氢气作载气 | VOC混标分析

2021-01-23 23:27:09, 毕克气体毕克气体仪器贸易（上海）有限公司（Peak Scientific)

气相色谱-质谱联用（GC-MS）主要用来分离和鉴定复杂基质中的单个或多个目标物。氦气历来是首选的载气，但氦气成本变得越来越高①，全球氦气短缺也促使越来越多的用户选择可替代的载气。

在相同的温度和压力下，氢气的粘度是氦气的一半，而样品在两种气体中的扩散相似，这意味着氢气通过气相色谱柱的速度更快，即分析速度更快。

（图1）范德姆特方程曲线

显示了氢气、氦气和氮气在不同的线速度下对色谱柱柱效的影响

范德姆特曲线（图1）显示了氢气、氦气和氮气作为载气时，载气线速度与最低理论塔板高度（柱效）之间的关系。不同的载气之间可以通过调整相关参数实现相互转换。使用方法转换软件②③，可以模拟方法在从氦气转化为氢气的效果，以了解可以节省多少分析时间以及需要对方法进行哪些优化。

当使用氢气作载气时，为保证仪器的灵敏度和稳定性，必要时可调整硬件配置，如增大透镜直径和烘烤离子源等。

本文使用氢气和氦气作载气分别对VOC混标进行分析，并评估了结果的稳定性、分离度和信噪比。

材料和方法

气相色谱-质谱（GC-MS）分析：

本文采用安捷伦7890B GC和5975 MSD进行分析，方法详细见表1；

氢气由Peak的Precision H2 Trace 500cc提供；

VOC混标来自Supelco（EPA VOC Mix 2）。

使用氦气作载气分析时，使用3mm拉出极板；使用氢气作载气分析时，选用6mm拉出极板。参考安捷伦公司④的建议，将离子源温度设置为300°C，烘烤3小时。更换载气后，对挥发性有机物连续测试了7天，来评估背景稳定性，以及目标物的分离度和信噪比。

（表1）GC-MS方法参数

结果分析

用1,3,5-三氯苯（混合标品中最后一个目标峰）计算信噪比（S/N）和分离度（Rs）（表2）。

载气对信噪比的影响：

在全扫描模式下，使用氦气作载气，流速和S/N之间呈反比关系，S/N从1.0mL/min流速下的1988.3下降到2.0mL/min时的864.9（表2）。当使用氢气作载气时，流速和S/N之间呈正比关系，随着流速的增加，S/N从106.0增加到209.6（表2）。

在SIM模式下，使用氦气作载气时，无论流量大小，S/N变化不大。但使用氢气作载气时，S/N随着载气流速的增加而明显提高，S/N从1.0mL/min时的798.8增加到2.0mL/min时的2359.3，这意味着在较高流速下氢气作载气的S/N可以达到与氦气相同的结果（表2）。

（表2）氦气和氢气作载气：信噪比（S/N）和分离度（Rs）

氦气作载气时，使用3mm拉出极板，氢气作载气时，选用6mm拉出极板

载气对分离度的影响：

在全扫描模式下，使用氦气作载气，当流速超过最佳流速时，Rs降低。当使用氢气作载气时，Rs和流速之间没有明显的关系。当氦气流速1.0mL/min，氢气流速2.0mL/min时，氦气作载气的分离度几乎是氢气的两倍（1.9倍）（表2）。

在SIM模式下，使用氦气作载气时的Rs相对于全扫描Rs有所降低，并低于使用氢气作载气时的Rs（表2）。与全扫描模式（1.9倍）相比，氢气体做载气在SIM模式下的Rs有了很大的改善，在各自最佳的流速下，氢气的Rs是氦气的1.76倍。

背景稳定性分析：

对VOC混标连续7天进样重复性测试，3天后背景稳定，详细见图2。

（图2）氢气代替氦气作载气，连续测试VOC混标的背景稳定性

结果讨论

目前有许多应用使用氢气作载气以代替氦气。本研究清楚地表明氢气可以用于已知化合物的常规分析。当使用氢气作载气进行气相色谱-质谱联用时，必须首先关注分离度和信噪比。

本文使用气相-质谱（GC-MS）进行分析，比较了Rs和S/N的结果，发现其似乎与载气流速直接对应。当氦气流速1.0mL/min时，全扫描模式下的Rs和S/N的性能均达到最佳。使用氢气作载气时，不同的流速对全扫描模式和SIM模式下的Rs和S/N都有显著影响。由数据可知，氢气作载气在SIM模式下表现出比氦气更好的分离度。

所以，使用氢气作载气时，选择SIM模式，可以很大程度上消除在全扫描模式下造成干扰的背景噪声。另外采用氢气作载气时，根据建议，至少需要3天以稳定背景信号。