HPLC-GC聯用技術的原理與儀器發展

郭凌霄 李良良 王敏

山東天弘化學有限公司 山東 東營 257000

在眾多二維色譜技術中，將高效液相色譜（HPLC）與毛細管氣相色譜（GC）相結合是一種有前景的聯用技術，同時這種技術由于存在兩相的變化（液相到氣相）也具有很大的技術挑戰。1980年Majors[1]報道了第一臺HPLC-GC多維色譜[123]，但由于其效果并不理想沒有被推廣（圖1）。隨后經過多代的改進，HPLC-GC多維色譜已經成為了在分離和分析過程中非常重要的一類方法。本文對于這類聯用儀器的關鍵技術和設計部件進行了概述，并簡單介紹其在石油化工等領域的應用。

圖1 第一個HPLC-GC儀器示意圖

相較于傳統的制備分離手段，HPLC-GC有著非常大的優勢，主要體現在分離效率高、檢測限低、樣品處理簡便和檢測結果重現性高：（1）對于未知樣品的分析是比較困難的，干擾物質越多就越難以分離。HPLC和毛細管GC有著強大的分離能力，相較于傳統的分離手法， 通過HPLC將樣品按照不同類型化合物進行分離后再利用GC來對于某一感興趣的物質進行分析可以大大提高分離效率。（2）預分離效率的提高不僅可用于復雜混合物的分離，也可用于痕量分析中雜質的清除。在其他情況下，幾個傳統的清理雜質步驟可以被一個步驟所取代， 從而提供更可靠的分析結果和更低的檢出限。（3）樣品制備通常是分析過程中最耗費勞力的部分，因此也是最昂貴的部分。自動聯機程序實際上可以減輕這項工作，并使過程更加可靠。（4）HPLC-GC可以實現自動化分離，相比于繁瑣的傳統分離技術中各種不可控因素的引入，通過在不同時間多次測定已經證明其具有高的重現性。

1 GC 中的溶劑蒸發

1.1 樣品的富集

HPLC-GC中最關鍵的部分便是如何將HPLC的洗脫溶劑蒸發注入到GC中。由于揮發會產生較大的峰展寬，為了減小峰的展寬，一般通過兩個基本原理來實現：溶劑捕獲和保留隘口效應。

溶劑捕獲是指進入到GC中的淋洗液由載氣向前推動，會在毛細管壁上留下一層不規則的液體膜，直到液體全部擴散。這層膜具有相應的高保留能力，可以有效的捕獲揮發性的樣品組分。加熱時溶劑的揮發幾乎只發生在液膜的后端，使載氣迅速被溶劑蒸氣飽和。高沸點的樣品組分會趁機在干燥的毛細管壁上，而低沸點組分則會蒸發并重新被前端的溶劑液膜捕獲。不斷重復此過程，直到溶劑的最后一部分蒸發，所捕獲的大量揮發性溶劑會一同釋放（圖2，a）。首先，由于使溶劑部分蒸發，所以只有比溶劑更容易揮發的組分會造成損失，所以溶劑捕獲并不適用于這類樣品。其次，不管前期蒸發速率如何，揮發性溶質總會在最后一刻跟隨溶劑一同釋放，這就意味著開始蒸發與結束之間會存在相應的延遲，這對于蒸氣排除和檢測器的檢測提出要求。最后，由于此技術要求柱溫較低，所以高沸點溶質不會蒸發，而是在毛細管壁形成一條和初始長度一致的淹沒區條帶，所以也不實用于高沸點組分，這樣就應用到了保留隘口效應。

圖2 （a）溶劑捕獲示意圖 （b）保留隘口效應示意圖

保留隘口效應是指將淹沒區放入未包被的預柱中，由于預柱的保留能力低于分離柱，因此組分可以通過更高的速度或遠低于分離柱洗脫溫度下通過該預柱。溶質進入分離柱，由于溫度過低，且分離柱的保留能力較強，于是實現了溶劑在住口固定相的富集，直到升高烘箱溫度到正常洗脫溫度（圖2，b）。未包被的預柱必須具有足夠的惰性，以免吸附溶質，但也不應該失去保留能力，表面必須可被溶劑潤濕，以便形成連續膜：非潤濕溶液（例如許多反相淋洗液）會在管壁留下液滴，并且可能通過整個預柱滑入分離柱。

1.2 蒸氣排出

溶劑蒸發形成大量的蒸氣，若以正常柱流速將它們排出整個色譜柱非常耗時，同時為了保護檢測器，需要將溶劑蒸氣提前排出。目前有兩種排出方法：通過程序溫度氣化（PTV）進樣器的分流出口釋放蒸氣和通過安裝在預柱和分離柱之間的溶劑蒸氣出口釋放。

1.3 蒸發模式

限制蒸發模式的因素主要有溶劑的蒸發、溶質峰的銳化等，并通過上述的溶劑富集模式來設計[2]。

溶劑同時氣化法（Concurrent eluent evaporation）為蒸發速率大于注入速率，所有溶劑到達蒸發位點便會氣化（圖3，a）。此方法不需要大的未包被的預柱來捕獲溶質，所以不受預柱長度的限制，可以實現大量的溶劑氣化，適合于傳輸大體積的HPLC流分，1985年該技術引入了多大10 mL的己烷溶液，若使用蒸氣出口，則該體積增加到20 mL。由于需要同時將所有溶劑氣化，所以氣化溫度一般較高，會使較多的揮發性溶劑被提前帶出，造成峰展寬和從蒸氣排出口排出而造成損失。為了降低峰展寬，在50 cm的預柱范圍內，設置一個10-20 cm的溫度較低的淹沒區來捕獲溶劑，溶劑的蒸發受供熱控制，發生在整個淹沒區。由于其操作簡單方便，所以是最常用的一種蒸發模式。

圖3 （a）溶劑同時蒸發模式裝置圖（b）部分溶劑同時蒸發模式裝置圖（c）共溶劑效應示意圖

部分溶劑同時氣化法（Partially concurrent eluent evaporation）為控制溶劑的蒸發速度和流速的比例，使大部分的溶劑揮發而少量溶劑保留（圖3，b）。由于溶劑捕獲的方法需要較長的預柱（若轉移270 μL溶液則需50 m×0.32 mm的未包被的預柱），而采用此方法則可以大大減少所需預柱的長度同時也能夠保證溶質捕獲（若轉移1～2 mL溶液只需要10 m×0.53 mm預柱，其蒸發比例為75%）。在未包被的預柱后再加一段包被的預柱可以同時應用到保留隘口技術來減小峰展寬。

為了綜合這兩種模式的優點，Grob等[4]將復合溶劑效用與溶劑同時氣化法相結合，設計了一種新型的蒸發模式（圖3，c）。其方法將少量的高沸點溶劑加入到洗脫劑中，主洗脫劑為低沸點溶劑。再氣化過程中輔助溶劑起著溶劑捕獲作用，彌補了溶劑同時氣化法的不足。在該方法中，氣化主要發生在流分的前端，低沸點溶劑被蒸發，而高沸點溶劑則潤濕在前端的管壁上，采用溶劑同時氣化法產生的溶質蒸氣被高沸點溶劑液膜所捕獲。

2 HPLC-GC 接口

2.1 柱上接口

柱上接口一般與部分溶劑同時氣化法配合使用（圖3，b）。一個直徑為0.11 mm /外徑為0.17 mm的熔融二氧化硅毛細管將來自轉移開關閥的洗脫液輸送到未包被的預柱里，就像柱上進樣的注射器針一樣，但它不能移動和拔出。在傳輸結束時，通過安裝在傳輸閥上的限制器，將該管線與載氣反沖洗。該接口一直用于部分溶劑氣化，后來也可用于同時溶劑氣化法，但在2009年被Y型界面所取代。

2.2 環型接口

環形接口常用于溶劑同時氣化法（圖3，a），是第一臺商用的on-line HPLC-GC儀器上的接口，也是應用最廣泛的接口。在轉移閥中安裝一個與需轉移流分體積相適應的回路，溶劑從HPLC洗脫至回路中，然后開啟閥門，由載氣推動餾分進入GC。烘箱溫度必須略高于溶劑沸點，以形成一個蒸汽壓，使液體停留在烘箱恒溫預柱的入口。此時蒸氣壓與載氣的壓力相同，從而使流入速率等于蒸發速率。

2.3 程序溫度氣化（PTV）注射器

PTV進樣器主要用于大體積進樣。Villen等人將自動化的TOTDA接口應用到反相HPLC-GC中（圖4，a），大量反相HPLC淋洗液泵入裝有吸附劑的PTV室中，分別從兩側泵入高流量的氦氣。在低溫下（40℃）將溶劑排出，并在高溫下（250℃）將吸附的待測物釋放到GC中檢測。

圖4 （a）反相HPLC-GC中的自動化TOTAD接口（b）Y型接口示意圖

另一種基于PTV的接口將HPLC的流分送入流通池中，自動進樣器從流通池中手機管興趣的部分并注入PTV中，從而實現轉接。

2.4 Y 型接口

Y型接口與柱上接口不同，載氣管路和轉移閥管路連接在一個壓接的Y形元件中（圖4，b）。Y形元件位于氣相色譜爐上方，載氣通過熔融二氧化硅毛細管送入Y形元件，預柱的入口穿過烘箱的頂部進入Y形管的主管。

3 結論

HPLC-GC聯用有著重要的應用前景，并在石油、食品等領域有著不可或缺的用處。相較于其他的分析方法，HPLC-GC有著分離效率高、檢測限低、樣品處理簡便和檢測結果重現性高等優點，但也存在著如何將液體氣化的技術困難。本文主要介紹了HPLC-GC聯用技術中的蒸發方法和接口設計。通過溶質捕獲和保留隘口效益可以有效的減小溶質峰的展寬，這兩種技術被廣泛應用在了儀器設計中。溶劑蒸發主要有溶劑同時蒸發和部分溶劑同時蒸發兩種技術，前者適用于大的進樣量，但會產生較大的展寬，后者則需要較長的預柱。為了解決這個問題，利用復合溶劑效應的蒸發方法被開發出來，利用輔助溶劑來捕獲溶質。為了匹配各種蒸發模式，各類不同接口也被設計。

盡管HPLC-GC聯用技術有著很大的應用，但如何改進其進樣量和減小峰展寬是下一步的發展方向。同時，由于油相與水相有著不同的性質，適用于正相色譜的技術并不能直接應用到反相HPLC-GC中來，對于反相HPLC-GC的研究并不充分，如何拓展色譜的種類也成為了此領域發展必須考慮的因素。