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朱振刚 日记

色谱仪,光谱仪,红外线分析器制造

 
 
 

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气相色谱仪原理(2)  

2012-04-27 18:34:35|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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气相色谱仪(2) - zhuzhengang666 - 朱振刚的博客
填料上的涂层
  填充柱
  图
  填充柱有较大的样品容量.是老式的灵敏度较低的检测器所必需 的。然而.采用现代高灵敏度的检测器.样品容量大的优势已经 消失。填充柱仍然适用于气体样品.但是.毛细管柱对于大多液 体样品会有更好的分离度。
  色谱柱管材
  色谱柱管材料包括:
  不锈钢一耐用,但是相对活泼的柱表面可能导致被分离组分的 损失和峰拖尾。
  玻璃一质脆,通常要求对内表面进行脱活处理。
  熔融石英一仅用于毛细管柱.惰性好、坚固耐用.是最常用的 柱材料。色谱柱特性
  色谱柱的用途是将多组分的样品分成窄的、分离良好的色谱峰 这两个目标并不是完全无关的。
  柱效
  高柱效的色谱柱产生窄的色谱峰。见图
  低柱效高柱效
  图18 柱效
  气相色谱仪(2) - zhuzhengang666 - 朱振刚的博客 
柱效是由色谱柱的结构(小的柱内径和薄的固定相涂层有最高的 柱效)和载气流速决定的。
  表2是所推荐的载气流速
  气相色谱仪(2) - zhuzhengang666 - 朱振刚的博客 
 表2 推荐的载气流速
    注:较低的流速接近于载气与色谱柱的优化值。通常.色谱柱运 行得更快.分析就更迅速.而不会损失多少柱效。如果分离非常 好或使用更短的色谱柱.色谱柱甚至还可以运行得更快。大多数 情况下.不用低于推荐值的流速.因为它们延长分析时间.还会 降低柱效。
  载气控制
  填充柱内的流速通常是用质量流量控制器来控制的。毛细管柱, 由于它的流速很低.常常是用压力来控制流速的。
  有些GC提供电子气路控制。这样的仪器允许从键盘上设定流速 并从显示器上读出。
  柱分离度
  高分离度的色谱柱能够作到基线分离。如果色谱峰很窄(柱效 高),分离将会更容易实现。
  载气流速的稍微改变能对分离度产生显著的影响。
  结合柱效和分离度的数学定义式,我们可以得到重要的结论:
  色谱柱分离度与柱长的平方根成正比。
  这意味着增加柱长并不是提高分离度行之有效的方法。柱长加倍,分 离时间(和色谱柱成本)也加倍,但是分离度仅仅增加大约40%。
  柱选择性
  这是一个定义不很明确的、与固定相有关的性质。事实上,它是 固定相对两种化合物表现出不同作用的程度。选择性低一两组分 同时流出。选择性高一两色谱峰分离。用毛细管柱还是填充柱
  两者各有所长。下面是一些需要考虑的因素。
  气体分析通常用填充柱完成。填充柱有足够的柱容量来适应较 大体积的气体进样量。气体样品分析常用填料包括:
  分子筛一氧气,氮气,氦气,氢气,二氧化碳,一氧化碳, 甲烷等。
  氧化铝一丙烷或更大分子量的化合物
  多孔性聚合物微球(Porapaks) -乙烷,丁烷,二氧化碳等。
  其中一些填料(但不是所有填料)可以用于毛细管色谱柱中。
  毛细管柱有比填充柱更高的分离度。即使选择性低一些,通常 也能实现足够的分离。
  一根毛细管柱能够完成多种分析,而用填充柱则可能需要多根 才能完成。
  对毛细管柱和填充柱都适用的的固定液有: 甲基硅烷一非极性到中等极性
  苯基甲基硅烷(5到50%的苯基)一烯烃,芳香化合物, 中等极性化合物
  聚乙二醇)_酸,强极性的物质
  由于毛细管柱高的分离度,通常可以牺牲一点分离度而减少分 析时间。由于分离度与柱长的平方根成正比,因此一根良好的 毛细管柱可以被截成两段很好的毛细管柱,而仅损失很少的分 离度。分离时间却可以减少一半!
  柱温
  色谱柱内的固定相(涂层)有一个适用的温度范围。
  漫菇温度通常是熔点。低于此.您所做的是气/固色谱;高于 此,您所做的是气/液色谱。结果可能大不相同。
  漫暮温度通常是指沸点或降解温度。
  色谱柱通常安装在可控温的柱箱里,因为温度对分离的影响是很 大的。
  温度
  柱温可以采用恒温或程序升温。如图19。
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 这是操作柱温箱最简单的方法。在整个分析过程中,柱温将保持 不变。它有以下优点
  柱温箱总是处于可进行样品分析的状态。
  两次分析之间不需要间隔时间。
  缺点:
  若样品组分的沸点范围很宽,那么恒温分离将会需要很长时间, ?由于色谱峰随时间而展宽,后面流出的峰将会难于检测或测定。
  程序控温
  在分析过程中,柱温随时间而变化,通常是升高柱温。它的优点是: ?减少分析时间
  整个分离过程中峰形一致,检测和测定更容易。 缺点:
  样品组分将经历比恒温分离更高的温度,这可能会导致某些敏 感组分降解。
  在两次进样之间.柱温箱必须冷却到初始温度。这样就抵消了 部分所节省的分析时间。
   气相色谱仪原理
  组分检测
  热导检测器
  工作原理 40 火焰离子化检测器(
  工作原理 42 电子捕获检测器(ECD) 43 工作原理
  本章所介绍的三种检测器能够完成GC的大部分工作。还有其他 一些检测器起互补作用(见表3),大多是元素专属性检测器或 质量选择性检测器,在这里将不对它们做详细介绍。
  表3 其他检测器 
气相色谱仪(2) - zhuzhengang666 - 朱振刚的博客 
 热导检测器
  所有气体都能够导热,但是氢气和氦气的热导系数最大(见 表4)。当两者任何一种作为载气时,任何其他成分的存在都将导 致热导检测池中气流热导率的下降。
  用TCD可以测量这种变化,并用来创建色谱图。
  表4 某些气体相对于正己烷的热导率  气相色谱仪(2) - zhuzhengang666 - 朱振刚的博客 
气体相对热导系数
    由于TCD是基于热导率的差异而工作的,故氢气或氦气显然是优 选的载气。
  工作原理
  当电压施加于热丝时.它就发热。稳定的温度取决于所施加的电 压、热丝的电阻和热丝向周围环境散热的速率。
  如果热丝被载气所包围.载气热导率的任何变化都会引起热丝温 度的改变。这样就导致热丝电阻的变化。早期的TCD设计是将四根热丝连接成惠斯通电桥。柱流出物流经 两根相对的热丝;纯的载气(参比气)流过另外两根热丝。当有 被分离样品组分流出色谱柱进入检测器时,电桥的平衡被破坏。
  现代的TCD设计如图20所示。  气相色谱仪(2) - zhuzhengang666 - 朱振刚的博客 
 此检测器只用一根热丝。快速切换阀使得柱流出物(含样品)和 参比气交替通过检测池。如果两气流是一样的一没有被分离的组 分,气体切换时热丝电阻不变。
  然而,在有样品组分进入检测池时,切换到色谱柱流出气时,热 丝温度降低;当切换到参比气时,热丝温度又恢复原值。电子传 感器能够探测到此变化并调节热丝的电源供给以使温度保持恒定。
  图20 热导检测器
  电源供给变化曲线的波动幅度取决于柱流出物(有组分存在时) 和参比气之间热导率的差异。火焰离子化检测器
  氢气和空气燃烧所生成的火焰产生不多的离子。然而有含碳有机 物进入火焰中燃烧时,离子产率将增大。
  工作原理
  从色谱柱流出的载气和氢气混合后在空气中燃烧。FID有两个电 极,其中之一是火焰燃烧的喷嘴,另一个加上极化电压后用来收 集火焰中的离子。
  当组分进入火焰时,收集极所记录到的电流增大。该电流经过放 大后形成色谱图。
  图21 火焰离子化检测器
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对在火焰中产生离子的任何物质都有响应,几乎包括所有有 机化合物(有少数例外)。
  通用的FID设计如图21所示。
  空 极焰 放电火
  电子捕获检测器(
  电子捕获检测器广泛应用于环境分析领域,这是因为它对含卤素 化合物有很高的灵敏度,包括大部分除草剂和农药。
  工作原理
  检测池中的放射性同位素,通常是63Ni,发射出0射线。^射线和 载气分子碰撞而产生低能量的自由电子。在两电极间施加极化电 压以捕集电子流。
  某些分子能够捕获低能量的自由电子而形成负离子。当此类化合 物分子进入检测池时,部分电子被捕获从而使得收集电流下降。 信号经过处理后形成色谱图。
  图22是一种ECD的结构示意图。
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 是高度选择性的检测器:对能捕获电子的物质有高的灵敏 度,而对其他物质则几乎不响应。一些相对响应值见表5。
  表5 ECD对某些化合物的灵敏度
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化合物相对于苯(响应值=1)的响应值
   气相色谱基本原理
   谱图解析
  色谱峰测量 47 保留时间 47 色谱峰大小 47 组分定性 49 组分定量 50 未校准计算 50 峰面积与峰高百分比法 50 校准计算 52 归一化法 54 外标法 55 内标法 56色谱仪产生随时间而变化的信号。当信号被记录下来时,就形成 我们熟悉的色谱图(见图23)。  气相色谱仪(2) - zhuzhengang666 - 朱振刚的博客 
图23 典型色谱图
  色谱图可以通过手动或电子处理方式转化为峰保留时间或峰大小 的数据列表。色谱峰测量
  对于一个色谱峰,我们可以获得两个基本的测量数据- ?进样后到色谱峰被检测到的时间 ?色谱峰的大小
  保留时间
  峰出现的时间是从开始进样到被检测到的时间,包括两部分:
  一载气流过色谱柱所用的时间。可通过注射空气或其他
  没有相互作用的物质来测定。
  保留时间一由于被分离组分与色谱柱固定相相互作用所造成的 滞留时间。
  在大多数情况下.通常忽略死时间而把出峰时间认为是保留时间。
  色谱峰大小
  色^峰大小可以通过峰高或峰面积来测定,二者都是相对于基线 而言的。
  色谱峰下的基线不能直接测量。它必须从色谱峰两侧的基线处测量
  对于分离良好的峰这是很简单的。但是当峰发生重叠,或出现在 溶剂峰的拖尾侧,或其他非理想化的情况时,测量就比较困难一 些。鉴于此,花在改善峰分离条件上的时间是值得的。
  峰高
  这是最简单的测量,仅仅需要一把测量尺。它是从峰尖到基线的 垂直距离。
  峰面积
  此面积是指由色谱峰信号曲线和基线所围成的面积。最好通过电 子方式来测量。
  图24为两个测量参数的图示。
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 测量基线
  图24 色谱峰测量
  积分仪和数据系统
  积分仪用来测量色谱峰的面积和峰高.以及峰保留时间。它们能 够方便而重现地将曲线(色谱图)转换为表格(时间和大小)。
  数据处理系统不仅有积分仪同样的优点.而且具有更多的功能:
  软件控制的积分仪比机械的积分仪更灵活。
  不用重复进样,可以采用不同的积分和计算参数对数据进行再 处理。
  系统能够更加精确的完成本章所介绍的几种基本的计算。 ?系统能够给出用户所需要的报告格式。 ?色谱峰的校准变得非常简单。 既可以进行一点.也可以进行多点校准。 ?原始数据和已处理的数据可以被保存以备后用^ ?系统可以同时处理多台气相色谱仪的数据。
  因为许多化合物可能在同一时间(或几乎同一时间)流出色谱 柱,因此仅仅依靠气相色谱本身是不能对一个完全未知的化合物 进行定性的。
  然而,当问题被加以限定时,气相色谱将变成一个强有力的工具。 可以通过比较气相色谱图以确定样品是否相同。例如,油轮里的原 油样品可以和海上浮油比较以确定油轮是否应对原油的泄漏负责。
  对于排除可疑性是很有用的。如果您从先前的实验中知道异辛 烷在1.9分钟出峰,那么一个在1.5分钟出的峰一定不会是异辛 烷。那么它是什么呢?
  幸运的是,您不必要考虑所有的有机化合物。样品信息限定了可 能的化合物。例如,您不会期望在止痛药中找到链霉素。
  当一个未知的峰被初步确定后,还必须在别的不同性质的色谱柱 上重现以得到确认。如果一个化合物在基于沸点分离的柱(甲基 硅氧烷)和极性柱(聚乙二醇)上有正确的保留时间,此定性很 可能就是正确的。
  在处理已知样品组分并且要求定量时是特别有用的。GC通常 也用来监测杂质组分的存在(作为额外峰)。
  组分定性
  最后.GC可以和质谱或其他选择性检测器联用以提供明确鉴定 未知组分所需的辅助数据。组分定量
  未校准计算
  当载气通过检测器时将会产生信号。如果没有样品组分存在.所 产生的信号是基线。当有组分出现时,信号将会增强。
  当组分通过时.信号和其投影的基线所围面积是峰面积。从色谱 峰顶到投影的基线的最大垂直距离是峰高。
  积分伩或数据处理系统负责处理绘制基线和测量峰面积和峰高这 项困难的任务。其结果就是测量的响应值(MR)。
  峰面积与峰高百分比法
  在一次进样分析过程中每一个色谱峰所占总的峰面积或峰高的百 分比。
  假设检测器对所有组分都有相同的响应。计算公式见公式1。 第n个峰含量
  第n个峰的MR/_次进样的所有MR的和
  优点:
  快速,因为不需要进行校准。 ?进样量在一定范围内变化不影响结果。
  缺点:
  所有组分的色谱峰必须能够检测到。
  任何没有被检测到或有没流出色谱柱的峰都会减少MR的总 和。这会造成所有被测物质含量值偏高。如果组分的响应因子不同,未校准计算的结果是不准确的。这会 造成早流出的峰的测得含量偏高。
  适用范围
  为建立校准表而列出响应信号和保留时间。 ?要进行快速分析,与设定的极限值比较,结果重现。 ?用于过程监测,产品检验测试等。 ?不能用于对绝对准确度要求高的分析。校准计算
  如果峰面积和峰高百分比定量不能满足需要,就要用标准样品分 析所得数据进行校准计算,以建立单个色谱峰的定量校准曲线。
  最简单的校准是响应因子,它是通过已知组分的含量除以相应峰 的大小来计算的。
  用图表示,响应因子是组分含量对色谱峰大小曲线的斜率,如 图邸所示。
  色谱峰大小
  图25 响应因子
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响应因子可通过分析一个含有所有欲校准组分的标准混合溶液来 进行测定。
  但是,响应因子方法有两个假设的前提条件: ?含量/峰面积(峰高)曲线经过原点。 ?含量/峰面积(峰高)曲线是直线。
  对于一个可靠的校准,两个前提条件都必须通过实验来加以证明 如果曲线确实是一条直线且确实通过原点,则响应因子是有效的
  在图25中,响应因子可用于色谱峰A和B,但不适用于色谱峰C。 两种形式的定量校正用公式2和公式3来表示。
  对于色谱峰A和
  峰的CR值=峰旳MR值X色谱峰响应因子⑵
  对于色谱峰
  峰的CR值=色谱峰MR值旳〈响应曲线量〉⑶
  色谱峰C只有用整个校准曲线进行校正。手动进行这样的处理是 很费时的,但是用数据处理系统就很容易做到了。归一化法
  归一化百分比法与面积和峰高百分比法类似,但是要用校正的响 应值(CR)代替测量的响应值,如公式4所示。
  第n个色谱峰含量
  第n个色谱峰的CR值/所有峰的CR之和]X 100⑷
  此计算方法可对组分灵敏度差异进行校正,这对流出早的色谱 峰的计算结果更加准确。
  进样量在一定范围内变化不影响结果。 缺点:
  此方法必须经过校准。
  所有的峰都必须能被检测。任何没有被检测到或有没流出色谱 柱的峰都会减少CR的总和。这会造成所有被测物质含量值偏高。
  所有的峰都必须被鉴定和校准,以求达到最高的准确度。未知 的(故未校准)峰将会降低校准的绝对准确度。
  适用范围
  如果没有高沸点化合物存在,就可给出非常准确的结果。 外标法
  外标法最大的优点是只对目标化合物的色谱峰进行校准即可。其 计算非常简便;见公式5。
  第n个色谱峰含量=第n个色谱峰的CR值(
  优点:
  只需对目标化合物进行校准。 ?只需目标化合物流出色谱柱并被检测即可。 ?每一个校准的峰都是独立进行计算的。
  缺点:
  必须对目标化合物进行校准。
  外标法假定仪器漂移是可以忽略的。必须定期用已知测试样进 行测试以确证这一点。
  因为外标法是绝对计算而非相对计算,因此恒定的进样量是至 关重要的。用手动进样很难保证这一点。实际上,气体或液体 进样阀,或自动液体进样器是必须的。
  适用范围
  使用进样阀进行气体分析。随着仪器稳定性能的提高.借助于自 动进样装置保证恒定的进样量,外标法已经取代了许多过去要求 用内标法来测定的分析工作。
  内标法
  内标法对每一个色谱峰提供独立的计算。它同时还对进样量的波 动、仪器漂移和其他影响因素进行校正。
  虽然随着现代仪器的发展外标法有很大的改进,但是内标法仍被 认为是最准确的色谱定量方法。
  内标法的基本计算公式见公式6。
  第n个峰的含量
  第n个峰的CR值/内标峰的CR值I X内标峰旳含量
  内标、峰的含量是在分析之前加在待测样品中的已知内标化合物
  的含量。
  这通常被认为是最为准确的定量方法。
  只需对目标化合物进行校准。 只需目标化合物流出色谱柱并能够检测到》 ?每一个校准峰是独立计算的。 ?进样量微小的变化不影响测定结果。 ?微小的仪器漂移不影响测定结果。
  缺点:
  必须对目标峰进行校准。 ?每个样品中必须加入已知量的内标化合物。
  适用范围
  要求高准确度的液体样品分析。
  注释
  内标一词有两个稍有区别的含义
  外标法原本是为了补偿手动进样所引起的进样量误差而开发 的。为了达到此目的,内标化合物在样品前处理(萃取、蒸 馏,等等)完成后加到将要进样的样品中去。对内标物的主要 要求是样品中不含有该物质,同时内标化合物能够产生与样品 组分完全分离的、峰形很好的色谱峰。内标物不必和样品组分 的化学性质相似。
  在许多生化分析和相关的应用中,内标化合物是在样品处理之 前加入到原始样品中去。在这种情况下,内标化合物的化学性 质必须和样品相似,以保证前处理步骤对内标物和样品组分有 相同的影响。此时,内标物用来对两种不同的因素进行较正: 在预处理过程中样品回收量的误差和进样时样品量的误差。用 单一内标物是不可能实现这两个目的的。通过精确控制样品预 处理过程和用实验来证明回收率是高度重现的,那么误差可以 减少至可接受的程度。
  






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