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技术支持-> 气相色谱仪简介
气 相 色 谱 仪 简 介
来源:蔡蕴明教授实验室
原理
如何判断一个试样为混合物与否,如为混合物又将如何使各成份分离并分析其结构,对了解试样的组成是很重要的课题。就分离各成份而言,色谱法(chromatography)是非常重要的技术,常用者包括了薄层色谱法(thin layer chromatography;简称TLC),管柱色谱法(column chromatography),以及气相色谱法(gas chromatography)。本次课题的焦点为气相色谱法,这项技术基本上是靠着将试样气化,借着另一携带气体(carrier gas,如氮,氢,或氦)带动,通过一个分离用的管柱,管柱中充填了固相的载体,在此固相的载体表面具有一层薄薄的液体,当试样通过时,一方面气相的携带气体会带动试样往前行,但是载体上的液相薄层又会与试样有相互吸引的拉力,一个化合物在管柱中行进的速度快慢则端视这两种相反的作用力之净值大小而定,不同的化合物其作用力之净值可能不同,因此就会在行进速度上有所差异,导致分离,要注意的是,有机会分离,并非代表一定可以分离,变换管柱中充填物可造成不同的分离效果。由于气相层析乃基于气相与液相之平衡而达到分离效果,因此在过去也常称为气相液相色谱(gas-liquid chromatography),简称GLC,也有人称以蒸气相色谱(vapor phase chromatography),简称VPC,但现在大多数的人都称之为气相色谱(gas chromatography),简称GC。用来分离的管柱叫做色谱柱。
仪器简介
本次介绍仪器所本为日本三光(Shimatsu)所出产的GC-8A,这是一部简单但相当耐用的机器,大部份的气相层析仪的结构都与之类似。
就一部气相色谱仪而言,基本上可分为四大部份,一为注样器(injector)部份,一为色谱柱(column)部份,一为检测器(detector)部份,一为记录器(recorder)部份。简而言之,注样器是用来将试样注入,色谱柱的功能为分离,检测器提供我们试样通过的讯息,而记录器则将检测结果以书面方式表达出来,以下针对这四大部份做进一步的介绍。
 
注样器与试样的注入
注样器的最前端是一片橡胶垫片,试样透过针筒注入,这个垫片是具有弹性的,可以容许多次的穿透而不致于漏气,但经不断的使用之后,仍需更换,更换时将固定垫片的金属套旋下,更换垫片后重新旋回,要注意旋回时不可旋的太紧,否则会造成胶片的张力太大,被针穿透数次之后极易弸裂造成漏气。与注样器连接着的是由高压钢瓶提供的携带气体(载气),因为出口在侦测器的末端,载气会带着试样通过管柱,试样必须要气化才能被载气携带,因此注样器的温度通常设定在250 oC以上,假若试样在高温不稳定,则可考虑降低注样器的温度。试样为固体时需将之溶于一挥发性溶剂中,取少量注入即可,若为液体亦同,液体也可考虑直接注入,但如此易造成注入过多试样,管柱内的材料无法负荷(色谱柱过载),将导致分离效果不佳,实际上GC是极为灵敏的工具,不需要太多的试样即可分析。注入注样器的试样因为注样器的温度极高,会立即的挥发,载气即随之将试样带入色谱柱,即使该试样在注样器的温度下并未沸腾,但因温度极高,蒸气压也一定很高,借着载气的带动,自然会完全挥发。现在大部份的机器都可放置两根色谱柱,甚至三根,因此也会有两个不同的注样器,不过一次只能使用一根管柱,如此可避免时常更换管柱。
就载气而言,基本上必须是化学性质愚钝者(惰性气体),如氮,氢,或氦,要用那一种气体得视该机所使用的检测器而定,经济的因素也在考虑之中,在介绍检测仪器的部份,我们会再回到这个问题来。借着压力的控制可造成气体流速的改变,速度越快试样行进速度就越快,分离效果会变差,从经验上来看,借着流速的变化来改进分离效果,较难达到显著的效果,通常视色谱柱的口径而定,大部份都采取一定值,改变管柱的温度才是经常性的做法,容后讨论。
 
色谱柱与分离
色谱柱是造成试样分离的重要部份,其中充填的物质为固相的载体与载体上附着的一层液相,载体大都为硅的氧化物,其表面具有许多的烃基(-OH),可做为一把手,将液相的部份植上,载体本身虽很稳定,但是液相的部份则要视其材料而定,有些液相并不稳定,当温度过高时会被破坏而被载气带出,因此管柱就失去功能了,所以使用之前一定必需查清该色谱柱内的材料之极限温度(maximum temperature)为何,并最好注明于机器外部明显处,任何时候管柱的温度不得超过此极限。
色谱柱乃放置于一柱温箱中,柱温箱的温度是可调整的,温度越高,气体动能越大,与液相的平衡改变,试样行进的速度会变快,分离效果通常会变差,利用色谱柱温度的控制,我们可以找到最有效率的温度来分析试样。
色谱柱的粗细长短亦会对分离效果造成影响,越细越长的色谱柱分离效果越好,过去常用的色谱柱有两种口径,一为1/8英吋,一为1/4英吋,前者为分析用而后者为制备用,所谓的制备就是可将通过色谱柱分离后的成分个别收集而得到纯的试样,由于科技的进步,现在光谱分析所需的试样,量并不需多,因此现在1/8英吋的管柱也可用来制备少量化合物以鉴定其结构。此外亦有毛细管色谱柱,其口径如一毛细管般的粗细,因为细,所以可在很小的体积范围内盘旋许多圈,达到十米或二十米的长度,其分离效果就不是1/8英吋的色谱柱所能项背了,不过管径越小,压力就得高些。另外在流速方面,1/8英吋的色谱柱通常使用的流速以30 mL/min为佳,而1/4英吋的色谱柱则以10 mL/min为佳。
色谱柱内充填的材料对分离效果的影响颇巨,GC的特点就在于可换用不同的材料而达到分离的目的,基本上色谱柱充填物可分为三种,一为非极性,一为中等极性,一为极性者。非极性的充填材料与试样的作用大都为凡得瓦尔力,因此概略上分子量高者作用力较大,在色谱柱上的滞留时间也越长,分子量与沸点成正比,因此试样通过管柱的先后顺序与试样的沸点成反比,沸点越低者越快通过,因此这类色谱柱常昵称为沸点管柱。中等极性与极性色谱柱内的材料与试样的作用力不只凡得瓦尔力,因此试样通过的先后较难预测,原则上极性高的试样在色谱柱上的滞留时间越长,使用高极性色谱柱时要注意,某些类的化合物有可能吸附于其上而出不来。
对于会影响分离的三要素:温度,流速,及色谱柱材料,到底如何决定为佳,实际上仍应以尝试的方法来求取,经验与耐性实为不二法门。当报告一个成功的分离时,温度,流速,色谱柱材料,口径及长度,必须要登录,否则别人无法复制,在此条件下各化合物会有一特定的滞留时间(retention time),常用Rt代表,也必须登录,此滞留时间为自试样打入起至检测器测得该化合物流出色谱柱之时间。
 
检测器
GC可使用的检测方式有很多种,最常见者有两种,一为热导检测器(thermal conductivity detector),简称TCD,另一为火焰离子化检测器(flame ionization detector) ,简称FID,原则上FID的检测灵敏度较佳,不过以笔者的经验,以寻常的色谱柱而言,TCD也不会比FID差,但是若使用毛细管柱,因为注入试样很少,所以大都以FID为检测器。FID的原理基本上是将流出色谱柱的试样通入一燃烧室,在燃烧过程中,试样会离子化,便可利用正负离子可导电的特性,侦测到电子讯号,其优点为灵敏度高,但缺点是通过FID之后,试样被烧掉了,当然就无法收集,因此制备用的GC是不会用FID为检测器的,此外,在仪器部份,为了燃烧还需准备一桶氢气及一桶空气,加上载气用的钢瓶,总共要用三个钢瓶,较麻烦些。

图一:TCD的惠斯顿电桥装置略图
 
TCD的设计是利用一惠斯顿电桥的装置(上图),在上侧的两股串联电阻丝之右测电阻让不含试样的载气通过,做为比较用,在下侧右方的电阻丝则让含有试样的载气通过,电流通过时电阻丝会生热,通过的气体会导热,具有散热功能,在固定的电压下以及固定的气体流速下,电阻丝的温度会达到一平衡温度,当通过两侧电阻丝的气体都不含试样时,位于惠斯顿电桥中央的架桥电阻丝之中间位置可找到一零电位点,当某一侧通过两股串联电阻丝之气体中含有试样时,因为改变了气体的导热系数,致使两侧电阻丝温度不同,电阻产生变化,因此就改变了架桥电阻丝两端的电位,零电位点的位置产生偏动,于是讯号产生。
由于TCD的运作原理,倚赖携带气体的导热能力,导热系数很大的氢气及氦气为最理想的选择,因为灵敏度高,不过前者较具危险性,使用要小心,后者则很贵,各有缺点。氮气的导热系数低,因此灵敏度低,并不是理想的选择,不过它很便宜又安全,也具优点,大部份的有机化合物导热系数都不高,因此氢气或氦气参杂入有机化合物时造成的导热系数落差会很大,此为其灵敏度高的原因,产生的讯号均为同一方向的,但若用氮气为载气时,因为其导热系数与有机化合物相近,参杂入其它的有机化合物时,造成的导热系数之改变有正亦有负,所以会产生正向或负向的讯号。
TCD的检测器亦放在一高温的烘箱中,其温度的设定不得比注样器的温度低,否则试样有可能凝结在TCD的电阻丝上,导致检测器的伤害。更重要的是当TCD通入电流后会产生高热,如果没有通过气体时,热量无法散去,会使TCD烧坏,使用后务必关掉TCD的电流。为达温度的平衡,打开TCD之后通常需要15到30分钟的平衡时间,本课程使用的机器之TCD与注样器使用同一烘箱,因此无法分别调整其温度。相对于TCD,FID检测器就没有以上的这些顾虑了。
 
记录器
在检测器部份测得的讯号,经过放大后传送到记录器,就可将讯号画出来。更先进一点,讯号可用计算机处理。各讯号涵盖的面积之比值具有定量的功能,但因不同的化合物的性质不同,因此在讯号的敏感度表现上也会不同,例如两个1:1的化合物之导热系数不同时,反映出来的讯号面积也就不会是1:1,因此在定量时应做讯号的标定,求出讯号面积的修正系数,如此所计算出的成份比例才会正确。简单一点的机器所画出的图,可将讯号部份剪下称重以求得其面积比,较高级的记录器具有多方面的功能,可以做讯号的积分,因此也常称为积分仪,若用计算机处理讯号则更方便了。
 
结语
GC是在分离混合物时非常有用的工具,但是,光由积分仪绘出的图谱上看到讯号,其实并不代表其结构一定如何,因此在结构的判定上仍有赖于其它光谱分析的工具来确认其结构。在实用上,举凡材料的分析,食品,药物的品管,毒品,违禁药品的检测方面,GC都具有重要的实务功能。
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