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【色谱】【气相色谱特辑七】分离操作

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2018-09-30 11:17
来源:实验与分析
实验与分析
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  在气相色谱分析中,我们总希望在较短的时间内,用较短的柱子达到满意的分析结果,为此,在进行分析时,需要选择适当的操作条件。此时应考虑如下两个问题。

  第一柱子对各组分的选择性要好,即能将复杂样品中的各组分分离开。从色谱图上看,各组分色谱峰之间的距离要大,而选择性的好坏与固定相的性质、柱温等因素有关。

  色谱柱的选择性可用“分离度”来表示。它综合考虑了两个相邻组分保留值的差值和每个色谱峰的宽窄这两方面的因素。分离度(如图1 所示)定义为相邻两色谱峰保留时间的差值与两色谱峰基线宽度和之半的比值,可用下述数学式来表示:

  式中tR(2)-tR(1)—组分(2)与组分(1)的保留时间(定义见定性分析)之差;

  Wb(1)+Wb(2)—两个组分基线宽度之和。

  分离度R还可表示为:

  式中,n为理论塔板数;r2/1为两相邻组分的相对保留值;k2为容量因子。

  图1相邻色谱峰的分离度

  同一色谱柱在相同条件下,对不同的物质有不同的R值。一般认为R≥1.5时,两个组分可完全分离。

  第二柱子的效率要高,即每个组分的色谱峰要窄。柱效率的高低与载气流量、载体性能、进样量等因素有关。

  色谱柱的柱效率可用“理论塔板高度”、“有效理论塔板高度”和“理论塔板数”、“有效理论塔板数”来表示。

  应注意同一色谱柱对不同物质的柱效率并不相同,因而当测定柱效率时应注明所用实验物质。显然对一根色谱柱,其有效理论塔板数n有效愈大或有效理论塔板高度H有效愈小,则色谱柱的柱效率愈高。

  条件的选择

  1.载气的选择

  气相色谱最常用的载气是:氢、氮、氩、氦。

  扩散系数Dg与载气性质有关,Dg与载气的摩尔质量平方根成反比,所以选用摩尔质量大的载气(N2、Ar)可以使Dg减小,减小分子扩散系数B,提高柱效。但选用摩尔质量小的载气,使Dg增大,会使气相传质阻力系数Cg减小,使柱效提高。因此使用低线速载气时,应选用摩尔质量大的N2,使用高线速时,宜选用摩尔质量小的H2或He。

  2.载气流速的选择

  载气流速对柱效率和分析速度都产生影响,根据范氏方程,载气流速慢有利于传质,有利于组分的分离;但载气流速快,有利于加快分析速度,减少分子扩散,载气流量对柱效率的影响表现为流量过低或过高都会降低柱效率,只有选择最佳流量才可提高柱效率,对一般色谱柱,载气流量为20~100mL/min。有时为了缩短分析时间,可加大流量,但此时分离效果不好,色谱峰会有拖尾或重叠现象。在实际工作中要根据具体情况选择最佳流速。

  3.柱温的选择

  柱温是气相色谱重要操作条件,在范氏方程中对D1、Dg、k都会产生影响,柱温改变,柱效率、分离度R、选择性r1,2以及柱子的稳定性都发生改变。

  柱温低有利于分配,有利于组分的分离,但温度过低,被测组分可能在柱中冷凝或者传质阻力增加,使色谱峰扩展,甚至拖尾。柱温高有利于传质,但柱温过高时,分配系数变小,不利于分离。一般通过实验选择最佳柱温,要使物质对既完全分离,又不使峰形扩展、拖尾。

  当固定相选定后,并不等于选择能力就确定了。柱温对选择性也有影响,通常降低柱温能提高选择性,但会增加保留时间,延长分析时间,往往降低柱效率,因此选择柱温时要兼顾选择性和柱效率。经验表明选择的柱温等于样品的平均沸点或高于平均沸点10℃时最为适宜。显然柱温高会加快分析速度,但降低了选择性。柱温对选择性和柱效率的影响见图2。

  当被分析组分的沸点范围很宽时,用同一柱温往往造成低沸点组分分离不好,而高沸点组分峰形扁平,若采用程序升温的办法,就能使高沸点及低沸点组分都能获得满意结果。如图3所示。

  图2 柱温的选择

  图3 等温及程序升温时对宽沸点范围混合物的分离

  4.色谱柱的选择

  色谱柱对分离度的影响巨大,包括色谱柱填料的选择、色谱柱内径及柱长的影响

  柱子长,一般柱效率高,当柱长度增加时,分析时间会延长,并要增大载气的柱前压力,因此希望在保证选择性和柱效率的前提下,使柱长减至最短。

  5.气化室温度的选择

  合适的气化室温度既能保证样品全部组分瞬间完全气化,又不引起样品分解。一般气化室温度比柱温高30~70℃或比样品组分中最高的沸点高30~50℃。温度过低,气化速度慢,使样品峰扩展,产生伸舌头峰;温度过高则产生裂解峰,而使样品分解。温度是否合适,可通过实验检查:如果温度过高,出峰数目变化,重复进样时很难重现;温度太低则峰形不规则,出现平头峰或伸舌头宽峰;若温度合适则峰形正常,峰数不变,并能多次重复。

  6.进样量与进样时间的影响

  进样量过大会导致:①分离度变小;②保留值变化,难以定性;③峰高、峰面积与进样量不成线性关系,不能定量。最大允许进样量可以通过实验确定:多次进样,逐渐加大进样量,如果发现半峰宽变宽或保留值改变时,这个量就是最大允许进样量。

  进样时应当固定进针深度及位置,针头切勿碰着气化室内壁,进样速度应尽可能快,一般小于0.1s,从注射器接触气化室密封橡胶垫片算起,包括注射、拔针等动作都要快,而且平行测定中速度一致。此项操作技术必须十分重视,要反复练习达到熟练、准确的程度。

  从以上所述可看出,各种操作条件往往同时影响色谱柱的选择性和柱效率,它们之间是密切联系而又相互矛盾的,因此选择操作条件时,既要保证良好的选择性,又要兼顾柱效率,而柱的效率高又会相应提高选择性。例如,两个组分在色谱图上只能分离一半,若提高选择性就可以把两个组分完全分开,另外,若提高柱效率,使每个峰变窄,两个组分也能得到完全分离。

  所以,我们对影响分离的各个操作条件要综合考虑,绝不能顾此失彼,片面强调某个因素。例如,柱温的选择,一般是柱温越低,选择性越好。但柱温低柱效率会降低,从而分析速度变慢,因此我们必须在有良好的选择性的前提下尽量提高柱温,在有较高柱效率的前提下尽量降低柱温。如果二者不能兼顾,还可以通过适当选择其它操作条件来解决。在有一定的选择性时,若柱效率很低,如果不能用提高柱温的办法提高柱效率,可用降低固定液含量来提高柱效率。另外提高载体涂渍的效率,使固定液均匀涂在载体表面,和保证载体颗粒的均匀性,改变载气流量,都可以提高柱效率。当然,在改变这些条件时,也必须注意到由此产生的不良因素。

  在影响选择性和柱效率的各种因素中,关键的问题还是合理地选择一种固定液,这是解决分离的主要矛盾。

  应当特别注意的是:上面叙述的只是一般规律,在实际应用时,必须根据不同的仪器、分析对象、分析要求,通过实践选择合适的操作条件。

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