高效气相色谱仪工作原理.ppt

高效气相色谱仪工作原理 气相色谱法是20世纪50年 代出现的一项重大科学技术成就。 一种新的分离、分析技术，它在工 业、农业、国防、建设、科学研究 中都得到了广泛应用。 基本原理 分离原理： 依据不同物质在流动相中与固定相的相互作用的不同 色谱法是一种分离技术。 固定相：使混合物中各组分在两相间进行分配，其中不动的一相 。 流动相：携带混合物流过此固定相的流体相。 而产生不同的分配率，经过多次分 配而达到混合物的 分离的目的。 基本原理 气相色谱仪的组成及各部分的作用： 2、进样进样 系统统（包括进样进样 器和汽化室） 汽化室可控制温度为为20400 汽化室的作用是将液体或固体样样品瞬间间气化为为蒸气， 1、载载气系统统（包括气源、气体净净化、气体流速控制和测测量 ） 常用的载载气，氨气、氮气 并很快被载载气带带入色谱谱柱。 3、分离系统 色谱柱（心脏部分）、柱箱和恒温控制装置 基本原理 气相色谱仪的组成及各部分的作用： 4、检测检测 系统统 检测检测 器，控温装置 检测检测 恒温箱中的温度，一般选择选择 与柱温相同或略高 于柱温。 5、记录记录 系统统 放大器和记录记录 器，数据处处理装置。 基本原理 载气源进样口色谱柱 检测器 样 品 数据处理 以气体作为流动相（载气） 分 离 分 析 输 出 基 本 原 理 进 样 微量注射器：0.1，1，5，10，50 L 自动进样动进样 器 1、进 样 方 式 进 样 2、进 样 系统 （1）填充柱进样进样 口 进样口的设计和选择取决于色谱柱的直径和类型 填充柱和大口径毛细管柱使用填充柱进样口；样品用注射器穿 过隔垫注入到载气流中。加热的进样口使样品（如果是液体）气化 ，而后载气将气化的样品带入色谱柱 进 样 2、进 样 系统 （2）毛细进样细进样 口（分流/不分流模式）：适用于小口径的毛细细管柱 分流模式：分流阀开启并一直维持此状态，样品被注射进衬管 ，同时被气化，气化的样品在色谱柱（气流阻力大）和分流放空口 （气流阻力可调）之间分配 进 样 2、进 样 系统 （2）毛细进样细进样 口（分流/不分流模式）：适用于小口径的毛细细管柱 不分流模式：此模式特别适用于低浓度的样品，它将样品捕集 在柱头，同时将残留在进样口的溶剂气体放空。 色 谱 柱 色谱柱如何对混合物进行分离 ？ 色 谱 柱 当气化的组分与气相和固定相共存时，它就根据对两相相对吸附性能 的不同而在两相间进行分配。 吸附性能：可以是溶解度，挥发性，极性，特殊的化学相互作用，或 其他任何存在于样品组分间的性质差异。 如果一相是固定的（涂层）而另一相是流动的（载气），组 分将会以比流动相慢的速度迁移。迁移速度慢的程度取决于相互 作用的大小；如果不同组分有不同的“吸附性能”，它们将会随 时间而被分离。 色谱中被分离物随着载气的流动，被测组分在 吸附剂表面进行吸附，脱附，再吸附，再脱附 这样反复的过程，使不同物质在色谱柱中的保留时 间不同而达到分离的目的。 气固色谱 色谱中被分离物随着载气的流动，被测组分在 固定液中进行溶解，挥发，再溶解，再挥发的 过程，使不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达 到分离的目的。 气液色谱 色 谱 柱 色 谱 柱 分离操作条件的选择 1、载载气及其流速的选择选择 用在不同流速下测测得的塔板高度H对对了流速 作图图 ，得H 曲线图线图 曲线的最低点，塔板高度H最小。此 时，柱效最高。该点所对应的流速为最佳流速最佳。塔板高度与载气流速的关系图 实际工作中，为了缩短分析时间，往往使流速稍高于最佳流速 对于填充柱，N2的最佳实用线速度为1012cms-1，H2为15 20cms-1 载气流速习惯上用柱前的体积流速（mLmin-1），也可用皂膜 流量计在柱后测量 若色谱柱内径3mm，N2流速一般为4060mLmin-1，H2流速一 般为6090mLmin-1 色 谱 柱 分离操作条件的选择 2、柱温的选择 柱温：重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度 ； 柱温不能高 于固定液的最高温度，否则挥发流失。 柱温选择的原则：在使最难分离的组分能尽可能好的分离前提下，尽可 能采取较低的柱温，但以保留的时间为宜，峰形不脱尾为度。 对于高沸点混合物（300400）希望在较低温度下进行（低 于沸点100200） 沸点不太高的混合物（200300）可在中等柱温下进行，固 定液质量分数510柱温比平均沸点低100。 沸点在100200的混合物，柱温可选在其平均沸点2/3左右， 固定液质量分数1015。 对于气体、气态烃等低沸点混合物，柱温选在其沸点及沸点以上 ，能在室温50以下分析。 固定液质量分数一般在1525。 对于沸点范围较宽的试样，宜采用程序升温。 色 谱 柱 分离操作条件的选择 3、进样时间和进样量 进样时间在一秒以内，时间过长，试样原始宽度变大，半峰宽必将变宽，甚 至峰变形； 进样量一般：液体试样 0.15 L；气体试样 0.110 mL 进样量太多，会使几个峰叠在一起，分离不好；进样量 太少，含量少的组分因检测器灵敏度不够而不出峰； 最大进样量应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系。 色 谱 柱 分离操作条件的选择 4、气化温度 进样进样 后要有足够够的气化温度，使液体试样试样 迅速气 化被载载气带带入柱中，在得证试样证试样 不分解的的情况下， 适当提高气化温度对对分离及定量有利。 气化温度比柱温高3070。 色 谱 柱 分离操作条件的选择 5、固定相及其选择 气相色谱分析中，某组分的完全分离取决于色谱柱的效能和选择 性，后者取决于固定相的选择性。 （1）气液色谱固定相 是涂渍在惰性多孔性颗粒（担体/载体）表面的高沸点液体 （固定液）；试样组分在载气与固定液两相中分配而达到分离 。 注：与样品发生作用的是固定液而不是载体。 色 谱 柱 分离操作条件的选择 5、固定相及其选择 （1）气液色谱固定相 对担体的要求： 表面是化学惰性的，表面没有吸附性或很弱，更不能与被测物起 化学反应； 多孔性，即表面积大，使固定液与试样接触面积大； 热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎； 对担体粒度的要求：均匀，细小（过细柱压增大），一般选用40 60目，6080目，80100目。 担体/载体应是一种化学惰性、多孔型的固体颗粒，它的作用是提供一个大 的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。 可分为：硅藻土型（红色担体/白色担体）； 非硅藻土型（氟担体/玻璃微球/高分子多孔微球） ； 气液色谱中所用担体： 色 谱 柱 分离操作条件的选择 5、固定相及其选择 （1）气液色谱固定相 固定液的选择原则：相似相溶；为了利用“相似相溶”原则选 择固定液，必须了解样品种各组分按极性分类的情况 对固定液的要求： 挥发性小 ，操作温度下有较低蒸气压，以免流失； 热稳定性好 ，操作温度下不发生分解； 对试样各组分有适当的溶解能力。 具有高的选择性，对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的溶解能力； 化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。 色 谱 柱 分离操作条件的选择 5、固定相及其选择 （1）气液色谱固定相 A、样品组分性质已知时固定液的选择 非极性组分选非极性固定液，按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱 中等极性组分选中等极性固定液，基本按沸点顺序出柱 强极性组分选极性固定液， 按极性顺序出柱，极性强的后出柱 注：对于中等极性组分，若沸点相同，则按极性顺序出柱，极性较强的后 出柱 B、样品组分性质未知时固定液的选择 用毛细管柱进行初分离 尝试法 可先用最常用的3根色谱柱进行测试 色 谱 柱 分离操作条件的选择 5、固定相及其选择 （2）气固色谱固定相 A、固定相的特点 u性能与制备和活化条件有很大关系； u同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大； u种类有限，能分离的对象不多； u使用方便。 色 谱 柱 分离操作条件的选择 5、固定相及其选择 （2）气固色谱固定相 B、固定相的种类（填充柱） u活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强； u活性氧化铝：有较大的极性，适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等 气体的相互分离；CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析； u硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外 ，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧； u分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性除了广泛用 于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、 NO、N2O等。 u高分子多孔微球：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共 聚）；适用于水、气体及低级醇的分析。 色 谱 柱 分离操作条件的选择 5、固定相及其选择 （2）气固色谱固定相 B、固定相的种类（毛细管柱） DB-5MS：5%二苯基-95%二甲基硅氧烷共聚物，低流失，30m0.25mm0.25um HP-5MS：5%二苯基-95%二甲基硅氧烷共聚物，非极性，低流失，30m0.25mm0.25um DB-5HT： 5%二苯基-95%二甲基硅氧烷共聚物，非极性， 键合交联，可用溶剂清洗，高 温，15m0.25mm0.10um DB-XLB：弱极性，聚硅氧烷类固定相，专利技术，弱极性，低 流失，键合交联，可用溶剂清洗，30m0.25mm0.25um HP-5：5%二苯基-95%二甲基硅氧烷共聚物，非极性， 30m0.32mm0.25um 毛细色谱柱的特点： a、渗透性好，即载气流动阻力小； b、相比（）大，有利于实现快速分析； c、柱容量小，允许进样量少； d、总柱效高，分离复杂混合物的能力大为提高。 检 测 器 检测器：将色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转换为相 应的电讯号。 浓度型检测器：测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测 器的响应值和组分浓度成正比，热导检测器； 质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化， 即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的质量成正比 ， 氢火焰离子检测器。 检 测 器 检测器有多种类型的检测器可供选择，但是所有的检测器的功能都是相同 的： 当纯的载气(没有待分离组分)流经检测器时，产生稳定的电信号(基线)； 当有待分离组分通过检测器时，产生不同的电信号。 热导检测器 氮磷检测器 电子捕获检测器 火焰光度检测器 原子发射检测器 火焰离子化检测器 质量选择性检测器 热导率的差异 含氮和含磷化合物 电子 含磷和含硫化合物 适用于多种元素 产生离子的任何物质，有机物 利用质谱图对组分进行鉴定 当和气相色谱图联用时，成为当今最强 有力的鉴定手段 检 测 器 氢火焰离子化检测器（flame ionization detector）FID 对含碳有机化合物有很高的灵敏度。适用于痕 量有机物的分析； 特点：结构简单、灵敏度高、响应块、稳定性 好、死体积小、线性范围宽。 结构：离子化室、火焰喷嘴、一对电极、外罩 检 测 器 氢火焰离子化检测器（flame ionization detector）FID 作用机理： (1) 当含有机物CnHm的载载气由喷喷嘴喷喷出进进入火焰时时，在C 层发层发 生裂解反应产应产 生自由基： CnHm CH (2) 产产生的自由基在D层层火焰中与外面扩扩散进进来的激发态发态 原子氧或分子氧发发生如下反应应： CH + O CHO+ + e A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区：温度最高 D层：反应区 检 测 器 氢火焰离子化检测器（flame ionization detector）FID 作用机理： (3) 生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发发生分子离子反应应：CHO+ + H2O H3O+ + CO (4) 化学电电离产产生的正离子和电电子在外加恒定直流电场电场 的作用下分别别向两极定向运动动 而产产生微电电流（约约10-610-14A） (5) 在一定范围围内，微电电流的大小与进进入离子室的被测组测组 分质质量成正 比，所以氢氢焰检测检测 器是质质量型检测检测 器 (6) 组组分在氢氢焰中的电电离效率很低，大约约五十万分之一的碳原子被 电电离 (7) 离子电电流信号输输出到记录仪记录仪 ，得到峰面积积与组组分质质量成正比的 色谱谱流出曲线线 检 测 器 氢火焰离子化检测器（flame ionization detector）FID 操作条件选择： （1）气体流量：载载气流量：一般用氮气作载载气，最佳载载气流速 氢氢气流量：氢氢气流量与载载气流量之比影响氢氢火焰的 温度及火焰中的电电离过过程：H2：N21：11：1.5（最佳氢氢氮比 ） （3）极化电电极：极化电压电压 的大小直接影响响应值应值 ，一般选选100V 300V （4）使用温度：氢氢焰检测检测 器的温度不是主要影响因素，80 200灵敏度几乎相同；80以下灵敏度显显著下降（水蒸气冷凝 所致） （2）空气流量：空气是助燃气，空气流量高于某一数值值（400mLmin-1）对对影 响值值几乎没有影响，一般 H2：空气1：10 数 据 处 理 v 良好的峰面积重现性，一般RSD%在0.53% （RSD：相对标准偏差） v 工作曲线具有良好的线性 v 峰形正常，避免拖尾峰和前沿峰 (柱选择恰当、衬管无污染、温度及流量设定) v 色谱峰分离良好(分离度1.5) 一、数据可靠性判断 数 据 处 理 二、数据不良时的检查措施 1. 检查是否漏气：用检漏液检查各连接部位，并确认峰面 积重现性 2. 检查色谱柱是否良好：长时间使用，因吸附、固定液流 失、固定液分解及污染，造成柱劣化，更换新柱 3. 检查衬管是否正常：认衬管有无破损、污染，确认石英 棉的位置 4. 样品性质，是否易分解，对于不稳定的样品应注意保存 温度，要避光并注意存放时间。 数 据 处 理 三、气相色谱定性分析方法 A、根据色谱保留值进行定性分析 根据色谱保留值进行定性分析，但要求柱效要高 ，混合物组分简单，且已 知，可一一分离。即使这样，也只能做其它定性方法的旁证。该方法采用的指 标为保留指数； B、与其他方法结合的定性分析方法： （1）与质谱、红外等仪器联用； （2）与化学方法配合进行定性分析。 C、利用检测器的选择性进行定性分析 数 据 处 理 四、气相色谱定量分析方法 A、面积归一法 各组分浓度以面积百分比表示，该结果可以确认大概的浓度，但 有误差； B、校准面积归一法 用质量响应因子对峰面积进行修正，用该法测定的浓度比前者准确，但前 提是样品中所有组分都出峰，否则也有误差存在。 这两种方法应用的必须条件是： 1）混合物各组分都可流出色谱柱，且在色谱图上显示色谱； 2）所有峰面积计算必须准确。 数 据 处 理 四、气相色谱定量分析方法 C、外标法 该法是应用最广泛的方法之一，其误差来源主要是进样误差，因此，分析前 一定要做面积重复性（即进样重复性）实验。 D、内标法 在样品中添加内标物，通过组分与内标峰的面积比，对组分进行定量。该方 法减小了进样误差对定量结果的影响。 内标物的选择： v 内标物峰与试样中所有成分的峰完全分离； v 内标物峰与目标成分峰保留时间不应差太远； v 内标物具有与分析目标成分类似的化学性质。 基 本 理 论 1、塔板理论（色谱分析的基本理论） 半经验理论：将色谱柱看成精馏塔，一定的柱长看作一个塔板， 以精馏理论进行解释。 塔板理论论的假设设： （1）在一小段间间隔内，气相平均组组成与液相平均组组成可以很快 的达到分配平衡。这样这样 达到分配平衡的一小段柱长长称为为塔板理论论 高度H； （2）载载气进进入色谱谱柱，不是连续连续 的而是脉动动式的，每次 进进入为为一个板体积积； （3）试样试样 开始时时都加在0号塔板上，且试样试样 沿色谱谱柱方 向的扩扩散（纵纵向扩扩散）可略而不计计； （4）分配系数在各塔板上是常数。 基 本 理 论 1、塔板理论（色谱分析的基本理论） 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，引用了处理蒸馏 过程的理论和方法来处理色谱过程。把色谱柱比作一个 分馏塔，色谱柱可由许多假想的塔板组成（既色谱柱可 分成许多小段），在每一小段（塔板）内，一部分空间 为涂在担体上的液相占据，另一部分空间充满着载气（ 气相），载气占据的空间称为板体积V。当欲分离的 组分随载气进入色谱柱后，就在两相间进行分配。 由于流动相在不停地移动，组分就在这些塔板间隔的气液两 相间不断地达到分配平衡。 塔板理论不足之处塔板理论不足之处: : 不能解析载气流速不能解析载气流速 u u 对对 n n 影响影响 不能指出板高不能指出板高HH受哪些因素影响受哪些因素影响 基 本 理 论 1、塔板理论（色谱分析的基本理论 ） 简单地认为：在每一块塔板上，溶质在两相 间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一 个塔板的方式向前移动。对于一根长为L的色谱 柱，溶质平衡的次数应为： n = L / H n称为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板 数n的增加而增加，随板高H的增大而减小。 基 本 理 论 1、塔板理论（色谱分析的基本理论 ） 为使塔板数和塔板高度真实反应色谱柱分离的好坏，将tM外的有效塔 板数n和有效塔板高度H作为柱效能指标。计算公式为： 成功处：解释流出曲线的形状（呈正态分布）、 浓度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面。 不足处：基本假设是不当 。 有效塔板数和有效塔板高度较为真实的反应了柱效能的好坏 。 基 本 理 论 2、速率理论 1956年由荷兰学者范第姆特提出 ： A为涡流扩散项系数 气体碰到填充物颗粒时，形成类似“涡流”的流动，引起色谱峰扩张； 使用适当粒度和颗粒均匀的单体，尽量填充均匀，可减少涡流扩散。 B为分子扩散项系数 分子扩散与组分在柱内的保留时间有关，保留时间越长，分子扩散项对 色谱峰扩张的影响就越显著。相对分子质量较大的载气（如氨气）可使B项降 低。 C为传质阻力系数 系数C包括气相传质传质 阻力系数Cg和液相传质传质 阻力系数C1，采用粒度小的填 充物和分子量小的气体（H2）作载载气可使Cg减小，提高柱效率。 式中：A，B，C为三个常数 u一定时，只有A，B ，C较小时，H才能较 小，柱效能才能较高 。 基 本 理 论 3、分离度（色谱柱的分离效能指标） 相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰 底宽度总和之半的比值。 当R1时时，分离程度可达98 当R1.5时时，分离程度可达99.7（作为为两峰分开的标标志 ） 当两组分色谱峰分离较差，峰底宽度难于测量时，可用半峰宽 度代替峰底宽度： 基 本 理 论 4、分配系数 在一定温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度（gmL-1）比称为分配系数， 以K表示。 待测组分在固定相和流动相之间发生的吸附，脱附或溶解，挥发的过程叫做分配过程 。 分配系数K是由组分及固定液的热力 学性质决定的，随柱温，柱压变化，与 柱中气相、液相的体积无关。 不同物质的分配系数相同时，它们不能分离。 色谱柱中不同组分能够分离的先决条件是其分配系数不等。 分配系数K小的组分：在气相中的浓度较大，移动速度快， 在柱中停留时间短，较早流出色谱柱。 分配系数K大的组分：在气相中的浓度较小，移动速度慢， 在柱中停留时间长，较迟流出色谱柱。 两组分分配系数相差越大，两峰分离的就越好。 基 本 理 论 5、相关术语 （1）基线（base line） 当色谱柱中没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反应检测器系统噪声随时 间变化的线称为基线。 （2）保留值（retention value） 表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值，通常用时间或用将组分带出色谱