有机物气相色谱分析基础知识

有机物气相色谱分析基础知识1有机物综合指标分析目前，在水体的污染物质中，对于碳氢化合物、蛋白质、脂肪等耗氧有机污染物质，国内外最初均采用以氧当量表示的生化需氧量BOD、化学需氧量COD等作为评价其污染程度的综合指标，而对酚、苯等难以降解的有机污染物，则多以化学需氧量（COD）和总有机碳（TOC）作为评价指标。COD是指在一定条件下用强氧化剂氧化水中的有机物，依据氧化剂的耗氧量换算成相当于氧的消耗量。COD反映了水中受还原性物质污染的程度。水中还原性物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等，因此COD也作为水中有机物相对含量的指标之一。但此法存在消解回流时间长、耗能高；使用硫酸银、硫酸汞等贵重药品，监测成本高，易造成二次污染；测定过程中芳香族化合物，特别是稠环芳香族化合物不易被氧化，氧化分解不完全，测定结果偏低；对低值COD测定的准确度较差等不足。BOD是指在20℃、5天内微生物分解水中有机物的过程中使水中溶解氧DO消耗的程度。该方法对培养环境要求较高：有适宜的微生物；由微生物存活所必需的营养物质和适宜的酸度及温度；保证培养期间有微生物活动所需的足够的溶解氧。另外，试剂配制较繁琐，操作条件严格。测定周期较长，一旦测定失误无法补救。COD、BOD只能反映在培养和测试条件下的需氧负荷，是间接测定水中有机物的方法。TOC表示水中总有机碳含量，是以碳量表示水体中有机物质总量的综合指标，是直接测量水中有机污染物的方法。所有含碳物质，包括苯、吡啶等芳香烃类等有害物质均能反映在TOC指标值中。TOC指标在好氧、厌氧条件下都能准确描述有机物降解及耗氧这两种过程，测定值有良好的可靠性和重现性。TOC不仅反映了水中全部有机物的含碳量，而且不产生二次污染。另外，TOC指标还可通过专用仪器如TOC自动监测仪，实现自动、快速、在线监测，及时反应水质变化。TOC是比COD和BOD5更能确切表示水中有机污染物的综合指标。目前，欧美已经普遍采用TOC替代在监测中会产生二次污染的化学需氧量（COD）的测定。从全球的角度来看，COD标准向TOC标准转化，这是一个趋势，中国在不久的将来也一定会有这样的转变。并且，中国的环境标准现在开始往行业更细一步的方向发展，比如说以前水标准就是综合性的水污染控制标准，但现在开始往化工、农药各行业细分来发展。2EPC/AFC介绍现代色谱仪用电子流量控制柱前压，不同的厂家命名不同，例如安捷伦称为EPC，即电子压力控制，岛津称为AFC，即自动流量控制。其实它们的原理基本是相同的，就是用电子反馈来代替稳压阀和稳流阀的机械反馈过程。如下图所示。当我们需要控制流量或者压力的时候，就利用相应的传感器测量出口数值，如果数值与设定值不同，则CPU根据预定的反馈方式对电控针阀进行调整，使得相应输出值达到设定值。由于用CPU芯片通过控制逻辑来做电子反馈，响应时间很短，反馈过程迅速有效。同时EPC和AFC的调整能力要远远超出机械反馈做能，能够通过改变设定值来完成更复杂的调整过程，因此现代色谱具有很高的载气控制灵活性。例如高压进样、程序升压、瞬间不分流、载气节省、恒线速度等，都是阀控制所无法完成，对色谱性能有很大帮助的新的载气控制模式。由于EPC用于稳压和稳流的时候，和阀控制区别较小，这里不在讨论。我们仅就这些特殊控制方式简单做一个说明。1、高压进样。当注射器进样分析痕量组分时，为了确保检测器的分析精度，需要进较多的液相样品。但我们知道，液体样品在汽化室汽化过程中，体积会有很大的膨胀，大量的样品汽化后体积很可能超出玻璃衬管的体积，造成衬管超载，样品外溢甚至污染进气线路。这时我们需要较高的进样口压力来减小样品汽化后体积。但高进样口压力会造成柱流速增加，降低柱效，导致分离度下降。这时就可以通过电子流量控制来解决这一问题，即在开始进样的短时间内，保持一个较高的进样柱前压，当样品完成从进样口到色谱柱的转移过程后，马上降低柱前压到正常分离所需的值，让组分在合理的载气流速下得到良好分离。这就是高压进样了。2、程序升压。当组分沸点差异较大等情况时，需要采用程序升温来分析不同组分，避免后出峰组分出峰时间过长，峰展宽严重。但如果样品中部分组分性质不稳定，高温下会发生分解，则无法正常进行程序升温。此时可以采用程序升压，随着分析时间增加柱前压，使载气流速加快，起到与程序升温相似的减小保留时间的目的。这就是程序升压了。不过程序升压和程序升温还是略有区别的，因为不同的温度会改变分配比，高温还会改善传质阻力。3、瞬间不分流。与高压进样相似，当样品为溶液态样品时，待测组分含量很低时，需要不分流进样。但由于溶剂组分的量很大，汽化后会进入毛细管柱在衬管中开口下面的死体积内，在分析中不断扩散出来进入色谱柱，造成溶剂峰严重拖尾，待测痕量组分被溶剂拖尾掩盖。此时可以设置瞬间不分流模式，即当完成样品至色谱柱的转移过程后，马上打开分流出口，让死体积内的溶剂蒸汽从分流出口排出，减小溶剂拖尾。这一打开过程流量波动很大，用电子控制才能更好的保证柱流速的稳定性。4、载气节省。在高分流的分析中，分流气路始终在排出大量的载气。实际上分流仅仅是针对样品从汽化室到色谱柱的转移过程有价值，长时间的分析和等待过程并没有进行分流的必要。当载气为高纯贵重载气的时候，我们就心疼了。这时可以设置载气节省模式，仅仅在进样的这一段时间内打开分流出口，样品转移完成就马上关闭分流出口，这样就节省了大量的载气，节省了资金。这个过程实际上和瞬间不分流正好相反。其实我经常想瞬间不分流开分流吹扫后，最好能够马上接一个载气节省再关闭分流出口，从技术上看并不难。但可惜现在的色谱仪好像做不到。。。。。。5、恒线速度。程序升温过程中，载气阻力发生变化，恒流模式其实并没有做到完全恒流，因为稳流阀后的恒流，在色谱柱内却因为柱箱温度升高导致体积增大，流速有所增加。即载气通过色谱柱的实际线速度是有所增加的。通过对色谱柱载气阻力随温度变化情况的研究，可以通过设定一个合适的载气压力升高曲线与之相对应，让进样口压力变化与此曲线相同，达到色谱柱内载气线速度的稳定，达到最佳分离效果。这就是恒线速度模式了。6、检测器流速稳定控制。毛细管柱在程序升温中流量发生的微小变化虽然对检测器影响较小，但仍然有一定的影响。通过控制makeup气路流量，补足因程序升温造成的柱流量变化，可以做到最稳定的检测器载气流速，确保检测器的性能得到良好发挥。这个就是柱流量+makeup恒定的控制方式了，也需要对makeup气路进行电子控制来完成。最后来讨论EPC和AFC的缺点。电子控制有很多好处，但也有它的缺点。1、价格高。这个不用多说。2、针阀很细，容易堵塞。当载气较脏时，EPC容易损坏。3、两个传感器可能发生漂移，长时间后测定值与实际值可能发生偏离。这一点很多色谱仪设计了自校准功能，来保证这个问题不会发生。但我总觉得还是有可能的。4、功能很复杂，设置的时候经常弄得脑袋疼，还是设置错误。这个问题没办法，只能强化锻炼自己的脑袋了。3稳压和恒流知识净化后的载气就要进入色谱仪了，但这时载气仅仅是经过了初步处理。因此在色谱仪内，色谱仪要对载气进行进一步的控制，以完成需要的分析。现代色谱都是采用EPC或AFC，老式色谱都是采用稳流阀或稳压阀。这里我们首先从稳压阀和稳流阀的谈起。1、稳压阀。从原理上看，稳压阀和减压阀的原理很接近，但由于两者起到的作用不同，因此结构设计上差异还是比较大的。与减压阀不同，稳压阀的主要目的是控制当阀出口载气阻力发生变化时，保持出口压力的稳定。当然，入口压力略有变化时，稳压阀也应能够保持出口压力稳定。为什么稳压阀的主要目的是控制出口变动呢？这里是一个稳压阀的结构示意图，我们来看看。从原理上看，当出口载气阻力增加时，气体流出稳压阀速度变慢，导致P3和P2的压强升高。这一升高导致针阀向右移动，开度减小，通过针型阀的气体流量减小，从而保证了P3的稳定。这一反馈过程与减压阀非常接近。但从结构上看，稳压阀和减压阀还是有较大区别。稳压阀没有安装压力表的位置。其实在稳压表后，一般都装有一个压力表，用于监测出口压力。但入口一般不再设有压力表。与减压阀作对比，可以看到稳压表的针阀是普通针阀，而不是提升针阀。同时稳压表没有弹性金属膜片，而是弹性波纹管。而且稳压阀的弹簧要软的多，控制弹簧压力用的是圆形的手轮，而不是长长的横杆。这一切都是因为稳压阀出入口压差较小，入口压力变化也没有减压阀那么大。同时为了精确控制出口压力，要求调整装置不能过于敏感。2、稳流阀稳流阀是为了控制流经稳流阀的载气流速保持稳定用的，因此原理和稳压阀、减压阀完全不同。这里是一个稳流阀的结构示意图，从中我们可以看到这一点。首先我们发现调整旋钮并不是压紧弹性膜片，而是在调整入口针型阀。而且其他地方与稳压阀相比，差异也很大。从原理上看，稳流阀的工作是这样的：当稳流阀出口气体阻力增加时，气体流出速度变慢，将导致出口压力P4增加，于是B腔内压力P2和P4的压差减小，从B腔流出下部针型阀的气体流量减小，B腔气体量增加，导致B腔压力P2增加。P2增加导致金属膜片向上移动，下部针型阀开度增加，从B腔流出的气体量增加，从而导致P4压力增加。P4压力增加，将导致阀后载气流量加大。这样就弥补了出口阻力增加造成的气体流量减小。而调整旋钮则通过调整入口和B腔间针型阀的开度，来控制B腔压力P2和入口压力P3/P1的压差，来控制整个气体流速的大小。稳流阀和稳压阀的工作原理是截然不同的。稳压阀当下游阻力增加时，是减小开度让出口压力降低，从而稳定出口压力，从压力上看这是一个负反馈过程。稳流阀则是增加开度提高出口压力，从而保证即使下游阻力增加，但流量仍然保持稳定，从压力上看这是一个正反馈过程。稳压阀和稳流阀都可以用于控制色谱的柱前压，可是他们的工作反馈情况却正好相反。那么是么时候应该采用稳压阀，什么时候应该采用稳流阀控制柱前压呢？这两种控制方式，会带来色谱工作状态上的哪些区别呢？3、柱前压的控制。我们说，稳流阀和稳压阀主要目的是为了在出口阻力发生变化的情况下，保持输出压力或输出流量的稳定。那么为什么出口阻力会发生变化呢？它们的出口是什么？很简单，出口是色谱系统，包括进样口、色谱柱、检测器。这些位置为什么会发生阻力变化？因为后面可能存在程序升温导致色谱柱阻力变化，或者阀切换导致流路的阻力变化。好了，第一个问题来了：如果后面没有程序升温，也没有阀切换，阻力根本就不会发生变化，你会选择稳流阀还是稳压阀来控制柱前压？然后是第二个问题：如果是填充柱，有程序升温或者阀切换会导致气体阻力变化，你会作出哪种选择？还有第三个问题：如果是毛细管柱，发生阻力变化，那么你会做出哪种选择？。根据欧姆定律，I=U/R，当电阻值不变的时候，电流和电压成正比。电流保持不变，电压就不变；电压不变，电流就不变。为什么是欧姆定律？因为气体流动规律和电流的规律是近似的。所以可以把载气流速看成电流，气体压力看成电压，气路阻力看成电阻。所以第一个问题很简单，随便用。无论你控制压力还是流量稳定，都会保证整个系统的稳定。这时候的变化来自哪里？来自入口压力波动。仔细分析一下入口压力变大，对稳流阀和稳压阀的影响，你会发现两种阀对入口的响应结果是相同的。不过要记得，它们对出口阻力变化情况的响应可是相反的哦。那么我是如何选择呢？我当然是选择便宜的。。。。。。省钱是硬道理。稳压阀显然结构比较简单，因此价格便宜，所以我选择稳压阀。没弄明白为什么对入口压力变化的响应是一样的？再仔细分析一下！。阻力变化会导致柱前压和柱流速的变化。他们发生变化的时候，会造成什么影响？柱流量的变化会造成保留时间、分离度的变化，还会造成到达检测器的流量发生变化。保留时间的变化不要紧，因为每次分析的变化都是相同的，标样也一样变化，因此不考虑。由于载气流速应该设定在速率理论的稳定点上，因此流量的微小变化对分离度的影响有限，也不是大问题。那么什么是大问题？大问题是检测器。填充柱检测器流量基本都是载气提供的，因此载气流量的波动会带来TCD和FID的很大波动，为了保证检测器的稳定性，非常有必要保证载气流速的稳定。这时候我们需要使用稳流阀，因为稳