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在線色譜分析儀

發布時間:2018-01-15瀏覽次數:2891返回列表

色譜法,又稱色層法或層析法,是一種物理化學分析方法,它利用不同溶質(樣品)與固定相和流動相之間的作用力(分配、吸附、離子交換等)的差別,當兩相做相對移動時,各溶質在兩相間進行多次平衡,使各溶質達到相互分離。它的英文名稱為:chromatography這個詞來源于希臘字chroma和 graphein,直譯成英文時為color和writing兩個字;直譯成中文為色譜法。但也有人意譯為色層法或層析法。

1906年由俄國科學家茨維特研究植物色素分離,提出色譜法概念;他在研究植物葉的色素成分時,將植物葉子的萃取物倒入填有碳酸鈣的直立玻璃管內,然后加入石油醚使其自由流下,結果色素中各組分互相分離形成各種不同顏色的譜帶。按光譜的命名方式,這種方法因此得名為色譜法。以后此法逐漸應用于無色物質的分離,“色譜”二字雖已失去原來的含義,但仍被人們沿用至今。
茨維特經典色譜分析實驗示意圖
9.1基礎知識
固定相——色譜法中,靜止不動的一相(固體或液體)稱為固定相(stationary phase) ;流動相——運動的一相(一般是氣體或液體)稱為流動相(mobile phase)。

按固定相的幾何形式色譜分析法分為:

 
柱色譜法(columnchromatography)
柱色譜法是將固定相裝在一金屬或玻璃柱中或是將固定相附著在毛細管內壁上做成色譜柱,試樣從柱頭到柱尾沿一個方向移動而進行分離的色譜法。目前在線色譜儀采用的是柱色譜法。

紙色譜法(paper chromatography)

 
  紙色譜法是利用濾紙作固定液的載體,把試樣點在濾紙上,然后用溶劑展開,各組分在濾紙的不同位置以斑點形式顯現,根據濾紙上斑點位置及大小進行定性和定量分析。
薄層色譜法(thin-layer chromatography,TLC)
薄層色譜法是將適當粒度的吸附劑作為固定相涂布在平板上形成薄層,然后用與紙色譜法類似的方法操作以達到分離目的。

簡單的說,色譜分析儀就是基于色譜法原理用色譜柱先將混合物分離開來,然后再用檢測器對各組分進行檢測。與前面介紹的幾種氣體成分分析儀不同,色譜分析儀能對被測樣品進行的分析,既能鑒定混合物中的各種組分,還能測量出各組分的含量。因此色譜分析儀在科學實驗和工業生產中應用的越來越廣泛。

 
色譜分離基本原理:
由以上方法可知,在色譜法中存在兩相,一相是固定不動的,我們把它叫做固定相;另一相則不斷流過固定相,我們把它叫做流動相。
色譜法的分離原理就是利用待分離的各種物質在兩相中的分配系數、吸附能力等親和能力的不同來進行分離的。
使用外力使含有樣品的流動相(氣體、液體)通過一固定于柱中或平板上、與流動相互不相溶的固定相表面。當流動相中攜帶的混合物流經固定相時,混合物中的各組分與固定相發生相互作用。
由于混合物中各組分在性質和結構上的差異,與固定相之間產生的作用力的大小、強弱不同,隨著流動相的移動,混合物在兩相間經過反復多次的分配平衡,使得各組分被固定相保留的時間不同,從而按一定次序由固定相中先后流出,色譜柱的出口安裝一個檢測器,當有組分從色譜柱流入檢測器中,檢測器將輸出對應于該組分濃度人小的電信號,通過記錄儀把各個組分對應的輸出信號記錄下來,就形成了色譜圖,如下圖所示。根據各組分在色譜圖中出現的時問以及峰值大小可以確定混合物的組成以及各組分的濃度。

 

 
混合物在色譜柱中的分離過程示意圖
色譜儀的分類
色譜分析法有很多種類,從不同的角度出發可以有不同的分類方法。從兩相的狀態分類:
色譜法中,流動相可以是氣體,也可以是液體,由此可分為氣相色譜法(GC)和液相色譜法(LC),我們工業上常用的在線色譜儀一般都是氣相色譜儀。固定相既可以是固體,也可以是涂在固體上的液體,由此又可將氣相色譜法和液相色譜法分為氣-液色譜、氣-固色譜、液-固色譜、液-液色譜。

氣相色譜儀組成部分

 
 
氣相色譜儀的構成簡圖
①氣源和載氣的控制和測量 
氣源多采用高壓瓶(氫、氮、氬等)做高純氣的儲存器,并裝有減壓閥,使高壓氣體減壓
成低壓氣體(0.1-O.5MPa)以供使用。鋼瓶供給的氣體稱為流動相,又稱載氣。載氣的作用
主要是把樣品輸送到色譜柱和檢測器中。
②流量調節閥
可以調節載氣的流速,常用的有穩壓閥和針形閥。流速計用以測量載氣流速。常用的有轉子流量計和皂膜流速計等。
③色譜柱和恒溫器 
色譜柱的作用是把混合物分離成單一組分。一般常用不銹鋼管或銅管內填充固定相構
成,管子成U型或螺絲形。一般柱管內徑為2—8mm,還有內徑小的稱為毛細管色譜柱, 柱管長度一般為1-4m或長。
恒溫器 為了保持色譜柱或檢測器內的溫度恒定,色譜柱和檢測器多置于恒溫器內。一般常采用空氣恒溫方式。
進樣器 把樣品通進色譜柱的元件稱進樣器,對于在線氣相色譜儀進樣工具常有流路切換閥、柱且閥、定量管等
④檢測器
檢測器又稱鑒定器是用來檢測柱后流出的組分,并以電壓或電流信號顯示出來,常用的
檢測器有熱導池式;氫火焰離子化式;電子捕獲式和火焰光度式檢測器數種。
⑤自動記錄儀
記錄儀的作用是將檢測器輸出的信號記錄下來,作為定性,定量分析的依據。不過當今的在線色譜儀都不配備自動記錄儀,取而代之的是大尺寸的LCD顯示屏或上位機,但都留有自動記錄儀的接口。
9.2氣相色譜儀常用的檢測器
檢測器(detector)——能檢測色譜柱流出組分及其變化器件,又稱鑒定器。是檢測色譜分離組分物理化學性質含量變化(多數情況是將其轉化為相應的電壓、電流)的一種儀器裝置。它是色譜系統中的關鍵部件,色譜分離過程的眼睛。信號
  對檢測器的要求是:靈敏度高,線性范圍寬,重現性好,穩定性好,響應速度快,對不同物質的響應有規律性及可預測性。
檢測器的分類
根據檢測器的輸出信號和組分含量的關系分,可以分為:
質量型檢測器:測量載氣中某組分進入檢測器的質量流速變化,即檢測器的響應值與單位時間內進人檢測器某組分的質量成正比。
濃度型檢測器:測量載氣中組分濃度的瞬間變化,檢測器的響應值與組分在載氣中的濃度成正比,與單位時間內組分進入檢測器的質量無關。
根據其測定范圍可分為:
通用型檢測器:對大多數物質夠有響應。
選擇型檢測器:只對某些物質有響應;對其它物質無響應或很小。
目前已有幾十種檢測器,其中常用的是熱導池檢測器、電子捕獲檢測器(濃度型)、火焰離子化檢測器、火焰光度檢測器(質量型)和氮磷檢測器等。具體原理和使用范圍如下:
熱導池檢測器(Thermal Conductivity Detector,TCD),由于它結構簡單,靈敏度適宜,穩定性較好,線性范圍較寬,適用于無機氣體和有機物,它既可做常量分析,也可做微量分析,小檢測量mg/ml數量級,操作也比較簡單,因而它是目前應用相當廣泛的一種檢測器。
TCD檢測器的結構及測量示意圖

火焰離子檢測器flame ionizationdetector,FID是氣體色譜檢測儀中對烴類(如丁烷,己烷)靈敏度好的一種手段,廣泛用于揮發性碳氫化合物和許多含炭化合物的檢測。FID用氫氣作為燃燒氣,其中摻有氦氣,氮氣等洗脫劑,在一個圓筒狀的電里的噴嘴處燃燒。噴嘴與電間電壓高達幾百伏,當含碳溶質在噴嘴處燃燒時,產生的電子/離子對被噴嘴和電處收集起來產生電流,該電流被放大并傳送到記錄儀或電腦數據采集系統的A/D轉換器處。它對電離勢低于H2的有機物產生響應,而對無機物、久性氣體和水基本上無響應,所以火焰離子化檢測器只能分析有機物(含碳化合物),不適于分析惰性氣體、空氣、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2及H2S等。

 
FID檢測器的工作原理圖
火焰光度檢測器(Flame Photometric Detector,FPD),是近三十年才發展起來的一種高選擇性和高靈敏度的檢測器。它對含硫、含磷化合物的檢測靈敏度很高。目前主要用于環境污染和生物化學等領域中,它可檢測含磷含硫有機化合物(農藥),以及氣體硫化物,如甲基對硫磷,CH3SH,CH3SCH3,SO2,H2S等,稍加改變還可以測有機汞、有機鹵化物、氯化物、硼wan以及一些金屬螯合物等。
FPD檢測器結構原理示意圖
電子捕獲檢測器(Electron Capture Detector,ECD),目前氣相色譜中常用的一種高靈敏度、高選擇性的檢測器。它只對電負性(親電子)物質有信號,樣品電負性越強,所給出的信號越大,而對非電負性物質則沒有響應或響應很小。電子捕獲檢測器對鹵化物、含磷、硫、氧的化合物,硝基化合物、金屬有機物、金屬螯合物,甾類化合物。多環芳烴和共軛羰基化合物等電負性物質都有很高的靈敏度,其檢出限量可達10-9~10-10克的范圍。所以電子捕獲檢測器在環境保護監測、農藥殘留、食品衛生、醫學、生物和有機合成等方面,都已成為一種重要的檢測工具。
ECD檢測器結構原理圖
總而言之,檢測器的發展方面,均向著高靈敏度,高重復性,反應快,線性寬等的方向發展.并且,正逐漸洐生出專門分析某些化合物的檢測器。
9.3色譜柱(chromatographic column

色譜柱——裝填有固定相用以分離混合組分的柱管。多為金屬玻璃制作。有直管形、盤管形、U形管等形狀。

 
氣相色譜柱的分類
色譜柱是由柱管和固定相組成,按照拄管的粗細和固定相的填充方式分為:填充柱、毛細管柱。
填充柱氣相色譜固定相
在影響色譜柱分離效果的諸多因素中選擇適當的色譜固定相是關鍵。必須使待測各組分在選定的固定相上具有不同的吸附或分配,才能達到分離的目的。
①氣-液色譜(分配色譜)固定相
氣-液色譜的固定相是由高沸點物質固定液和惰性擔體組成。
擔體(或載體)——是一種化學惰性的多孔固體顆粒,支持固定液,表面積大,穩定性好(化學、熱),顆徑和孔徑分布均勻;有一定的機械強度,不易破碎。
擔體的種類和性能
   硅藻土型:紅色硅藻土擔體—強度好,但表面存在活性中心,分離性物質時色譜峰易拖尾;常用于分離非、弱性物質。
白色硅藻土擔體—表面吸附性小,但強度差,常用于分離性物質。
非硅藻土型擔體:有氟擔體,適用于強性和腐蝕性氣體的分析;玻璃微球,適合于高沸點物質的分析;高分子多孔微球既可以用作氣-固色譜的吸附劑,又可以用作氣-液色譜的擔體。
擔體的預處理:除去其表面的活性中心,使之鈍化。
   酸洗法(除去堿性活性基團);
   堿洗法(除去酸性活性的基團);
   硅烷化(消除氫鍵結合力);
釉化處理(使表面玻璃化、堵住微孔)等。
②固定液——涂在擔體上作固定相的主成分
對固定液的要求:
化學穩定性好:不與擔體、載氣和待測組分發生反應;
熱穩定性好:在操作溫度下呈液體狀態,蒸氣壓低,不易流失;
選擇性高:分配系數 K 差別大;
溶解性好:固定液對待測組分應有一定的溶解度。
組分與固定液分子間的相互作用:
組分與固定液分子間相互作用力通常包括:靜電力、誘導力、色散力和氫鍵作用力。
在氣-液色譜中,只有當組分與固定液分子間的作用力大于組分分子間的作用力,組分才能在固定液中進行分配。選擇適宜的固定液使待側各組分與固定液之間的作用力有差異,才能達到彼此分離的目的。
固定液的分類:固定液有四百余種,常用相對性分類。
固定液的選擇:
一般是根據試樣的性質(性和官能團),按照“相似相溶”的原則選擇適當的固定液。
具體可從以下幾方面考慮:
a.分離非性混合物一般選用非性固定液
   組分和固定液分子間的作用力主要是色散力。試樣中各組分按沸點由低到高的順序出峰。常用的有:角鯊烷(異三十烷)、十六烷、硅油等;
   b.分離中等性混合物一般選用中等性固定液。
組分和固定液分子間的作用力主要是色散力和誘導力。試樣中各組分按沸點由低到高的順序出峰。
   c.分離性組分選用性固定液
組分和固定液分子間的作用力主要是定向力。待測試樣中各組分按性由小到大的順序出峰。例如:用性固定液聚乙二醇一20M分析乙醛和bing烯醛時,性較小的乙醛先出峰。
   d.分離非性和性(易化)組分的混合物選用性固定液: 
   非性組分先流出,性(或易被化)的組分后出峰。例如:采用中等性的鄰苯二甲酸二壬酯作固定液,沸點相差小的苯(沸點80.l℃)和環乙烷(沸點為80.8℃)可以定量分離,環己烷先出峰,若采用非性固定液則很難使二者分離。
e.對于能形成氫鍵的組分
選用強性或氫鍵型的固定液。如:多元醇、腈醚、酚和胺等的分離,不易形成氫鍵的先出峰。
氣-固(吸附)色譜固定相——固體吸附劑
①活性炭:非性吸附劑,分析低碳烴和氣體及短鏈性化合物。 
②氧化鋁:弱(中等)性吸附劑,主要用于分析C1~ C4 烴類及其異構體。
③硅膠:強性吸附劑,常用于分析硫化物:COS、H2S、SO2等。
④分子篩(人工合成的硅酸鹽):強性吸附劑,用于在室溫條件下使H2,O2,N2,CH4,CO得到良好分離。
⑤高分子多孔微球:性和非性吸附劑,可分析性的—多元醇、脂肪酸、腈類、胺類 或非性的—烴、醚、酮等;尤其適合分析有機物中的微量水。
9.4氣相色譜儀的載氣
作為氣相色譜載氣的氣體,要求要化學穩定性好;純度高;價格并易取得;能適合于所用的檢測器。常用的載氣有氫氣、氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳氣等等。 其中氫氣和氮氣價格,性質良好,是用作載氣的良好氣體。
氫氣
由于它具有分子量小,分子半徑大,熱導系數大,粘度小等特點,因此在使用TCD時常采用它作載氣。在FID中它是必用的燃氣。氫氣的來源目前除氫氣高壓鋼瓶外,還可以采用電解水的氫氣發生器,氫氣易燃易爆,使用時,應特別注意安全。
氮氣
由于它的擴散系數小,柱效比較高,致使除TCD外,在其他形式的檢測器中,多采用氮氣作載氣。它之所以在TCD中用的較少,主要因為氮氣熱導系統小,靈敏度低,但在分析H2時,必須采用N2作載氣,否則無法用TCD解決H2的分析問題。
氦氣
從色譜載氣性能上看,與氫氣性質接近,且具有安全性高的特點。但由于價格較高,使用較少。
載氣種類的原則
選擇何種氣體作載氣,先要考慮使用何種檢測器。
使用熱導池檢測器(TCD)時,選用氫 或氦作載氣,能提高靈敏度,氫載氣還能延長熱敏元件鎢絲的壽命;
氫火焰檢測器(FID)宜用氮氣作載氣,也可用氫氣;
電子捕獲檢測器(ECD)常用氮氣純度大于;
火焰光度檢測器(PFD)常用氮氣和氫氣:
擴散系數與載氣性質有關,與載氣的摩爾質量平方根成反比,所以選用摩爾質量大的載氣、可以減小分子擴散系數,提高柱效、但選用摩爾質量小的載氣,使分子擴散系數增大,會使氣相傳質阻力系數減小,使柱效提高。因此使用低線速載氣時,應選用摩爾質量大的,使用高線速時,宜選用摩爾量小的。
載氣純度的選擇
原則上講,選擇氣體純度時,主要取決于:
  分析對象;
  色譜柱中填充物;
  檢測器。
建議在滿足分析要求的前提下,盡可能選用純度較高的氣體。這樣不但會提高(保持)儀器的高靈敏度,而且會延長色譜柱,整臺儀器(氣路控制部件,氣體過濾器)的壽命。
實踐證明,作為中儀器,用于微量分析,長期使用較低純度的氣體氣源,一旦要求分析低濃度的樣品時,要想恢復儀器的高靈敏度有時十分困難。對于低檔儀器,作常量或半微量分析,選用高純度的氣體,不但增加了運行成本,為了純化氣體還需要增加凈化器,這樣增加了氣路的復雜性,容易出現漏氣或其他的問題而影響儀器的正常操作。因此不推薦對這樣的色譜載氣進行純化。另外,為了某些特殊的分析目的要求特意在載氣中加入某些“不純物”,如:分析性化合物添加適量的水蒸氣,操作火焰光度檢測器(FPD)時,為了提高分析硫化物的靈敏度,而添加微量硫。操作氦離子化檢測器要氖的含量必須在5~25ppm,否則會在分析氫,氮和氬氣時產生負峰或“W”形峰等。

氣體純度低的不良影響

 
根據分析對象,色譜柱的類型,操作儀器的擋次和具體檢測器,若使用不合要求的低純度氣體,不良影響有以下幾種可能:
樣品失真或消失:如H2O氣使氯硅樣品水解;
色譜柱失效:H2O,CO2使分子篩柱失去活性,H2O氣使聚脂類固定液分解,O2使PEG斷鏈。
有時某些氣體雜質和固定液相互作用而產生假峰;
對柱保留特性的影響:如:H2O對聚乙二醇等親水性固定液的保留指數會有所增加,載氣中氧含量過高時,無論是性或是非性固定液柱的保留特性,都會產生變化,使用時間越長影響越大。
檢測器:
TCD:信噪比減小,無法調零,線性變窄,文獻中的校正因子不能使用,氧含量過大,使元件在高溫時加速老化,減少壽命。
FID:特別是在/秒下操做時,CH4等有機雜質,會使基流激增,噪聲加大不能進行微量分析。
ECD:載氣中的氧和水對檢測器的正常工作影響大,在不同的供電工作方式中,脈沖供電比直流電壓供電影響大,固定基流脈沖調制式供電比脈沖供電影響大。這就是為什么目前諸多在操作固定基流脈沖調制式ECD時,在載氣純度低時必須把載氣純度選擇開關從“標準氮”撥到“一般氮”位置的原因。大家會發現在此情況下操作,不但靈敏度變低,而且線性亦變窄了。實踐證明:在操作ECD時,載氣中的水含量低于0.02ppm,氧低于1ppm時可達到較理想的性能。值得指出的是,我們多次發現由于儀器的調節氣路系統被污染而造成的對載氣的二次污染至使ECD基頻大幅度增加使信燥比減小。
FPD和NPD等常用檢測器,由于他們屬于選擇性檢測器,操做時要根據分析要求,特別注意被測敏感物質中雜質的去除。
9.5在線工業色譜儀系統的一般構成及其工作過程
                 在線工業色譜測量系統框圖
上圖是在線工業色譜測量系統的常見結構圖,現在工業中常用的在線色譜測量系統大致都與它相同。其工作過程如下:
工藝氣體經取樣和預處理裝置變成潔凈、干燥的樣品連續流過定量管,取樣定量管中的樣品在載氣的攜帶下進入色譜柱系統。樣品中的各組分在色譜柱中進行分離,然后依次進入檢測器。檢測器將組分的濃度信號轉換成電 。微弱的電信號經放大電路后進入數據處理部件,后送主機的液晶顯示器顯示,并以模擬或數字信號形式輸出。程序控制器按預先安排的動作程序控制系統中各部件自動、協調、周期地工作。溫度控制器對恒溫箱溫度進行控制。圖中的兩個虛線框分別表示工業色譜儀主機中的分析器部分和控制部分。

9.6色譜儀的譜圖及流出曲線

 
譜圖——色譜分析儀進樣后色譜柱流出物通過檢測器時產生的響應信號對時間或載氣流出體積的關系曲線稱為色譜圖。
流出曲線——色譜圖中檢測器隨時間輸出的響應信號曲線為色譜流出曲線。
基線——當沒有樣品組分進入檢測器時,色譜流出曲線只是一條反應儀器噪聲隨時間變化的曲線(僅有載氣通過檢測器時系統產生的響應信號曲線,稱為基線。
典型色譜流出曲線圖
上圖中各序號代表的概念名稱及其含義:
1——死時間(tM)不被固定相吸附或溶解的惰性組分(空氣等),從進樣開始到流出曲線濃度大值之間的時間,它正比于色譜柱系統中空隙體積的大小。
2——保留時間(tR)指被分析樣品從進樣開始到該組分流出曲線濃度大值之間的時間。
3——校正保留時間()扣除死時間后的保留時間。
4——峰寬(Y)從流出曲線的拐點作切線與基線相交的兩點間的距離。
5——半峰寬( )峰高一半處的色譜峰的寬度。
6——峰高(h)樣品組分流出大濃度時,檢測器的輸出信號。

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