主题：【资料】裂解气相色谱系列讲座（共49讲）

裂解气相色谱系列讲座（32）

                                                几种裂解器的比较(2)



几种裂解器分析聚苯乙烯 (PS) 的比较

作为一个典型的例子、表 33-1 给出了聚苯乙烯 (PS) 在不同裂解器上得到的产物分布( Irwin W.J. Analytical Pyrolysis, New York:Marcel Dekker,1982) 。显然不同的裂解器所得结果是不同的。虽然不同的样品会有不同的裂解产物分布，但样品的性质如分子量对它的影响是很小的 ( Tsuge S, et al., J. Chromatogr. Sci., 1969, 7:250)。因此，引起产物分布差异的主要原因是裂解器和裂解方法的不同。



      表 33-1 聚苯乙烯 (PS) 在不同裂解器上得到的产物分布比较

裂解气相色谱系列讲座（33）



  裂解器的选择和安装(1)



从上面(33 和 34 讲) 的比较可知，不同裂解器有不同的特点，所以在选择裂解器时，应考虑具体情况，如样品的来源和性质、研究目的、现有仪器装置等等。如果只是在实验室内部研究聚合物约裂解谱图，而不作实验室之间的比较,那么各种裂解器均可使用，每种裂解器都能为这种实验室内部的比较研究提供有用的信息。但是，选定一种裂解装置后，所有样品都应在该仪器上进行研究。如果改变裂解器的类型，以前装置上所获得的数据就可能失去意义，因为同一样品在不同裂解器上的实验结果很难完全重现。对于复杂的生物样品来说，裂解谱图的区别往往在于某些裂解碎片产率的不同，因此，必须严格控制裂解条件。在PyGC 研究中，只有对样品量、样品在裂解器中的负载情况和裂解器的加热特性进行严格控制，才可能获得长期的和实验室之间的重现性。当对裂解产物进行定量分析，研究反应机理和动力学时，应最大限度地减少二次反应，同时严格控制裂解条件。综上所述，在PyGC 研究中，我们推荐使用热丝裂解器或大功率居里点裂解器。

    管式炉裂解器由于二次反应严重而很少用于聚合物和生物样品PyGC的研究。当然，微型炉裂解器的性能要好一些，应用在聚合物的结构表征方面取得了很好的结果。尽管如此，热丝裂解器和居里点裂解器的应用还是更为广泛些，其中热丝裂解器的适应性更强。居里点裂解器由于受铁磁材料种类的限制，其裂解温度不能连续调节，而热丝裂解器则能连续调节裂解温度。在研究裂解机理和

动力学以及优化裂解条件时，这一点是很重要的。此外，在分析复杂的混合物时，或者分析无机物基体中的有机成分时，热丝裂解器还可进行多阶裂解，即对同一样品进行不同温度(由低到高)下的裂解研究。在另一方面，居里点裂解器比热丝裂解器更容易实现计算机控制的自动化分析。

裂解气相色谱系列讲座（34）



    裂解器的选择和安装(2)



激光裂解器，虽然也可用于聚合物的PyGC 分析，但由于其裂解温度不易控制，故使用很少。它的应用领域主要在有机地球化学方面。如岩矿中有机物的分析，采用一般的裂解器所获挥发性产物的产率较低，激光裂解器则可获得理想的结果。

在研究挥发性样品的裂解时，多用管式炉裂解器（Cramors,C.A.M. et al., J. Gas Chromatogr. 1967,5:58）。此外，静态裂解是管式炉裂解器的长处。例如用静态裂解法分析石油馏分就比用热丝裂解器的动态法更为有效( Leplat, P., J. Gas Chromatogr. 1967,5:128)。总之，裂解器的选择要根据具体情况，综合考虑。必要时还可改装仪器烈适应特定的研究目的。

裂解器选定之后，就可将其安装在色谱仪上。现在的商品化仪器一般都适用于各种色谱仪，大都采用一根细不锈钢管通过硅橡胶密封垫或。形圈及锁紧螺母将裂解器直接装在色诺仪进样口。在裂解器和色谱校之间死体积应尽可能小，否则会降低分离效率。仪器安装好后应检漏，以确保气路系统的密闭性。在进样之前。还应当对裂解器进行空载加热，以消除本底的影响。然后就可以用待测样品来选择和优化实验条件了。具体实验方法和条件的选探将在后面的讲座里详细讨论

裂解气相色谱系列讲座（35）



影响PyGC实验重现性的因素

   

      裂解反应是一个十分复杂的过程，实验条件的控制直接影响到PyGC的重现性。在 70 年代以前由于裂解器未实现商品化，不同实验室所用仪器多为自行设计制造，实验室间重现性很差，致使人们对PyGC的可靠性产生了怀疑，例如氨基酸的裂解，不同研究者得到的结果大不相同。表 36-1 列出苯丙氨酸和亮氨酸裂解产物的文献报道。由这些特征产物可以建立不同的氨基酸降解反应模型。而实际上最终的研究结果证明苯丙氨酸和亮氨酸以及其他大部分氛基酸都经过类似的反应途径裂解（Ratcliff, Jr M. A. et al., J. Org. Chem.1974,39:1481）。苯丙氨酸的裂解产物主要有甲苯、苯乙烯和1，2-二苯基乙烷(Irwin, W.J. et al., Analyst,1978.103: 673)。而亮氨酸主要产生简单的胺和腈。那么造成结果不重现的原因是什么呢?主要有：

(1)  样品形态；

(2)  样品量；

(3)  裂解器性能及裂解条件；

(4)  裂解产物的转移；

(5)  色谱柱性能及分离条件；

(6)  产物的鉴定方法。







表 36-1  苯丙氨酸和亮氨酸裂解产物比较

裂解气相色谱系列讲座（36）



裂解气相色谱实验条件的选择(1)

样品处理是进行 PyGC 实验的第一步，如果样品不合要求，那么无论后面的步骤——裂解、分离、数据处理——如何严格控制，都不可能得到重现性实好的验结果。样品的处理包括样品的代表性、样品、形态、样品的洁净以及样品的用量。

    1．样品的代表性

    保证样品的代表性和均一性是获得重现性数据所必需的，除非在研究产品均一性时，有意识地从不同部位取样。如果样品是由天然或合成高分子制成的，那么不同部位的化学组成将可能很不一致。要想获得重视性结果，就要保证裂解的样品具有代表性。对于可溶性样品，可在适当溶剂中形成均相溶液，问题就解决了。但如果样品不能溶解，或者必须用固体直接裂解，那就要对样品进行研磨、粉碎、混合，以便制得每次裂解的样品都具有代表性，从而保证每次实验所得裂解产物都是一致的。

   

    2．样品的形态

    考虑到裂解时的热传导，样品的几何形态应保证其能与裂解器的加热元件充分良好地接触，也就是说样品应该以薄膜形式沉积到加热元件上。对于能溶于常见溶剂的样品，可通过制备已知浓度的样品溶液来进行沉积。按照样品量的要求将一定量的溶液转移到加热元件上，待溶剂挥发后，就形成了均匀的样品薄膜。

      然而，裂解的样品常是不溶的，或者是组成太复杂而不能完全溶解的。在这种情况下，必须采用其他措施以保证样品的形态不影响实验重现性。如果样品是纯的聚合物，或者是有明确熔点的物质，就可将一定量的样品置于加热元件上，经预热使其熔化而形成薄膜。这里的预热一定要小心，只要能熔化形成薄膜就足够了，而不能发生降解。

    对于不能通过溶解或熔化形成薄膜的样品，或者所用裂解器是不能预先沉积样品的(如微型炉裂解器)，或者是在石英管(或样品不与加热元件直接接触的其他样品池)内进行裂解，样品的形态就更为重要。因此一定要保证每次裂解的样品其形状和大小严格相同，方可获得重现性结果。



    3．样品的洁净

    在实验结果不重现时，也许最难对付的原因就是样品被污染。因为裂解用样品量很小，故污染的可能性极大。尤其当不知道裂解谱图上哪个峰来自样品，那个峰来自污染物时．这个问题更为突出。污染物的色谱峰在多次进样中可能变化很大，会使人误认为样品的裂解是无规律的。所以，用来处理样品的工具要保证干净，此外要避免手指接触样品和仪器有关部件，以避免皮肤的油脂进入裂解器而干扰实验结果。



    4．样品用置

    要获得重视性实验结果，样品应当在尽可能短的时间内热降解，以尽量避免二次反应的发生。由于样品降解的速率取决于通过样品的热传导，故要尽可能减小样品中的温度梯度。样品量越小，它与裂解器的接触就越好，温度梯度越小，就越可能以一致而重复的方式裂解。对于大多数商品化裂解器，样品量为5~50μg较为合适，样品量越大，二次反应超严重。同时还应注意样品的厚度要小于0.1mm。进行动力学研究时，样品量和厚度还应更小一些(小于10μg，厚度小于1μm)；对于药物、微生物和生物大分子的裂解，样品量可稍大一些(1mg 左右) 。

裂解气相色谱系列讲座（37）

        裂解气相色谱实验条件的选择(2)



1．裂解器

   

        裂解器是控制裂解反应条件的，因此它的性能对 PyGC 实验重

现性的影响是很大的。关于裂解器的设计要求已在前面讨论过。这里仅对裂解器的选择作进一步的阐述。

    热丝(带)、居里点和微型炉裂解器各有其优缺点，每种裂种器的使用者都曾作出高质量的重现性的工作。选择裂解器除了根据研究目的和现有条件外，还应考虑样品的性质。当涉及到催化作用时，就要考虑构成裂解室和样品负载元件的材料。热丝(带)和微型炉裂解器的样品负载元件多由百金制成，居里点裂解器则由铁、镍、钴合金制成。裂解室(裂解时样品负载元件置于其中)多由内衬玻璃或石英的不锈钢制成。在这些加热的金属表面可能发生催化作用或二次反应，因此会造成实验结果的不重现。尤其当研究生物大分子的裂解，或者是其他能产生强极性、热不稳定的裂解产物的样品时，更应考虑这一点。这时就应选择那些有玻璃或石英内衬的裂解器，或者用石英样品管将样品与金属隔开。



  2．裂解温度



        这里所讲裂解温度(Tp)除特别说明外，均指裂解器的设定裂解温度，它可能与样品的实际裂解温度即平衡温度相一致，但—般来说，要高于平衡温度。Tp过高，样品裂解的初级反应加剧，二次反应大为增加；Tp过低，样品裂解不完全；合适的Tp应该使裂解过程以初级反应为主。对于大多数样品，合适的Tp一般为400~800℃，对于合成高分子样品多采用600℃左右的Tp，对于微生物和生物大分子则为500~1000℃，而对于药物分析则为350~600℃。当然，实际选择时还应考虑具体的样品和研究目的以及裂解时间、升温速率等因素。

  裂解气相色谱系列讲座（38）



  裂解气相色谱实验条件的选择(3)



  3．裂解时间和升温速率

原则上讲，裂解时间越短越好，但必须保证在此时间内样品达到设定温度，且基本裂解完全。对于升温速率可调的裂解器，升温速率越慢，裂解时间就应越长，同样，Tp越高，裂解时间也应越长。裂解时间是指开始升温到裂解完成约时间，一般情况下，采用最高升温速率，裂解时间为10s左右。采用程序升温裂解时，另当别论。对于不能调节升温速率的裂解器，则应根据TRT来设定裂解时间，原则是裂解时间应大于TRT。总之，裂解温度、裂解时间和升湿速率的选择都应通过具体实验来进行。

    4．裂解室的温度 (即样品的初始温度)




  图 39-1 不同类型裂解器的典型温度~时间曲线

                                                (a) 间歇式；        (b) 连续式







对于连续式裂解器，这一温度等于室温，对于间歇式裂解器，这一温度是可以控制的．常控制在色谱柱最高操作温度左右。对于两类裂解器，样品的温度变化曲线是不同的，如图39-1所示。使用间歇式裂解器时，如果裂解室温度过高，可能使样品在裂解前就发生挥发或某种程度的降解；反之，裂解室温度过低，会使裂解后的高沸点产物冷凝在壁上而失去有用的信息。使用连续式裂解器就不存在这个问题。另一方面，如果样品在裂解前必须除去挥发性成分(如溶剂)，那么，使用间歇式裂解器是有利的。总之，在保证获得尽可能多的信息的前提下，裂解室温度应尽可能地低，且应精确控制。尤其是研究微生物或生物大分子的裂解时，更应如此。

    裂解气相色谱系列讲座（39）



  裂解气相色谱实验条件的选择(4)



5 样品负载元件的清洗

    前面已经提到样品负载元件的材料性质可能会对裂解起催化作用，同样品的污染一样，负载元件的污染也是影响实验重现性的重要因素。任何类型的裂解器，在每次裂解之后，样品负载元件的表面状态都会有所改变。这是因为碳化物、氮化物或／和金属氧化物残渣会在上述表面上形成。而这些活性残留物常常会对以后进行的裂解起催化作用。图40-1是用干净的和被污染的样品负载元件在微型炉裂解器上得到的聚苯乙烯的裂解谱图，表40-1是各色谱蜂的面积百分数定量结果，显然，两个结果是不同的。与谱图相比，谱图 (a) 的甲苯和甲基苯乙烯的产量明显增加，而苯乙烯二聚体和三聚体的产率却大为降低。此外，谱图（b） 还多出了苯和乙苯峰。这说明，样品负载元件在多次使用之后(用于聚丙烯腈和环氧树脂的裂解)，表面污染物对以后的裂解产生了严重的催化作用。所以，为了获得重复性的裂解数据，样品负载元件表面应尽可能地保持干净，起码应该除去先前裂解的残留物。




图 40-1 样品负载元件的污染对聚苯乙烯裂解的影响

      a 干净的样品舟；b  被污染的样品舟，实验条件相同



表 40-1  550℃下聚苯乙烯裂解产物的相对产率



清洗的方法有多种，一是用溶剂清洗，例如用丙酮、乙醇甚至某些酸浸泡、清洗，然后烘干。二是用工具清洗，例如用小刀刮去表面残留物。三是高温灼侥，例如在裂解器的最高裂解温度下灼烧，或者将样品负载元件置于酒精灯或酒精喷灯上灼侥，以除去污染物。以上三种方法可以视情况而结合使用。此外，裂解室内壁也应注意清除污染物。

裂解气相色谱系列讲座（40）

            裂解气相色谱实验条件的选择 (5)



6 裂解产物的转移



样品裂解后，裂解产物必须由载气迅速带入色谱柱分离。能否将所有产物都转移到色谱柱，将影响 PyGC 实验的重现性。无论裂解器是直接装在色谱仪进佯口还是通过一段管路相连接，在裂解器与色谱仪之间都可能有一个低温区．高沸点裂解产物可能在这里部分或全部冷凝，从而导致实验重现性变差。解决这一问题的办法是在连接管外边包一层绝热材料，或者增设一套加热装置，专门控制连接管的温度。此外，还应注意连接管路漏气影响裂解产物的转移。故实验中要经常检查管路的密封状态，定期更换密封垫，以防操作过程不小心或密封垫多次加热而老化造成漏气。至于裂解器与色谱仪如何连接才能提高整个系统的分离效率，将在下面详细讨论。



7 控制裂解条件的进展

为了更精确地控制裂解条件，比有人研制出了微处理机控制的裂解系统，它采用铂丝线圈负载样品，置于加热的裂解室内，其温度通过由微机控制的脉冲电流控制。使用者通过键盘操作来选择裂解温度、裂解时间，并可显示于屏幕上。铂线圈的实际温度由一个光二极管测量并显示在屏幕上。铂线圈可更换，并由微机控制器的校难功能进行校准。这样可更精确、有效地控制裂解条件，从而提高了实验的重现性。

    对生物大分子或其他裂解反应易被催化的样品，一般的金属内壁裂解器是不适用的。为此，美国CD公司推出了全玻璃／石英内衬的裂解器。该系统采用热丝负载样品．置于石英内衬裂解室(接口)内。裂解产物随载气通过玻璃内衬管进入一个捕集装置，在这里裂解产物被浦集，载气则放空。然后通过反吹使裂解产物进入冷冻浓缩器，再进入色谱柱分离。这样色谱仪就可以采用无分流进样方式，持别适合于微量样品的 PyGC 分析。由于在捕集装置中气体被放空，所以可在不同于载气的气氛中对样品进行裂解。例如在空气或氧气中裂解以研究样品的氧化降解过程，而不必担心氧气会进入色谱柱中。同时，氧化降解产生的一些极性产物也由于玻璃内衬的保护而不与热金属表面接触，克服了催化作用对实验重现性的影响。

裂解气相色谱系列讲座（41）

 

          裂解气相色谱的色谱条件 (1)

 

  1 载气



    PyGC对载气的要求，一是化学情性，不能与裂解产物发生反应(氢化裂解例外)；二是热导系数大，传热快。在PyGC 实验中，载气要将裂解产物从高温区(裂解室)带往低温区(色谱柱)，在此过程中，大量的热能要通过载气快速传导，故载气的热导率对实验结果的重现性有很大影响。PyGC 一般采用氮气和氦气做载气，但这两种气体热导率相差较大，例如 100℃ 时氮气为 7.3×102 cal/cm·s·℃, 氦气为40.8×102 cal/cm·s·℃,因而对实验数据的影响也是不同的。表42列出了用氮气和氦气做载气 ( 其他实验条件相同)时聚苯乙烯主要裂解产物的重复性数据。



表 42  不同载气对PS裂解重观性的影响