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技術文章
農藥殘留測試儀方法
2011-11-16
農藥殘留測試儀方法主要是應用色譜法和質譜法。色譜法有很強的分離不同化合物組分的能力。色譜法分離混合組分的機制,主要是通過具有很大表面積的固定相和流動相實現的。各種組分在流動相的推動下,以不同的路線和分離方式,通過固定相向前運動。

4.1 氣相色譜法
4.1.1 概述
氣相色譜法(Gas Liquid Chromatography, GLC)是一種簡易、快速、高效和靈敏的現代分離分析技術,廣泛用于環境?;?、醫藥衛生、化學化工、外貿、司法等系統的生產、科研和檢驗部門,也是農藥殘留量測定不可或缺的手段。
1. 氣相色譜法的特點
分析速度快 分析一個農藥樣品通常僅需數分鐘,即使復雜的樣品也只要幾十分鐘,并且分析所需樣品量很少,通常只需12μL甚至更少;
分離效率高 高效色譜柱(特別是毛細管柱)可以分離非常復雜的多組份樣品,為農藥多殘留分析提供了有效的途徑;
靈敏度高 高靈敏的檢測器可以檢出1×10-10~1×10-12g的組分,適合于農藥殘留的微量和痕量分析;
選擇性高 氣相色譜固定相對性質相似的組分具有較強的分辨能力。通過選用高選擇性的固定液,使各組分間的分配系數有較大的差異而實現分離。此外,不同類型的檢測器對某類農藥有較高的響應,如電子捕獲檢測器適合對有機氯農藥的分析、火焰光度檢測器適合對有機磷和含硫農藥的分析、堿焰離子化檢測器適合對氨基甲酸酯類農藥的分析;
適用范圍廣 大多數農藥的分子量在400以內,其沸點在氣相色譜工作溫度范圍內,大多數農藥可用氣相色譜法測定。
2. 氣相色譜儀基本流程
氣相色譜儀由七個部分組成,其流程如圖4-2。
供氣系統 包括高壓鋼瓶、減壓閥、凈化管、穩壓閥、壓力表、流量計等部件。
進樣系統 包括進樣器和氣化室。氣化室是一個加熱器,它將液體樣品瞬時氣化并預熱載氣,載氣將樣品帶入色譜柱。
分離系統 包括色譜柱和恒溫箱。色譜柱是氣相色譜儀的核心部分,樣品的分離過程在色譜柱內進行,經分離的組分隨載氣進入檢測器。恒溫箱保持色譜柱的溫度恒定或按一定程序升溫。
檢測器室 包括檢測器和恒溫室。檢測器對從色譜柱流出的組分及其量的變化作出響應,并把這個變化轉變成電信號送到放大器,記錄成色譜圖,它是氣相色譜儀的關鍵部件。恒溫室使檢測器溫度保持恒定。
溫度控制部件 主要給氣化室、柱恒溫箱、檢測器室加熱,并控制柱恒溫箱和檢測器保持所需的溫度,一般要求控溫精度在±0.1~0.5℃。
放大器 它把檢測器輸出的信號進行放大。
記錄和數據處理 將放大器放大了的信號記錄成色譜圖或通過數據處理進行自動記錄峰數、保留時間、峰面積并計算出結果。

4.1.2 氣相色譜的基本原理
1. 氣相色譜法基本術語
色譜柱流出的組分通過檢測器所產生的響應信號對時間或載氣流出體積的曲線圖(圖4-3),稱為色譜圖。
基線 正常操作條件下,僅有載氣通過時檢測器所產生的響應信號曲線;
色譜峰 色譜柱流出組分通過檢測器時所產生的響應信號曲線;
峰底 峰的起點與終點之間連接的直線;
峰高 色譜峰*高點到峰底的距離;
峰寬(Wb) 在峰兩側拐點處所作切線與峰底相交兩點間的距離;
半高峰寬(Wh) 峰高的中點作平行于峰底的直線,此直線與峰兩側相交兩點之間的距離;
峰面積(A) 峰與峰底之間的面積;
死時間 不被固定相吸附或溶解的組分從進樣到出現峰*大值之間的時間;
保留時間 組分從進樣到出現峰*大值時所經過的時間;
調整保留時間 某組分的保留時間扣除死時間,即
…………………………………(4.1)
相對保留值 兩組分調整保留時間的比值,即
…………………………………(4.2)
相對保留值通常作為衡量固定相選擇性的指標,又稱選擇因子。

 2. 分配原理
氣相色譜主要利用各組分在流動相(氣相)和固定相之間的分配系數的不同以達到分離的目的,這與色譜過程的熱力學性質有關。同時,兩組分的分離效能還與其在色譜柱中傳質和擴散行為即色譜動力學有關。
⑴.分配系數K
氣液分配色譜分離是樣品組分在固定相和流動相之間反復多次地分配過程,可以用組分在兩相間的分配來描述。分配系數是在一定溫度和壓力下組分在固定相和流動相之間分配達到平衡時的濃度之比值,即
……………………(4.3)
分配系數是由組分和固定相的熱力學性質決定的,它是每一組分的特征值,只隨柱溫和柱壓變化,與氣相和液相體積無關。分配系數是氣-液分配色譜中的重要參數,如果兩個組分的分配系數相同,則它們的色譜峰重合;反之,分配系數差別越大,則相應色譜蜂分離得越好。
⑵.分配比k
 分配比又稱容量因子,指在一定溫度和壓力下,組分在兩相間分配達平衡時,固定相和流動相中的組分的質量比,即

……………………(4.4)
k值大小取決于組分本身和固定相的熱力學性質,它不僅隨柱溫、柱壓變化,也與流動相及固定相的體積有關。k值是衡量色譜柱對被分離組分保留能力的重要參數,k值越大,組分在固定相中的量越多,柱的容量越大,保留時間越長;k為零時,則表示該組份在固定液中不溶解。
⑶.分配系數K及分配比k與相對保留值α的關系
兩組分的相對保留值α決定于分配系數K或分配比k,三者之間的關系如下:
…………………………………(4.5)
式(4.5)表明:如果兩組分的K或k值相等,則α=1,兩個組分的色譜峰重合;兩組分的K或k值相差越大,則分離得越好。
3. 塔板理論
⑴.塔板理論的假設
塔板理論假設色譜柱由若干小段組成,在每一小段內,一部分空間為涂在載體上的液相占據,另一部分空間充滿著載氣,載氣占據的空間稱為板體積。組分隨載氣進入色譜柱后,流動相在不停的移動,而固定相保持不動,組分在固定相和流動相之間反復進行分配,塔板理論假設:
①. 在柱內一小段長度H內,組分可以在兩相間迅速達到平衡,這一小段柱長稱為理論塔板高度H。
②. 載氣進入色譜柱不是連續進行的,而是脈動式,每次進氣為一個塔板體積;
③. 所有組分開始時都集中于第零塊塔板上,而且組分的縱向擴散可忽略;
④. 分配系數在所有塔板上是常數,與組分在某一塔板上的量無關。
假設色譜柱由5塊塔板組成,以r表示塔板的編號(r=0, 1, 2, ..., n-1),某組分的分配比k=1。根據塔板理論假設,在色譜分離過程中,該組分的分布可計算如下:
開始時,若有單位質量,即m=1(例1mg或1μg)的該組分加到第0號塔板上,分配平衡后,由于k=1,即ms=mm,故ms=mm=0.5。當一個板體積(1V)的載氣以脈動形式進入0號板時,就將氣相中含有mm部分組分的載氣頂到1號板上,此時0號板液相(或固相)中ms部分組分及1號板氣相中的mm部分組分,將各自在兩相間重新分配。 故0號板上所含組分總量為0.5,其中氣液(或氣固)兩相各為0.25;而1號板上所含總量同樣為0.5,氣液(或氣固)兩相亦各為0.25。以后每當一個新的板體積載氣以脈動式進入色譜柱時,上述過程就重復一次(見表4-1)。
按上述分配過程,對于n=5,k=1,m=1的體系,隨著脈動進入柱中板體積載氣的增加組分分布在柱內任一板上的總量(氣液兩相中的總質量)見表4-2。
表中數據說明,對于5個塔板組成的柱子在N=5時,即5個板體積載氣進入柱子后,組分就開始在柱出口出現,進入檢測器產生信號。表4-2 組分在n=5,k=1,m=1柱內任一板上分配表
載氣板
體積數 R=0 1 2 3 4 柱出口
0 1 0 0 0 0 0
1 0.5 0.5 0 0 0 0
2 0.25 0.5 0.25 0 0 0
3 0.125 0.375 0.375 0.125 0 0
4 0.063 0.25 0.375 0.25 0.063 0
5 0.032 0.157 0.313 0.313 0.157 0.032
6 0.016 0.095 0.235 0.313 0.235 0.079
7 0.008 0.056 0.165 0.274 0.274 0.118
8 0.004 0.032 0.111 0.22 0.274 0.138
9 0.002 0.018 0.072 0.166 0.247 0.138
10 0.001 0.010 0.045 0.094 0.207 0.124
11 0 0.005 0.028 0.070 0.150 0.104
12 0 0.002 0.016 0.049 0.110 0.076
13 0 0.001 0.010 0.033 0.08 0.056
14 0 0 0.005 0.022 0.057 0.040
15 0 0 0.002 0.014 0.040 0.028
16 0 0 0.001 0.008 0.027 0.020

組分從具有5塊塔板的柱中沖洗出來的*大濃度是N為8和9。流出曲線呈峰形,由于柱子的塔板數太少,峰形不對稱。當n>50時,就可以得到對稱的峰形曲線。在氣相色譜中,一般n值很大,約103-106,因而這時的流出曲線可趨于正態分布。

⑵.理論塔板數
如上所述,進入色譜柱的組分在載氣中呈“正態分布”,相應的色譜峰為高斯曲線。理論塔板數可用下式計算:

……………………(4.6)

理論塔板數可以計算出理論塔板高度:

………………………………(4.7)

在實際工作中,常常是 很大,但分離效能卻不理想。這是因為理論塔板數只能說明色譜帶擴展的程度,不能完全說明分離情況,因而人們進一步提出有效塔板數 作為色譜柱分離效能的指標:
……………………(4.8)

相應的有效塔板高度為:
…………………………………(4.9)

理論塔板數 和有效塔板數 之間的關系:
………………………(4.10)

⑶.理論塔板數與選擇因子、分離度的關系
理論塔板數或理論塔板高度可衡量柱效率,n越大或H越小,則柱效越高,因此n或H可作為評價柱效率的指標。但n、H只是根據單一組分的 和w計算出來,以說明其柱效,而對于一個多組分的混合物在柱中的分離情況,卻不能加以判斷。因為混合物中的各組分在同一柱上具有不同的 和w,分離它們所需的n就不相同。在這種情況下,需選擇適當的固定液與色譜條件,將各組分進行分離,為了測定所達到的分離程度,需引用選擇性與分離度兩個概念。
選擇因子是固定液對兩個相鄰組分的調整保留值之比(式4.2、4.5)。α越大,兩組分越容易分離。α也與柱溫有關,柱溫升高,α變??;柱溫降低,α增大,則有利于分離和柱效率提高。
分離度定義為兩個相鄰組分的保留值之差與其平均峰寬值之比
………………………………… (4.11)
計算表明,R小于0.8時,兩組分不能完全分離;R=1時,兩峰重疊約2%;R=1.5時可達完全分離。因此,R值越大,分離越好。通??山檔橢?,增加柱長,使( )值增大,R提高。但降低柱溫、增加柱長又會使峰加寬,因此需進行*優化選擇。
理論塔板與選擇性、分離度有如下的關系:

…………………………… (4.12)

…………………………(4.13)

4. 二星和值规律速率理論及影響柱效率的因素
塔板理論的某些假設與實際的色譜過程不完全相符,如組分的縱向擴散可以忽賂(實際上不能忽略),分配系數與濃度無關(實際上只在一定范圍內無關)等,因此它無法很好地解釋色譜峰擴展而使理論塔板數降低等現象。
范弟姆特(Van Deemter)等的速率理論認為色譜峰擴展的原因是受渦流擴散、分子擴散、氣液兩相間傳質阻力的影響:
…………………………………(4.14)
式中A為渦流擴散項, 為分子擴散項, 為傳質阻力項,u為載氣線速度。
渦流擴散項與載氣流速無關,與色譜柱內填充物顆粒大小及其均勻性有關,填充越不均勻,顆粒直徑越大,則峰擴展嚴重(圖4-5),柱效率降低。
圖4-5 色譜中的渦流擴散對柱效的影響
分子擴散項是由于組分在氣相中的濃度差擴散所引起的,它與組分的性質、柱溫、柱壓和載氣性質有關。載氣線速較大時,分子擴散項變化很小,色譜峰擴展與載氣線速成反比。
傳質阻力項包括液相傳質阻力和氣相傳質阻力。氣相傳質阻力就是組分分子從氣相到兩相界面間進行交換時的傳質阻力,這個阻力會使柱子的橫斷面上的濃度分配不均勻。這種傳質阻力越大,所需的時間就越長,濃度分配就越不均勻,峰擴展就越嚴重。液相傳質阻力是組分從氣液界面擴散到液相內部發生質量交換,達平衡后又返回氣液界面的傳質阻力,在整個傳質過程期間受到的阻力越大,需要的時間就越長,與未進入液相的分子間的距離就越遠,色譜峰擴展就越嚴重。
5. 操作條件的選擇
氣相色譜分離條件的選擇應在綜合考慮分離效能、分離度等指標,參照范弟姆特速率理論選擇適當的操作條件。
柱長 增加柱長可以增加理論塔板數,但會使峰寬加大,分析時間延長。因此,填充柱的柱長要選擇適當,柱長的選擇以使組分分離度達到所期望的值為準。
柱徑 柱徑小有利于減少組分在柱內的分子擴散,提高柱效,但柱徑太小不利于操作,填充柱的柱內徑一般以23mm為宜。
載氣及其流速 載氣的選擇首先要適應所用檢測器的要求,同時應考慮載氣對柱效的影響。根據范弟姆特速率理論,當 較小時,分子擴散項 是影響等板高度的主要因素,宜選擇分子質量相對較大的載氣(N2,Ar),以減小組分在載氣中的擴散系數。當 較大時,傳質阻力項 起主導作用,宜選擇相對分子質量小的載氣(H2,He),使組分有較大的擴散系數,減小傳質阻力。載氣流速的選擇可依據范弟姆特方程,等板高度隨載氣流速的變化如圖4-6,曲線*低點等板高度*小,此時載氣流速為*佳值。在填充柱色譜中,載氣流速一般以N2 3~4cm/s、He 6~7cm/s較為合適。實際分析中載氣流速一般大于*佳值。
柱溫 柱溫是非常重要的色譜參數,直接影響到分離效能和分析速度。提高柱溫可以加速傳質速率,改善柱效;同時,又加劇縱向擴散,導致柱效下降。因此,在確定柱溫時,除考慮柱效外,應從組分的穩定性、分離度、固定液的使用溫度以及分析時間等多方面綜合考慮。農藥多殘留等多組分的分析通常采用程序升溫的辦法解決。
擔體 粒度細小、裝填均勻有利于減小渦流擴散、提高柱效。一般粒度直徑為柱內徑的1/20~1/25為宜。
氣化溫度 氣化的溫度應高于各組分*高沸點,保證所有組分瞬間氣化,否則高沸點組分逐步氣化而造成色譜峰變寬或拖尾,降低柱效能。
樣品進樣量 樣品進樣量不宜過大,如果進樣量超過色譜柱負荷量,則降低柱效,色譜峰變寬。加大進樣量時,要增加色譜柱的內徑或提高固定液的涂漬量,以提高柱子的負荷能力,但固定液的增加會降低柱效。適當降低柱溫也可提高柱的負荷能力。
4.1.3 色譜柱
氣相色譜柱分為填充柱和毛細管柱兩類。色譜柱內填充的固體物質稱為固定相,根據固定相的不同,可把氣相色譜法分為氣固色譜和氣液色譜。農藥殘留分析常用的是氣液色譜柱,以下簡要介紹農藥殘留分析常用的氣液色譜柱。
1. 填充柱
⑴. 色譜柱的材料和形狀
色譜柱可用玻璃管、不銹鋼管等材料制成。常用的色譜柱形狀有U形和螺旋形兩種,內徑一般在2~4mm,柱長0.5~2m。
⑵. 氣液色譜固定液
氣液色譜填充柱內是惰性固體載體上涂漬一薄層固定液的固定相,固定液的不同直接影響到待測組分的分離效能,固定液的選擇是氣相色譜分析中的關鍵環節。
① 對固定液的要求
固定液在操作溫度下必須是液態物質,且應具備以下條件:
對組分的選擇性好 固定液對組分應有不同的溶解性(良好的選擇性),在操作條件下,固定液能使欲分離的兩組分有較大的相對保留值;
蒸氣壓低 蒸氣壓低,固定液不易流失,可以保持柱效,也不影響高靈敏度檢測器的使用;
熱穩定好 在操作溫度(柱溫)下,固定液不發生分解或聚合反應,保持原有特性;
化學惰性好 固定液不與待測組分、載體、載氣發生化學反應;
凝固點低、粘度適當 凝固點低則在低溫可以使用,粘度適當則可減少因柱溫下降粘度變大而造成柱效降低的弊端;
溶解力好 對樣品組分有足夠的溶解力。
② 固定液的分類
氣液色譜固定液很多,它們具有不同的組成、性質、用途,通常按固定液的極性和化學類型分類?;Ю嘈頭擲嗍墻邢嗤倌芡諾墓潭ㄒ號帕性諞黃?,然后按官能團的類型分類。這樣就便于按組分與固定液結構相似原則選擇固定液。
表4-3 常用固定液的化學結構分類
固 定 液 極 性 固 定 液 舉 例 分 離 對 象
烴 類
硅氧烷類
強極性
醇類和醚類
酯類和聚酯
臘和脂醚
有機皂土 *弱極性
從弱極性到
強極性
強極性
中極性
強極性 角鯊烷、石蠟油、真空脂
甲基硅氧烷、苯基硅氧烷、
氟烷基硅氧烷、氰基硅氧烷
聚乙二醇
苯甲酸二壬酯
氧二丙腈、苯乙腈 非極性化合物
不同極性化合物
強極性
強極性化合物
應用較廣
極性化合物
分離芳香異構體

表4-4 農藥殘留測定常用固定液的性質
國外商品名稱或縮寫 化 學 名 稱 極性 *高使用溫度(℃) 常用溶劑
Apiezon L 飽和烴潤滑脂  非 250-300 ①②⑤
Carbowax 20M 聚乙二醇-20000 Polyethylene glycol 20000 極 225-250 ①②
DEGA 己二酸二乙二醇聚酯 Diethylene glycol adipate 中 190-200 ③①②
DEGS 丁二酸二乙二醇聚酯 Ditheylene glycol succinate 極 190-200 ③①②
DC-11 甲基硅酮 Methyl silicone 非 300 ⑤④
DC-200 甲基硅酮 Methyl silicon 非 250 ⑥①②
DC-710 苯基甲基硅酮 Phenyl(50%)methyl
Silicone 中 225-240 ③①②
Epon 1001 環氧樹脂 Epoxy resin 極 225 ①②
QF-1 三氟丙基甲基硅酮 Trifluoropropyl(50%)
Methyl silicone 中 250 ①②③
NPGA 己二酸新戊二醇聚酯 Neophentyl glyool adipate 中 225-240 ③①②
NPGS 丁二酸新戊二醇聚酯 Neopentyl glycol succinate 中 225-240 ①②
Reoplex 400 己二酸丙二醇聚酯 Polypropylene glycol
Adipate 中 190-200 ③①②
OV-1 甲基硅酮 Methyl silicone 非 350 ①⑥
(續表4-4)
OV-17 苯基甲基硅酮 Phenyl(50%)methyl
Silicone 中 300-375 ①⑥
OV-101 甲基硅酮 Methyl silicone 非 300-350 ①
OV-210 三氟丙基甲基硅酮 trifluoropropyl(50%)
mehyl silicone 中 275 ①
OV-225 氰丙基苯基甲基硅酮 Cyanopropyl phenyl
Methyl silicone 中 275 ①
SF-96 甲基硅酮 Methyl silicone 非 250-300 ①②
SE-30 甲基硅酮 Methyl silicone 非 300-375 ⑥①②
SE-52 苯基甲基硅酮 Phenyl(50%)methyl
Silicone 中 300 ⑥①②
XE-60 氰乙基甲基硅酮 Cyanoethyl(25%)
Methyl silicone 中 250-275 ①②③
Tween 80 聚氧乙撐山梨糖 Polyoxyethylene sorbitan monooleate  極 150 ⑤①②
Versamid 900 聚胺樹脂 Polyamide resin 極 250-275 ①/⑦(1:1)
⑦/⑧(1:1)
⑧/⑨(87:13)
極性:非=非極性,極=強極性,中=中等極性;
常用溶劑:①三氯甲烷,②二氯甲烷,③丙酮,④乙酸乙酯,⑤苯,⑥甲苯,⑦丁醇,⑧酚,⑨甲醇
③ 固定液的選擇 總的來說,固定液選擇的基本原則是 “相似相溶”原理,即:
A.非極性物質:一般選用非極性固定液,這時試樣中各組分按沸點次序流出,沸點低的先流出,沸點高的后流出;
B.極性物質:選用極性固定液,試樣中各組分按極性次序分離,極性小的先流出、極性大的后流出;
C.非極性和極性混合物:一般選用極性固定液,這時非極性組分先流出,極性組分后流出;
D.能形成氫鍵的樣品:一般選用極性或氫鍵型固定液。試樣中各組分按與固定液分子間形成氫鍵能力大小先后流出,不易形成氫鍵的先流出,*易形成氫鍵的*后流出;
E.復雜的難分離物質:可選用兩種或兩種以上混合固定液;
F.對于樣品極性情況未知的,一般用*常用的幾種固定液做試驗。
此外,固定液的選擇還需要考慮固定液的使用溫度,每一種固定液都有一*高使用溫度極限,超過這一溫度,固定液會流失或發生化學變化,使色譜柱壽命縮短、沾污檢測器。部分高溫固定液在較低溫度下會結晶或變得特別粘稠,使柱效大幅下降,因此有些固定液有*低使用溫度。
⑶. 擔體
擔體 (也稱載體)為固定液提供一個大的惰性表面,以支撐固定液并使其能在表面均勻鋪展形成液膜。
①.對擔體的要求
比表面積大、孔徑分布均勻;表面對溶質無吸附或吸附性很弱;化學惰性、熱穩定性好;具有足夠的機械強度。
②.擔體種類 色譜擔體分為硅藻土和非硅藻土擔體兩大類,硅藻土擔體是氣相色譜中常用的擔體,它是由硅藻的單細胞海藻骨架組成,主要成分是二氧化硅和少量無機鹽,根據制造方法不同,又分為紅色載體和白色載體。表4-5為農藥殘留分析中常用的擔體。
③.擔體表面的預處理
載體表面并非完全惰性,具有一定的活性中心,如硅醇基(—Si—OH)、或含有礦物雜質(如氧化鋁、鐵等),這些催化活性和吸附活性中心,使色譜峰產生拖尾。為消除這些現象,擔體應進行預處理,處理方法有酸洗、堿洗、硅烷化法等。
酸洗法: 用3~6 mol/L的鹽酸浸煮載體,過濾,水洗至中性,甲醇淋洗,脫水烘干。酸洗擔體適用于分析酸類、酯類的分析;
堿洗法: 用5%~10% NaOH—甲醇溶液浸泡,然后依次用水、甲醇洗至中性,除去氧化鋁等酸性作用點,用于分析堿性物質;
硅烷化: 用硅烷化試劑與載體表面硅醇基反應,使生成硅烷醚,以除去表面氫鍵作用力。常用硅烷化試劑有二甲基二氯硅烷(DMCS),六甲基二硅烷胺(HMDS)等;
化學鍵合: 白色(未硅烷化)的擔體以鹽酸回流酸洗后,用蒸餾水洗至中性、烘干,涂6~8%PEG 20 M,在260~280ºC通氮處理,用甲醇洗去未結合的PEG 20 M。
⑷.色譜柱的制備
①.色譜柱管的清洗 玻璃管柱可用洗液浸泡,然后用自來水沖至中性,再用蒸餾水清洗,烘干。不銹鋼柱管先用5~10%熱堿(NaOH或KOH)洗去管內油污,自來水洗凈,再用10%鹽酸溶液洗去管內氧化物,*后用自來水、蒸餾水、無水乙醇依次沖洗數次,吹干備用。
②.擔體的預處理 擔體在涂漬固定液前要進行預處理,即先經分樣篩篩去不合規格的擔體,用水漂洗除去粉末,烘干待用。
③.固定液的涂漬 為了在擔體表面得到一層薄而均勻的液膜,根據配比稱取一定量的固定液,溶于適當的有機溶劑中,溶劑應將擔體全部浸沒。固定液在有機溶劑中全部溶解后,加入一定量經預處理的擔體,輕輕攪拌,用紅外燈照射或用水浴使溶劑揮發后即涂漬完畢。對于溶解性較差的高溫固定液,可用回流法回流使其溶解,然后將擔體倒入,繼續回流1.5~2h后取下,讓溶劑揮發。低濃度固定液的涂漬可考慮采用過濾法,將已知量的載體裝入燒結玻璃漏斗中,將涂漬溶液加入,測定過濾前后涂漬溶液量(以其計量載體中固定液的含量),*后抽除溶劑。
表4-5 國內外常見的硅藻土擔體
名稱 性質 名稱 性質
6201擔體 紅色 Anakrom AB 白色,酸堿洗的Anakrom U
6201釉化擔體 6201擔體以釉化處理 Anakrom AS 白色,酸洗后DMCS處理的Anakrom U
405擔體 白色 Anakrom Q 白色,改進的Anakrom AS
405硅烷化擔體 405擔體經硅烷化處理 Anakrom ABS 白色,酸堿洗后DMCS處理的Anakrom U
101擔體 白色與Celite545相近 Anakrom SD 白色,酸洗及DMCS
101硅烷化擔體 101擔體經HMDS處理 Chromosorb P N AW 紅色,未經酸洗
102擔體 白色與Chromosorb W及Gas Chrom P相近 Chromosorb P AW-DMCS 紅色,酸洗后DMCS處理
102硅烷化擔體 102擔體經HMDS處理 Chromosorb P AW 紅色,酸洗
201擔體 紅色 Chromosorb P AW-HMDS 紅色,酸洗后HMDS處理
201硅烷化擔體 201擔體經HMDS處理 Chromosorb G  白色,高比重
202擔體 淺紅色 Chromosorb G AW 白色,酸洗的Chromosorb G
Gas Chrom R 紅色,Sil-O-Cel C-22保溫磚擔體 Chromosorb G AW-DMCS 白色,酸洗后DMCS處理的Chromosorb G
Gas Chrom RA 紅色,酸洗的Gas ChromR Chromosorb W 白色,低比重
Gas Chrom RP 紅色,酸堿洗的Gas Chrom R Chromosorb W AW 白色,酸洗的Chromosorb W
Gas Chrom RZ 紅色,酸洗后DMCS處理的Gas Chrom R Chromosorb W AW-DMCS 白色,酸洗后DMCS處理的Chromosorb G
Gas Chrom S 白色,未處理,原料為Celatom Chromosorb W AW-DMCS-HP 白色,酸洗和DMCS處理的高效擔體
Gas Chrom CL 白色,未處理,原料為Celite Chromosorb W HMDS 白色,HMDS處理的Chromosorb W
Gas Chrom CLS 白色,酸洗后DMCS處理的Celite Gas Chrom CLH 白色,酸洗后HMDS處理的Celite
Gas Chrom CLA 白色,酸洗的Celite Celite 545 白色,未處理
Gas Chrom P  白色,酸堿洗的Celatom Aeropak 白色,高效,惰性
Gas Chrom CLP 白色,酸堿洗的Celite C-22(Sil-O-Cel) 紅色,保溫磚
Gas Chrom Z 白色,酸洗后DMCS處理的Celatom Diatomite C 白色,酸堿洗
Gas Chrom Q 白色,酸堿洗后DMCS處理的Celatom Diatomite(Pink) 紅色
Shimalite W 白色 Diatomite(White) 白色
Gas Chrom A 白色,酸洗的Celatom Diatoport P 紅色
Anakrom P 紅色,未處理硅藻土 Diatoport S 紅色,酸洗及DMCS處理
Anakrom PA 紅色,酸洗的Anakrom P Diatoport W 白色
Anakrom U 白色,未處理硅藻土 Embacel 白色
④.裝柱 色譜柱裝填質量的好壞直接影響到柱效能,要求裝填緊密、均勻、不留空隙。通常在色譜柱末端塞上硅烷化玻璃棉,連接真空泵,另一端接漏斗。在真空泵的抽吸下,使固定相慢慢經漏斗倒入,邊抽氣邊輕輕敲打柱管,使固定相均勻裝緊在色譜柱管中,填滿后將漏斗一端填充好硅烷化玻璃棉。
⑤.色譜柱的老化 裝填好的色譜柱要進行老化處理后,才能接檢測器使用。老化的目的在于:徹底除去固定相中殘余溶劑和某些揮發性物質,確保檢測器不受污染;促進固定液均勻地、牢固地分布在載體表面上,以提高柱效能。老化的方法一般是將把色譜柱正常接在氣化室上,另一端放空(不接檢測器),用與操作時相近的載氣流速,略高于操作溫度10~20℃(但低于固定液的*高使用溫度)的條件下,通氣24~48h,再降溫至使用溫度,接上檢測器,基線穩定后即可使用。
2. 毛細管色譜柱
毛細管柱的內徑一般小于1mm,它可分為填充型和開管型兩大類。目前使用的大多是開管型毛細管柱??芐兔腹苤雌涔潭ㄒ旱耐孔輾椒ú煌?,可分以下幾種:涂壁開管柱(WCOT)—內壁預處理后再把固定液直接涂在毛細管內壁上,目前使用的毛細管柱大部分屬于這種類型;多孔層開管柱(PLOT)—在管壁上涂一層多孔性吸附劑固體微粒,不再涂固定液,屬于氣固色譜開管柱;載體涂漬開管柱(SCOT)—毛細管內壁涂一層載體,載體上再涂固定液,這種毛細管柱液膜較厚,柱容量較WCOT柱大;交聯型開管柱—采用交聯引發劑,在高溫處理下,把固定液交聯到毛細管內壁。熱穩定性和耐溶劑性能均優于WCOT、SCOT毛細管柱。鍵合型開管柱:將固定液用化學鍵合的方式鍵合到涂敷硅膠的柱表面或經表面處理的毛細管內壁上,由于固定液是化學鍵合上去的,大大提高了熱穩定性。農藥分析中常用的毛細管柱如表4-6。
毛細管柱顯著的特點是柱效能高、柱滲透率大、柱容量小。分辨能力、靈敏度、分析速度以及色譜柱的相對惰性都優于填充柱。彈性石英毛細管柱使得操作更方便易行,進樣系統的不斷完善,提高了毛細管氣相色譜分析的精密度和準確性,而且大大增加了進樣量,進一步提高了靈敏度。農藥殘留分析已由過去以填充柱為主轉變成目前(尤其是對多殘留分析)以毛細管柱為主,對多類型多殘留或同一類型多殘留農藥分析毛細管氣相色譜是*有力的工具。
4.1.4 檢測器
檢測器是測量柱后流出物質成分和濃度變化的裝置,通過化學和物理作用,將流出物質成分和濃度的變化轉換為電信號。檢測器可分為積分型和微分型兩大類,積分型檢測器測量的是柱后流出組分的總量,其響應值與組分總量成正比,所記錄的是臺階形曲線,每一臺階的高度正比于某組分的含量;微分型檢測器檢測的是流出組分及其濃度的瞬間變化,記錄的是近似于高斯曲線的峰,峰面積與組分含量成正比。
微分型檢測器又分為濃度型和質量型兩類。濃度型檢測器響應信號的大小取決于組分在載氣中的濃度,這類檢測器有熱導檢測器及電子俘獲檢測器等。質量型檢測器響應信號的大小取決于組分在單位時間內進入檢測器的量,這類型的檢測器有氫火焰離子化檢測器、火焰光度檢測器和氮磷檢測器。
表4-6 常用毛細管及其相應固定液
固定液 毛細管 填充柱
基本結構 取代基  
聚硅氧烷 100%甲基 DB-1(ht), HP-1, HP-101,
007-1(MS), SP-2100
SPB-1, BP-1, CP-Sil 5CB,
Ultra 1, RSL-150, RSL-160,
Rtx-1, SP-2100, CB-1, OV-1,
PE-1, SE-30, AT-1 OV-101, OV-1,
SP-2100, DC 200,
CP-Sil 5, SE-30

聚硅氧烷 50%甲基,
50%苯基 DB-17 (ht), HP-17, PE-17,
007-17(MPS-50), AT-50,
SP-2250, Rtx-50, RSL-300 OV-17, OV-11,
SP-2250, OV-22,
DC-710
聚硅氧烷 50%甲基,
50%氰丙基苯基 DB-225, HP-225, OV-225,
SP-2330, CP-Sil 43CB, RSL-500,
Rtx-225, BP-225, CB-225,
PE-225, 007-225, AT-225 OV-225

聚硅氧烷 86%甲基,
14%氰丙基苯基 DB-1701, SPB-7, CP-Sil 19CB,
Rtx-1701, BP-10, CB-1701,
OV-1701, PE-1701, 007-1701 OV-1701

聚硅氧烷 95%甲基,
5%苯基 DB-5 (ht), HP-5, Ultra-2,
OV-5, SPB-5, Rtx-5,
CP-Sil 8CB, RSL-2000,
BP-5, CB-5, PE-5, SE-52,
007-2(MPS-5), SE-54 OV-3, OV-73, CP-Sil 8

聚硅氧烷 50%甲基,
50%三氟丙基 DB-210, RSL-400, SP-2401
 OV-210, SP-2401,
OV-202, OV-215
聚乙二醇  DB-WAX, HP-20M, Carbowax,
Supelcowax 10, CP-WAX 52CB,
SUPEROX II, Stabilwax, BP-20,
CB-WAX, PE-CW Carbowax 20M,
Supelcowax 10

1.檢測器的性能指標
噪聲 在沒有樣品進入檢測器的情況下,檢測器或放大器本身以及其它操作條件(如柱內固定液流失、氣化室硅橡膠隔墊漏氣,載氣、溫度、電壓的波動;氣路漏氣等)引起基線在短時間內的起伏,稱為噪聲?;咴諞歡ㄊ奔潿栽悴鈉?,稱為飄移。
靈敏度 單位時間或單位體積載氣內一定量的物質通過檢測器時所產生的信號的大小,就是檢測器對該組分的靈敏度。濃度型和質量型檢測器靈敏度計算公式如下:
………………………………(4.15)
……………………………(4.16)
式中Ai為色譜峰的面積(cm2),μ1為記錄紙移動的速度(cm/min),μ2為記錄器的靈敏度(mV/cm),F為載氣流速(mL/min), mi為進入檢測器的組分i的量。
檢測限 檢測器能產生二倍于噪聲的信號時,組分隨載氣進入檢測器的量為檢測器的檢測限(亦稱敏感度),其定義用下式表示,
………………………………………(4.17)

*小檢測量和*小檢測濃度 產生二倍噪聲信號的組分的量稱為檢測器的*小檢測量。計算公式如下:
……………………………(4.18)
…………………………(4.19)
*小檢測量與檢出限是兩個不同的概念,檢測限只用來衡量檢測器的性能,而*小檢測量不僅與檢測器性能有關,還與色譜柱效及操作條件有關。
根據*小檢測量和進樣體積可以計算*小檢測濃度。
線性范圍 指被測組分的量與檢測器響應信號成線性關系的范圍,通常用保持線性的*大進樣量與*小檢出量的比值表示。
響應時間 進入檢測器的組分輸出信號達到其真值的63%所需的時間。檢測器的死體積小,電路系統的滯后現象小,響應速度就快。
2. 常用檢測器
⑴. 火焰離子化檢測器(FID)
火焰離子化檢測器是使含碳有機物在火焰中燃燒產生離子,在外加電場作用下,形成離子流,根據離子流產生的電信號強度,檢測組分?;鷓胬胱踴觳餛髂薌觳獯蠖嗍加謝銜?,其結構簡單、性能穩定、靈敏度高、響應快、線性范圍寬,是目前應用廣泛的色譜檢測器。
①.結構 火焰離子化檢測器的主體是離子室,內有石英噴嘴,噴嘴上方有一加高壓直流電壓的極化極(或稱發射極)和收集極等部件。組分隨載氣進入火焰,發生離子化反應,燃燒生成的電子、正離子,在電場作用下向收集電極和發射電極作定向移動從而形成電流,記錄得色譜圖。

 ②.工作原理 關于火焰離子化檢測器離子生成的機理至今還不十分清楚。一般認為是一個化學電離過程,有機物在火焰中燃燒生成自由基,然后與氧產生正離子,再同水反應生成H3O+離子?;У繢氬惱胱?H3O+)及電子在電場作用下形成微電流,經放大后記錄下色譜峰。
③.影響靈敏度的因素
檢測器的結構(噴嘴、電極形狀與距離、電極電壓)對火焰離子化檢測器的靈敏度產生直接影響,操作條件(氫氣、載氣、空氣流速及其比例和檢測室的溫度)也影響靈敏度,其中氣流流量是影響靈敏度的主要操作參數。以氮氣等惰性氣體作載氣、氫氣作燃氣時,H2/N2對靈敏度影響很大,氮氣流量不變的情況下,氫氣流量對靈敏度的影響如圖4-9,氫氣有一*佳流量,空氣流量超過一定值后對靈敏度無影響(圖4-10)。一般氫氣為20-30毫升/分,載氣與氫氣的比大約為1:1,空氣為氫氣的10-15倍,檢測器溫度略高于柱溫。

 氫氣流量對靈敏度的影響 圖4-10 空氣流量對靈敏度的影響
⑵.火焰光度檢測器(FPD)
火焰光度檢測器,也稱硫、磷檢測器,對含磷、硫化合物具有較高的選擇性和靈敏度,檢出限可達10-12g•s-1(對P)或10-11g•s-1(對S),廣泛用于有機磷和有機硫農藥殘留量測定。
①.結構 常用的火焰光度檢測器為單火焰,其構成主要包括氫火焰和光度測定兩個部分。氫火焰與火焰離子化檢測器類似,光學測定系統包括石英窗、濾光片和光電倍增管。石英窗作用是?;ぢ斯餛皇芩腿忌詹锏那質?。

 火焰光度檢測器結構示意圖
②.工作原理 從色譜柱進入檢測器的含硫或含磷化合物在富氫火焰中燃燒時,生成化學發光物質,并能發射出特征波長的光,記錄這些特征光譜,就能檢測硫和磷。如:


(化學發光)

激發態 分子回到基態時發射出350—430nm的特征光譜,max為394nm。含磷化合物燃燒時生成磷的氧化物,在富氫火焰中被氫還原成化學發光的HPO碎片,HPO碎片回到基態發射出max為526nm的特征光譜。因此,火焰光度檢測器濾光片分硫型和磷型。
火焰光度檢測器(FPD)的*大進展是脈沖式火焰光度檢測器(PFPD)的發明與應用。PFPD在靈敏度和燃燒氣消耗等方面都超過了FPD的性能。PFPD對S、P、N化合物具有很高的靈敏度和選擇性,并可用于其他二十多種元素的檢測。

 圖4-12是PFPD的示意圖。PFPD包括點火室和燃燒室。PFPD以“脈沖”方式工作:點火室內點火器持續通電,一直處于灼燒狀態,但無火焰。柱流出物隨富氫/空氣混合氣進入燃燒室,并與從旁路進入的富空氣/氫氣混合氣一道流入點火室點燃,接著又自動引燃燃燒室中的混合氣,使被測組分在富氫/空氣焰中燃燒、發光。燃燒后由于瞬間缺氧.火焰熄滅。連續的氣流繼續進入燃燒室,排掉燃燒產物,重復上過程進行第二次點火;如此反復進行.一秒鐘斷續燃燒1~10次,即火焰脈沖頻率為1~10Hz。當組分從柱后流入燃燒室,在脈沖氫焰中發光。
⑶.電子捕獲檢測器(ECD)
電子捕獲檢測器是一種選擇性檢測器,對具有電負性的物質(如含有鹵素、硫、磷、氮、氧、氰的物質)具有很高的靈敏度。電負性越強,檢測器的靈敏度越高;對電中性的物質(如烷烴等)則無訊號。電子捕獲檢測器已廣泛地用于農藥殘留分析。
①.結構 電子捕獲檢測器(ECD)的結構示意圖見圖4-13。在檢測器池體內,裝有一個圓筒狀β-放射源(H-3,或Ni-63)作為負極,一個不銹鋼棒作為正極,兩者之間以聚四氟乙烯或陶瓷絕緣。在檢測室內,放射源的β-射線,將載氣N2或Ar及其雜質電離,產生正離子和低能量的電子,這些電子在恒定或脈沖電場作用下,向正極運動,形成恒定的電流即基流。當有電負性組份進入檢測器池,就能捕獲這些低能電子,從而使基流降低,產生負訊號-倒峰(即色譜峰)。

 電子捕獲檢測器結構示意圖
②.捕獲原理 電負性物質捕獲電子的機理可以下列反應式表示:

被測組分濃度愈大,捕獲電子幾率愈大,結果使基流下降越快,倒峰愈大。
傳統的電子俘獲檢測器采用放射源且檢測池體積大,近些年非放射性ECD和縮小檢測池體積等方面取得重要進展,如:1)脈沖放電電子俘獲檢測器(PDECD) PDECD內有放電區和反應區。在放電區通過氦氣流中脈沖放電產生大量亞穩態He。它躍遷到基態,發射出波長為60~ll0nm的光,提供11.3~20.7eV的能量。當它遇到摻雜氣中的甲烷時,即將其電離,產生大量自由電子。這些電子進而通過非彈性碰撞,動能下降成低能熱電子,被收集即為ECD的基流。當柱流出物的電負性組分進入檢測池反應區,就俘獲這些熱電子,使基流下降產生信號。PDECD與放射性ECD的差別在于生成電子方式的不同。PDECD的檢測電路有恒電壓方式(CP-型)和恒電流方式(CC-型),兩種方式的性能如相對響應、溫度和摻雜氣的影響等均相似;但CC-型的靈敏度和線性范圍均優于CP-型;另外,CC-型還有易操作、響應快速和電路簡單等優點。PDECD較好地克服了放射源表面易污染,使靈敏度下降,池體積大,不易與毛細管柱連用等弊端。2)池體積縮小 為使毛細管柱可直接與ECD連接,ECD池體積由早期的800~1500μL逐漸縮小,如安捷倫公司的6890 Micro-ECD池體積僅為150μL,瓦里安3500型氣相色譜儀中的ECD為l00μL。
⑷.氮磷檢測器
氮磷檢測器是由熱離子檢測器發展而來,熱離子檢測器用氫火焰將樣品離子化并加熱堿源,堿源是可揮發性的堿金屬(如鈉鹽),使用壽命短,檢測器的靈敏度難以保持穩定。Kolb與Bischoff于1974年首先研制出可測定氮或磷化合物的堿源(銣珠),由碳酸銣和二氧化硅按一定比例燒結而成,以白金絲作支架并與銣珠加熱器相連,采用電流加熱,使用壽命長。
①.結構 氮磷檢測器的結構(如圖4-14)與火焰離子化檢測器類似,在火焰噴嘴與收集極之間,裝有銣珠。

②.工作原理 氮磷檢測器的機理尚未十分清楚,一般認為銣珠被加熱后,銣珠的周圍有揮發的銣原子,處于熱激發狀態。無樣品時,氣化的銣原子與火焰中的各種基團反應生成Rb+,被負極的銣珠吸引返回表面,中和后又再次揮發;而火焰中產生的各種基團獲得電子成為負離子,負離子與電子被正極的收集極吸引和收集,形成本底基流。含氮和磷化合物進入銣珠周圍完全燃燒游離基,這些游離基團從氣化的銣原子獲得電子,向收集極遷移形成電流。
⑸. 原子發射檢測器
原于發射檢測器是90年代新型的一種檢測器,其原理是使待測組分流出色譜柱而進入氦或氬等離子體,等離子區的高溫使組分分子斷裂化學鍵,微波等離子體是一種強有力的原子、分子激發源,其中存在的大量高能電子和亞穩態中性原子或分子能激發待測組分原子進入較高的電子激發狀態。當被激發的原子轉變到較低的電子能級時即發射出特征頻率的光譜線,經分光后,含有光譜信息的全部波長聚焦到二極管陣列。用電子學方法及計算機技術對二極管陣列快速掃描,采集數據,*后可得三維色譜光譜圖。
4.1.5 定性與定量分析
1. 定性分析
氣相色譜法是一種高效、快速的分離分析技術,可以在較短時間內分離多種甚至幾十種、上百種組分的混合物,這是其他方法無法比擬的。但是,氣相色譜本身不具備鑒定功能,定性分析的主要依據是保留值,這給定性分析帶來一定難度。氣相色譜與質譜、光譜等聯用,既充分利用色譜的高效分離能力,又利用了質譜、光譜的高鑒別能力,加上運用計算機對數據的快速處理和檢索,為未知物的定性分析開辟了一個廣闊的前景。
⑴. 利用保留值的定性分析
①.利用已知純物質對照定性 在一定操作條件下,任何組分都有一個確定的保留值,基于這一特征,樣品和純物質保留值的直接比對可以作為定性的依據。如果樣品較復雜,可在未知混合物中加入已知純物質,通過未知物中峰的變化,來確定未知物中成分。
②.利用保留值的經驗規律定性 實驗證明,在一定柱溫下,同系物的保留值對數與分子中的碳數成線性關系,即為碳數規律;在同一族的具有相同碳數的異構體的保留值對數與其沸點成線性關系,即為沸點規律。
③.利用相對保留值定性 利用保留值定性,樣品和純物質的分析條件必須一致。只要保持柱溫、固定液不變,即使載氣流速等條件有所變化,也不會影響相對保留值。因此,利用相對保留值定性比直接用保留值定性更為方便、可靠。
④.利用保留指數定性 保留指數又稱Kovats 指數,是一種重現性較其他保留數據都好的定性參數,可根據所用固定相和柱溫直接與文獻值對照,而不需標準樣品。保留指數的計算式如下:
………………(4.20)
、 、 分別為組分、n碳原子和n+1碳原子的正構烷烴。
保留指數的一個重要特性是同一物質在同一柱上保留指數的關系通常是線性的,利用這一規律可以用內插法求得不同溫度下的指數,便于與文獻值比較。
⑤.雙柱、多柱定性 不同物質在同一色譜柱上可能具有相同的保留值,用兩根或多根不同極性的色譜柱進行分析,考察樣品的純物質保留值的變化作為定性依據。
⑵.與其它方法結合定性
氣相色譜與質譜、光譜、核磁共振等儀器,以及利用化學方法配合進行未知組分定性,在確定未知化合物結構時是非常有效的途徑。
2. 定量分析
在氣相色譜法中的定量分析就是根據色譜峰的峰高或峰面積來計算樣品中各組分的含量。常用的定量方法有標準曲線法、外標法、面積歸一化法和內標法。
⑴ 外標法 已知濃度的標準樣品與待測樣品在完全相同的條件下進行色譜分析,以兩者的峰高或峰面積的比較計算樣品的含量,有直接對比法和標準曲線法。直接對比法是待測樣品與標準樣品的峰值直接比較計算樣品含量;標準曲線法以標準樣品作濃度與峰值關系圖,然后根據測得的待測樣品峰值從峰值—濃度關系曲線圖查濃度。
外標法較為簡便,不需要校正因子,但進樣量要求十分準確,操作條件也需嚴格控制。
⑵ 內標法 在試樣中加入能與所有組分完全分離的已知量的內標物質,用相應的校正因子校正待測組分的峰值并與內標物質的峰值進行比較,求出待測組分含量的方法。計算公式如下
校正因子 …………………………………(4.21)
式中mis:標準樣品量;m0:內標物量;Ais:標準樣品峰面積(或峰高);A0:內標物峰面積(或峰高)
式中 :樣品質量; :測定樣品時內標物的質量; :樣品峰面積(或峰高); :內標物峰面積(或峰高)。
內標法中內標物的選擇:內標物色譜峰的位置在各待測組分之間或與之相近;穩定性好、與樣品不發生化學反應;在樣品中具有很好的溶解性;內標物濃度適當、峰值與待測組分相近。
⑶ 歸一化法 樣品中所有組分全部流出色譜柱,并在色譜圖上都出現色譜峰。

 

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