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全二维气相色谱第二维死时间的测定

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    摘要:建立了两种恒压模式下全二维气相色谱第二维死时间的测定方法。一种方法是利用不同压力下的相对保留时间差规律,计算非同步调制的全二维气相色谱第二维的保留时间,再利用正构烷烃同系物的保留规律线性拟合计算第二维的死时间;测定的第二维的死时间与温度的线性相关系数大于0.997。另一种方法是在已知化合物保留因子和温度关系的条件下,在一次程序升温中测定此化合物的3个以上不同流出温度条件下的表观保留时间,再根据该表观保留时间计算出死时间与温度的关系。实验结果表明,两种方法对死时间测定的偏差小于0.05s。

  这两种方法适合于各种类型的全二维气相色谱,无论其调制方式是同步还是非同步。

  关键词:全二维气相色谱;第二维死时间;正构烷烃

  全二维气相色谱(GC×GC)是20世纪90年代新发展起来的一种分析手段。与常规的二维色谱不同,它是将两种不同性质的色谱柱串联起来,中间用调制器连接,调制器根据设定的周期以脉冲升温方式将经第一支色谱柱分离后的全部组分送入第二支色谱柱,进行第二次分离。两支色谱柱采用不同的分离机理,使样品中所有组分在二维平面达到正交分离。全二维气相色谱具有高分辨率、高灵敏度等特点,是目前最为强大的分离工具之一,广泛应用于石油、制药等复杂体系的分离分析。

  由于全二维气相色谱的应用范围不断扩大,有关该分析手段的保留预测和条件优化越来越受到关注。而准确获得各维色谱柱的死时间是进行预测和优化的前提和基础。由于第二维色谱的死时间很短,因而可近似认为总的死时间等于第一维的死时间,采用甲烷直接测定。

  由于全二维的调制器无法捕集甲烷(捕集物质沸点通常高于n-C5),因此第二维色谱的死时间无法直接测定。Marriott等采用总的死时间、压力降以及各维色谱的柱参数预测全二维气相色谱中第二维的死时间,取得了较好的结果。但这种方法过分依赖于间接的计算,同时对各维色谱柱的参数要求非常准确。Quintanilla-Lopez等[13]利用同系物的熵焓增加规律、通过等温条件下正构烷烃的保留时间外推获取死时间。该方法的前提是必须获取各化合物的准确的第二维保留时间,然而某些调制器的调制周期和数据采集周期不同步,无法直接获得各物质在第二维色谱的准确的保留时间。

  本文建立了恒压条件下第二维色谱死时间的两种测定方法,适用于各种全二维气相色谱,无论其调制器是同步或非同步的。第一种方法是基于已知化合物的热力学参数保留因子的特性,通过一组物质在等温但不同压力下的表观保留时间差获取其在第二维色谱的准确保留时间,再利用同系物的保留规律外推计算第二维色谱的死时间;第二种方法是利用在一次程序升温条件下测定已知化合物3个以上不同流出温度条件下的表观保留时间快速测定第二维色谱的死时间。

  1、原理

  流动的流量F与其粘度η相关,符合式(1):

  F=πPr4/(8Lη)(1)

  式(1)中,P为压力降,r为色谱柱的内径,L为色谱柱的长度。

  在全二维色谱条件下,两维色谱柱采用串联方式连接,具有相同的质量流量。据式(1)可得:

  P1/P2=r14L2/(r24L1)(2)

  式(2)中,P1,r1,L1,P2,r2和L2分别为第一维和第二维的压力降、内径和柱长;P1和P2的和为总的压力降。当柱系统确定时,式(2)为一常数。在恒压模式下,其第二维色谱的柱前压也为等压,因此第二维色谱的死时间tM2满足式(3):

  tM2=a2T+b2(3)

  式(3)中T为温度,a2和b2为常数。

  方法1:基于同系物的保留规律测定死时间。

  根据式(3),在恒压模式下,只要测定两个温度条件下的死时间,即可计算出其他温度条件下的死时间。对同系物而言,它们的保留因子k和碳数n的关系符合式(4):

  lnk=ln(tR�Tm/tM)=a1n+b1(4)

  利用式(4),已知一组同系物准确的保留时间,采用拟合线性关系便可获得该条件下的死时间。

  对于非同步调制器的全二维气相色谱而言,在全二维色谱图上可获取的第二维保留时间是相对于色谱工作站的采样起始时间的,而不是确切的第二维保留时间,在此称之为表观保留时间。

  保留因子k是一热力学参数,与载气的线速和压力无关。因此在等温条件下,不同的柱前压产生不同的保留时间和死时间,并且符合式(5):

  tR,P1/tM,P1=tR,P2/tM,P2(5)

  变换式(5)可获得:

  ΔtP2,P1=tR,P2-tR,P1=(tM,P2/tM,P1-1)×tR,P1=C×(^tR,P1-Δ)(6)

  式(6)中,^tR,P1为P1压力下的表观保留时间;Δ为表观保留时间与实际保留时间的系统偏差;在两个给定的压力下,C为常数。根据一组化合物在不同压力下的表观保留时间差和其中一个压力下的表观保留时间,可准确地计算出各物质的“真”的保留时间。在此基础上,通过式(4)即可计算出该条件下的死时间。

  方法2:利用物质已知的保留因子测定死时间。

  不同温度下保留因子和温度的关系符合:

  lnk=ln(tR�tM/tM)=a3/T+b3(7)

  根据式(3)和式(7)可得:tR=(a2T+b2)(ea3/T+b3+1)(8)

  ^tR-Δ=(a2T+b2)(ea3/T+b3+1)(9)

  如果物质的保留因子与温度规律已知,也就意味着式(7)中的a3和b3已知。因此在一次等压模式程序升温实验中获得不同温度下3个以上表观保留时间,根据式(9)计算出a2,b2及Δ等3个未知变量,即可获得在此条件下的死时间的变化规律。

  2、实验部分

  2.1仪器及样品

  全二维气相色谱仪由Agilent6890和Zoex的KTRetrofix-2001冷喷调制器[15~17]组成。柱1:DB-5MS30m×0.25mmi.d.×0.25μm,柱2:DB-17ht1.3m×0.1mmi.d.×0.1μm。二维采集周期6.5s,采集频率100Hz。载气:He,分流比100∶1,恒压模式,进样量0.2μL。进样器和检测器温度均为280℃。数据采集采用HPChemStation,数据处理采用自编的全二维气相色谱数据处理系统,采用VisualC++编写,在PC-586微机上运行。

  样品1:n-C5~n-C10混合物,样品2:n-C10~n-C14混合物。

  2.2实验条件

  等温实验条件:分别在60,80,100,120,140,160℃条件下进行分析。其中样品1被应用于60,80,100℃条件下,样品2被应用于100,120,140,160℃条件下。当第一次进样的样品中所有物质全部流出后,将柱前压由200kPa变成250kPa,待系统平衡后用同样的样品进行二次进样。

  程序升温实验条件:柱前压200kPa,柱温50℃2℃/min200℃。样品2在第0,15,25min被多次进样。

  3、结果和讨论

  3.1基于同系物保留规律测定死时间

  3.1.1调制起始时间和“真”保留时间的测定

  在非同步的全二维气相色谱中,由于调制的起始时间和采集的起始时间不同,色谱工作站获得的是表观保留时间,与真实的保留时间存在一系统偏差,因此在一次分析实验中通过变化压力即可获得一组化合物在两个不同压力下不同的表观保留时间,进而获得保留时间差。根据式(6),可外推获取真实的第二维色谱起始时间(调制起始时间)。

  为验证该方法,在160℃等温条件下,将柱前压分别设为150,200和250kPa,获取n-C10~n-C14在不同压力下的表观保留时间。

  根据式(6),通过每两个不同压力的表观保留时间可以推出一个调制起始时间,因此据图1的表观保留时间得到的调制起始时间结果见图2,分别为0.76,0.76和0.77s,其偏差小于0.01s,表明该方法具有较好的重复性。根据表观保留时间和调制起始时间的差值即可获得“真”的保留时间。

  3.1.2死时间的测定

  获取“真”的保留时间后,根据式(5),可计算该条件下的死时间。

  在160℃(200kPa)条件下获得的n-C10~n-C14的保留时间分别为1.86,2.00,2.26,2.66,3.34s。根据0到1.86s(间隔0101s)内所有可能的死时间,计算相应的同系物线性回归系数,结果发现,线性相关系数达到最大(0.9999)时的死时间为1.49s,因此认定其为该条件下的死时间。以同样方法计算得到同样在160℃条件下但压力不同时的死时间分别为1.93s(150kPa)和1.21s(250kPa)。

  从160℃到60℃,每隔20℃进行一次等温实验,采用变压操作,压力从200kPa变化至250kPa,获取相应的表观保留时间,从而获得不同温度及压力条件下的各物质的“真”的保留时间,并计算相应的死时间。结果如图3所示,测定的死时间与温度呈良好的线性关系(r>0.997)。以60℃和160℃的死时间作线性回归,其他温度的预测值和实测值偏差均小于0102s。

  3.2利用已知物质保留因子与温度规律测定不同条件下的死时间

  由于上述测定死时间的方法较为复杂,需要改变压力,同时至少需要两次实验,因此利用已知物质的保留因子与温度的规律可进行不同条件下的死时间的快速测定。

  首先必须获得一个化合物保留因子和温度的关系。对不同温度下n-C10的保留因子计算结果:a3为515713,b3为-131531,其线性相关系数大于0.998。

  在恒压模式下的一次程序升温实验的第0,15,25min分别进样。N-C10在第二维色谱的表观保留时间见表1。对于全二维气相色谱而言,第二维色谱柱的分析周期一般为4~10s,可看作等温操作,其温度可根据其第一维的流出温度进行计算,再根据式(7)计算其保留因子。

  根据式(9),可以计算出a2和b2分别为0.575和-102.81。

  与第一种方法的测定结果比较,在60~250℃范围内偏差小于0105s。

  4、结论

  本文报道了两种全二维气相色谱第二维死时间的测定方法。第一种方法利用不同压力下保留时间差和保留时间的线性关系,解决了非同步全二维气相色谱真实保留时间的计算,并利用同系物保留规律解决了全二维气相色谱第二维色谱的死时间的测定。第二维色谱的死时间测定结果与温度的线性相关系数大于0.997。第二种方法利用在一次程序升温条件下测定3个以上不同流出温度的表观保留时间来快速测定第二维色谱的死时间。两种方法的结果均具有良好的精度,偏差小于0.05s,为全二维气相色谱的谱图预测和条件优化提供了良好的基础。

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