气相色谱分析中的阀与阀切换系统概述

在使用气相色谱分析气体样品的过程中，具有与常规液体分析不同的特点。常见的气体分析类型包括：一般工业气体_{（如空分气体、天然气、裂解气、焦炉煤气、水煤气、高炉煤气、工厂废气等）}和特殊工业气体_{（如高纯气体、零点气体、标准混合气体等）}等。一方面，气体流动性强、具有可压缩性，样品的采集和转移具有一定的要求，受到温度、压力等的影响；其次，组分常常是无机气体_{（如气体、稀有气体等）}和有机气体_{（如轻烃等）}的混合物，因此需要多种/支色谱柱组合进行分离，并采用多个检测器进行检测，而色谱柱的组合、连接使用常常要用到多通阀_{（如六通阀、十通阀等）}；再者，不同组分配比的混合气体分析和定量方法差异大，例如在特殊工业气体_{（如高纯气体、零点气体、标准混合气体等）}分析中，由于杂质含量低，需要氦离子化检测器等特殊检测器。

本文以实例出发，从气体样品的分离和检测——色谱柱的选择、连接和检测器的使用，概述气相色谱分析中的阀与阀切换系统，介绍其一般原理、装置和过程等，其中包括以下内容：

    2.1 从样品组成确定系统框架（组成）

    2.2 从样品组分分类/标识物选择色谱柱

    2.3 从色谱柱特性确定阀与阀切换功能

    2.3.1 色谱柱的初始连接方式

    2.3.2 色谱柱的动态排列策略

    2.3.3 选择多通阀的特定功能

    2.3.4 运行阀与阀切换系统

1 气体分析常规实例

以常见的变压器油/绝缘油溶解气体为例，参考国标《GB/T 17623-2017 绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》，分析9组分样品时，其中的主要化合物为H₂、O₂、N₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等。常见的分析流路图如下：

该分析方案采用两个六通阀、两支不同的色谱柱_{（分析柱1、分析柱2）}、氢火焰离子化检测器（FID）、热导池检测器（TCD）以及镍转化炉构成。 

2 系统方案设计思路

2.1 从样品组成确定系统框架（组成） 

常见的仪器分析框架（组成）包括样品引入装置、进样口、色谱柱和检测器等内容； 

样品引入装置与多通阀：由于分析气体样品，因此一般采用六通阀/十通阀进样，在六通阀/十通阀上安装定量环，可以比较准确的确定气体进样体积，从而应对气体流动性强、具有可压缩性，体积受到温度、压力等影响的问题；另外，六通阀/十通阀在复杂气体样品分析中，还可能会有更多的功能。 

进样口：气体样品多采用填充柱进行分析，常见的是配置填充柱进样口；当使用毛细柱进行分析时则选用毛细柱进样口。不过在气体分析中，进样口的功能多被进样阀取代，一些方案中可以省略进样口，将进样阀与色谱柱进行直接连接。 

色谱柱的选择：色谱柱是样品分离最重要的部件，在气体分析中，样品组分特性不同，一般需要多种/支色谱柱组合。 

检测器和辅助部件：根据样品的特点，H₂、O₂、N₂、CO、CO₂等在氢火焰离子化检测器（FID）上没有响应，因此需要采用热导池检测器（TCD）进行分析；CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等属于烃类，可燃烧产生信号，则采用氢火焰离子化检测器（FID）；另外，由于热导池检测器（TCD）灵敏度较低，当CO、CO2含量较低时基本无响应，因此需要采用镍转化炉将其转化为甲烷，从而使用氢火焰离子化检测器（FID）进行测定；另外，如果分析高纯气、超纯气中的微量杂质时，可能需要使用氦离子化检测器等；总的原则是，依据样品组分的含量和化合物的响应特征，选择对其具有足够灵敏度的检测器。 

2.2 从样品组分分类/标识物选择色谱柱 

使用气相色谱进行检测的重要目的之一，是实现复杂样品组分的分离；复杂样品组分的分离依靠色谱柱进行实现；不同的色谱柱具有不同的适用范围，当一种固定相的色谱柱不能实现样品组分的全分离时，则需要采用其他的手段，如多种色谱柱组合、多种仪器连用_{（如气相色谱与质谱、红外）}等。在气体样品的分离和检测的阀与阀切换系统中，使用的手段多是种色谱柱组合。 

2.2.1 固定相概述 

根据固定相的聚集状态，可以将气相色谱分为气-液色谱（GLC）和气-固色谱（GSC）。其中，气-液色谱以气体为流动相，以涂布（或者键合）于惰性载体表面的高沸点有机化合物（即固定液，在工作状态下为液态）为固定相；样品组分根据其与固定液的分子间相互作用力的不同（体现在不同组分在固定液中的溶解-分配平衡性质的差异）实现分离，适用于各种组分的分离。气-固色谱以气体为流动相，以固体吸附剂为固定相；利用不同组分在吸附剂表面的吸附-解吸能力的差异，在合适的吸附剂表面得到相应的分离，主要用于久性气体和低沸点烃类化合物。 

目前实验室使用最多的气-液色谱固定相是硅氧烷类固定液和聚乙二醇类固定液。常见的气-固色谱固定相包括两类：无机吸附剂_{（用于色谱法的有分子筛、氧化铝、硅胶和碳素等；也包括以其为基质用化学键合方法制备的键合固定相）}和多孔聚合物_{（有机化合物吸附剂，目前常用的国外产品有 Chromosorb、Porapak和Hayesep系列，国产的为GDX系列和40X系列）}。 

在气体样品的分离和检测的阀与阀切换系统中，气-固色谱固定相使用较多。 

2.2.2 以变压器油溶解气体分析为例的色谱柱选择 

在色谱柱选择过程中，首先考虑的是有没有一支色谱柱（一种固定相）可以实现样品组分的全分离；如果没有，则选择多支色谱柱（多种固定相），使其可以覆盖所有组分的全分离；在多支色谱柱（多种固定相）的选择过程中，需要根据一些特殊的标识物对样品进行分类，借以选择色谱柱。 

在本例的变压器油溶解气体分析中，组分包括H₂、O₂、N₂、CO、CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂共九种；可选的标识物为：①O₂和N_{2（甚至可以扩展至H2、O2、N2、CO、CH4作为标识物组）}；②C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂。

1）常温下可以分离O₂和N_{2（甚至可以扩展至H2、O2、N2、CO、CH4的标识物组）}的色谱柱固定相为分子筛；

2）用于分离C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂的常见色谱柱固定相为Porapak N；

两种固定相的示例分离效果如下： 

1）使用5A或者13X分子筛

2）使用Porapak系列_{（多孔聚合物/有机化合物吸附剂）}色谱柱

由此可见，分子筛可以将H₂、O₂、N₂、CO、CH₄全分离；Porapak N可以将CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂全分离，而H₂、O₂、N₂、CO、CH₄以（接近）合峰的方式流出色谱柱。 

2.3 从色谱柱特性确定阀与阀切换功能 

选定多支色谱柱（多种固定相）之后，最重要的是根据待测组分在不同色谱柱中的流出顺序，安排色谱柱的排列顺序，而这种排列顺序可能是动态的。 

2.3.1 色谱柱的初始连接方式 

根据选定色谱柱分子筛_{（假定为5A）}和Porapak N的特性，可以将Porapak N与5A分子筛进行串联，此种情况下：H₂、O₂、N₂、CO、CH₄以（接近）合峰的方式从Porapak N先进入5A分子筛，而CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂流动较慢，则缓慢在Porapak N中向前运动；

2.3.2 色谱柱的动态排列策略 

考虑更多影响因素，因为CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂进入5A分子筛不会流出，因此应当避免其进入5A分子筛，常规的处理方式有： 

策略①：

交换Porapak N和5A分子筛顺序，此种策略下CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂不会通过5A分子筛，在Porapak N中分离后进入检测器得到响应；H₂、O₂、N₂、CO、CH₄在5A分子筛中分离后，再通过Porapak N，最终在检测器中得到响应；

策略②：

当H₂、O₂、N₂、CO、CH₄以（接近）合峰的方式从Porapak N进入5A分子筛后， 将5A分子筛从流路中取出并封闭，等待CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂从Porapak N中分离并通过检测器后，再将5A分子筛放回原位，使H₂、O₂、N₂、CO、CH₄从5A分子筛分离后流出通过检测器；

2.3.3 选择多通阀（六通阀/十通阀）的特定功能 

多通阀（六通阀/十通阀）的连接方式和功能具有一定的定式模板，以上述策略②为例，气体进样可以选择六通阀的进样（Gas sampling）功能，以及六通阀的色谱柱隔离（Column Isolation）功能，如下所示： 

其中，阀Ⅰ为进样（Gas sampling）功能，阀Ⅱ为色谱柱隔离（Column Isolation）功能；分析柱1为Porapak N，分析柱2为5A分子筛；

2.3.4 运行阀与阀切换系统 

按照“2.3.2 色谱柱的动态排列策略”中的策略②，运行整个系统，如下： 

1）阀Ⅰ转动，通过定量环向色谱柱系统进样

2）阀Ⅱ转动，运行色谱柱隔离（Column Isolation）功能

当H₂、O₂、N₂、CO、CH₄以（接近）合峰的方式从Porapak N进入5A分子筛后，阀Ⅱ转动，将其封闭在5A分子筛中；同时，等待CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂从Porapak N中分离并依次通过阻尼器_{（可以认为是色谱柱空管）}、检测器。

3）阀Ⅱ复位

当CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂从Porapak N中分离并依次通过阻尼器_{（可以认为是色谱柱空管）}、检测器后，阀Ⅱ复位，封闭在5A分子筛中的H₂、O₂、N₂、CO、CH₄分离后流出通过检测器；

4）阀Ⅰ复位

所有组分得到分离和检测后，阀Ⅰ复位，仪器恢复初始状态。 

5）色谱图展示 

采用上述“2.3.2 色谱柱的动态排列策略”中的策略②，常见的色谱图如下：

以时间轴来看：

1) H₂先从5A分子筛中流出进入TCD检测器_{（H2在色谱柱中保留较弱，在5A分子筛被封闭之前已经流出色谱柱）}；

2) 5A分子筛被封闭后，CO₂、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂从Porapak N中流出进入检测器，其中CO₂浓度较低，经由镍转化炉转化为CH₄后，与C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂在FID检测器上出峰；

3) 5A分子筛(即阀Ⅱ)复位后，O₂、N₂、CH₄ 、CO依次流出进入检测器，其中O₂、N₂在TCD检测器出峰；CO浓度较低，经由镍转化炉转化为CH₄后，与CH₄在FID检测器上出峰； 

3 小结