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毛细管柱选择规则

更新时间:2020-06-14 05:14  

  毛细管柱选择规则_能源/化工_工程科技_专业资料。毛细管柱选择的一般方法和规则

  要选择一根合适的商用毛细管柱,主要需要考虑以下几个因素:固定相、内径、柱长、膜厚 。 下面分别就这些因素加以讨论。 1、固定相 色谱理论上讲,选择固定相首选遵循相似性原则,即:用非极性固定相分析非极性物质,用 极性固定相分析极性物质,用含芳香基团的固定相分析芳香族化合物。在填充柱时代,这个 想法是非常正确的,因为那个时候,分离度是首先需要把握的关键因素,分不开,就没办法 想其它。它的理由在于塔板理论的推论,即:组分在固定相中有越大的溶解度,同样的溶解 度差异就会产生越大的分离度。 但是在毛细管色谱时代,分离度不再始终是分析的首选问题。毛细管具有几十万块塔板,如 此大的柱效率,以至于不再需要充分考虑分离问题了。这个时候,样品兼容性、使用温度、 稳定性、柱流失情况等,都可能成为选择的主要理由。例如分析甲醇乙醇丙醇等低级醇类, 正常应选择 wax 类高极性色谱柱。但是在杂质较少的情况下,选择 DB-1这样的非极性柱具 有更高的灵活性和使用寿命。具体选择主要依据以下规则: 1) 、因为非极性毛细管柱具有明显的稳定性、高使用温度、良好的色谱峰型等有利因素,因 此易分离物质应首先选用极性小的色谱柱。 2) 、分析氢键型物质用氢键型 PEG 柱更佳。 3) 、轻烃或永久气体用 Plot 柱更佳。 4) 、高苯基固定相对芳香族物质保留能力更强。但是分析二甲苯等芳烃异构体,首选 Wax 类强极性色谱柱。 2、内径 毛细管柱理论塔板高度与内径成正比。因此相同长度的毛细管,内径越小柱效率越高。但内径越小,通常 意味着柱容量的减小,在分析低含量组分时,对检测器灵敏度和进样口分流能力的要求越高。因此在选择 内经的时候,首先考虑的是样品分析难点在于分离还是检测。对于分离困难的样品,首选较小口径的色谱 柱;对于含量过低检测困难的样品,首选较大口径的色谱柱。在没有分析难点的情况下,选择小口径毛细 管柱可以缩短柱长,减小分析时间。 下面一张谱图,可以看到不同口径毛细管柱的分离效果。 下面一张表格,是不同口径毛细管柱理论塔板数的参考数据。柱效率中的小字,是另一公司的测试数据。 3、柱长。 柱长增加一倍,理论塔板数增加一倍,但同时分析时间也增加一倍,分离度由于与柱长的平方根成正比, 因此理论上就只能够得到0.414倍的增加, 但实际得到的收益要更小。 虽然如此, 在分离度难以达到的时候 , 选择更长的毛细管柱,仍然是最直接有效的方法。 4、膜厚。 膜厚并不能直接影响毛细管柱的理论塔板高度,但他直接影响色谱柱的相比。越大膜厚,色谱柱的柱容量 就越大,组分出峰的时间就越晚。 在需要更大的进样量的情况下,首选厚膜色谱柱;在需要快速分析的情况下,首选薄膜色谱柱。 其他讲座资料看 学习气相色谱跟 yuen72老师入门 毛细管色谱柱的一个经常被遗忘的重要参数就是膜厚。 当我们选择一个毛细管柱的时候, 通常都是指出固定液类型 (毛细管柱商品名称, 如DB-1) 内 径 如 0.32mm)、 、 ( 长度(如50m) ,亚洲城ca88手机!很少顾及到膜厚。事实上,膜厚对分析的影响是巨大的。 下面给出2张不同膜厚色谱柱的分析结果对比图,请朋友们比较两张图中不同膜厚谱图的差异,并试着用塔 板理论加以分析。 谱图对比情况分析: 从谱图可以看到: 1、厚液膜色谱柱出峰时间明显增加,液膜厚度增加一倍,出峰时间增加接近一倍。 2、厚液膜的分离度略有增加。膜厚增加一倍,分离度没有达到增加0.414倍,只是略有增加。 知识回顾: 塔板理论共有四个基本假设,分别是: (i)在柱内一小段长度 H 内,组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度 H。 (ii)流动相(如载气)进入色谱柱不是连续进行的,而是脉动式,每次进气为一个塔板体积(ΔVm) 。 (iii)所有组分开始时存在于第0号塔板上,而且试样沿轴(纵)向扩散可忽略。 (iv)分配系数在所有塔板上是常数,与组分在某一塔板上的量无关。 理论推演: 根据假设,当载气脉动进入色谱柱时,组分分子中,能够跟随载气前行的只有在气相中的那一部分,而液 体固定相中的组分分子,受到固定相的保护,停留在原地。 思考:组分分子的平均移动速度与哪些条件相关?为什么? 提示:组分分子平均移动速度:V=u/(1+k) ,这里载气线速度为 u,k 为组分分子在液相中的量与在气相 中的量之比。 分析时间 t=L/V=(1+k)L/u=t0 + kt0,这里 t0为死时间 L/u。 谱图情况分析: 1、出峰时间延长。 由于组分在固定液中溶解度较大(这就是选择固定液依据相似性原则的基础) ,因此膜厚增加一倍,固定液 体积增加一倍,k 也就随之增加了一倍。因此组分调整保留时间 t增加一倍,在死时间 t0较短的情况下, 所以分析时间增加了一倍。 2、分离度增加。 根据塔板理论,理论塔板高度 H 和液膜厚度并没有关系,仅和进样宽度即0号塔板高度 h 有关,因此分离度 R 应该保持不变。但由于毛细管柱柱容量小,因此进样状态绝大多数情况下处于柱过载状态。当膜厚增加 的时候,柱容量增加,由于柱过载造成的0号塔板展宽情况得到缓解,因此0号塔板高度 h 略有减小,理论 塔板高度 H 也因此减小,柱效率即理论塔板数 n=L/H 有所增加。所以分离度 R 得到了一些改善。 3、深度分析:理论塔板数 n 增加,应该导致色谱峰变得窄而高。但是看第一张谱图,可以发现峰变矮变宽 了。这是因为理论塔板数 n 增加很少,而保留时间的增加,会导致分子纵向扩散情况加重,根据速率理论, 峰宽应该增加。 其他讲座资料看 学习气相色谱跟 yuen72老师入门 不同的膜厚,带来了不同的保留时间。不同的内径,带来了不同的理论塔板数。选择内径和膜 厚,要考虑分离难度和检测难度。与此同时,如何控制分析时间?事实上,相比β,是决定一 个固定长度色谱柱中组分流出时间的决定性因素。 什么是相比?在毛细管柱上: 不同内径和膜厚毛细管柱的相比情况如下表: 在相同的载气流速和色谱柱长度下,相同的相比,具有相同的保留时间。如下2张谱图: 需要注意的是:相比是决定保留时间的主要因素,但并不是决定理论塔板数(柱效率)的主要 因素。在综合平衡柱容量、柱效率、分析时间三方面因素的时候,需要注意相比的影响。 在色谱柱这里,决定柱容量(最小检出量)的主要因素是内径和膜厚,决定柱效率的是内径, 决定保留时间的是相比。 在塔板理论脉冲进气的情况下,样品进样都在第0块塔板上。如此,第0块塔板体积应该等于 进样体积。但是,在毛细管柱的进样上,明显并不如此。 以0.32mm 色谱柱正常柱效为3300块塔板每米来看,每块塔板高度应为0.3mm。如果考虑进样 量为0.2ml,分流比为50倍,则进入色谱柱的样品体积是为0.004ml,如此应该占有50mm 的 色谱柱,按照塔板理论假设,理论塔板高度应为50mm。为什么会出现这样的差异呢?显然问 题来自与理论假设中的脉动进样。通常,我们把实际进样体积占色谱柱高度与理论塔板高度 之比称为进样宽度,这里即50mm/0.3mm=167块塔板。 在样品逐渐进入色谱柱的时候,溶解和解析的过程是不断进行的,实际的样品进样过程中, 已经形成了色谱峰的形状。如下图,上面的是进样宽度为100块塔板高度情况下,进样完毕 时组分浓度的柱内分布。当包括进样在内共有200块塔板体积载气进入色谱柱后,形成的色 谱峰成为下面的形状。注意,图中横坐标为色谱柱头0至 n 块塔板。 理论塔板高度事实上是与进样无关的,只与载气流速、纵向扩散速度和传质速度有关,即速 率理论:H = B/u + Cu 。因此在相同线速度(纵向扩散相同)和相比(液膜厚度与内径成 正比)的情况下,存在理论塔板高度与毛细管色谱柱内径成正比的关系,因为此时传质距离 正好与内径成正比。 因此,厚液膜的色谱柱,因为增加了液相厚度而增加了液相传质阻力,因此并不能提供更 好的理论塔板数。相反的,厚液膜色谱柱理论塔板数(即柱效率)要略低一些。 这与我们实际工作似乎略有出入,事实上,实验室中经常发现厚液膜的柱子具有更好的分离 度 R。但这与理论并不冲突,发生这样情形的原因在于进样量。 我们知道,毛细管柱的主要特点之一就是柱容量小。因此毛细管柱极易超载。 毛细管柱超载可以分为两个情况:1、进样体积超载。2、组分总量超载。下面我们分别对此 加以描述。 1、进样体积超载。 如上面的图,即当进样宽度达到100块塔板(进入色谱柱的样品体积达到理想塔板气相体积 100倍 ) 分配 比 =5情况下的进样状态图。 , 此时, 色谱柱已经出现了进样体积超载, 柱头的1-10 块塔板已经呈现进样平台,这一平台必然造成了色谱峰的柱外展宽-进样展宽。进样展宽不 属于塔板理论和速率理论下正常峰展宽,因此属于柱外展宽,与此相似的还有检测器响应时 间带来的峰展宽等。 当没有出现这样的进样平台时,可近似认为满足塔板理论第4假设:进样时所有组分都位于 第0号塔板,色谱峰具有最细宽度和最好的分离度。要消除这个平台,只能减小进样体积, 或者增加柱容量。 液膜厚度增加一倍,分配比 k 增加一倍,进样平台将明显缩小。例 如 , 上图当分配比 k=10,增加一倍后,柱头组分浓度分配情况如下: 虽然进样体积超载会带来色谱峰展宽,减小分离度,但这种展宽不影响色谱峰流出的形状, 通常是可以接受的。而且,这种超载是难以克服的,如果定量管或者汽化室玻璃衬管体积 已经确定,无法通过降低样品浓度,或减小注射器进样体积来解决。但它可以通过增加分 流比、增加色谱柱膜厚来减小。这种平台峰只出现在色谱柱头,当组分到达色谱柱末端已经 呈现为良好的色谱峰型了。这里提供一个低分配比 k=2,200塔板体积的柱头平台峰供参考. 同样在分配比 k=2的情况下,进样宽度为10的时候,色谱峰型如下: 因此,在发生进样体积超载的情况下,厚液膜色谱柱 (更小的相比)由于减小了进样展宽, 通常具有更好的分离度。 2、组分总量超载。 当进样体积一定,样品组分浓度过大时,塔板理论第4假设:组分在两相的分配系数 K 为 常 数 , 将不成立。此时由于组分浓度过大,固定相无法快速溶解组分,组分将蔓延在非常宽的色谱柱 上,形成大平台。同时由于在固定相中过多溶解,固定相中浓度过大,将和固定相载体(毛细 管石英壁)发生二次吸附解析,由于二次吸附解析为慢过程,将形成峰拖尾。 这种情况发生时,可以看到平台峰或峰拖尾,分离度大大下降,因此在分析中一般无法接受, 应该调整进样量。 当然,有些时候我们也能认可,例如分析微量组分,溶剂的过量峰;或者本身吸附较强或强极 性色谱柱分析常量组分略有拖尾等情况。 事实上,Plot 色谱柱吸附较强,柱容量较小,拖尾经常发生。用 Al2O3色谱柱分析混合碳四, 常量烯烃和炔烃基本都有拖尾,并不影响分析。但细心的人可以发现,当这些组分含量很低时, 峰型都是非常好的 其他讲座资料看 学习气相色谱跟 yuen72老师入门 毛细管色谱柱的一个经常被遗忘的重要参数就是膜厚。 当我们选择一个毛细管柱的时候,通常都是指出固定液类型(毛细管柱商品名称,如 DB-1)、 内径(如0.32mm) 、长度(如 50m) ,很少顾及到膜厚。事实上,膜厚对分析的影响是巨大的。 下面给出2张不同膜厚色谱柱的分析结果对比图,请朋友们比较两张图中不同膜厚谱图的差异, 并试着用塔板理论加以分析。 谱图对比情况分析: 从谱图可以看到: 1、厚液膜色谱柱出峰时间明显增加,液膜厚度增加一倍,出峰时间增加接近一倍。 2、厚液膜的分离度略有增加。 膜厚增加一倍,分离度没有达到增加0.414倍,只是略有增加 。 知识回顾: 塔板理论共有四个基本假设,分别是: (i)在柱内一小段长度 H 内,组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔 板高度 H。 (ii)流动相(如载气)进入色谱柱不是连续进行的,而是脉动式,每次进气为一个塔板体 积(ΔVm) 。 (iii)所有组分开始时存在于第0号塔板上,而且试样沿轴(纵)向扩散可忽略。 (iv)分配系数在所有塔板上是常数,与组分在某一塔板上的量无关。 理论推演: 根据假设,当载气脉动进入色谱柱时,组分分子中,能够跟随载气前行的只有在气相中的那 一部分,而液体固定相中的组分分子,受到固定相的保护,停留在原地。 思考:组分分子的平均移动速度与哪些条件相关?为什么? 提示:组分分子平均移动速度:V=u/(1+k) ,这里载气线速度为 u,k 为组分分子在液相 中的量与在气相中的量之比。 分析时间 t=L/V=(1+k)L/u=t0 + kt0,这里 t0为死时间 L/u。 谱图情况分析: 1、出峰时间延长。 由于组分在固定液中溶解度较大(这就是选择固定液依据相似性原则的基础) ,因此膜厚增 加一倍, 固定液体积增加一倍, 也就随之增加了一倍。 k 因此组分调整保留时间 t增加一倍 , 在死时间 t0较短的情况下,所以分析时间增加了一倍。 2、分离度增加。 根据塔板理论,理论塔板高度 H 和液膜厚度并没有关系,仅和进样宽度即0号塔板高度 h 有 关,因此分离度 R 应该保持不变。但由于毛细管柱柱容量小,因此进样状态绝大多数情况下 处于柱过载状态。当膜厚增加的时候,柱容量增加,由于柱过载造成的0号塔板展宽情况得 到缓解,因此0号塔板高度 h 略有减小,理论塔板高度 H 也因此减小,柱效率即理论塔板数 n=L/H 有所增加。所以分离度 R 得到了一些改善。 3、深度分析:理论塔板数 n 增加,应该导致色谱峰变得窄而高。但是看第一张谱图,可以 发现峰变矮变宽了。这是因为理论塔板数 n 增加很少,而保留时间的增加,会导致分子纵向 扩散情况加重,根据速率理论,峰宽应该增加。

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