色谱基础知识

色 谱基础 知识 色谱基础知识 几 个基本概念： Chromatography：色谱法，一种分离和分析的方法 Chromatograph： 色谱仪，以色谱法为原理的分析仪器 Chromatogram： 色谱图，色谱仪生成的分析结果 色谱基础知识 Chromatography 色谱法： 色谱法是一种分离和分析方法，又叫层析法，它利 用不同物质在不同相态间的选择性分配，以流动相对 固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会 以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。 色谱法最初由俄国植物学家茨维特创立。 色谱基础知识 茨维特实验 ： 1903年，茨维特做了一个植物色素分离实验： 在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（ 植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。 此时 ，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱 带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入 ，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不 同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜 色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此 而得名。 色谱基础知识 色谱法的分类： 1）以流动相形式分类，可分为 气相色谱法 和 液相色 谱法 。 什么是流动相？什么是固定相？ 色谱分析过程中用于携带待测组分向前移动的物 质称为 流动相 （ mobile phase）。在色谱分离中固定 不动、对样品产生保留的物质称为 固定相 （ stationary phase）。 色谱基础知识 色谱法的分类： 2）以固定相形式分类，可为 柱色谱法 、 纸色谱法 、 薄层 色谱法 。 3）以分离原理分类，可分为 吸附色谱法 、 分配色谱 法 、 离子交换色谱法 、 尺寸排阻色谱法 、 亲和色谱法 等。 色谱基础知识 色谱法分离原理 色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在 两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的不同来进 行分离的。 在分离过程中，待分离物质中的不同组分在流动 相和固定相之间的分配会不同，这使其随流动相运动 速度各不相同，随着流动相的运动，混合物中的不同 组分在固定相上相互分离。 色谱基础知识色谱法分离原理示意图 时间 检测器 色谱柱 进 样 口 A B A B | 一 B B | BA | 一 B | B A | 一 B | 峰 A 峰 B 色谱基础知识 一些色谱图相关的术语： 1）色谱图：在分析过程中色谱仪记录下来的检测器 信号随时间变化的曲线。（一般纵坐标为信号值，横 坐标为时间） 2）基线：在不分析状态下色谱仪检测器信号随时间 变化的曲线。 3）色谱峰：在分析过程中，当某一组分流过检测器 时，检测器信号随之产生变化，在谱图上即表现为峰 状，称之为色谱峰。 色谱基础知识 一些色谱图相关的术语： 4）峰高：某一色谱峰顶点与基线的距离（信号差值）。 5）峰宽：某一色谱峰底部的宽度。（即从 色谱 峰 开始到 结束的时间。） 6）峰面积：某一色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫 峰面积。 峰面积是色谱法定量的依据。 7）保留时间：某一组分从进样到该组分色谱峰到达顶点 的时间。 保留时间是色谱法定性的依据。 色谱基础知识 一些色谱图相关的术语 TOP 保留时间 峰面积（阴影部分 ） 峰高 色谱基础知识一些色谱图相关的术语 ： 以右边谱图中第一个峰为例： 峰高： 284909 uV 峰宽： 约 15s (从 0.6到 0.9min) 峰面积： 2043631 uV*s 保留时间 ： 0.76 min 色谱基础知识 色谱法的定性 当分析条件相同时，相同 的 组分 在 相同的时间出峰。 （ 保留时间相同 ） 样品注入 标准 样品 (组分 A和 B的 混合 物 ) 未知样品 成份 A 成份 B 色谱基础知识 色谱法的定量 被测组分 的 峰面积 (峰高 ) 与到达 检测器 的 被测组分 的 量成 正 例 标准 样品 (组分 A 100ppm) 成份 A 未知的 样品 成份 A 峰面积 ： 700 峰面积 ： 1000 100 Conc. (ppm) 1000峰面积 700 70 色谱基础知识 气相色谱仪的基本构成： 1）气路系统 2）进样系统 3）分离系统 4）检测系统 5）数据处理系统 色谱基础知识 流 量 控制 进 样 检测器 柱温箱 色谱柱 气体钢瓶 信号 数据处理 气相色谱仪的构成： 色谱基础知识 气相色谱仪的构成： 1）气 路 系统： 气路系统主要功能是为色谱仪提供稳定可靠的载气及 其它辅助气体。 气相色谱仪载气及辅助气体的选择主要取决于： a）检测 器 类型； b）所需分析的组分； c）色谱柱类型。 色谱基础知识 气相色谱仪载气的选择： 载气 辅助气 TCD： He/H2/N2/Ar 无 FID： N2 H2/Air DID： He 无 PED： Ar 无 色谱基础知识 气相色谱仪的构成： 2）进样系统 进样系统的功能是将需要分析的样品注入 到分析系统当中。 进样的方式一般有 2种： a）进样针（注射器） b）阀。 色谱基础知识注射器进样 色谱基础知识阀进样 5 4 3 2 1 6 定量 管 色 谱 柱 载气 样品气 放空 采样状态 5 4 3 2 1 6 色 谱 柱 载气 样品气 放空 定量 管进 样状态 色谱基础知识 气相色谱仪的构成： 3） 分离 系统 分离 系统的功能是把需要分析的组分从背 景组分中分离出来。 分离功能主要依赖于色谱柱来实现，但在 某些特定的应用中还需要一些必要的流路系统（如 中心切割或反吹等）。 色谱基础知识 色谱柱，即装填 有固定相用以分离混合组分的柱 管，是整个色谱分析系统的核心部分。 气相色谱柱，一般可分为填充柱和毛细管柱。 分离系统：色谱柱 色谱基础知识分离系统：色谱柱 填充柱 (Packed Column) 填料 管 l内径 (ID) 2-4 mm l长度 0.5 - 5m l填料 多孔性小球或涂覆 有 0.5-25%固 定 液 的担体 l理论塔板 数 一般都很小 融熔石英 固定液 毛细管 柱 (Capillary Column) l内径（ ID）： 0.1、 0.25、 0.32、 0.53mm l长度 5 - 100m (30m最常用 ) l材质 融熔石英 l理论塔板 数 一般都较大 色谱基础知识分离系统：色谱柱 填充柱填料的种类 担体 Partition Materials 在担体上涂覆固定液 固定相 ： 液体（主要 用于分析液体 样品 ） 固定 液 固体 吸附材料 (吸附剂 ) 没有涂覆固定液 固定相 ： 固体 （ 主要 用于 分析气体 样品 ） (硅胶、活性碳、分子筛、活性氧化铝 , 还有多孔高 分子小球 ) 色谱基础知识分离系统：色谱柱 多孔层开口柱 PLOT (内壁为多孔性涂层，如 高分子小球、氧化铝 等 ) 管壁涂渍开口柱 WCOT （内壁为固定液涂层） 毛细管柱 的种类 融 熔石英 或不锈钢 固定液 色谱基础知识分离系统：色谱柱 填充柱 毛细管柱 色谱基础知识 Orthodyne色谱仪在工业气体行业应用中几种常用的 填充柱： 1）分子筛柱 （ Molecular Sieve） 2） Porapak Q柱 3） Porapak N柱 4） OPN柱 5）硅胶柱（ Silica Gel） 6） Hayesep柱 7） BTS柱 （脱氧柱） 分离系统：色谱柱 色谱基础知识 几种常用的填充柱的出峰次序 分离系统：色谱柱 色谱基础知识 几种常用的填充柱的出峰次序 分离系统：色谱柱 色谱基础知识 分子筛柱： 主要用于 分离 分离永久气体，如 He、 H2、 O2+Ar、 N2、 CH4、 CO等 分离系统：色谱柱 Minutes H2 O2 N2 CH4 CO 色谱基础知识 OPN柱： 主要用于分离烃类，如 C2H2、 C3H8、 C3H6、 C4H10等 （无法分离 C2H4和 C2H6） 分离系统：色谱柱 Minutes V CH 4 C 2H 2 C3H 8 C3H 6 iC4 H10 nC 4H 10 1.3C 4H 10 C2H4 + C2H6 色谱基础知识 Porapak Q柱： 主要用于分离 CH4、 CO2等 分离系统：色谱柱 O2 CH4 NMHC 色谱基础知识 Porapak N柱 和 Hayesep A柱： 主要用于分离 C1-C2轻烃类气体，如 CH4、 C2H2、 C2H4、 C2H6等 分离系统：色谱柱 色谱基础知识 BTS柱，主要用于脱氧。 典型应用： 1）常规的分子筛柱无法分离 O2和 Ar，当需要单独分析 O2和 Ar时，可以 用 BTS柱把 O2+Ar混合组分中的 O2去除，从而得到单独的 Ar组分。 2）当分析 O2中的杂质气体时，需要用 BTS柱把背景气中的 O2去除，避 免干扰测量。 脱氧原理： Cu + O2 CuO 再生原理： CuO + H2 Cu + H2O 分离系统：色谱柱 色谱基础知识 中心切割 ：泛指在色谱分析过程中为了将不需要的组 分从分析系统中排出的阀切换动作。 典型应用：高纯气体中的杂质分析 反吹 ：泛指在色谱分析过程 中使载气在色谱柱中的流 向倒置的阀切换动作。 典型应用：测量某些不需要单独分析的组分，如 CH4、及 NMHC（非甲烷总烃）的分析。 分离系统：流路切换 5 4 3 2 1 6 分离系统：中心切割 5 4 3 2 1 6 色 谱 柱 2样品气放空 样品气 载气 1 色 谱 柱 1 检测 器 载气 2 定量管 放空 5 4 3 2 1 6 5 4 3 2 1 6 色 谱 柱 2样品气放空 样品气 载气 1 色 谱 柱 1 检测 器 载气 2 定量管 放空 色谱基础知识分离系统：反吹 正向 5 4 3 2 1 6 定量管 色 谱 柱 检测 器 放空 1 4 3 2 样品气 载气 载气 样品气 5 4 3 2 1 6 色 谱 柱 检测 器 1 4 3 2 放空 定量管反 向 色谱基础知识分离系统：反吹 载气 样品气 7 6 5 4 3 2 1 8 定 量 管 检测 器 放空 色 谱 柱 反吹的典型应用： 8通阀进样 +反吹 测 O2中的 CH4-NMHC 色谱基础知识 反吹的典型应用： 8通阀进样 +反吹 测 O2中的 CH4-NMHC 色谱基础知识 O2 CH4 NMHC 分离系统：反吹 反吹的典型应用： 8通阀进样 +反吹 测 O2中的 CH4-NMHC 色谱基础知识 气相色谱仪的构成： 4）检测系统 检测系统的功能是对流出色谱柱的被测组 分进行检测，通常包括检测器和放大器。检测系统 相当于色谱仪的眼睛，它可以把被测组分从载气中 分辨出来。 Orthodyne色谱仪常用的检测器有： A）热导检测器， TCD B）火焰离子化检测器， FID C）放电离子化检测器， DID D）等离子体发光检测器， PED（ DID-AR） 色谱基础知识热导检测器Thermal Conductive Detector A 参比气入口 B 参比气出口 C 测量气入口 D 测量气出口 E 测量室 色谱基础知识热导检测器Thermal Conductive Detector 色谱基础知识 热导检测器的原理 - 热导检测器由 4个桥臂（热敏元件）组成，组成一个惠斯登电桥。 4个桥 臂当中， 2个是参比桥臂， 2个是测量桥臂。参 比桥 臂只有载气流过，测量 桥臂接色谱柱出口 - 每 种气体都有各自的导热系数，导热系数越大越容易带走热量 - 在不分析状态， 4个桥臂流过的气体都是载气，此时 4个桥臂温度相等， 电阻值相等，电桥处于平衡状态 - 当从色谱柱流出的被测气体组分流过测量桥臂时，因被测气体的导热系 数与载气不一样，其带走的热量也不一样，从而引起测量桥臂的温度发生 变化，导致 测量桥臂的 电阻值发生变化，引起电桥不平衡。电桥的输出即 和被测组分的浓度呈比例关系 色谱基础知识 影响热导检测器灵敏度的因素： 1）桥臂电流。一般来说，桥流越大灵敏度越好，但是桥流 太大容易烧毁桥臂。 2）桥臂材质的热敏性。 桥臂 热敏性越好，灵敏度越好 3）检测器池体温度。 池 体与桥臂的温差越大，灵敏度越好 4）载气种类。载气与被测气体的导热系数差越大，灵敏度 越好 色谱基础知识 一些气体的导热系数，单位 ： J / cm s 色谱基础知识 热导检测器的优缺点 优点： - 通用型检测器，对所有组分均有响应 - 结构简单，稳定性好。对于常量分析可使用廉价的 N2或 Ar做载气 - 不破坏被测组分 缺点： - 灵敏度略低，一般最小检测浓度在 10ppm 色谱基础知识火焰离子化检测器Flame Ionization Detector A 载气 /H2混合气入口 B 合成空气入口 C 喷嘴 D 氢火焰 E 极化电极 F 点火线圈 G 信号收集极 H 顶盖 色谱基础知识火焰离子化检测器Flame Ionization Detector 色谱基础知识 火焰离子化检测器的原理 - 有机化合物 在氢火焰中燃烧的时候会产生离子 - 在 氢 火焰周边外加一电场，可使产生的离子定向移动，形成微弱的电 流。该微电流经过高电阻放大后可转为电压信号，从而可以被工作站记录 下来 - 当不分析时，只有载气流过检测器。载气在 氢火焰 中产生的离子很少， 电流非常小，此电流称之为基流 - 当分析时，被测组分中的有机物流过检测器，产生的电流明显变大，同 时该电流的大小和被测组分的浓度呈比例关系 色谱基础知识 影响火焰离子化检测器灵敏度的因素： 1）气流配比。 H2的最佳流量在 40ml/min左右，增大或减小 H2流量都会使灵敏度下降 2）极化电压。一般来说，极化电压越高灵敏度越好，但是 极化电压增加也会使噪音增大 色谱基础知识 火焰离子化检测器的优缺点 优点： - 半 通用型检测器，对大多数有机物有响应 - 灵敏度高，对某些组分的测量可低到 ppb级别 缺点： - 需要使用 H2 - 破坏被测组分 色谱基础知识甲烷转化炉Methaniser A 气体入口 B 气体出口 C 炉箱 D 加热器 E PT100元件 F 催化剂 色谱基础知识甲烷转化炉Methaniser 色谱基础知识 甲烷转化炉的原理： - 在高温及催化剂作用下， CO和 CO2会被 H2还原成 CH4 CO + H2 CH4 + H2O CO2 + H2 CH4 + H2O Ni Ni 甲烷转化炉的应用条件： 当需要用 FID来测量微量 CO或 CO2时 。 不适用于常量 CO及 CO2。 色谱基础知识放电离子化检测器Discharge Ionization Detector A He入口 B He出口 C 放电电极 D He plasma E 石英管 F 极化极 G 测量点（收集极 ） H 接地 色谱基础知识放电 离子化检测器Discharge Ionization Detector 色谱基础知识 放电离子化检测器的原理 - 氦（ He）在高频高压放电下会被激发，形成等离子体（ He Plasma） ，同时产生光子 - He Plasma产生的光子带有很高的能量（ 24.8eV），可使包括氖在内 的几乎所有气体分子 电离 - 当分析时，从色谱柱分离出来的被测组分流过检测器时，被测组分被 高能光子电离，产生离子 - 通过外加电场可以使被测组分离子形成微电流，再通过放大器放大即 可得到电压信号，该信号和被测组分浓度呈比例关系 色谱基础知识 放电离子化检测器的优缺点 优点： - 通用型检测器，几乎对所有组分有响应 - 灵敏度非常高，对某些组分的测量可低到 ppb级别 缺点： - 需要使用昂贵的氦气作为载气 影响放电离子化检测器灵敏度的因素： 氦气载气中的杂质含量越低，灵敏度越好。一般需要配套使用载气 纯化器。 色谱基础知识等离子体放光检测器Plasma Emission Detector （ DID-AR） A Ar入口 B Ar出口 C 放电电极 D Ar plasma E 光电检测器 F 石英管 色谱基础知识等离子体放光检测器Plasma Emission Detector （ DID-AR） 色谱基础知识 等离子体发光检测器的原理 - 氩 （ Ar）在高频高压放电下会被激发，形成等离子体（