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技術支持-> 氣相色譜儀簡介
氣 相 色 譜 儀 簡 介
來源:蔡蘊明教授實驗室
原理
如何判斷一個試樣為混合物與否,如為混合物又將如何使各成份分離并分析其結構,對了解試樣的組成是很重要的課題。就分離各成份而言,色譜法(chromatography)是非常重要的技術,常用者包括了薄層色譜法(thin layer chromatography;簡稱TLC),管柱色譜法(column chromatography),以及氣相色譜法(gas chromatography)。本次課題的焦點為氣相色譜法,這項技術基本上是靠著將試樣氣化,借著另一攜帶氣體(carrier gas,如氮,氫,或氦)帶動,通過一個分離用的管柱,管柱中充填了固相的載體,在此固相的載體表面具有一層薄薄的液體,當試樣通過時,一方面氣相的攜帶氣體會帶動試樣往前行,但是載體上的液相薄層又會與試樣有相互吸引的拉力,一個化合物在管柱中行進的速度快慢則端視這兩種相反的作用力之凈值大小而定,不同的化合物其作用力之凈值可能不同,因此就會在行進速度上有所差異,導致分離,要注意的是,有機會分離,并非代表一定可以分離,變換管柱中充填物可造成不同的分離效果。由于氣相層析乃基于氣相與液相之平衡而達到分離效果,因此在過去也常稱為氣相液相色譜(gas-liquid chromatography),簡稱GLC,也有人稱以蒸氣相色譜(vapor phase chromatography),簡稱VPC,但現在大多數的人都稱之為氣相色譜(gas chromatography),簡稱GC。用來分離的管柱叫做色譜柱。
儀器簡介
本次介紹儀器所本為日本三光(Shimatsu)所出產的GC-8A,這是一部簡單但相當耐用的機器,大部份的氣相層析儀的結構都與之類似。
就一部氣相色譜儀而言,基本上可分為四大部份,一為注樣器(injector)部份,一為色譜柱(column)部份,一為檢測器(detector)部份,一為記錄器(recorder)部份。簡而言之,注樣器是用來將試樣注入,色譜柱的功能為分離,檢測器提供我們試樣通過的訊息,而記錄器則將檢測結果以書面方式表達出來,以下針對這四大部份做進一步的介紹。
 
注樣器與試樣的注入
注樣器的最前端是一片橡膠墊片,試樣透過針筒注入,這個墊片是具有彈性的,可以容許多次的穿透而不致于漏氣,但經不斷的使用之后,仍需更換,更換時將固定墊片的金屬套旋下,更換墊片后重新旋回,要注意旋回時不可旋的太緊,否則會造成膠片的張力太大,被針穿透數次之后極易弸裂造成漏氣。與注樣器連接著的是由高壓鋼瓶提供的攜帶氣體(載氣),因為出口在偵測器的末端,載氣會帶著試樣通過管柱,試樣必須要氣化才能被載氣攜帶,因此注樣器的溫度通常設定在250 oC以上,假若試樣在高溫不穩定,則可考慮降低注樣器的溫度。試樣為固體時需將之溶于一揮發性溶劑中,取少量注入即可,若為液體亦同,液體也可考慮直接注入,但如此易造成注入過多試樣,管柱內的材料無法負荷(色譜柱過載),將導致分離效果不佳,實際上GC是極為靈敏的工具,不需要太多的試樣即可分析。注入注樣器的試樣因為注樣器的溫度極高,會立即的揮發,載氣即隨之將試樣帶入色譜柱,即使該試樣在注樣器的溫度下并未沸騰,但因溫度極高,蒸氣壓也一定很高,借著載氣的帶動,自然會完全揮發。現在大部份的機器都可放置兩根色譜柱,甚至三根,因此也會有兩個不同的注樣器,不過一次只能使用一根管柱,如此可避免時常更換管柱。
就載氣而言,基本上必須是化學性質愚鈍者(惰性氣體),如氮,氫,或氦,要用那一種氣體得視該機所使用的檢測器而定,經濟的因素也在考慮之中,在介紹檢測儀器的部份,我們會再回到這個問題來。借著壓力的控制可造成氣體流速的改變,速度越快試樣行進速度就越快,分離效果會變差,從經驗上來看,借著流速的變化來改進分離效果,較難達到顯著的效果,通常視色譜柱的口徑而定,大部份都采取一定值,改變管柱的溫度才是經常性的做法,容后討論。
 
色譜柱與分離
色譜柱是造成試樣分離的重要部份,其中充填的物質為固相的載體與載體上附著的一層液相,載體大都為硅的氧化物,其表面具有許多的烴基(-OH),可做為一把手,將液相的部份植上,載體本身雖很穩定,但是液相的部份則要視其材料而定,有些液相并不穩定,當溫度過高時會被破壞而被載氣帶出,因此管柱就失去功能了,所以使用之前一定必需查清該色譜柱內的材料之極限溫度(maximum temperature)為何,并最好注明于機器外部明顯處,任何時候管柱的溫度不得超過此極限。
色譜柱乃放置于一柱溫箱中,柱溫箱的溫度是可調整的,溫度越高,氣體動能越大,與液相的平衡改變,試樣行進的速度會變快,分離效果通?;岜洳?,利用色譜柱溫度的控制,我們可以找到最有效率的溫度來分析試樣。
色譜柱的粗細長短亦會對分離效果造成影響,越細越長的色譜柱分離效果越好,過去常用的色譜柱有兩種口徑,一為1/8英吋,一為1/4英吋,前者為分析用而后者為制備用,所謂的制備就是可將通過色譜柱分離后的成分個別收集而得到純的試樣,由于科技的進步,現在光譜分析所需的試樣,量并不需多,因此現在1/8英吋的管柱也可用來制備少量化合物以鑒定其結構。此外亦有毛細管色譜柱,其口徑如一毛細管般的粗細,因為細,所以可在很小的體積范圍內盤旋許多圈,達到十米或二十米的長度,其分離效果就不是1/8英吋的色譜柱所能項背了,不過管徑越小,壓力就得高些。另外在流速方面,1/8英吋的色譜柱通常使用的流速以30 mL/min為佳,而1/4英吋的色譜柱則以10 mL/min為佳。
色譜柱內充填的材料對分離效果的影響頗巨,GC的特點就在于可換用不同的材料而達到分離的目的,基本上色譜柱充填物可分為三種,一為非極性,一為中等極性,一為極性者。非極性的充填材料與試樣的作用大都為凡得瓦爾力,因此概略上分子量高者作用力較大,在色譜柱上的滯留時間也越長,分子量與沸點成正比,因此試樣通過管柱的先后順序與試樣的沸點成反比,沸點越低者越快通過,因此這類色譜柱常昵稱為沸點管柱。中等極性與極性色譜柱內的材料與試樣的作用力不只凡得瓦爾力,因此試樣通過的先后較難預測,原則上極性高的試樣在色譜柱上的滯留時間越長,使用高極性色譜柱時要注意,某些類的化合物有可能吸附于其上而出不來。
對于會影響分離的三要素:溫度,流速,及色譜柱材料,到底如何決定為佳,實際上仍應以嘗試的方法來求取,經驗與耐性實為不二法門。當報告一個成功的分離時,溫度,流速,色譜柱材料,口徑及長度,必須要登錄,否則別人無法復制,在此條件下各化合物會有一特定的滯留時間(retention time),常用Rt代表,也必須登錄,此滯留時間為自試樣打入起至檢測器測得該化合物流出色譜柱之時間。
 
檢測器
GC可使用的檢測方式有很多種,最常見者有兩種,一為熱導檢測器(thermal conductivity detector),簡稱TCD,另一為火焰離子化檢測器(flame ionization detector) ,簡稱FID,原則上FID的檢測靈敏度較佳,不過以筆者的經驗,以尋常的色譜柱而言,TCD也不會比FID差,但是若使用毛細管柱,因為注入試樣很少,所以大都以FID為檢測器。FID的原理基本上是將流出色譜柱的試樣通入一燃燒室,在燃燒過程中,試樣會離子化,便可利用正負離子可導電的特性,偵測到電子訊號,其優點為靈敏度高,但缺點是通過FID之后,試樣被燒掉了,當然就無法收集,因此制備用的GC是不會用FID為檢測器的,此外,在儀器部份,為了燃燒還需準備一桶氫氣及一桶空氣,加上載氣用的鋼瓶,總共要用三個鋼瓶,較麻煩些。

圖一:TCD的惠斯頓電橋裝置略圖
 
TCD的設計是利用一惠斯頓電橋的裝置(上圖),在上側的兩股串聯電阻絲之右測電阻讓不含試樣的載氣通過,做為比較用,在下側右方的電阻絲則讓含有試樣的載氣通過,電流通過時電阻絲會生熱,通過的氣體會導熱,具有散熱功能,在固定的電壓下以及固定的氣體流速下,電阻絲的溫度會達到一平衡溫度,當通過兩側電阻絲的氣體都不含試樣時,位于惠斯頓電橋中央的架橋電阻絲之中間位置可找到一零電位點,當某一側通過兩股串聯電阻絲之氣體中含有試樣時,因為改變了氣體的導熱系數,致使兩側電阻絲溫度不同,電阻產生變化,因此就改變了架橋電阻絲兩端的電位,零電位點的位置產生偏動,于是訊號產生。
由于TCD的運作原理,倚賴攜帶氣體的導熱能力,導熱系數很大的氫氣及氦氣為最理想的選擇,因為靈敏度高,不過前者較具危險性,使用要小心,后者則很貴,各有缺點。氮氣的導熱系數低,因此靈敏度低,并不是理想的選擇,不過它很便宜又安全,也具優點,大部份的有機化合物導熱系數都不高,因此氫氣或氦氣參雜入有機化合物時造成的導熱系數落差會很大,此為其靈敏度高的原因,產生的訊號均為同一方向的,但若用氮氣為載氣時,因為其導熱系數與有機化合物相近,參雜入其它的有機化合物時,造成的導熱系數之改變有正亦有負,所以會產生正向或負向的訊號。
TCD的檢測器亦放在一高溫的烘箱中,其溫度的設定不得比注樣器的溫度低,否則試樣有可能凝結在TCD的電阻絲上,導致檢測器的傷害。更重要的是當TCD通入電流后會產生高熱,如果沒有通過氣體時,熱量無法散去,會使TCD燒壞,使用后務必關掉TCD的電流。為達溫度的平衡,打開TCD之后通常需要15到30分鐘的平衡時間,本課程使用的機器之TCD與注樣器使用同一烘箱,因此無法分別調整其溫度。相對于TCD,FID檢測器就沒有以上的這些顧慮了。
 
記錄器
在檢測器部份測得的訊號,經過放大后傳送到記錄器,就可將訊號畫出來。更先進一點,訊號可用計算機處理。各訊號涵蓋的面積之比值具有定量的功能,但因不同的化合物的性質不同,因此在訊號的敏感度表現上也會不同,例如兩個1:1的化合物之導熱系數不同時,反映出來的訊號面積也就不會是1:1,因此在定量時應做訊號的標定,求出訊號面積的修正系數,如此所計算出的成份比例才會正確。簡單一點的機器所畫出的圖,可將訊號部份剪下稱重以求得其面積比,較高級的記錄器具有多方面的功能,可以做訊號的積分,因此也常稱為積分儀,若用計算機處理訊號則更方便了。
 
結語
GC是在分離混合物時非常有用的工具,但是,光由積分儀繪出的圖譜上看到訊號,其實并不代表其結構一定如何,因此在結構的判定上仍有賴于其它光譜分析的工具來確認其結構。在實用上,舉凡材料的分析,食品,藥物的品管,毒品,違禁藥品的檢測方面,GC都具有重要的實務功能。
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