第六节色谱联用分析

第六节色谱联用分析第1页，课件共45页，创作于2023年2月联用分析技术简介各种单一的分析方法，由于本身所固有的特性，在方法的选择性、灵敏性、应用范围等方面总有不足之处。为改善其局限性，往往其他分析方法或技术联用比改善方法本身更有效实现联用的方法有离机联用和联机联用两种。离机联用易于实现，但费时费力；联机联用是一种理想方式，实现的关键是硬件的接口（HardwareInterface),它的功能是协调两仪器输出输入之间的矛盾。目前联用技术发展现状。多种仪器联用更能解决分析问题，但难度增加。第2页，课件共45页，创作于2023年2月联用技术发展现状（√已成功；О技术上可行）气相色谱液相色谱薄层色谱红外光谱质谱紫外可见原子吸收等离子发射荧光光谱散射光谱拉曼光谱核磁共振微波波谱电泳气相色谱√√√О√ООО液相色谱ОО√√ОО√√ООО薄层色谱√ООООООО红外光谱ООООО质谱О√О√ОО紫外可见ООООО原子吸收О等离子发射О荧光光谱ОО√√√散射光谱ОО√√拉曼光谱ОО核磁共振ООО√微波波谱电泳ОООО√√第3页，课件共45页，创作于2023年2月气相色谱/质谱联用（GC/MS）有机物复杂混合物的组分及其化学结构的分析鉴定，采用单一的方法难于满足要求。色谱法是一种有效的分离手段，但其定性能力差，复杂有机混合物在色谱分离后，利用具有高鉴别能力的质谱、红外光谱、核磁共振等波谱仪器进行定性，可圆满的解决其分析问题。GC/MS联用的产生GC/MS联用的原理示意图GC/MS联用的接口系统GC/MS联用提供的信息第4页，课件共45页，创作于2023年2月GC/MS联用的产生1957年J.C.Holmes实现了气相色谱与质谱的联用，是联用技术开创性的工作。近50年来，由于气相色谱、质谱和计算机技术的发展，使GC/MS联用日趋完善，性能越来越好，被广泛的使用，从而也带动了各种联用技术的发展。在各种联用技术中，由于气相色谱和质谱的性能容易适应（见表），两者的联用是困难较少的一种，色谱与其它仪器的联用，将会有更多的困难。第5页，课件共45页，创作于2023年2月气相色谱与其它方法的相适性是是是是否工作压力否否否是温度匹配否否否是连续流动否是（傅立叶变换）是（傅立叶变换）是取决于样品否否是灵敏度否否不希望扫描时间匹配紫外核磁共振红外质谱

方法操作特性

气相第6页，课件共45页，创作于2023年2月GC/MS联用的原理示意图第7页，课件共45页，创作于2023年2月GC/MS联用的接口系统由色谱柱、质谱离子源类型和它们的操作条件、真空系统的效率，可采用直接联接和通过分子分离器两种方式。第8页，课件共45页，创作于2023年2月分子分离器分子分离器有玻璃微孔分离器、半透膜式分离器、喷射式分离器等。其中喷射式分离器如下图：分子分离器第9页，课件共45页，创作于2023年2月GC/MS联用提供的信息GC/MS联用能提供有机混合物的结构信息，借助于特殊的数据处理和实验技术，可以解决一些单纯色谱难于解决的问题。GC/MS联用联用可能提供的信息为：总离子流图（TIC）质量色谱图（MC）重建总离子流色谱图（RTIC）和重建质谱图（RMC）第10页，课件共45页，创作于2023年2月总离子流图（TIC）总离子流是未经质谱质量分离器分离的各种质荷比离子所产生的总电流信号。总离子流图即是总离子流强度与时间相对应的关系图。总离子流图获得方法有两种。一种是在质谱仪的离子源和质量分析器之间设有总离子流检测器；另一种方法是利用质谱仪自动扫描，由计算机收集、计算并再现出来。总离子流图相当于气相色谱图，可得到保留时间及峰面积。影响总离子流图的因素有仪器本底、色谱柱流失、载气流量波动等。第11页，课件共45页，创作于2023年2月C14~C22总离子流图第12页，课件共45页，创作于2023年2月质量色谱图（MC）当质谱仪进行自动、重复扫描时，在一段时间内可得到许多张质谱图。如果从每一张质谱图中指定同一种质荷比的离子，以该离子强度对扫描时间坐标作出关系图，此图即为质量色谱图。利用计算机收集和处理数据，在得到总离子流的同时可绘制各种离子的质量色谱图。质量色谱法的优点是能在复杂的TIC图中快速寻找所需的化合物或其同系物。第13页，课件共45页，创作于2023年2月C14~C22化合物[M-CH3]+离子的质量色谱图正构C22H46的相对分子量为310，丢失一个CH3后生成的C21H43+，质荷比为295，即图中第二行，以此类推。在m/e为211、197、和183的质量色谱图中出现不止一个峰，是由于高碳数的烷烃裂断回产生少量的C15H31+、C14H29+、C13H27+所致。第14页，课件共45页，创作于2023年2月重建总离子流色谱图（RTIC）质量重建色谱法的原理是在质谱连续扫描时，计算机收集全部质谱图，并计算出所有的质量色谱图，在每一张质量色谱图的峰剖面中选出一批极大值，然后再将同一扫描号的极大值加在一起，以加和的总强度对扫描号作图，此图即为重建总离子流图。由于仪器本底、色谱柱流失及未分开的其它组分等产生的离子不会在特定的扫描号上出现极大值，计算机重建时将不考虑，从而使重建总离子流图中每个组分的色谱峰宽相当窄（理论峰宽为一次扫描的宽度），其分辨率优于总离子流图。在总离子流图中不能分开的峰，经重建后大部分能分开。应用举例（某混合醛样品的TIC和RTIC)第15页，课件共45页，创作于2023年2月某混合醛样品的TIC和RTICTICRTIC第16页，课件共45页，创作于2023年2月重建质谱图（RMC）从重建总离子流图得到的质谱图称作重建质谱图。重建质谱图也避免了未分开组分等其它离子的干扰，成为更纯的样品质谱图。应用举例（混合醛中某组分的MS图和RMS图）第17页，课件共45页，创作于2023年2月混合醛中某组分的MS图和RMS图第18页，课件共45页，创作于2023年2月液相色谱/质谱联用（LC/MS）对于分子量较大的有机混合物，由于其沸点、热稳定性等不满足GC/MS联用技术分析要求，因而可采用LC/MS进行分析。LC/MS联用需要解决两方面的问题：一是液相色谱流动相对质谱工作条件的影响；二是质谱离子源对液相色谱分析样品的影响。液相色谱的载液（流动相）流速一般为1mL/min，如果是甲醇，其汽化后换算成常压下的气体流速为560mL/min，比气相色谱的载气流量大几十倍；另一方面，质谱的离子源（电子轰击离子源、化学电离源等常用离子源）要求样品是汽化，而液相色谱分离的难挥发和热稳定差的物质与之不相适应。解决上述两个问题的办法是采用一个能协调彼此矛盾的接口，通过接口可有效除去大量液体流动相；或改进液相色谱（微型柱或毛细管柱可降低流动相的量）和质谱离子化方法。第19页，课件共45页，创作于2023年2月LC/MS联用接口在二十世纪八十年代以前，公认为较好的LC/MS接口是“传送带技术”。现在多采用“热喷雾技术”。“热喷雾技术”不仅是一种LC/MS接口，而且是一种新的软电离方式。第20页，课件共45页，创作于2023年2月传送带技术它是将LC流出液经分离后滴在一个不锈钢的或聚酰亚胺的移动带上，由红外蒸发器烘烤蒸发去除溶剂的大部分，少量溶剂和样品在移动带上通过两个预真空室使溶剂进一步挥发除去送入质谱离子源，在离子源区域有一样品加热器，使移动带上的样品热解吸下来。第21页，课件共45页，创作于2023年2月热喷雾技术色谱液以1~2mL/min的速度通过一个内经为0.15mm并加热至高温的不锈钢毛细管。温度控制在使毛细管出口前2~3mm时开始蒸发以形成含细液滴的雾状喷射流从毛细管流出，再通过直径1cm的通道进一步加热，大部分溶剂挥发并被机械泵（300L/min)抽走，溶质雾流经离子源离子化后进入质量分析器检测。第22页，课件共45页，创作于2023年2月气相色谱/红外光谱联用（GC/FTIR）傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）具有光通量大、信噪比好、扫描速度快、能在较短时间内（<1S）获得全频域光谱响应等优点，在二十世纪八十年代初，毛细管色谱与FTIR联用成功，并得到了快速的发展。目前GC/FTIR联用已成为复杂有机混合物解析的重要手段。GC/FTIR接口系统GC/FTIR提供的信息第23页，课件共45页，创作于2023年2月GC/FTIR接口系统样品和载气从色谱柱流出后，经过一分馏器，一部分到达色谱检测器进行通常的气相色谱检测，另一部分经惰性的加热传输线到达一个称作光管的接口附件。来自光谱仪的红外光束射入光管，光束在光滑镀金表面经反复反射以增加光程提高灵敏度，然后聚焦至用液氮冷却的窄带汞镉碲检测器（MCT）进行红外检测。仪器结构示意图光管的结构示意图第24页，课件共45页，创作于2023年2月仪器结构示意图第25页，课件共45页，创作于2023年2月GC/FTIR分析中所使用的光管第26页，课件共45页，创作于2023年2月GC/FTIR提供的信息计算机采集到的红外数据，可得到如下信息：三维实时显示图化学图红外重建色谱图蒸气相红外吸收光谱图第27页，课件共45页，创作于2023年2月三维实时显示图以波数范围为横坐标，吸光度为纵坐标，时间为z轴的计算机显示红外吸收数据即为三维实时显示图。从三维实时显示图可观察到各组分进入红外检测器的时间及各组分实时测量的瞬时红外吸收光谱图。第28页，课件共45页，创作于2023年2月化学图用设定的官能团频率选择FTIR信号图，即为化学图。从实时收集的化学图上的出峰情况，可判断相应流出时间的组分所具有的官能团，因此可看作一张官能团的筛选图。它直观地显示了色谱分离的各谱峰所具有的官能团，亦称官能团色谱图。示例第29页，课件共45页，创作于2023年2月乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯混合物在不同频率段的实时化学图第30页，课件共45页，创作于2023年2月红外重建色谱图由计算机收集的GC/FTIR数据，按不同的重建方式，可得下述三种重建图：积分吸收重建色谱图Gram-Schmidt重建色谱图最大吸收重建色谱图第31页，课件共45页，创作于2023年2月积分吸收重建色谱图在GC/FTIR的全部数据中，混合物各组分在某一特定波数区（或全频域）中的红外吸收重建。在此方式中，红外检测器作为一种特殊的化学检测器。此法的噪声大。示例1示例2第32页，课件共45页，创作于2023年2月乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯混合物在1744~1683cm-1区域内的积分重建色谱图由图可见含C=O基团的组分积分重建色谱峰第33页，课件共45页，创作于2023年2月乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯混合物在3055~2947cm-1区域内的积分重建色谱图第34页，课件共45页，创作于2023年2月Gram-Schmidt重建色谱图在第一个组分洗脱前，从所采集的扫描数据中选出仅含载气背景的干涉图，通过Gram-Schmidt矢量正交化步骤确定一个代表载气背景干涉数据的基集，然后从后来的干涉数据中除去背景信息，并计算背景与红外活性馏分之间的差。这种计算所得的结果是整个光谱范围内总吸收强度的函数，此时红外光谱仪的作用相当于一个气相色谱检测器，所得的重建图与色谱图类似，易于与之比较。同时，由于信噪比好，图形由于积分吸收重建色谱图。示例第35页，课件共45页，创作于2023年2月乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯混合物的Gram-Schmidt重建色谱图第36页，课件共45页，创作于2023年2月最大吸收重建色谱图此法实际上是积分吸收重建色谱图的变型，强调对最大吸收进行积分重建。其优点在于信噪比优于前两种方式。第37页，课件共45页，创作于2023年2月蒸气相红外吸收光谱图利用重建色谱图相应馏分的红外数据变换为蒸气相红外光谱图。利用蒸气相红外光谱图库可进行光谱检索。示例（乙醇、丙酮、乙酸乙酯、苯）第38页，课件共45页，创作于2023年2月乙醇蒸气相红外光谱图与其标准谱图比较标准谱样品图第39页，课件共45页，创作于2023年2月丙酮蒸气相红外光谱图与其标准谱图比较标准谱样品图第40页，课件共45页，创作于2023年2月乙酸乙酯蒸气相红外光谱图与其标准谱图比较标准谱样品图第41页，课件共45页，创作于2023年2月苯蒸气相红外光谱图与其标准谱图比较标准谱样品图第42页，课件共45页，创作于2023年2月液相色谱/红外光谱联用（LC/FTIR）液相色谱与红外光谱联用的主要困难是色谱流动相在红外区往往有特征频率的吸收带，严重影响了色谱馏分的红外检测。解决办法是：控制流动池的体积或在测定之前将溶剂除去以排除干扰。第43页，课件共45页，创作于2023年2月应用示例某炼油厂废水分析1）试样及前处理：废水试样1L，分成两份，分别用H2SO4、NaOH调至pH<1，pH>11，再分别以二氯甲烷萃取并浓缩之，经脱水得酸性组分，碱性组分试液，供分析用。2）实验条件：酸性组分：PEG玻璃毛细管柱（30m×0.28mm）；汽化室温度：250℃；程序升温：50℃3℃/min100℃8℃/min200℃；光管、连接区、传输线温度：200℃；载气流速：40mL/min；尾吹：50mL/min；分流比：20：1；进样量：2μL

碱性组分：Dexsil-400型弹性石英毛细管柱（25m×0.24mm）；汽化室温度：250℃；程序升温：40℃3℃/min60℃5℃/min210