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简析分流流量/分流比对分离的影响

许之秦

2022/09/01
Chromcycle团队

气相色谱（GC）

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摘要：通过改变分流流量/分流比，改善样品组分出峰情况和分离度……

在气相色谱分析过程中，如果使用毛细柱进样口_（_或_{分流/不分流进样口）}，一般需要设置的参数包括色谱柱柱流量_{（或色谱柱柱前压）}、分流流量和隔垫吹扫流量；如果仪器自动化程度较高，还可以选择进样模式_{（如分流进样、分流/不分流进样、脉冲进样等）}、载气节省等更多的功能。在实际分析过程中，色谱柱柱流量_{（或色谱柱柱前压）}、分流流量和隔垫吹扫流量一般依据相应的国家标准、分析方法等设置，不需要进行过多的测试；但是，在一些情况下，需要对其中的某些进行调整，否则会引起分离效果不佳、色谱峰不出峰等诸多问题；本文举例介绍分流流量（分流比）对样品出峰的影响。

本文中的情况，①将分流流量与色谱柱柱流量之比定义为分流比；②本文所指调节分流流量，一般均指保持色谱柱流量不变情况下，增加分流流量，即增大分流比。

1 毛细柱进样口的结构和功能

毛细柱进样口（分流/不分流进样口）的结构主要包括载气入口、隔垫吹扫出口和分流出口等。

在毛细柱进样口中，载气的作用是以一定的流速将气体样品或经气化后的样品带入色谱柱进行分离；分流的作用是将气化后的样品按照一定比例排出进样口；隔垫吹扫的作用主要是消除进样时可能带入的污染物和进样口密封垫在高温时释放出的杂质。一般而言，载气、分流和隔垫吹扫在进样口上的相对位置为：隔垫吹扫在最上方，载气在中间，分流管路在最下方。

2 分流流量（分流比）影响分析的实例

2.1 分流比较小，溶剂拖尾对目标峰产生遮掩

在毛细柱进样口中，分流流量的作用是将气化后的样品按照一定比例排出进样口。_{（当样品完全汽化并与载气充分混合时）}一般将分流流量与色谱柱柱流量之比定义为分流比。在实际分析过程中，分流比越大，进入到色谱柱的样品量越小，

下图（上）为依据《GB/T 5750.8—XXXX生活饮用水标准检验方法第8部分：有机物指标》，使用顶空-气相色谱法测定生活饮用水中11种挥发性有机物的谱图，依据标准上的分析方法设置分流比为1:1，可以看到甲醇和其后第一个出峰的二氯甲烷分离效果不佳，二氯甲烷_（即_下图_{（下）标识中的小峰）}被甲醇完全遮掩：

上图（下）将分流比调整为2:1_（柱流量_、温度_{等其他条件保持不变，相当于将分流流量增大一倍）}，可以看到甲醇和其后第一个出峰的二氯甲烷分离完全，二氯甲烷不再被甲醇遮掩。

2.2 分流流量（分流比）对分离度的影响

上述分流比改善溶剂拖尾对目标峰的遮掩，某种程度上可以说是改善了分离度；增加分流比_{（柱流量不变，分流}_流量_增加）对于改善样品分离效能的更多影响，还涉及峰宽、塔板数等内容。

以下数据为在相同温度程序下，使用相同的色谱柱流量（1mL/min），但采用不同的分流流量_{（柱流量不变，分流比增加）}对理论塔板数的影响。

由于使用相同的色谱柱流量，色谱峰保留时间不变；分流比增加_{（柱流量不变，分流}_流量_增加），峰宽变窄，因此，色谱峰分离的塔板数增加，分离度也有所增加。

注释1：改善分离度的公式计算

分离度的计算公式和说明参见下图：

由于使用相同的色谱柱流量，色谱峰保留时间不变，上图中公式中的分子保持不变；分流比增加_{（柱流量不变，分流流量增加）}，进入到色谱柱的样品量减小，色谱峰峰宽变窄，上图中的分母减小；因此，色谱峰的分离度R增加。

注释2：改善塔板数的公式计算

塔板数的计算公式_{（两种计算）}和说明参见下图：

由于使用相同的色谱柱流量，色谱峰保留时间不变；分流比增加_{（柱流量不变，分流流量增加）}，进入到色谱柱的样品量减小，色谱峰峰宽变窄；因此，色谱峰的塔板数n增加。

2.3 分流流量（分流比）改善溶剂效应

另外，在分析过程中，有时样品会遇到溶剂效应影响峰型，可以通过调整分流流量（分流比），来进行改善。

下图为使用6%氰丙基苯基-94%二甲基聚硅氧烷固定液_（K_B_{-624色谱柱}_{30m×0.25mm×1.4}_μ_m_{，《中国药典》（2015版））}，测定乙醇中挥发性杂质（甲醇）的色谱图。可以看到随着分流流量的增加_{（柱流量不变，分流比增加）}，甲醇峰型改善。

测定过程中，虽然甲醇先于乙醇出峰，但由于甲醇和乙醇进样后会在柱头形成较宽的初始谱带且甲醇出峰较快，因此甲醇在色谱柱内进行溶解-分配时不仅受到固定相的相互作用，还会受到乙醇溶剂的影响，会造成峰形变差、峰宽增大、拖尾严重甚至分叉等现象（即溶剂效应）。增加分流比_{（柱流量不变，分流}_流量_增加），可以降低溶剂进入到色谱柱的含量，显著改善溶剂效应。

当然，也可以通过更换色谱柱固定液类型，或者采用固定相液膜较厚的色谱柱来进行峰型改善。

注释1：色谱柱固定液类型改善峰型

在本实验中使用6%氰丙基苯基-94%二甲基聚硅氧烷固定液_（K_B_{-624色谱柱}_{30m×0.25mm×1.4}_μ_m_{，《中国药典》（2015版））}，该固定液为中等级性，甲醇属于强极性物质；依据“相似相溶原理”原理——即：结构和化学性质相似的物质容易发生相互作用, 结构和化学性质不同的物质相互排斥——由于极性不匹配原因，虽然使用了厚液膜色谱柱，但是甲醇的峰型仍然较差；可以采用极性的聚乙二醇色谱柱（如wax等）来改善峰型。

注释2：色谱柱液膜厚度改善峰型

一方面，采用固定相液膜较厚的色谱柱，由于其具有更大的柱容量，可以溶解更多的乙醇溶剂，从而降低了液膜较薄时溶剂过载导致的溶剂（乙醇）与甲醇的相互作用，增强了固定相与甲醇的相互作用；另一方面，固定相液膜较厚的色谱柱具有更强的保留，化合物在固定相溶解-分配的过程越久，保留时间增加，塔板数下降，会导致峰形平缓和扩展，峰形的扩展会掩盖挥发性组分的拖尾从而改善色谱峰使之更加对称；再则，固定相液膜较厚的色谱柱具有较高的化学惰性，因为有更多的固定相来保护溶质不受色谱柱内壁表面的干扰，使用液膜较厚的色谱柱可以减少或消除活性化合物的色谱峰拖尾。

2.4 分流流量（分流比）改善峰型

在使用顶空-气相色谱法分析相关样品时，会遇到由于气相色谱条件设置引起的样品峰型不尖锐、呈现鼓包和馒头峰的现象；上述现象基本都可以通过调整分流比的方法进行消除。

下图为测定溶剂残留分析时的分析色谱图，使用KB-5（30m×0.25mm×0.25μm）。当色谱柱流量设置为1mL/min，分流流量5mL/min（即分流5:1）时，色谱图如下，样品峰型不尖锐、呈现鼓包和馒头峰的现象：

将分流流量调整为20mL/min，即分流比为20:1时，各浓度点峰型改善明显，下图：

其主要原因可以认为当分流比较小时，进入色谱柱的样品量较大，样品不能在两相_{（固定相和流动相）}瞬间达成分配平衡，且纵向分子扩散严重（发生了塔板扩散），不满足线性理想色谱的条件，因此出现峰型不尖锐、呈现鼓包和馒头峰的现象。

3 小结

分流流量（分流比）的调整不会影响保留时间，因为保留时间与色谱柱类型与规格、色谱柱流量和柱温箱温度程序等有关；但是调整分流比时应当注意到其对灵敏度的影响——分流比越大，进入到色谱柱的样品量越小，因此，调整分流比应当满足灵敏度的要求。

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xx_dxd_xx

第1楼2022/09/01

楼主对现象描述很清楚，但是对于原理的解释没说清楚。分流比增大本质上是减小了初始带宽。
实测的塔板数并不是真正的理论塔板数，因为塔板理论要假设样品初始是没有宽度的脉冲，这样才能保证样品全部加载到第0号塔板上。而实际上初始带宽不可能为0，而是由进样控制的，所以实测的峰宽是初始带宽与塔板理论导出的峰宽的卷积，也就是说色谱峰是在初始一个本来就展宽的峰的基础上进一步因为塔板分配而展宽，这就必然比理论推导的峰更宽一些。
保持柱流量不变的前提下增大分流比，就是总流量增大，本质流经进样口的载气流量增大，也就是让样品更快的进色谱柱。当样品进入色谱柱的时间足够短时，就可以认为初始带宽足够小，这时测出来的塔板数才是接近塔板理论推导的理论塔板数。
例如衬管体积是1mL，柱流速1、分流比9时，样品从衬管中流过的时间粗略估计就是1mL/（1mL/min 9mL/min）=0.1min，此时色谱峰初始就有0.1min宽，经过柱子后只会变得更宽。如果改成分流比49，样品从衬管中流过的时间粗略估计就是1mL/（1mL/min 49mL/min）=0.02min，也就是让峰变得更窄了。

1

分
该帖子已被版主-zyl3367898加5积分，加2经验;加分理由:讨论

安平

第2楼2022/09/01

应助达人

小口径色谱柱进样时，避免使用较小的分流比。

否则，进样速度太慢。样品进入色谱柱的时间过长，从而造成色谱峰展宽。

保留时间较短的组分，这个线性尤其明显。

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许之秦

第3楼2022/09/01

应助工程师

保持柱流量不变的前提下增大分流比，流经进样口的载气流量增大，也就是让样品更快的进色谱柱，这点确实如此；另外，分流比增大减小了实际进入色谱柱物质的量，也会降低初始谱带的展宽。还是按照上述的数字来说，从衬管中流过的时间从0.1min变成了0.02分钟，但是样品传输过程中还会有扩散，某种程度上应该说进样量减小的作用会更大一点。

当然，卷积函数是处理这类叠加问题的良好工具，也可以实际进行相关的计算。
xx_dxd_xx(xx_dxd_xx) 发表:楼主对现象描述很清楚，但是对于原理的解释没说清楚。分流比增大本质上是减小了初始带宽。
实测的塔板数并不是真正的理论塔板数，因为塔板理论要假设样品初始是没有宽度的脉冲，这样才能保证样品全部加载到第0号塔板上。而实际上初始带宽不可能为0，而是由进样控制的，所以实测的峰宽是初始带宽与塔板理论导出的峰宽的卷积，也就是说色谱峰是在初始一个本来就展宽的峰的基础上进一步因为塔板分配而展宽，这就必然比理论推导的峰更宽一些。
保持柱流量不变的前提下增大分流比，就是总流量增大，本质流经进样口的载气流量增大，也就是让样品更快的进色谱柱。当样品进入色谱柱的时间足够短时，就可以认为初始带宽足够小，这时测出来的塔板数才是接近塔板理论推导的理论塔板数。
例如衬管体积是1mL，柱流速1、分流比9时，样品从衬管中流过的时间粗略估计就是1mL/（1mL/min 9mL/min）=0.1min，此时色谱峰初始就有0.1min宽，经过柱子后只会变得更宽。如果改成分流比49，样品从衬管中流过的时间粗略估计就是1mL/（1mL/min 49mL/min）=0.02min，也就是让峰变得更窄了。

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许之秦

第4楼2022/09/01

应助工程师

小口径的色谱柱这点的表现尤为明显，从实际的测定来说，0.25和0.32的色谱柱都会有这类问题，文中2.4我用两种类型色谱柱都试过，较小分流比都会有这样的情况。不过由于使用的是顶空，可能顶空的传输线在色谱峰展宽中也有很大的作用。
安平(byron1111) 发表:小口径色谱柱进样时，避免使用较小的分流比。

否则，进样速度太慢。样品进入色谱柱的时间过长，从而造成色谱峰展宽。

保留时间较短的组分，这个线性尤其明显。

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落叶式谢幕

第5楼2022/09/01

原来分流比是这么影响分离效果的，谢谢楼主

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Ins_66bc2531

第6楼2022/09/01

第一张图，1：1和2：1的分流，影响的应该主要是溶剂峰，溶剂峰拖尾，如果更换色谱柱会不会有更好的效果？

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许之秦

第7楼2022/09/02

应助工程师

是这样的，用WAX色谱柱和-5的色谱柱分离甲醇，会有不同的效果，-5色谱柱甲醇保留时间短，不怎么拖尾
Ins_66bc2531(Ins_66bc2531) 发表:第一张图，1：1和2：1的分流，影响的应该主要是溶剂峰，溶剂峰拖尾，如果更换色谱柱会不会有更好的效果？

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m3197417

第8楼2022/09/02

先收藏再学习

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安平

第9楼2022/09/02

应助达人

顶空进样器的可能性要更大些。。。
许之秦(xianshijiyi) 发表:小口径的色谱柱这点的表现尤为明显，从实际的测定来说，0.25和0.32的色谱柱都会有这类问题，文中2.4我用两种类型色谱柱都试过，较小分流比都会有这样的情况。不过由于使用的是顶空，可能顶空的传输线在色谱峰展宽中也有很大的作用。

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zyl3367898

第10楼2022/09/02

应助达人

2楼说的原理很详细，时间越短，峰会越窄。

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