浅谈色谱分析中程序升温方案

2022-12-05

随着科学技术的发展, 色谱分析作为一种先进的检测手段, 在各个领域中发挥着重要的作用, 在石油化工、医药、食品、食用添加剂、环境监测等许多行业得到了广泛的应用, 尤其在建筑工程室内装饰装修带来的室内环境污染检测、水质检测、食品安全检测、化工产品安全检测扮演着重要的角色, 因此如何使用好色谱分析显得尤为重要。色谱一般有气相色谱、液相色谱、色谱-质谱联用等。对于一些常规的检测目前国内基本上都采用气相色谱法来测定。

由于成分之间的化学性质差异性大决定了色谱分析必须采样程序升温才能达到有效的分离效果, 根据程序升温的方式, 程序升温可以分为线性程序升温和非线性程序升温, 前者更为普遍。线性程序升温, 即随着时间线性变化的升温方式, 可以分为一阶线性程序升温和N阶线性程序升温。对于每阶程序升温, 都包含初温、程序升温速率、终温以及不同温度下的保持时间四个基本参数。

在气相色谱恒温分析中, 对有机化合物的化学性质相似的同类型的化合物, 保留时间和沸点呈对数关系, 随着保留时间增加, 色谱峰宽迅速增加, 导致先流出峰相互叠加, 后流出峰又因峰展宽, 使检测灵敏度下降, 因此一般通过色谱柱温程序升温来解决这个问题。那么, 程序升温时, 初温、终温、升温速率、各温度保持时间、柱温阶数N到底怎样选择合适呢?是否N越到越好呢?

程序升温的分离效果受到多方面因素的影响, 如分析对象的化学性质、色谱仪的仪器条件、程序升温中初温的选择、升温速率、各温度保持时间等, 所以分析人员应根据实际情况设计自己的程序升温方案。

一、采用SE-30毛细色谱柱 (0.53mm×1μm×50m) 为例, 固定液为二甲基聚硅氧烷, 其使用条件是50℃~300℃, GC9560TVOC (Ⅱ) 气相色谱仪。

在柱前压0.03MPa、汽化室温度250℃、氢火焰检测器温度260℃, 在程序升温条件下, 分离含有二硫化碳、苯、甲苯、对 (间) 二甲苯、邻二甲苯、苯乙烯、乙苯、乙酸丁酯、十一烷的标准混合物。

我们现在通过选择TVOC标准样品涉及9中成分来分析, 它们的沸点:

1.初温的选择, 一般初温比样品中沸点最低的组分沸点要低, 可以参考低沸点组分恒温分析时的温度, 但是要高于固定液的凝固温度或者高于色谱柱的最低使用温度, 在此我们可以选择50℃。

2.终温的选择, 一般终温要高于样品中沸点最高的组分沸点要高, 但是不能超过固定液的最高使用温度, 最好比色谱柱最高使用温度低40~60℃, 因高温时固定液会流失, 影响色谱柱的使用寿命, 同时不得影响样品组分的热稳定性, 导致组分分解或破坏。根据《室内空气质量标准》GB/T 18883-2002, 定义TVOC温度范围是50℃~250℃, 所以终温可以选择250℃, 保证高沸点组分全部出峰, 不在色谱柱中冷凝滞留。

3.升温速率的选择, 我们既要获得较小的保留时间, 提高分析速度, 又要保证较大的分离度, 获得满意的分析效果。N阶数尽可能的小, 达到简化操作, 一般是1阶或2阶, 3阶使用的也很少见, 升温速率大小根据实际组分分离效果和峰形而定。

4.分离效果, 要着重考虑这种化学性质接近的组分。对于组分沸点范围窄, 化学性质类似的样品组分, 比如同系物。我们可以选用一阶升温, 且升温速率尽可能的小, 满足化学性质相似组分的分离, 如上面表中组分沸点数据来看, 乙苯和对间二甲苯沸点接近, 其次是苯乙烯和邻二甲苯沸点接近, 因此分离是不容易的, 如果通过调节升温速率仍达不到分离要求, 在此同时我们还要考虑更换色谱柱的可能。

5.组分出峰的温度和该组分的沸点温度有必然的关系, 同时受到程序升温设置的温度和组分的介质 (溶剂) 的影响。通常我们认为组分出峰与组分的化学性质有关, 柱温达到组分沸点才能出峰。其实由于介质的沸点低的原因, 降低了组分中分子间的亲和力, 从而使其色谱分析中出峰温度低于其本身沸点;例如我们在分析空气中苯含量时, 柱温选择60℃, 而苯的沸点是80℃, 但是色谱分析中我们仍然成功检测苯的含量。

6.由于现在色谱柱的种类多样, 通常有极性和非极性, 填充柱和毛细柱, 各种色谱柱内部的固定相对样品组分的传质阻力不一样, 所以同样的样品组分, 在达到同样的分离效果的要求下, 柱温选择和保留时间是不同。固定液的涂膜厚度影响传质快慢, 一般厚的涂膜会让组分出峰变慢, 反之即快。色谱柱长度长的组分出峰慢, 反之即快, 色谱柱孔径小的组分出峰慢, 反之即快;组分在毛细管柱比填充柱出峰要慢。所以样品组分流出时的柱温选择, 在毛细管柱中的温度选择可以比填充柱要低几十度。

结论

程序升温方案设计是比较灵活的一种样品组分分离方式, 应根据样品组分的化学性质、样品组分的复杂性、样品前处理情况、分析系统、分析效率、标准要求、方法的允许偏离、结果的要求, 制定程序升温的方案, 从而把干扰减到最低, 到达样品组分的有效分离, 但是程序升温也有力所不及的地方, 因此我们考虑分析方案时要也考虑除此之外的实验因素。

摘要：程序升温的分离效果受到多方面因素的影响, 如样品组分化学性质、仪器条件、程序升温中初温的选择、升温速率、各温度保持时间等, 所以分析人员应根据实际情况设计自己的程序升温方案, 不可照搬照抄。

关键词：色谱分析,程序升温,升温阶数