氣相色譜儀工作原理及功能特點(diǎn)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，分析技術(shù)水平的不斷提高，氣相色譜儀作為一種高效、快速、高靈敏度的現(xiàn)代分析儀器在我國正逐漸普及并廣泛應(yīng)用。特別是信息時代的來臨氣相色譜儀的更新?lián)Q代十分迅速，科技含量越來越高。研究如何在色譜儀系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、智能儀器技術(shù)、電子技術(shù)，從而提高色譜儀的智能化水平有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
⒈氣相色譜分析原理
俄國植物學(xué)家Tswet(茨維特)于1903年發(fā)現(xiàn) 色譜 ，Martin和Synge在1940年提出液一液分配色譜法(Liquid-Liquid Partition Chromatography)，并在1941年提出用氣體代替液體作流動相的可能性，11年之后James和Martin發(fā)表了從理論到實(shí)踐比較完整的氣液色譜方法(Gas-Liquid Chromatography)，因而獲得了1952年的諾貝爾化學(xué)獎。在此基礎(chǔ)上，1957年高雷((M.J.E.Golay)開創(chuàng)了開管柱氣相色譜法(Open-Tubular Column Chromatography)，習(xí)慣上稱為毛細(xì)管柱氣相色譜法 (Capillary Column Chromatography)。在60年代末把高壓泵和化學(xué)鍵合固定相用于液相色譜，出現(xiàn)了高效液相色譜(HPLC), 80年代初毛細(xì)管超臨界流體色譜((SFC)得到發(fā)展:而在80年代初由JORGENSON等集前人經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的毛細(xì)管電泳 (CZE)，在90年代得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用;同時集HPLC和CZE優(yōu)點(diǎn)的毛細(xì)管電色譜在90年代后期受到重視[。到21世紀(jì)色譜科學(xué)將在生命科學(xué)等前沿科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的重要作用。而G.Guiochon認(rèn)為GC和HPLC是在分析領(lǐng)域發(fā)展最好，極為成功的范例。
在近代分析化學(xué)領(lǐng)域中，色譜分析法是一種新型的分離分析方法。色譜法可用于分離分析復(fù)雜的多組分混合物，是一種根據(jù)分子的不同遷移速度而達(dá)到分離的方法。色譜技術(shù)是建立在吸附、分配、離子交換、親和力和分子大小等基礎(chǔ)上的分離過程，它利用不同組份在兩相中的吸附能力、分配系數(shù)、離子交換能力、親和力或分子大小等性質(zhì)的微小差別，經(jīng)過連續(xù)多次在兩相間的質(zhì)量交換，使不同的組份得到分離。色譜分離是色譜體系熱力學(xué)過程和動力學(xué)過程的綜合表現(xiàn)。熱力學(xué)過程是指與組分在體系中分配系數(shù)相關(guān)的過程;動力學(xué)過程是指組分在該體系兩相間擴(kuò)散和傳質(zhì)的過程。組分、流動相和固定相三者的熱力學(xué)性質(zhì)使不同組分在流動相和固定相中具有不同的分配系數(shù)，分配系數(shù)的大小反映了組分在固定相上的溶解一揮發(fā)或吸附一解吸的能力。分配系數(shù)大的組分在固定相上溶解或吸附能力強(qiáng)，因此在柱內(nèi)的移動速度慢;分配系數(shù)小的組分在固定相上溶解或吸附能力弱，因此在柱內(nèi)的移動速度快。經(jīng)過一定時間后，由于分配系數(shù)的差別，使各組分在柱內(nèi)形成差速移行，達(dá)到分離的目的。
⑴氣相色譜工作原理
氣相色譜法作為色譜法的一種，是一種廣泛使用的復(fù)雜混合物的分離分析方法。它以氣體為流動相，固體或均勻涂漬在載體上的液體為固定相，通過組分在氣液(固)兩相間不斷分配，實(shí)現(xiàn)混合組分的分離[t21?；旌衔锓蛛x后按順序離開色譜柱進(jìn)入檢測器，產(chǎn)生的離子流信號經(jīng)放大后，在記錄器上描繪出各組份的色譜峰，達(dá)到鑒別和定量的目的。分離過程在柱內(nèi)進(jìn)行，色譜柱所用的填充物是固體吸附劑，也可以是涂在惰性擔(dān)體上的高沸點(diǎn)液體。被分析的樣品在高溫氣化后被氣體流動相帶入柱內(nèi)，由于不同組分在柱內(nèi)受到的阻力不同，流動中被逐漸拉開達(dá)到分離的目的。如圖2-1為所示，由A和B組分組成的混合樣品被注入注樣器且瞬間汽化以后，樣品由流動相氣體載氣所攜帶，經(jīng)過裝有固定相的色譜柱時，由于組份分子與色譜柱內(nèi)部固定相分子間要發(fā)生吸附、脫附溶解等過程，那些性能結(jié)構(gòu)相近的組份，因各自的分子在兩相間反復(fù)多次分配，發(fā)生很大的分離效果，且由于每種樣品組分吸附、脫附的作用力不同，所反應(yīng)的時間也不同，最終結(jié)果使混合樣品中的組分得到完全地分離。
1表示樣品剛進(jìn)入色譜柱，兩組份均勻的混合在一起;
2表示兩組已部分分離;
3表示兩組份已經(jīng)完全分離;
4表示分離后的A同載氣流出色譜柱，而B留在柱內(nèi)最后將同載氣流出柱外。如果樣品中含多個組分，也將按同樣原理依次分離流出。
氣相色譜法樣品圖
⑵氣相色譜法的特點(diǎn)
氣相色譜法具有高效能、高靈敏度、高選擇性、快速、應(yīng)用范圍廣、樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)〕。不僅可以分析氣體,也可以分析液體和固體,是現(xiàn)代分析的主要手段之一。
1.高效能、分析速度快
填充色譜具有較高的理論塔板數(shù)，因而可以分析沸點(diǎn)十分相近的組分和極為復(fù)雜的組分混合物，且分離、測定一次完成，一般只需幾分鐘或幾十分鐘便可完成一個分析周期。目前采用微處理機(jī)操作和處理數(shù)據(jù)的色譜儀，使分析達(dá)到了理想的程度。
2.高選擇性
色譜法的最大優(yōu)越性在于它最擅長分離分析多組分的復(fù)雜體系即性質(zhì)極為相似的組分,如同位素,同分異構(gòu)體等。主要是通過選用高選擇性的固體相,使各組分間的分配系數(shù)產(chǎn)生足夠大的差異而實(shí)現(xiàn)分離,這是光譜和質(zhì)譜所不及的。
3.高靈敏度
目前氣相色譜法在農(nóng)業(yè)上,主要用來分析農(nóng)藥中的主要成分,分析種子和土壤中的微量毒素在醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)上,用來解決藥物氨基酸的分析及血液中幾個ppm的成分和分析問題。
4.應(yīng)用范圍廣
不僅對氣體可以進(jìn)行分析，對液體、固體也能進(jìn)行分析。在柱溫條件下有一定蒸氣壓且穩(wěn)定性好的樣品都能測定，只要在一196~450 0C溫度范圍內(nèi)有27~1330Pa蒸氣壓且在操作溫度下熱穩(wěn)定性能良好的物質(zhì)［221，原則上都可用氣相色譜進(jìn)行分析。氣相色譜還可以用來測定物化常數(shù)和制備超純的色譜試劑，樣品用量少;亦可用作工廠自動化流程的在線儀表，完成自動分析的要求。
2.氣相色譜儀
2.1氣相色譜儀的基本結(jié)構(gòu)
色譜分析的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)分離分析系統(tǒng)的一體化。經(jīng)色譜柱分離的組分，由合適的檢測器進(jìn)行檢測，產(chǎn)生的電信號由記錄儀或工作站記錄而得出色譜圖，這一色譜圖由一連串的峰組成，每一峰表示流出的一個組分，并且其數(shù)目等于組分的數(shù)目。流出的時間可以用來衡量混合物的組分，通常用某組分的流出時間或保留時間作為定性的依據(jù)，而色譜峰的高度或面積是組分濃度或含量的量度，它們是色譜定量的依據(jù)。
 成都摩爾氣相色譜儀
氣相色譜儀的基本構(gòu)成，如圖2-2所示。氣源中的載氣經(jīng)減壓閥減壓出來，流經(jīng)氣路箱，進(jìn)入進(jìn)樣裝置，并將注入的樣品帶入色譜柱，最后，將在柱中被分離的組分帶入色譜檢測器，進(jìn)行鑒定和記錄。系統(tǒng)主要由以下五個部分組成:
1.氣路系統(tǒng)
包括氣源(氮?dú)?、氦氣、氫氣等的鋼?氣體發(fā)生器，氣流管線)、氣路控制系統(tǒng)，也稱載氣系統(tǒng);載氣攜帶試樣通過色譜柱，載氣在柱內(nèi)形成壓力梯度，壓力與壓力梯度是試樣在柱內(nèi)運(yùn)行的動力。載氣系統(tǒng)的要求是提供純凈、穩(wěn)定、能被計量的載氣。一般由氣源鋼瓶、減壓閥和流量計等組成。
2.進(jìn)樣系統(tǒng)
包括進(jìn)樣器、各種進(jìn)樣口和氣化室，樣品由進(jìn)樣器注入氣化室，在氣化室高溫作用下瞬間氣化，然后在載氣的攜帶下進(jìn)入與氣化室相連的色譜柱中。
3.分離系統(tǒng)
分離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是分離樣品，色譜柱主要有兩類:填充柱和毛細(xì)管柱。色譜柱由色譜柱管、柱內(nèi)填充物等組成。柱管一般采用金屬管或玻璃管，色譜柱在恒溫柱箱內(nèi)工作。
4.控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要的任務(wù)有:控制所有的溫度及時間程序、控制各種檢測器((FID, NPD和FPD)的自動點(diǎn)火、色譜圖的保存與再處理、樣品分析條件的保存、程序升溫、開/關(guān)檢測器、分渝不分流進(jìn)樣器的時間等。
5.檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
樣品經(jīng)過色譜柱分離后，各成分按保留時間不同，順序地隨載氣進(jìn)入檢測器，檢測器把進(jìn)入的組分按時間及其濃度或質(zhì)量的變化，轉(zhuǎn)化成易于測量的電信號，經(jīng)過必要的放大傳遞給記錄儀或工作站，最后得到該混和樣品的色譜流出曲線及定性、定量曲線，即色譜圖。
所使用的檢測器主要有以下幾種:火焰離子化檢測器FID (Flame Ionization Detector)、熱導(dǎo)檢測器TCD (Thermal Conductivity Detector)、電子俘獲檢測器ECD (Electron Capture Detector),氮磷檢測器NPD (Nitrogen Phosphor Detector)、火焰光度檢測器FPD (Flame Photometric Detector)、質(zhì)譜檢測器MSD (Mass Spectrometry Detector)，本文主要介紹TCD和FID兩種檢測器
(1)熱導(dǎo)檢測器TCD (Thermal Conductivity Detector)，其基本原理是每種物質(zhì)都有導(dǎo)熱能力，而且導(dǎo)熱的能力大小不同，通過一個熱敏電阻來測定與熱敏電阻接觸的氣體組成變化情況。這種檢測方式雖然不是最靈敏的，但是對所有樣品都有響應(yīng)，是通用型的檢測器。
(2)火焰離子化檢測器FID (Flame Ionization Detector)一般用的是氫火焰，其原理是在氫氣燃燒時，在火焰的上方會有一個溫度很高的區(qū)域，樣品在這個區(qū)域被離子化，形成一些正負(fù)離子，在火焰的周圍加上一個電場，讓離子定向移動，形成電流，經(jīng)過一系列放大后得到放大信號，也就是檢測到的信號。
FID只對有機(jī)化合物有響應(yīng)，為選擇性的檢測器。但是它的靈敏度較高，應(yīng)用最為廣泛，一般儀器上都是配雙柱雙氣路雙檢測器，單柱抗干擾能力差，穩(wěn)定時間長，雙柱的干擾一正一負(fù)正好抵消。
2.2色譜儀新增功能分析
為了豐富色譜儀的功能，提高其智能化和自動化水平，擬開發(fā)增添新型功能。主要包括:
1.圖譜顯示功能分析
圖譜顯示是用來對被測信號尖峰的頻率、幅值進(jìn)行分析，用來研究被分析對象動態(tài)特性的主要手段。運(yùn)用精密運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換芯片和大屏幕液晶可實(shí)現(xiàn)實(shí)時曲線在線顯示，使操作者能夠及時了解儀器的運(yùn)行狀態(tài)。本文中圖譜顯示主要有以下方面的功能:(1)協(xié)調(diào)整機(jī)軟件及硬件的操作和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、儀器標(biāo)定等操作的自動化;(2)提供方便的人機(jī)對話界面，使用戶可以通過圖譜顯示界面來控制、監(jiān)視或調(diào)整儀器的運(yùn)行狀態(tài)，得到正確的分析結(jié)果。
2.自動調(diào)零功能分析
自動調(diào)零是一種動態(tài)地抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術(shù)，它能將相對輸入端的失調(diào)電壓降低到pV級［26]。系統(tǒng)自動調(diào)零用以去掉輸入電路、放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的偏移和隨時間、溫度而產(chǎn)生的各種漂移的影響。
色譜儀傳統(tǒng)調(diào)零方法通過控制面板上安裝的機(jī)械電位器進(jìn)行手動調(diào)整。本文基于手動調(diào)零法和現(xiàn)代IC技術(shù)，提出了一種自動調(diào)零法，該算法采用軟件自動控制硬件的方法，方便、快捷地實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)零。算法的基本思想是:通過模擬手動調(diào)零的步驟，將測量值與預(yù)先設(shè)定的閡值進(jìn)行比較，判斷是否歸零;若不為零，改變補(bǔ)償信號大小;重復(fù)以上步驟，直至歸零。該方法采用軟件自動控制調(diào)節(jié)的方法，實(shí)現(xiàn)了儀器調(diào)零自動化。
3.氣相色譜儀自動進(jìn)樣控制系統(tǒng)
色譜儀采用手動進(jìn)樣方式進(jìn)樣時,操作不慎或注樣口隔墊漏氣,會造成樣品流失。每次抽取的樣品量不同,注樣間隔不相等,這些都有可能造成一定的偏差。自動進(jìn)樣系統(tǒng)可以克服常規(guī)分析的缺陷,提高分析精度,并使進(jìn)樣及部分樣品準(zhǔn)備工作自動進(jìn)行。自動進(jìn)樣器每次抽取的樣品量相同,進(jìn)樣間隔相等,確保更高的分析精度。
綜上所述，自動進(jìn)樣系統(tǒng)有著很大的優(yōu)點(diǎn)，各色譜儀生產(chǎn)廠家都非常重視該系統(tǒng)的開發(fā)，目前自動進(jìn)樣系統(tǒng)己作為基本配置在許多廠家的氣相色譜儀上安裝，從而為色譜條件的再現(xiàn)、優(yōu)化和智能化提供了更可靠更完善的支持。
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