如何提高气相色谱的分析速度,“快速气相”的引入

2021-04-21 14:03:40

根据问卷《对于哪些气相新技术或者功能,他们愿意买单》的调查。

结果发现,有超过51%的人表示愿意为“更快的分析速度”付出更多的经济上的成本。


 时间就是金钱 !

    

“更快的分析速度”就意味着同样时间内能够分析更多的样品,对于很多第三方检测实验室来说,就直接意味着收入的增加。

“快速气相”的概念,其实在好多年前就已经提出来了。但是从“传统气相”到“快速气相”的转移,关键在于速度的提高是否影响分离和分析的效果,以及方法转移的成本这两方面内容。


如何提高速度?    


了解过气相色谱分离的Golay方程,你就会明白,气相色谱分析的载气速度存在一个最优的线速度,在这个线速度下理论塔板高度最低,也就可以达到最大的柱效。

但是如果我们想要为了加快分析速度而片面加大流速,就会导致塔板高度增加和柱效的降低。

上海灵华气相色谱仪

如何保证柱效?    


第一招,改变载气类型,使用氦气或者氢气做载气。


下图是三种气相色谱常用载气的Golay方程的曲线。大家可以看到,在同样线速度下,氮气能够达到的理论塔板高度最低,但是它的曲线更窄一些,随线速度的增加,曲线上升很快,也就是柱效降低的很快。

相比起来,氦气和氢气随线速度的增加,曲线的上升更慢,也就是柱效降低的更慢。氢气和氦气本身的扩散系数(Diffusivity)更小,也就是说在Golay方程里面的传质阻力的Cm项更小,这就是为什么在更高的流速下面,氢气和氦气理论塔板高度更低。

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第二招,改用更小内径的色谱柱。


从下面这张图使用同一种载气,而不同内径色谱柱的Golay方程曲线可以看出来,越是小内径的色谱柱,其最佳的线速度越大。

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第三招,改用膜厚更小的色谱柱。


Golay方程中膜厚越小,传质阻力的Cs项就越小。同样条件下柱效就越高。

 

以上三招结合使用,配合以提高升温速度和使用短一些的色谱柱,就能够在不怎么牺牲柱效和分离度的前提下,相当显著提高分析的速度,缩短分析的时间。

从现有的分析案例来看,分析时间可以从之前的十几二十分钟缩短到只需要几分钟,有些比较夸张应用,竟然将分析时间降到一分钟之内。

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新的挑战和难题    


要做到这些,我们必须面对新的挑战和难题。

1、载气成本及安全性

首先,相对氮气,氦气的价格居高不下,要使用氦气做普通气相分析的载气,有一些奢侈。

其实相对而言,氢气是最合适的气相载气选择,而且获取的成本也很低。

虽然绝大多数主流气相都支持氢气做载气,而且提供了相关应用的安全性保障,但是绝大多数人还是对于这种可燃性的气体有一种天然的抵触。这是载气选择的问题。

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2、进样量和分流比

        

其次,如果要使用更小内径和膜厚的色谱柱,那就意味着更小的样品容量。你就得需要少量的样品、或者使用更大的分流比。

为了保证进样的重复性,我们不愿意进一步降低进样体积,所以一般建议采用增大分流比的办法。要实现更大的分流比,比如200:1的分流比,又涉及到了载气的选择因为氮气无法实现如此高的分流比。

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3、升温速度 


然后,是色谱柱升温程序的提高。这也是快速气相一个最主流的拓展领域。

我们平时用的普通的气相色谱,一般柱温箱的升温速度都是几十摄氏度每分钟。即使你设置的再大,用来加热的炉丝的热量也需要一段时间才能传递到色谱柱。

所以要提高升温程序的速度,不单单是使用更大功率的炉丝,更要想办法缩小柱温箱内部的体积,并保证热传导的均一和稳定性。

当然,升温程序不单单跟气相仪器有关系,还得问问色谱柱受不受的了啊。这样快速的升温和降温,对于色谱柱的毛细管以及内部的固定相涂层也提出了新的挑战。


最后总结一下:

想要大幅提升气相色谱的分析速度? 

当然可以,你可以通过使用氢气做载气、使用更短的、更小内径和薄膜的色谱柱、提高升温速度等多种方式结合,来实现这个目的。同时,这些手段也意味着仪器使用习惯、仪器某些硬件、应用方法的调整。


文章来源:VX 色谱学堂