在使用气相色谱进行样品分析过程中,设置色谱柱参数时,需要选择色谱柱流量的不同控制模式;以安捷伦7890A/B为例,可选择的控制模式包括恒定压力、梯度压力、恒定流量和梯度流量等,下图:
本文简单介绍色谱柱流量控制模式中恒定压力与恒定流量的区别,并通过实例进行对比说明。
1、概述
在气相色谱的压力/流量控制中,以电子流量控制装置为例,有几个概念需要进行区分。
首先,是基于电子流量控制装置使用的传感器类型和传感器的位置,将电子流量控制装置的控制模式(原理)分为流量模式、压力模式和背压模式;
其次,对于毛细柱进样口的压力/流量控制而言,常用的控制方式是压力模式,或者背压模式;无论是采用压力模式或者是背压模式,均能以恒定压力方式,或者恒定流量方式来实现色谱柱的流量控制;
再则,无论是以恒定压力方式,或者恒定流量方式来实现的色谱柱流量控制,本质都是控制进样口柱前压力,进而将柱前压换算为色谱柱流量。
2、色谱柱流量控制中的“恒定流量”与“恒定压力”
2.1 “恒定流量”与“恒定压力”的定义
无论毛细柱进样口采用什么模式来实现色谱柱流量的“恒定流量”与“恒定压力”, “恒定流量”均指的是在气相色谱分析过程中,无论采用恒温分析或者程序升温分析,保持色谱柱的流量恒定,如3mL/min;“恒定压力”均指的是在气相色谱分析过程中,无论采用恒温分析或者程序升温分析,保持色谱柱的柱前压恒定,如120kPa。
2.2 “恒定流量”与“恒定压力”实现的原理
对于使用确定载气类型(如氮气),同时长度、内径和液膜厚度确定的毛细管色谱柱(如30m×0.32mm×0.25μm),在程序升温过程中,存在以下规律:
1)毛细柱程序升温中,如果柱前压恒定,温度升高,色谱柱流量降低。其变化趋势可见下图左;
2)毛细柱分析中,如果柱前压升高,温度恒定,色谱柱流量升高。其变化趋势可见下图右:
因此而言,在毛细柱程序升温分析中,当升温引起柱流量下降时候,可以通过提高柱前压来实现流量保持不变。
3、采用“恒定流量”与“恒定压力”进行分析比较
以下实例展示了分别使用“恒定流量”与“恒定压力”进行样品分析的情况。
3.1 色谱条件:
3.1.1 温度
进样口温度:250℃;
检测器温度:250℃;
柱温箱温度:50℃;
温度程序(程序升温):50℃(10min),5℃/min,250℃(10min);
3.1.2 流量
载气:氮气;
进样模式:分流进样;
色谱柱流量:
3mL/min(柱前压126kPa);
分别使用恒流模式/恒压模式;
分流流量:30mL/min;
分流比:10:1;
隔垫吹扫流量:3mL/min;
3.1.3 色谱柱
KB-TVOC,50m×0.32mm×1.0μm;
3.2 使用“恒定流量”时的柱前压变化
使用恒定流量进行分析过程中,色谱柱流量保持3 mL/min不变;在程序升温过程中,色谱柱柱前压升高。
3.3 使用“恒定压力”时的柱流量变化
使用恒定压力进行分析过程中,色谱柱柱前压保持126kPa不变;在程序升温过程中,色谱柱流量降低。
有一点需要特殊说明,在程序升温过程中,无论柱前压或者柱流量如何变化,分流比——即分流流量与柱流量的比值保持不变。
3.4 样品分析与色谱图
分别使用“恒定流量”与“恒定压力”进行样品分析,可以看到,由于使用恒定压力在程序升温过程中柱流量逐渐降低,相应色谱峰(保留时间位于10min-50min,程序升温过程内的色谱峰)的保留时间延后:
同时,在柱流量和程序升温热聚焦双重作用下,色谱峰峰宽也表现出了一定的规律,下图:
在程序升温前期(峰5、峰6),柱流量相差不大,在同样的升温程序下,色谱峰峰宽变化不大;在程序升温中期(峰7-13),恒定压力导致色谱柱流量降低,分子扩散项和传质阻力起到主要作用,引起色谱峰展宽;在程序升温后期(峰14-16),程序升温的热聚焦作用起到主要影响,使色谱峰宽度变窄,避免了色谱峰宽的严重扩展。
4、小结
对于使用电子流量控制装置的气相色谱仪,均可以选择色谱柱流量的不同控制模式,如恒定压力与恒定流量,甚至可以实现梯度压力和梯度流量等模式;对于使用机械阀控制进样口压力流量的气相色谱仪,一般只能实现恒定压力分析。在进行实际样品分析时,可以选择不同的模式以改善分离效率。