气相色谱仪分析法

2018,气相色谱仪分析法,气相色谱仪,样品在气化室内迅速气化，并在恒定载气流带动下进入色谱柱，经色谱柱分离后的各组分先后进入检测器，检测器将组分的浓度信号转变为电信号，并经过方法器放大后由记录仪记录测量。出峰的相对时间构成定性分析的依据，峰面积或峰高与组分浓度成正比，构成定量分析的依据。,一、气路系统,气相色谱仪的气路系统是一个载气连续运行、管路密闭的系统，气路系统的气密性、载气流速的稳定性以及流量测量的准确性都直接影响分析结果。气路系统包括气源系统、净化系统、压力流量控制系统。,1、气源系统,气源的作用是提供足够压力的气源。主要分为载气和辅助气。载气是携带分析试样通过色谱柱，提供试样在柱内运行的动力，辅助气是提供检测器燃烧或吹扫用。目前我国主要使用的载气有氢气、氮气、氩气、氦气。载气不仅要与固定相充分接触，还要直接进入检测器，所以载气的性质、纯度、流速对试样的检测结果都有很大的影响。根据检测器的不同可以选择不同的载气。,1.1主流检测器的载气条件选择原则,1.1.1 热导池检测器（TCD）载气种类：通常选用氦气和氢气作载气，因为他们的热导系数远远大于其他化合物。用氦气和氢气作载气的TCD,其灵敏度高，且峰形正常，响应因子稳定，易于定量，线性范围宽。载气纯度：1）、载气纯度影响TCD的灵敏度。实验表明：在桥流160200mA范围内，用99.999%的超纯氢气比用99%的普氢灵敏度高6%13%。2）、对峰形也有影响，用TCD作高纯气杂质检测时，载气纯度应比被测气体高10倍以上，否则将出倒峰。载气流速：TCD的峰面积响应值反比于载气流速。在柱分离许可的情况下，载气流速要尽量低且必须保持恒定。一般在1020mL/min.流速波动可能导致基线噪声和漂移增大。,1.1.2 电子捕获检测器（ECD） 其灵敏度与样品的瞬时浓度成正比，因此较小的载气流速能获得较大的灵敏度。载气种类：N2、Ar、He、H2均可做ECD的 载气。N2、Ar作载气时的基流和灵敏度均高于He、H2，故填充时通常用N2和Ar作为载气。载气纯度：它直接影响ECD的基流或基频。氧具有强烈的吸电子性，使基流下降。流速：载气流速主要从组分分离要求确定，通常填充柱为2050mL/min,毛细管柱为0110mL/min。为保持毛细管柱达到一定的柱效，需加尾吹气，达到减小谱带柱变宽、保持ECD达饱和基流或稳定基频、峰面积达到最大响应的目的。,1.1.3 氢火焰离子化检测器（FID） 当色谱柱、样品组分一定时，载气总流量在30mL/min附近灵敏度最高，流量过低过高都会造成响应减少、灵敏度降低。同时载气与氢气的配比以及空气的流量，都影响检测器的灵敏度。一般气体流量比例可设为：载气：空气：氢气=1:10:1.载气种类：因氮气价格比氩气低，通常选用氮气作为载气，FID的灵敏度高、线性范围宽。气体纯度：在做痕量分析时，要求三种气体的纯度要达到99.999%以上，空气中总烃小于0.1uL/L。因为钢瓶气源中的杂质可能会造成FID噪声、基线漂移、假峰、柱流失和缩短柱寿命等问题的产生。氢气和空气的流速：1）氮氢比：氢气是保持氢火焰正常燃烧的燃气，还为氢解反应和非甲烷烃类还原成甲烷提供氢原子。2)空气流速 ：空气是氢火焰的阻燃气，同时也起着把二氧化碳和水等燃烧产物带走的吹扫作用，通常空气流速为氢气流速的10倍。,2、净化系统,2.1 净化器的作用。 保证气相色谱的分析质量和分析结果的稳定性，延长柱寿命和减少检测器的噪声。主要去除气体中的水分、烃、氧。这些成份会产生噪声、额外峰和基线“毛刺”，破坏毛细管柱，使固定相降解，缩短色谱柱的寿命2.2吸附剂的活化 一般是使用吸附剂进行吸附净化，常用的吸附剂有硅胶、分子筛、活性炭及催化剂脱氧剂，使用前必须活化，因为减少残留的水，增加脱水效率，且失活后可再生重复使用。针对不同气体可以采用不同类型的分子筛达到不同的净化要求。如下图：,3、压力流量控制系统,在恒温色谱中，色谱柱的渗透性并不改变，因此用一个稳压阀，使柱子进口压力恒定，流速稳定，这样在一定温度下，恒定流速将在特定的时间内把组分冲洗出来，这个时间为保留时间。测定流速最简便的方法是用皂膜流量计。它的实际校正公式为：,目前一些新型的气相色谱仪多采用电子压力控制（EPC）系统来准确控制和调节载气、燃气和阻燃气的流量。采用EPC技术主要具有一下优点：1、气体流量控制准确，重复性好，因载气流量变化引起的保留时间测量的相对标准差小于0.02%。2、由仪器的液晶屏显示气体的压力和流量，可省略压力表和部分流量调节阀，简化了仪器结构。3、提高了仪器的自动化程度，自动记录运行过程的压力、流量变化。也可自动检查色相色谱系统是否漏气，保证操作过程的安全。4、便于实现载气的多模式操作，如恒流操作、恒压操作和程序升压操作。,采用毛细血管柱色谱分析时，在毛细血管的末端需增加尾吹气以增加色谱柱末端气体流速，缩短流出色谱柱的样品组分进入检测器所需的时间，减免可能产生的扩散，提高柱效分离和分离效果。下图为电性的双柱气相色谱仪气路系统图：,气路系统的使用注意,1、空压机储罐要经常放水，以减少净化器填料的更换次数。2、氢气减压阀和钢瓶连接时必须加密封圈。3、使用减压器调节所需压力时，应使压力从小到大到所需压力，并注意小阀的状态。4、防至硅胶气路管掉到箱排热口而爆裂。5、要经常检查和更换进样垫，保证进样口的气密性。,二、进样系统,GC进样可采用微量进样器或自动进样器取样。自动进样器可自动完成进样针清洗、润冲、取样、进样、换样等过程，进样盘内可放置数十个试样。 常规气相色谱仪一般有毛细管柱和填充柱两个进样口。毛细管柱的进样系统包括进样口、气化室和分流器。进样口内插有玻璃衬管，样品进样后的气化在此处完成。分流器包括分流比阀、针形阀和电磁阀等控制部件，用以完成不同进样方式的样品分流。,进样口的内的衬管为气化室，是样品进样瞬间发生气化的装置。多为玻璃或石英材料制成。进样时针尖的位置应位于衬管的中部，衬管中部的温度最高而两端的温度较低。如图所示：,进样方式的选择：1、物质的性质。（热稳定性）2、物质的含量。（含量的大小50ppm,FID)3、物质的极性。（用程序升温气化）,常见GC进样口和进样技术的特点,三、分离系统,分离系统由色谱柱组成。色谱柱是色谱仪的核心，在此处完成样品组分的分离。根据固定相状态的不同，气相色谱分为气固色谱和气液色谱。 气固色谱的固定相为多孔性的固态吸附剂，其分离主要基于吸附剂对样品中各组分吸附力的不同，经反复吸附与解吸过程实现分离。 气液色谱的固定相由载体和固定液所组成，其分离主要基于固定液对样品中各组分的溶解能力的不同、分配系数不同，组分在气液两相间经反复多次分配实现分离。,填充柱和毛细管柱相比,填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内填有固定相，柱内径一般为24mm，柱长110m. 常用的毛细管柱分为用于气液分析的凃壁开管（WCOT）柱和用于气固分析或在多孔材料表面再涂一层固定液进行气液分析的多孔层开管（PLOT）柱。毛细管柱由于传质阻力小，与填充柱相比，具有分离效率高、分析速度快、样品用量小等优点，由于柱容量低，必须要求检测器的灵敏度要高。,四、检测系统,如果说色谱柱是色谱仪的心脏，那么检测器就是色谱仪的眼睛。 根据检测器的响应信号与被测组分的质量或浓度关系，可分为浓度型和质量型检测器 浓度型检测器的响应信号E与载气中某组分浓度C成正比 E C 浓度型检测器测得的峰高表示组分通过检测器时的浓度值，峰宽表示组分通过检测器的时间。峰面积随着流速增加而减少，峰高基本不变，适合检测仪器有TCD和ECD.质量型检测器的响应信号E与单位时间进入检测器的某组分质量成正比：E dm/dt 质量型检测器测得的峰高表示组分单位时间内通过检测器的质量，峰面积表示组分的总质量。峰高随着流速增加而增大，峰面积基本不变。适合检测器的有FID、FPD、MSD.,性能评价,对检测器的性能评价通常要求灵敏度高、检测限低、体积小、响应迅速、线性范围宽等。1、响应值（灵敏度）S：在一定范围内，响应信号E与进入检测器的物质的质量m呈线性关系。E=Sm S=E/m色谱中检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积A除以物质质量可得：S=A/m2、最低检限值（最低检测量）：噪声水平决定能被检测到的浓度或质量。一般是将检测器响应值为3倍噪声水平时的试样浓度定义为最低检测限。,3、线性与线性范围：检测器的线性是指检测器响应值的对数值与组分量对数值之间成比例的状况。检测器的线性范围是指检测器响应值与进入检测器的组分量呈线性关系的范围，常用最大允许进样量与最小允许进样量之比来表示。检测器的线性范围宽可以保证对微量组分、高含量组分同时进行定量测定。下表为常用检测器的性能。,五、控制系统和数据处理系统,1、温度控制 气相色谱仪的气化室、色谱柱箱、检测器等都需要进行温度设定和控制。 气化室温度一般在250300度。在保证样品组分能瞬间气化的前提下，应尽量降低气化室温度，以延长隔垫等的使用寿命。 色谱柱的温度设定要低于色谱柱的最高使用温度，在保证组分分离的前提下，应尽可能降低色谱柱的使用温度，以减少高温可能带来的固定相的流失和柱效下降。 检测器温度的设要保证呗分离组分到达检测器时不被冷凝。,2、气体压力控制 气体具有稳定的流速是GC分析定性定量分析的前提和保证。GC中气体流速的控制是通过气体压力的控制来完成的。电子压力控制（EPC）是目前有效控制气相色谱仪中气体压力的重要部件。3、数据采集和处理硬件：是指信号采集器，可将色谱仪检测器输出的模拟信号转变为计算机能够接受的数字信号，起着计算机与色谱仪之间的桥梁作用。软件：是指接受由硬件传来的色谱信号采样数据，并实现谱图显示、色谱峰检测和基线矫正、定量计算、打印报告等功能的计算机程序。,液相色谱仪,1、输液系统 主要由贮液器、高压输液泵、过滤器、脱气装置和梯度洗脱装置等组成。1） 贮液器用来提供足够数量的符合要求的流动相，以完成分析工作。所有溶剂在放入贮液罐前必须经过0.45um滤膜过滤，除去溶剂中的机械杂质，以防输液管道和进样阀产生阻塞现象。2）、对贮液器的要求：（1）必须有足够的容积，以备重复分析时保证供液。（2）脱气方便。（3）能耐一定的压力。（4）所选用的材质对所使用的溶剂都是惰性的。 3）、贮液器材质： 一般采用不锈钢、玻璃、聚四氟乙稀、特种塑料聚醚醚酮（PEEK）衬里为材料。 4）、贮液器容积： 一般为0.52L为宜。,高压输液泵： 1、类型： 有恒流泵和恒压泵。 2、优势：（1）高效：填料颗粒小，分离效率高，柱压降大，泵工作压力大。（2）分析时间短：流速更快，柱压降大。（3）减少洗脱液用量。（4）多元洗脱。,过滤器： 在高压输液泵的进口及它的出口与进样阀之间应设置过滤器。常见的过滤器有溶剂过滤器和管道过滤器。 过滤器的滤芯采用不锈钢烧材料，孔径为23um，耐有机溶剂的侵蚀。若发现过滤器堵塞（发生流量减小现象），可将其浸入稀HNO3溶液中，在超声波清洗器中用超声波振荡1015min，即可将堵塞的固体杂质洗出。若清洗后仍不能达到要求，则应更换滤芯。,脱气装置： 所有溶剂在使用前必须脱气。因为色谱柱是带压力操作的，而检测器是在常压下工作。若流动相中所含的空气不除去，则流动相通过色谱柱时其中的气泡受到压力而压缩，流出色谱柱后到检测器时因常压而将气泡释放出来，造成检测器噪声增大，使基线不稳，仪器不能正常工作。 梯度洗脱装置： 分低压梯度和高压梯度。,色谱柱,液相色谱柱是高效液相色谱仪的核心部分，是分析好坏、成败的关键。,分离系统功能： 组分分离目标：分辨力强、效率高,检测器,理想的HPLC检测器1）高灵敏度，可忽略的基线噪声。2）宽的线性范围3）独立于流动相及操作参数的响应 对压力、温度及流速等变化不敏感4）长时间操作的稳定性5）低死体积6）非破坏性7）选择性,检测器的功能是将分析组在柱流出液中浓度的变化转化为光学或电学信号。选择检测器应考虑以下一些因素：1）分离的化合物/样品的化学特性 化学结构、分子量、紫外光谱等2）流动相的影响溶剂、缓冲盐改性剂3）梯度还是等度4）灵敏度需求5）是否有双检测的需求,紫外可见吸收检测器,原理：基于被分析组分对特定波长紫外线的选择性吸收优点：1）对温度和流速不敏感2）可用于梯度洗脱3）灵敏度较高，ng级检测4）费用相对低廉5）易于操作，可靠性强缺点：选择性检测器，仅适用于测定有紫外吸收的物质,是HPLC分析中最常见的检测器,气相色谱和液相色谱的异同点,相同点：基本原理相同都是利用物质在流动相和固定相中的分配系数的差别，从而在两相间反复多次的分配，是原来分配系数差别很小的各组分分离开来。,二、气相色谱固定相及其选择,1、气固色谱固定相 气固色谱固定相为多孔性的固体吸附剂颗粒，其分离基于吸附剂对试样中各组分吸附能力的不同。常有的吸附剂有：活性炭、活性氧化铝、硅胶、分子筛、高分子多空微球。 主要特点：1）分离性能受吸附剂制备条件和活化条件的影响最大2）不同厂家生产或不同活化条件得到的同一种固定相的分离效果差异较大3）此类固定相的种类有限，适于分离的对象有限。,气固色谱法常用的几种吸附剂及其性能,气液色谱固定相,载体是一种化学惰性、多孔性的固体颗粒，他的作用是提供一个惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。对载体有以下几个要求：1）表面应是化学惰性，即表面没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物质器化学反应。2）多孔性，即表面积较大，使固定液与试样的接触面较大。3）热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎。4）对载体粒度的要求，一般希望均匀、细小，一般选用60100目等常用载体有硅藻土型和非硅藻土型两类,气液色谱固定液,要求：1）挥发性小，在操作温度下有较低蒸汽压，以秒流失2）热稳定性好，在操作温度下呈液态不分解3）对试样各组分有适当的溶解能力，否则组分易被载气带走而起不到分配作用4）具有高的选择性，对沸点相同或接近的不同物质有尽可能高的分离能力5）化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。选择：相似相溶原理1）分离非极性物质，一般选用非极性固定液2）分离极性物质，选用极性固定液3）分离非极性和极性混合物，一般选用极性固定液4）对于能形成氢键的试样，一般选择极性的或是氢键型的固定液,气相色谱分离与操作条件选择,一、色谱柱及有关条件的选择1、固定相的选择2、固定液配比的选择3、柱长和柱内径的选择4、柱温的确定二、载气种类和流速的选择三、其他操作条件的选择1、进样方式和进样量的选择2、气化温度的选择,一、色谱柱及有关条件的选择,如图为色谱柱固定相极性的一般顺序图。对于非极性组分，选择如甲基取代的聚硅氧烷非极性固定相，对于中等级的组分，选择含苯基20%50%的聚硅氧烷，对于极性组分，选择聚乙二醇固定相。,2、固定液配比的选择 固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比，配比通常在5%25%之间。配比低，担体上形成的液膜薄，传质阻力越小，柱效高，分析速度也越快。但固定相的负载量低，允许进样量较小。通常使用较低的配比。3、柱长和柱内径的选择 增加柱长有利于提高分离度，但柱长会增加会增加组分的保留时间，同时增大柱阻力，影响柱效率。在满足分离目的的前提下，尽可能选择较短的色谱柱，有利于缩短分析时间，提高分析效率。一般填充柱的柱长在24米，毛细管柱在1030米。对于复杂混合物可采用50、60、100米。 柱内径增加会增加峰容量，降低柱阻力，也会降低分离度。一般填充柱选择34米，一般毛细管柱优先考虑内径为0.25mm的色谱柱，在根据样品情况选择其他内径。,4、柱温选择1）柱温应控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温