气相色谱课件.ppt

1、GC-3800 气相色谱仪基础课程,一、气相色谱基础,色谱原理 气相色谱系统 色谱基本理论 载气 进样口 色谱柱 检测器 定量分析方法,色 谱 原 理,根据样品各组分在流动相和固定相中的分配情况不同来进行分离。 一些组分与固定相作用较强，故较慢流出色谱柱，从而得以分离。,样品组分分离示意图,进样时,分离时,洗脱时,2. 气相色谱系统,控制面板,气路控制,压力控制,柱箱,计算机,色谱工作站,检测器,进样口,气体钢瓶,色谱图,检测信号和时间的关系图 不同的色谱峰对应相应的组分 可以得到相应组分的保留时间和峰面积信息。 保留时间 定性分析 峰面积 定量分析,3. 气相色谱理论,CH4,保留时间（Re

2、tention time)： 组份从进样到出现最大值所需要的时间，tR 死时间(dead time): 不被固定相滞留的组份，从进样到出峰最大值所需要的时间，t0 峰高（Peak Heigh) 从峰最大值到峰底的距离 峰面积（Peak Area) 峰与峰底之间的面积,基本术语,两个相邻峰的分离程度。以两个组份保留值之差与其平均半峰宽值的比来表示：,当R=1 时，有5的重叠； 当R=1.5时，分离程度为99.7%，可视为基线分离 毛细管色谱柱比填充柱有更高的分辨率.,分离度（Resolution),例如，图示中塔板数为3.,塔板理论,柱效能（Column Efficiency),峰展宽的度量.

3、以塔板数来表示 类似蒸馏中的气液平衡,峰的形状,理想的峰型是高斯曲线. 分子的理论统计学分布,A. 涡流扩散 (不同路径的影响 )., 取决于色谱柱大小、形状和填充的好坏 毛细管柱可忽略该项,影响色谱柱效率的因素,气相中分子的扩散 主要决定于气体流速,影响色谱柱效率的因素,B. 纵向扩散., 样品组分从气相到液相容易. 主要取决于气体的流速和固定相量的多少。,影响色谱柱效率的因素,C. 传质阻力,综合上述三个峰展宽的因数 HEPT : 理论塔板高度 (Height equicalent to a theoretical Plate)：,HETP = A + B / + C ,这里： A = 涡

4、流扩散 B = 纵向扩散 C = 传质阻力 = 载气的线流量 低的 HETP= 高的色谱柱效率 如果已知有效塔板数，则可计算：,Neff = Lcol / HETP,著名的范德母特（Van Deemter）方程, 由该图可以得到最佳的线速度 对于毛细管柱可忽略A项（涡流扩散），一般对于毛细管线速度为30-60 cm/sec。,Van Deemter 图, N2, 变化最大, 可得到最低的HETP. H2 和 He 曲线较平坦，即使较高的流速下也能得到较低的HETP 所以即使在较高的分析速度时，也可以得到较好的分离度.,4. 载气对Van Deemter图的影响,常用毛细管柱的最佳载气流量,气

5、体,作用： 1）载气：作为色谱的流动相 2）检测器的工作气体。 载气： 惰性：He, Ar, N2, H2. 根据检测器, 价格及方便程度来决定 采用压力调节器以获得恒定的仪器输入压力 控制流量来得到恒定的流速,气体的类型由检测器决定. 气体要求色谱级的高纯气体99.999 %,过滤系统: 除氧. 活性炭除碳氢化合物。 分子筛除水,气体的供应和控制,载气推荐采用H2、He: 分离度好 对TCD灵敏度最高，而且可保护W丝 注意安全问题,两级的气体压力调节器. 低压端可从0到100 psi. 注意：不要用不干净的管路,气体进口及连接,如果管线太长，应适当增加输出压力,仪器上所有的气体都使用 1/8

6、” Swagelok 的接头连接,气体进口及连接 （续）,5 进样口,作用：样品进样和汽化. 要求：精度和重现性 根据样品的性质选择进样技术,填充柱进样口 柱上进样(On Column) 快速气化（Flash-vaporization） 毛细管柱进样口 分流/不分流进样 分流 分流进样规则 不分流进样的规则,5 进样口,填充柱进样口,柱上进样(On Column) 快速气化（Flash-vaporization） 柱上进样(On column) 液体样品直接注射进柱头上 消除了气化时样品损失。 消除了传输过程中从进样口到色谱柱之间的样品损失。 可用于热不稳定物质的分析。 定量分析精度好。 最好

7、用于干净稀释的样品。,Model 1041,可用于填充柱和0.53毛细管柱 标准配制如右图，用于0.53mm的毛细管柱 如用于填充柱，则将右图中的“530 micron insert”拆下，将填充柱装到顶,标准工具包里带两个柱螺母，一个闷头 1041的进样垫为10.5mm，与1079（11.4mm）、1177 (9mm) 不一样。,快速气化（Flash-vaporization）,对于浓度较高或较脏的样品。 色谱柱连接在进样口底部。 色谱柱完全填充。 样品在玻璃内衬中气化 进样口至少高于柱温箱50C。 能够用于大口径的毛细管。,毛细管进样,只需要少的进样量 需要特别的进样技术分流/不分流/柱上

8、进样 载气流量小 但检测器需要尾吹 需要特别的硬件 隔垫吹扫 分流装置 压力、流量调节,毛细管柱进样口,要求不同的硬件和技术。 直接进样. 分流/不分流进样. 柱上进样 直接进样 -(柱上进样或快速气化) 只用于大口径 ( 0.53 mm 内径). 将注射器中的样品全部送入到色谱柱. 允许缓慢注入较大体积的稀释样品 ( 2 L)。 相对低的进样口温度。,分流/不分流进样,用于毛细管柱0.1 mm to 0.53 mm ID. 可选用分流/不分流进样 (split/splitless.) 分流(split) 允许样品中的代表部分进入到色谱柱中。 当被测物浓度较高时。 不分流(splitless)

9、 类似于直接进样. 样品中绝大部分进入到色谱柱中。,分 流,均匀气化的样品通过分流点(柱尖端Colomn tip). 样品在玻璃衬管气化 要求： 将样品中具有代表性的样品注入到色谱柱中。 可重现的分流比 缺点 可能会有进样歧视现象。对宽沸程的样品易产生非线性分流，使样品失真 不适于高纯度物质和痕量组分(50ppm)的分析,分流比,分流比的设定根据样品的浓度和复杂程度来决定。总流量一定要大于20ml/min 隔垫吹扫： 用途：赶走残留样品和溶剂。 2-5 mL/min的载气直径吹扫隔垫底部。 可用烧结的限制器和针型阀来控制。 在特有的毛细管柱进样口上使用。,分流比S.R.,排气口流量 + 色谱柱

10、流量 色谱柱 流量,=,Model 1079,1079 进样口气路图,(a) Split (b) Splitless,1079的进样垫直径为11.4mm,1079 进样口,1079 进样口气路图,1177分流/无分流毛细柱进样口,进样垫,O型密封环,分流出口,进样衬管,载气进口,隔垫吹扫,分流点,分流进样规则,进样口温度比样品中最高沸点的温度至少高20C，以便高效且得到好的重现性。 针头不用预热，快速进样，并迅速拔出针头。自动进样器一般为1L或更少。对高沸点的样品应在进样口停留1-2s. 如果程序升温，柱温箱的温度应该高于溶剂的沸点，进样后应快速升温。 以确保隔垫吹扫打开，设定为2-5 mL/

11、min.,不分流进样的规则,将软件置于不分流模式（splitless）。所有进样口的流量应经过色谱柱和隔垫吹扫. 将进样口温度设置为沸点最高物质的沸点上。 用“三明治”技术慢慢进样。在进样口预热针头0.05 min. 以1.0 L/sec的速度进样。让注射器停在进样口几秒钟以确保样品完全气化。 开始时，柱温箱温度设定为比溶剂的沸点低20C，保持1分钟，然后以30C/min的速度升到比溶剂沸点高 40-60C的温度，然后再根据样品需要程序升温。 进样时间为0.5-1.0分钟后，进样口切换到分流模式。排气流量至少应设为50 mL/min. 保证隔垫吹扫打开，并设为2-5 mL/min.,6. 色谱

12、柱,色谱柱材料和结构,填充柱 - 短(2-3 米), 管内径较粗. 毛细管柱 - 长( 60 米), 内径较细. 所有材料均要求化学及热性质稳定. 热稳定性 - 分析时所使用的温度不应致使色谱柱材质受到破坏 化学稳定性 - 在一定温度下，色谱柱材质不受分析物的影响 注意：用色谱级、干净的材料。,填充柱,玻璃、特氟珑及不锈钢材质 (惰性).,填充柱中填有固态载体，上面涂有液态固定相，用于气液色谱（GLC）或直接填充多孔固体，用于气固色谱（GSC）.,填充柱尺寸,固态载体,是液态固定相附着的载体 增加与样品接触的表面积。 细小、均匀、多孔。 大部分采用硅土. 标准大小颗粒.,直径大小与目号的关系,

13、例如: 80/100目表明所有的颗粒将通过 80目筛但不通过 100目筛. 80目筛是指筛网每英寸有80根标准直径的网线。,毛细管柱,不锈钢 玻璃 熔融硅. 柔韧性及机械强度均较好 惰性 内径：0.05 - 0.80 mm . 长度：可大于100 m , 普通一般为30 m。 外层为聚酰亚胺，可修补柱子缺陷并且增加强度。 柱子内表面进行硅烷化处理。 内壁涂有固定相.,毛细管柱截面图,毛细管柱,WCOT - 内表面涂有很薄的固定相. PLOT 内表面涂有多孔的固体层或吸附剂 SCOT 内表面先涂固态载体，然后再涂上固定相。,色谱柱参数,柱长、内径、涂膜厚度 色谱柱长度 柱长度只有大的变化才会影响

14、分辨率。 填充柱一般为2-3 米. 毛细管柱可以根据需要进行裁剪。 色谱柱内径 填充柱固定为2 mm。 毛细管柱的内径可从0.10 - 0.8 mm. 内径的大小将影响到色谱柱的效率、保留时间和柱容量. 较小的内径有较小的流失和较小的柱容量,毛细管柱内径,0.25mm：用于分流/不分流进样，或柱上进样，前提是被测物不会过载。 0.32mm：用于分流/不分流进样，或柱上进样，允许较高浓度的分析物。 0.53mm：如果想取代填充柱，并且被测物少于30种。,典型的毛细管柱特点,涂膜厚度,固定相的总量. 影响保留时间和容量。 较厚的涂层会延长保留时间和增加柱容量。 薄的涂层用于高沸点的分析物。 标准的

15、毛细管柱一般为0.25 m. 0.53 mm内径的毛细管柱一般为1.0 - 1.5 m. 填充柱一般 10 m.,柱容量,柱容量是指色谱峰没有明显变形，样品能够进入到色谱柱中的最大允许量。 以下因素可增加柱容量 : 膜厚 (df). 温度. 内径 (ID). 固定相的选择性. 如果过载，可导致 : 峰变宽. 不对称. 拖尾或前伸峰.,色谱柱中固定相流失,柱流失可以从检测器的背景信号中观察到： 柱流失是由于固定相遭到破坏而导致的。 柱流失随着膜厚、柱内径、长度和温度的增加而增加。 极性柱有较高的柱流失。 柱子损坏或退化，柱流失可能会增加。 避免使用强酸或强碱 按照制造商推荐的温度限制使用,确保载

16、气流过毛细管柱15-30分钟. 缓慢程序升温(5/min)到老化温度。 最初老化时间 4 hours. 如果柱子受到污染, 可在推荐的最高色谱柱温度低20 C的条件下，老化柱子。 一般推荐的老化温度为： Tcond = Tmax/2 - Tapp/2 + Tapp 这里: Tcond = 老化温度 Tmax = 色谱柱推荐采用的最高温度 Tapp = 应用中使用的最高温度 在老化柱子时，一定不要将毛细管接在检测器上。应将那一端放空，同时将检测器用闷头堵上。如果是FID,容许接在上面，但应该将检测器温度升上去。,色谱柱老化,温度限制,恒温最高允许温度 :恒温操作的最高允许温度 程序升温最高允许温

17、度：短期允许的最高温度，一般比恒温允许的最高温度高20C。 当柱子遭受热破坏，可以看到严重的峰拖尾和柱流失。,固态固定相,气固色谱（GSC）最常用于气体样品的分析。 采用的固定相可以是分子筛和氧化铝 固态吸附点少，不会导致拖尾。 无液态固定相导致的柱拖尾。,液体固定相,固定相决定了色谱柱的选择性。 有数百种固定相，尤其是填充柱. 许多固定相有多种商品名。 毛细管柱的固定相选择较简单。 “相似相溶原理” - 用极性固定相分析极性物质。 - 用非极性固定相分析非极性物质. 极性表明了分子中电荷的分配情况。,硅氧烷结构,固定相取代,液态固定相的选择,根据极性选择固定相。 非极性柱分离弱极性物质能得到

18、较好的分离。 对于普通的GC使用, 常用到如VA-5这样的弱极性柱。 避免固定相中带有检测器能够检测的成分。 用聚乙二烯乙二醇固定相来分析带氢键的样品 气体分析可能要求固态的固定相。,7. 检测器,通用型检测器（ Universal Detector) 热导检测器（TCD） 氢火焰检测器（FID） 选择性检测器 电子捕获（ECD） 脉冲火焰光度检测器 （PFPD） 氮磷检测器（TSD),通用型检测器(Universal Detector),热导检测器（TCD） 气相色谱最早的检测器, 1946. 测量样品气流导热性能的变化。 热导-热量从高温物体到低温物体的传导。,TCD 热导池,两个平行的气

19、流，样品和参考。 惠斯通电桥用来比较两个气流的阻抗。 气流的速度、压力及电的变化影响被最小化。,气体的热导,分子越小，运动速度越快，导热性能越好。 H2 和He是最小的分子，它们的热导性能比绝大部分有机物和无机气体高6到10倍。 H2 和He是最普通的载气；N2 和Ar也可采用。,TCD温度的设定： Tfil-Tdet的值越大，灵敏度越高，但太高会使样品分解，且减少灯丝寿命 检测器的温度Tdet：比最高的柱温高3050C 灯丝温度Tfil:：一般，比Tdet高的柱温高50 C,TCD 操作注意事項 1. 打開气体钢瓶 (He, Ar或N2), 並須确认钢瓶无误, 输出压 为 80PSI（5.5

20、kg/cm2 ) 2. 确定流速 Carrier Gas（柱流量Make up流量） = Reference Gas 3. 等待 COL/ INJ / DET 溫度到達設定值 4. 設定 Electronics On ( |TFIL- TDET| = T, T , 灵敏度 ) 5. 等待 TCD 穩定至少約 30 min 左右 6. 開始分析样品 7. 結束分析時設定 Electronics Off 8. 降溫 COL / INJ / DET = 50 (含Filament) 9. 關閉气体钢瓶,氢火焰检测器（FID）,最常用的GC 检测器. - 是有机物的通用型检测器。 - 检出限 10 p

21、g. - 线性范围可达7个数量级 . - 容易操作 破坏型检测器样品燃烧 信号值大小取决于碳原子数目及替代物的数量。,FID结构图,H,2,a,n,d,m,a,k,e,-,u,p,a,i,r,f,p,a,y,s,i,g,n,a,l,p,r,o,b,e,i,g,n,i,t,o,r,p,r,o,b,e,collector,FID工作原理,理论: 在火焰头和收集极（电极）上加一电压。 有机物都在火焰中燃烧(2000F)。 在电极之间产生离子化介质和电子。 带电粒子被收集极吸引和捕获。 离子流被放大和记录。,响应,离子数目正比于碳原子数目(C-H键). 一些官能团如羰基(CO=)、羟基(OH）、卤素（

22、X）、胺（NH4+）则很少或根本不会离子化。 对无机气体如H2O, CO2, SO2, 和Nox不灵敏。 火焰 以氢气和空气作为燃气。 在控制的流速下进行电子点火。 火焰无色除非受到污染。,FID工作原理,燃烧气,H2与载气（或载气尾吹气）的流速一般为1:1 。 空气一般为氢气的10倍。 大的空气流速和热检测器可以赶走大量的水蒸气。,FID燃烧气流速对信号的影响,FID工作原理,FID注意事项,正确设置H2、空气和尾吹气的流量 检测器温度应比柱温箱设定的最高温度高30C，且大于150C以防止水凝结在检测器上 FID在电路打开后，会自动点火。在3800报告熄火以前，最多会连续点火三次 如果报告了

23、熄火，要查找熄火的原因。然后再按GC3800上的“Ignite”功能键，或在工作站上关闭FID的电路，再打开 当色谱柱拆下或不使用检测器时，一点要关闭氢气。以防止氢气积累。,选择性检测器,电子捕获检测器（ECD） 非破坏性。 对卤素、过氧化物、醌类金属有机物及硝基化合物非常灵敏。 而对胺类、醇类及碳氢化合物不灵敏。 线性窄， 103 .,电子捕获检测器 ECD,主要用于食品、制药、环保等领域，检测痕量含卤素等的样品 一定不要试图去拆卸该检测器,电子捕获检测器ECD 操作原理, 射线粒子使载气离子化: N2 + N2 + e- 在电场中生成的正离子和电子向两极移动形成基流。 当电负性样品进入后即

24、捕获慢速低能量电子使基流下降形成信号。 e- + sample current loss,ECD的调节,可在GC-3800上进行，按Adjustment键进行 池电流： Ar/CH4；CAP；N2STD；N2HIGH 以及Zero 零电流是为了进行接触电位的设置 一般，当Range设为1时，基线信号不应超过25mV。否则，说明可能是载气不纯、柱流失严重或检测器受污染等 25mV之上的基线信号会减少ECD检测器的可用线性范围,设置接触电位,仪器准备完成：打开载气，设置到正确的输出压力；色谱柱已经老化完成,在3800面板上，选择DetectorECD;设置 Tempture：300 C Elect

25、ron: on; Range:1.0; Autozero:NO 等达到设定温度后，平衡若干小时，最好过夜,设置接触电位（续）,在ECD屏幕上，按Adjustment: 将Cell Current 设为零； 将Contact potential设为-760mv 注意屏幕显示的信号强度应在 -12.7 -13.0mv,如-12.8mv 再将接触电位设定为+760mv，信号应该增加几mv 逐渐降低接触电位的 设定值，直到信号强度为 开始的显示值加0.5mv, 如-12.8+0.5=-12.3mv; 这时的接触电位就是我 们需要的接触电压，接 触电位也就设好了。,氮磷检测器(TSD）,只对氮、磷有很高

26、的选择性 氮的灵敏度：0.1pg/sec；磷为：0.05pg/sec 主要应用于：药物、燃料、香料、农药残留 TSD的结构类似FID，主要差别是TSD在喷嘴上方有铷珠，氢气流量较小,TSD的结构图,化学反应原理 燃烧产生 CN 和 HPO Rb + CN Rb+ + CN- (detected) Rb + HPO Rb+ + HPO- (detected),TSD的信号对H2的流速和铷珠的电路非常敏感 减少H2流量可以提高N、P对C的选择性，而增加H2流量可以使信号增大；而从铷珠的角度出发，降低H2流量可以延长铷珠寿命，所以要选择一个最佳流量 铷珠出厂是都有H2的流量值，可采用该数值进行设定，

27、一般不用修改 铷珠的电路需要精确调节，电路太低不产生氮磷的信号；电流太高，选择性迅速下降，且降低铷珠的寿命。 铷珠出厂时都有铷珠电流的参考电流，但这个值会随事件慢慢增加，应调节获得适当的电流值 铷珠的P/N:03-906074-00 载气要求99.999%；过滤器应及时更换,TSD的结构图,铷珠的老化铷珠电流的调节,打开各钢瓶气 正确设置气相色谱各参数： 气体流量 Air:175ml/min；H2:采用铷珠出厂时推荐的流量（一般为4.0ml/min左右）；载气尾吹：30ml/min 设定温度：进样口；柱温；检测器：300 C TSD设定：Temperature300 C、Ovenon、Bead

28、 PowerOff、Range12、AutozeroOff 打开铷珠电源前，使检测器和铷珠温度达到设定的温度，保持15分钟。 然后设定TSD最低电流是2.4A，将Bead power置为On，保持至少15分钟 每次增加0.100A，至少等候15分钟，使铷珠在增加电流后达到平衡状态。当增加电流后信号出现明显增加时，即获得了我们所需要的电流值。也完成了铷珠的电流调节 铷珠保持这个电流至少12小时，最好过夜。检测器即可以使用。,脉冲火焰光度检测器PFPD,新型的脉冲火焰光度检测器 对P, S, N 和25种其它元素选择性 其应用包括水和空气中污染物的检测、农药和石油天然气的分析。 不能分析 Hg, Zn, Cl, F, I, H, O,PFPD结构图,Ignitor,Vent,Ignitor Chamber,P,M,T,Filter,Window,Combustor Chamber,Light Pipe,H2 + Air 1&2,PFPD,PFPD的火焰脉冲