柱头。

如果使用的是填充柱,不能进行截取柱头的操作,老化前最好通过镊子或者细铁丝将柱头的污染物碎屑取出;必要情况下更换柱头的铁丝网或者石英棉也可。


2.3 正确进行色谱柱的安装

由于色谱柱老化后一般会直接进行样品分析,所以老化时请正确安装色谱柱(填充柱或者毛细管色谱柱)。对于各个厂家的仪器,毛细柱的安装长度都是有严格要求的,一方面,毛细柱安装长度的改变,将影响气相色谱分析的重复性;另外一方面,毛细柱安装位置不正确,会导致灵敏度严重下降,甚至于待检物质不出峰。同时,毛细管色谱柱的安装力度也应当符合要求,避免柱螺帽拧的过紧致使色谱柱断裂,导致老化时色谱柱中无载气,造成色谱柱的不可逆热损坏。

因此,安装完毕、老化之前,应当及时检漏,最好将色谱柱尾端置于酒精中观察是否有气泡,用以检查色谱柱中间是否断裂、安装是否牢固等。

除此之外,如果是老化毛细管色谱柱,请将色谱柱正确固定在色谱柱支架上,不要将色谱柱或者色谱柱尾端随意放置于柱箱内部。高温老化及升降温过程中,柱温箱内壁温度和柱温箱内温度可能存在差异,紧贴内壁有可能造成色谱柱固定相损坏。


2.4 确定老化色谱柱时是否连接检测器

从避免污染的角度来说,色谱柱进行老化的时候,最好不要连接检测器。如果不连接检测器,通用的操作是将检测器下端使用死堵(或者实心压环、或者穿入实心铁丝的常规石墨压环)堵死,并关闭温度。细节上而言,如果是FID检测器,不用点火,也不用开氢气和空气;如果是ECD检测器,请设定尾吹气,保证柱温箱高温时,即使传导热量和温度给ECD,也能保证ECD内部放射源的安全。特别强调的是,不要使用氢气老化色谱柱,以免氢气在柱温箱内部聚集,可能会有爆炸危险。

如果色谱柱进行老化的时候连接检测器,请正常打开和使用检测器,检测器温度至少不低于色谱柱老化的最高温度,能高20℃左右最好。如FID可以点火监控基线等。

 

2.5 识别色谱柱最高使用温度与老化温度

识别色谱柱的最高使用温度的目的是用来确定色谱柱老化的温度。色谱柱老化时候能够设定的最高温度,不能超过色谱柱的耐受温度,也就是最高使用温度。填充柱标牌上会标注其使用的最高温度;毛细柱标牌上信息较多,但是也可以获取该色谱柱的最高使用温度(下图):

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色谱柱的老化温度一般来讲是要比其最高使用温度(恒温长期使用温度)低(20-30)℃,也就是说上图其最高使用温度为325℃,老化时其温度可以设定为300℃。除此之外,也有另外的确定色谱柱老化的温度方法,即比常规分析最高使用温度高(20-30)℃,比如常规的使用温度从来不超过200℃,可以设置老化温度为230℃。

当然,最重要的是,色谱柱的老化温度不能超过色谱柱的最高使用温度;另外,不同的柱子耐受温度/最高使用温度有很大差别,极性强、膜厚大的柱子通常耐受温度比较低。因此,应该为不同的色谱柱选取不同的老化温度。

3 色谱柱的老化方法

在完成气源与气体净化装置的检查、进样口的维护、正确安装色谱柱以及确定了色谱柱的老化温度之后,可以开始色谱柱的老化。

 

3.1 预老化

预老化的意思是:将色谱柱流量设置为正常工作值,并将仪器进样口、柱温箱及检测器如果老化时色谱柱接在了检测器上温度设置为35℃或者关闭仪器温度控制,在室温的条件下让载气流穿过色谱柱15到30分钟以清除仪器系统内部和色谱柱内部的空气。

其中,色谱柱的柱流量也可以按照下表进行设定:

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请将毛细柱进样口(分流/不分流进样口或者其他进样口)设置为分流模式,分流比可以使用常用数值1:10~1:50之间,最好使用较大的分流比/分流流量。

 

3.2 色谱柱的老化

预老化结束后,不改变色谱柱流量设置情况下,按照以下步骤进行:

(1)进样口温度设置为35℃;

(2)检测器端设置根据是否连接了色谱柱,请按照本文2.4的操作进行;

(3)为柱温箱设置温度程序,并运行;温度程序为:初始温度35℃,5℃/min,升温至老化温度,保持30min或者更长时间,一般不超过2小时。

(4)正确安装毛细管柱于进样口端和检测器端,调用正常的分析方法,运行空白或者程序升温空白,检测老化效果。

(5)关闭仪器或者进行样品分析。

 关于以上步骤的解释:

 (1)按照本文第二节的操作,老化之前会对进样口进行维护,因此进样口温度的设定也可以是日常分析时的温度;但多数情况下,进行老化操作可能会忽略对进样口的维护,因此建议使用较低的进样口温度,并且加大分流流量,降低进样口污染物在老化时污染色谱柱的可能。

(2)由于高温时色谱柱流失会增加,因此尽可能避免高温、长时间烘烤色谱柱。根据对色谱柱老化结果的判断,老化温度及在老化温度的保留时间长度可以根据实际情况调整。

 

3.3 色谱柱老化的更多内容

本文提供的老化方法并非唯一,很多书籍上提供了不同的方法,实际中应用也未发现不妥之处,其主要区别在于“如何升温至老化温度,老化温度保持多久,是否需要循环进行”,下图为《色谱技术丛书:色谱柱技术》(第一版)(刘国诠编著)中对填充柱老化的方法:

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无论方法如何,把握关键点即可,即:①老化色谱柱时一定要通载气;②载气纯度尽可能的高(最好99.999%);③老化温度不要超过固定相的最高使用温度;④在老化温度的保持时间满足需求即可。


文章来源:VX 气相色谱分析