禹重科技-行业应用

3 苯系物检测的色谱条件

3.1 概述

色谱条件涵盖的范围较广，色谱分析过程中一切影响因素都可以包含在内，但主要因素还是在进样口、色谱柱、检测器三个方面：

成分分析方案|表面分析方案|样品前处理系统|表面分析方案|硬度测试|力学测试|标准样

3.1.1进样口

首先要确定进样种类，例如分流或不分流或瞬间不分流等。一般小口径毛细管柱用分流进样，填充柱用不分流进样，大口径毛细管柱用分流进样或者不分流进样都可以，但从重现性和灵敏度方面考虑，建议选择不分流进样模式。苯系物的沸点较低，难以实现柱头聚焦，因此瞬间不分流模式难以应用。若使用分流模式，要选择合适的分流比，分流比对灵敏度和分离效果都会产生影响，这在后面还会讨论。

其次是进样口温度，苯系物易挥发，进样口温度在100~150℃左右已经完全能够使样品瞬间气化，没必要使用更高的气化温度，设置温度太高反而对重现性不利。

进样量对于目前使用的仪器来说通常是1μL液体样，或者几十到几百μL气体样。但是早期标准会使用比较大的进样量，这是因为早期仪器使用的是较粗的填充柱，内径达4mm。

柱容量与横截面积成正比：2mm内径填充柱一般进样1μL液体或者500μL气体，这是目前仪器常见的规格；3mm内径填充柱的进样量可达2μL以上的液体或者1~2mL气体；4mm内径填充柱的进样量可达5μL液体或者5mL气体，但这种规格的仪器和色谱柱现在已经很少生产了。毛细管柱与填充柱无法直接比较，但也有类似规律，所以内径较小的需要使用较大的分流比。

3.1.2检测器

FID对于检测苯系物是最合适的。检测器温度设置150~180即可，因为一般比最高柱温高20℃就能防止冷凝问题，太高反而使样品分解、喷嘴积碳的危险增加。FID工作中比较重要的参数是氮、氢、空三气的流量，一般要求接近1:1:10，通常是氮气30~40mL/min、氢气35~40mL/min、空气350~450mL/min。

需要注意的是，这个流量比例的计算中要把载气包括进去。例如大口径毛细管柱使用氢气做载气，柱流量10mL/min时，作为燃烧气的氢气流量需相应的减小10mL/min；再比如2mm内径填充柱使用氮气做载气，柱流量15mL/min时，作为补充气的氮气应调整至15~25mL/min，这样才能获得最佳的检测灵敏度。

3.1.3色谱柱

这方面包括色谱柱的选择，以及柱流量、柱温三个方面。

首先是选择合适的色谱柱。固定相型号是色谱柱核心参数，不同型号固定相在分离选择性上的差异后面还会详细讨论，这里先总结一些关于柱规格的一般规律。填充柱的规格涉及到色谱柱制备的相关技术，已经超出一般检测技术的范畴，这里暂不讨论。毛细管柱规格一般包括内径、膜厚、柱长三个参数，柱长的影响是显而易见的，而对于内径和膜厚很多人认识不足或者有误解。

膜厚是很多人在选择色谱柱是经常忽略的一个参数，但实际上对保留时间、分离度、峰型等都有重要影响。一般来讲，增大膜厚使容量因子增加，其结果不仅仅是保留时间延长，更重要的是可以使弱保留的物质分离效果变好，所以针对低沸点物质应选用液膜较厚的色谱柱，详细推导可参见各仪器分析教材中关于色谱理论的部分。对于高沸点物质，提高膜厚对分离度没有明显的好处，还使分析时间显著加长，所以一般要选择较薄的液膜。另外，低沸点物质的峰型也会因为厚液膜的聚焦作用而改善。

对于柱内径，很多人在认识上存在误区。

一般认为内径小的柱效高，所以分离效果更好。但这只是理论上推导的结果，实际应用中既要考虑色谱柱制造的品质，又要注意仪器与色谱柱的匹配。根据理论推导，0.53mm内径的色谱柱的柱效在1500塔板/m左右，0.32内径的约为2000~3000塔板/m，0.25mm内径的可达5000塔板/m。

但是实际生产的产品很难达到完美状态，实测值通常远低于理论值，只有少数大厂的产品才有接近理论极限的品质。在一些国产色谱柱的使用中，经常会遇到过0.53mm柱只有不到300塔板/m的情况、0.25mm柱刚刚超过1000塔板/m的情况。即使购买了品质很好的色谱柱，柱效高低还会受柱外效应的制约，如果仪器的性能不足，特别是分流进样口效果不好时，会使柱效大打折扣。

对于这样性能不佳的仪器，使用小口径柱是无法发挥其高柱效的优势的，同时小口径柱要求更高的分流比，这类性能不佳的仪器在分流比较高时重现性会显著降低，灵敏度损失更加显著。所以，我的建议是，国产中低端色谱应优先选用0.53mm的大口径毛细管柱，在不分流或者分流比较小的条件下使用；配有自动进样器和EPC的高端色谱选用0.32mm口径的毛细管柱；只有在高速、高通量应用，以及与质谱联用时，才应该考虑0.25mm或更小内径的毛细管柱。

在色谱柱的型号规格确定之后，柱流量和柱温的确定是比较简单的。毛细管柱的流量是由最佳线速度决定的，详细推导可参阅范迪姆特方程的相关理论教材，其结论就是，使用氮气作为载气时线速度15~20cm/s较合适，使用氢气载气时线速度40~60cm/s较合适，使用氦气载气时线速度30~40cm/s较合适。一般可适当增大流速仪节省分析时间，但线速度太高会使分离度降低。

线速度与流量的测量与换算，目前大部分仪器可以通过EPC完成，也有相关的计算软件，这里就不讨论了。填充柱的流量也是较为固定的。具体各种柱的流量可参考下表：

柱温的确定一般参考目标物的沸点及其与固定相的亲和力。对于苯系物，柱温一般在50~120范围内。使用填充柱一般是60~90℃范围内的恒温操作。使用毛细管柱一般是初始50℃保持2~5min，然后以5~10℃/min的速度升温至全部出峰。后面会给出具体实例。

3.2 使用PEG毛细管柱的条件

PEG是强极性固定相，通过诱导力作用可以实现二甲苯异构体的分离。使用大口径、厚液膜、长柱是较为理想的选择。60m*0.53mm*1.0μm规格的PEG柱，在不分流或者低分流比条件下使用，可以同时获得好的分离效果和优异的重现性。若换用0.32mm*0.25μm柱，柱效更高、分析速度更快，但必须使用较大的分流比。

实验证明，分流低于4时峰展宽就已经较为明显，无法发挥小口径柱柱效高的优势。而分流比较大时不仅灵敏度降低，还对重现性不利，即使用自动进样器，也能明显的发现99:1分流时重现性比9:1分流时要差一些，而且沸点差异较大的各种组分出现“分流歧视”的现象。

当然，仪器的性能越好这种问题就越不明显，但目前的技术水平下，这一问题还无法彻底解决。所以我建议，如果不是十分必要，不应该选用太大的分流比。

在溶剂为甲醇时，苯峰处于甲醇峰的拖尾上，若使用大口径厚液膜柱，分离度基本上可以接受，但使用0.32mm*0.25μm柱时完全无法分离苯和甲醇。所能够采取的措施只有进一步提高分流比，当分流比达到49:1时，可以实现苯与甲醇的分离，但灵敏度损失严重。

从色谱图上可以看出，苯峰被甲醇覆盖的原因在于甲醇峰的过载。如果是微量的甲醇，使用小口径柱会有更好的分离效果，但作为溶剂，甲醇在小口径柱上的过载更加显著，导致溶剂峰展宽，从而与苯无法分离。

因此使用大口径、厚液膜的色谱柱，对于处理溶剂峰更有优势。

3.3 使用弱极性毛细管柱的条件

使用聚甲基硅氧烷SE-30、6%氰丙基苯基-94%甲基-聚硅氧烷DB-624、14%氰丙基苯基-86%甲基-聚硅氧烷OV-1701等弱极性毛细管柱也能检测苯系物，但对、间二甲苯无法分离。

需要注意的是邻二甲苯与苯乙烯的出峰顺序。这两种物质与固定相之间的作用力，除了色散力以外，还有诱导力，而且苯乙烯更加容易被极化，所以随着固定相极性的增强，苯乙烯保留时间增加更多。

在完全非极性的SE-30固定相上只考虑色散力、不考虑诱导力，苯乙烯保留时间小于邻二甲苯。在极性较强的OV-1701固定相上，苯乙烯的诱导力作用显著比邻二甲苯强，而且诱导力起的作用超过了色散力，所以苯乙烯保留时间比邻二甲苯长。对于极性更强的固定相，苯乙烯出峰比邻二甲苯延迟更多。

对于DB-624固定相，其极性介于SE-30与OV-1701之间，苯乙烯的色散力比邻二甲苯弱、但诱导力比邻二甲苯强，而且二者正好处于平衡，所以两者几乎同时出峰，难以分离。

这一现象是由分之间作用力决定的，因此改变色谱条件难以改善二者的分离效果。因此涉及到邻二甲苯与苯乙烯分离的问题是，切勿使用6%氰丙基苯基-94%甲基-聚硅氧烷固定相，选择极性较强的固定相更为有效。

使用弱极性毛细管柱的优势在于溶剂峰分离较好，不论是二硫化碳溶剂还是甲醇溶剂，都不会干扰苯峰。

3.3 使用有机皂土填充柱的条件

有机皂土是蒙脱土的季铵盐，他是一种对取代芳烃的位置异构体有特殊选择性的固定相，特别是在分离对二甲苯和间二甲苯方面效果突出。将有机皂土与邻苯二甲酸二任酯（DNP）混合使用，可以制得用于苯系物检测的专用填充柱，这是国内外广泛采用的经典分离方法，国外的部分现行标准也在使用。

用于8种苯系物（包括异丙苯）分离时，应该使有机皂土的负载量低于DNP的负载量，并且需要在较低柱温（60~70℃）下操作（图8）。如果不考虑异丙苯，可以使机皂土的负载量高于DNP的负载量，并在较高柱温下操作（80~100℃），这样可以使对、间二甲苯分离度更高，并且使分析时间缩短（图9）。但应注意的是，此条件下邻二甲苯与异丙苯无法分离。

3.4 使用其他填充柱的条件

其他的常规填充柱一般都无法实现苯系物的有效分离，但现行标准方法中仍然保留了一些针对部分或单一苯系物进行测定的方法，主要涉及到PEG固定相和聚甲基硅氧烷固定相（SE-30或OV-101等）。

PEG固定相极性很强，是除有机皂土外对二甲苯异构体选择性最好的固定相，但是在柱效不够高的时候仍然无法实现异构体的有效分离。要想尝试PEG填充柱分离二甲苯异构体，必须使用9m以上的长柱，理论塔板数需要接近1.5万，单次的分离时间几乎需要1小时。这种情况显然是没有实用意义的。

对于PEG固定相，还需要说明的是，目前常用的是分子量2万的PEG，其最低使用温度一般不能低于60℃。在更低的温度下，PEG有结晶的趋势，其结果是使传质阻力显著加大，保留变弱、峰变宽。所以长期未使用的PEG柱在使用前最好先100℃以上活化，然后降温到使用温度。经过高温活化的PEG柱在50℃可以短期使用，不会马上出现结晶的问题，但进过较长时间后就可能会观测到柱效降低的现象。在60℃使用则是比较保险的。PEG固定相的毛细管柱也有类似问题，但经过厂家的改进，一般结晶温度已经明显降低。

非极性的聚甲基硅氧烷固定相对苯系物选择性较差。SE-30填充柱分离苯系物效果不好，而且不能应对甲醇的溶剂峰拖尾。

4 苯系物检测的样品处理

样品处理方法和步骤在各个标准中有详细描述，前面的表中也已经做了归纳总结，这里再简要强调一下相关的注意事项。

4.1 环境空气样品

一般用固体吸附剂装填吸附管进行采样，常见吸附剂有TENAX和活性炭。TENAX脱附较为容易但是穿透体积较小，特别是苯容易出现穿透。活性炭传统体积大，一般不用担心穿透的问题，但是必须较高温度下通气较长时间才能完全脱附。所以一般TENAX采样后采取热脱附直接进样，而活性炭采样后采取二硫化碳溶剂解吸然后进样。活性炭采样然后热解吸直接进样的方法一般只单独针对苯的测定（GB 50325-2010），而“GBZ/T 160.42-2007”中高温通气100mL的解吸方法则不易操作。

空气中粉尘较多时，采样管前应增加过滤装置。空气湿度大时对采样效果有不利影响，容易引起提前穿透，目前文献中报道有多种除湿方法，但有效性还无定论，各标准方法中均为采用，所以针对湿度大的气样，一般是减小采样流速和时间。

用二硫化碳溶剂解吸法要注意二硫化碳的纯度，每次买的试剂都必须进行空白值的检验，如果空白值不合格，就必须更换试剂或者提纯。

4.2 环境水样

一般采样顶空或液液萃取。目前全自动顶空仪的使用已经较为普遍，操作已经大为简化且自动化程度较高，缺点是平衡时间长，分析速度较慢。顶空法的使用中一般要注意空白值和仪器管路的残留。室内空气污染和实验用水质量不佳经常是空白值偏高的原因。试样添加的无机盐必须高温灼烧。

采用液液萃取萃取法操作较为繁琐，而且要注意萃取过程中的挥发损失问题，因此操作温度不能太高，而且最好能保证实验室恒温。萃取过程中振荡不易太剧烈，以免乳化。一般振荡3min基本上可以达到萃取平衡，时间太长反而使挥发损失问题更加严重。

二硫化碳萃取水中苯系物的萃取率一般可以达到90%以上，但挥发损失却不易确定，特别是二硫化碳自身的挥发损失较大，所以一般仍然需要将标样按样品同样的条件进行萃取然后测定，从而建立校正曲线。

使用二硫化碳萃取法时，另外需要强调两点：一是二硫化碳的纯度问题，这与空气样品的要求是一样的；二是对于污水试样，萃取液必须经过混合酸净化，否则干扰问题难以解决。

近年来报道了采用分散液相微萃取技术改进的二硫化碳萃取法，有毒试剂的用量显著减少，速度也明显提高，在实际应用中可以参考。

4.3 土壤样品

土壤样品中苯系物的稳定性更差，采样时要更加注意，尽可能直接采集到测定时使用的容器中（顶空瓶或吹扫管）。顶空法的注意事项与水样基本相同。

4.4 其他工业产品

如建材、涂料等，种类繁多，难以一一详细讨论，但总的来说主要有两类方法：

一是顶空处理，加适当溶剂、或者直接顶空平衡，然后测定，可参照顶空法；

二是用适当溶剂溶解后直接进样测定，操作简单，但是要注意是否有基体干扰问题，而且溶剂选择要合适，不能干扰目标物，还要注意试样与标样的溶剂一致。

5 结语

苯系物的检测涉及的技术几乎覆盖色谱分析技术的大半领域，涵盖的知识面很广。本文就笔者所了解的方面进行了一些总结与讨论，难以面面俱到，疏漏不足在所难免，但求能够有少许参考价值。

文章来源：实验与分析

编辑：亚析