HPLC-GC联用技术的原理与仪器发展

郭凌霄 李良良 王敏

山东天弘化学有限公司 山东 东营 257000

在众多二维色谱技术中，将高效液相色谱（HPLC）与毛细管气相色谱（GC）相结合是一种有前景的联用技术，同时这种技术由于存在两相的变化（液相到气相）也具有很大的技术挑战。1980年Majors[1]报道了第一台HPLC-GC多维色谱[123]，但由于其效果并不理想没有被推广（图1）。随后经过多代的改进，HPLC-GC多维色谱已经成为了在分离和分析过程中非常重要的一类方法。本文对于这类联用仪器的关键技术和设计部件进行了概述，并简单介绍其在石油化工等领域的应用。

图1 第一个HPLC-GC仪器示意图

相较于传统的制备分离手段，HPLC-GC有着非常大的优势，主要体现在分离效率高、检测限低、样品处理简便和检测结果重现性高：（1）对于未知样品的分析是比较困难的，干扰物质越多就越难以分离。HPLC和毛细管GC有着强大的分离能力，相较于传统的分离手法， 通过HPLC将样品按照不同类型化合物进行分离后再利用GC来对于某一感兴趣的物质进行分析可以大大提高分离效率。（2）预分离效率的提高不仅可用于复杂混合物的分离，也可用于痕量分析中杂质的清除。在其他情况下，几个传统的清理杂质步骤可以被一个步骤所取代， 从而提供更可靠的分析结果和更低的检出限。（3）样品制备通常是分析过程中最耗费劳力的部分，因此也是最昂贵的部分。自动联机程序实际上可以减轻这项工作，并使过程更加可靠。（4）HPLC-GC可以实现自动化分离，相比于繁琐的传统分离技术中各种不可控因素的引入，通过在不同时间多次测定已经证明其具有高的重现性。

1 GC 中的溶剂蒸发

1.1 样品的富集

HPLC-GC中最关键的部分便是如何将HPLC的洗脱溶剂蒸发注入到GC中。由于挥发会产生较大的峰展宽，为了减小峰的展宽，一般通过两个基本原理来实现：溶剂捕获和保留隘口效应。

溶剂捕获是指进入到GC中的淋洗液由载气向前推动，会在毛细管壁上留下一层不规则的液体膜，直到液体全部扩散。这层膜具有相应的高保留能力，可以有效的捕获挥发性的样品组分。加热时溶剂的挥发几乎只发生在液膜的后端，使载气迅速被溶剂蒸气饱和。高沸点的样品组分会趁机在干燥的毛细管壁上，而低沸点组分则会蒸发并重新被前端的溶剂液膜捕获。不断重复此过程，直到溶剂的最后一部分蒸发，所捕获的大量挥发性溶剂会一同释放（图2，a）。首先，由于使溶剂部分蒸发，所以只有比溶剂更容易挥发的组分会造成损失，所以溶剂捕获并不适用于这类样品。其次，不管前期蒸发速率如何，挥发性溶质总会在最后一刻跟随溶剂一同释放，这就意味着开始蒸发与结束之间会存在相应的延迟，这对于蒸气排除和检测器的检测提出要求。最后，由于此技术要求柱温较低，所以高沸点溶质不会蒸发，而是在毛细管壁形成一条和初始长度一致的淹没区条带，所以也不实用于高沸点组分，这样就应用到了保留隘口效应。

图2 （a）溶剂捕获示意图 （b）保留隘口效应示意图

保留隘口效应是指将淹没区放入未包被的预柱中，由于预柱的保留能力低于分离柱，因此组分可以通过更高的速度或远低于分离柱洗脱温度下通过该预柱。溶质进入分离柱，由于温度过低，且分离柱的保留能力较强，于是实现了溶剂在住口固定相的富集，直到升高烘箱温度到正常洗脱温度（图2，b）。未包被的预柱必须具有足够的惰性，以免吸附溶质，但也不应该失去保留能力，表面必须可被溶剂润湿，以便形成连续膜：非润湿溶液（例如许多反相淋洗液）会在管壁留下液滴，并且可能通过整个预柱滑入分离柱。

1.2 蒸气排出

溶剂蒸发形成大量的蒸气，若以正常柱流速将它们排出整个色谱柱非常耗时，同时为了保护检测器，需要将溶剂蒸气提前排出。目前有两种排出方法：通过程序温度气化（PTV）进样器的分流出口释放蒸气和通过安装在预柱和分离柱之间的溶剂蒸气出口释放。

1.3 蒸发模式

限制蒸发模式的因素主要有溶剂的蒸发、溶质峰的锐化等，并通过上述的溶剂富集模式来设计[2]。

溶剂同时气化法（Concurrent eluent evaporation）为蒸发速率大于注入速率，所有溶剂到达蒸发位点便会气化（图3，a）。此方法不需要大的未包被的预柱来捕获溶质，所以不受预柱长度的限制，可以实现大量的溶剂气化，适合于传输大体积的HPLC流分，1985年该技术引入了多大10 mL的己烷溶液，若使用蒸气出口，则该体积增加到20 mL。由于需要同时将所有溶剂气化，所以气化温度一般较高，会使较多的挥发性溶剂被提前带出，造成峰展宽和从蒸气排出口排出而造成损失。为了降低峰展宽，在50 cm的预柱范围内，设置一个10-20 cm的温度较低的淹没区来捕获溶剂，溶剂的蒸发受供热控制，发生在整个淹没区。由于其操作简单方便，所以是最常用的一种蒸发模式。

图3 （a）溶剂同时蒸发模式装置图（b）部分溶剂同时蒸发模式装置图（c）共溶剂效应示意图

部分溶剂同时气化法（Partially concurrent eluent evaporation）为控制溶剂的蒸发速度和流速的比例，使大部分的溶剂挥发而少量溶剂保留（图3，b）。由于溶剂捕获的方法需要较长的预柱（若转移270 µL溶液则需50 m×0.32 mm的未包被的预柱），而采用此方法则可以大大减少所需预柱的长度同时也能够保证溶质捕获（若转移1～2 mL溶液只需要10 m×0.53 mm预柱，其蒸发比例为75%）。在未包被的预柱后再加一段包被的预柱可以同时应用到保留隘口技术来减小峰展宽。

为了综合这两种模式的优点，Grob等[4]将复合溶剂效用与溶剂同时气化法相结合，设计了一种新型的蒸发模式（图3，c）。其方法将少量的高沸点溶剂加入到洗脱剂中，主洗脱剂为低沸点溶剂。再气化过程中辅助溶剂起着溶剂捕获作用，弥补了溶剂同时气化法的不足。在该方法中，气化主要发生在流分的前端，低沸点溶剂被蒸发，而高沸点溶剂则润湿在前端的管壁上，采用溶剂同时气化法产生的溶质蒸气被高沸点溶剂液膜所捕获。

2 HPLC-GC 接口

2.1 柱上接口

柱上接口一般与部分溶剂同时气化法配合使用（图3，b）。一个直径为0.11 mm /外径为0.17 mm的熔融二氧化硅毛细管将来自转移开关阀的洗脱液输送到未包被的预柱里，就像柱上进样的注射器针一样，但它不能移动和拔出。在传输结束时，通过安装在传输阀上的限制器，将该管线与载气反冲洗。该接口一直用于部分溶剂气化，后来也可用于同时溶剂气化法，但在2009年被Y型界面所取代。

2.2 环型接口

环形接口常用于溶剂同时气化法（图3，a），是第一台商用的on-line HPLC-GC仪器上的接口，也是应用最广泛的接口。在转移阀中安装一个与需转移流分体积相适应的回路，溶剂从HPLC洗脱至回路中，然后开启阀门，由载气推动馏分进入GC。烘箱温度必须略高于溶剂沸点，以形成一个蒸汽压，使液体停留在烘箱恒温预柱的入口。此时蒸气压与载气的压力相同，从而使流入速率等于蒸发速率。

2.3 程序温度气化（PTV）注射器

PTV进样器主要用于大体积进样。Villen等人将自动化的TOTDA接口应用到反相HPLC-GC中（图4，a），大量反相HPLC淋洗液泵入装有吸附剂的PTV室中，分别从两侧泵入高流量的氦气。在低温下（40℃）将溶剂排出，并在高温下（250℃）将吸附的待测物释放到GC中检测。

图4 （a）反相HPLC-GC中的自动化TOTAD接口（b）Y型接口示意图

另一种基于PTV的接口将HPLC的流分送入流通池中，自动进样器从流通池中手机管兴趣的部分并注入PTV中，从而实现转接。

2.4 Y 型接口

Y型接口与柱上接口不同，载气管路和转移阀管路连接在一个压接的Y形元件中（图4，b）。Y形元件位于气相色谱炉上方，载气通过熔融二氧化硅毛细管送入Y形元件，预柱的入口穿过烘箱的顶部进入Y形管的主管。

3 结论

HPLC-GC联用有着重要的应用前景，并在石油、食品等领域有着不可或缺的用处。相较于其他的分析方法，HPLC-GC有着分离效率高、检测限低、样品处理简便和检测结果重现性高等优点，但也存在着如何将液体气化的技术困难。本文主要介绍了HPLC-GC联用技术中的蒸发方法和接口设计。通过溶质捕获和保留隘口效益可以有效的减小溶质峰的展宽，这两种技术被广泛应用在了仪器设计中。溶剂蒸发主要有溶剂同时蒸发和部分溶剂同时蒸发两种技术，前者适用于大的进样量，但会产生较大的展宽，后者则需要较长的预柱。为了解决这个问题，利用复合溶剂效应的蒸发方法被开发出来，利用辅助溶剂来捕获溶质。为了匹配各种蒸发模式，各类不同接口也被设计。

尽管HPLC-GC联用技术有着很大的应用，但如何改进其进样量和减小峰展宽是下一步的发展方向。同时，由于油相与水相有着不同的性质，适用于正相色谱的技术并不能直接应用到反相HPLC-GC中来，对于反相HPLC-GC的研究并不充分，如何拓展色谱的种类也成为了此领域发展必须考虑的因素。