预测多阶程序升温条件下伸舌色谱峰形的方法

摘要

本发明公开了一种预测多阶程序升温条件下伸舌色谱峰形的方法。其方法主要包括：根据虚拟死时间求不同温度下的色谱保留因子值；根据非线性塔板理论，利用计算机程序搜索出恒温条件下的峰形参数值psp；基于不同恒温条件下待测化合物的保留因子和峰形参数，回归分析分别建立二者与温度之间的函数关系；设定升温程序，通过计算机运算得出预测的伸舌色谱峰形，并与相同程序升温条件下获得的实验峰形进行比较。本发明对于伸舌峰这一类色谱峰形的定性提供了重要依据，优化了色谱分离条件，同时对实验室中常见的重叠色谱峰的准确定量提供了新的途径。此外，该发明适用范围广，预测精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及预测多阶程序升温条件下伸舌色谱峰形的方法，属气相色谱技术领域。

背景技术

在色谱分析领域中，色谱峰形的预测时一项十分重要的研究内容。对于沸点组成变化 范围很大的复杂化合物，需要利用程序升温条件才能够实现组分间的分离。如果能够基于 少量样品的保留时间和峰形参数数据，借助计算机程序，实现程序升温条件下色谱峰形的 预测，不但可以实现保留时间的准确预测，优化色谱分离条件，为色谱定性提供帮助，而 且能够为重叠峰的准确定量提供新的途径。因此，色谱峰形的准确预测，尤其是程序升温 条件下色谱峰形的预测，具有很大的创新性和实用价值。

目前国内外关于恒温条件下的色谱峰形预测工作已经有所开展，但是针对程序升温条 件下的色谱法峰形预测工作尚未见诸报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以非线性塔板理论为理论基础，预测多阶程序升温条件下 伸舌色谱峰形的方法，该方法不仅能够准确的预测许多化合物多阶程序升温条件下的伸舌 色谱峰形，而且预测过程简单；

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种预测多阶程序升温条件下伸舌色谱峰形 的方法，该方法是以非线性塔板理论为基础，针对HP6890气相色谱仪及非极性的HP-5 色谱柱(以下简称色谱柱)，预测过程中采用任意恒定的虚拟死时间，其特征在于包括以 下过程：

1)虚拟死时间τ的设定：色谱柱设定温度变化范围为30-250℃，测定待测化合物在 T₁＝30℃、T₂＝50℃、T₃＝100℃、T₄＝150℃、T₅＝200℃和T₆＝250℃六个恒温下的保留时间 t_R1、t_R2、t_R3、t_R4、t_R5和t_R6，确定其中最小保留时间值，以小于该最小保留时间值的任意 一个时间值均可作为虚拟的死时间；

2)恒温条件下保留因子k的计算：根据步骤1)测定的六个恒温下的保留时间t_R1、 t_R2、t_R3、t_R4、t_R5、t_R6和已经确定的虚拟死时间τ，采用式1，计算六个恒温下对应的保留 因子：k₁、k₂、k₃、k₄、k₅和k₆，

k＝(t_R-τ)/τ              式1

式1中：k为保留因子，

       τ为虚拟的死时间，

       t_R为对应各个温度点的保留时间；

3)恒温条件下峰形参数(peak shape parameter，psp)的计算：

峰形参数psp定义为基于非线性塔板理论建立的待测化合物在同一块塔板上固定相与 流动相中的浓度之间的函数关系中的系数，函数关系如下式：

$C_S=\mathrm{psp}·C_M^2+(k+1)·C_M$式2

C_S+C_M＝C_n             式3

式2中：psp为峰形参数值；

       C_S、C_M为待测化合物在同一块塔板上固定相和流动相中的浓度；

式3中：C_n为待测化合物在同一块塔板上固定相与流动相中浓度之和；

以下述计算机程序运行，计算不同温度条件下的峰形参数值：

首先在程序中输入已知参数：恒温条件下色谱柱温度T、待测化合物的初始浓度C_M00、 待测化合物在该温度条件下的保留因子k、理论塔板数N以及跳跃次数l；再利用式2和 式3，输入三个不同的峰形参数值，分别对比计算机程序运行获得的峰形与实验峰形，得 出峰形参数与峰形大小之间变化趋势的关系；不断调整输入的峰形参数值的大小，直到获 得的该恒温条件下的峰形与实验峰形完全吻合时，该数值便为该待测化合物在该温度条件 下的实际峰形参数值；

利用第i次跳跃对应的保留因子k_i，以及设定的峰形参数值psp，根据式4和式5，分 别计算待测化合物在第1、2、3...n...N块塔板中固定相和流动相的浓度：

$C_{\mathrm{Sni}}=\mathrm{psp}·C_{\mathrm{Mni}}^2+(k+1)·C_{\mathrm{Mni}}$式4

C_Sni+C_Mni＝C_ni                             式5

式4中：C_Sni和C_Mni分别为跳跃次数为i时，待测化合物在第n块塔板中固定相和流动相 中的浓度；

式5中：C_ni为跳跃次数为i时，待测化合物在第n块塔板中的总浓度，它由式6确定：

C_ni＝C_S(n-1)i+C_M(n-1)(i-1)                式6

C_M00＝1μg/mL

式6中：C_M00为待测化合物的起始浓度，

       C_S(n-1)i为跳跃次数为i时，待测化合物在第n-1块塔板的固定相中的浓度，

       C_M(n-1)(i-1)为跳跃次数为i-1时，待测化合物在第n-1块塔板的流动相中的浓度；

当待测化合物跳跃至最后一块塔板时，待测化合物仍按照式4、式5关系进行分配， 当进行下一次跳跃时，最后一块塔板上流动相中的待测化合物流出，记录该时刻流出的浓 度值，固定相中的待测化合物与上一塔板流动相带入的待测化合物重新进行分配，如此， 直至达到设定的跳跃次数，保证待测化合物全部流出色谱柱，由此得到待测化合物在每一 次跳跃时对应流出浓度值的数据点，并由这些数据点构成的图形即为预测的伸舌色谱峰 形；

在上述计算机程序中分别设定T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆六种温度数值，并由此得到相 应的峰形参数值psp₁、psp₂、psp₃、psp₄、psp₅和psp₆；

4)确定待测化合物在程序升温条件下色谱柱内任意一次跳跃时，对应的温度T_i：

(1)以式6确定每次跳跃需要的时间Δτ，

Δτ＝τ/(N-1)                         式6

式6中：τ为虚拟的死时间，由步骤1)已确定，

       N为色谱柱固有的理论塔板数；

(2)待测化合物在色谱柱内跳跃i次，共需时间t_i，由式7计算，

t_i＝i×Δτ                            式7

式7中，i是跳跃次数；

(3)在多阶程序升温中，计算多阶程序升温的总时间t：

t＝t_h1+t₁+t_h2+t₂                       式8

式8中：t_h1为起始温度的保持时间，经验数值为：1-5min，

       t_h2为第一阶段程序升温的终止温度的保持时间，经验数值为：1-5min，

       t₁为第一阶段程序升温的需要时间，

       t₂为第二阶段程序升温的需要时间，

       t₁和t₂分别由式6和式7计算得到：

t₁＝(T_m-T₀)/r₁                        式9

t₂＝(T_f-T_m)/r₂                        式10

式9中：T_m为第一阶段程序升温的终止温度，

       T₀为起始温度，

       r₁为第一阶段程序升温的升温速率；

式10中：T_f为第二阶段程序升温的终止温度，

        r₂为第二阶段程序升温的升温速率，

        其中，r₁和r₂的经验取值范围为5-30℃/min；

(4)确定待测化合物第i次跳跃时，此时色谱柱对应的温度T_i：

当t_i＜t_h1，则柱温T_i＝T₀，

当t_h1＜t_i＜(t_h1+t₁)，则柱温T_i＝r₁×(t₁-t_h1)+T₀，

当(t_h1+t₁)≤t_i≤(t_h1+t₁+t_h2)，则柱温T_i＝T_m，

当(t_h1+t₁+t_h2)＜t_i＜t，则柱温T_i＝r₂×(t_i-t₁-t_h1-t_h2)+T_m，

当t_i＞t，则柱温T_i＝T_f；

5)多阶程序升温条件下保留因子k及峰形参数psp与温度关系的确定：

(1)利用六个恒温温度值T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆以及步骤2)中求得的相应的保留 因子k₁、k₂、k₃、k₄、k₅和k₆，通过回归分析，得到保留因子k与温度T之间的函数关系 式为式11：

lnk＝aT³+bT²+cT+d                式11

其中参数a、b、c和d均为定值；

由此计算出程序升温中任意温度点T_i对应的保留因子k_i；

(2)利用六个恒温温度值T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆以及步骤3)中获得的相应的峰 形参数值psp₁、psp₂、psp₃、psp₄、psp₅和psp₆，通过回归分析，得到峰形参数psp与温度 T之间的函数关系式为式12：

ln psp＝a′T³+b′T²+c′T+d′            式12

式12中，参数a′、b′、c′和d′均为定值；

由此计算出程序升温中任意温度点T_i对应的峰形参数psp；

6)多阶程序升温条件下待测化合物预测峰形的获得：

在计算机程序中输入以下数据：柱相比β、待测化合物起始浓度C_M00、理论塔板数N、 跳跃次数n、六个恒温温度值、虚拟的死时间τ、保留因子和峰形参数与温度关系式中的 各参数、多阶程序升温的初始温度、第一阶段终止的温度、第二阶段终止的温度、第一阶 段的升温速率、第二阶段的升温速率、初始温度下保持的时间和第一阶段程序升温终止温 度下保持的时间；通过步骤3)中所述的计算机运行程序，得到待测化合物在该程序升温 条件下的预测的伸舌色谱峰形。

本发明的优点在于：实现了多阶程序升温条件下伸舌峰形的预测，对于伸舌峰这一类 色谱峰形的定性提供了重要依据，优化了色谱分离条件，同时对实验室中常见的重叠色谱 峰的准确定量提供了新的途径；在计算过程中不需要准确测定死时间数值，任意设定某一 死时间数值即可，所以预测过程非常简便；预测过程所取的温度点多，变化范围大，可以 在较宽的温度变化范围内较好的预测伸舌色谱峰形，本方法适用范围广，预测精度高。

附图说明

图1为本发明预测多阶程序升温条件下伸舌色谱峰形的方法的计算机运算流程图。

图2为实施例1中A升温程序条件下实验峰形与预测峰形对比图。图中实线代表预测 峰形，虚线代表实验峰形。

图3为实施例1中B升温程序条件下实验峰形与预测峰形对比图。图中实线代表预测 峰形，虚线代表实验峰形。

图4为实施例1中C升温程序条件下实验峰形与预测峰形对比图。图中实线代表预测 峰形，虚线代表实验峰形。

图5为实施例2中A升温程序条件下实验峰形与预测峰形对比图。图中实线代表预测 峰形，虚线代表实验峰形。

图6为实施例2中B升温程序条件下实验峰形与预测峰形对比图。图中实线代表预测 峰形，虚线代表实验峰形。

图7为实施例2中C升温程序条件下实验峰形与预测峰形对比图。图中实线代表预测 峰形，虚线代表实验峰形。

具体实施方式

实施例1

仪器：HP6890气相色谱仪，氢火焰离子化检测器，6890气相色谱工作站；

色谱柱：非极性的HP-5(5％苯基甲基聚硅氧烷)柱；

条件：检测器的温度为250℃，进样口温度为250℃；

载气：使用高纯氮气(纯度不低于99.999％)，恒流操作模式，即载气在柱出口处，

      质量流量保持恒定，为1mL/min；

进样方式：分流进样，分流比为50∶1，每次的进样量为0.2μL，浓度为1μg/mL；

(1)选择庚酸为待测化合物，在HP-5柱上测定其在30℃、50℃、100℃、150℃、 200℃和250℃六个恒温下的保留时间，分别为25.01min、14.32min、7.30min、3.07min、 2.34min和2.08min；

(2)取虚拟死时间τ＝1.85min，根据式1计算庚酸在六个恒温下的保留因子，分别为： 2.53、1.91、1.08、-0.42、-1.33和-2.12。在较低温度时，庚酸在两相间的分配比较缓慢， 并受到传质阻力扩散项等的影响，因此，在利用式2对六个恒温下的保留因子与温度关系 的曲线进行拟合时，需要对以上参数加以修正，最终得出参数a、b、c和d，分别为： -8.4224×10^-7、1.2051×10^-3、-0.5881和96.8190；从而得出庚酸在程序升温过程中，保留因 子与温度的关系式如下：

lnk＝-8.4224×10^-7·T³+1.2051×10^-3·T²-0.5881T+96.8190

(3)首先在计算机程序中输入以下已知参数：恒温温度值T₁(30℃)、待测化合物的 初始浓度1μg/mL、保留因子k₁(2.53)、理论塔板数N以及跳跃次数l；不断调整输入的 峰形参数值的大小，使得最终获得预测峰形与实验峰形完全吻合，求得30℃时庚酸的峰 形参数值为21.00。

同理，可分别求得庚酸在50℃、100℃、150℃、200℃和250℃条件下的峰形参数分 别为16.97、7.00、2.00、-1.83和-9.21。

通过回归分析，得出庚酸在多阶程序升温条件下，峰形参数与温度的关系式如下：

ln psp＝-4.4509×1^-6·T³+5.8055×10^-3·T²-2.5711T+391.7654

选择三个不同的程序升温，它们分别为：

A程序升温30℃(保持2min)→5℃/min→70℃(保持1min)→25℃/min→250℃；

B程序升温30℃(保持2min)→10℃/min→70℃(保持1min)→25℃/min→250℃；

C程序升温30℃(保持2min)→15℃/min→70℃(保持1min)→25℃/min→250℃；

在计算机程序中输入以下数据：柱相比β、待测化合物起始浓度C_M00、理论塔板数N、 跳跃次数n、六个恒温温度值、虚拟的死时间τ、保留因子和峰形参数与温度关系式中的 各参数、多阶程序升温的初始温度、第一阶段终止的温度、第二阶段终止的温度、第一阶 段的升温速率、第二阶段的升温速率、初始温度下保持的时间和第一阶段程序升温终止温 度下保持的时间；运行计算机程序，分别得到庚酸在上述三种程序升温条件下的预测的色 谱峰形。

(4)利用HP-5柱在气相色谱上分别获取庚酸在以上三个程序升温条件下相应的色谱 峰形，并且与预测峰形相对照，依次如图2、3、4所示。

对以上各自的对比图观察可看出，预测峰形已与实验峰形达到了很高的吻合度，证实 了以非线性塔板理论为基础预测不同程序升温条件下的伸舌色谱峰形的方法的可行性。

本实施例预测相对误差％＝(预测结果-实验结果)/实验结果×100。结果如表一所示：

表一不同程序升温条件下庚酸预测峰形与实验峰形之间的相对误差

实施例2

实验仪器、色谱柱、条件、载气以及进样方式同实施例1；

(1)选择庚酸为待测化合物，在HP-5柱上测定其在30℃、50℃、100℃、150℃、 200℃和250℃六个恒温下的保留时间，分别为25.01min、14.32min、7.30min、3.07min、 2.34min和2.08min；

(2)取虚拟死时间τ＝1.85min，根据式1计算庚酸在六个恒温下的保留因子，分别为： 2.53、1.91、1.08、-0.42、-1.33和-2.12。在较低温度时，庚酸在两相间的分配比较缓慢， 并受到传质阻力扩散项等的影响，因此，在利用式2对六个恒温下的保留因子与温度关系 的曲线进行拟合时，需要对以上参数加以修正，最终得出参数a、b、c和d，分别为： -8.4224×10^-7、1.2051×10^-3、-0.5881和96.8190；从而得出庚酸在程序升温过程中，保留因 子与温度的关系式如下：

lnk＝-8.4224×10^-7·T³+1.2051×10^-3·T²-0.5881T+96.8190

(3)首先在计算机程序中输入以下已知参数：恒温温度值T₁(30℃)、待测化合物的 初始浓度1μg/mL、保留因子k₁(2.53)、理论塔板数N以及跳跃次数l；不断调整输入的 峰形参数值的大小，使得最终获得预测峰形与实验峰形完全吻合，求得30℃时庚酸的峰 形参数值为21.00。

同理，可分别求得庚酸在50℃、100℃、150℃、200℃和250℃条件下的峰形参数分 别为16.97、7.00、2.00、-1.83和-9.21。

通过回归分析，得出庚酸在多阶程序升温条件下，峰形参数与温度的关系式如下：

ln psp＝-4.4509×10^-6·T³+5.8055×10^-3·T²-2.5711T+391.7654

选择三个不同的程序升温，它们分别为：

A程序升温70℃(保持2min)→15℃/min→150℃(保持1min)→25℃/min→250℃；

B程序升温70℃(保持2min)→20℃/min→150℃(保持1min)→25℃/min→250℃；

C程序升温70℃(保持2min)→40℃/min→150℃(保持1min)→25℃/min→250℃；

在计算机程序中输入以下数据：柱相比β、待测化合物起始浓度C_M00、理论塔板数N、 跳跃次数n、六个恒温温度值、虚拟的死时间τ、保留因子和峰形参数与温度关系式中的 各参数、多阶程序升温的初始温度、第一阶段终止的温度、第二阶段终止的温度、第一阶 段的升温速率、第二阶段的升温速率、初始温度下保持的时间和第一阶段程序升温终止温 度下保持的时间；运行计算机程序，分别得到庚酸在上述三种程序升温条件下的预测的色 谱峰形。

(4)利用HP-5柱在气相色谱上分别获取庚酸在以上三个程序升温条件下相应的色谱 峰形，并且与预测峰形相对照，依次如图5、6、7所示。

对以上各自的对比图观察可看出，预测峰形已与实验峰形达到了很高的吻合度，证实 了以非线性塔板理论为基础预测不同程序升温条件下的伸舌色谱峰形的方法的可行性。

本实施例预测相对误差％＝(预测结果-实验结果)/实验结果×100。结果如表二所示：

表二不同程序升温条件下庚酸预测峰形与实验峰形之间的相对误差