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色譜儀應用色譜法對物質進行定性、定量分析, 及研究物質的物理、化學特性的儀器。

色譜儀色譜儀
 

1 色譜儀 -正文

  採用分離技術測定物質成分的分析儀錶。它可作定量分析,也可作定性分析;既可用於氣相分析,也可用於液相分析。它的特點是分離能力強,分析速度快和樣品用量少。例如,用於分析石油產品時,一次可以分離分析一百多種組分;又如在分析超純氣體時,可鑒定出含有百萬分之一甚至百億分之一的組分。因此,色譜儀廣泛應用於石油、化工、電力、醫藥、食品等工業生產和科學實驗中。
  色譜儀工業用氣相色譜儀由色譜柱、檢測器、載氣進樣裝置和程序控制裝置組成(見圖)。與實驗室用色譜儀不同的是它有一套程序控制裝置,按一定的周期自動切換氣路,實現定量進樣,完成一個分析循環。色譜柱是儀錶的核心,其作用是把混合物中的不同組分分離開來。色譜柱為直徑約 3~6毫米、長約1~4米的玻璃或金屬細管,管內填裝一定的固體吸附劑,不同的材料具有不同的吸附特性。即使是同一種吸附劑,當溫度、壓力、載氣種類或加工處理方法不同時,也會得到不同的分離效果。常用的吸附劑有氧化鋁、硅膠、活性炭、分子篩等。色譜柱的尺寸及其填充材料的選擇取決於分析對象的要求。檢測器的作用是將被色譜柱分離開的各組分進行定量的測定。在流程氣相色譜儀中使用最多的是熱導式檢測器(熱導池)和氫火焰電離檢測器。熱導池中的熱敏元件是鉑或鎢的細電阻絲。電阻絲阻值大小反映了氣體的導熱係數,因而也就反映了其組成成分的變化。熱導式檢測器的檢測極限約為百萬分之幾的樣品濃度。氫火焰電離檢測器的靈敏度比熱導式檢測器高一千倍。但只能檢測有機碳氫化合物等在火焰中可電離的組分,檢測極限對碳原子幾乎可達十億分之一的數量級。因此是一種高靈敏度檢測器。載氣進樣裝置的作用是使被分析的樣氣定量輸入,進一次樣氣,分析一次。而樣氣是利用連續通入的載氣運送通過色譜柱的。載氣應不與樣氣起化學作用,且不被固定相吸附的氣體,常用的有氫、氮、空氣等。載氣的選擇還與檢測器的類型有關。
  在圖中,由高壓氣瓶供給的載氣,經減壓、穩流裝置或凈化乾燥後進入六通切換閥。六通切換閥受定時程序控制有「取樣」和「分析」兩種工作位置。當閥處於分析位置時,氣路按虛線接通,載氣推動取樣管中樣氣進入色譜柱,經分離后,各組分先後通過檢測器(熱導池),產生輸出信號供指示記錄。也可通過計算色譜峰面積或讀取峰高,對某組分建立採樣式的自動調節系統。
  流程液相色譜儀的分析對象是液體組分或分子量大於 350以上的有機物。液相色譜儀的分離作用並不單純取決於吸附劑的化學性質、粒度和形狀,還與流動相的組成成分及其性質和濃度有密切關係。因此,液相色譜儀必須同時選擇適當的固定相和流動相。此外液相色譜儀大多採用光學的紫外檢測器,其檢測極限約為5×10-10毫克/升。
  流程色譜儀大量應用於排氣分析、高爐氣分析、煉焦和熱處理氣氛分析、石油精鍊和高分子合成等工業的閉環控制系統。色譜分析結果經數據處理系統運算后,將信息輸給上位計算機,以實現工業流程的物料平衡、過程式控制制並顯示過程的變化趨勢。因此流程色譜儀是構成現代生產管理控制系統的重要環節之一。

2 色譜儀 -工作原理

色譜法也叫層析法,它是一種高效能的物理分離技術,將它用於分析化學並高速逆流色譜儀
配合適當的檢測手段,就成為色譜分析法。   

色譜法的最早應用是用於分離植物色素,其方法是這樣的:在一玻璃管中放入碳酸鈣,將含有植物色素(植物葉的提取液)的石油醚倒入管中。此時,玻璃管的上端立即出現幾種顏色的混合譜帶。然後用純石油醚沖洗,隨著石油醚的加入,譜帶不斷地向下移動,並逐漸分開成幾個不同顏色的譜帶,繼續沖洗就可分別接得各種顏色的色素,並可分別進行鑒定。色譜法也由此而得名。   

現在的色譜法早已不局限於色素的分離,其方法也早已得到了極大的發展,但其分離的原理仍然是一樣的。我們仍然叫它色譜分析。

3 色譜儀 -氣相色譜儀


氣體工業名詞術語。一種對混合氣體中各組分進行分析檢測的儀器。樣品由載氣帶入,通過對欲檢測混合物中組分有不同保留性能的色譜柱,使各組分分離,依次導入檢測器,以得到各組分的檢測信號。按照導入檢測器的先後次序,經過對比,可以區別出是什麼組分,根據峰高度或峰面積可以計算出各組分含量。通常採用的檢測器有:熱導檢測器,火焰離子化檢測器,氦離子化檢測器,超聲波檢測器,光離子化檢測器,電子捕獲檢測器,火焰光度檢測器,電化學檢測器,質譜檢測器等。
氣相色譜儀的構造
氣相色譜儀的基本構造有兩部分,即分析單元和顯示單元。前者主要包括起源及控制計量裝 置﹑進樣裝置﹑恆溫器和色譜柱。後者主要包括檢定器和自動記錄儀。色譜柱(包括固定相)和檢定器是氣相色譜儀的核心部件。

操作


1)操作要點   
1. 參照所屬儀器的說明書擺放好儀器,將有關插頭對號入座,接地線要牢固接地。   

2. 將層析柱接入氣路,檢查氣路是否漏氣,熟悉高壓氣瓶的用法;開總壓閥->調節減壓閥(使壓力為2×10Pa)->調節穩壓閥﹑針形閥,使載氣流速達到所需要求。   

3. 加熱層析柱至所需溫度(波動值< 0.5℃)。加熱進樣器,使其溫度稍高於樣品組分的最高沸點。加熱檢定器,使其溫度與柱溫相同或稍高,切勿低於柱溫,以防樣品蒸氣冷凝污染鑒定器。   

4. 打開檢定器溫壓開關,開動記錄儀放大部件(對氫火焰離子化檢定器是啟動直流放大器)。調節檢定器,使基線穩定,定好零點,即可開始進樣分析。   

5. 樣品為液體時,可直接用微量注射器由進樣口注入,若樣品為氣體時,即可用氣體六通閥或直接用注射器進樣。   

2)條件的選擇   

在選好色譜柱的前提下,還應注意下述各點:   

1. 載氣流速。用氫作載氣時,一般填充柱之載氣流速為5~10厘米/秒的線性速度。適當的流速,有利於提高解析度。  
2. 柱溫。通常採用與樣品平均沸點相等或高出10度的柱溫為宜。但是,在氣液色譜中,流動相以恆溫進入色譜柱時,將使相似化合物早餾出峰互相重疊,晚餾出峰寬度增加。若改為單階梯式或多階梯式線性程序升溫方式,則可大大提高其解析度。在選擇初步(化合物中最低沸點)升溫速率(0.5~6℃/分)和最終溫度(化合物中最高沸點,但不高於固定相的沸點)的基礎上,經過試驗就可找出與理想解析度有關的柱溫。   

3. 進樣的體積與速度。普通填充柱的氣體樣品進樣量為0.1~1毫升,液體樣品為0.1~2毫升。進樣體積過大,會使峰形扁平甚至重疊,有時還會出現畸形峰,不利於測量面積。此外,氫火焰離子化檢定器的進樣量應比熱導池檢定器小。至於進樣速度,原則上要求越快越好,這樣可提高分離效果,降低進樣誤差。
高效液相色譜
高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography簡稱HPLC)又稱高速或高壓液相色譜。該方法是吸收了普通液相層析和氣相色譜的優點,經過適當改進發展起來的。它既有普通液相層析的功能(可在常溫下分離製備水溶性的物質),又有氣相色譜的特點(即高壓,高速,高解析度和高靈敏度);它不僅適應於很多不易揮發,難熱分解物質的定性和定量分析,而且也適用於上述物質的製備和分離。   

高效液相色譜按其固定相的性質可分為高效凝膠色譜,疏水性高效液相色譜,反相高效液相色譜高效離子交換液相色譜,高效親和液相色譜以及高效聚焦液相色譜等類型。用不同類型的高效液相色譜分離或分析各種化合物的原理基本上與相對應的普通液相層析的原理相似。其不同之處是高效液相色譜靈敏,快速,解析度高,重複性好,且須在色譜儀中進行。

離子色譜儀

離子色譜是高效液相色譜的一種,是分析陰陽離子的一種液相色譜方法,該方法具有選擇性好、靈敏、快速、簡便等優點,並且可以同時測定多種組分。   

通常情況下,離子色譜可以分為三種類型:離子交換色譜、離子排斥色譜、離子對色譜。
離子交換色譜
離子交換色譜以離子間作用力不同為原理,主要用於有機和無機陰、陽離子的分離。
離子排斥色譜
離子排斥色譜基於Donnan排斥作用,是利用溶質和固定相之間的非離子性相互作用進行分離的。它主要用於機弱酸和有機酸的分離,也可以用於醇類、醛類、氨基酸和糖類的分離。
離子對色譜
離子對色譜的分離機理是吸附、分離的選擇性主要由流動相決定。   

該方法主要用於表面活性陰離子和陽離子以及金屬絡合物的分離。   

下面我們以離子交換色譜為例簡單介紹一下離子色譜的原理。   

一事實上酸度下,樣品離子和固定相基團之間存在著相互作用,對於不同的樣品離子,這種作用的大小是不同的。因此在隨流動相通過色譜柱的過程中,作用力強的樣品離子保留時間要比作用力弱的離子長,經過一段時間后,就可以實現樣品的分離。   

以陰離子的分離為例說明一下離子色譜的分離過程。   

在色譜柱中,填充了無數的離子交換劑作為離子分離的固定相,固定相上吸附了很多陽離子。   

充滿色譜柱的流動相為某種鹽的溶液,在沒有樣品進入時,流動相中的陰離子和固定相的陽離子保持平衡。   

樣品中含有兩種待分離陰離子,基中體積較大的A與固定相的正電荷作用力較大,而體積較小的B作用力小。   

在樣品進入色譜柱后,陰離子A、B與流動相陰離子一同前進,三種離子不斷的交替佔據與固定相陽離子相吸的位置;樣品陰離子A與正電荷的作用力較大因而移動較慢,而B移動較快,從而實現了分離。   

最終,因為流動相陰離子的數量有絕對優勢,所以樣品陰離子A、B都分流出色譜柱,對在不同時間流出色譜柱,對在不同時間流出色譜柱的樣品離子進行檢測,就可以知道樣品組分的種類與含量。

離子色譜儀的典型結構

離子色譜儀的典型結構由輸液泵、進樣閥、色譜柱、抑制柱、檢測器和數據處理系統組成。
輸液泵
雙頭往複泵是非常常用的一種輸液泵,它由電機帶動凸輪轉動,兩個柱塞桿往複運動,吸入排出流動相。兩個柱塞桿的移動有一個時間差,正好補償流動相輸出的脈衝,因而流速相當平穩。
進樣閥
量常用的進樣方法是六通閥進樣,這種方法進樣量的可變範圍大,耐高壓,而且易於自動化。
色譜柱
分離系統的主要元件是色譜柱,它是色譜分離過程中存放固定相的場所。離子色譜儀的柱填料是離子色譜儀研究的熱點,是離子色譜儀發展的主要推動力,發展很快。   

離子栓測器分為兩大類,即電化學檢測器和光學栓測器,電化學檢測器包括電導、直流安培、脈衝安培和積分安培等,而光學檢測器包括紫外、或見光和熒光檢測器。   

其中電導檢測器是離子色譜最重要的檢測器,現簡單介紹如下。   

所有的離子化合物(有機離子、無機離子、強酸和強鹼)以及可被解離的化合物(弱酸和弱鹼)的水溶液都能夠導電。電導檢測器就是以離子色譜流動相中導電的變化作為定量的依據的。   

電導檢測器的結構比較簡單、檢測池在兩個電極中間,當在電極上加上電壓時,栓測池內溶液中的離子就會產生運動。通過對運動產生的電流的測量就可以知道溶液中離子的濃度。   

而如果流動相的導電性很高,而樣品的導電性較低,那麼電導檢測器就不會有效的檢測出樣品離子的濃度   

因此,人們在色譜柱和電導檢測器之間加上了一個抑制柱,它可以改變流動相和樣品的導電性,從而使樣品離子得到靈敏的檢測。

作用和發展

經過多年的發展,離子色譜已經在生產生活的各種領域發揮著重要的作用。
環境分析
離子色譜在其產生初期最重要的應用便是環境樣品的分析,其應用對象主要是環境樣品中各種陰、陽離子的定性、定量分析。   

作為一種快速準確而有效果分析方法,離子色譜廣泛應用於微電子、電力工業中高純水、高純試劑痕量雜質的分析。

食品飲料分析

與傳統的分析方法相比,離子色譜法的突出優點是多組分同時進行分析,樣品處理簡單,因此成為食品和飲料中陰陽離子、有機酸、胺和糖類分析的較好方法。

聯用技術


離子色譜聯用技術是離子色譜發展的一個方向。聯用技術的發展,使得離子色譜分析技術的應用範圍和檢測靈敏度有了很大的提高,關於離子色譜--原子吸收(發射)光譜、離子色譜--電感耦合等離子體、離子色--質譜的聯用已有不少報道。
  參考書目
 劉元揚、劉德溥主編:《自動檢測和過程式控制制》,冶金工業出版社,北京,1980。

4 色譜儀 -配圖

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