主题:【资料】多维色谱技术(45讲 待续)

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多维色谱技术(49讲)


43低温调制器



432-2纵向低温调制器(LMCS)的用途



      纵向低温调制器的结构如上一讲的图 51-2,冷阱长约3 cm,外径约5 mm,内径能够容纳毛细管为度。冷阱的移动取决于所安排的方法,冷阱移动或振荡的速率主要决定于关色谱峰的移动,图 52-1表明色谱峰和冷阱移动之间的关系。middle


52-1I)中是冷阱保持在原来的位置上(以a 表示),当馏份被收集以后,冷阱向载气流出方向移动,让馏份再加热。图 52-1II)是冷阱快速移动时把色谱峰分割成多个窄峰。图 52-1III)是冷阱慢慢移动时的到的色谱峰,使用哪一个速度决定于所分析的对象。LMCS 可以放在色谱柱进口端,可以放在色谱柱末端,也可以放在色谱柱任何位置,如图 52-2所示。
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第一种情况(ALMCS 就像一个进样单元,第二种情况(B)能够把色谱峰浓缩成窄峰进入检测器,第三种情况(C)可用于一般的二维gc,使一维色谱柱流出物在冷阱中聚焦后再进入第二支色谱柱。当然它可以用于全二维gc



43低温调制器



4 32-3纵向低温调制器(LMCS)用于进样/再进样



    gc 的进样器的功能是把要分析的样品引入色谱柱,进样器不一定要求是定量引入,分流进样有时少到1%或更少的一部分样品进入色谱柱,但是必须有重复性。同时要求以窄峰进入色谱柱,或者带有辅助性装置使谱带空间或时间减小,从而尽可能使峰宽变窄,例如不分流进样,样品进入加热的进样口,然后让蒸汽进入色谱柱,但是限制进入色谱柱的时间,比如30 s 2min



    利用溶剂效应和设定柱温要低于所用溶剂的沸点,这样就降低了谱带的时间。大体积进样常常使用保留间隙,把样品在进入分离柱之前保留在预柱中而让溶剂排出,为了最大限度地提高色谱柱柱效,人们希望引入的样品停留在色谱柱顶部,而在排出溶剂蒸汽时被分析物还保留在色谱柱顶部,那么如何能达到这一要求呢?LMCS 可以实现这一要求,可以把进入的样品提供一个聚焦过程,色谱峰的加宽程度决定于冷却步骤。

    LMCS 的效率可以用样品进入色谱柱谱带到离开色谱柱时的谱带分散(标准偏差)程度来度量:

                                              σT=σ+iσc



谱带总的标准偏差(T)是进样器(i)和色谱柱(c)标准偏差之和,如果能通过条件变化来降低色谱柱的标准偏差,那么总的谱带加宽就决定于进样方法。



    进行一项比较性试验,用一支短色谱柱以便最大限度地降低σc,比较两种进样方法,一种是分流进样,分流比为3001,另一种也以同样条件下的分流进样,但是在进样后用LMCS捕集浓缩样品,然后移开LMCS冷阱再进样,它的总标准偏差只有一般分流进样的80%。如果把LMCS放在色谱柱末端,也会使色谱峰变窄,如图 53-1所示
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53-1 用一般分流进样和分离后用LMCS聚焦得到色谱的比较。
                            I ——一般分流进样得到的色谱图

                            II——分流进样和分离后用LMCS聚焦得到色谱



43低温调制器



432-4纵向低温调制器(LMCS)用于连接两支不同极性的色谱柱



      上面我们讨论了一支色谱柱和检测器之间放一个冷阱调制器,可以把色谱峰变的窄一些。也可以把两支极性不同的色谱柱用冷阱调制器连接在一起,这样就可以把没有分离开或分离不好的组成用冷阱调制器冻结下来,然后进入第二支极性不同的色谱柱进行分离,并使之成为窄的峰,这就类似于一般的二维气相色谱,但是由于纵向冷阱调制器可以按一定的频率进行移动,所以就可以进行全二维色谱的工作了,


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1: 进样器; 2:监视检测器, 3: 中间阀; 4: LMCS 冷阱;

5: LMCS 控制器; 6: 分析用检测器; 7: 一维色谱柱, 8:二维色谱柱   
    9:
冻液和调制器臂,10:中间气源。



      在这一操作模式下,要求从第一支色谱柱出来的被分离物要有效地捕集聚焦,然后又要快速地释放出来,到第二支色谱柱进行快速的分离,当这一分离步骤完成时冷阱又聚焦下一个从第一支色谱柱流出的被分离物,不断重复这一步骤,于是形成一个保留时间序列。所以在第二支色谱柱上的分离必须在比第一维色谱的峰宽快510倍完成,第二支色谱柱的膜厚要很薄(即相比要很大),这样一来才能使其达到快速分离,在第二支色谱柱上分离越快,调制器在两支色谱柱之间的循环频率才能更快。图54-2是纵向低温调制器(LMCS)快速频率移动时的色谱。图 54-3gcxgc  安排的示意图。

43低温调制器

432-5径向低温调制器(LMCS)的应用举例

      皇家墨尔本理工大学的Philip J. Marriott2000年进一步把纵向低温调制器(LMCS)用于半挥发有机物的分析[1],使用HP 6890 气相色谱仪,分流/不分流进样器,FID进行测定,具体应用分流模式(40 ml /min; 40:1分流比),分流温度为280FID325工作,采集数据速率100 Hz,尾吹气为氮气,流速50 ml/min,程序升温 40保持1 min, 1/min 程序升温到250 ,用氦做载气,用恒流模式EPC

    LMCS 调制频率为0.16 Hz(6 s 完成一次调制),在重新移动位置停留1 s以便在冷阱中进行冷冻捕集。第一维色谱柱是:30m×0.25 mm I.D.× 1.0 μm,固定相是BPX5 (SGE)柱头压力为13.0 p.s.i.(40);第二维色谱柱是:80 cm× 0.10 mm I.D.× 0.10 μm

固定相是BPX50 (SGE),两支色谱柱连接处的压力是6.4 p.s.i.40),使两支色谱柱的流速分别为15 84 cm/s。使用液态二氧化碳做冷却剂来冷却调制器。用一个气动装置让LMCS 调制器沿色谱柱前后运动,毛细管柱穿过调制器中心,设备安排示意图见下图。

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                        图 55-3  半挥发物分析二维色谱图



  [1]      P. J. Marriott,et al., J. Chromatogr.A, 2000,866:203–212
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多维色谱技术(50讲)



43双冷喷制器



433-1双冷喷制器的出现和结构



      荷兰自由大学(Vrije Universiteitt)的 Jan Beens [1]在液氮双冷喷调制器的基础上,提出使用更方便的液态二样化碳双冷喷调制器,这样可避免使用LMCS的让冷阱不断移动的缺点,这种调制器的示意图见图 4-3-3-1



4-3-3-1 双冷喷调制器



图中 1 是进样口,2 是第一维色谱柱  3 是两支色谱柱的连接处  4A 是二氧化碳喷口A      4B 是二氧化碳喷口B  5A 二氧化碳阀A  5B 是二氧化碳阀B  6是第二维色谱柱     7  检测器



    4-3-3-1 圆圈中的放大图如图 4-3-3-2所示



二氧化碳喷口包括两个双通阀门,它们交替打开、关闭,通过两支 40 mm×0.8mm I. D. 毛细管,并连接到50 mm×0.5mm I. D. 毛细管喷口上,喷出二氧化碳,为了能让二氧化碳集中喷到毛细管上,在喷口有宽0.04mm,长3mm  平行与毛细管柱的狭长喷口,为了防止在柱箱温度低于100时结冰,在喷口外装一个12mm直径的黄铜套管,以利于传热。二氧化碳从喷口喷出,由于焦尔-汤姆逊效应,气体截流膨胀而降温,由于气体直接喷射到第二支毛细管柱上,迅速把温度降低到比柱温低100的温度,二氧化碳的阀门一旦关闭,约10mm长的一段毛细管,在柱箱温度的加热下很快升到柱箱的温度,对 0.1 mm的毛细管柱(15μm 聚酰亚胺涂层和80μm石英玻璃柱壁)需要13ms就可以把温度升到柱箱的温度。被聚焦的溶质在升温后向检测器方向移动,同时另一个二氧化碳喷口进行工作,这样两个二氧化碳喷口轮流进行冷冻,接替升温在第二支色谱柱上进行分离。



参考文献:

[1] Jan Beens et al., J. Chromatogr.A,2001,919:127132

43双冷喷制器



433-2双冷喷调制器的特点和性能



      Jan Beens 等用液态二氧化碳做冷源的双冷喷调制器的GCxGC配置中使用的色谱仪和色谱柱为:HP 6890 气相色谱仪,使用分流/不分流进样器,和FID检测器,检测器系统采集数据的速率为200 Hz。第一维色谱柱是HP-1 30 m ×0.32 mm I.D × 0.25μm),用压接连接器把第一维色谱柱和第二维色谱柱连接起来,第二维色谱柱是BPX50 1 m ×0.10 mm I.D × 0.1μm)。使用氦作载气,流速1.0 ml /min,压力170 kPa。柱箱温度:50保持4 min,以 2/min 程序升温到300



    使用这一系统分析C8-C18正构烷烃,采集得到的数据,调制器的频率设定为0.25Hz,相当于捕集洗脱物的时间为2s,释放时间也为2s,实际上发现是1s的捕集时间,3s的释放时间,经调制后第二维色谱柱分离得到的结果,如图 57-1所示。



    57-1  C8-C18正构烷烃经调制后第二维色谱柱分离图



第二维色谱柱分离后色谱峰的宽度经过测试,C14的峰宽只有σt=30±5ms,为了容易看到放大图放在上面。见图57-2 





参考文献:



[1] Jan Beens et al., J. Chromatogr.A,2001,919:127132
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多维色谱技术(51讲)


43双冷喷制器

433-2双冷喷调制器的应用

433-3双冷喷调制器的改进和应用(1)



      芬兰赫尔辛基大学的Tuulia Hyotylainen把双冷喷调制器做了一些改进,并用于定量分析多环芳烃 。他们用两个CO2喷嘴轮流喷射到毛细管色谱柱上,同时又用两组电热丝加热冷冻后的毛细管柱,使被捕集的溶质蒸发进入后面的两支色谱柱,用ECDFID进行检测。他们使用的CO2冷喷电热丝加热做调制器的GCxGC 系统的示意图见图 4-3-3-3所示


4-3-3-3 CO2冷喷电热丝加热调制器的GCxGC 系统

          这种调制器是他们实验室自己制做的,一支不锈钢金属管(长20mm,内径4.6mm,外径6.3mm),从管子的一端通过一支软的PEEK管(内径0.25mm,外径1/16英寸)导入二氧化碳,流速40 mL/min,用两支短的不锈钢毛细管(5mm x 0.17mm I.D.)成45°角焊接到不锈钢金属管上,做成CO2喷嘴。出去管子的进口和喷嘴之外管子是封闭的,金属关利用电磁驱动器让它转动,轮流转动到两个电加热器上,第二维色谱柱通过这个加热器,加热起用电热丝加热,CO2喷嘴和加热器的启=闭有计算机来控制,使用的程序在加热的一个循环中的开始时用高功率,然后满满降低,这样可以使被捕集的溶质很快挥发出来,加热的功率使用调制技术来调节。GC 毛细管柱用两个螺母和vespel垫圈固定在调制器上,以免在通入冷冻剂时毛细管晃动,调制器也固定在柱箱壁上。

      当第一维色谱柱流出物进性调制时,CO2流首先直接喷到上面的加热螺管和色谱柱,冷却到设定的时间,然后调制器旋转,CO2流直接喷射下面的加热螺管和色谱柱,与此同时上面的加热螺管通电加热上面的色谱柱,使冷捕集的溶质挥发出来,挥发出来的分析物又被下面的捕集阱冻结,然后调制器回复到原来的位置,下面捕集阱中的分析物又挥发出来,在第二维色谱柱中进行分离。加热的时间程序安排如图4-3-3-4所示。

           


4-3-3-4 CO2冷喷电热丝加热调制器的加热时间程序



文献

[1] Tuulia HyotylainenAnal.Chem.,2002, 74, 4441-4446



43双冷喷制器

433-2双冷喷调制器的应用

433-3双冷喷调制器的改进和应用(2)



用双冷喷调制器GC×GC分析多环芳烃的例子



设备:



    使用 HP 6890 气相色谱仪,电子捕获检测器(ECD)和火焰离子化检测器(FID),HP7683自动进样器,用不分流进样模式,在300进样 1 μLECD 325FID 310,采集数据的速率100Hz



FID气体流速:氢器35 mL/min;空气135 mL/min;氮气10 mL/min

ECD气体流速:氮气30 mL/min

GC 色谱柱  1 色谱柱HP-5MS20m×0.25mm×0.25μm

              保留间隙柱 1 mm × 0.53mm)装在色谱柱前面

            BGB-Silaren柱(5cm × 0.1mm I D × 0.1μm)与第1 色谱柱用压紧连接接头连接在一起。BGB-Silaren柱是装在冷冻调制器中,并与一个三通连接管连接,并与0.65m 长度的第2BGB-Silaren色谱柱相连接,出口是FIDECD



温度程序:起始温度为40保持5min,然后以10/min的速度升温到179,保持2 min,再以10/min的速度升温到214,保持2 min,再以9/min的速度升温到268,保持2 min,最后再以9/min的速度升温到300。载气以恒流模式运行,开始的压力为kPa



调制器的温度程序和加热功率:调制器的温度的循环包括两个阶段,如前面所描述的那样,冷阱1的的加热器的加热段落定为 p11,t11, p12,t12……p1n,t1n,这里加热功率p11的时间是t11(见图4-3-3-4 ),

           



4-3-3-4 CO2冷喷电热丝加热调制器的加热时间程序



列出p t的数值是连续进行,一直达到总的加热时间(t1, t11t12.t1n),加热时间完成之后,接着是延迟时间d1,然后调制器就转动,开始进行第二个捕集阱的热脱附,

当第二个捕集阱在捕集时段,第一个捕集阱是热脱附时段. t1 d1 也代表捕集阱2的捕集时间(t2,tr),相对情况,t2 d2代表第一个捕集阱捕集时间(t1,tr),任何一个加热功率阶段数值会包括在加热阶段中,可以对每个加热功率程序进行设计如图4-3-3-4





文献

[1] Tuulia HyotylainenAnal.Chem.,2002, 74, 4441-4446

GCXGC 的调制器



43双冷喷制器

433-2双冷喷调制器的应用

433-3双冷喷调制器的改进和应用(3)



用双冷喷调制器GC×GC分析多环芳烃的例子(续前一讲)



数据处理



    使用HP 公司的化学工作站进行数据采集和处理,然后把数据文件转化为csv格式,用C 程序控制调制器,得到一个用于调制器精确时间的的文件,用于分析采集数据的编写了叫做Comp的程序,和Matlab 5.3软件(he MathWorks, Natick, MA)一起使用。这一程序用于实际的数据文件和调制器时间文件,产生一个在二维色谱柱上分离产生的矩阵,也可以让你自动或手动进行峰的识别、测定峰高、或峰面积、以及保留时间。从得到的矩阵可以得到等值线和三维图,并可以对峰进行积分。



用索氏萃取器处理样品:



    80 mL 甲苯萃取沉积物样品,在萃取之前把样品1 g ,铜2 g 和硫酸钠2 g 进行混合,以便除去硫,并形成更为均匀的样品,并加入第一个内标(4,4′-二溴八氟苯),用索氏萃取器进行萃取,往样品中加入第二个内标(2,2′-二联萘),在旋转蒸发器中浓缩到1 mL。浓缩后的内标在萃取物中的浓度为10 0.1 μg/mL。浓缩后的萃取物用5g  Florisil土小柱进行净化,Florisil土小柱上下层为NaSO4,使用10mL异辛烷进行洗脱,然后再把洗脱物用氮气流轻轻吹抚浓缩到1mL



调制循环:



    PAHs PCBs的分析调制循环进行优化,以便尽可能得到尖锐的峰形,这一循环包括两个阶段的冷冻捕集和热脱附,总的循环时间决定于冷冻捕集阶段的时间,从第一次捕集到第二次捕集之间的调制循环的时间从2 12 s,最佳的捕集循环最后的总时间为4 s,第一阶段为2.8 s,第二阶段为1.2 s,也研究了最佳的脱附加热时间和功率,在开始脱附时加热热丝由于有CO2在冷却,所以在脱附开始阶段使用强加热,即功率要大一些,之后加热功率逐渐下降,一面色谱柱被损坏,研究了不同的加热时间,既第一个冷阱从0.1 2.8 s,第二个冷阱从0.1 1.2 s,因此测试了不同的功率。0.8 s的加热时间获得最好成绩的结果,两个阶段的加热时间都以0.8 s为最好,加热功率是50 (0.4 s)(0.4 s)的最大功率(5 W)CO2管的移动用计算机控制,控制程序记录实际的移动的次数,这一数据用于等值曲线图的制作,这样就使第二维色谱柱保留时间曲线更为重要可靠,即比简单的用固定的循环时(即4 s)间采集数据更可靠。在两周的测试时间中对PAHs PCBs在两支色谱柱上的保留时间的测试有很好的重复性。按照t-检验的考查保留时间的偏差不显著(t-检验0.01)。对PAHs PCBs的分析见图 4-3-3-5



4-3-3-5  PAHs PCBs的分析





文献

[1] Tuulia HyotylainenAnal.Chem.,2002, 74, 4441-4446
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多维色谱技术(52讲)


43三喷射调制器



      2003年加拿大华铁炉大学的James Harynuk Ledford 2002年在匹兹堡会议上提出的三喷射gc x gc 的调制器用于gcxgc,所谓三喷射调制器是指用一个液氮冷喷嘴冷却从第一支色谱柱流出来进入两支冷冻捕集毛细管的分析物,用两个热空气喷嘴加热被冷冻的分析物,使之进入第二维色谱柱进行分离。



1.三喷射调制器



      三喷射调制器的主体是用两支10cm x 0.1mm 去活的熔融石英毛细管组成,一支毛细管过一连接管与第一维分析用色谱柱相连,这一冷冻毛细管连接到一支去活未涂渍固定相的保留间隙毛细管(1.2m x 0.25mm),做延迟保留之用,留间隙毛细管的另一端连接到第二支冷冻毛细管,此毛细管连接到第二维分析毛细管上。每个连接管只用一个垫圈和螺帽,连接管固定在板面上, 调制器毛细管内径为0.1mm,以提高捕集性能,延期保留间隙毛细管0.25mm直径,避免从长的0.1mm毛细管出来引起太高的压力降,所有柱子的连接使用压接连接管,见图61-1

                         


  61-1 三喷射调制器的连接图

    I—两个热空气喷口;G—两支冷捕集毛细管固定在框架上;F—液氮冷喷管;H—冷捕集毛细管固定和冷喷管支架;A—进样口;B—第一维分析用毛细管;C—延迟用保留间隙管;D—第二维分析用毛细管;E—检测器





文献

[1] J. Harynuk, et al., J. Chromatogr.A,2003, 1019:53–63

435            三喷射调制器(2



      这一三喷射调制器是把高压氮气(50psi)通入热交换器(图61-21A1),然后进入放在50L杜瓦瓶(2)中的液氮中的盘管(用0.25英寸铜管制成)内(3),所有管线都进行保温,由于在管内低温又加压,所以氮气变成液体。在冷凝盘管中接近与其沸点的液氮进入相分离器(4)(3/8英寸Swagelok T 形管),在分离器中气体氮优先向前流动,而液体氮靠重力流出,这里只让液态氮进入冷冻喷射器,在最初的结配置中,液氮通过两通液氮电磁阀(6)进入冷冻喷嘴(8)(用一排0.53mm毛细管柱制成)。冷冻的氮气和液体氮混合物从相分离器(4)出来



62-1三喷射调制器的示意图



直接进入1/8英寸铜管上面装有的电磁阀和接口连接管,在这一情况下整个接口连续被冷却,而且电磁阀所产生的热量被液氮流带走,冷的气体直接进入热交换器(1)在这里对进入系统的高压氮起进行预冷却,在系统的出口处氮气上升到室温的温度。上述结构说明这一系统可以提供液体氮保证冷喷口有效工作。但是当电磁阀关闭之后液氮不能立刻停止,要在一两秒之后才能停止,这要依赖与系统的压力,这是由于电磁阀有较大的死体积所引起,为了克服这一缺点在冷喷口下游增加另外一个电磁阀(7),这两个电磁阀通过一个自制的小体积T型管连接起来,电磁阀(7)有一个大内径的出口(3/8英寸),使其大大见效限流的作用。这两个电磁阀交替进行工作,如图 1B所示,当打开上游的电磁阀再一次打开时,下游的电磁阀关闭,当两个阀进行切换时液氮通到上游的电磁阀关闭,而下游阀打开,让液氮停留在阀中,而在连接管中的自由地流出接口,这样一来就立刻使喷口处液氮停止流出。液氮通过下游的电磁阀(7)通过保温的关线(9)返回到杜瓦瓶(2),以便节约液氮消耗。

      当分析物从第一支色谱柱(B)进入两支捕集毛细管的第一支(G)时,分析物在冷冻点(液氮喷射口所冷却的地方),把液氮喷口前的电磁阀关闭,并用热空气喷射冷冻点使其升温到柱箱的温度,并把被捕集的分析物带挥发到下面的滞留管(保留间隙管)(C)中,稍后(预先决定的时间),热空气喷嘴关闭,同时把冷冻喷嘴打开,这样从第一支色谱柱出来的分析物又被冷冻捕集管捕集,当前面被捕集的分析物挥发到滞留管时,第二支冷冻捕集毛细管捕集从第一支色谱柱出来的分析物。切换喷口前的电磁阀,再用热空气喷射第一个捕集毛细管到滞留管(保留间隙管),并把第二支捕集毛细管中的分析物带到第二维色谱柱中(D)。



文献

[1] J. Harynuk, et al., J. Chromatogr.A,2003, 1019:53–63

435 三喷射调制器(3



三喷射调制器的温度特性



调制器温度的研究:



      在用热空气加热调制器毛细管时,发现尽管调制器毛细管可以很快地加热到柱箱的温度,但是加热的世间不能重复,近距离观察发现有些液氮液滴有时黏附在调制器毛细管上,要等到液氮液滴挥发完之后才能开始加热,挥发的速度决定于液滴的大小和数量,而且是不可以重复的。为了解决这一问题把两个用1/8英寸铜管制成的热空气喷嘴(I)安置在调制器毛细管上方约5mm处,从调制器毛细管一边向中心吹扫热空气(和柱箱相同的温度),热空气在冷却液氮关闭时就开启,当下一次喷液氮是关闭。所以使用两个热空气喷嘴是因为如果只用一个热空气喷嘴有时会使液氮沿着毛细管从中间吹走沿着毛细管游走,这样一来就是造成另外的冷却点,形成多点随机不规律的脱附,而使用热空气双喷嘴就不会造成液氮黏附在调制器毛细管上,立刻被吹走。当调制器在工作时,在调制器毛细管柱上形成一层液氮膜,这一液氮膜与柱温无关,这就说明制冷点的温度大约在196 ,即使色谱柱箱在200也如此。

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63-2  调制器毛细管在调制期间冷却温度变化曲线



文献

[1] J. Harynuk, et al., J. Chromatogr.A,2003, 1019:53–63

435 三喷射调制器(4



用三喷射调制器进行gcXgc分析



色谱柱



第一维色谱柱30m × 0.25mm × 1.0 μm ZB-1 色谱柱(Zebron Phenomenex)公司的100%甲基聚硅氧烷固定相)。



第二维色谱柱80 cm×0.25mm×0.25μm Innowax色谱柱(Agilent公司PEG固定相)



调制器色谱柱10 cm×0.1mm 去活熔融石英柱。



调制器测试:



      使用丙烷,系列烷烃和无铅汽油进行调制器的测试,丙烷从一次性安瓶中取2μL丙烷样品(分流比100:1)进样。

系列烷烃包括正戊烷到正十三烷(溶于二硫化碳中)进行程序升温试验。

进行烷烃分析柱箱温度从40 190,以4/min 进行程序升温,开始时保持2min

进行无铅汽油分析时,终温为220,并保持10min。对所有的分析进样口保持250,以分流模式进样(烷烃进样,进样1μL,无铅汽油分流比200:1进样0.5μL.



检测器FID,温度 230100 Hz



载气:氦,流速40 cm/s



          图 64-1 用丙烷测试三喷射调制器的色谱

      A 在第一支冷冻毛细管上捕集的丙烷,液体氮在0.5min 打开,2.5min关闭。

      B)在第一支冷冻毛细管上捕集的丙烷的色谱图,液体氮在0.5min 打开,2.5min关闭。2.52min再打开,3.0min再关闭,图中色谱峰是放大图。





64-2  分析汽油的gcxgc 二维gc

文献

[1] J. Harynuk, et al., J. Chromatogr.A,2003, 1019:53–63

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多维色谱技术(53讲)


GCXGC 的调制器



436 四喷射调制器(1



      Dow 公司的M. Pursch 等提出用杜瓦瓶出来的液氮在调制器中直接捕集从第一支色谱柱出来的组分,然后用热空气脱附被捕集的成分,形成四喷射调制器系统。过去用液氮冷却是先把氮气在杜瓦瓶中液化在通入调制器中,如ZOEX LECO公司有商品设备,Pursch 等人是直接使用瓦瓶出来的液氮进行冷却。

M. Pursch 等使用6890 GC的柱箱进行改造,适合类似于文献中所描述的两个冷冻喷口(见图 4.3.6-1,使其能够脉冲喷射液体氮,用0.9mm i.d的不锈钢管连接一个黄铜喷口,用以提供足够的液态氮达到冷却流出物的目的。一个液体氮的钢瓶放在GC附近,钢瓶的压力为100–130 kPa,可以用于液氮流启闭的阀购自Gerstel公司,这一调制器见图 4.3.6-2



4.3.6-1( 4-3-3-2双冷喷调制器中的二氧化碳喷口和阀门)



这一调制器系统是所连接的色谱柱为:

第一维色谱柱:25m × 0.25mm i.d. × 0.25μm BP-5固定相色谱柱;

第二维色谱柱:1.2m × 0.1mm i.d. × 0.2μm CP-52-Wax固定相色谱柱;

氢气做载气,流速0.5ml/min,检测器为FID,检测速率为200Hz



4.3.6-2  四喷射GC×GC调制器



文献:M. Pursch et al.,J.Chromatogr.A,2001.919:127

436 四喷射调制器(2



四喷射调制器的操作和控制



    调制器的控制使用一个自制的时间控制阀系统,用Agilent化学工作站进行遥控,研究使用了两种控制阀的计时装置,开始使用RC计时模式,这种模式固有时间误差为0.1%,这样的精度不能满足要求,第二种模式是使用石英计时装置,它可以满足要求。调制时间间隔为2.5–6 s,使用三通阀,热空气(柱箱温度)可以立刻通入重新加热被冷却的部分毛细管。



      典型的温度程序如下:50 保持4 min,以10/min速度升温到250 ,在此温度下保持5min,调制器在每次GC运行进样3 min后开始同步运行,用化学工作站软件进行控制。



    用在顶空分析(HS)上使用PE公司的HS-40-XL仪器,把200mL的样品注入顶空瓶然后密封,在120下平衡2 h,进样时间0.08min,用氦作载气使用恒流模式运行。



    调制器进行实验时,发现在用液氮进行调制时柱温不稳定,这是由于低温氮进入GC柱箱的缘故,后来在喷口下安装一支聚四氟乙烯管把低温气体导出柱箱外面就解决了,开始使用泵来抽吸低温气体,实验之后也不一定需要泵来抽吸,而所使用的聚四氟乙烯管要可以耐受320 的才行。安装聚四氟乙烯管前后柱箱温度的曲线见图 4-3-6-3,如果不把低温气体排走柱箱温度会有4 的波动,



4-3-6-3 四喷射调制器安装聚四氟乙烯管前后柱箱温度的曲线



液氮的消耗量每天30–40L

   

      计时装置如使用基于RC的非数字的计时器在第二维色谱柱上不能得到有重复性的保留时间数据,调制时间的变动会使GC × GC的二维图谱的评估难以进行,GC × GC分离时峰的变动大到2 s,而使用石英数字计时装置调制时间稳定,重复性也很好。



文献:

M. Pursch et al.,J.Chromatogr.A,2001.919:127

M. Pursch et al. / J. Chromatogr. A2003 101943–51

436 四喷射调制器(3



四喷射调制器的工作和控制



启动切换阀的计时器和冷却液的影响



    切换阀如果使用模拟计时器(基于RC的计时器)得不到重复的数据,即在第二维柱上的保留时间不稳定,调制时间的不稳定很难得到GC × GC的三维色谱图,使GC × GC分离的色谱峰位移达到2 s,在图67-1显示模拟和数字计时装置控制切换阀的电子信号,石英计时装置得到重复和稳定的数据。



67-1 控制切换阀的模拟和数字计时装置的精密度



      城市空气中的挥发性物质或聚合物中残留的单体可能含有高蒸汽压的分子,高聚物中可能会含有烯烃或丙烯腈,一些共聚物的裂解产物中也可能含有这类物质,基于液态二氧化碳进行冷却的调制器不能把这些物质有效的捕集,所以,很难进行定性和定量分析,图 67-2是用GCxGC分析丙烷和丁烷混合物的色谱。这两个化合物可以很好地调制出来,说明使用液氮冷却的调制器可满足低沸点化合物的分析。被调制丁烷的半高峰宽是66ms底宽是240ms



67-2  GCxGC分析丙烷和丁烷混合物的色谱



文献M. Pursch et al.,J.Chromatogr.A,2003.1019: 43–51

GCXGC 的调制器



436 四喷射调制器(4



氮冷却四喷射调制器GCxGC 的应用举例



    氮冷却四喷射调制器的功能可以用柴油的分离来进行检验,图68-1是全二维GC分离烃类化合物图的色谱。



  68-1 全二维GC分离烃类化合物

      典型情况下横坐标代表第一维色谱柱的保留时间(min,纵坐标代表第二维色谱柱的保留时间(s,两支色谱柱的极性不同所以分离情况就有所不同,在整个分离过程中峰都很尖锐,晚流出峰的半高峰宽为57ms,底宽为210ms,图68-1上面的图是第一维色谱图,有四个族连续进入第二维色谱柱进行分离,在第二维色谱柱上由于极性不同把沸点类似的化合物分离出11个峰,从图上很明显地看出即使在这样一来的情况下也还有许多重叠峰,但是比一维色谱已经得到了很大的改善。在GC的实际应用中痕量分析十分重要,使用GC×GC的冷冻调制器可以有利于进行痕量分析,因为经过冷冻调制器可以把灵敏度提高50倍,所以对ppb量级的浓度可以很容易地进行分析。一个典型的例子就是烯烃产品的分析,如图图68-2所示。

                                         


68-2全二维GC分离烯烃类化合物



      这一方法可以用于聚合物合成前体中杂质的分析,在这一分析中,有高分子量的组分(C10-C13)这些化合物的极性高于烯烃或烷基苯类化合物,也有一组C16–C18的化合物,他们具有更高的极性,用他们作为标准参考物。低分子量的组分如C5–C6烯烃在5–7min范围出现,它们的峰很尖锐,由于调制器具有很好的捕集/释放功能,对这类化合物可以检测到ppb的浓度。



文献M. Pursch et al.,J.Chromatogr.A,2003.1019: 43–51
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多维色谱技术(54讲)


437 阀切换调制器(1

微分流阀切换调制器

      这一调制器使用一个六通阀,从第一维色谱柱的流出物中收集馏分转到第二维色谱柱中,微分流阀切换调制器的设计是有两支一维色谱柱,这一系统有两点好处:1. GCxGC系统可以用商品仪器组装而成,2. 灵敏度不会受到影响,因为有大约80%的组分可以进入检测器。这种系统如图 69-1 所示:

                                                 
微分流调制器GCxGC需要一台气相色谱仪,检测器的速率要足够的快,可以满足检测半高峰宽为0.05 s的色谱峰,以及一个附加的流量控制器,和一支第二微色谱柱,一个快速六通阀,六通阀和一个定量进样管的配置如图图 69-2所示。



69-2 微分流调制器配置示意图



文献:J. V. Seeley, F. Kramp, and C. J. Hicks, Anal. Chem. 2000, 72:4346 4352

GCXGC 的调制器



437 阀切换调制器(2



微分流阀切换调制器



微分流阀切换调制器GCxGC的原理



      微分流阀切换调制器GCxGC的原理可以用图 70-1的模拟图来说明。



70-1  微分流阀切换调制器GCxGC的分离示意图



      GCxGC系统里一个单一组分的模拟流出曲线,模拟条件:第一个保留时间为2.0 s,第二个保留时间为2.2 s,第一个峰的半高峰宽为1.2 s,第二个进样间隔为1.0 s,第二个收集时间为0.8 s,一维和二维色谱柱的流速比为120



      从一维柱流出组分进入六通阀(图 70-1 A),当阀处于收集位置时一维柱的流出物充满样品定量进样管(图 70-1 B),在标准的操作情况下,阀处于收集位置的时间占80%,当六通阀处于进样位置时(图 70-1 C)定量进样管中的存留物转移到第二维色谱柱中,在二维色谱柱中的流速至少要比一维色谱柱的流速快20倍,这样一来从一维色谱柱流出物收集到二维色谱柱中,脉冲宽度大约为收集时间的5%,在没有明显轴向混合的情况下,在进样位置流出定量进样管的流体呈上一个收集循环进入定量进样管中物质的压缩态镜像,这一样品塞通过第二维色谱柱,在柱中进行保留并出现峰的加宽,假设只有中等程度的加宽,其峰高也要比在第一维色谱柱中要高许多倍,这是由于二维色谱柱的流速快造成的(图70-1D),这样一来检测器的灵敏度就要高许多。



文献:J. V. Seeley, F. Kramp, and C. J. Hicks, Anal. Chem. 2000, 72:4346-4352

437 阀切换调制器(4



使用微分流阀切换调制器GCxGC的应用举例



    C1-C8直链伯醇、C3-C82-酮和C5-C11的正构烷烃组成的21个人混合物作样品,使用微分流阀切换调制器GCxGC进行分析,使用DB-624/DB-Wax色谱柱组合,图 72-1是一维柱分离的色谱图,整个二维色谱图见图 72-2






DB-624 固定相和分析物的作用主要是通过色散力,而DB-Wax固定相具有强烈的极性和氢键力,所以伯醇具有较大的保留时间,酮类具有中间的作用力,烷烃在第二维色谱柱上保留能力很差。在第二维色谱柱上半高峰宽大约增加0.045 s(烷烃)到0.065 s(伯醇)。色谱峰性基本是高斯峰,拖尾很小,这说明样品在隔膜阀表面的吸附很小,可以忽略,基线未见漂移,在第二维色谱柱出口流速未见波动,说明切换阀启闭对流动的干扰很小。在这样的实验条件下DB-Wax色谱柱的柱效为0.013 0.035 cm理论塔板高度(对相对保留时间为0.1 0.9 s)。



文献:

J. V. Seeley, F. Kramp, and C. J. Hicks, Anal. Chem. 2000, 72:4346 4352
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2011/7/19 11:07:11 Last edit by w200761140
yileilingyu
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辛苦楼主了。想问下二维液相分离复杂样品时,是否与气相的类似。
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