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【色谱】【气相色谱特辑六】程序升温

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2018-09-30 11:16
来源:实验与分析
实验与分析
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  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最佳柱温(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。

  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1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1 为恒温和程序升温气相色谱分析方法的比较。

  图1 程序升温的方式

  表1 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

  式中,F为载气流速,mL/min。

  在线性PTGC中,TR和tR的关系如图2所示。在线性程序升温中的Kovats保留指数IPT

  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。

  图2 线性程序升温中温度-时间图

  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。

  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3所示。

  图3 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,进样后在未达到最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,它是实现分离的最佳恒温温度,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最佳柱温,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4所示。

  图4 r/F-Tc关系图

  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5 所示。

  图5 Ri-r/F关系图 3,4,5,6为不同碳数的烷烃

  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

  2.真正分离度

  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最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,最低的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最高使用温度决定的。如果固定液的最高使用温度大于样品中组分的最高沸点,可选稍高于组分的最高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最高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最佳线速,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最佳实用线速,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。

  (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最有效的手段,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。

  最后要指出,PTGC分析的重现性必须很好,否则就难于进行定量分析了。

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