利用氢气作为GC/MS的载气

2 简介 氦气作为一种有限的自然资源，越来越昂贵，在一些地区，甚至根据配给计划限额供应。因此，利用氢气作为气相色谱质谱联用仪(GC/MS)的载气越来越普遍。氢气和氦气之间物理性能的差异引起了色谱行为的差异，而且氢气的易燃性也增加了安全的隐患。在这片文章里，研究在PerkinElmer Clarus SQ 8 GC/MS上如何有效利用氢气作为载气，同时提供一些建议以确保实验室的安全。虽然在实验室使用氢气的危险性可以降低，但是每个实验室仍然面临这特殊的挑战，因此解决这些问题，以确保实验室工作人员的安全，是每个实验室管理员和安全人员的职责。在设计实验室和配套实验室相关设备时，必须充分考虑到这些问题，制定安全意识的标准操作程序(SOP)，包括全面的化学卫生规程，是非常必须的。 利用氢气作为GC/MS的载气分析多环芳烃 多环芳烃(PAH)化合物的测定结果证明了使用氢气作为PerkinElmer Clarus SQ 8GC/MS载气的有效性。图1的色谱图表明了该系统的有效性，图1A是使用氦气作为载气，图1B是使用氢气作为载气。通过比较这两张色谱图可以清楚的看出，当载气从氦气切换到氢气后，出峰时间更快，峰形更尖锐。 氢气是易燃气体，如果使用不当，会对人的生命和财产安全造成威胁。在实验室准备使用氢气之前，必须建立安全预防措施，而且日后要遵守这些规则，以确保安全。 图1多环芳烃标准混合液在使用氦气(A)和氢气(B)作为载气得到的色谱图，图上标有相应的保留时间和化合物名称。 氢气的使用指南 当一个实验室决定使用氢气作为GC/MS的载气时，接着面临的重点是安全设备和性能方面的考虑。在任何实验室工作开展之前，应该全面评估使用氢气的危害和优势，本文介绍的信息仅供参考，尤其是在氢气的安全使用方面。 一般安全注意事项 当实验室使用氢气时，主要考虑的安全因素是，由氢气的易燃性而产生爆炸的危险永远存在。氢气是易燃的，一旦从高压源泄露，就会极速膨胀，在很宽的浓度范围内都可以自燃。在仪器内部使用高压氢气袋是不可能的，然而使用压缩的气体钢瓶作为氢气源却是可行的。最大的威胁是用电火花给积聚的氢气点火，载气在进入MS的真空腔之前，要通过一些配件、壁薄且脆的GC色普柱。任何时候一点小的泄露都可能导致氢气在GC柱温箱内积聚。氢气在MS内积聚主要与泵系统的功能丧失有关。然而如果泵系统运行正常，所有被引入MS的载气将被分子涡轮泵捕集，然后由机械泵作为废气排空。由于电源或者硬件故障引起部件功能丧失将使得载气在真空室积聚，且浓度不断增加，从而造成氢气着火情况的发生。 对于氢气的使用，，需要通过全面了解当地的环境健康和安全要求，并结合这些要求在实验室制定并执行所有的操作规程是非常必需的。实验室成功、安全的操作程序需要和实验室初始的设计和规划相结合，这是企业文化所支持的，通常认为它是强制性的，且具有最高的优先权。最有效的化学卫生计划是围绕着企业安全文化建立的，是所有人员严格遵守的准则和法规。 关于减少氢气积聚的一些具体实用措施包括： 。始终将低真空泵抽出的废气和进样口的排气管路放空至通风柜中。 ·当更换气体钢瓶或者安装/维修气体管线后，总是需要使用适宜氢气运作的手持式泄漏传感器进行对系统检漏。 ·如果你使用的气体钢瓶，请安装氢气的限制器，如图2所示，并加贴与相应的Clarus GC对应的警告标签((未显示)。。氢气限制器直接连接出口的调节器，防止氢气突然释放进入实验室，从而导致气体管线被破坏。 。考虑使用氢气发生器，氢气发生器在低压(相对于压缩的气体钢瓶)条件下可以产生高纯氢气，这就减少了氢气高压释放及随后自燃的风险。 。考虑在GC柱温箱或仪器安置的区域使用氢气传感器。 ·如果你正在使用氢气作为载气，强烈推荐使用可选的氮气吹扫工具包。当仪器放空的时候，氮气吹扫工具包将允许氮气进入质谱仪，这将降低随着泵系统关闭，载气阀未关引起氢气在真空腔内积聚的风险。 。每次你关闭GC或MS，始终要关闭钢瓶阀门或气体发生器。 ·在实验室里，绝不要给气体钢瓶，尤其是氢气钢瓶，高压排气，很可能会导致自燃及随之而来的爆炸。 ·电源故障后，不管泵系统是否自动恢复工作，质谱仪里都已经积聚了大量的氢气。建议在系统全面恢复工作之前，需要使用氮气工具包吹扫30min，如果没有安装该工具包，应该移除离子源，使真空腔中充满空气。 图2氢气限制器安装在具有两级不锈钢气体调节阀的出口，安装限制器的目的是防止氢气快速泄露到实验室以及气路管线断裂。 色谱柱兼容性 因为氢气与氦气有不同的粘度，并且得到最大的柱效需要有不同的气体流速，所以在最佳的运行条件下，两种载气的压力将不相同。在某些情况下，色谱柱的类型将使得其能够或限制与质谱检测器的联用。表1和表2表明，在接近最佳的运行条件下，两种载气在与质谱相连的色谱柱上运行时，进样口的压力呈几何变化。这些表显示，绝大多数常用的色谱柱适用氢气或者氦气作载气。极端情况下，短的和/或宽口的色谱柱使用氦气作载气较好，氢气在长的和/或窄口的色谱柱上效果较好。当更换载气时，参照这两张表，以确保使用新的载气后，色谱柱仍按照实际压力工作。 30 cm/s helium at 50°C. Column Length (m) Column i.d.(mm) 10 15 30 60 100 0.10 31.6 49.1 >100.0 >100.0 >100.0 0.18 9.1 13.9 29.0 61.9 >100.0 0.25 5.7 7.0 14.4 30.2 52.7 0.32 <5.0 <5.0 8.6 17.8 30.7 0.53 <5.0 <5.0 <5.0 6.3 5.0 Column Length (m) Column i.d.(mm) 10 15 30 60 100 0.10 18.5 28.6 60.8 >100.0 >100.0 0.18 5.5 8.3 17.0 35.9 62.8 0.25 <5.0 <5.0 8.6 17.7 30.6 0.32 <5.0 <5.0 <5.0 10.6 18.0 0.53 <5.0 <5.0 <5.0 <5.0 6.3 试验设置(配置，压力，和流速) 设定仪器使用氢气作为载气是非常简单的，通常设置包括： 。超高纯的氢气钢瓶(99.999%) ·在氢气钢瓶上安装氢气限制器((及标签) ·氮气吹扫工具包 ·低真空泵废气和进样器的放空管放空至实验室的通风柜中 执行此工作，无需更改更多的硬件配置。设定GC的参数，在GC的触摸屏上选择氢气作为载气，这个设定通过触摸屏的程序气动控制(PPC)配置窗口来完成，在正确的通道选项卡中选择氢气作为“Gas”即可，如图3所示。在该窗口，选择不同的气体，改变固件使用的质量-流速校准参数，该校准的参数可溯源到美国国家标准与技术研究院 (NIST)标准，然而，这是机器本身的谨慎检查与重新校准，如果有必要，定期使用校准认证的流量计。 A. B. C. D. 图3在GC触摸屏上设置氢气作为载气的操作程序。A)通过工具菜单栏打开配置界面， B)点击气动控制按钮进入气动控制界面，C)选择PPC配置，D) 在载气标签选择适当的通道和选择氢气作为载气，点击OK。 图4氢气和氦气两种载气流速和柱流量的关系图 使用一根30 m x 0.25 mm x0.25 um色谱柱进行试验，得到下面载气流速和柱流量的关系图(见图4)。速度的数据从GC屏幕上获得，在该流量范围内，氢气获得更高的流速及更好的线性。该结果表明，使用氢气作为载气，洗脱时间越短，同时获得的色谱图也越好(更尖锐的峰)，然而，也必须考虑质谱泵系统的性能。 真空系统的性能 Clarus质谱仪配有两款的泵系统：标准“S"型，配有75L/s的分子涡轮泵；更大容量的“T”和“C”型，配有255L/s的分子涡轮泵。被抽出气体的压力和泵效率根据分子量平方的改变而改变，如对于较重的化合物，泵将更有效率。随着分子量的降低，压缩率也降低，见表3，因此建议使用氢气作为载气时，仅使用“T”和“C”型的泵系统。 所有的Clarus质谱仪均使用一款范围较宽的压力计(WRG)，该压力计的操作结合Pirani/inverted磁控电离传感器实现。WRG读数依赖气体的类型，出厂时设置的操作气体是氦气，转换成氢气作为载气无需额外的操作，然而，由于氢气的相对分子质量(RMM) 相对于氦气而言较轻，其真空表的读数可以达到出厂时默认的2倍。在图5中，我们研究了使用上述同一根30 m x 0.25 mmx 0.25um色谱柱真空度与流速的关系。正如预期，越多的气体进入质谱仪，质谱仪的压力将增加，根据前面的描述，氢气的这种现象更加明显。考虑到读数上2倍因素的影响，相对于氦气而言，氢气的读数增加还是比较迅速。正因为如此，高流速及大口径的色谱柱不推荐使用氢气作为载气。 30 图5宽范围的真空表读数 氢气源 通常，氢气源有两种：高压气体钢瓶和氢气发生器。两种氢气源都有益处及弊端，因此实验室管理员应该根据实验环境选择最适合的载气。氢气钢瓶无需维护操作，但是昂贵，一旦发生泄露事件，将会引起安全顾虑。氢气发生 PerkinElmer， Inc. 珀金埃尔默仪器(上海)有限公司 地址：上海张江高科技技区张衡路1670号邮编：201203电话：021-60645888 传真：021-60645999 www.perkinelmer.com.cn 器需要定期保养，但是是在低压下操作，所以提高了安全性。另外，氢气发生器的运作与GC/MS的系统的运作相关联，所以当电源或者硬件发生故障时，氢气发生器会被自动关闭。氢气发生器最初的投资成本与压缩气体钢瓶相比，必须从其增加了安全性和可长期储存两面进行权衡。 结论 使用氢气作为GC/MS的载气，具有很多优势，包括成本和性能，然而，也不是说就没有风险。氢气的易燃性给研究者带来了特定的挑战，然而可以确定的是，制定明确的规划及严格执行标准操作程序，可以减少实验室人员和财产的安全。在所有的情况下，定期检查标准操作程序和完备的化学卫生计划是必须的。虽然永远也不能消除使用氢气带来的危险性，但是许多固有的危险操作程序已经在实验室被常规的执行，随着制定和遵守经过周密详细思考的程序及执行SOPs和化学卫生计划，这种风险将被减小。 ( 可从OSHA网站获得更多信息： http：//www.osha.gov.关键词：氢气。 )