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氣相色譜儀原理、結(jié)構(gòu)及操作
1、基本原理
氣相色譜(GC)是一種分離技術(shù)。實(shí)際工作中要分析的樣品往往是復(fù)雜基體中的多組分混合物,對含有未知組分的樣品,首先必須將其分離,然后才能對有關(guān)組分進(jìn)行進(jìn)一步的分析?;旌衔锏姆蛛x是基于組分的物理化學(xué)性質(zhì)的差異,GC主要是利用物質(zhì)的沸點(diǎn)、極性及吸附性質(zhì)的差異來實(shí)現(xiàn)混合物的分離。待分析樣品在汽化室汽化后被惰性氣體(即載氣,一般是N2、He等)帶入色譜柱,柱內(nèi)含有液體或固體固定相,由于樣品中各組分的沸點(diǎn)、極性或吸附性能不同,每種組分都傾向于在流動相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但由于載氣是流動的,這種平衡實(shí)際上很難建立起來,也正是由于載氣的流動,使樣品組分在運(yùn)動中進(jìn)行反復(fù)多次的分配或吸附/解附,結(jié)果在載氣中分配濃度大的組分先流出色譜柱,而在固定相中分配濃度大的組分后流出。當(dāng)組分流出色譜柱后,立即進(jìn)入檢測器,檢測器能夠?qū)悠方M分的存在與否轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,而電信號的大小與被測組分的量或濃度成比例,當(dāng)將這些信號放大并記錄下來時,就是如圖2所示的色譜圖(假設(shè)樣品分離出三個組分),它包含了色譜的全部原始信息。在沒有組分流出時,色譜圖的記錄是檢測器的本底信號,即色譜圖的基線。
2、氣相色譜結(jié)構(gòu)及維護(hù)
2.1 進(jìn)樣隔墊
進(jìn)樣隔墊一般為硅橡膠材料制成,一般可分普通型、型和高溫型三種,普通型為米黃色,不耐高溫,一般在200℃以下使用;型可耐溫到300℃;高溫型為綠色,使用溫度可高于350℃,至色譜柱zui高使用溫度的400℃。正因?yàn)檫M(jìn)樣隔墊多為硅橡膠材料制成,其中不可避免地含有一些殘留溶劑和/或低分子齊聚物,另外由于汽化室高溫的影響,硅橡膠會發(fā)生部分降解,這些殘留的溶劑和降解產(chǎn)物如果進(jìn)入色譜柱,就可能出現(xiàn)“鬼峰”(即不是樣品本身的峰),從而影響分析。解決的辦法有:一是進(jìn)行“隔墊吹掃”,二是更換進(jìn)樣隔墊。
一般更換進(jìn)樣隔墊的周期以下面三個條件為準(zhǔn):(1)出現(xiàn)“鬼峰”;(2)保留時間和峰面積重現(xiàn)性差;(3)手動進(jìn)樣次數(shù)70次,或自動進(jìn)樣次數(shù)50次以后。
2.2 玻璃襯管
氣相色譜的襯管多為玻璃或石英材料制成,主要分成分流襯管、不分流襯管、填充柱玻璃襯管三種類型。襯管能起到保護(hù)色譜柱的作用,在分流/不分流進(jìn)樣時,不揮發(fā)的樣品組分會滯留在襯管中而不進(jìn)入色譜柱。如果這些污染物在襯管內(nèi)積存一定量后,就會對分析產(chǎn)生直接影響。比如,它會吸附極性樣品組分而造成峰拖尾,甚至峰分裂,還會出現(xiàn)“鬼峰”,因此一定要保持襯管干凈,注意及時清洗和更換。
玻璃襯管清洗的原則和方法
當(dāng)以下現(xiàn)象:(1)出現(xiàn)“鬼峰”;(2)保留時間和峰面積重現(xiàn)性差出現(xiàn)時,應(yīng)考慮對襯管進(jìn)行清洗。清洗的方法和步驟如下:(1)拆下玻璃襯管;(2)取出石英玻璃棉;(3)用浸過溶劑(比如丙酮)的紗布清洗襯管內(nèi)壁。 玻璃襯管更換時要注意玻璃棉的裝填:裝填量3~6mg,高度5~10mm。要求填充均勻、平整。
2.3 氣體過濾器
變色硅膠可根據(jù)顏色變化來判斷其性能,但分子篩等吸附有機(jī)物的過濾器就不能用肉眼判斷了,所以必須定期更換,一般3個月更換或再生一次。
由于分流氣路中的分子篩過濾器飽和或受污嚴(yán)重,就會出現(xiàn)基線漂移大的現(xiàn)象,這個時候就必須更換或再生過濾器了。再生的方法是:(1)卸下過濾器,反方向連接于原色譜柱位置。(2)再生條件:載氣流速40~50ml/min,溫度340℃,時間5h。
2.4 檢測器
如果說色譜柱是色譜分離的心臟,那么,檢測器就是色譜儀的眼睛。無論色譜分離的效果多么好,若沒有好的檢測器就會“看”不出分離效果。因此,高靈敏度、高選擇性的檢測器一直是色譜儀發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前,GC所使用的檢測器有多種,其中常用的檢測器主要有火焰離子化檢測器(FID)、火焰熱離子檢測器(FTD)、火焰光度檢測器(FPD)、熱導(dǎo)檢測器(TCD)、電子俘獲檢測器(ECD)等。下面對檢測器的日常維護(hù)作簡單討論:
2.4.1火焰離子化檢測器(FID)
(1) FID雖然是準(zhǔn)通用型檢測器,但有些物質(zhì)在檢測器上的響應(yīng)值很小或無響應(yīng),這些物質(zhì)包括*氣體、鹵代硅烷、H2O、NH3、CO、CO2、CS2、CCl4,等等。所以檢測這些物質(zhì)時不應(yīng)使用FID。
(2)FID的靈敏度與氫氣、空氣、氮?dú)獾谋壤兄苯雨P(guān)系,因此要注意優(yōu)化,一般三者的比例應(yīng)接近或等于1∶10∶1。
(3)FID是用氫氣在空氣燃燒所產(chǎn)生的火焰使被測物質(zhì)離子化的,故應(yīng)注意安全問題。在未接上色譜柱時,不要打開氫氣閥門,以免氫氣進(jìn)入柱箱。測定流量時,一定不能讓氫氣和空氣混合,即測氫氣時,要關(guān)閉空氣,反之亦然。無論什么原因?qū)е禄鹧嫦鐣r,應(yīng)盡量關(guān)閉氫氣閥門,直到排除了故障重新點(diǎn)火時,再打開氫氣閥門。
(4)為防止檢測器被污染,檢測器溫度設(shè)置不應(yīng)低于色譜柱實(shí)際工作的zui高溫度。檢測器被污染的影響輕則靈敏度明顯下降或噪音增大,重則點(diǎn)不著火。消除污染的辦法是對噴嘴和氣路管道的清洗。具體方法是:斷開色譜柱,拔出信號收集極;用一細(xì)鋼絲插入噴嘴進(jìn)行疏通,并用丙酮、乙醇等溶劑浸泡。
2.4.2 火焰熱離子檢測器(FTD)
FTD使用注意事項:
(1) 銣珠:避免樣品中帶水,使用壽命大約600~700h;
(2) 載氣:N2或He,要求純度99.999%。一般He的靈敏度高;
(3) 空氣:是選鋼瓶空氣,無油;
(4) 氫氣:要求純度99.999%。
另外需要注意的是使用FTD時,不能使用含氰基固定液的色譜柱,比如OV-1701。
2.4.3火焰光度檢測器(FPD)
FPD使用注意事項:
(1) FPD也是使用氫火焰,故安全問題與FID相同;
(2) 頂部溫度開關(guān)常開(250℃);
(3) FPD的氫氣、空氣和尾吹氣流量與FID不同,一般氫氣為60~80ml/min,空氣為 100~120ml/min,而尾吹氣和柱流量之和為20~25ml/min。分析強(qiáng)吸附性樣品如農(nóng)藥等,中部溫度應(yīng)高于底部溫度約20℃;
(4) 更換濾光片或點(diǎn)火時,應(yīng)先關(guān)閉光電倍增管電源;
(5) 火焰檢測器,包括FID、FPD,必須在溫度升高后再點(diǎn)火;關(guān)閉時,應(yīng)先熄火再降溫。
2.4.4熱導(dǎo)檢測器(TCD)
TCD使用注意事項:
(1)確保熱絲不被燒斷。在檢測器通電之前,一定要確保載氣已經(jīng)通過了檢測器,否則,熱絲就可能被燒斷,致使檢測器報廢;關(guān)機(jī)時一定要先關(guān)檢測器電源,然后關(guān)載氣。任何時候進(jìn)行有可能切斷通過TCD的載氣流量的操作,都要關(guān)閉檢測器電源;
(2)載氣中含有氧氣時,熱絲壽命會縮短,所以載氣中必須*除氧;
(3)用氫氣作載氣時,氣體排至室外;
(4)基線漂移大時,要考慮以下幾個問題:雙柱是否相同,雙柱氣體流速是否相同;是否漏氣; 更換色譜柱至檢測器的石墨墊圈。 池體污染; 清洗措施:正己烷浸泡沖洗。
2.4.5 電子俘獲檢測器(ECD)
ECD使用注意事項:
(1) 氣路安裝氣體過濾器和氧氣捕集器; 氧氣捕集器再生:
(2) 使用填充柱時也需供給尾吹氣(2~3ml/min);
(3) 操作溫度為250~350℃。無論色譜柱溫度多么低,ECD的溫度均不應(yīng)低于250℃, 否則檢測器很難平衡。
(4) 關(guān)閉載氣和尾吹氣后,用堵頭封住ECD出口,避免空氣進(jìn)入。
3、基本操作
3.1 加熱
由于氣相色譜儀的生產(chǎn)廠家和質(zhì)量的不同.測定溫度的方式也不相同 對于用微機(jī)設(shè)數(shù)法或撥輪選擇法給定溫度.一般是直接設(shè)數(shù)或選擇合適給定溫度值加以升溫.而如果是采用旋鈕定位法.則有技巧可言
3.1.1過溫定位法
將溫控旋鈕調(diào)至低于操作溫度約30℃處 給氣相色譜儀升溫 當(dāng)過溫至約為操作溫度時.配臺溫度指示和加熱指示燈.再逐漸將溫控旋鈕調(diào)至臺適位置
3.1.2 分步遞進(jìn)定位法
將溫控旋鈕朝升溫方向轉(zhuǎn)動一個角度.升溫開始.指示燈亮:當(dāng)溫度基本穩(wěn)定時 再同向轉(zhuǎn)動溫控旋鈕.開始繼續(xù)升溫:如此遞進(jìn)調(diào)節(jié)、直至恒溫在工作溫度上.
3.2 調(diào)池平衡
調(diào)池平衡 實(shí)際是調(diào)熱導(dǎo)電橋平衡.使之有較為臺適的輸出 講調(diào)節(jié)技巧.其實(shí)是對具有池平衡、調(diào)零和記錄調(diào)零等
*步.用池平衡或調(diào)零旋鈕將記錄儀指針調(diào)至臺適位置;
第二步.自衰減至l6倍左右.觀察記錄儀指針移動情況;
第三步.用記錄謂零旋鈕將記錄儀指針調(diào)回原處;
第四步.退回衰減.觀察記錄儀指針移動情況;
第五步.用調(diào)零或池平衡旋鈕將記錄儀指針調(diào)回原處
3.3 點(diǎn)火 氫焰氣相色譜儀 開機(jī)時需要點(diǎn)火.有時因各種原因致使熄火后.也需要點(diǎn)火 然而.我們經(jīng)常會遇到點(diǎn)火不著的情況 下面介紹兩種點(diǎn)火技巧.供同行們相試
3.3.1 加大氫氣流量法先加大氫氣流量.點(diǎn)著火后.再緩慢調(diào)回工作狀況 此法通用
3.3.2 減少尾吹氣流量法先減少尾吹氣流量.點(diǎn)著火后.再調(diào)回工作狀況 此法適用于用氫氣怍載氣.用空氣作助燃?xì)夂臀差睔馇闆r
3.4 氣比的調(diào)節(jié)
氫焰氣相色譜儀三氣的流量比.有關(guān)資料均建議為:氮?dú)猓簹錃猓嚎諝猓簂:l:10 但由于轉(zhuǎn)子流量計指示流量的不準(zhǔn)確性.事實(shí)上誰會去苛求這個配比呢?本人認(rèn)為 為各氣旌以良好匹配.目的是既有高的檢測器靈敏度又能有較好的分離效果.還不致于容易熄火。本著上述原則 氣比應(yīng)按下法調(diào)節(jié):
(1)氮?dú)饬髁康恼{(diào)節(jié)
在色譜柱條件確定后、樣品組分分離效果的好壞、氮?dú)獾牧髁看笮∈菦Q定因素 調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繒r.要進(jìn)樣觀察組分分離情況.直至氮?dú)饬髁勘M可能大且樣品組分有較好分離為止
(2)氫氣和空氣流量的調(diào)節(jié)氫氣和空氣流量的調(diào)節(jié)效果.可以用基流的大小來檢驗(yàn) 先調(diào)節(jié)氫氣流量 使之約等于氮?dú)?的流量.再調(diào)節(jié)空氣流量 在調(diào)節(jié)空氣流量時.要觀察基流的改變情況 只要基流在增加.仍應(yīng)相向調(diào)節(jié).直至基流不再增加不止 zui后.再將氫氣流量上調(diào)少許。
3.5 進(jìn)樣技術(shù)
在氣相色譜分析中,一般是采用注射器或六通閥門進(jìn)樣 在考慮進(jìn)樣技術(shù)的時候.主要是以注射器進(jìn)樣為對象
3.5.1 進(jìn)樣量
進(jìn)樣量與氣化溫度、柱容量和儀器的線性響應(yīng)范圍等因素有關(guān),也即進(jìn)樣量應(yīng)控制在能瞬間氣化.達(dá)到規(guī)定分離要求和線性響應(yīng)的允許范圍之內(nèi) 填充柱沖洗法的瞬間進(jìn)樣量:液體樣品或固體樣品溶液一般為0.01~ 10微升.氣體樣品一般為0.1~ 10毫升 在定量分析中.應(yīng)注意進(jìn)樣量讀數(shù)準(zhǔn)確
(1)排除注射器里所有的空氣
用微量注射器抽取液體樣品時.只要重復(fù)地把液體抽凡注射器又迅速把其排回樣品瓶.就可做到遺一點(diǎn)。
還有一種更好的方法.可以排除注射器里所有的空氣 那就是用計劃注射量的約2倍的樣品置換注射器3~5次.每扶取到樣品后,垂直拿起注射器.針尖朝上 任何依然留在注射器里的空氣都應(yīng)當(dāng)跑到針管頂部 推進(jìn)注射器塞子.空氣就會被排掉。
(2)保證進(jìn)樣量的準(zhǔn)確
用經(jīng)畿換過的注射器取約計劃進(jìn)樣量2倍左右的樣品.垂直拿起注射器.針尖朝上.讓針穿過一層紗布.這樣可用紗布吸收從針尖排出的液體 推進(jìn)注射器塞子.直到讀出所需要的數(shù)值用紗布擦干針尖 至此準(zhǔn)確的液體體積已經(jīng)測得.需要再抽若干空氣到注射器里.如果不慎推動柱塞.空氣可以保護(hù)液體使之不被排走
3.5.2 進(jìn)樣方法
雙手章注射器 用一只手(通常是左手)把針插入墊片.洼射大體積樣品(即氣體樣品)或輸入壓力*時.要防止從氣相色譜儀來的壓力把柱塞彈出(用右手的大拇指)讓針尖穿過墊片盡可能踩的進(jìn)入進(jìn)樣口.壓下柱塞停留1~ 2秒鐘.然后盡可能快而穩(wěn)地抽出針尖(繼續(xù)壓住柱塞)
3.5.3 進(jìn)樣時間
進(jìn)樣時間長短對柱效率影響很大,若進(jìn)樣時間過長.遇使色譜區(qū)域加寬而降低柱效率 因此.對于沖洗法色譜而言.進(jìn)樣時間越短越好.一般必須小于1秒鐘。
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