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氣相色譜儀的發展及影響氣相色譜系統的因素

 氣相色譜法是近20余年迅速發展起來的一種新型的分離分析方法,已逐漸成為一門專門的科學氣相色譜法。其最早應用于分離分析石油產品,目前已被廣泛應用于石油、化工、有機合成、醫藥及食品等工業的科學研究和生產等方面,不僅如此氣相色譜法還可應用于生物化學、臨床診斷和藥理等方面的研究,特別在環境保護方面,對于水、空氣等的監視工作,氣相色譜法已成為一種重要的手段。要獲得穩定、可靠的分析數據,就需要保證氣相色譜系統的最佳運行狀態,而其各部分裝置的性能如:載氣、進樣口、色譜柱、檢測器等的性能極大地影響著色譜系統的運行狀況。選擇一個好的分析方法固然非常重要,但其首要條件是要在一個穩定、良好運行的色譜系統上實現的,因此保證各部分裝置的性能是獲得可靠的分析數據的前提。 
 
 1 載氣 
在氣相色譜中,各種氣體,如載氣、燃氣、助燃氣等的純度會直接影響色譜儀的靈敏度、穩定性,甚至色譜柱的壽命(柱效為原來的1/10時,應更換新的色譜柱)。因此要嚴格控制氣體的質量和雜質的去除。氣路管線不能使用塑料管或橡膠管。 
1.1 質量要求 
純度要大于99.999%,對于FID、TCD大于99.999%即可。另外,若使用鋼瓶時要注意瓶內的壓力,在低于3~5個壓力時,應更換鋼瓶,因為瓶底的雜質較多,使得色譜儀的背景值高。
 
1.2 水分 
對于毛細管柱,則必需干燥,不建議進水樣,即使采用厚液膜也不建議采用。因為水能使某些固定相發生水解,破壞色譜柱,產生噪聲、拖尾峰或鬼峰。 
 1.3 氧氣 
氧氣是所有毛細管色譜柱的天敵。在室溫或近室溫下,長期暴露于氧氣并不損壞色譜柱。但是,當柱溫升高時,將會出現嚴重的損壞。 
鑒于以上因素,在氣相色譜系統中,氣體均必須經過嚴格的凈化。但安裝時仍應注意一些技巧,否則會達不到預期的效果。無論是串聯式、并聯式還是混合式,凈化器均應靠近儀器,先安裝干燥管,再安裝脫氧管。首次安裝或更換氣源時要先沖洗過濾器(不連接色譜儀)。對于脫氧管,應先通載氣,再把另一口打開。不同的載氣有不同的影響,應從三方面影響因素考慮:峰形擴張(與載氣的分子量及流速有關,分子量大,柱效高)、柱壓降(與載氣的粘度有關)、檢測器的靈敏度(熱導系數對熱導池的影響)。一般選擇如下:載氣采用低線速時,宜用氮氣為載氣;
高線速宜用氫氣為載氣;較大壓力降時采用氫氣為宜。另外載氣流速對色譜柱的柱效也有一定的影響,按公式u=L/t0,通過實驗確定最佳流速。 
2 進樣口 
進樣口的作用是準確、重現地把樣品導入色譜系統,氣化的樣品應該是真實的代表液體樣品,如無特殊需要,氣化過程樣品組分不會發生化學變化。因此凡能影響樣品氣化、穩定性的部件均應考慮每個元件的最佳性能。該部位主要有隔墊、密封墊、襯管。 
2.1 隔墊 
隔墊的作用是保證樣品流路與外部隔開,保持系統內壓,防止泄露,避免外部空氣滲入,污染系統。一般由耐高溫、氣密性好的硅橡膠制成。不同品種的隔墊,其質量也有很大的差異,表現為鬼峰的多少、耐穿刺性等。 
為避免問題的出現,需要:(1)氣化室溫度要控制在最高溫度范圍內;(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)用自動進樣器;(6)選用針尖鋒利的注射器。 
2.2 密封墊 
密封墊是用來密封色譜柱或襯管與色譜系統的連接。其應該提供無泄露的密封效果、適宜的內徑、耐高溫的變化。該元件若使用不當或使用舊的密封墊,會導致色譜峰不一致,結果不可靠,使用不合適的密封墊,會使空氣和其他污染物滲入色譜系統,嚴重影響柱效和檢測器性能。 
為保持儀器最佳性能,每更換一次色譜柱或對色譜柱維護處理時,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,要注意密封墊有無破損。更換密封墊仍有可能出現一些問題。 
2.3 襯管 
襯管是進樣體系的中心元件,樣品在此揮發成氣體。對于不同的應用選擇合適的襯管是一件困難和復雜的工作,也是一件很關鍵的步驟,選擇不當,則可能會出現以下現象:峰形變壞、溶質歧視、分析重現性差、樣品分解、出鬼峰。因此對于每種應用須考慮襯管的三個特性: 
(1)襯管容積:襯管的體積和樣品的蒸發時的體積是正確選擇襯管的極其重要的因素。如果襯管太小會有樣品反閃和損失,影響檢測的準確性、重復性和靈敏性。在實際工作中可按溶劑膨脹公式計算: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題:襯管內壁存在著活性基團,對樣品組分產生吸附作用,并在譜圖上出現拖尾峰,檢測靈敏度和重現性下降。經去活的襯管可以防止吸附樣品并可最大程度降低不穩定化合物的降解。未經去活的襯管不適用于極性或易降解的樣品。在實際應用過程中去活的襯管也可能再現活性,雖然可以用沖洗的方法進行清潔處理出去微?;蛴萌軇_洗揮發性組分,但找一個潔凈的處理方法也是很難、很復雜的一項工作,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,有會導致產生不必要的活化點。 
(3)襯管的類型:根據不同的應用,安捷倫公司設計不同類型的襯管。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,使樣品完全揮發,減少熱量不均勻現象、捕集隔墊碎片和不揮發組分,以防這些物質進入色譜柱、擦去注射針頭的樣品,防止樣品殘留在隔墊,增加分析重現性;在襯管底部位置:主要目的是用于捕集非揮發性組分。玻璃套杯,主要是幫助樣品蒸發和混合,若再加玻璃棉和惰性填料,可改善分析重現性,減少樣品歧視。但玻璃棉的襯管不適合用于分析酚類、有機酸、農藥、胺類、活性極性化合物、熱不穩定化合物。用于分流/不分流的襯管對于組分復雜的樣品有很好的益處。 
以上三個特點均能影響載氣流通過進樣口或樣品的氣化,在實際應用中應考慮這些因素的影響。 
3 色譜柱 
色譜柱是氣相色譜儀的關鍵部件,是分離樣品的重要部位。要得到一個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鍵。一般可按照“相似相溶的原則”進行選擇。即按分離組分的極性或官能團與固定液相似的原則選擇,具體原則如下: 
(1)按極性選擇:這是一個較為容易的選擇,不多說明; 
(2)按官能團選擇;用類似要分析化合物官能團的固定液,如:酯類,則選擇酯或聚酯固定液;醇類則可選擇聚乙二醇等醇類固定液; 
(3)按重要差別:各組分的沸點是主要矛盾,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,也是對色譜柱選擇的最基本的要求。 
在實際的操作中,應注意色譜柱的填裝、老化、最高使用溫度、安裝等關鍵問題。填裝時要緊密而且中間不能有停頓,最好是固定相連續流下來填裝。老化時應保持連續的老化,填充柱最好過夜,毛細管柱一般幾個小時就可以,而且最好在實際使用溫度上20~30℃再連續老化一段時間,運用程序升溫進行老化時要重復幾次,會得到更好的老化效果。在實際或老化時不宜長時間在最高使用溫度下工作。老化時要十分注意:不要連接檢測器;確保有載氣通過;氫氣不能作為老化氣。 
一般情況下,新柱子、長期不用的柱子、改變分離條件,均要進行老化。安裝時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應在室溫下操作,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器中。 
一般毛細管色譜柱色譜柱入口端插入襯管錐口的一半距離,即色譜柱穿過密封墊露出大約6mm的頭,毛細管色譜柱安裝插入的長度要根據儀器的說明書而定,不同的色譜氣化室結構不同,所以插進的長度也不同。需要說明的如果操作人員沒有采用毛細管色譜柱分流,氣化室采用填充柱接口這時與氣化室連接毛細管柱不能探進太多,略超出卡套即可。在進行樣品的檢測時對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)采用內徑小的色譜柱; 
(2)減少液膜厚度; 
(3)使用更長的色譜柱; 
(4)減少進樣量; 
(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的載氣類型。 
4 檢測器 
大多數檢測器是通用型,如:FID、TCD等,還有用于特殊物質的檢測器,如:ECD、NPD等。對于不同的檢測器有不同要求?,F對一些主要的檢測器進行探討。 
4.1 FID 
FID(氫火焰檢測器)的靈敏度高、死體積小、響應快、線性范圍廣,能有效地與毛細柱聯用,成為目前對有機物微量分析應用最廣的檢測器。FID檢測系統主要由檢測器、檢測電路(放大器)和氣路三大部分組成,當發生故障或分析譜圖不正常時,應首先判斷區分問題是出在哪一部分。FID系統常見不正常情況有: 
(1)不能點火:問題主要出在氣路或檢測器; 
(2)基流很大:問題主要出在氣路或檢測器; 
(3)噪音很大:氣路、檢測器和電路出問題都有可能; 
(4)靈敏度明顯降低:氣路、檢測器和電路不正常都有可能; 
(5)不出峰:氣路、檢測器、電路不正常都有可能; 
(6)色譜峰形不正常:進樣器、氣路、檢測器為主要檢查對象; 
(7)基線漂移嚴重:氣路、檢測器都有可能; 
(8)出現毛刺:收集極、噴嘴不潔凈。 
常見的檢測步驟: 
(1)檢查氣路:檢查H2(氫氣)、N2(氮氣)、AIR(空氣)流量是否正常,空氣流量太小和噴嘴嚴重漏氣就會引起較大的爆鳴聲而不能點火;氫氣太小,氮氣太大會使點火困難和容易熄火;噴嘴漏氣,色譜柱漏氣不僅會使點火困難,也會導致靈敏度降低,甚至不出峰;氫氣與氮氣流量比將明顯影響靈敏度;氫氣流量太大也會造成噪音變大;氣路系統不干凈,包括進樣器污染,檢測器污染或色譜柱沒有充分老化都會引起基流、噪音較大和基線漂移。在點火時請注意基流大小:在點火前,檢測器基線位置一般來說,應為零或很小,僅有0.1~0.3左右,點火后H2氣調回正常工作值時,基線為100以內,說明系統十分干凈,一般還能使用,若基線值很大,就說明系統污染比較嚴重,這時噪音、漂移都很大,儀器穩定時間也較長。檢查是哪部分受到污染的簡單方法,就是分別單獨將某一部分的工作溫度升高,若基線明顯變大,該部分就污染嚴重。氣路(包括進樣器)中的堵塞和漏氣,往往會引出峰不正常;進樣器中襯管沒有壓平也會破壞正常峰形。 
(2)檢查檢測器:檢查噴嘴是否漏氣,堵塞。另外還應注意積水、燈絲老化、生銹也是點不著火的一個原因。另外對于檢測器的使用,其溫度設定應不低于150℃,建議在200℃以上,并應在此溫度下保持一定時間再點火,這樣可以除去檢測器存留的水分,關閉時可先關閉氫氣,繼續開著空氣,可避免一些雜質的附著。 
(3)對于檢測器的噴嘴、收集極進行清洗應按如下步驟進行: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,這樣會造成新的活化點出現。安裝時切記不可用手直接接觸該部件。 
4.2 TCD 
對于該檢測器必須保證載氣、參比氣、尾吹氣來自同一個氣源;確保參比氣吹凈參比極和溫度超過150℃,才能開啟燈絲。在清洗檢測器時應進行熱清洗,并要持續幾個小時后,再冷卻至正常操作溫度。清洗時要與柱子斷開,并堵上與柱子的連接口。 
4.3 ECD 
由于該檢測器有放射源,因此應將尾氣排放到室外。清洗時,不可拆下檢測器,只能進行熱清洗,加熱至375℃,尾吹氣為50~60mL/min。 
4.4 NPD 
該檢測器主要用來檢測氮、磷,與FID基本相同,不同的是在噴嘴上方有銣珠,因此應特別注意,在長期不用時因其怕潮,要常加熱、烘干。清洗也應采用熱清洗的方法。除此之外,進樣的技術也是一個很大的影響因素。進樣時手不要拿注射器的針頭和有樣品部位,不要有 氣泡,吸樣時要慢、快速排出再慢吸,反復幾次,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注射器排除氣泡。進樣速度要快(但不易過快),每次進樣保持相同速度。 
但在實際工作常會出現為保證進樣速度,而常常會把注射器的針頭和注射器桿弄彎,原因是: 
(1)進樣口擰的太緊,室溫下擰的太緊當氣化室溫度升高時硅膠密封墊膨脹后會更緊; 
(2)位置錯誤針頭扎在進樣口金屬部位; 
(3) 進樣時用力太猛。 
(4)注射器內壁有污染,注射時將針桿推彎,注射器用一段時間就會發現針管內靠近頂部有一小段黑的東西,這時吸樣注射感到吃力。清洗方法:將針桿拔出,注入一點肥皂水,將針桿反復推拉,這樣會有一定的幫助,不過要清洗好注射器。分析的樣品為溶劑溶解的固體樣時,進樣后要及時用溶劑清洗注射器。 
(5)進樣時一定要穩重,否則會把注射器弄彎。 
一般來說,任何事物的影響因素都是多種多樣的,對于氣相色譜也是如此,因此在實際的工作中還應針對不同的原因采取與之相對應的解決辦法。 
 
 
具體分析方案及技術問題,可來電詳詢。

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