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分流?不分流?傻傻分不清楚——進樣,你真的明白么?

日期:2016/8/12 13:41:56 點擊:

在日常使用氣相色譜時,除去樣品的前處理部分,貌似儀器使用的第一步就是設置儀器參數與方法,而設置的第一步幾乎無一例外的是進樣口的參數設置?梢哉f大家時天天遇到,可是這進樣口的參數很多,真的設置起來估計有很多人都會發暈,更不要說初學者了。所以,今天就和大家聊聊關于進樣的那些事。

氣相色譜儀進樣器參數的設置,與測定的樣品對象和樣器的類型都關。參數設置適宜,色譜峰分離效果好;設置不當,可能導致本來能夠分開的組分實際上沒有分開。因此,實驗中常常優化進樣參數。

根據經驗,部分進樣參數的設置,如進樣量、洗針次數等是相同的,故我們以最為常用的手動進樣器為例,探討一下進樣器參數設置對分離有何影響。

進樣器的參數設置不當,可能會出現如下情況:

①進樣量  

進樣量的大小直接影響定量結果。若進樣量過大,色譜峰峰形不對稱,峰變寬,分離度變小,或保留值發生變化,峰高、峰面積與進樣量不成線性關系,無法定量;若進樣量太小,會因檢測器靈敏度不夠,不能檢出。對于填充柱,進樣量影響不是太大,但進樣量不當也會造成出現混合峰;用FID時,進樣量太大會使火焰熄滅。

②進樣速度  

進樣速度要快,若進樣緩慢,樣品汽化后被載氣稀釋,導致峰形變寬、峰不對稱,既不利于分離也不利于定量;
③進樣針的清洗  進樣針如沒清洗干凈,上一次進樣的殘留樣品會干擾下一次的分析,即進樣針的“記憶效應”,會影響分析結果。

解決方案 

進樣器參數包括進樣量、進樣時間、進樣針的清洗次數以及具體進樣技術等,下面分別介紹。

①進樣量與進樣時間
色譜柱最大允許進樣量可以通過實驗確定。其它實驗條件不變,僅逐漸加大進樣量,直至所出的峰的半峰寬變寬或保留值改變時,此進樣量就是最大允許進樣量。如內徑3-4mm,柱長2m,固定液用量為15-20%的填充柱,液體進樣量為0.1-10μL;采用氫火焰離子化檢測器(FID)時,進樣量一般小于1μL。進樣時,要求速度快,這樣可以使樣品氣化后隨載氣以濃縮狀態進入柱內,峰的原始寬度窄,有利于分離。

②進樣器的“記憶效應”
為了減小或消除樣品記憶效應的干擾,更換樣品時要清洗,用同一樣品多次進樣時也要用樣品潤洗進樣器。進樣器暫時不用時,更要徹底清洗,否則殘留其中的樣品可能將針芯粘牢,造成進樣器報廢。使用自動進樣器的用戶,也應注意保證進樣器的清潔。

③進樣技術的影響
定量分析的精密度與準確度,除儀器本身的原因外,主要依賴于進樣的重復性和操作技術。針對不同規格毛細管柱及特殊的進樣方式(柱上進樣、分流/不分流進樣等),對插針的快慢、位置、深度和操作人員的熟練程度以及刻度讀數的準確度都有一定的要求。以毛細管柱為例,大口徑柱毛細管柱,一般不分流,熟練的操作人員較容易得到合適的樣品進樣量;對于中口徑、細口徑分流進樣的毛細管柱,分流進樣,當分析樣品的組份濃度范圍和沸點范圍均較寬時,易產生分流失真,濃度低和沸點高的組份樣品回收率低,精密度也差。這種情況,可選擇程序升溫分流/不分流進樣系統,這樣可得到較好的實驗結果。

如何確定分流進樣or不分流?

分流/不分流進樣口是毛細管柱氣相色譜法最常用的進樣口,它既可用作分流進樣,也可用作不分流進樣。從結構上看,分流/不分流進樣口與填充柱進樣口有明顯的不同:一是前者有分流氣出口及其控制裝置,二是除了進樣口前有一個控制閥外,在分流氣路上還有一個柱前壓調節閥,三是它們的使用的襯管結構不同。不分流襯管為直通型,而分流襯管內部多彎曲或內部另有裝置。

分流進樣主要有下列優點:
①  分流進樣適合于大部分可揮發樣品(如氣體和液體樣品);
②  當需要大的進樣量時,可避免色譜柱超載,如化學試劑中的低沸點雜質的測定;
③  當不了解樣品組成或已知樣品相對較“臟”,選分流進樣,因分流時大部分樣品從分流口排出,不進入色譜柱,一定程度上可防止色譜柱被污染。一般,分流進樣能滿足分析要求(如靈敏度等)時,可首先分流進樣。

影響分流進樣的因素很多,主要有:

①  樣品的性質,如沸點、極性、粘度、分子大小、汽化時蒸氣膨脹因子等;

② 儀器因素,a.汽化室、分流口等是否正確安裝,要求進樣針全部插入后,針尖能到達汽化溫度最高處,石英玻璃毛也應裝在此處;色譜柱進口端應位于分流點之上,同時,襯管和色譜柱是同軸的;b.載氣流路設計,襯管的結構等;

③ 操作條件

a.溫度,如汽化室溫度和色譜柱的初溫;
b.載氣流速;
c.進樣量和進樣速度;
d.分流比,合適的分流比可減小分流歧視。

分流歧視是個啥?

分流歧視,是指在一定分流比條件下,不同樣品組分的實際分流比與原來設定(或測定)的分流比是不同的,這就會造成進入色譜柱的樣品組成與原來的樣品組成有差異,從而影響定量分析的準確度。在分流進樣中,常常存在分流歧視。

影響分流歧視的主要原因有:

a.樣品組分的 不均勻汽化,以及汽化后的汽化狀態差異。
即由于樣品中各組分的極性、沸點不同,因而汽化速度不同。由于汽化室里的樣品隨載氣流動,且樣品從汽化室進入色譜柱的時間很短(以秒計),汽化速度不同,除了導致不同樣品組分進入色譜柱時間不同外,不同組分進入色譜柱的汽化狀態可能不完全一樣?疾煜鄬ζ斓慕M分與汽化慢的組分在分流口位置的組分濃度,汽化快的樣品組分濃度相對偏;且一般分流流量遠大于進入柱內流量,汽化慢、汽化不太完全的組分,可能多從分流口流掉。

b.不同樣品組分在載氣中的擴散速度不同。
汽化溫度的設置,襯管的選擇,樣品組分的分子大小不同、極性差異、粘度不同,以及樣品汽化時的蒸汽膨脹因子差異,都影響擴散速度。在合適的汽化溫度和襯管結構時前提下,分子體積小、粘度小、蒸汽膨脹因子大的組分,擴散速度較快。 擴散慢的組分比擴散快的組分,在分流口位置的濃度大,可能多從分流口分掉。

c.分流比的大小,也影響分流歧視。
不分流,就沒有分流歧視;對于同樣的樣品,分流越大,越有可能造成分流歧視。

如何消減“歧視”? 

有分流,就有分流歧視。應控制影響分流歧視的這些因素,以減少分流歧視對分離測定的影響。

① 為減少樣品組分的不均勻汽化和汽化后的汽化狀態差異,對分離測定的影響,可選擇較高的汽化溫度。
② 為減少不同樣品組分在載氣中的擴散速度不同對分離測定的影響,除了汽化溫度的設置外,要選擇結構適合分流的襯管。
③ 為減少分流比大小對分離測定的影響,在樣品濃度和柱容量允許的前提下,盡力選擇小點的分流比。

針對具體的樣品對象,在汽化溫度合適、襯管結構合理的前提下,可以按如下原則確定:

如某樣品,當重點考察的樣品組分,一般大分子、高粘度、蒸汽膨脹因子小,因而擴散速度較慢,易多分流掉。如果該樣品組分含量低,分流歧視對分離的出峰情況和定量結果影響很大,宜選擇較小的分流比。具體實驗時,應結合實驗目的,綜合考慮這些影響因素。
具體工作時,一般先分析樣品的性質,初設條件,再通過實驗優化,選擇能減少分流歧視的條件。如不了解樣品的性質,可先選稍大點的分流比測定,再實驗優化。

案例分析

以苯作內標物,用氣相色譜法測定混合物中正己烷和甲苯的含量。色譜條件:毛細管柱SE-30(30m ×0.25mm×0.32μm);柱溫,40℃保持5分鐘,15℃每分鐘升到170℃,保持1分鐘;氫火焰離子化檢測器(FID)溫度260℃;分流進樣量為0.4μL。色譜圖見圖1。

為考察分流比和汽化室溫度對實驗結果的影響,調節分流比,分別為25.27:1 、28.87:1、44.78:1、61.8:1、76.92:1、92.88:1、113:1、127.1:1、146.3:1,實驗結果見圖2和圖3。在分流比為61.8:1時,考察汽化溫度對測定結果的影響,見圖4

甲苯對苯的相對定量校正因子:190℃時,1.0955;220℃,1.1392;250℃,1.0949

由圖2、圖3、圖4、圖5可以得出如下結論:


①分流比過低(<1/30)或過高(>1/120)時,分流歧視加劇,低沸點組分正己烷的正誤差、較高沸點組分甲苯的負誤差急劇增加。當分流比為1/30-1/80時正負誤差都達最小值,此時的分流歧視最小,即有一個最佳分流比在77附近。

②進樣溫度的變化對分析結果也有影響。分流比在1/30-1/80范圍內,如61.80:1時,隨著進樣口溫度的升高(190-250℃),低沸點組分正己烷正誤差減小,較高沸點組分甲苯的負誤差減小后增加。所以,本實驗選擇的汽化溫度為220℃。

③ 影響分流歧視的因素,除了分流比大小、汽化溫度等,還與樣品的性質有關。正己烷沸點68.74℃,甲苯沸點110.6℃;同樣色譜條件下甲苯完全汽化后的蒸汽體積約是正己烷的兩倍,參考表2.2;與甲苯相比較,正己烷分子體積小,粘度小。同樣的色譜條件下,正己烷和甲苯的分流歧視不一樣。

④ 比較分流進樣和不分流進樣對定量結果的影響,分流進樣有分流歧視帶來的影響。問題8的表1.6,汽化溫度從120℃升到170℃,鄰二甲苯對苯的相對定量校正隨著汽化溫度的升高,先增大后減;圖2.10,汽化溫度從190℃升到250℃,甲苯對苯的相對定量校正因子同樣是先增大后減小。但是前者的變化幅度,遠小于后者。
因此,要減小分流歧視對測定結果的影響,選擇合適的汽化溫度,還需要選擇合適的分流比。首先選擇一個分流比中間區域范圍,如1/30-1/80進行實驗,再根據所測定樣品組分的性質,縮小范圍,通過實驗來選擇的分流比的大小和汽化溫度。同一樣品中,不同樣品組分的最佳分流比不一定相同;同時測定不同性質的組分,最后取一個都能相對較好的分流比和汽化溫度等來進行測定。

 

氣化室又是個啥?怎么設置?

 

氣化室即進樣口內的腔室,其作用是將液體樣品瞬間氣化,然后再送入色譜柱。

氣相色譜分析時,對氣化室的要求很高。首先,載氣在進入氣化室與樣品接觸之前應當充分預熱,溫度應接近氣化室溫度。因此,一般將載氣管路沿著加熱的氣化器金屬塊繞成螺管,或在金屬塊內鉆有足夠長的載氣通路,使載氣能得到充分的預熱。為了減小樣品擴散的,減少死體積,應保證進樣器能直接將樣品注入加熱區,因此氣化室的內徑和總體積應盡可能小,另外載氣進入氣化室后,應將氣化了的樣品迅速載入色譜柱,避免樣品反轉入氣化室引起色譜峰的擴張,因此要選擇合適的載氣壓力和流量。氣化室是保證液體樣品瞬間氣化的加熱器腔體,腔體由不銹鋼加工而成。氣化室作為一個加熱器,必定會涉及到氣化溫度。作為一個“室“,必定有體積,也有死體積。當然,還有進樣口與襯管、墊片等輔助設備。也有相應的指標參數。氣化室的一般指標參數如下:①氣化室溫度的選擇;②氣化室的體積;③氣化室的惰性;④色譜柱的初始溫度;⑤隔墊吹掃功能。

解決方案 

①氣化室溫度的選擇
氣化室溫度的大小,影響:a.柱效;b.定量結果;c.可能導致樣品組分的分解。氣化室的升溫設定方式有兩種:恒溫和程序升溫。
恒溫氣化,是一種經典的氣相色譜氣化方式。氣化室保持一個穩定的溫度,讓進入的樣品瞬間氣化,氣化后的樣品很快被載氣“掃”入色譜柱。
程序升溫氣化方式,即初始溫度很低,僅氣化溶劑,樣品開始不氣化,然后分段快速升溫,瞬間氣化樣品,再被載氣很快“掃”入色譜柱。該方法的優點是可以防止樣品的熱分解和注射歧視對定量分析的誤差。

①氣化室的體積
樣品注入氣化室后,必須與載氣充分混合,否則易導致樣品分析結果失真。

因此,氣化室的體積應足夠小,以保證樣品各組分進入色譜柱后的峰寬盡可能窄,從而減少柱外效應。但體積太小時,又會因樣品氣化后膨脹而引起壓力的劇烈波動,嚴重時會造成樣品的“倒灌”,反而增大了柱外效應。常見氣化室的體積為0.2mL~1mL。

                                                                                                 來自:儀器信息網

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