环境色谱3.ppt

上海市建设工程检测行业协会培训班 气相色谱基础上海大学环化学院曹铁tiehua 气相色谱基础 第一节概述第二节色谱流出曲线第三节气相色谱基础理论和分析条件的选择第四节气相色谱仪第五节气相色谱检测器第六节气相色谱柱第七节气相色谱定性定量分析第八节色谱仪的调试 使用与维护 第一节概述 一 色谱法的由来与发展二 色谱法的特点三 色谱法的分离原理四 色谱法的分类 3 一 色谱法的由来与发展 1 由来茨维特 Tswett 俄国生物化学家 将植物叶子的石油醚萃取液从一根装有碳酸钙吸附剂的玻璃管上端注入 并进一步用石油醚液洗脱 分辨了植物中的各种色素 色谱 一词由此而来 4 茨维特实验 动画 5 6 2 发展1941年英国物理化学家马丁 Marting 和辛格 Synge 提出分配色谱 并预言可用气体做流动相 1952年马丁 Marting 辛格 Synge 和詹姆斯 James 完成了气 液色谱从理论到实践的开创性研究工作 创立了气 液色谱法 并提出了塔板理论 获得了诺贝尔奖金 1955年P E公司下属公司推出第一台气相色谱仪1956年荷兰学者范第姆特 VanDeemter 发表了著名的 速率理论 1957年霍姆斯 Holmes 等人首次将GC与MS联用 相继发明了FID FPD ECD等检测器 使GC迅速发展 广泛使用 1957 1958年美国电器工程师Golay开创了毛细管气相色谱的新纪元1970年以后气相色谱仪走向自动化 计算机化 二 色谱法的特点与应用 1 色谱法的特点1 分离效能高 是一种分离分析技术 复杂混合物 有机同系物 异构体 手性异构体 2 分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析 3 样品用量少 一次分析通常只需数纳升至数微升的溶液样品 4 适用范围广不足之处 定性能力较差 为克服这一缺点 已经发展起来了色谱法与其他多种具有定性能力的分析技术的联用 7 2 色谱法的应用 分析测试 分离提纯 8 返 当流动相中所携带的混合物流过固定相时 就会和固定相发生作用 由于混合物中各组分在性质和结构上有差异 与固定相发生作用的大小也有差异 因此在同一推动力作用下 不同组分在固定相中的滞留时间有长有短 从而按先后不同的次序从固定相中流出 三 色谱的分离原理 10 四 色谱法的分类 1 按两相物态分类2 按固定相制成的形状分类3 按分离机理分类4 按动力学分类 11 1 按两相物态分类 12 2 按固定相制成的形式分类 1 柱色谱填充柱色谱毛细管柱色谱 开口管柱色谱 2 平面色谱 纸色谱薄层色谱 13 3 按色谱柱形分类 填充柱色谱法 2 4mm 毛细管柱色谱法 0 1 0 53mm 14 第二节 色谱流出曲线 15 16 1 色谱峰的基本术语 1 基线 无试样通过检测器时 检测到的信号即为基线2 色谱峰3 峰高 h 4 半峰宽 y1 2 y1 2 2 354 5 拐点EF 拐点位于0 607h处EF 2 6 峰宽 y IJ y 4 7 流出曲线标准偏差 其值等于峰高之0 607处峰宽的一半 8 拖尾峰 前伸峰 假峰和畸峰 色谱流出曲线 2 保留参数 1 保留时间 tR 2 保留体积 VR VR tRUeUe常压和室温条件下柱出口处的载气体积流速3 死时间 tA 4 死体积 VA VA tAUe5 调整保留时间 t R t R tR tA6 调整保留体积 V R V R t RUe 17 色谱流出曲线 18 7 相对保留值 ris ris t Ri t Rs式中t Ri t Rs 分别为组分i和s的调整保留时间ris表示固定相对两种组分的选择性 ris越大 表明该色谱体系对这两组分的保留程度相差越大 即选择性越好 被分离组分越容易达到良好的分离 所以ris又称为选择性因子 ris只与柱温 固定相性质有关 而与柱长 柱内径 载气流速及填充情况等无关 所以 采用注明温度和固定相的ris作为定性指标 不受操作条件变化的影响 8 保留指数 I 又称Kovats指数 是一种重现性较好的定性参数 测定方法 将正构烷烃作为标准 规定其保留指数为其碳数的100倍 如正己烷的保留指数为600 其它物质的保留指数 IX 是通过选定两个相邻的正构烷烃 其分别具有Z和Z 1个碳原子 被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示 19 保留指数计算方法 式中z为某一正构烷烃的碳数x为某须定性组分V为净保留体积 或其他保留值 在指定的柱和操作条件下 经色谱分析 组分x的峰正好在正构烷烃碳数为z和z 1之间 20 举例 苯在20 邻苯二甲酸二壬酯柱上 然后可以与文献上的保留指数对照 但并不十分可靠 与操作条件有很大关系 108 21 22 3 分离效能 1 分配系数 K 浓度之比一定温度下 组分的分配系数K越大 出峰越慢 试样一定时 K主要取决于固定相性质 每个组份在各种固定相上的分配系数K不同 选择适宜的固定相可改善分离效果 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础 某组分的K 0时 即不被固定相保留 最先流出 23 2 分配比 k 量之比3 峰高分离度 hi hm hihi 小峰的峰高hm 峰谷的高度要求 值大于0 5 4 分辨率 R 或分离度 R 2 tR2 tR1 y1 y2 tR2 tR1 相邻两组分保留值y1 y2 相邻两组分峰底宽R值越大 意味着相邻两组分分离得越好 若色谱峰呈正态分布 当R 1时 分离程度可达98 R 1 5时 分离程度可达99 7 通常用R 1 5作为相邻两峰能否完全分开的标志 24 5 柱效率 又称柱效能 分离过程中的动力学因素决定的色谱分离效率 通常用理论塔板高度和理论塔板数来表示 25 6 理论塔板数 n 将色谱柱比拟为分馏塔的模式 用n来描述色谱柱的效能 下式是一个半检验公式n 16 tR y 2 5 54 tR y1 2 2tR 保留值y 峰底宽y1 2 1 2峰高处的峰宽此指标表达了的峰扩张程度和陡度 但难以说明柱的选择性 26 27 7 理论塔板高度 色谱柱长 L虚拟的塔板间距离 H色谱柱的理论塔板数 n8 有效塔板数 n有效 n有效 16 t R y 2 5 54 t R y1 2 29 有效塔板高度 H有效 H有效 L n有效 H L n 第三节基础理论与分析条件的选择 一 塔板理论 由马丁和辛格提出 二 速率理论 由范第姆特等人提出 三 分析条件的选择 28 塔板理论 柱效能的指标速率理论 影响柱效的因素线性色谱理论 以分配系数恒定和色谱过程条件基本理想为前提 根据这些理论可得出 色谱流出曲线的数字表达式算出给定柱子的理论板数选出适宜的气相色谱分离条件等 29 一 塔板理论 由马丁和辛格提出 将色谱柱比作分馏塔 几个假设 1 流动相按前进方向脉冲式通过柱子 2 组分的分配系数是恒定的 与浓度无关 3 所有组分在两相间的平衡瞬时建立 4 组分浓度以起始塔板中的浓度为基准 30 31 根据塔板理论导出高斯方程来描绘色谱流出曲线形状ht 任一时间流出曲线的高度A 色谱流出曲线所围成的面积ti 进样起至流出曲线上任一点的时间tR 进样起至色谱峰顶的时间 流出曲线标准偏差 其值等于峰高之0 607处峰宽的一半 32 理论塔板数与色谱参数之间的关系tR 保留值y 峰宽单位柱长的塔板数越多 表明柱效越高用不同的物质计算可得到不同的理论塔板数 塔板理论的特点和不足 1 当色谱柱的长度一致时 塔板数n越大 塔板高度H越小 被测组分在柱内被分配的次数越多 柱效能则越高 所得色谱峰越窄 2 不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同 用有效塔板数和有效塔板数高度作为衡量柱效能的指标时 应指明测定物质 3 柱效不能表示被分离组分的实际分离效果 当两组分的分配系数K相同时 无论该色谱柱的塔板数多大 都无法分离 难分离样品4 塔板理论无法解释同一色谱柱在不同载气流速下柱效能不同的实验结果 也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径 33 二 速率理论 速率理论是1956年荷兰学者VanDeemter等提出 因此又称作范第姆特方程 速率理论吸收了塔板理论板高的概念 进一步把色谱过程与分子扩散和组分在气液两相中的传质过程联系起来 从动力学角度较好地解释了影响板高的多种因素 速率理论讨论的是色谱峰展宽原因 即影响塔板数n的因素 也就是影响塔板高度H的因素 速率方程 范第姆特方程 H A B C 式中 A 涡流扩散项B 分子扩散项C 传质阻力项 载气平均线速影响色谱峰宽度的三个主要因素 1 涡流扩散项2 分子扩散项3 传质的阻力项 34 1 涡流扩散项 A 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 35 为填充不规则因子 色谱柱填充越不均匀 越大 dp是固定相颗粒的直径 粒度 由式可见 固定相粒度dp小 填充均匀使 小 则A值小 因而H小 柱效高 但dp不能过小 否则柱的阻力增大 给操作带来许多不便 空心毛细管柱中 A项为零 2 分子扩散项 B u 样品从柱入口加入 样品带像一个塞子随流动相向前推进 由于存在浓度梯度 塞子必然会自发地向前和向后扩散 引起谱带展宽 为弯曲因子 是与填充物有关的因素 由于固定相颗粒的存在 使扩散路径弯曲 分子不能自由扩散 从而使扩散程度降低 所以填充柱的 通常小于1 Dg为组分在气相中的扩散系数 Dg与组分的性质 柱温 柱压及载气的性质有关 组分分子的扩散系数Dg大 则纵向扩散较大 色谱峰变宽 柱效降低 Dg随柱温的升高而增大 与柱压力成反比 与载气分子量的平方根成反比 所以降低柱温 加大柱压 使用分子量大的载气 如N2 都可使Dg减小 提高柱效 分子扩散项B还与流速有关 流速下降 组分滞留时间变大 扩散加快 就此而言增大载气流速u 可提高柱效 36 3 传质阻力项 Cu 组分在气液两相中扩散分配的过程叫传质 影响这一过程进行的阻力叫传质阻力 传质阻力包括气相传质阻力和液相传质阻力 减小传质阻力项的办法 1 减小液相厚度2 使用粘度低的液体3 低流速4 足够高的分配系数 37 38 k为分配比 df为液膜厚度 Dl是组分在液相中的扩散系数 由于组分在气相中的扩散系数Dg要比在液相中的扩散系数Dl大得多 约104倍 当固定液用量较高 df大 液相传质阻力Cl是影响板高的主要因素 Cl与df2成正比 与Dl成反比 可见固定液的液膜越薄 组分在液相中的扩散系数越大 则液相传质阻力越小 升高温度可使Dl增大 从而使Cl减小 但温度太高 又会使k变小 分离选择性变坏 所以温度应控制适宜 另外 传质阻力项还与载气的流速成正比 所以降低流速 可减小传质阻力 提高柱效 范氏方程说明了柱的填充均匀程度 担体粒度 载气种类 载气流速 固定液膜厚度 柱温等对柱效能和峰扩展的影响 但有些因素之间有矛盾之处 如提高载气流速可减小分子扩散 但同时传质阻力项增大 升高柱温有利于组分传质 但又使分子扩散增加 所以要相互兼顾 不能顾此失彼 载气流速 与柱效H的关系图从范氏方程 H A B C 可见 39 1 载气流速高时 传质阻力项 是影响柱效的主要因素 随着流速提高 柱效下降 2 载气流速低时 分子扩散项是影响柱效的主要因素 随着流速的增加 柱效提高 H u曲线与最佳流速 1 流速对 两项作用完全相反 因此流速对柱效的总影响存在一个最佳值 即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值 2 以塔板高度H对流速u作图 曲线最低点的流速即为最佳流速 改善柱效率的主要因素 从范第姆特方程H A B C 可以看出 1 选择颗粒较小的均匀填料 2 应在较低温度下操作 3 用最低实际浓度的固定液 4 用较大分子量的载气 5 柱子操作在最佳载气速度下进行 6 用较小内径的柱子和较大曲率半径的柱形 有利于改善柱效率 40 三 分析条件的选择 载体载气固定相 固定液柱长 柱内径温度 汽化室 柱箱 检测器进样方式 进样量 41 三 分析条件的选择 1 载体 应考虑种类 大小 密度等因素 2 载气 1 载气种类的选择 载气对柱效的影响 检测器要求及载气性质 载气摩尔质量大 可抑止试样的纵向扩散 提高柱效 快速分析时 传质阻力项起主要作用 采用较小摩尔质量的载气 入H2 He 可减少传质阻力 提高柱效 热导检测器需要热导系数较大的H2 有利于提高检测灵敏度 在氢焰检测器中 N2仍是首选目标 在载气选择时 还应综合考虑载气的安全性 经济性及来源是否广泛等因素 2 载气流速的选择根据速率方程 可计算求出最佳流速 此时柱效最高 在实际工作中 为缩短分析时间 往往使流速稍高于最佳流速 42 3 固定相种类的选择 气液色谱为例1 分离非极性组分时 通常选用非极性固定相 各组分按沸点顺序出峰 2 分离极性组分时 通常选用极性固定相 各组分按极性大小顺序流出色谱柱 极性小的先出峰 3 分离非极性和极性 或易被极化 的混合物时 可选用非极性固定液也可选用极性固定液 应视组分的性质而定 如果沸点为主要矛盾 则应选用非极性 若极性差别为主 应选极性固定液 4 醇 胺 水等强极性和能形成氢键的化合物的分离 通常选择极性或氢键性的固定液 5 组成复杂 较难分离的试样 通常使用特殊的固定液 或混和固定相 43 4 固定液的性质和用量 涂渍量 的选择 固定液的性质对分离是起决定作用的 配比 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 配比越低 担体上形成的液膜越薄 传质阻力越小 柱效越高 分析速度也越快 配比较低时 固定相的负载量低 允许的进样量较小 分析工作中通常倾向于使用较低的配比 44 5 柱长和柱内径的选择增加柱长对提高分离度有利 分离度R正比于柱长L 但组分的保留时间tR 且柱阻力 不便操作 选用原则是在满足分离目的的前提下 尽可能选用较短的柱 有利于缩短分析时间 柱内径 较小的柱内径和较大的曲率半径有利于获得较高的柱效 但太小 填充困难 压降过大 操作不便 填充色谱柱的柱长通常为1 3米 内径2 3毫米 毛细管柱10 30m 内径0 1 0 5毫米 45 6 工作温度 1 柱温影响范第姆特方程中的Dg 组分在气相中的扩散系数K 分配系数提高柱温有利处 提高K值 有利于改善柱效率有利于减小固定液粘度有利于减小载气粘度加快传质过程 有利于加快分析速度不利处 D气变大 降低柱效率固定液流失严重 仪器难以稳定分离变差选择适宜的柱温 46 另外还需考虑 47 a 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 和最低使用温度 低于此温度固定液以固体形式存在 范围之内 b 柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度 c 组分复杂 沸程宽的试样 采用程序升温 48 2 汽化室温度进样量很小 是一个很稀的气态溶液体系汽化室温度比柱温高10 50 即可 不可超过试样的分解温度 3 检测器温度一般与汽化室温度相近程序升温时 应控制在接近最高柱温的温度上 FID和FPD 应高于100 但要注意不能超过检测器的最高允许使用温度 如电子捕获检测器 若超过最高允许温度 会发生放射源流失 既损坏检测器 又污染环境 对人体造成危害 色谱条件选择的总原则 分得开 峰形窄 出峰快 49 7 进样方式和进样量的选择1 进样量 与气化温度 柱容量 仪器的线性范围有关 一般液体试样0 1 5 l 气0 1 10ml 气化温度 达到瞬时气化 柱容量 达到规定的分离要求 仪器的线性范围 仪器的线性范围之内 2 进样时间对柱效率影响很大 进样时间过长 使色谱区域加宽 降低柱效 进样时间越短越好 必须小于1秒钟 但抽出时间要根据实际情况定 50 第四节气相色谱仪 一 气相色谱的基本流程二 气相色谱的部件 一 气路系统 二 电路系统 51 52 载气 进样 色谱柱 检测 温控 53 一 气相色谱仪流程 气路控制系统 记录仪 检测器 色谱柱 气化器 六通阀 气体样品 载气 液体样品 辅助气体 电桥或放大器 放空 54 二 气相色谱的部件 一 气路系统气路系统由载气 和辅助其他 及流经的部件组成 对气路系统的要求 1 气密性好 检漏 2 稳定性佳 配备各种部件 注意合理使用 3 计量准确 校准 4 控制方便 主要部件有 1 气源 减压阀5 进样器2 净化器6 色谱柱3 稳压阀 稳流阀7 检测器4 流量计 压力表 55 56 1 气源 1 载气2 辅助气体3 减压阀气体的来源 高压钢瓶 气体发生器 不同气体的高压钢瓶 瓶体颜色和字体颜色都是不一样的 氮气 黑色 黄字 空气 黑色 白字 氢气 深绿色 红字 氧气 天蓝色 黑字 高压钢瓶内气体不能完全用完再换瓶 必须留1 2公斤气体 以防外面气体倒流至瓶内 3 减压阀 作用 把钢瓶流出的高压气体减低到所需的压力 15MPa0 6MPa以下 注意事项 1 不同的气体需用不同的减压阀 2 氧气的减压阀禁止接触油脂 3 氢气的减压阀接头螺纹是反方向的 4 安装时要将灰尘污物除去 5 使用时要缓慢调节手轮 6 使用后 先关闭钢瓶总阀 等气体走完后 必须旋松手轮 57 58 2 净化器 去除气体中干扰色谱分析的杂质 硅胶 除去水份活性炭 对一般杂质均有吸附能力分子筛 除去微量水 CO2及有机杂质紫铜粉 475 下除去微量氧等 59 4 气流的显示 60 3 稳压阀 稳流阀 得到稳定的流速入口小于0 60 25MPa出口0 05 0 30 02 0 2MPa稳流阀串联在稳压阀的后面 压力表流量计电子流量计电子压力表只装有压力表的仪器 可以通过绘制压力 流量关系图来了解柱流速 5 进样系统 1 进样口和气化室 液体进样也可以气体进样 61 2 六通阀 62 3 分流与不分流进样 63 只有在进样后40 60秒时间内处于本状态 不分流状态 分流状态 分流进样需注意的问题尽量减少分流歧视 分流比越大 越有可能造成分流歧视保证样品快速汽化 适当添加经硅烷化处理的玻璃毛 分流进样时 柱的初始温度尽可能高一些柱安装时注意柱与衬管同轴衬管的作用保护色谱柱 不挥发组分滞留在衬管内 但当污染物积攒到一定量时 会吸附样品造成峰拖尾 分裂或出现鬼峰衬管内少量经硅烷化处理的石英玻璃毛可防止注射器针尖的歧视 即针尖内的溶剂和易挥发组分首先汽化 加速样品汽化 避免固体物质进入并堵塞色谱柱等 64 6 色谱柱 1 色谱柱 气路系统中最简单的部件 但又是色谱中最主要的部件之一 混合物的分离就在这里完成 2 柱中载气平均流速 通过柱出口流速 柱进口压力和柱出口压力求得 65 7 检测器 把各组分的浓度变化变成易于测量的电讯号如电压 电流等 经放大后送至数据处理系统计算记录并显示出来 检测器种类气体流经检测器后放空 67 二 电路系统 电路系统由电源部件 温度控制器 热导控制器 微电流放大器 记录装备等组成 电路系统基本要求 绝缘性好 结构简单 使用方便 灵敏度高 性能稳定 响应迅速 谱图逼真 重现性好等 68 1 电源部件外电源的电压波动应小于10 2 温度控制器控制进样器 柱箱 检测器及其他需要控制温度的部件的温度 3 热导控制器提供稳定的直流工作电源 调整桥臂电阻 控制输出信号的大小 69 4 微电流放大器为电离式检测器提供极化电压或脉冲电源 并放大微弱电流放大 5 记录设备记录检测信号 6 其他设备自动进样器 程序升温部件 裂解装置 顶空进样装置等 70 第五节气相色谱检测器 71 将流出色谱柱的被测组分的浓度或质量转变为可测量信号的装置 常见的检测器 1 热导池检测器 TCD 2 氢火焰离子化检测器 FID 3 电子捕获检测器 ECD 4 火焰光度检测器 FPD 5 氮磷检测器 NPD 一 检测器的分类 1 按响应时间分类1 积分型检测器 显示某一物理量随时间推移进行累加 现在很少用 2 微分型检测器 显示某一物理量随时间推移的瞬时变化 常用 72 2 按响应特征分类 1 浓度型检测器 检测的是载气中组分浓度的瞬间变化 即响应值与浓度成正比 如TCD ECD R C 2 质量型检测器 测量被测组分的质量变化 响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比 如FID R dw dt 73 3 按样品变化情况分类1 破坏性检测器 如FID FPD NPD 2 非破坏性检测器 如TCD ECD 4 按选择性分类1 普通型检测器对所有物质有响应 如FID TCD2 专属型检测器对特定物质有高灵敏响应 如ECD FPD NPD 74 二 检测器的性能指标 1 噪声 Rn 和漂移 Rd 2 灵敏度 s 3 检测限 D 敏感度 4 最小检出量 Qmin 5 最小检出浓度 Cmin 6 线形范围 75 1 噪声 Rn 与漂移 Rd 噪声 Rn 无给定样品通过检测器而由仪器本身和工作条件所造成的基线起伏信号称为噪音 常以mV来表示漂移 Rd 指在单位时间内 无给定样品通过检测器而由仪器本身和工作条件所造成的记录笔单方向偏离原点之值 常常以mV h来表示 76 2 灵敏度 s 指单位量的物质通过检测器时所产生信号的大小1 浓度型检测器灵敏度 Sc 表示 每毫升流动相中含有一毫克样品通过检测器时 记录仪所记录的毫伏数 mvml mg 2 质量型检测器灵敏度 Sm 表示 每秒钟一克样品通过检测器时 记录仪所记录的毫伏数 mvs g 灵敏度越高 仪器性能越好 77 78 3 检测限 D 又称敏感度 产生2倍噪声信号时 单位体积载气或单位时间内进入检测器的组分量 D 毫克 毫升或克 秒 D 2Rn S式中 2Rn 总机噪声 毫伏 S 灵敏度检测限不仅决定于灵敏度 而且受限于噪声 即检测限是衡量检测器或仪器性能的综合指标 检出限越小 仪器性能越好 79 4 最小检出量 Qmin 又称最小检测量 Qmin 1 065Y1 2D5 最小检出浓度 Cmin 又称最小检测浓度 Cmin Qmin Q6 线形范围 指响应信号与被测物质浓度 或量 成正比的范围 以呈线性响应的样品最大浓度 或量 与最低浓度 或量 之比值来表示 线性范围 最大进样量 最小进样量 三 常用的检测器 1 氢焰离子化检测器 Flameionizationdetector FID 80 1 基本构造 喷嘴发射极收集极 2 原理 一般用的是氢火焰 原理 氢火焰燃烧时 在火焰上方有一个高温区域 样品在这个区域中被离子化 形成正负离子 在火焰的周围加上一个电场 让离子定向移动 形成电流 经过一系列放大后得到放大信号 也就是检测到的信号 81 3 特点 质量型检测器通用型检测器 大部分含C有机物都能测 灵敏度高 好于TCD 响应快 线形范围宽4 缺点 对H2 O2 N2 CO CO2 NO NO2 H2O等无响应 燃烧会破坏离子原形 无法回收 属破坏性检测器 制备纯物质 不采用 82 5 影响火焰离子化检测器FID的因素 各种气体流速和配比的选择a 通常以N2为载气 其流速主要考虑其柱效能 但也要考虑其流速与H2流速相匹配 b 氮气 氢气 空气 1 1 10 极化电压 通常极化电压在100 300V范围内 操作温度 比柱的最高允许使用温度低约50 防止固定液流失及基线漂移 83 2 热导检测器 thermalconductivitydetector TCD 1 检测原理 基于载气和样品的热导系数的差异 并用惠斯登电桥检测 2 特点 浓度型检测器 非破坏性检测器 通用型检测器3 优点 通用型 应用广泛 结构简单 稳定性好 线形范围宽 不破坏组分 可重新收集制备4 缺点 与其他检测器比灵敏度低 因大多数组分与载气热导率差别不大 84 5 热导检测器TCD的结构 85 池体 一般用不锈钢制成 热敏元件 电阻率高 电阻温度系数大的金属丝 如铂丝 铼钨丝 制成 参考臂 仅允许纯载气通过 通常连接在进样装置之前测量臂 需要携带被分离组分的载气流过 6 影响热导检测器TCD的因素 在允许工作电流范围 工作电流越大 灵敏度越高 载气与试样的热导系数相差越大 在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大 检测灵敏度越高 载气的热导系数大 传热好 通过的桥路电流也可适当加大 则检测灵敏度进一步提高 工作电流固定时 降低热导池体温度 可提高灵敏度 86 3 电子捕获检测器 ECD electroncapturedetector 1 原理 当电负性强的原子通过时 捕获放射源发出的电子 故名为 电子俘获检测器 一般以63Ni为放射源 2 高选择性检测器 仅对含有卤素 磷 硫 氮等元素的化合物有较高的灵敏度 检测下限为10 14g ml 对大多数烃类没有响应 3 较多应用于农副产品 食品及环境中农药残留量的测定 87 4 电子捕获检测器ECD的结构放射源收集极 88 4 氮磷检测器 nitrogenphosphordetector NPD 1 对氮 磷有高灵敏度 是FID的500倍 对P 50倍 对N 2 在FID检测器的喷嘴与收集极之间加一个含硅酸铷的玻璃球 含氮 磷化合物在受热分解时 受硅酸铷作用产生大量电子 信号强3 适合于做氮 磷的有机化合物4 氮磷检测器的结构 与FID基本相同 在火焰上方多了一个金属化合物珠 如 铷珠 89 5 火焰光度检测器 flamephotometricdetector FPD 1 原理 待测物在低温H2 Air焰中燃烧产生S P化合物的分解产物并发射特征分子光谱 测量光谱的强度则可进行定量分析 2 FPD对含S P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器 因此 也称硫磷检测器 主要用于SO2 H2S 石油精馏物的含硫量 有机硫 有机磷的农药残留物分析等 90 3 火焰光度检测器FPD的结构 喷嘴 滤光片 光电倍增管 91 第六节气相色谱柱 一 基本概念二 气固色谱中的固定相 固体吸附剂 三 高分子多孔微球三 气液色谱中的固定相 固定液 载体 四 填充柱和毛细管柱的制备 92 一 基本概念 一 柱类型1 填充柱 填充柱 微填充柱 填充毛细管柱2 毛细管柱 又称开口管柱 空心毛细管柱 毛细管柱 多孔层毛细管柱3 预柱 又称前置柱 指预分离或预处理柱 4 参比柱 双气路中用 5 复合柱 采用多种固定液的柱子 93 二 有关柱的术语 1 柱填料 指填充于色谱柱的固定相 固态吸附剂 键合了固定液的载体 高分子多空微球2 载体填充柱中 又称担体 有硅藻土 卤化碳 玻璃微球等毛细管柱 管内壁3 固定相和键合固定相4 固定液和固定液流失5 液相载荷量 单位载体的表面所能承受固定液的量 6 柱容量 又称柱负荷 不影响柱效能情况下的最大进样量 7 柱寿命 获得按规定分离要求的使用时间 8 减尾剂9 比表面 密度和目数 载体的技术参数 94 95 二 气固色谱中的柱填料 固体吸附剂1 主要特点1 比表面大 常用大于200m2 g的 有的达1000m2 g 有很强的吸附性 适用于气体样品分析 2 选择性好 不同气态物质的吸附热差值大 因此在固 液色谱中因溶解度小而难分离的气态物质 在固体吸附剂上能很好分离 3 稳定性良好 能忍受较高的温度 4 使用方便 可直接使用 有些可再生 5 一般价格较低 2 注意事项1 强度不高 分子筛 碳类等吸附剂 机械强度不高制备柱子时要格外小心 2 重现性较差 不同厂家 不同批号的同一类型的吸附剂 往往性能不完全相同 3 有催化活性 在较高的温度下 表面会有一定的催化活性 4 使用前需进行活化处理 对某些组分容易发生永久性吸附 使用一段时间后需活化处理 关机后应将柱出口密闭 5 注意做好定量校准工作 96 3 常用种类1 分子筛 5A 13X型2 炭类物质 活性炭 石墨碳 碳分子筛3 硅胶4 氧化铝用途 气体 如 氧 氮 一氧化碳 二氧化碳 气态硫化物和气态有机物等分析 5 几种固体吸附剂联合使用分析对象主要是永久性气体和低分子量烃类化合物 97 三 高分子多孔微球人工合成的多孔聚合物 苯乙烯或乙基苯乙烯 二乙烯基苯等形成的共聚物 其孔径大小可以人为控制 可在活化后直接用于分离 1 主要特点1 广泛的适用性 直接用作载体 2 较好的物化性能 颗粒均匀 规则 机械强度好 能获得较高的柱效 还有很好的耐腐蚀性 3 峰形比较对称 4 组分流出有规律 基本按分子量大小流出 水一般在液态有机物前流出 5 很少发生流失 98 2 使用注意事项1 工作温度 最高使用温度一般不超过270 特殊的可达450 2 使用前需进行活化处理 3 分析极性化合物时 对某些组分可能发生永久性吸附或非线性响应 应做好定量校准工作 4 往往带有静电 容易出现附壁现象 使用时应用有机溶剂擦洗器壁或冷至0 以填充均匀紧实 涂以适当的固定液 可以提高柱选择性 99 四 气液色谱固定相 载体 固定液 1 对载体的要求 化学惰性 空穴结构合理 热稳定性好 机械强度好 粒径大小均匀 2 常用色谱载体类型1 硅藻土载体 红色 天然硅藻土900 煅烧而成白色 加2 碳酸钠 900 煅烧而成2 玻璃微球载体 分析高沸点化合物使用3 卤化碳载体 分析极性和腐蚀性化合物 水 酸 胺等 使用载体的处理 存在吸附和催化作用 主要处理方法有 酸洗 碱洗 硅烷化等处理 100 3 固定液 涂在载体表面 起分离作用 固定液在常温下不一定为液体 但在使用温度下呈液体状态 固定液的基本要求 1 选择性好2 稳定性佳3 附着力强4 粘度小5 蒸汽压低 101 102 4 固定液分类及选择 固定液选择 按 相似相溶 原理选择固定液 非极性组分 非极性固定液 沸点低的物质先流出 极性物质 极性固定液 极性小的物质先流出 各类极性混合物 极性固定液 极性小的物质先流出 氢键型物质 氢键型固定液 不易形成氢键的物质先流出 复杂混合物 两种或以上混合固定液 极性的表示方法 相对极性 相对极性P 规定非极性固定液角鲨烷的极性为0 强极性固定液 氧二丙腈的极性为100其中q1 q2 qx分别表示物质对在角鲨烷 氧二丙腈和待测固定液的相对保留值 Px在0 100之间 每20单位为一级 即将极性分为5级 0 1 非极性 1 2 弱极性 3 中等极性 4 5 强极性 103 104 四 填充柱的制备 一 一般填充柱的制备1 准备工作1 选择好适当的柱子 柱填料2 计算柱的容量 柱长 内径3 计算出填料的用量 填料的密度 单位体积重量 柱容量4 如是气相色谱 计算出固定液的用量 载体的用量 载体的比表面 固定液的百分含量 105 2 固定液的涂布 106 溶剂溶解固定液 将烘烤过的载体倒入固定液溶液中 轻轻摇晃 使溶剂挥发尽 涂布好的固定相放入烘箱中烘烤 3 固定相装柱柱一端塞上玻璃棉 并接真空泵 另一端接漏斗 将填料慢慢喂入其中 填充要求 填料颗粒不破碎 填得均匀紧实 4 柱子老化 老化目的 除去填料中存留的溶剂及挥发性杂质 促使固定液均匀牢固地结合于载体表面促使柱内填料均匀排布 老化的方法 是将色谱柱的前端与色谱仪的气化室出口连接 后端直接放空 不接检测器 接通载气 在低于最高允许柱温20 30 的条件下老化8 24h小时 将老化后的柱子后端与检测器相连 继续加热 直到基线平直后 方可用于试样分离无论何种方式老化 载气必须充足 107 第七节定性分析和定量分析 一 定性分析GC法主要依据组分的保留值来定性 这一般需要有已知标准物来进行对照 所以通常GC只能用于范围已知的试样的定性 而鉴定范围未知的试样往往有困难 色谱定性主要方法有 一 利用色谱保留参数定性 二 利用双柱 双检测器定性 三 利用与其他方法结合定性 108 一 利用色谱保留参数定性 1 利用绝对保留值定性1 原理 相同柱子 恒定的操作条件 同一组分具有相同的绝对保留值 如保留时间tR 调整保留时间t R等 2 方法 与纯物质色谱峰的保留值进行对比 不适于不同仪器之间的对比 也可通过在样品中加入已知纯物质 看试样中哪个峰增加来定性 109 110 2 利用相对保留值定性 相对保留值ris tRi tRs令某一组分为s 分别计算 标准混合物各组分的ris值样品混合物各组分ris的值通过比较对应的ris值 相同者为同一物质 相对保留值仅与柱温和固定液性质有关 与仪器无关 在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据 可以用来进行定性鉴定 111 3 利用保留指数 I 定性 保留指数又称科瓦茨 Kovats 指数 I 是一种重现性较好的定性参数 保留指数仅与柱温和固定相性质有关 与其他色谱条件基本无关 定性可不需要标准物 测定方法 将正构烷烃作为标准 规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100 如正己烷的保留指数为600 其他物质的保留指数 IX 是通过选定两个相邻的正构烷烃 其分别具有Z和Z 1个碳原子 被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间 112 保留指数计算方法举例 苯在20 邻苯二甲酸二壬酯柱上 4 利用经验规律定性 主要用于同系物组分的定性 当同系物混合物中有部分物质无标准物质时 可以用有关经验规律来进行定性保留值的对数与汽化热的关系保留值的对数与沸点的关系保留值的对数与分子量的关系 113 二 利用双柱 双检测器定性可克服在一根柱上 不同物质可能出现相同的保留时间的情况 1 利用双柱定性 混合物分别在两根极性不同的色谱柱上进行分离 同时与纯物质进行对照 观察已知物与未知物色谱峰是否始终重合 2 利用双检测器定性 利用检测器响应讯号的选择性对样品进行定性 例如 确定某一种气样中有无有机物 用FID鉴定 含硫化合物 用FID和FPD分别鉴定 含卤化合物 用FID和ECD分别鉴定 114 三 利用与其他方法结合定性 1 色谱 质谱 MS 联用2 色谱 红外 IR 联用3 色谱 电感耦合等离子体 ICP 联用 115 二 气相色谱的定量方法和绝大多数仪器分析一样 是一种相对定量方法 一 定量的依据 二 峰面积或峰高的测量 三 定量校正因子的计算 四 定量方法1 归一化法2 外标法3 内标法 116 117 一 定量的依据定量依据 仪器响应值与被测组分的量 在某些限定条件下成正比关系来进行定量分析的 在线性范围内 化合物的质量或浓度与峰面积或峰高成正比 二 峰面积的测量 1 峰高 h 乘半峰宽 Y1 2 法 近似将色谱峰当作等腰三角形 此法算出的面积是实际峰面积的0 94倍 A 1 064h Y1 22 峰高乘平均峰宽法 可在峰高0 15和0 85处分别测定峰宽 不对称峰可以用此法进行计算 A h Y0 15 Y0 85 23 峰高乘保留指数法 在一定操作条件下 同系物的半峰宽与保留时间成正比 对于难于测量半峰宽的窄峰 重叠峰 未完全重叠 可用此法测量峰面积 A h tRtR保留值4 自动积分和微分处理 118 三 定量校正因子的计算 引入定量校正因子的原因 被测组分的量与它在色谱图上的峰面积或峰高成正比 但是 相同量的两种不同组分在同一检测器 例如紫外检测器 中的响应值并不相同 也就是两者的峰面积或峰高不相同 所以 两者的峰面积或峰高之比并不等于两者的含量之比 因此 需要引入定量校正因子 使峰面积或峰高经过校正后 与其代表物质的量相适应 校正因子的物理意义 单位峰面积 或峰高 所代表的物质i的量 是一个与组分的物理化学性质和检测器性质有关的常数 119 四 定量方法1 归一法 1 面积归一法Wi 100 使用条件1 所有的组分全出峰的情况 2 各组分的f值相近或相同 例如同系物中沸点接近的各组分 分析相近的同系物各组分时 可以用此法计算百分含量 120 2 校正因子归一法 如果测量参数为峰面积时 Wi AifiA A1f1A AnfnA 100 如果测量参数为峰高时 Wi hifih h1f1h hnfnh 100 式中 fi为任一组分的重量校正因子使用条件 1 所有组分都流出2 响应值可以不同 特点和要求 a 归一化法简便 准确 b 进样量和操作条件的稍有变动对测量结果影响不大 c 仅适用于试样中所有组分全出峰的情况 121 2 外标法 又称标准曲线法 适用 大批量试样分析 1 用已知含量的各种浓度标样等量进样分析 作出响应值与含量之间的关系曲线 2 样品在同样条件下进行分析 将样品响应值在关系曲线上查出它们的含量 要求 校正曲线和样品分析时的条件要完全一致 对进样要求较高 122 外标法类型 直接比较法 将未知样品中某一物质的峰面积与该物质的标准品的峰面积直接比较进行定量 通常要求标准品的浓度与被测组分浓度接近 以减小定量误差 标准曲线法 将被测组分的标准物质配制成不同浓度的标准溶液 经色谱分析后制作一条标准曲线 即物质浓度与其峰面积 或峰高 的关系曲线 根据样品中待测组分的色谱峰面积 或峰高 从标准曲线上查得相应的浓度 标准曲线的斜率与物质的性质和检测器的特性相关 相当于待测组分的校正因子 123 3 内标法 选择一个适宜的内标 a 样品中不存在 b 与样品中组分完全分离 c 与样品中组分峰靠近 d 含量与组分相近 方法 a 准确量取一定体积的样品 b 加入一定量的内标 混和均匀 c 进样 124 125 计算 因为 wi ws则wi 100 ws wm 100 式中 Ws Wi Wm分别为内标 组分和样品重量 Ai As为被测组份和内标的峰面积 fi fs为被测组份和内标的重量校正因子 一般常以内标物为基难 则fs 1 要求 称量一定要准确 举例 二甲基苯氧化母液中二甲苯含量的测定 选用壬烷作内标 称取样品Wm 1500mg加入内标Ws 150mg色谱数据 Wi WsAifi WmAsfs 150 1500 98 1 02 Aifi 0 001 70 0 97 100 6 78 乙苯 0 001 1 00 95 100 9 5 对二甲苯 126 内标法特点 1 内标法的准确性较高 操作条件和进样量的稍有变动对定量结果的影响不大 2 单一内标定量法 每个试样的分析 都要进行两次称量 不适合大批量试样的快速分析 3 内标标准曲线法适用于大批量试样分析 准确度要比其他方法高 是微量或痕量分析的必要手段 127 例1 在某色谱仪操作条件下 分析某样品中的二氯乙烷 二溴乙烷及四乙基铅三组分 并选用甲苯为内标物 甲苯与样品的配比为1 10 测定结果如下 试求各组分的百分含量 128 解 假设加入的甲苯如果为1g 样品的重量为10g 即 ms 1gm样品 10g 129 例2 用气相色谱法 TCD 分析卤代烃混合物 在同样条件下 测得标准样和未知样数据如下 130 解 氯乙烷 131 例3乙酸正丁酯在阿皮松L柱上进行分析 柱温100 由图中测得调整保留时间为 乙酸正丁酯310 0mm 正庚烷174 0mm 正辛烷373 4mm 求乙酸正下酯的保留指数 例4分离度 分辨率 R 2 tR2 tR1 y1 y2 例5TVOC其它组分以甲苯计 132 第八节气相色谱仪的安装调试 使用与维护 133 一 环境条件二 安装调试三 使用与维护四 色谱分析的精密度和正确度 一 环境条件 1 仪器室 周围环境 温度湿度 减尘防尘 工作台面 防火防爆等方面因素 2 气瓶室 周围环境 氢氧分开 室内温度