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色谱峰异常系列问题及对应解决方案(后篇)

发布日期:2020-11-13 16:09    来源:未知

 

 
 
信号记录系统是构成气相色谱仪不可缺少的部件,由它给出的色谱图是进行定性、定量分析的主要依据,也是衡量色谱柱柱效、分离度和检测器性能优劣的可靠依据。
 
 
 
 
 
 

色谱工作者通过信号记录系统得到色谱图,对色谱图进行定性、定量分析。但是在工作中常常会碰到如色谱峰拖尾、色谱峰形不对称、峰形变异、相邻色谱峰分不开、倒峰、鬼峰、保留时间改变等问题,给样品组分定性、定量带来了很大的困难和麻烦。针对这些问题,本文针对色谱峰异常系列问题,提供实例并给出谱图信号异常的解决办法。

 
 
色谱峰展宽

理想情况下,经色谱分离获得色谱峰的形状应为高斯分布曲线,即对称峰。但实际测定时随着样品在色谱柱中的移动,样品分子会向谱带两侧扩散,从而使色谱柱出口处的样品谱带比柱入口时宽,且可能产生不对称的峰,这就是谱峰展宽。 峰展宽对组分间的分离和分析是不利的,那么是什么原因导致峰展宽?该如何解决呢?

 
 
 
 
原因
 
 
 
 

影响色谱峰展宽的因素很多种,但不外乎柱内和柱外两类。柱内因素是指色谱柱本身的性能,如柱活性大小、固定相是否与样品发生化学反应、柱效是否足够高、样品是否超载等;柱外因素主要是指接头的死体积、进样口和检测器死体积等。

 

进样口造成峰展宽的机理有两种:

一是时间上的展宽:

时间上的峰展宽是由样品蒸气从进样口到色谱柱的迁移速度决定的,速度越快,初始峰宽越小。

 

二是空间上的展宽:

而空间上的峰展宽则是样品进入色谱柱头时产生的,如不分流进样和冷柱上进样时,样品进入柱头会发生部分或全部冷凝,冷凝的液体样品会在载气的吹扫下移动,从而在一定的长度上分布,这一长度就是初始峰宽,如果样品与固定相的相容性不好,还会形成液滴而分布,这就使初始峰宽进一步加大,严重的还会造成分裂峰。

荷兰学者范第姆特等人在研究气相色谱时,提出了色谱过程的动力学理论---速率理论。根据速率理论,谱峰展宽的因素包括涡流扩散、分子扩散、气相传质阻力、流动相的流速等。

 

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涡流扩散是指在填充色谱柱中,流动相通过填充物的不规则空隙时,其流动方向不断地改变,因而形成紊乱的类似“涡流”的流动。由于填充物的大小、形状各异以及填充的不均匀性,使组分各分子在色谱柱中经过的通道直径和长度不等,从而造成他们在柱中的停留时间不同,其结果是使色谱峰变宽;
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分子扩散是指试样进入色谱柱后,在色谱柱轴向上造成浓度梯度,使组分分子产生浓差扩散,主要与组分在气相中的扩散系数大小有关;

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气相传质阻力与填充物粒度、组分在载气流中的扩散系数有关,主要是试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡,有的分子还来不及进入两相界面就被气相带走,有的分子在进入两相界面后还来不及返回气相,这就造成了色谱峰展宽;

 

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固定相传质阻力同气相传质阻力类似,与固定液膜厚度、组分在液相中的扩散系数有关,不过它是发生在气液界面和固定相之间的,也会引起色谱峰的扩张。

 
 
 
解决方案
 

针对导致色谱峰展宽的原因,可从以下考虑:使用相对分子质量较大的载气(如N2),采用较高的载气流速,控制较低的柱温,从而尽量减小分子扩散项;减小固定液膜厚度,增大组分在液相中的扩散系数,可以减小固定相传质阻力;采用粒度小的填料和相对分子质量小的气体(如He、H2)作载气,可减小流动相传质阻力。

 

具体可从以下几方面优化分离条件来改善峰展宽,在尽可能短的分析时间内获得满意的分离效果。

01
 
 
改变动力学因素中的理论塔板数n和理论塔板高度H。理想的方法是在不断增加柱长的条件下减小板高以达到增加流速缩短分析时间的目的。一般可以采用接近最佳流速的载气流速,采用小内径的色谱柱,填充柱的话使用的填料要粒度细、颗粒均匀,且均匀填充,以减少涡流扩散,提高柱效。

 

02
 
 

改变固定相与流动相的容量因子k,提高分离度R。k在一定范围内增加可有效提高R,但当k大于5时R的变化就很小了,反而使保留时间迅速增加。此时,可采取降低柱温、降低载气流速等措施。

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改变相对保留值α。在流动相和固定相一定时,α只与柱温有关。当两个组分的α接近1时,改变H和k都难以改善峰形实现分离,此时可通过改变柱温、更换色谱柱(改变固定相)、采用化学作用如衍生化反应改变待测物的结构来实现。

 

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GC毛细管柱可采用程序升温。程序升温可使待测物在适当的温度下流出,以保证每个组分有合适的k值,同时改善R。

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优化进样和检测条件。要消除进样口对色谱峰展宽的影响就要使进入色谱柱的样品初始谱带尽可能窄。一般地讲,进样量小一些、进样口温度高一些、载气流速快一些、衬管内径小一点、气化室体积小一些、分流比大一些,都对形成窄的初始谱带宽度有利。

当然还可以利用进样过程中的聚焦技术来减小初始谱带宽度,分为固定相聚焦、溶剂聚焦和热聚焦。

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固定相聚焦。这是最常用的聚焦技术,但只能用于程序升温分析。在GC中,保留时间是柱温的指数函数,柱温低时,样品从气化室进入色谱柱后的移动速度就会减慢。这时固定相与样品相互作用,从而使样品组分聚焦到一个窄的谱带中。实现固定相聚焦的条件是初始柱温要低,样品与固定相的相容性要好(相似相溶规律判断)。

 

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溶剂聚焦。样品在柱头部分或全部冷凝后,溶剂开始挥发,与溶剂挥发性接近的组分就会浓缩在未挥发的溶剂中,从而产生很窄的初始谱带,这就是溶剂聚焦,也叫溶剂效应。根据样品组分的沸点和初始柱温选择合适溶剂,往往可以抑制进样过程对峰展宽的影响。

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热聚焦。样品在柱头冷凝的过程中,由于溶剂先进入色谱柱而导致溶质发生浓缩,这就是热聚焦。当柱温达到溶质气化温度后,样品就以很窄的谱带在色谱柱中移动。在冷柱上进样时,采用液氮或二氧化碳使柱头处于低温下,就是为了实现热聚焦,可见低的初始柱温是热聚焦的关键。

 

实际进样测定时,针对峰展宽还应注意:手动进样时注射速度要快,速度慢会使样品气化过程变长,导致样品进入色谱柱的初始谱带变宽;确保载气最佳气流和流量下分析;样品过载时,增大分流比或降低进样量和进样浓度;发现进样口污染时,应及时更换衬管和隔垫;色谱柱用久后,柱效会下降,前端会污染,固定相流失会聚集在末端,此时应截去色谱柱前后一段,检测柱效;检测器温度不能太低等。

多个化合物出峰重叠在一起

色谱峰之间怎样才算达到完全分离?

首先是两个色谱峰的峰间距必须相差足够大,若两峰间仅有一定距离,而每一个峰却很宽,致使彼此重叠,则两组分仍无法完全分离;

第二是峰宽必须窄;只有同时满足这两个条件时,两组分才能完全分离。

 

判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况,常用分离度R作为色谱柱的分离效能指标。R定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个色谱峰峰底宽度总和之半的比值。R值越大,意味着相邻两组分分离得越好。

 

因此,分离度R是柱效能、选择性影响因素的总和,可用其作为色谱柱的总分离效能指标。从理论上可以证明,若峰形对称且满足于正态分布,当R<1时,两峰有明显的重叠;R=1时,分离程度可达95%,;当R=1.5时,分离程度可达99.7%,因而可用R=1.5来作为相邻两峰已完全分离的标志。

多个化合物色谱峰重叠时,如何提高分离度,使其完全分开?

 
 
 
原因
 

当多个化合物出峰重叠时,可采用减小载气流速、降低柱温或升温速率、减小进样量、提高气化室温度等措施来提高分离度;当改变柱温和载气流速也达不到分离目的时,就应更换更长的色谱柱,或更换不同固定相的色谱柱,在气相分析中,色谱柱是分离成败的关键。化合物出峰重叠的主要原因有:

  • 载气流速过快;

  • 色谱柱温度过高;

  • 进样量过大;

  • 气化室温度偏低;

  • 进样时未选择合适的分流比分流;

  • 色谱柱长不够,导致分离度不够;

  • 色谱柱型号选用不对。

 
 
 
解决方案
 

载气类型和流速的选择

首先要根据考虑使用的检测器类型选择合适载气。热导池检测器TCD常选用氢或氦气作载气,能提高灵敏度,氢载气还能延长热敏元件钨丝的寿命;氢火焰检测器FID用氮气作载气,也可用氢气;电子捕获检测器ECD常用氮气;火焰光度检测器FPD常用氮气和氢气。

载气成分越轻、纯度越高,越有利于提高分离度。当然,现在的仪器都是固定采用某一种载气,一般不常更换载气种类。

 

载气流速对柱效率和分析速度都会产生影响。根据范氏方程,载气流速快,能加快分析速度,减少分子扩散,缩短分析时间,但同时可能降低分离度;载气流速慢有利于传质,一般可提高分离度,同时也可能会造成峰展宽而降低分离度。所以当多个化合物峰重叠时,应选择合适的载气流速。根据范氏方程,一定的色谱柱对一定的化合物有一个最佳流速点,这时候柱效最高,分离能力最好,但是人们常用“实用最佳流速”即合适的载气流速。

柱温的选择

柱温直接影响分离效能和分析速度。柱温低有利于分配,有利于组分分离,但温度过低会造成被测组分在柱上冷凝或传质阻力增加,使色谱峰扩张甚至拖尾;柱温高有利于传质,但会使分配系数变小,不利于分离。对沸点范围宽、组成复杂的混合物应利用色谱柱的程序升温技术,获得最高分离度、最短分析时间的最佳分析结果。

色谱柱的选择

色谱柱的选择是整个色谱分析条件优化过程中最重要的一环。色谱柱选择是否恰当直接决定了分析结果的准确性、数据的重现性、峰形的美观等。

毛细管色谱柱参数主要包括:固定液极性、柱长、内径、膜厚等四方面。选择色谱柱应根据“相似相溶”原理,分析非极性物质用非极性色谱柱,极性物质用极性色谱柱。根据固定液极性强弱可以分非极性柱(DB-1或等同的其它品牌)、弱极性柱(DB-5等)、中等极性柱(DB-17等)、强极性柱(DB-WAX等)。

 

色谱柱中固定液用量对分离起决定作用。一般来说,载体表面积越大,固定液用量可以越高,允许的进样量也就越多。为了改善液相传质,应使液膜薄一些,固定液液膜薄,柱效能提高,可缩短分析时间;但是膜厚是一个选择空间比较大的参数,膜厚越厚,对分析物的保留会增加,保留时间增大,有助于分离;但是由于传质阻力的增加,柱效又会降低。因此,如果分析保留弱的物质(如一些小分子),可考虑试试厚液膜的柱子,反之则选择薄液膜的色谱柱。

 

对填充柱来说,要求载体表面积大,表面孔径分布均匀。固定液涂在载体表面上成为均匀薄膜,液相传质就快,柱效就可提高;载体粒度均匀、细小,也有利于柱效提高;但粒度过小,柱压增大,对操作不利。柱长对分离的影响也很明显。通常色谱柱越长,理论塔板数越大,分理效果越好,但是保留时间增加也很明显。对于特别难分离的物质,一般应选用长柱。内径对柱容量和柱效亦有较大影响,内径越小,柱容量会下降,但柱效会变高。

 

进样时间和进样量

手动进样时速度必须快,一般应在1s之内。进样时间过长,会造成峰展宽、前伸或拖尾变形。进样量一般液体0.1-5μL,气体0.1-10mL。进样太多,会使色谱峰展宽,造成前伸、拖尾或重叠而分离不好。

气化室温度的选择

合适的气化室温度既能保证样品组分瞬间完全气化,又不引起样品分解。气化室温度一般比柱温高30-70℃或比样品组分中最高沸点高30-50℃。在保证不发生热分解时,适当提高气化温度对分离及定量均有利。

 

 

 
 
 
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