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气相色谱法分析-程序升温操作技术
  • 发布日期:2019-10-30      浏览次数:316
    •   对于沸点分布范围宽的多组分混合物,使用恒柱温气相色谱法分析,其低沸点组分会很快流出,峰形窄且易重叠,而高沸点组分则流出很慢,且峰形扁平且拖尾,因此分析结果既不利于定量测定,又拖延了分析时间。若使用程序升温气相色谱法,使色谱柱温度从低温(如50℃)开始,按一定升温速率(如5~10℃/min)升温,柱温呈线性增加,直至终止温度(如200℃),就会使混合物中的每个组分都在柱温(保留温度)下流出。此时低沸物和高沸物都可在较佳分离度下流出,它们的峰形宽窄相近(即有相接近的柱效),并缩短了总分析时间。

        图8-62为正构烷烃混合物样品在涂渍3%阿匹松L/Var Aport(100/120目)色谱柱(柱长50.8cm,内径1.58mm)上进行恒温(100℃)和线性程序升温(从50℃升温到250℃,升温速率为8℃/min),分析以He作载气(流速10mL/min),得到的气相色谱分析结果。

        程序升温操作采用低的初始温度,使低沸点组分峰的分离度提高,随柱温的升高,高沸点组分能较快流出,且峰形对称。其完成全部分析的时间比恒温分析短,获得峰形的对称性好。

        图8-62 正构烷烃的恒温和线性程序升温的气相色谱分析谱图

        程序升温过程会自动获得分离每个组分的柱温,在达到此柱温以前,每个组分都冷凝在被加温的色谱柱中,直到到达柱温,再快速从色谱柱中逸出,实现和其它组分的分离。

        程序升温气相色谱特别适用于气固色谱、痕量组分分析和制备色谱。

        图8-63表示程序升温常用的两种方式,即单阶或多阶线性程序升温操作。表8-42为恒温和程序升温气相色谱分析方法的比较。

        图8-63 程序升温的方式

        表8-42 恒温和程序升温气相色谱方法的比较

        (一)基本原理

        主要介绍保留温度、初期冻结、有效柱温及选择操作条件的依据。

        1.保留温度

        在程序升温气相色谱分析中,每种溶质从色谱柱流出时的柱温,称该组分的保留温度TR,对线性程序升温可按下式计算:

        TR=To+rtR (8-34)

        式中,T0为初始温度;r为升温速率,℃/min; tR为组分的保留时间。

        在PTGC中组分达保留温度时的保留体积Vp为

        式中,F为载气流速,mL/min。

        在线性PTGC中,TR和tR的关系如图8-64所示。在线性程序升温中的Kovats保留指数IPT为

        式中,n为碳数,TR(x)、TR(n)、TR(n+1)为被测组分x和碳数分别为n和n+1的正构烷烃的保留温度。

        2.初期冻结

        在PTGC分析中,进样后因柱的起始温度很低,仅可对低沸物进行分离,其余大多数组分因在低柱温蒸气压低,大都溶解在固定相中,其蒸气带在柱中移动得非常慢,几乎停留在柱入口处不移动,即凝聚在柱头,此为PTGC所特有的现象,被称作初期冻结。

        图8-64 线性程序升温中

        温度-时间图

        程序升温开始后,样品中不同沸点的组分随柱温升高而迅速气化,样品的蒸气带在柱中迅速移动,柱温愈接近组分的保留温度,其在柱中移动得愈快,当达到保留温度TR时即从柱中逸出。通过物理化学计算可知,柱温升高30℃,溶质在气相的蒸气压会增加1倍,其在色谱柱中的移动速度也增加1倍。在程序升温过程中,样品组分在色谱柱中移动的位置与保留温度的关系如图8-65所示。

        图8-65 组分在程序升温柱中移动位置与柱温关系图

        由上述可知,程序升温的重要特点是:样品中的每个组分,进样后在未达到适宜的流出温度之前,主要冻结、凝聚在色谱柱入口处,当柱温升高至TR-30℃时,移动至色谱柱一半的位置,直至柱温达到适于逸出的有效温度,才迅速从柱中流出。

        3.有效柱温

        有效柱温T'是能获得一定理论塔板数和分离度的特征温度,对两个难分离的组分,它是实现分离的恒温温度,在此恒定温度下两难分离组分的分离可达到与程序升温操作时同样的柱效和分离度。有效柱温T'可按下式计算:

        T'=0.92 TR

        此式表明有效柱温T'和保留温度TR的关联,用此式可由恒温分离的柱温,即相当于T'来预测程序升温的保留温度TR。

        4.程序升温的操作参数

        由程序升温的保留体积可推导出,在程序升温过程中,任何溶质在确定色谱柱上的保留温度仅依赖于r/F的比值,而与程序升温的初始温度T0和终止温度TF无关,当r/F比值等于1时,对应的柱温即为各个组分的保留温度TR,如图8-66所示。

        图8-66 r/F-Tc关系图

        图8-67 Ri-r/F关系图

        3,4,5,6为不同碳数的烷烃

        在程序升温过程中两个相邻难分离组分的真正分离度Ri(定义见后)与r/F比值呈反比,如图8-67所示。

        由上述可知,在程序升温色谱分析中,当色谱柱确定后,升温速率r和载气流速F是影响保留温度和分离度的主要操作参数。

        程序升温操作时,采用低的升温速率可获高分离度、长的分析时间和低的检测灵敏度。若用高的升温速率,通常对保留值大的高沸点组分影响大,可减少分析时间、提高检测灵敏度。

        当使用填充柱时,常用较大流速的载气(40mL/min),此时应选择较高的升温速率,以保持r/F比值不变。当使用毛细管柱时,因在低流速(1mL/min)载气下操作,r/F比值主要由r进行调整。

        (二)操作条件的选择

        1.柱效的评价

        程序升温条件下,表示柱效的理论塔板数按下式计算:

        式中,tTR为溶质在保留温度TR的恒温条件下测得的保留时间(它不是在程序升温过程达到保留温度时所需的保留时间tR) ;Wb(p)为溶质在程序升温运行中,在保留温度洗脱出色谱峰的峰底宽度。

        式(8-38)中不能用tR代替tTR的原因,是因为在程序升温过程中存在初期冻结。只有当柱温上升接近TR时,溶质蒸气才迅速通过色谱柱,此时影响色谱峰形加宽的各种因素才发挥作用,因此若用tR来计算,n不能表示真正的柱效。

        2.真正分离度

        在PTGC分析中两个相邻组分的分离度可按下式计算:

        式中,tR(2)和tR(1)分别为保留温度TR2和TR1对应的两个组分的保留时间;Wbl(p)和Wb2(p)分别为与TR1和TR2对应的两个组分色谱峰的基线宽度。

        PTGC分析中的真正分离度Ri的表达式为

        式中,TR2和TR1为两个相邻组分的保留温度;tTR1和tTR2分别为柱温在TR1和TR2的恒温条件下,测得组分(1)和(2)的保留时间;r为升温速率。

        分离度和真正分离度的关系为

        式中,n为程序升温条件下的理论塔板数。

        3.操作条件的选择

        PTGC中的操作条件为升温方式、初始温度、终止温度、升温速率、载气流速、柱长等。影响分离的主要因素是升温速率和载气流速。

        (1)升温方式对沸点范围宽的同系物多采用单阶线性升温。如样品中含多种不同类型的化合物,可使用多阶程序升温。现在性能完备的气相色谱仪可实现3~8阶程序升温。

        (2)初始温度通常以样品中易挥发组分的沸点附近来确定初始温度。若选得太低会延长分析时间,若选得太高会降低低沸点组分的分离度。一般通用仪器,低的T0就是室温,也可通入液氮降至更低温度的T0。此外还应根据样品中低沸点组分的含量来决定初始温度保持时间的长短,以保证它们的完全分离。

        (3)终止温度它是由样品中高沸点组分的保留温度和固定液的较高使用温度决定的。如果固定液的使用温度大于样品中组分的沸点,可选稍高于组分的沸点的温度作为终止温度,此时终止温度仅保持较短时间就可结束分析。若相反,就选用稍低于固定液的使用温度作为终止温度,并维持较长时间,以使高沸点组分在此恒温条件下完全洗脱出来。

        (4)升温速率在PTGC中升温速率r起到和恒温色谱中柱温Tc的同样作用,选择时要兼顾分离度和分析时间两个方面。当r值较低时,会增大分离度,但会使高沸物的分析时间延长、峰形加宽、柱效降低。当r值较高时,会缩短分析时间,但又会使分离度下降。对内径3~5mm、长2~3m的填充柱,r以3~10℃/min为宜。对内径0.25 mm、长25~50m的毛细管柱,r以0.5~5℃/min为宜。

        (5)载气流速使用填充柱时,载气流速应使其对应的线速等于或高于范第姆特曲线中的线速,并使载气流速F的变化与升温速率r的变化相适应,以在程序升温过程保持r/F的比值不变。当使用毛细管柱时,所用载气线速应大于范第姆特曲线中的实用线速,这样可忽略随程序升温引起载气线速下降而产生的不利影响。

        4.对程序升温系统的特殊要求

        (1)载气的纯化和控制在PTGC中应使用高纯载气,以防止微量有机杂质和微量氧引起的基线漂移或因氧化而改变固定液的保留特性。当使用普通载气时,必须用活性炭、硅胶、分子筛、活性铜粉(屑)进行净化。程序升温过程为保持载气流速恒定,应使用稳流阀,以防止因柱温升高、柱阻力增大,而引起载气流速降低。

        (2)耐高温固定液的使用在PTGC中,柱温经常在短时间内升至高温,因此固定液的流失是不可避免的。为减少固定液的流失并保持基线的稳定,应使用耐高温固定液,如SE-30 (350℃)、OV-101(350℃)、ApiezonL(300℃)、OV-17(300℃)、QF-1(250℃)、PEG-20M(250℃)、FFAP(250℃)、Versamid900(250℃)、SF-96(300℃)等。另外应注意到在低的初始温度,应使用黏度小的固定液,如可用SE-30和OV101时,使用OV 101,因其在常温下呈液态。

        (3) PTGC仪器的结构特点

        ①仪器配置双气路、双色谱柱,以补偿在升温过程中因固定液流失而引起的基线漂移。某些仪器仅配有单柱,但其具有单柱补偿功能,它利用计算机可储存此单柱在PT过程因固定液流失造成漂移的信号,并从实际样品信号中扣除,从而也可获得平直的基线。

        ②仪器中应有各自独立的气化室、柱箱和检测器室,以保持柱箱进行程序升温时不引起气化室和检测器室的温度变化。气化室采用柱头进样方式,以充分利用PTGC特有的初期冻结现象。

        ③柱箱要足够大,使用绝热性能好的耐火材料,利于快速升温和空气对流;箱内装有大功率电加热器和强力风扇,以满足快速升温和使温度分布均匀的要求。降温时使用的通风炉门应能在程序升温结束时自动开启,以进行快速降温,当降至初始温度时可自动关闭,并为下次程序升温做好准备。

        ④程序升温控制器多采用电子式控温,要求其具有的重复性,尤其是升温速率的重复性直接影响定性和定量分析的准确性。单阶程序升温控制器,可控制初始温度、初始温度维持时间(0~60min)、升温速率(0.2~50℃/min)、终止温度及其保持时间(0~60min)。对多阶程序升温控制器,除可控制上述指标外,还可在升温过程自动改变升温速率,并控制多阶程序升温的全部执行时间(600min)。

        毛细管柱具有高柱效,在分离组成复杂的混合物时,应尽可能在低柱温下进行,以获得高分离度,但柱温也不宜太低,否则分析时间过长、柱效下降。因此柱温选择应兼顾分离度和分析时间两个方面的需要。

        对沸点范围宽、组成复杂的混合物应利用色谱柱的程序升温技术,以获得分离度、短分析时间的分析结果。

        (三)程序升温气相色谱法的应用范围

        根据程序升温方法的特点,特别适用于以下情况的气相色谱分析。

        (1)宽沸程样品的分离如石油馏分的分析,多碳醇的分析,多碳脂肪酸酯类的分析,复杂天然产物(香精油、食品香料)的分析等。

        (2)气固色谱分析在气固色谱分析中的两个明显缺陷—由于非物理吸附造成峰形的严重拖尾和由于溶质的吸附系数太大而延长了分析时间,都可通过采用PTGC而获得明显的改善。

        (3)制备气相色谱利用样品的初期冻结现象,通过程序升温而获流出时间适中和峰形对称的窄峰,有利于分别收集各个组分的纯品。

        (4)痕量组分分析在低的初始温度可重复多次进样,并在低初始温度下使溶剂迅速流出,而高沸点的痕量杂质可冻结在柱头,当浓缩至一定数量后,再进行程序升温,使高沸点杂质流出以提高检测灵敏度。

        使用程序升温技术确有许多优点,但对难分离的组分使用程序升温技术并不是有效的手段,此时仍应从固定液的选择和优化操作条件上来解决分离问题。

        后要指出,PTGC分析的重现性必须很好,否则就难于进行定量分析了。

        一、填充柱与毛细管柱的性能比较

        填充柱与毛细管柱的性能比较见表8-41。

        表8-41 填充柱与毛细管柱的性能比较

        二、保留时间锁定技术

        保留时间是气相色谱法中进行定性分析时的基本参数,它是由实验溶质与柱中固定相之间的分子间相互作用力所决定的,但也受影响柱效的因素,如温度、柱压降、载气流速的影响。为克服气相色谱操作条件的影响,有人也曾提出用相对保留值或科瓦茨保留指数进行定性分析,但它们仍然必须使用保留时间这个基本参数。

        为了提高保留时间测定的重现性,可使用保留时间锁定技术,它可使待测化合物的保留时间在不同仪器、不同规格尺寸的同类色谱柱(即固定相和相比相同)之间保持不变。此技术的依据是通过调节柱前压力的变化来补偿因仪器不同、柱尺寸不同引起的操作参数的微小变化。

        保留时间锁定技术的原理如图8-68所示。若测定样品中某目标化合物的保留时间为tRA,对应的柱前压为PA,为找出保留时间随柱前压变化的规律,可调节柱前压分别为1.2PA、1.1PA、1.0PA、0.9pA、0.8PA,并测出各自对应的保留时间,当以保留时间tR作横坐标,以柱前压p作纵坐标,以获得p-tR关系曲线。

        图8-68 保留时间锁定(RTL)原理图

        对此曲线作近似处理,可认为在PA±20%的压力范围内,可将此曲线作为直线处理,上述过程即为“锁定”目标化合物。被锁定的目标化合物,应在谱图中位置居中,能与其它组分完全分离,峰高中等,峰形对称。

        当更换了同类型的另一根色谱柱或需在另一台气相色谱仪上进行同一样品的分析时,就可利用锁定技术,在新的实验条件下,找到为保持原来组分的保留时间所需的调整后的柱前压。

        为此首先按原方法柱前压设置条件PA进行一次预分析,若此时前述目标化合物的保留时间发生了变化,成为tRB,且tRB<tra(也可能trb style="box-sizing: border-box;">tRA),此时由PA、和tRB在图8-68 p-tR关系曲线上找到了一个新坐标点,此点并不在原来的p-tR关系曲线上,我们可以通过新点(pA,tRB)作一条与原来p-tR。曲线(实线)相平行的另一条新曲线(虚线)。在这条新曲线上,找到与tRA对应的柱前压为pB,这表明在新的实验条件下,将柱前压调至PB,则此时目标化合物的保留时间仍保持为原来的tRA。因此在新的实验条件下,只要将柱前压调至pB,就可重现在原来实验条件下,对同一被分析物可获得相同的保留时间。

        如果经上述“锁定”,重现性不够满意,保留时间差值大于0.02min,则可再按上述方法进一步微调柱前压,以获得重现性更好的保留时间(即保留时间差值<0.02min),而实现“重新锁定”。

        使用保留时间锁定技术的方便之处是可充分利用原来的实验数据或相同实验条件下提供的文献数据,节约了分析时间,提高了工作效率,降低了分析成本。当利用国家标准分析方法进行样品分析时,使用此技术可保证分析结果的可靠性,并利于不同实验室间对同一样品获得分析结果进行的比对实验。此外使用此技术有利于建立色谱分析保留值数据库,便于对未知化合物进行定性鉴定。

        相关链接:气相色谱法的实验技术-毛细管柱的准备

        1.方法原理

        以硅胶、(或13X)分子筛、碳分子筛为固定相,用气固色谱法分析混合气中的氧、氮、甲烷、一氧化碳、二氧化碳及惰性气体等,用纯物质对照进行定性,再用峰面积归一化法计算各个组分的含量。

        2.仪器和试剂

        (1)仪器气相色谱仪,备有热导池检测器;皂膜流量计;秒表。

        (2)试剂

        ①硅胶(80/100目),120℃烘干备用。

        ②13X或分子筛(60/80目),使用前预先在高温炉内,于350℃活化4h后备用。

        ③高纯碳分子筛(60/80目)。

        ④纯氧气、氮气、甲烷、一氧化碳等,装入球胆或聚乙烯取样袋中。

        3.色谱分析条件

        ①色谱柱皆为不锈钢柱,柱温:室温。

        ②载气:氢气,流量30mL/min,氦气,流量20~70mL/min,

        ③检测器:热导池(TCD);桥流200 mA;衰减1/2~1/8;检测室温度为室温。

        ④气化室:室温;进样量用六通阀进样,定量管0.5mL。

        4.定性分析

        记录各个组分从色谱柱流出的保留时间(tR),用纯物质进行对照,所获谱图如图8-69~图8-71所示。

        图8-69 永性气体在13X和分子筛柱的分离谱图

        5.定量分析

        由谱图中测得各个组分的峰高和半峰宽计算各组分的峰面积。已知O2、N2、CH、和CO的相对摩尔校正因子分别为2.50、2.38、2.80和2.38。再用峰面积归一化法就可计算出各个组分的体积分数(%)。

        图8-70 在硅胶柱上分析久性气体

        1-CO2;2-O2;3-N2;4-CH4;5-CO色谱柱:φ6mm×1.8m,硅胶(80/100目),50℃

        载气:He, 33mL/min

        检测器:TCD

        气化室:常温,0.3mL

        图8-71 在碳分子筛柱仁分析久胜气体

        1-O2(6%);2-N2(74%);3-M(5%);4-CH4(5%);5-CO2(10%)

        色谱柱:φ3mm×3m, Unibeads C球形高纯碳分子筛(60/80目)

        程序升温:

        载气:He, 30mL/min

        检测器:TCD

        气化室:常温,0.3mL

        1.方法原理

        在硅藻土载体上涂渍非极性固定液角鲨烷,以分离Cl~C4烃类,对不同碳数的烃,按Cl~C4的顺序依次流出;对相同碳数的烃,按炔、烯、烷的顺序依次流出。用纯物质对照和相对保留值定性,用峰面积归一化法进行定量计算。

        2.仪器和试剂

        ①仪器气相色谱仪;氢火焰离子化检测器;皂膜流量计;秒表。

        ②试剂角鲨烷(气相色谱固定液);6201红色载体(60~80目);氮气、氢气和压缩空气;甲烷、乙烷、丙烷和丁烷纯气。

        3.色谱分析条件

        色谱柱:25%角鲨烷/6201 (60~80目),不锈钢柱管φ4mm×7m。

        柱温:室温。

        载气:氮气,流量40mL/min。燃气:氢气,流量40mL/min。助燃气:压缩空气,流量400mL/min。

        检测器:氢火焰离子化检测器(FID);高阻1010Ω;衰减1/2~1/8;检测室温度120℃。

        气化室:50℃;进样量六通阀进样,定量管0.2mL。

        4.定性分析

        记录各个组分出峰的保留时间(tR),并用纯烷烃气体和相对保留值定性。图8-72为C1~C4烃类在角鲨烷固定液上分离的谱图。

        5.定量分析

        由谱图中各组分的峰面积及从手册上查到的各个组分的相对质量校正因子,就可用归一化法计算出各个组分的质量分数。

        6.低级烃在多孔层毛细管柱的全分析

        随着毛细管柱在石油化工生产中的推广使用,C1~C5烃类在内壁涂敷多孔层A12O3载体的熔融硅毛细管柱(PLOT)上,可获得更好的分离效果。其色谱分析条件如下所示。

        色谱柱:AA12O3/KCI PLOT柱;φ0.32mm×50m,载体层厚度 df=5.0um,程序升温70℃→200℃,升温速率3℃/min。

        载气:N2,平均线速=26 cm/s。燃气:H2。助燃气:空气。

        检测器:FID, 250℃。气化室:250℃。分流比1:100。

        分离谱图见图8-73,用归一化法定量。

        图8-73 Cl~C5烃类物质的分离分析色谱图

        1-甲烷;2-乙烷;3-乙烯;4-丙烷;5-环丙烷;6-丙烯;7-乙炔;8-异丁烷;

        9-丙二烯;10-正丁烷;11-反-2-丁烯;12-1-丁烯;13-异丁烯;14-顺-2-丁烯;

        15-异戊烷;16-1,2-丁二烯;17-丙炔;18-正戊烷;19-1,3-丁二烯;

        20-3-甲基-1-丁烯;21-乙烯基乙炔;22-乙基乙炔

        

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