气相色谱傅里叶变换红外光谱联用技术.ppt

目录 1 引言2 GC FTIR系统的结构组成3 色谱联用系统的工作原理4 影响GC FTIR结果的因素和实验条件的优化5 GC FTIR联用技术的应用6 常用商品GC FTIR联用系统简介7 展望 1 引言 色谱法的高灵敏度和高分离效率使色谱法成为十分理想的分离和定量分析工具 然而 从定性分析方面看 通常只是利用各组分的保留特性来定性 这在欲定性的组分完全未知的情况下进行定性分析就更加困难了 定性和定结构的分析手段有哪些 质谱 MS 红外光谱 IR 紫外光谱 UV 原子吸收光谱 AAS 等离子体发射光谱 ICP AES 核磁共振波谱 NMR 等 其实 在这些定性 定结构的分析仪器发展初期 为了给色谱分离后的某一纯组分定性 定结构 人们往往是将色谱分离后的欲测组分收集起来 经过一些处理 将欲测组分浓缩和除去干扰物质后 再利用上述定性 定结构的分析技术进行分析 这种联用是脱机 非在线的联用 脱机 非在线的色谱联用只是将色谱分离作为一种样品纯化的手段和方法 操作很烦琐 在收集色谱分离后的欲测组分及收集后的再处理时也容易发生样品的玷污和损失 因此 实现联机 在线的色谱联用是分析化学工作者努力的目标 红外光谱在有机化合物的结构分析中有着很重要的作用 而色谱又是有机化合物分离纯化的最好方法 因此色谱与红外光谱的联用一直是有机分析化学家十分关注的问题 红外光谱能够提供极其丰富的分子结构信息 而且几乎没有两种不同的物质具有完全相同的红外光谱 所以红外光谱是一种十分理想的定性分析工具 色谱法分离混合物的优点是红外光谱法的弱点 红外光谱法定性和定结构分析的优点又是色谱法的弱点 联合这两种方法 把色谱仪作为红外光谱仪的前置分离工具 在傅里叶变换红外光谱出现以前 由于棱镜或光栅型红外光谱的扫描速度很慢 灵敏度也低 色谱与红外光谱在线联用时 往往只能采用停流的方法 即在需要检测的组分流动到检测池时使流动相停止流动 然后再进行红外扫描 以获取该组分的红外光谱图 这种方法仅对气相色谱和某些正相液相色谱可行 对反相液相色谱就不行了 在傅里叶变换红外光谱出现后 由于扫描速度和灵敏度都有很大提高 解决了色谱和红外光谱联用时扫描速度慢的最大障碍 使得色谱 傅里叶变换红外光谱联用有了很大进展 前一类脱机 非在线色谱联用的目的在于增强色谱分析的定性能力 而后一类色谱联用的目的在于使单一分离模式分不开的复杂混合物在使用多种分离模式的色谱联合使用后得到很好的分离 2 色谱联用系统的结构组成 一种色谱仪器 GC HPLC TLC SFC或CE 一种称为 接口 Interface 的装置另一种仪器 如 MS FTIR FT NMR AAS ICP AES以及各种色谱仪器 因此 接口是色谱联用技术中的关键装置 它要协调前后两种仪器的输出和输入间的矛盾 接口的存在既要不影响前一级色谱仪器对组分的分离性能 又要同时满足后一级仪器对样品进样的要求和仪器的工作条件 2 1GC FTIR系统的结构组成 1 气相色谱单元 对试样进行气相色谱分离 2 联机接口 馏分在此检测 3 傅里叶变换红外光谱仪 同步跟踪扫描 检测各馏分 4 计算机数据系统 控制联机运行及采集 处理数据 GC FTIR各单元工作原理图 联机检测基本过程为 试样经气相色谱分离后各馏分按保留时间顺序进入接口 与此同时 经干涉仪调制的干涉光汇聚到接口 与各组分作用后干涉信号被汞镉碲 MCT 液氮低温光电检测器检测 计算机数据系统存储采集到的干涉图信息 经快速傅里叶变换得到组分的气态红外谱图 进而可通过谱库检索得到各组分的分子结构信息 2 1 1气相色谱单元 气相色谱单元多采用毛细管气相色谱仪 可带有热导检测器 氢火焰离子化检测器等 其作用是将混合样品中各组分进行分离 2 1 2联机接口 接口是联用系统的关键部分 目前已有光管接口和冷冻捕集接口两种类型 后者可以使联机系统具有更高的信噪比 但由于其价格昂贵 至今普遍使用的仍是相对廉价的光管接口 1 光管接口光管是作为GC FTIR接口的光管气体池的简称 是目前应用最广泛的接口 其结构如图所示 光管接口一般包括传输线 transferline 光管 1ightpipe 加热装置及汞镉碲 MCT 检测器 接口的出口端可直接放空或进一步联接到气相色谱仪的氢火焰检测器或热导检测器等 可同时得到各种气相色谱图 2 冷冻捕集接口冷冻捕集接口又称低温收集器 使用这种接口的GC FTIR联机系统的示意图如下 冷冻捕集接口的关键部分是冷盘 据文献资料介绍 冷盘直径100mm 厚6mm 由高导热系数的无氧铜材制成 表面镀金 其侧面抛成精密的圆柱面 3 两种接口的比较目前被广泛使用的光管接口 具有可实时记录 价格相对便宜 易于操作的优点 然而也有三方面的不足 细内径的光管有光晕损失 使光管的透射率下降 为了满足色谱的分辨能力 往往要牺牲被测馏分在光管内的浓度和滞留时间 为防止相邻色谱峰在光管中重合 往往采用稀释技术 即在GC管出口光管的入口旁接尾吹气 然而这将导致红外光谱测量信号降低和噪音增大 为使样品在光管中保持气态 至少要使光管保持与色谱柱相同的温度 光管温度越高 光能量损失越大 所有这些都限制了GC FTIR联机测量的信噪比 光管接口系统的检测限 对于一般高挥发性样品为100 200ng 一些强吸收化合物可达2 5ng 对于低挥发样品 其检测限为0 2 1 g 冷冻捕集接口与光管接口相比 优点是高信噪比 低检测限 冷冻捕集接口技术属于一种基体隔离技术 由于样品分子在液体氩带上以斑点方式隔离存在 既没有分子间的相互作用又没有分子转动 所以谱峰尖锐 强度高 冷冻收集接口也有两个缺点 一是不能实时记录 操作繁琐 时间长 其二是仪器昂贵 实验费用高 不利于普及使用 一般样品的检测限在100 200pg之间 对于强吸收样品 其检测限达到10 50pg 2 1 3傅里叶变换红外光谱仪 FTIR单元一般都采用单光路FTIR 2 1 4计算机数据系统 1 数据采集联机操作的第一步是数据采集 首先设置操作参数 如扫描速度 采集时间 采样点数 存储区间等等 数据采集有两种方式 一是连续采集方式 即将采集的所有干涉图信息存储在磁盘上 二是 阈值 采集方式 即人为设置一 阈值 当被采集的GC峰在MCT检测器上产生的信号超过此 阈值 时 采集的数据才被存储在磁盘上 采集开始时 只有载气通过光管等接口 此时从显示器上可以看到 MCT上产生的信号为一平坦直线 类似GC的基线 随后 数个色谱峰依次通过 接口 FTIR谱仪跟踪扫描 即采集GC峰 在相应软件的控制下 进行实时傅里叶变换 此时显示器上实时显示GC馏分的二维或三维气态红外光谱图 下图 是联机检测显示的三维图形 其中X轴为波数 Y轴为吸光度值 Z轴为时间 XOY平面显示的是GC馏分的瞬时气态红外谱图 沿Z轴方向显示的是不同时间采集到的GC馏分的气态红外谱图 从图形变化可以看到各色谱峰性质的区别 2 GC FTIR所能得到的信息a 色谱保留值可以作为红外光谱定性的重要辅助依据 特别是当鉴定象同系物等分子结构内有不同数目的重复单元的化合物时 尤为重要 因为 这类化合物的红外光谱特征十分相似 而它们的色谱保留值却存在着显著差异 b 重建色谱图以FTIR为检测器的色谱 红外联用技术 分析工作者希望分离后有类似于色谱检测器的色谱图 重建色谱图因此而产生 所谓重建色谱图 就是说它不是色谱检测器的直接输出信号记录 而是由红外检测器记录的干涉图经计算机处理后 所得到的色谱图 由GC FTIR数据重建这种色谱图的方法主要有两种类型 一种是吸收重建 即将数据采集过程中的全窗口吸收或某个窗口吸收对数据点进行积分 由此而重建的色谱图 如图 另一种是干涉图重建 即Gram Schmidt重建色谱图 其中最普遍应用的是Gram Schmidt重建法 下面就对其作进一步的介绍 Gram Schmidt重建法直接从未经傅里叶变换的干涉谱数据重建色谱图 干涉谱的每一部分均包含着全部光谱信息 因此干涉谱的任何一小部分都可以用来判别光管中是否存在色谱馏分 因此 首先采集载气干涉图 用以建立参比失量子空间 而后采集试样组分 试样失量与参比失量子空间的距离决定于样品在光管中的吸收 其大小与馏分的浓度成正比 依此可建立馏分信号强度与时间的关系图 这就是Gram Schmidt重建色谱图 如图 c 化学图这是一种从光谱信息中选取感兴趣的关于含某种基团化合物信息的显示图 如 含羰基化合物中羰基的特征吸收 一般在1680 1800 若把窗El设在这一区间 色谱各馏分中只有含羰基的组分才有响应信号 此时 红外光谱仪成为色谱的选择性检测器 随着色谱峰的绘出和显示器上红外谱图的显现 在FTIR绘图仪上按设定的 化学窗口 可同步绘出 化学图 如图 直至运行结束 什么是 化学窗口 所谓 化学窗口 是根据试样的化学特性和分析需要人为设定的 最多可设5个窗口 也可以只设一个 即从计算机采集的全部信息中只选出预定官能团信息加以显示 其作用如同 官能团检测器 因而能绘出与GC谱图相似的谱图 进行广谱分析时 一般设定5个窗口 3200 3600的羟基窗口 1670 1800的羰基窗口 2800 3000的烷基窗口 1610的苯基窗口和720 850的亚甲基变形窗口等 当然 窗口的设置可根据试样的具体情况而定 可多可少 可宽可窄 在实际联机操作中 在数据采集结束后 一般先进行色谱图重建 借助红外重建色谱图即可以判定试样的组成 也可以依据该图进行数据处理 使某数据点对应的信息能得到进一步分析 d FTIR光谱图的获得一般根据红外重建色谱图确定色谱峰的数据点范围或峰尖位置 然后根据需要选取适当数据点处的干涉图信息进行傅里叶变换 即可获得相应于该数据点的气态FTIR光谱图 当然 选取适当的数据点是得到质量高的FTIR图谱的关键 基本选定原则是 峰弱选峰尖 峰强选峰旁 混峰选两边 如若峰况杂 切莫忘差减 3 GC FTIR谱库检索目前 商用GC FTIR仪一般均带有谱图检索软件 可对GC馏分进行定性检测 一般是将GC馏分的FTIR光谱图与计算机存储的气态红外标准谱图比较 以实现未知组分的确认 需要指出的是 各GC FTIR厂商均可提供气相红外光谱库 如Nicolet公司及Digilab公司提供的气相谱库有4000多张谱图 ANALECT公司提供的谱库有5012张谱图 与GC MS数万张谱图的谱库相比相差悬殊 尚难以满足实际检测的需要 还需进一步的工作丰富GC FTIR的谱库 4 影响GC FTIR结果的因素及实验条件的优化 4 1GC参数与操作条件的选择就分离鉴定而言 分离是前提 GC工作的好坏 是决定GC FTIR联机检测能否成功的第一步 有关GC的理论和应用研究工作 已经相当广泛和深入 不同样品 GC参数与条件的选择也各异 在此作简要介绍 4 1 1色谱柱的选择 色谱柱对GC分离效果起着极其重要的作用 对不同试样应选择涂覆合适固定相的色谱柱 根据色谱学上的相似率 一般选用与试样具有相似极性的色谱固定相 例如 分离极性较强的有机酸 可选用极性较大的聚乙二醇柱 对广谱分析 选用中等极性的SE 54柱等即可 填充柱柱容量较大 但分辨较差 多用于组成简单的混合物的分析 毛细管柱较长 其优越的分离效能可实现复杂混合物的分析 其中 商用弹性石英毛细管柱为涂壁开口管WCOT柱 是GC FTIR联用普遍采用的柱型 用于联机的WCOT柱规格主要有三种见表 粗径厚膜柱既具有毛细管柱的许多优点 又具备较大的柱容量 对提高联用系统的灵敏度有利 在GC FTIR中应用较广 4 1 2进样方式的选择 GC FTIR联机多采用柱前汽化进样技术 试样在汽化室内汽化后 由载气带进色谱柱 进入色谱柱前 又分为分流进样和不分流进样两种方式 分流进样时 考虑到联机系统的灵敏度一般要比FID约低3个数量级 为满足联机检测的要求 分流比通常选用10 1 甚至4 1 不分流进样方式能将全部试样引入毛细柱 对痕量分析有利 对GC FTIR系统灵敏度有利 但会造成柱子负荷与溶剂干扰加大 对分辨不利 对此 要设法解决溶剂问题或选用柱容量较大的粗径厚膜柱 4 2光管接口的影响 光管接口是GC FTIR联机系统的心脏部件 也是实现GC FTIR联机检测效果的关键 4 2 1光管规格的影响 GC FTIR联机检测的关键是使色谱峰体积与光管体积匹配 一般复杂试样各组分对应色谱峰的半峰宽体积 差异可达数十甚至数百倍 故不可能以单个色谱峰的体积去匹配不同体积大小的光管 因而取平均值 当小于光管池体积时 易产生峰扩散 谱峰变形 检测灵敏度变低 当大于光管池体积时 检测的气体样品浓度低 灵敏度也不高 只有当色谱峰的半峰宽体积的有效浓度充满整个光管时 所检测的色谱组分为最佳分辨率和灵敏度 实际上往往要综合考虑多组分色谱峰的存在 以及它们之间的分离度问题 一般选用光管体积等于或略小于色谱峰半峰宽体积的平均值 这就是色谱峰体积与光管体积的匹配问题 实际工作中经常更换光管以适应不同试样的色谱峰体积既有困难 也是不现实的 一般采用粗调和细调结合的办法 粗调指光管的选择 商品光管规格可参见表11 6 2 现行毛细管GC FTIR联用系统常用内径为1mm 长度为10cm的光管 细调指通过改变色谱条件来调整色谱峰体积 或使用稀释技术 即在色谱柱出口 光管的入口旁添加尾吹气 通过调节尾吹气量使进入光管前后的色谱峰峰形一致 商品光管规格 4 2 2光管温度对GC FTIR联机检测的影响 光管温度的高低对联机检测影响很大 光管内镀金 金在低温下是红外光的良好反射体 可提高检测灵敏度 但在高温下反射能量却急剧下降 光管温度在200 时检测能量约为室温下的50 在300 时 其能量还会降低 同时高温下会导致KBr窗片材料因挥发而变毛 密封圈变坏 而且许多有机样品会裂解炭化 积炭会很快降低光管的使用寿命 使信噪比下降 恶化联机检测 一般光管工作温度应控制在200 下 4 3FTIR光谱仪对GC FTIR联机检测的影响 在GC FTIR联机检测中 FTIR光谱仪是一种特殊的检测器 它能提供丰富的分子结构信息 联机检测要求FTIR光谱仪能快速同步跟踪扫描与检测GC馏分 这一任务是由麦克尔逊干涉仪和MCT检测器来完成的 大多数毛细管GC的出峰时间为1 5s 同步跟踪扫描要求麦克尔逊干涉仪的扫描速度应为1次 s 现行FTIR光谱仪扫描速度一般可达10次S 能在每一时刻同时采集全频域的光谱信息 扫描速度越快 对GC峰分割测量越细致 对系统分辨越有利 扫描速度不能太慢 否则对系统分辨不利 另外 多数毛细管GC的峰含量在0 1 g以下 这要求检测器有足够高的灵敏度 以满足微量或痕量分析的目的 FTIR光谱仪光通量的优点决定了它具有比色散型仪器高得多的灵敏度 液氮低温下的MCT检测器能满足微量或痕量分析的需要 MCT检测器分为窄带 中带 宽带三种类型 其中 窄带检测器的灵敏度大约是宽带MCT的4倍 其覆盖频率范围为4000 700 GC FTIR系统多采用窄带MCT 5 GC FTIR联用技术的应用 随着GC FTIR联用技术的不断发展和完善 目前它已成为复杂有机混合物定性 定量分析的有效手段 在环保 医药 化工 石油工业 食品 香料和生化等领域得到了广泛的应用 现举几例进一步说明 5 1在药物分析中的应用 在药用挥发油分析方面 国内外发表的论文相当多 Wilkins等采用GC FTIR MS联用技术进行薄荷油提取物分析 共分析鉴定了18个组分 并对GC FTIR MS联用技术的分析能力进行了评价 邱宁婴等用GC FTIR研究了薄荷油 青椒薄荷油 椒洋薄荷油 分离出十几种成分 用气相红外光谱库对各组分进行了光谱检索 共鉴定出13种成分 并比较了不同产地的薄荷油的质量 5 2炼油厂废水分析 在水质评价中 有机污染物对人体健康的危害越来越引起人们的重视 由于有机污染物种类繁多 单纯用GC无法测定 采用气相色谱 红外光谱联用技术或气相色谱 质谱联用技术进行分析测定 可获得较为满意的结果 周文敏等人用毛细管GC FTIR技术对某炼油厂的废水进行了分析 1 样品处理废水1L分为两份 分别用硫酸 氢氧化钠调至pH11 再分别用二氯甲烷萃取并浓缩 经脱水得酸性组分 碱性组分试液供分析用 2 联机条件酸性组分PEG玻璃毛细管柱 30m 0 28mm 程序升温50 100 200 汽化室温度为250 光管 连接区 传输线温度200 载气流速40mL min 分流比例20 1 进样量2mL 碱性组分Dexsil 400弹性石英毛细管柱 25m 0 24mm 程序升温 40 60 210 汽化室温度为250 光管 连接区 传输线温度210 载气流速40mL min 分流比例20 1 尾吹40mL min 进样量20mL 根据检测结果可以看出 在分离鉴定的30种化合物中 有GC FTIR联用确认的有21种 GC MS联用确认的有10种 对酚类同分异构体和羧酸类化合物的鉴定 GC MS联用仅能鉴定类别 而GC FTIR联用则能提供更多的结构信息而一一确定 这充分显示了其优越性 而GC MS联用则予以了确认 说明GC FTIR联用灵敏度低于GC MS联用 此应用实例说明两种连用技术各有所长 在实际应用中应互补使用 5 3香烟主流烟气的分析 王永华等人用GC FTIR联用技术对国产某香烟的主流烟气进行了分析 其红外重建色谱图见图4 9 图中可见 从主流烟气中分离出近40个组分 通过红外谱库检索鉴定出18个组分 另有15个组分已确定归属 鉴定结果见下表 5 4复杂香精油的分析 香料香精是日化产品中的必背原料 其组分复杂 含有同分异构体 用GC F