毛细管GC为什么要用5 cm的注射器针头？

　　气相色谱是一项复杂的技术。分析师经常站在他的仪器前，对结果感到惊讶，也许对问题感到恼火，对他观察到的现象不知所措。通常连他的同事都解释不清。又一个GC之谜？如果他知道分析过程中涉及的许多细节，他可能会掌握它的技巧。我们在不知不觉中做了很多选择，忽略了一些变量，会给人一种错觉，以为过去已经彻底调查过了，国际委员会已经认定这是或者那是正确的选择。注射器针头的长度是一个经常被忽视的细节，也是一个从未得到适当关注的参数的例子。


　　多年前，当观察他们的客户时，GC注射器制造商注意到，对于常规汽化(分开或不分开)注射的注射器针头长度没有共识。有人说是1.5英寸(针头从玻璃管中伸出37毫米)，也有人说是3英寸(71毫米)，甚至更长。因此，父亲注射器制造商决定妥协，将其放在：2英寸(51毫米)之间。不管他当时死没死，现在都一样。有些人不同意，但因为GC的简单性似乎比优化更重要，这个话题通常被忽略。针长这个话题似乎没有足够的科学地位来支持进一步的研究。


　　从一些实验可以看出，注射器针头的长度和长针插入注射器的深度通常对定量分析有重要影响。原因解释如下。结论是，他们需要根据情况进行调整。注射器针头的长度决定了样品在蒸发过程中从衬套的哪一点开始膨胀。然而，它也可能影响蒸发本身。


　　顶空分析

　　我们先看气体或者顶空分析，因为情况很简单，因为没有汽化干扰。然而，同样的原理也适用于液体样品。我们指的是使用0.5-1毫升气密注射器进行注射(手动或自动)。


　　一般注入一定量的气相，接近蒸发室的内部容积。例如，长度为80毫米、内径为4毫米的内衬的内容积为1毫升。500l样品与载气混合，形成接近该体积的蒸汽云(入口压力压缩云，但温度上升导致云膨胀)。必须小心地将样品从注射器针头中释放出来，使其末端位于腔室中。

　　气体和顶部空间样品通常以分流模式注入，以获得清晰的初始条带。在正常速度下，压下柱塞，以大约0.5-1毫升/秒，即30-60毫升/分钟的速度引入样品。如果分流和(相对较小的)柱流速之和对应于注射速率，则样品的向下膨胀将取代来自后部的气流。停止供气；流出的气相来自注射器(假设压力调节/针阀系统，图1)。在更高的分流率下，样品将被额外的载气稀释。在这些条件下，可以注射无限量的样品，而不会使注射器过载。只有进入汽化室(2-3厘米)的短注射器针头才能达到目的。

图1:以与通过衬套的气体流速相等的速率注射：来自载气源的流动被离开注射器针头的流动所替代。

　　由于顶空分析主要是痕量分析，分流流速通常比上述30-60毫升/分钟低得多。这留下了以相应降低的速率注入蒸汽或者将蒸汽暂时储存在汽化室中的选择。后者符合惯例。如果注入的样品多于同时流出的气体，则必须在注入系统中更换载气。带有合理设计的后压力调节器和分流出口针阀的注射器，其气源内部体积较大，分流出口内部体积较小，导致样品后向膨胀(图2)。需要一个长的注射器针头，使样品从色谱柱入口附近的一个点向后膨胀。如果衬管长80毫米，柱进入5毫米，注射头高约12毫米，注射器针头长约80毫米。常用的5 cm针进入内胆不到4 cm，只使用上半腔。以这种方式注入的500l已溢出注射器衬套，导致样品材料通过隔膜吹扫出口排出或穿透载气供应管线。


　　图2:低分流率顶空进样，使用压力调节器/针阀系统供气：样品应从色谱柱入口向后展开。


　　分流出口带有流量调节载气供应和背压调节器的系统(如惠普)表现不同。喷射压力的增加导致背压调节器大开，并增加分流流量。样本云向下扩展(图3)。由于注射器的体积只能通过在腔室顶部释放样品来利用，因此注射器针头不应超过2-3厘米(或仅部分引入更长的针头)。这种类型的气体供应的缺点是分流过程中的分流流速相当模糊。


　　图3:具有流量调节/背压调节的系统示例中向下膨胀的示例。


　　液体样品的分流注射


　　液体的分流注射类似于气体/顶部空间注射，只是蒸汽形成的速率无法控制。注射必须快速进行，以避免注射器针头过度蒸发。挥发性溶剂(如二氯甲烷)中的2l溶液将产生约0.9 ml蒸汽，约为0.5 ml，即蒸汽将以1.8 ml/s  (108 ml/min)的速率形成。分流器(和柱)的流量至少为108 ml/min，适用于图1的情况，即注射器针头应只进入汽化室。它在针出口和柱入口之间留下最大的空间，用于样品蒸发和整个蒸发室的混合。如果分流速度较低，即蒸汽形成速度快于气体排出速度，则最适合长针或短针。具有高沸点基质的样品，如许多未稀释的液体，蒸发缓慢；只有当分流速度极低时，蒸汽排放才会成为问题。这种液体很容易转移到衬里壁上(不会被蒸汽排斥)。如果使用空的衬套(优选具有窄的内径，例如2 mm)，短的注射器针头将使这种转移更加可靠，因为通过柱入口注射样品液体的风险降低。


　　非分流注射

　　在无分流进样中，样品蒸汽必须储存在蒸发室中，直到它们被转移到色谱柱，这可能需要一分钟以上。在用载气稀释之前，2 l己烷溶液将产生约500 l蒸汽和高达900 l的二氯甲烷，这表明必须充分利用80mm4mm内径衬里的内部体积。


　　因为分流出口是关闭的，所以只有一种方法来填充汽化室：从底部到顶部，载气向后移动。必须调整注射器针头，使样品蒸发中心略高于色谱柱入口。针的出口和色谱柱入口之间的距离必须考虑液滴在蒸发前的移动距离，即1-2厘米。对于注射器的通常几何形状，这意味着使用3英寸(71毫米)的针(或者更确切地说，蒸发室的设计使得标准的3英寸针合适)。将样品放在色谱柱入口附近还有第二个原因。如图4所示，5 cm注射器针头和色谱柱入口之间的距离约为40 mm，这代表约400 l载气的栓塞。在大量样品蒸汽到达色谱柱之前，这些气体必须排入色谱柱，即载气主要在10-20秒内“注入”。这当然不是我们需要知道的那种在不分流进样中实现完全样品转移有多难的问题。


　　图4:5cm的注射器针头对于未分开的注射来说太短了，因为即使样品体积很小，腔室也会溢出，在样品蒸汽到达之前，必须将大约400 l的载气转移到色谱柱。

　　针头中样品的蒸发

　　似乎主题不够复杂——注射器针头的长度也会影响样品的蒸发。在注射过程中或完全按压柱塞后洗脱针头内含物时，部分样品可能在针头中蒸发。一方面，这通常会导致问题，因为注入的比测量的多，挥发性成分的优先蒸发不同于高锅炉。另一方面，有助于在针的出口雾化样品液体，这是样品在注射器的气相中蒸发的先决条件(最温和的蒸发过程，因为没有与吸附或降解溶质的填充材料接触)。长针中有更多的汽化，这突出了这些优点和缺点。结论

　　用于汽化GC注射器的5 cm针头是一个典型的折中方案：介于理想的长针头和理想的短针头之间，但几乎从来都不理想。下表建议了最佳针长。