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氣相色譜儀的發(fā)展及影響氣相色譜系統(tǒng)的因素
氣相色譜法是近20余年迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型的分離分析方法,已逐漸成為一門(mén)專(zhuān)門(mén)的科學(xué)氣相色譜法。其zui早應(yīng)用于分離分析石油產(chǎn)品,目前已被廣泛應(yīng)用于石油、化工、有機(jī)合成、醫(yī)藥及食品等工業(yè)的科學(xué)研究和生產(chǎn)等方面,不僅如此氣相色譜法還可應(yīng)用于生物化學(xué)、臨床診斷和藥理等方面的研究,特別在環(huán)境保護(hù)方面,對(duì)于水、空氣等的監(jiān)視工作,氣相色譜法已成為一種重要的手段。要獲得穩(wěn)定、可靠的分析數(shù)據(jù),就需要保證氣相色譜系統(tǒng)的*運(yùn)行狀態(tài),而其各部分裝置的性能如:載氣、進(jìn)樣口、色譜柱、檢測(cè)器等的性能極大地影響著色譜系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。選擇一個(gè)好的分析方法固然非常重要,但其首要條件是要在一個(gè)穩(wěn)定、良好運(yùn)行的色譜系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的,因此保證各部分裝置的性能是獲得可靠的分析數(shù)據(jù)的前提。
1 載氣
在氣相色譜中,各種氣體,如載氣、燃?xì)狻⒅細(xì)獾鹊募兌葧?huì)直接影響色譜儀的靈敏度、穩(wěn)定性,甚至色譜柱的壽命(柱效為原來(lái)的1/10時(shí),應(yīng)更換新的色譜柱)。因此要嚴(yán)格控制氣體的質(zhì)量和雜質(zhì)的去除。氣路管線不能使用塑料管或橡膠管。
1.1 質(zhì)量要求
純度要大于99.999%,對(duì)于FID、TCD大于99.999%即可。另外,若使用鋼瓶時(shí)要注意瓶?jī)?nèi)的壓力,在低于3~5個(gè)壓力時(shí),應(yīng)更換鋼瓶,因?yàn)槠康椎碾s質(zhì)較多,使得色譜儀的背景值高。
1.2 水分
對(duì)于毛細(xì)管柱,則必需干燥,不建議進(jìn)水樣,即使采用厚液膜也不建議采用。因?yàn)樗苁鼓承┕潭ㄏ喟l(fā)生水解,破壞色譜柱,產(chǎn)生噪聲、拖尾峰或鬼峰。
1.3 氧氣
氧氣是所有毛細(xì)管色譜柱的天敵。在室溫或近室溫下,長(zhǎng)期暴露于氧氣并不損壞色譜柱。但是,當(dāng)柱溫升高時(shí),將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞。
鑒于以上因素,在氣相色譜系統(tǒng)中,氣體均必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的凈化。但安裝時(shí)仍應(yīng)注意一些技巧,否則會(huì)達(dá)不到預(yù)期的效果。無(wú)論是串聯(lián)式、并聯(lián)式還是混合式,凈化器均應(yīng)靠近儀器,先安裝干燥管,再安裝脫氧管。安裝或更換氣源時(shí)要先沖洗過(guò)濾器(不連接色譜儀)。對(duì)于脫氧管,應(yīng)先通載氣,再把另一口打開(kāi)。不同的載氣有不同的影響,應(yīng)從三方面影響因素考慮:峰形擴(kuò)張(與載氣的分子量及流速有關(guān),分子量大,柱效高)、柱壓降(與載氣的粘度有關(guān))、檢測(cè)器的靈敏度(熱導(dǎo)系數(shù)對(duì)熱導(dǎo)池的影響)。一般選擇如下:載氣采用低線速時(shí),宜用氮?dú)鉃檩d氣;
高線速宜用氫氣為載氣;較大壓力降時(shí)采用氫氣為宜。另外載氣流速對(duì)色譜柱的柱效也有一定的影響,按公式u=L/t0,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定*流速。
2 進(jìn)樣口
進(jìn)樣口的作用是準(zhǔn)確、重現(xiàn)地把樣品導(dǎo)入色譜系統(tǒng),氣化的樣品應(yīng)該是真實(shí)的代表液體樣品,如無(wú)特殊需要,氣化過(guò)程樣品組分不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化。因此凡能影響樣品氣化、穩(wěn)定性的部件均應(yīng)考慮每個(gè)元件的*性能。該部位主要有隔墊、密封墊、襯管。
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2.1 隔墊
隔墊的作用是保證樣品流路與外部隔開(kāi),保持系統(tǒng)內(nèi)壓,防止泄露,避免外部空氣滲入,污染系統(tǒng)。一般由耐高溫、氣密性好的硅橡膠制成。不同品種的隔墊,其質(zhì)量也有很大的差異,表現(xiàn)為鬼峰的多少、耐穿刺性等。
為避免問(wèn)題的出現(xiàn),需要:(1)氣化室溫度要控制在zui高溫度范圍內(nèi);(2)定期更換。目的是為了防止漏氣、分解、樣品損失、柱流量或分流流量下降、出鬼峰、柱效下降;(3)安裝后“手緊”;(4)如果可行,使用隔墊吹掃;(5)用自動(dòng)進(jìn)樣器;(6)選用針尖鋒利的注射器。
2.2 密封墊
密封墊是用來(lái)密封色譜柱或襯管與色譜系統(tǒng)的連接。其應(yīng)該提供無(wú)泄露的密封效果、適宜的內(nèi)徑、耐高溫的變化。該元件若使用不當(dāng)或使用舊的密封墊,會(huì)導(dǎo)致色譜峰不一致,結(jié)果不可靠,使用不合適的密封墊,會(huì)使空氣和其他污染物滲入色譜系統(tǒng),嚴(yán)重影響柱效和檢測(cè)器性能。
為保持儀器*性能,每更換一次色譜柱或?qū)ιV柱維護(hù)處理時(shí),都要更換密封墊。另外,用前要先將密封墊烘干,保持潔凈,避免各種污染,如手、油;重新使用密封墊,要注意密封墊有無(wú)破損。更換密封墊仍有可能出現(xiàn)一些問(wèn)題。
2.3 襯管
襯管是進(jìn)樣體系的中心元件,樣品在此揮發(fā)成氣體。對(duì)于不同的應(yīng)用選擇合適的襯管是一件困難和復(fù)雜的工作,也是一件很關(guān)鍵的步驟,選擇不當(dāng),則可能會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象:峰形變壞、溶質(zhì)歧視、分析重現(xiàn)性差、樣品分解、出鬼峰。因此對(duì)于每種應(yīng)用須考慮襯管的三個(gè)特性:
(1)襯管容積:襯管的體積和樣品的蒸發(fā)時(shí)的體積是正確選擇襯管的極其重要的因素。如果襯管太小會(huì)有樣品反閃和損失,影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和靈敏性。在實(shí)際工作中可按溶劑膨脹公式計(jì)算:微升=22.400×A×B×C。式中:A:密度/分子量;B:15/(15+柱前壓psi);C:(進(jìn)樣口溫度+273)/273;(例如:1μL的水,250℃,15psi柱前壓22.400×1/18×15/30×523/273=1.192μL)
(2)襯管的處理或去活問(wèn)題:襯管內(nèi)壁存在著活性基團(tuán),對(duì)樣品組分產(chǎn)生吸附作用,并在譜圖上出現(xiàn)拖尾峰,檢測(cè)靈敏度和重現(xiàn)性下降。經(jīng)去活的襯管可以防止吸附樣品并可zui大程度降低不穩(wěn)定化合物的降解。未經(jīng)去活的襯管不適用于極性或易降解的樣品。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中去活的襯管也可能再現(xiàn)活性,雖然可以用沖洗的方法進(jìn)行清潔處理出去微粒或用溶劑沖洗揮發(fā)性組分,但找一個(gè)潔凈的處理方法也是很難、很復(fù)雜的一項(xiàng)工作,而且有些溶劑還可除掉活化層,所用工具也可能在襯管表面上劃痕,有會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不必要的活化點(diǎn)。
(3)襯管的類(lèi)型:根據(jù)不同的應(yīng)用,安捷倫公司設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的襯管。錐形襯管可把樣品聚集在柱頭,減少樣品返沖。填充玻璃棉(去活),在襯管的中間位置:可以提供更多的表面積,使樣品*揮發(fā),減少熱量不均勻現(xiàn)象、捕集隔墊碎片和不揮發(fā)組分,以防這些物質(zhì)進(jìn)入色譜柱、擦去注射針頭的樣品,防止樣品殘留在隔墊,增加分析重現(xiàn)性;在襯管底部位置:主要目的是用于捕集非揮發(fā)性組分。玻璃套杯,主要是幫助樣品蒸發(fā)和混合,若再加玻璃棉和惰性填料,可改善分析重現(xiàn)性,減少樣品歧視。但玻璃棉的襯管不適合用于分析酚類(lèi)、有機(jī)酸、農(nóng)藥、胺類(lèi)、活性極性化合物、熱不穩(wěn)定化合物。用于分流/不分流的襯管對(duì)于組分復(fù)雜的樣品有很好的益處。
以上三個(gè)特點(diǎn)均能影響載氣流通過(guò)進(jìn)樣口或樣品的氣化,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮這些因素的影響。
3 色譜柱
色譜柱是氣相色譜儀的關(guān)鍵部件,是分離樣品的重要部位。要得到一個(gè)很好的分析分離譜圖,主要是取決于固定相和柱溫的選擇。在氣-液色譜中固定相的選擇決定于固定液,擔(dān)體起支持體的作用,因此在氣-液色譜中,選擇合適的固定液很關(guān)鍵。一般可按照“相似相溶的原則”進(jìn)行選擇。即按分離組分的極性或官能團(tuán)與固定液相似的原則選擇,具體原則如下:
(1)按極性選擇:這是一個(gè)較為容易的選擇,不多說(shuō)明;
(2)按官能團(tuán)選擇;用類(lèi)似要分析化合物官能團(tuán)的固定液,如:酯類(lèi),則選擇酯或聚酯固定液;醇類(lèi)則可選擇聚乙二醇等醇類(lèi)固定液;
(3)按重要差別:各組分的沸點(diǎn)是主要矛盾,則選擇非極性固定液;若極性為主要矛盾,要選擇極性固定液。由于分離的好壞還要決定于柱溫、載氣流速等許多因素,因此該原則僅作為固定液選擇的原則之一,也是對(duì)色譜柱選擇的zui基本的要求。
在實(shí)際的操作中,應(yīng)注意色譜柱的填裝、老化、zui高使用溫度、安裝等關(guān)鍵問(wèn)題。填裝時(shí)要緊密而且中間不能有停頓,是固定相連續(xù)流下來(lái)填裝。老化時(shí)應(yīng)保持連續(xù)的老化,填充柱,毛細(xì)管柱一般幾個(gè)小時(shí)就可以,而且在實(shí)際使用溫度上20~30℃再連續(xù)老化一段時(shí)間,運(yùn)用程序升溫進(jìn)行老化時(shí)要重復(fù)幾次,會(huì)得到更好的老化效果。在實(shí)際或老化時(shí)不宜長(zhǎng)時(shí)間在zui高使用溫度下工作。老化時(shí)要十分注意:不要連接檢測(cè)器;確保有載氣通過(guò);氫氣不能作為老化氣。
一般情況下,新柱子、長(zhǎng)期不用的柱子、改變分離條件,均要進(jìn)行老化。安裝時(shí)不宜使填料與噴嘴下端距離太大,以略微有一定的空隙為宜。另外在安裝或拆卸時(shí)應(yīng)在室溫下操作,填充柱有卡套密封和墊片密封,卡套分三種:金屬卡套,塑料卡套,石墨卡套。安裝時(shí)不易擰的太緊,墊片式密封每次安裝色譜柱都要換新的墊片(島津色譜是墊片密封),并檢察色譜柱兩頭是否用玻璃棉塞好,防止玻璃棉和填料被載氣吹到檢測(cè)器中。
一般毛細(xì)管色譜柱色譜柱入口端插入襯管錐口的一半距離,即色譜柱穿過(guò)密封墊露出大約6mm的頭,毛細(xì)管色譜柱安裝插入的長(zhǎng)度要根據(jù)儀器的說(shuō)明書(shū)而定,不同的色譜氣化室結(jié)構(gòu)不同,所以插進(jìn)的長(zhǎng)度也不同。需要說(shuō)明的如果操作人員沒(méi)有采用毛細(xì)管色譜柱分流,氣化室采用填充柱接口這時(shí)與氣化室連接毛細(xì)管柱不能探進(jìn)太多,略超出卡套即可。在進(jìn)行樣品的檢測(cè)時(shí)對(duì)柱子的柱效都有一定的要求,因此必須柱效保持和提高柱效,可采用如下的方法:
(1)采用內(nèi)徑小的色譜柱;
(2)減少液膜厚度;
(3)使用更長(zhǎng)的色譜柱;
(4)減少進(jìn)樣量;
(5)采用程序升溫,以改善峰形;
(6)采用適宜的載氣流速和適當(dāng)?shù)妮d氣類(lèi)型。
4 檢測(cè)器
大多數(shù)檢測(cè)器是通用型,如:FID、TCD等,還有用于特殊物質(zhì)的檢測(cè)器,如:ECD、NPD等。對(duì)于不同的檢測(cè)器有不同要求。現(xiàn)對(duì)一些主要的檢測(cè)器進(jìn)行探討。
4.1 FID
FID(氫火焰檢測(cè)器)的靈敏度高、死體積小、響應(yīng)快、線性范圍廣,能有效地與毛細(xì)柱聯(lián)用,成為目前對(duì)有機(jī)物微量分析應(yīng)用zui廣的檢測(cè)器。FID檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)器、檢測(cè)電路(放大器)和氣路三大部分組成,當(dāng)發(fā)生故障或分析譜圖不正常時(shí),應(yīng)首先判斷區(qū)分問(wèn)題是出在哪一部分。FID系統(tǒng)常見(jiàn)不正常情況有:
(1)不能點(diǎn)火:問(wèn)題主要出在氣路或檢測(cè)器;
(2)基流很大:問(wèn)題主要出在氣路或檢測(cè)器;
(3)噪音很大:氣路、檢測(cè)器和電路出問(wèn)題都有可能;
(4)靈敏度明顯降低:氣路、檢測(cè)器和電路不正常都有可能;
(5)不出峰:氣路、檢測(cè)器、電路不正常都有可能;
(6)色譜峰形不正常:進(jìn)樣器、氣路、檢測(cè)器為主要檢查對(duì)象;
(7)基線漂移嚴(yán)重:氣路、檢測(cè)器都有可能;
(8)出現(xiàn)毛刺:收集極、噴嘴不潔凈。
常見(jiàn)的檢測(cè)步驟:
(1)檢查氣路:檢查H2(氫氣)、N2(氮?dú)?、AIR(空氣)流量是否正常,空氣流量太小和噴嘴嚴(yán)重漏氣就會(huì)引起較大的爆鳴聲而不能點(diǎn)火;氫氣太小,氮?dú)馓髸?huì)使點(diǎn)火困難和容易熄火;噴嘴漏氣,色譜柱漏氣不僅會(huì)使點(diǎn)火困難,也會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低,甚至不出峰;氫氣與氮?dú)饬髁勘葘⒚黠@影響靈敏度;氫氣流量太大也會(huì)造成噪音變大;氣路系統(tǒng)不干凈,包括進(jìn)樣器污染,檢測(cè)器污染或色譜柱沒(méi)有充分老化都會(huì)引起基流、噪音較大和基線漂移。在點(diǎn)火時(shí)請(qǐng)注意基流大小:在點(diǎn)火前,檢測(cè)器基線位置一般來(lái)說(shuō),應(yīng)為零或很小,僅有0.1~0.3左右,點(diǎn)火后H2氣調(diào)回正常工作值時(shí),基線為100以內(nèi),說(shuō)明系統(tǒng)十分干凈,一般還能使用,若基線值很大,就說(shuō)明系統(tǒng)污染比較嚴(yán)重,這時(shí)噪音、漂移都很大,儀器穩(wěn)定時(shí)間也較長(zhǎng)。檢查是哪部分受到污染的簡(jiǎn)單方法,就是分別單獨(dú)將某一部分的工作溫度升高,若基線明顯變大,該部分就污染嚴(yán)重。氣路(包括進(jìn)樣器)中的堵塞和漏氣,往往會(huì)引出峰不正常;進(jìn)樣器中襯管沒(méi)有壓平也會(huì)破壞正常峰形。
(2)檢查檢測(cè)器:檢查噴嘴是否漏氣,堵塞。另外還應(yīng)注意積水、燈絲老化、生銹也是點(diǎn)不著火的一個(gè)原因。另外對(duì)于檢測(cè)器的使用,其溫度設(shè)定應(yīng)不低于150℃,建議在200℃以上,并應(yīng)在此溫度下保持一定時(shí)間再點(diǎn)火,這樣可以除去檢測(cè)器存留的水分,關(guān)閉時(shí)可先關(guān)閉氫氣,繼續(xù)開(kāi)著空氣,可避免一些雜質(zhì)的附著。
(3)對(duì)于檢測(cè)器的噴嘴、收集極進(jìn)行清洗應(yīng)按如下步驟進(jìn)行:溶劑超聲－熱水沖洗－甲醇沖洗－吹干。切記不可用尖銳的硬物劃傷噴嘴、收集極,這樣會(huì)造成新的活化點(diǎn)出現(xiàn)。安裝時(shí)切記不可用手直接接觸該部件。
4.2 TCD
對(duì)于該檢測(cè)器必須保證載氣、參比氣、尾吹氣來(lái)自同一個(gè)氣源;確保參比氣吹凈參比極和溫度超過(guò)150℃,才能開(kāi)啟燈絲。在清洗檢測(cè)器時(shí)應(yīng)進(jìn)行熱清洗,并要持續(xù)幾個(gè)小時(shí)后,再冷卻至正常操作溫度。清洗時(shí)要與柱子斷開(kāi),并堵上與柱子的連接口。
4.3 ECD
由于該檢測(cè)器有放射源,因此應(yīng)將尾氣排放到室外。清洗時(shí),不可拆下檢測(cè)器,只能進(jìn)行熱清洗,加熱至375℃,尾吹氣為50~60mL/min。
4.4 NPD
該檢測(cè)器主要用來(lái)檢測(cè)氮、磷,與FID基本相同,不同的是在噴嘴上方有銣珠,因此應(yīng)特別注意,在長(zhǎng)期不用時(shí)因其怕潮,要常加熱、烘干。清洗也應(yīng)采用熱清洗的方法。除此之外,進(jìn)樣的技術(shù)也是一個(gè)很大的影響因素。進(jìn)樣時(shí)手不要拿注射器的針頭和有樣品部位,不要有 氣泡,吸樣時(shí)要慢、快速排出再慢吸,反復(fù)幾次,10μL注射器金屬針頭部分體積0.6μL,不易觀察到氣泡,多吸1~2μL將注射器針尖向上,等氣泡游走到頂部再推動(dòng)注射器排除氣泡。進(jìn)樣速度要快(但不易過(guò)快),每次進(jìn)樣保持相同速度。
但在實(shí)際工作常會(huì)出現(xiàn)為保證進(jìn)樣速度,而常常會(huì)把注射器的針頭和注射器桿弄彎,原因是:
(1)進(jìn)樣口擰的太緊,室溫下擰的太緊當(dāng)氣化室溫度升高時(shí)硅膠密封墊膨脹后會(huì)更緊;
(2)位置錯(cuò)誤針頭扎在進(jìn)樣口金屬部位;
(3) 進(jìn)樣時(shí)用力太猛。
(4)注射器內(nèi)壁有污染,注射時(shí)將針桿推彎,注射器用一段時(shí)間就會(huì)發(fā)現(xiàn)針管內(nèi)靠近頂部有一小段黑的東西,這時(shí)吸樣注射感到吃力。清洗方法:將針桿拔出,注入一點(diǎn)肥皂水,將針桿反復(fù)推拉,這樣會(huì)有一定的幫助,不過(guò)要清洗好注射器。分析的樣品為溶劑溶解的固體樣時(shí),進(jìn)樣后要及時(shí)用溶劑清洗注射器。
(5)進(jìn)樣時(shí)一定要穩(wěn)重,否則會(huì)把注射器弄彎。
一般來(lái)說(shuō),任何事物的影響因素都是多種多樣的,對(duì)于氣相色譜也是如此,因此在實(shí)際的工作中還應(yīng)針對(duì)不同的原因采取與之相對(duì)應(yīng)的解決辦法。
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