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文档简介
1、毛细管气相色谱简单知识一、毛细管柱与填充柱的区别与填充柱相比,毛细管柱的特点为:分离效能高2.分析速度快3.样品用量少可在几十分钟内分离出包含几百种化合物的汽油馏分,然而样品用量仅有数微克在快速分析方面,可在几秒钟内分离含十几个组份的样品。其独特的特点在于:渗透性大,分析速度快传质阻力小,可用长柱,并得高的总柱效。色谱动力学认为:填充柱可看作是一束长毛细管的组合,其内径约等于粒子粒度,因其弯曲,多径扩散严重,故理论板数少。毛细管柱完全没有这些缺陷,故理论板数可高大106数量级。用毛细管柱,有利于:提高色谱分离能力,加快色谱分析速度,促进色谱的应用都是十分必要的:二、毛细管色谱法的相关理论在毛细
2、管柱,柱内只有一个流路,故多径项2ldp为0,弯曲因子g=1,且用其液膜厚代替了填充柱中载体的颗粒直径dp。2毛细管柱的最小理论板高毛细管柱的HU图也是一个双曲线,在U值是最佳值时,H值最小。式中Cg、C1的大小取决于分配系数及柱的几何性(以相比B为代表),但一般毛细管柱液膜薄,B值较大,液相传质阻力C1项不起控制作用。当被测物质的k10时,如果每米理论板数大于1000/d时,则所用柱子的性能较好表中为K值很大时最好柱效(每米板数)值,其值由H/L=1000/d一般认为直径在0.10.7mm较好小于0.1mm,入口压力增加,柱负荷减少大于0.7mm,虽柱负荷增大,但柱效下降目前流行0.53mm
3、的大口径管,不必分流。3载气线速从速率方程可知,最小板高时的最佳线速为:如果Cl很小,则有:可见,细管径,轻载气更适合于快速分析。4样品容量一根色谱柱的最大允许进样量,约为一块理论板的有效体积。可见最大允许进样量与柱半径、柱长、分配比成正比,与塔板数成反比比较填充柱和毛细管柱的柱容量一根长20米,内径为0.25毫米的毛细管柱,一般可涂上6mg的固定液,柱内体积而一根长两米,内径3毫米的不锈钢填充柱,柱内体积按12:100的液载比,可涂上800mg固定液。可见,一根2米长的填充柱中固定液的含量是一根20米长毛细管柱中固定液含量约150倍,故允许进样量也在一百倍以上。5、柱效能毛细管柱每米塔片数通
4、常在20005000之间,长20米的毛细管柱总柱效为4万至10万。填充柱每米塔片数在10001500之间,长2米的填充柱的柱效为20003000所以毛细管柱的总柱效可以比填充柱高10100倍。根据上式,分离度正比于总塔片数N。即毛细管柱色谱总效高,其分离效能也高。如果柱效高,K值也大是最理想的,目前流行大孔厚膜毛细管柱可望具有这两重性质。6、分析时间根据公式,样品的保留时间正比于柱长,在以氮为载气时,毛细管柱的线速可达16厘米/秒,而填充柱在4厘米/秒毛细管柱可采用很高的载气线速来缩短保留时间。且毛细管柱的K值比填充柱小,因此保留时间小。故:毛细管柱上可实现快速分析。三、毛细管柱的色谱系统与填
5、充柱系统基本一样。因毛细管柱内径细,柱容量小,出峰快、峰形窄,因此对色谱仪本身(如进样系统、检测器、记录器等)有些特殊的要求。1、进样系统毛细管柱进样量必须极小(一般液样102103微升,气样约1微升)。要引进如此微量样品,可采用分流法进样。即在气化室出口分两路,绝大部分放空,极小部分进柱子,这两部分比例叫分流比。分流法又分为动态法和静态法两种。对分流器的要求为使分流后的样品不改变组成:1、分流后样品混合物中各峰的相对大小应与未分流的严格一致。2、分析不同浓度的混合物时,峰面积必须正比于浓度。3、当柱温、分流比、流速改变时各色谱峰的相对大小要保持恒定。A动态分流法是目前毛细管柱进样系统最常用的
6、分流方法,不同仪器上的分流有不同的形式。对分流器设计要求:整个分流器要保持在气化室的温度下,防止样品冷凝;分流前要有一定的混合体积,使试样、载气完全混匀,放空管体积至少要等于样品气化后的体积加载气体积。A为气化样品与载气混合部分,B为分流点,C为喷嘴,引起放空部分与进入部分在分流过程中进一步混合,确保宽沸程样品分流后不失真。然后通过放空阀调节分流比。这种分流器只是在进样时才打开开关阀,几秒钟后就关闭大部分载气,而留下一点出气,防止试样反扩散进柱中。简易分流器在一般填充柱气化室出口,并排插入两根同内径不同长度的不锈钢毛细管,垫上硅橡胶构成,其长度比即分流比。注意在分流前要有一段混合体积,内装硅烷
7、化玻璃球,可保证分流后组成不失真。2、尾吹毛细管柱内流动相流速低,流量小,组分会因柱后死体积突然增加而发生严重的纵向扩散,从而导致峰形展宽,有可能使在柱中以分离的组分在柱后再次重叠,影响分离。也可在使用FID时受阻于引入的H2压力而出柱困难。增加尾吹气将改善这一状况。3、检测器因流速低,且内径细,只能分析小量样品,约105106克,有的组份如占1.0%,贝U相当于107108克,要求高灵敏度检测器。快速分析时因峰宽只有几秒或少于1秒,要求检测器、记录器响应时间快,则检测器和记录器的时间常数,应少于最早峰峰宽的流出时间的1/20。适用的检测器有:高灵敏度的离子化检测器,常用FID。(灵敏度高,死
8、体积趋近于零,响应时间快等。)也可用氩离子化和电子捕获检测器,此时需在毛细管出口外加吹洗气以降低检测器死体积。也可应用特制的微型热丝检测器,微型热敏电阻检测器,但因其属于非商品化检测器,使用频率不高。4、记录系统因毛细管色谱峰很窄,应配备快速记录系统。曾经用示波仪或电流计型记录器记录,其满刻度笔速0.1秒。目前的各种色谱数据处理机和色谱工站已完全能满足记录系统的要求。5、毛细管柱的种类经典的毛细管柱为壁涂开管柱(WCOTWallCoatedOpenTubularColumn)。因其制备难、柱子的重复性差、内表面小、涂渍量小和B值大,将导致有效塔板数和实际分离能力不高,且热稳定性也较差,故已几无
9、人使用。其他的几种柱子及其性能如下。多孔层壁涂柱(PLOTPorousLayerOpenTubularColumn):先涂上吸附剂或惰性固体于柱壁,再涂渍固定液。载体壁涂柱(SCOTSupportCoatedOpenTubularColumn):把载体和固定液同时涂于壁上制备而成。必须注意,以上两种柱子中的载体只是涂布于毛细管柱的壁上,而非充满整根柱子。熔融石英毛细管柱(FSOTFusedSilicaOpenTubularColumn):其表面惰性度好,能耐高温,最主要的是有弹性,不易折断。交联毛细管柱(CLOTCross-LinkedOpenTubularColumn):涂好固定液后再用偶联
10、剂交联键合,柱子性能有很大改善,能耐高温,抗水、抗溶剂。大口径毛细管柱:一般口径在0.53毫米,液膜厚度为0.882.65微米,负载大,可不经分流而直接进样分析。微型填充柱(Micro-packedColumn):制备过程和填充柱基本相似,只是所填的载体粒度很小。微填充柱宽有很高的柱效,最低板高可达0.20.3毫米毛细管柱使用技术及常见故障1.毛细管的安装毛细管柱的安装常为人们所忽视,往往会出现填充色谱柱多年的技术人员,刚使用毛细管柱时,做出的色谱图还不如填充柱的色谱图,这使人们很难理解。但究其原因,多数是由于毛细管柱的安装和操作上的毛病,而不是柱子本身和仪器系统的问题。因此,一根好的毛细管柱
11、和设计得很好的色谱系统,还必须使柱子在系统中安装得合理,才能做出好的结果。1.1毛细管柱与进样器的连接对于分流进样,毛细管柱的入口端一定要伸过分流进样器的分流出口,亦就是使毛细管柱的入口处于载气的高流速区域。如果毛细管柱的入口在分流进样器的分流出口以下,处于载气的低流速区域,得到的色谱图还不如填充柱,所以必须将毛细管的入口伸过分流进样器的分流出口,这样才会得到尖锐的峰形。对于分流/不分流进样,毛细管的入口应接到进样器的底部,这样可以使汽化管中的样品完全进入柱子,也不会出现气流清洗不到的死区”。1.2毛细管柱与检测器的连接在毛细管连接到检测器之前,先接通载气,看一下柱子的出口是否有载气通过,(将
12、柱子出口浸入清水中看是否有气泡出现)如果没有载气从柱子出来,说明柱前的系统中有的地方漏气或柱子堵塞,应找出原因加以解决。然后将柱子的末端尽可能的伸到检测器(FID)的喷嘴以下的12厘米处(但不能超过喷嘴,并使柱子的出口处于气流的最高流速区域(即氢气引入口以上),如果柱子不能直接伸到检测器的喷嘴下12厘米处,但必须伸到尾吹气入口的上部使柱子的末端处于气流的高速区域。1.3分流比的测定与选择分流比可以定义:样品完全汽化时与载气充分混合后,样品通过分流进样器进入柱子的流量FC与通过分流器的流量F分流之比:分流比=FC/F分流(式1)有的人把分流比定义为:样品进入汽化室后,进样器中总的流速=FC十F分
13、流与柱流速FC之比:分流比=FC/(FC+F分流)(式2)例如,柱子出口流速为1ml/分,分流器放空的流速为99ml/分,则分流比为100:1,因为柱流速FC比分流流速小得多,所以(式1)、(式2)的结果很相近,FC和F分流可通过皂沫流量计测量。如果载气通过毛细管柱的流量很小,用皂沫流量计不容易测量,FC也可以通过计算求出:FC=60unr2其中u为载气的平均线速度,单位厘米/秒。u可以通过进样后用某物质的保留时间求得,某物质可以用甲烷、甲醇等均可,要求是色谱柱对该物质的吸附要小,一般以甲烷为宜,具体计算方法为:u=柱长(厘米)/保留时间(秒)分流比及分流有大小靠分流阀进行调节,选择适当的分流
14、比也很重要。如果分流比很小,样品大多数进入柱子、容易使峰变宽,形成前伸峰。分流比一般选择在1:100200之间,这时样品的起始组分的谱带扩展很小,出峰尖锐。对一根0.25mm内径的毛细管柱,用N2作载气,最佳流速0.30.4ml/分,则分流流量调到50ml/分左右即可。在毛细管分流进样系统中一般以柱头压力来恒量柱流量的大小,下表给出一些常用的毛细管柱在标准线速度的情况下的柱头压力.柱内径柱长度0.2mm0.25mm0.32mm0.53mm15m0.06Mpa0.039Mpa0.024Mpa0.009Mpa25m0.1Mpa0.065Mpa0.04Mpa0.016Mpa30m0.13Mpa0.0
15、8Mpa0.048Mpa0.019Mpa50m0.22Mpa0.14Mpa0.08Mpa0.032Mpa上表所使用的载气为氮气,线速度为20cm/秒。或氢气,线速度为40cm/秒。1.4尾吹气流量的测量与选择毛细管色谱分析用FID检测器时,一定要加尾吹气,一般用空气或N2气。加尾吹气的作用之一是减少柱后死体积对色谱峰造成的扩散,之二是保证FID有合适的氮氢比。FID系质量型检测器,适当地增加尾吹气可提高检测的灵敏度,但尾吹气太高,会引起基线不稳以至灭火.尾吹气流速对峰高的影响尾吹气太低,会引起色谱峰拖尾、对毛细管柱效损失大大。尾吹气流量一般在20-30ml比较适合,可用皂沫流量计来测量。1.5
16、毛细管柱的老化涂渍好的毛细管柱首先要经过充分的老化,以除去固定液中的低分子量物质,一般商品毛细管柱,在制造出厂前都已经过充分老化;但柱子一经从仪器上拆卸下来,较长时间接触空气,在下一次使用之前,最好以较低的初始温度程序升温至最高使用温度老化23次。各种固定液因其性质和生产厂家不同而最高使用温度有所不同,所以要注意毛细管柱的说明,生产毛细管柱的厂家应注明最高使用温度。老化中应注意载气的流速不易过大,否则会破坏均匀的液膜。一般非极性柱在250C以下老化使用,可用普通氮气,在250C以上高温使用时,必须使用高纯氮气或普通氮气经脱氧后使用,以延长柱子的使用寿命。对极性柱,尤其是PEG类(聚乙二醇)、F
17、FAP、含氰基的固定液(OV225、?OV275),定要用高纯氮气(最好高纯氮气经过脱)99.99%否则,固定液很快被氧化,以致不能使用。1.6交联毛细管柱的清洗交联毛细管柱最重要的优点是当柱被可溶性有机重组分污时,可以用溶剂清洗除去污染物,使柱得以再生,根据污染的性质,可适用非极性溶剂(如正戊烷)或极性浴剂(如二氯甲烷、丙酮、苯等)。清洗方法:将溶剂装入小瓶的2/3处,把毛细管的出口端(接检测器的一端)刺过青霉素的橡皮盖插入溶剂底部。(青霉橡皮盖较硬,不易被弹性石英毛细管刺透,可用一金属丝或注射针预先刺透,在留的痕迹处插入石英毛细管)。接着用25ml或50ml的注射针,向小瓶内压入空气,溶液
18、即会压入柱内,直全部溶剂从柱中流出,(如果是20米以上的大口径毛细管柱,再加一次溶剂清洗)后,将柱从小瓶中拉出与仪器的进样连接,用载气将柱中的溶剂吹干后,再把柱的另一端与检测连接。用程序升温的方式老化l2次,即可使用。清洗过程应注意:溶剂必须用分析纯试剂;溶剂在柱浸泡时间不能过长,以防止固定液液膜溶涨,使柱效下降。1.25或50ml注射器2.青霉素小瓶3.毛细管柱1.7毛细管色谱分析中常见故障及排除1.7.1进样不出峰这是最常见的问题之一,主要原因有以下凡个方面:漏气:进样隔垫、柱子两端的接头以及放空针形阀前的连接处漏气。火焰熄灭:调节氢气或尾吹气流量的大小,看记录笔是否向一边偏移,如笔不动,
19、说明火熄了或火没点着。电路不正常:离子线、放大器、记录仪连线接错或接触不好,放大器有问题。系统堵塞:在上述情况均正常时应怀疑系统堵塞,样品没有进到检测器,先检查柱后是否有气流通过,如果没有气流通过,可能柱子堵塞,从柱后折断12厘米,仍不通气,再检查柱前是否堵塞,在确认柱子通气的情况下,检查柱子到检测器的连接管路是否堵塞。尾吹气没加上:调节尾吹流量,如果记录笔不动(在保证火点着和仪器正常情况下),应怀疑流量不够。关掉氢气和空气,喷嘴口若没有气流,证明是气路堵塞或尾吹管路堵塞。灵敏度太低:可能高压没加上,绝缘不好等仪器本身的问题,也有操作上的原因,高太低,衰减大大,记录仪满刻度毫伏数大大等。毛细管色谱常用1010欧姆的高阻,衰减尽可能小,记录仪满刻度1毫伏(噪音可允许的情况下)。如果记录仪满刻度只有5毫伏或10毫伏,衰减可相应小一些或高阻高一挡。另外,柱子从中间断开。样品浓度太低、放空流量太大。注射针堵塞等原因都可能造成不出峰。1.7
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