預測多階程序升溫條件下伸舌色譜峰形的方法
2023-04-28 02:54:16
專利名稱：預測多階程序升溫條件下伸舌色譜峰形的方法
技術領域：
本發明涉及預測多階程序升溫條件下伸舌色譜峰形的方法，屬氣相色譜技術領域。
背景技術：
在色譜分析領域中，色譜峰形的預測時一項十分重要的研究內容。對於沸點組成變化範圍很大的複雜化合物，需要利用程序升溫條件才能夠實現組分間的分離。如果能夠基於少量樣品的保留時間和峰形參數數據，藉助電腦程式，實現程序升溫條件下色譜峰形的預測，不但可以實現保留時間的準確預測，優化色譜分離條件，為色譜定性提供幫助， 而且能夠為重疊峰的準確定量提供新的途徑。因此，色譜峰形的準確預測，尤其是程序升溫條件下色譜峰形的預測，具有很大的創新性和實用價值。
目前國內外關於恆溫條件下的色譜峰形預測工作已經有所開展，但是針對程序升溫條件下的色譜法峰形預測工作尚未見諸報導。發明內容
本發明的目的在於提供一種以非線性塔板理論為理論基礎，預測多階程序升溫條件下伸舌色譜峰形的方法，該方法不僅能夠準確的預測許多化合物多階程序升溫條件下的伸舌色譜峰形，而且預測過程簡單；
本發明是通過以下技術方案加以實現的，一種預測多階程序升溫條件下伸舌色譜峰形的方法，該方法是以非線性塔板理論為基礎，針對HP6890氣相色譜儀及非極性的HP-5 色譜柱(以下簡稱色譜柱)，預測過程中採用任意恆定的虛擬死時間，其特徵在於包括以下過程
1)虛擬死時間τ的設定色譜柱設定溫度變化範圍為30-250°C，測定待測化合物在1\ = 30°C、T2 = 50°C、T3 = IOO0C > T4 = 150°C、T5 = 200°C和 T6 = 250°C六個恆溫下的保留時間tK1、tK2、tK3、tK4、tE5和tK6，確定其中最小保留時間值，以小於該最小保留時間值的任意一個時間值均可作為虛擬的死時間；
2)恆溫條件下保留因子k的計算根據步驟1)測定的六個恆溫下的保留時間tK1、 tK2、tK3、tK4、tK5、tK6和已經確定的虛擬死時間τ，採用式1，計算六個恆溫下對應的保留因子k」 k2、k3、k4、k5 禾口 k6,
k = (tE- τ )/ τ式 1
式1中k為保留因子，
τ為虛擬的死時間，
tE為對應各個溫度點的保留時間；
3)恆溫條件下峰形參數(peak shape parameter, psp)的計算
峰形參數psp定義為基於非線性塔板理論建立的待測化合物在同一塊塔板上固定相與流動相中的濃度之間的函數關係中的係數，函數關係如下式
+
CS+CM = Cn式 3
式2中psp為峰形參數值；
Cs、Cm為待測化合物在同一塊塔板上固定相和流動相中的濃度；
式3中Cn為待測化合物在同一塊塔板上固定相與流動相中濃度之和；
以下述電腦程式運行，計算不同溫度條件下的峰形參數值
首先在程序中輸入已知參數恆溫條件下色譜柱溫度T、待測化合物的初始濃度 Cmcici、待測化合物在該溫度條件下的保留因子k、理論塔板數N以及跳躍次數1 ；再利用式2 和式3，輸入三個不同的峰形參數值，分別對比電腦程式運行獲得的峰形與實驗峰形，得出峰形參數與峰形大小之間變化趨勢的關係；不斷調整輸入的峰形參數值的大小，直到獲得的該恆溫條件下的峰形與實驗峰形完全吻合時，該數值便為該待測化合物在該溫度條件下的實際峰形參數值；
利用第i次跳躍對應的保留因子以及設定的峰形參數值psp，根據式4和式5， 分別計算待測化合物在第1、2、3. . . n. . . N塊塔板中固定相和流動相的濃度
C,m = psp.C2mw +{k + \)·式 4
Csni+CMni = Cni式 5
式4中CSni和Csfai分別為跳躍次數為i時，待測化合物在第η塊塔板中固定相和流動相中的濃度；
式5中Cni為跳躍次數為i時，待測化合物在第η塊塔板中的總濃度，它由式6確定
Cni = Cs^—m+CmmH)式 6
Cmoo = 1 μ g/mL
式6中CMQQ為待測化合物的起始濃度，
Cs(n_m為跳躍次數為i時，待測化合物在第n-1塊塔板的固定相中的濃度，
Cm^1,α_1}為跳躍次數為i-Ι時，待測化合物在第n-1塊塔板的流動相中的濃度；
當待測化合物跳躍至最後一塊塔板時，待測化合物仍按照式4、式5關係進行分配，當進行下一次跳躍時，最後一塊塔板上流動相中的待測化合物流出，記錄該時刻流出的濃度值，固定相中的待測化合物與上一塔板流動相帶入的待測化合物重新進行分配，如此， 直至達到設定的跳躍次數，保證待測化合物全部流出色譜柱，由此得到待測化合物在每一次跳躍時對應流出濃度值的數據點，並由這些數據點構成的圖形即為預測的伸舌色譜峰形；
在上述電腦程式中分別設定 \、T2、T3、T4、T5和T6六種溫度數值，並由此得到相應的峰形參數值 psp」 psp2、psp3、psp4、psp5 禾Π psp6 ；
4)確定待測化合物在程序升溫條件下色譜柱內任意一次跳躍時，對應的溫度Ti
(1)以式6確定每次跳躍需要的時間Δ τ，
Δ τ = τ /(N-I)式 6
式6中τ為虛擬的死時間，由步驟1)已確定，
N為色譜柱固有的理論塔板數；
(2)待測化合物在色譜柱內跳躍i次，共需時間由式7計算，
tj = Χ Δ τ式 7
式7中，i是跳躍次數；
(3)在多階程序升溫中，計算多階程序升溫的總時間t
t = ty+ti+t^+t；,式 8
式8中thl為起始溫度的保持時間，經驗數值為l-5min，
th2為第一階段程序升溫的終止溫度的保持時間，經驗數值為l-5min，
、為第一階段程序升溫的需要時間，
t2為第二階段程序升溫的需要時間，
、和t2分別由式6和式7計算得到
ti = (Tm-T0) /V1式 9
t2 = (Tf-Tm) /r2式 10
式9中Tm為第一階段程序升溫的終止溫度，
T。為起始溫度，
Γι為第一階段程序升溫的升溫速率；
式10中Tf為第二階段程序升溫的終止溫度，
r2為第二階段程序升溫的升溫速率，
其中，T1和r2的經驗取值範圍為5_30°C /min ；
(4)確定待測化合物第i次跳躍時，此時色譜柱對應的溫度Ti
當、<thl，則柱溫 Ti = T0,
當thl <、< (ty+ti)，則柱溫 Ti = T1X (Vthl) +T0,
當(ty+ti)彡、彡(thl+t!+th2)，則柱溫Ti = Tm,
當(thl+t!+th2)< ti < t，則柱溫 Ti = r2X (t-trty-tj +Tm,
當、>t，則柱溫Ti = Tf;
5)多階程序升溫條件下保留因子k及峰形參數psp與溫度關係的確定
(1)利用六個恆溫溫度值1\、T2, T3、T4、T5和T6以及步驟2)中求得的相應的保留因子1^、1^2、^4、、和k6，通過回歸分析，得到保留因子k與溫度T之間的函數關係式為式 11
Ink = aT3+bT2+cT+d式 11
其中參數a、b、c和d均為定值；
由此計算出程序升溫中任意溫度點Ti對應的保留因子Ici ；
(2)利用六個恆溫溫度值1\、T2, T3、T4、T5和T6以及步驟3)中獲得的相應的峰形參數值ρ8ρι、ρ φ2、ρ φ3、ρ φ4、ρ φ5和psp6，通過回歸分析，得到峰形參數psp與溫度T之間的函數關係式為式12
In psp = a' T3+b' T2+c' T+d'式 12
式12中，參數a'、b'、c'和d'均為定值；
由此計算出程序升溫中任意溫度點Ti對應的峰形參數psp ；
6)多階程序升溫條件下待測化合物預測峰形的獲得
在電腦程式中輸入以下數據柱相比β、待測化合物起始濃度C·、理論塔板數N、跳躍次數η、六個恆溫溫度值、虛擬的死時間τ、保留因子和峰形參數與溫度關係式中的各參數、多階程序升溫的初始溫度、第一階段終止的溫度、第二階段終止的溫度、第一階段的升溫速率、第二階段的升溫速率、初始溫度下保持的時間和第一階段程序升溫終止溫度下保持的時間；通過步驟幻中所述的計算機運行程序，得到待測化合物在該程序升溫條件下的預測的伸舌色譜峰形。
本發明的優點在於實現了多階程序升溫條件下伸舌峰形的預測，對於伸舌峰這一類色譜峰形的定性提供了重要依據，優化了色譜分離條件，同時對實驗室中常見的重疊色譜峰的準確定量提供了新的途徑；在計算過程中不需要準確測定死時間數值，任意設定某一死時間數值即可，所以預測過程非常簡便；預測過程所取的溫度點多，變化範圍大，可以在較寬的溫度變化範圍內較好的預測伸舌色譜峰形，本方法適用範圍廣，預測精度高。
圖1為本發明預測多階程序升溫條件下伸舌色譜峰形的方法的計算機運算流程圖。
圖2為實施例1中A升溫程序條件下實驗峰形與預測峰形對比圖。 預測峰形，虛線代表實驗峰形。
圖3為實施例1中B升溫程序條件下實驗峰形與預測峰形對比圖。 預測峰形，虛線代表實驗峰形。
圖4為實施例1中C升溫程序條件下實驗峰形與預測峰形對比圖。 預測峰形，虛線代表實驗峰形。
圖5為實施例2中A升溫程序條件下實驗峰形與預測峰形對比圖。 預測峰形，虛線代表實驗峰形。
圖6為實施例2中B升溫程序條件下實驗峰形與預測峰形對比圖。 預測峰形，虛線代表實驗峰形。
圖7為實施例2中C升溫程序條件下實驗峰形與預測峰形對比圖。 預測峰形，虛線代表實驗峰形。
具體實施方式
實施例1
儀器ΗΡ6890氣相色譜儀，氫火焰離子化檢測器，6890氣相色譜工作站；
色譜柱非極性的ΗΡ-5 (5%苯基甲基聚矽氧烷)柱；
條件檢測器的溫度為250°C，進樣口溫度為250°C ；
載氣使用高純氮氣(純度不低於99. 999% )，恆流操作模式，即載氣在柱出口處，
質量流量保持恆定，為lmL/min ；
進樣方式分流進樣，分流比為50 1，每次的進樣量為0.2 4 1^，濃度為148/!^;
(1)選擇庚酸為待測化合物，在朋_5柱上測定其在301、501、1001、1501、 200 °C 和 250 °C 六個恆溫下的保留時間，分別為 25. 01min、14. 32min、7. 30min、3. 07min、 2. 34min 和 2. 08min ；
(2)取虛擬死時間τ = 1. 85min，根據式1計算庚酸在六個恆溫下的保留因子，圖中實線代表圖中實線代表圖中實線代表圖中實線代表圖中實線代表圖中實線代表分別為:2. 53、1.91、1.08、-0.42、-1. 33和-2. 12。在較低溫度時，庚酸在兩相間的分配比較緩慢，並受到傳質阻力擴散項等的影響，因此，在利用式2對六個恆溫下的保留因子與溫度關係的曲線進行擬合時，需要對以上參數加以修正，最終得出參數a、b、c和d，分別為-8. 4224X IO"7,1. 2051 X 10_3、-0· 5881和96. 8190 ；從而得出庚酸在程序升溫過程中，保留因子與溫度的關係式如下
Ink = -8. 4224X10" · T3+l. 2051 X 1(Γ3 · T2-O. 5881Τ+96. 8190
(3)首先在電腦程式中輸入以下已知參數恆溫溫度值I\(3(TC )、待測化合物的初始濃度1 μ g/mL、保留因子Ic1 (2. 53)、理論塔板數N以及跳躍次數1 ；不斷調整輸入的峰形參數值的大小，使得最終獲得預測峰形與實驗峰形完全吻合，求得30°C時庚酸的峰形參數值為21. 00。
同理，可分別求得庚酸在50°c、100°c、15(rc、20(rc和250°C條件下的峰形參數分別為 16. 97,7. 00,2. 00、-1. 83 和-9. 21。
通過回歸分析，得出庚酸在多階程序升溫條件下，峰形參數與溫度的關係式如下
In psp = -4. 4509 ΧΓ6 · T3+5. 8055 X 1(Γ3 · Τ2~2. 5711T+391. 7654
選擇三個不同的程序升溫，它們分別為
A 程序升溫 30 °C (保持 2min) — 5 °C /min — 70 °C (保持 lmin) — 25 °C / min — 250 °C ；
B 程序升溫 30°C (保持 2min) — 10 V /min - 70 °C (保持 lmin) — 25 °C / min — 250 °C ；
C 程序升溫 30°C (保持 2min) — 15 °C /min - 70 °C (保持 lmin) — 25 °C / min — 250 °C ；
在電腦程式中輸入以下數據柱相比β、待測化合物起始濃度C·、理論塔板數 N、跳躍次數η、六個恆溫溫度值、虛擬的死時間τ、保留因子和峰形參數與溫度關係式中的各參數、多階程序升溫的初始溫度、第一階段終止的溫度、第二階段終止的溫度、第一階段的升溫速率、第二階段的升溫速率、初始溫度下保持的時間和第一階段程序升溫終止溫度下保持的時間；運行電腦程式，分別得到庚酸在上述三種程序升溫條件下的預測的色譜峰形。
(4)利用ΗΡ-5柱在氣相色譜上分別獲取庚酸在以上三個程序升溫條件下相應的色譜峰形，並且與預測峰形相對照，依次如圖2、3、4所示。
對以上各自的對比圖觀察可看出，預測峰形已與實驗峰形達到了很高的吻合度， 證實了以非線性塔板理論為基礎預測不同程序升溫條件下的伸舌色譜峰形的方法的可行性。
本實施例預測相對誤差(預測結果-實驗結果)/實驗結果X 100。結果如表一所示
表一不同程序升溫條件下庚酸預測峰形與實驗峰形之間的相對誤差
權利要求
1. 一種預測多階程序升溫條件下伸舌色譜峰形的方法，該方法是以非線性塔板理論為基礎，針對HP6890氣相色譜儀及非極性的HP-5色譜柱，預測過程中採用任意恆定的虛擬死時間，其特徵在於包括以下過程1)虛擬死時間τ的設定色譜柱設定溫度變化範圍為30-250°C，測定待測化合物在T1 =30°C、T2 = 50°C、T3 = IOO0C > T4 = 150°C、T5 = 200°C和 T6 = 250°C六個恆溫下的保留時間tK1、tK2、tK3、tK4、tE5和tK6，確定其中最小保留時間值，以小於該最小保留時間值的任意一個時間值均可作為虛擬的死時間；2)恆溫條件下保留因子k的計算根據步驟1)測定的六個恆溫下的保留時間tK1、tK2、 tK3、tK4、tK5、tK6和已經確定的虛擬死時間τ，採用式1，計算六個恆溫下對應的保留因子ki、 k2、k3、k4、k5 禾口 k6,k = αΕ-τ)/τ式 1式1中k為保留因子，τ為虛擬的死時間， 、為對應各個溫度點的保留時間；3)恆溫條件下峰形參數(peakshape parameter, psp)的計算峰形參數psp定義為基於非線性塔板理論建立的待測化合物在同一塊塔板上固定相與流動相中的濃度之間的函數關係中的係數，函數關係如下式 Cs=psp-C2M+(k + \)-CM^2 Cs+Cm — Cn式 3式2中psp為峰形參數值；Cs、Cm為待測化合物在同一塊塔板上固定相和流動相中的濃度； 式3中Cn為待測化合物在同一塊塔板上固定相與流動相中濃度之和； 以下述電腦程式運行，計算不同溫度條件下的峰形參數值 首先在程序中輸入已知參數恆溫條件下色譜柱溫度T、待測化合物的初始濃度C-、 待測化合物在該溫度條件下的保留因子k、理論塔板數N以及跳躍次數1 ；再利用式2和式 3，輸入三個不同的峰形參數值，分別對比電腦程式運行獲得的峰形與實驗峰形，得出峰形參數與峰形大小之間變化趨勢的關係；不斷調整輸入的峰形參數值的大小，直到獲得的該恆溫條件下的峰形與實驗峰形完全吻合時，該數值便為該待測化合物在該溫度條件下的實際峰形參數值；利用第i次跳躍對應的保留因子以及設定的峰形參數值psp，根據式4和式5，分別計算待測化合物在第1、2、3. . . n. . . N塊塔板中固定相和流動相的濃度 Q. ,= — .『,+(眾+ 1)· C-式 4Csni+CMni = Cni式 5式4中CSni和Csfai分別為跳躍次數為i時，待測化合物在第η塊塔板中固定相和流動相中的濃度；式5中Cni為跳躍次數為i時，待測化合物在第η塊塔板中的總濃度，它由式6確定Cni = Cs (n-l)i+CM(n-i) (i-i)式 6Cmoo = 1 ^ g/mL式6中=Cmcici為待測化合物的起始濃度，Cs(n_m為跳躍次數為i時，待測化合物在第n-1塊塔板的固定相中的濃度， CMfa-D(Η)為跳躍次數為i_l時，待測化合物在第n-1塊塔板的流動相中的濃度；當待測化合物跳躍至最後一塊塔板時，待測化合物仍按照式4、式5關係進行分配，當進行下一次跳躍時，最後一塊塔板上流動相中的待測化合物流出，記錄該時刻流出的濃度值，固定相中的待測化合物與上一塔板流動相帶入的待測化合物重新進行分配，如此，直至達到設定的跳躍次數，保證待測化合物全部流出色譜柱，由此得到待測化合物在每一次跳躍時對應流出濃度值的數據點，並由這些數據點構成的圖形即為預測的伸舌色譜峰形；在上述電腦程式中分別設定1\、T2, T3, T4、T5和T6六種溫度數值，並由此得到相應的峰形參數值 psp」 psp2、psp3、psp4、psp5 禾Π psp6 ；4)確定待測化合物在程序升溫條件下色譜柱內任意一次跳躍時，對應的溫度Ti (1)以式6確定每次跳躍需要的時間Δτ,Δ τ = τ /(N-I)式 6式6中τ為虛擬的死時間，由步驟1)已確定， N為色譜柱固有的理論塔板數；(2)待測化合物在色譜柱內跳躍i次，共需時間由式7計算， tj = Χ Δ τ式 7式7中，i是跳躍次數；(3)在多階程序升溫中，計算多階程序升溫的總時間t t = thl+t1+th2+t2 式 8式8中thl為起始溫度的保持時間，經驗數值為l-5min，th2為第一階段程序升溫的終止溫度的保持時間，經驗數值為l-5min， 、為第一階段程序升溫的需要時間， t2為第二階段程序升溫的需要時間， 、和t2分別由式6和式7計算得到 ti = (Tffl-T0)Zr1式 9t2 = (Tf-Tffl)/r2式 10式9中Tm為第一階段程序升溫的終止溫度， T0為起始溫度，Γι為第一階段程序升溫的升溫速率； 式10中Tf為第二階段程序升溫的終止溫度， r2為第二階段程序升溫的升溫速率， 其中，巧和r2的經驗取值範圍為5-30°C /min ；(4)確定待測化合物第i次跳躍時，此時色譜柱對應的溫度Ti 當、<41，則柱溫1\ = 1；，當 thl <、< (thl+ti)，則柱溫 Ti = T1X (t「thl)+T0, 當(、+、)彡、彡(Wth2)，則柱溫 Ti = Tm, 當(Wth2) <、 t，則柱溫Ti = Tf ；5)多階程序升溫條件下保留因子k及峰形參數psp與溫度關係的確定(1)利用六個恆溫溫度值1\、T2,T3、T4、T5和T6以及步驟2)中求得的相應的保留因子 k」 k2、k3、k4、k5和k6，通過回歸分析，得到保留因子k與溫度T之間的函數關係式為式11 In k = aT3+bT2+cT+d式 11其中參數a、b、c和d均為定值；由此計算出程序升溫中任意溫度點Ti對應的保留因子Iii ；(2)利用六個恆溫溫度值1\、T2,T3、T4、T5和T6以及步驟3)中獲得的相應的峰形參數值ρ8ρι、ρ φ2、ρ φ3、ρ φ4、ρ φ5和psp6，通過回歸分析，得到峰形參數psp與溫度T之間的函數關係式為式12 In psp = a' T3+b' T2+c' T+d'式 12式12中，參數a'、b'、c'和d'均為定值；由此計算出程序升溫中任意溫度點T1對應的峰形參數psp ；6)多階程序升溫條件下待測化合物預測峰形的獲得在電腦程式中輸入以下數據柱相比β、待測化合物起始濃度CM(I(I、理論塔板數N、跳躍次數η、六個恆溫溫度值、虛擬的死時間τ、保留因子和峰形參數與溫度關係式中的各參數、多階程序升溫的初始溫度、第一階段終止的溫度、第二階段終止的溫度、第一階段的升溫速率、第二階段的升溫速率、初始溫度下保持的時間和第一階段程序升溫終止溫度下保持的時間；通過步驟幻中所述的計算機運行程序，得到待測化合物在該程序升溫條件下的預測的伸舌色譜峰形。
全文摘要
本發明公開了一種預測多階程序升溫條件下伸舌色譜峰形的方法。其方法主要包括根據虛擬死時間求不同溫度下的色譜保留因子值；根據非線性塔板理論，利用電腦程式搜索出恆溫條件下的峰形參數值psp；基於不同恆溫條件下待測化合物的保留因子和峰形參數，回歸分析分別建立二者與溫度之間的函數關係；設定升溫程序，通過計算機運算得出預測的伸舌色譜峰形，並與相同程序升溫條件下獲得的實驗峰形進行比較。本發明對於伸舌峰這一類色譜峰形的定性提供了重要依據，優化了色譜分離條件，同時對實驗室中常見的重疊色譜峰的準確定量提供了新的途徑。此外，該發明適用範圍廣，預測精度高。
文檔編號G01N30/86GK102507817SQ20111037521
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者李登科, 範國樑, 龔彩榮 申請人:天津大學