氣相色（sè）譜載（zǎi）氣的種（zhǒng）類、選擇、轉換及設置（zhì）

 1. 概述

與液相色譜不同，氣相色譜可（kě）選擇的“流動相”(載氣)的範圍（wéi）較窄，滿足需要的載氣主要有氫氣、氦氣、氮氣以及氬氣。此外氣相色譜（pǔ）的載氣不像液相（xiàng）色譜的流動相那樣靈活，可實現多種混合模式，具有多種選擇性，提（tí）供待分離組分分離的驅（qū）動力(疏水相互作用，氫鍵（jiàn），偶極，離子對等)。載氣在（zài）氣（qì）相色譜中（zhōng）的主要作（zuò）用與液相的流動相（xiàng）一樣，提供分配的介質並提供（gòng）各組分向檢測器端移動的動（dòng）力，不同的載氣（qì）之間（jiān）最大的區別在於具有不同的最低理論塔板高度，也即柱效，而基本上（shàng）沒有選擇性的差異。

2. 載（zǎi）氣的種類以及特性

如前所述，常用的氣相色譜載氣有氫（qīng）氣（qì）、氦氣、氮氣以及不太常用的氬氣等。常用的載氣的黏度以及擴（kuò）散能（néng）力（lì）如下表1所示。

 

 

如上表1所示（shì），氫氣與氦（hài）氣的擴（kuò）散能力是氮氣的4倍左右，而氫氣的（de）黏度則是（shì）氦氣以及氮氣的1/2左右。載氣的（de）擴散能力直接影響待分離組分（fèn）在載氣以及固定相中的分配平衡時間，最終將影響到（dào）達到最低理論塔板高度時，所允許的最大流速。而載氣的黏（nián）度則影響到氣相進樣口處的柱前壓，一般地，其出口壓力為大氣壓，載氣在柱前（qián）壓的作用下被一定程度的壓縮，由於在方法運行時，載（zǎi）氣的體積流速是一（yī）定的，其實際線（xiàn）速度小於（yú）設（shè）定（dìng）值。因此，在使用長色譜柱的時候，柱前壓會比較大，此時需要選（xuǎn）擇使用黏度比較小的（de）氫氣（qì）作為（wéi）載氣。

上述三種載氣在實（shí）際應用時，具有不同的最（zuì）佳流速範圍(此時，理論塔板高度（dù）最低，柱（zhù）效最高)，載氣線速度（dù）與最低理論塔板高度之間的關係如下圖1所示（shì）。

 

 

如上（shàng）圖所（suǒ）示（shì），氮（dàn）氣（qì）的最（zuì）佳線速度比較低，其次是（shì）氦氣（qì），最佳線（xiàn）速度最大的是氫氣。而在各載（zǎi）氣的（de）最佳（jiā）線速度範（fàn）圍內，最低理論塔板高度相差不大，柱效（xiào）基本一致，這也說明在使（shǐ）用氣相色譜對樣品組（zǔ）分進行分離的時候，載氣的分離選擇性（xìng）差異很小，這同時（shí）也是不同的載氣之間可以（yǐ）通過調（diào）整相關參（cān）數實現（xiàn）相（xiàng）互轉換的基礎之一。

此外，從圖中可以得出，使用氫氣作為載氣的時候，分離的效率是最高的，大概是使用氦氣的分離效率的2倍，是使用氮氣的分離效率的四倍（bèi）。這一點非常重要，如在使用氣相手性分析色譜（pǔ）柱對異構體進行拆分的時候，雖然三種載氣通過調整最（zuì）佳線速度得到近乎相同的塔板高度以及柱效，但實際情（qíng）況下，我們會發現氮氣的色譜峰寬（kuān）最大，氦氣（qì）下的峰寬其（qí）次，氫氣下的峰寬最小，表觀柱（zhù）效最高，分離情況最為（wéi）讓人滿意。

 

 

從上圖2，可以看到三種不（bú）同的載氣之間均有交互點，在不同（tóng）的交點處，不同的（de）載氣具有不（bú）同的線速度（dù），但具有相同的柱效。需要注意的是，這種等效柱（zhù）效，是在犧牲部分柱（zhù）效的基礎上（shàng）實現的。

此外，氣相色譜柱的柱效還與色譜柱的內徑有關(如下圖3所示（shì）)，一般（bān）地，內徑越小，其柱效越高；且內徑越小，最佳線速度越大，且其範圍（wéi）越寬(這（zhè）一點類似於液相色譜柱的填料粒徑，如下圖（tú）4所示)

 

 

如上圖所示，60 m長內徑為0.53 mm的色譜柱與30 m長內徑為0.25 mm以及（jí）20 m長內徑為0.15 mm的色譜柱的理論塔板數一致，可見色譜柱內徑對於（yú）柱效的（de）影響。在實際應用的過程中，我們很少會用到60 m長得氣相色譜柱，如前所述，這是因為使用更長的色譜柱意味著更高的柱前壓，載氣在色譜柱入口處（chù）的壓縮程度更大，此（cǐ）外也會降低分析的效率(色譜柱長度增加一倍，實際分析時（shí）間將大（dà）於2倍（bèi）)。

 

 

如（rú）上圖4所示，隨著色譜柱內徑的減小，理論塔板高度也減小，且最佳線速度增（zēng）大。因此在（zài）使用氮氣作為載（zǎi）氣（qì）的時候（hòu），可以選擇內徑較小一點，長度稍短一些（xiē）的色譜柱。

3. 載氣的選擇

從分析的效率以（yǐ）及柱（zhù）效角度考慮，氫氣是最合適的載氣，但限製載氣選擇的還有（yǒu）其他（tā）的因素（sù），如檢測器(當（dāng）使（shǐ）用PDD檢測器的時（shí）候，隻能使用氦氣；當使用TCD檢（jiǎn）測器的時候，最好（hǎo）的載氣是氫氣，因為（wéi）其熱傳導性能最好，而在使用MSD檢測器的時候，最好不要使用氮（dàn）氣作為（wéi）載氣，因為其（qí）靈敏度大大降（jiàng）低，約下降20倍左右)，安全風險，滲透性等（děng）。

應用氫氣作為載氣的最大限（xiàn）製來自於其自身的安全性，當氫氣在空（kōng）氣中的濃度在4%-70%的時候，比較（jiào）容易發生爆炸事故，但也有部分實驗室使用。根據儀器供應商的信息，在使用氫氣作為載（zǎi）氣的時（shí）候，將（jiāng）銅管更換為不鏽鋼管此外，氫氣也可以作為MSD檢測器的載氣，但一般不（bú）能直接與庫比較進行定性，特別是對於芳香族以及其（qí）他不飽和化合物（wù）而言。

一般情（qíng）況下，MSD檢測器配置（zhì）的分子渦（wō）輪泵的抽真空的能力是有一定限製的，電離（lí）室（shì）內殘餘（yú）的氫（qīng）氣會與待分析物發生離子碰撞，產生（shēng）一些未知雜峰，且基線噪音水平增加，儀器的靈敏度降低(如（rú）下圖5所示)。而對於氦（hài）氣而言，相比氫氣而言，化學惰性，其黏度是氫氣的兩倍，最佳線速度是氫氣（qì）的二分之一，可保（bǎo）證電離室的高真空度。此外，氦氣作為載氣，色譜柱使（shǐ）用（yòng）結束之後，最好將兩端封閉，或用其他載氣置（zhì）換（huàn）氦氣。

 

 

使用氮氣作為載氣，其耗費最少且（qiě）來源穩定，其分析效率比較低的缺點，可通過使用窄（zhǎi）內徑的色（sè）譜柱以及避免使用比較長的色譜柱來彌補。

無論選擇何（hé）種氣體作為載氣，都要保證氣體的純度（dù）在99.999%以上，特別是對於（yú）FID這種碳敏感型檢測（cè）器，極少量（liàng）的（de）雜質都會影響到基線噪音，甚至出現一些鬼（guǐ）峰。

4. 不同載（zǎi）氣之間方法（fǎ）轉換

如前所述，盡管不同的（de）載氣（qì）具有不同的黏（nián）度，擴散速率以及最佳（jiā）的線速度。在犧牲部分柱效（xiào）的前提下，不同的載氣之（zhī）間還是可以（yǐ）相互轉換的。如下圖（tú）6所示，氦氣到氮氣的轉換。

 

 

如上圖（tú）6所示，氦氣到氮氣的轉換，需要更換色譜柱，如保持填料不變以及相比不變的前提下，將色譜柱減短，色譜柱的內徑減小通過調整流速或線速度，實現氦氣到氮氣方（fāng）法的轉換。其中，之所以要減短（duǎn）色譜柱的長度，原因在於如果保持原有色譜柱長度，柱前壓變化太大，且（qiě）導致保留（liú）時間發（fā）生變化。

下圖7與圖8，是兩種由氦氣（qì）到氫氣作為載氣的（de）轉換（huàn）方法（fǎ）。

 

 

如上圖7與圖8所示，兩種將氦氣轉換為氫氣作為載氣的方法的不同之處（chù）在於是否改變梯度（dù）升溫程（chéng）序。在不改變梯（tī）度升溫程序的前提下，通過降低氫氣的線速度來實現不同載氣之間的轉換；在改（gǎi）變（biàn）梯度升（shēng）溫（wēn）程序的時（shí）候，如增大梯度升溫程序的斜（xié）率（lǜ），這時就需要相應地增（zēng）加氫氣的線速度，提高理論（lùn）塔板數，實（shí）現不同載氣之間的轉換。

5. 結論（lùn）

不同的載氣以（yǐ）其不同的物理化學性質，如粘度（dù），擴散性以（yǐ）及化學（xué）反應性，具有不同的最（zuì）佳載氣（qì）流速以及不同檢測器之（zhī）間的適應性。在實際的（de）應用中，無論使用何種載氣，均需（xū）要保證具有較高的純度。氦氣相比氫氣以及（jí）氮（dàn）氣，具有比較適宜的粘度，擴散性能，特別適合應用於MS檢測器，而氫氣、氮氣一般不作為MS檢測器（qì）的載氣。限（xiàn）於氦（hài）氣的單位價格（gé）以及獲得（dé）情（qíng）況，大（dà）規模應用GC色譜儀的時候，也可以使用氮氣作為載氣。雖然氮氣的最佳線速度較低（dī），卻可以通（tōng）過使用較細內徑以及較短（duǎn）的（de）毛細色譜柱來獲得較為（wéi）可觀的高（gāo）柱效。此外，不同載氣之間可以（yǐ）結合色譜理（lǐ）論與實驗（yàn）數據進行相互轉換，也可借助一些色譜柱廠家的相應軟件來實現不同（tóng）載氣之間的轉換。