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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 1 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 2 气相色谱系统 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 基本术语保留时间 Retentiontime 组份从进样到出现最大值所需要的时间 tR死时间 deadtime 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 PeakHeight 从峰最大值到峰底的距离 峰面积 PeakArea 峰与峰底之间的面积 分离度 Resolution 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 例如 图示中塔板数为3 塔板理论 柱效能 ColumnEfficiency 峰展宽的度量 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 B 纵向扩散 气相中分子的扩散主要决定于气体流速 C 传质阻力 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 综合上述三个峰展宽的因数HEPT 理论塔板高度 HeightEquivalenttoaTheoreticalPlate HETP A B C 这里 A 涡流扩散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 VanDeemter 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 60cm sec VanDeemter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VanDeemter图的影响 常用毛细管柱的最佳载气流量 气体 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100psig 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 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 OnColumn 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 填充柱进样口 柱上进样 OnColumn 快速气化 Flash vaporization 柱上进样 Oncolumn 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 最好用于干净稀释的样品 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50 C 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 柱上进样载气流量小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 53mm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 1mmto0 53mmID 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 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Colomntip 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 排气口流量 色谱柱流量色谱柱流量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 5mL 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 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20 C 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1 L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 5mL min 不分流进样的规则 将软件置于不分流模式 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 开始时 柱温箱温度设定为比溶剂的沸点低20 C 保持1分钟 然后以30 C min的速度升到比溶剂沸点高40 60 C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50mL min 保证隔垫吹扫打开 并设为2 5mL min 6 色谱柱 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 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 80mm 长度 可大于100m 普通一般为30m 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2mm 毛细管柱的内径可从0 10 0 8mm 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 前提是被测物不会过载 0 32mm 用于分流 不分流进样 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 标准的毛细管柱一般为0 25 m 0 53mm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 最初老化温度 4hours 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度 短期允许的最高温度 一般比恒温允许的最高温度高20 C 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 UniversalDetector 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 FPD 氮磷检测器 NPD 通用型检测器 UniversalDetector 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 5kg cm2 2 确定流速CarrierGas ReferenceGas3 等待COL INJ DET溫度到達設定值4 設定Electronics On5 等待TCD穩定至少約30min左右6 開始分析样品7 結束分析時設定Electronics Off8 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 10pg 线性范围可达6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 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 2000 F 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 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 燃烧气 H2流速45ml min 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注意事项 正确设置H2 空气的流量检测器温度应比柱温箱设定的最高温度高30 C 且大于150 C以防止水凝结在检测器上FID在电路打开后 会自动点火 在GC报告熄火以前 最多会连续点火三次如果报告了熄火 要查找熄火的原因 然后再按GC上的 Ignite 功能键 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捕获慢速低能量电子使基流下降形成信号 e sample currentloss 氮磷检测器 NPD 只对氮 磷有很高的选择性氮的灵敏度 0 5pg sec 磷为 0 05pg sec主要应用于 药物 燃料 香料 农药残留 氢气流量为2 0ml min 空气流量为100ml min NPD使用前要进行珠老化 老化过程中载气流量要小于5ml min 根据样品浓度选择不同的背景值 NPD不能测定以卤代烃为溶剂的样品 极性溶剂如水 甲醇 乙醇等对珠寿命的影响较大 分析结束后要及时关闭珠电压 建议采用内标法定 氮磷检测器 NPD 火焰光度检测器FPD 对P S 和锡元素有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 标配为S元素的滤光片 测定P和锡时调换相应的滤光片 火焰光度检测器FPD FPD工作温度为250 450度 氢气流量为75ml min 空气流量为90ml min FFD点火 打开氢气和空气 将FPD点火器直接至于FPD帽上即可点火 FPD工作期间不许拿下FPD帽子 以防止FPD光电倍增管检测器受损 分析结束后要及时关闭FPD光电倍增管检测器 以延长检测器寿命 火焰光度检测器FPD 8 定量分析方法 校正因子校正因子是定量计算公式中的比例常数 其物理意义是单位面积所代表的被测组分的量 可用下式表示 Mi I组分的量 fi I组分的校正因子 Ai I组分的峰面积定量分析的依据是被测组分的量与响应信号成正比 但相同含量的物质由于物理 化学性质的差别 即使在同一检测器上产生的信号也不同 直接用响应信号定量 必然导致较大误差 故引入校正因子 归一化法 Normalized 将样品中所有组份的含量之和定为100 计算其中某一组份百分含量的定量方法 其中 xi 试样中组份I的百分含量fi 组份I的校正因子Ai 组份I的峰面积或峰高 优点 方法简便 进样量与载气流速的影响不大缺点 样品中所有组份必须都能出峰 并且必须知道各自组份的校正因子 当样品中各组份的校正因子近似相等 可不用校正因子 将面积直接归一化 按下式计算 即 NOCalibration 外标法 ExternalStandard 在相同分析条件下 比较标准物质与样品的色谱峰面积或峰高1 用已知的标准品配成不同浓度的标准样 测量各种浓度的峰高或峰面积 绘制响应信号与百分含量的关系曲线 2 测量样品的峰面积或峰高 在校正曲线上查出其对应的百分含量 要求 进样量 色谱分析条件严格不变 样品中加入内标物 利用被测物与内标物校正因子的比值不变来进行定量的 首先用被测物标准品和内标物配制标准溶液 求得校正因子比值