一份色谱实验记录(六)

上一篇 / 下一篇  2012-05-31 09:19:37

 在测试“那一根”毛细管柱时,已经在不经意间把它的分离能力向毛细柱的极限挑战。例如溶剂残留量和甲醇这两个项目,本身是不适合用非极性毛细柱分析的。但是这一根柱却也能勉强完全,说它勉强,是因为完成标准色谱峰已经不容易。对于溶剂残留量和甲醇来说,这根柱的柱长太短,极性太弱,唯一的办法就是不断地降低柱温,最后只有把炉温降到40 度才能勉强完成溶剂残留量的分析,而在此温度下,甲醇和作为溶剂的乙醇峰还是无法分开,这时又走了另一条闲极无聊完全无实际应用价值的技术路线,不断地降低柱头压,直到最后把柱压的指针打到接近于“0”的位置,仅仅有那么一点点传导过来的压力,才让甲醇和乙醇完成了分离。

后来还测试了其它项目,如咖啡因和三苯等,也是以玩的成分居多,在玩的过程中,也开始对毛细柱有了初步的认识。

第一个最先形成的认识,不是关于柱子,而是柱头压。

每一种规格的毛细柱都有它特定的临界柱头压值,只有达到了这个值,才能维持稳定的柱流量,而当柱压力稳定时,柱内流量也稳定;柱头压决定了柱内流量。开始时需要在HP5890那一排厚厚的仪器使用手册中的某一页面找到了一张表,这张表格把常用的不同规格的柱子对应的柱压都列得很清楚,于是自己也抄了一份,设条件时就看看,不过到后来,那张表找不到了,也不需要再看了。

第二个认识,就是为什么我们使用分流不分流进样口时需要设定分流比。

毛细柱与填充柱在使用时的一大区别就是实际进入毛细柱的样品只是进样的一小部分,有时10%,有时20%,大多数样品都是在进样口位置排掉了。这是由毛细柱的规格所限,我们通常知道1微升的溶液在进样口瞬间汽化的体积能达到1毫升左右,1毫升在毛细柱内的体积能达到很长一段,则这是一个很长色谱峰扩展,无法接受;但是由于我们通常能做到准确定量的最小体积就是1微升,所以不能通过继续降低进样量减少进柱量,只能通过减少实际进入柱内的样品量而达到这一目的。所以分流不分流进样口的作用就是每次进样时,确保只有固定比例的样品能进入毛细柱而最后到达检测器。

 

 

第三个认识,就是毛细柱对组份的分离似乎不太有特异性。

做填充柱时,我们还是习惯针对不同项目选择不同类型的固定液,因为填充柱多少会存在着一定的特异性,有些项目在某种固定相上才能出峰或在某种类型固定相肯定出不了峰。但是毛细柱则不同,不存在明显的特异性,只要和化学质类似的都能在差不多时间出峰。

影响到在毛细柱上出峰的主要因素是沸点与极性,非极性的毛细柱的分离基本以组份沸点差异为主,由于进样后溶剂峰会影响前几分钟的基线,所以还需要的是组分能在柱中达到一定可控制的保留,并使各组份也能达到一定的分离效果,而增加保留效果可以通过加大极性,加大长度,加厚液膜等来实现。

第四个认识,就是毛细柱对污染非常敏感,承受量不高。

在做玻璃填充柱时,进样针扎进去的样品全部进了色谱柱,时间长了后能看到柱子前一端填料的颜色都会显得脏兮兮的,如果是测蔬菜中农药的填充柱,在前端能看到绿色,如果是做溶残的柱子,在柱前端能看到黑色的油腻,但是就算肉眼能看到的明显污染,也对峰形可柱效没有太大影响,一样可以做实验,但是毛细柱就不同了,只要样品处理略不小心,不等肉眼看到有污染的迹象,基线或峰型就开始一塌糊涂。

做填充柱时,可能你除了装柱后的第一次老化后,永远不用再做老化;而做毛细柱时,可能经常就要老化一下;而我随着做毛细柱时间次数的增加,后来就做到了每次进样后都老化,每次进一针后都要升温烤一烤。

 

 

为什么同样的组分,在毛细柱上出峰的峰形效果会明显比填充柱上好那么一大截?

为什么毛细柱实际进样量只有填充柱的十分一或二十分之一,但是最后检测的灵敏度却更高?

为什么填充柱一般也就用到三米,毛细柱却至少十五米起步?

 

这三个问题的答案就是一个名词。做毛细管柱做到一定阶段后,我们就会对一个专业名词(其实不是色谱特有的)逐渐有了突出的印象。

在刚开始学色谱时。也找了一些色谱技术的专业书籍来看,一般比较经典的色谱技术书,都是从色谱理论开始讲述。

而在做了多年实际的色谱工作后,深深感觉色谱其实更是一本实验科学,理论指导并不象我们想象的那么重要,更何况很多理论是否正确是否适用,本身就很难说。虽然我们多数人很喜欢说的就是“从实践层次上升到理论层次”,但是,为了理论而拨高的理论,能有什么样的指导意义就很难说了,天下书籍一大抄,很多错误的东西也就这样一脉相传下来。 

在我印象中看过的所有色谱理论知识方面,一些或复杂或简单的理论,一些或明了或拗口的名词,多数已经淡忘,但是有一个名词,一个只有四个字的名词能够不断地强化,它解释了理论色谱与实验色谱表现差异的各因素中的最可能一种,并在以后的工作中继续理解深化。

这个名词,也就是上面那三个问题的答案。

 

这个名词,就是“扩散效应”。

 

 

  如果假设存在着一个不受任何干扰影响情况的理想状态,那么在色谱柱上各组份的色谱分离行为就是点状分离。完全没有保留组份就是在死时间的那一点出现,有保留的组份或早或晚,各自以一个点的状态在谱图上出现,而保留过强的组份始终留在柱子里积累。也就是说,我们看不到一个个色谱峰,只能看到或看不到一个个点。

我们之所以在实际工作中看到的是类似于高斯曲线的色谱峰,而不是一个个点,就是因为存在着扩散效应。扩散效应不能避免,但是能控制与量化,我们评价一根色谱柱制作工艺的好坏,不是评价其扩散效应强或弱(毕竟毛细柱和填充柱的扩散效应是不能相比的),而应该是其扩散行为是否稳定,是否按照概率扩散。

组份在毛细柱内的扩散,最基础的一种就是发生在柱内径切面的扩散。我们假设组份是以一个栓塞的形态通过色谱柱,那么可以想象这个栓塞并不平整,在气流的推动下,靠近切面中心的组份会越来越比靠近边缘的组分更快一些。我们可以用吹肥皂泡泡来理解这种扩散,当用一根吸管吹肥皂液,最后就能吹成泡泡,而泡泡中间就会受力后凸出,泡泡的边缘则与管壁产生张力而相对更受力一些。

原因也很简单,栓塞中间位置,组份能产生的吸附作用就是同种组份分子的相附吸引,这是一种无保留的吸引;而处于边缘位置, 与组份产生吸附的是色谱柱管壁的固定液,这是有明显保留作用。由于中心与边缘对组份吸附与保留的强度不同,使得其在载气推动时会逐渐产生脱离,也就是径向扩散。

 这就是组份在中空的毛细柱上最主要的一种扩散方式,当色谱柱内径越粗,这种效应会越明显,反之,内径越细,扩散会越小。这也是毛细柱自然会比填充柱的柱效高的原因之一。

如果有人问,那我们把填充柱做得和毛细柱的内径一样细不就行了?可惜制造工艺决定了一切。毛细柱在涂布的时候,灌的是液体,柱内径细一些也不受影响;而填充柱填充的是固体颗粒,内径不能太细,太细就无法有效装填,原因,有时就是这么简单。

 

 

 填充柱的柱效远不如毛细柱,除径向扩散的影响外,还有一个更重要的因素就是,由于二者的结构形式不同而造成了不同种类的扩散效应。填充柱由于内部装填了填料,使得其主要的扩散影响不是毛细柱那样的内部径向型扩散,而是由填料带来的颗粒阻滞型扩散

虽然都是气相色谱柱,可一个是装满填料的填充柱,一个是内部中空的毛细柱,虽然都放在色谱色谱炉中使用,可是失之毫厘,差之千里。就象面条,虽然都是面粉为原料,兰州拉面和意式通心粉咬起来可完全不是一个味道。

由于内部装满填料,使得组份在柱内截面中间与边缘受力的差别不象毛细柱那么大,主要的扩散效应是由柱内的填料造成,在载气的压力下,组份只能通过柱内填料颗粒与颗粒之间的缝隙“硬挤”过去,组份填料通过的路径不是直线的,而是在填料中曲线非规则前进,这时,边缘与中心的受力差异反而比较次要了。

虽然颗粒之间的路径无法精确衡量,但是好在只要颗粒的粒径够小且大小均一,还是能用概率来描述,只要有一个概率,就还能得到良好的峰形。必竟我们看到的色谱峰就是由待测组份按概率分布通过色谱柱,经过检测器时产生的信号总和。所以说,好的色谱填料不在于是否颗粒足够小,而在于颗粒的大小是否能控制好,如果有些颗粒大小不统一或有些破碎,那这根柱的内部路径就不符合概率了。一旦失去了概率的支持,我们只会得到一些形状奇异的峰形。

 


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