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气相色谱法 2020年3月20日星期五 wangfeng0157 1 第一部分GC基础知识 2020年3月20日星期五 wangfeng0157 2 2020 3 20 3 1 1概述 色谱法是一种分离方法 它利用物质在两相中分配系数的微小差异进行分离 当两相做相对移动时 使被测物质在两相之间进行多次分配 这样原来的微小差异产生了很大的效果 使各组分分离 以达到分离分析及测定一些物理化学常数的目的 wangfeng0157 2020 3 20 4 理解色谱法 GasChromatography 主要有2点 一是要有两相 二是要有差异 两相 固定相和流动相具体到气相色谱 固定相就是色谱柱 column 流动相就是气体或者称为载气 carriergas 差异就是指分配系数的差异 wangfeng0157 2020 3 20 5 1 2气相色谱法的定义和分类 定义 用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法 分类 根据固定相的状态不同 气固色谱 GSC 吸附原理 气液色谱 GLC 分配原理 气固色谱可用活性炭 硅胶 分子筛 高分子多孔小球等作为固定相 分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物 吸附 脱附气液色谱多用固定液涂渍在惰性载体上作为固定相 一般只要高沸点的有机化合物 蒸汽压低 在450 以下有1 5KPa 10KPa的蒸汽压 且热稳定性好的有机化合物作为固定液 由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多 容易得到好的选择性 所以气液色谱有广泛的实用价值 溶解 挥发 wangfeng0157 2020 3 20 6 1 3气相色谱法的特点 三高 一快 一广 1 高效能 一般填充柱的理论塔板数可达数千 毛细管柱可达一百多万 2 高选择性 可以使一些分配系数很接近的以及极为复杂 难以分离的物质 获得满意的分离 3 高灵敏度 可以检测10 11 10 13g物质 适合于痕量分析4 分析速度快 一个试样的分析可在几分钟到几十分钟内完成 5 应用广泛 可以分析气体试样 也可分析易挥发或可衍生转化为易挥发的液体和固体 分析的有机物 约占全部有机物 约300万种 的20 6 不足之处 对被分离组分的定性能力较差 wangfeng0157 2020 3 20 7 从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体 并用记录器记录信号随时间变化的曲线 此曲线就叫色谱流出曲线 当待测组分流出色谱柱时 检测器就可检测到其组分的浓度 在流出曲线上表现为峰状 叫色谱峰 色谱图 试样中各组分经色谱柱分离后 在柱的末端收集各组分 经检测器转换为电信号 用纪录仪将各组分浓度记录下来 得到色谱图 1 4色谱流出曲线 色谱图 及有关术语 wangfeng0157 2020 3 20 8 如图所示为一色谱流出曲线 1 基线 在实验条件下 色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线 基线在稳定的条件下应是一条水平的直线 它的平直与否可反应出实验条件的稳定情况 2 峰高 h 和峰面积 色谱峰顶点与基线的距离叫峰高 色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积 wangfeng0157 2020 3 20 9 3 保留值a 死时间 tM 不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间 它与色谱柱的空隙体积成正比 由于该物质不与固定相作用 因此 其流速与流动相的流速相近 据tM可求出流动相平均流速b 保留时间tr 试样从进样到出现峰极大值时的时间 它包括组份随流动相通过柱子的时间t0和组份在固定相中滞留的时间 c 调整保留时间tr 某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间 它是组份在固定相中的滞留时间 即tr tr tM4 色谱峰底宽W 由色谱峰的两边拐点做切线 与基线交点的距离 5 半峰高宽度W 色谱峰高一半处的峰宽 也称为色谱峰半高宽度 wangfeng0157 2020 3 20 10 1 5气相色谱构成示意图 wangfeng0157 2020 3 20 11 1 6气相色谱基本流路图 500次更换 进样垫100次更换 一般为1 10 吸咐不被气化的物质 N2尾吹 wangfeng0157 第二部分载气 2020年3月20日星期五 wangfeng0157 12 2020 3 20 13 2 1常用载气 1 载气要求 作为气相色谱载气的气体 要求要化学稳定性好 纯度高 价格便宜并易取得 能适合于所用的检测器 2 常用载气氮气 黑 氦气 银灰 氩气 白 氢气 深绿 二氧化碳 黑 等TCD用氢气 氦气比较好 灵敏度高 FID用氮气惰性气体化学稳定性好 价格高 wangfeng0157 2020 3 20 14 3 气体的净化净化管通常为内径50mm 长200 250mm的金属管装填什么物质取决于载气纯度的要求 如 除去水分可用吸附剂硅胶和分子筛 除去烃类化合物 可用活性炭 净化管的出口和入口应加上标志 出口应当用少量纱布或脱脂棉轻轻塞上 严防净化剂粉尘流出净化管进入色谱仪 wangfeng0157 2020 3 20 15 4 气流调节阀通常在减压阀输出气体的管线中还要串联稳压阀 用以稳定载气 或燃气 的压力当用程序升温进行色谱分析时 由于色谱柱柱温不断升高引起色谱柱阻力不断增加 也会使载气流量发生变化 为了在气体阻力发生变化时 也能维持载气流速的稳定 需要使用稳流阀来自动控制载气的稳定流速 wangfeng0157 第三部分进样口 2020年3月20日星期五 wangfeng0157 16 2020 3 20 17 3 1进样系统 气化室将液体试样瞬间气化的装置 进样装置气体进样器 六通阀 推拉式和旋转式两种 试样首先充满定量管 切入后 载气携带定量管中的试样气体进入分离柱 wangfeng0157 2020 3 20 18 微量注射器进样阀不同规格的专用注射器 填充柱色谱常用10 L 毛细管色谱常用1 L 新型仪器带有全自动液体进样器 清洗 润冲 取样 进样 换样等过程自动完成 一次可放置数十个试样 wangfeng0157 2020 3 20 19 3 12注意事项 进样口温度过低 将导致高分子量化合物气化不完全 并且不能有效转移到色谱柱中 样品气化不完全 进样口温度过高 导致热稳定性差的化合物分解 样品分解 样品从进样针注入时 不同组分的气化程度不同 高沸点组分残留量比例高 一般情况下进样速度必须很快 因为当进样时间太长时 试样原始宽度将变大 色谱峰半峰宽随之变宽 有时甚至使峰变形 一般地 进样时间应在1s以内 wangfeng0157 第四部分色谱柱 2020年3月20日星期五 wangfeng0157 20 2020 3 20 21 色谱柱 色谱仪的核心部件 柱材质 不锈钢管或玻璃管 内径2 6毫米 长度可根据需要确定 柱填料 粒度为60 80或80 100目的色谱固定相 气 固色谱 固体吸附剂气 液色谱 载体 固定液柱制备对柱效有较大影响 填料装填太紧 柱前压力大 流速慢或将柱堵死 反之空隙体积大 柱效低 wangfeng0157 2020 3 20 22 wangfeng0157 2020 3 20 23 4 2色谱柱选择的要素 柱材质固定相内径膜厚长度 wangfeng0157 2020 3 20 24 4 2 1柱材质 不锈钢和熔融石英共同点 良好的惰性和自由度不锈钢的优势 良好的耐磨性和抗刮伤特性 可以缠绕为更小的尺寸 卓越的温度适应性 熔融石英的优势 易于和保护柱连接 易于确认毛细柱内的高沸点污染物 wangfeng0157 2020 3 20 25 4 2 2固定相 固定相选择的基本原则 相似相溶原理 选用非极性的固定相分析非极性化合物如果化合物可以用不同极性的固定相分析 选用极性最小的固定相 非极性固定相的使用寿命长于极性固定相 应用范围较广的五种固定相 Rtx 1 Rtx 5 Rtx 50 Rtx 1701和Rtx wax可以满足90 以上的分析需求 wangfeng0157 2020 3 20 26 4 2 4色谱柱的选择 根据极性来选择适合的固定相 从来选择适当的色谱柱 wangfeng0157 2020 3 20 27 4 2 5气相色谱毛细管柱常用固定相 wangfeng0157 2020 3 20 28 4 2 7内径 内径选择的基本原则 0 10mm口径柱适用于快速气相色谱分析 0 25mm口径柱具有较高的柱效 用于标准的GC MS应用和分流 不分流分析 0 32mm口径柱中等柱效 多用于不分流进样 0 53mm口径柱 可以替代填充柱 适合于痕量分析 增加色谱柱的内径 可以增加分离的样品量 但由于纵向扩散路径的增加 会使柱效降低 wangfeng0157 2020 3 20 29 4 2 8内径对分离度的影响 较小的内径可以获得更好的分离度 或者在更短的时间内获得同样的分离度 wangfeng0157 2020 3 20 30 4 2 9膜厚 膜厚选择的基本原则 增加膜厚可以提高分离度和加强保留 厚些的液膜可以有效降低过载拖尾峰和其他化合物的共流出 如果样品的浓度范围很宽 就需要更厚的液膜 反之 如果目标组分的分离足够 并且没有共流出的问题 就可以使用比较薄的液膜 对于挥发性有机物来说 厚液膜更为合适 液膜厚度的改变将直接影响化合物的流出温度 膜越厚 保留越强 流出温度相应也越高 标准膜厚 0 25 0 5 m 最广泛的应用 对于流出达到300 的大多数样品分析效果良好 薄液膜 0 1 0 2 m 适合石化分析 甘油三酯等高沸点的物质 厚液膜 1 5 m 适合于流出温度在100 200 之间的低沸点化合物 wangfeng0157 2020 3 20 31 4 2 10膜厚对分离度的影响 wangfeng0157 2020 3 20 32 4 2 11长度 长度选择的基本原则 色谱柱越长 柱效越高 选择可以满足分离度要求的最短的柱子 如果即使是最长规格的色谱柱依然无法满足分离度的要求 请考虑更换固定相或膜厚 分离度和柱长的平方根成正比 两倍的柱长只能增加40 的分离度 标准柱 25 30m 标准柱长 满足大部分应用 短柱 5 15m 通常用于10个组份以下简单样品的快速分析 长柱 50m以上 复杂样品分析 wangfeng0157 2020 3 20 33 4 2 11柱长对分析时间的影响 恒温分析 保留时间由柱长决定 柱长加倍分析时间也加倍 程升分析 保留时间主要取决于柱温 分离度的提升和恒温分析类似 但分析时间只是略有增加 由于分离度正比于柱长的平方根 所以增加柱长对分离是有利的 但增加柱长会使各组分的保留时间增加 延长分析时间 因此 在满足一定分离度的条件下 应尽可能使用较短的柱子 wangfeng0157 2020 3 20 34 4 3色谱柱的老化 为什么必须进行色谱柱老化 新色谱柱含有溶剂和高沸点物质 所以基线不稳 出现鬼峰和噪声 旧柱长时间未用 也存在同样问题 一般采用升温老化 即从室温程序升温到最高温度 并在高温段保持数小时 新柱老化时 最好不要连接检测器 每天都要进行老化吗 视仪器基线情况 确定是否需要老化以及老化时间 wangfeng0157 2020 3 20 35 4 4柱温的选择 柱温是一个重要的色谱操作参数 它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使用温度 否则会造成固定液大量挥发流失 某些固定液有最低操作温度 一般地说 操作温度至少必须高于固定液的熔点 以使其有效地发挥作用 降低柱温可使色谱柱的选择性增大 但升高柱温可以缩短分析时间 并且可以改善气相和液相的传质速率 有利于提高效能 所以 这两方面的情况均需考虑 柱温分为恒温和程序升温两种恒温 对于沸程不太宽的简单样品 可采用恒温模式 一般的气体分析和简单液体样品分析都采用恒温模式 程序升温 对于沸程较宽的复杂样品 如果在一恒温下分很难达到好的分离效果 wangfeng0157 2020 3 20 36 wangfeng0157 第五部分检测器 2020年3月20日星期五 wangfeng0157 37 2020 3 20 38 检测器 是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为电信号的装置 是色谱仪的眼睛 通常由检测元件 放大器 数模转换器三部分组成 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器 按其浓度或质量随时间的变化 转化成相应电信号 经放大后记录和显示 给出色谱图 常用的检测器 热导检测器 氢火焰离子化检测器 电子捕获检测器 火焰光度检测器 氮磷检测器 5 1检测器定义 wangfeng0157 2020 3 20 39 5 2检测器分类 根据检测器的响应原理 可将其分为浓度型和质量型检测器 浓度型 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 质量型 检测的是载气中组分进入检测器中速度变化 即响应值与单位时间进入检测器的质量成正比 如FID FPD 根据应用范围 分为通用型检测器和选择型检测器通用型 对所有物质有响应 如TCD FID 选择型 对特定物质有高灵敏响应 如ECD FPD NPD 根据工作过程 分为破坏型检测器和非破坏型检测器破坏型 检测过程中样品遭到破坏 不能回收 如FID FPD 非破坏型 检测过程中样品不遭到破坏 可以回收 如TCD ECD wangfeng0157 2020 3 20 40 5 3常用检测器 wangfeng0157 2020 3 20 41 热导检测器 TCD thermalconductivitydetector 基本原理 每种物质都有导热能力 而且导热的能力大小不同 通过一个热敏电阻来测定与热敏电阻接触的气体组成变化情况 这种检测方式虽然不是最灵敏的 但是对所有样品都有响应 是通用型的检测器 wangfeng0157 2020 3 20 42 1 热导检测器的结构池体 一般用不锈钢制成 热敏元件 电阻率高 电阻温度系数大 且价廉易加工的钨丝制成 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 则连接在紧靠近分离柱出口处 wangfeng0157 2020 3 20 43 wangfeng0157 2020 3 20 44 平衡电桥 下图 不同的气体有不同的热导系数 钨丝通电 加热与散热达到平衡后 两臂电阻值 R参 R测 R1 R2则 R参 R2 R测 R1无电压信号输出 记录仪走直线 基线 wangfeng0157 2020 3 20 45 进样后 载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气 使测量臂的温度改变 引起电阻的变化 测量臂和参考臂的电阻值不等 产生电阻差 R参 R测则 R参 R2 R测 R1 这时电桥失去平衡 a b两端存在着电位差 有电压信号输出 信号与组分浓度相关 记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形 wangfeng0157 2020 3 20 46 影响热导检测器灵敏度的因素 热丝阻值热丝阻值越大 其灵敏度越高 桥流桥流越大 灵敏度越高 wangfeng0157 2020 3 20 47 TCD的响应特性 通用型检测器灵敏度较低 适合于大于几十ppm组分测定对卤化物 重金属酯响应较小浓度型检测器非破坏型检测器 wangfeng0157 2020 3 20 48 又称氢焰离子化检测器 主要用于可在H2 Air火焰中燃烧的有机化合物 如烃类物质 的检测 原理 含碳有机物在H2 Air火焰中燃烧产生碎片离子 在电场作用下形成离子流 根据离子流产生的电信号强度 检测被色谱柱分离的组分 火焰离子化检测器 FID flameionizationdetector FID wangfeng0157 2020 3 20 49 结构 主要为离子室 内有石英喷嘴 发射极 极化极 此图中为火焰顶端 和收集极 1 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压 100 300V 构成一个外加电场 2 氢焰检测器要用到三种气体 N2 载气携带试样组分 H2 为燃气 空气 助燃气 使用时需要调整三者的比例关系 检测器灵敏度达到最佳 wangfeng0157 2020 3 20 50 wangfeng0157 2020 3 20 51 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 工作过程 来自色谱柱的有机物与H2 Air混合并燃烧 产生电子和离子碎片 这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下 几百伏 形成电流 经放大后测量电流信号 wangfeng0157 2020 3 20 52 具体描述如下 氢气由喷嘴加入 与空气混合点火燃烧 形成氢火焰 极化极和收集极通过高阻 基流补偿和50 350V的直流电源组成检测电路 测量氢火焰中所产生的微电流 该检测电路在收集极和极化极间形成一高压静电场 H2 O2燃烧能产生2100 高温 使被测有机组分电离 载气 N2 本身不会被电离 只有载气中的有机杂质和流失的固定液会在氢火焰中被电离成正 负离子和电子 在电场作用下 正离子移向收集极 正极 负离子和电子移向极化极 负极 形成的微电流经高电阻 在其两端产生电压降 经微电流放大器放大后从输出衰减器中取出信号 在记录仪中记录下来即为基流 或称本底电流 背景电流 只要载气流速 柱温等条件不变 基流亦不变 无样品时两极间离子很少 基流不变 当载气 组分进入火焰时 在氢火焰作用下电离生成许多正 负离子和电子 使电路中形成的微电流显著增大 即组分的信号 离子流经高阻放大 记录即得色谱峰 wangfeng0157 2020 3 20 53 注意事项 一 注意安全防氢气泄漏 切勿让氢气泄漏入柱恒温箱中 以防爆炸 注意以下几点即可 在未接色谱柱和柱试漏前 切勿通氢气 卸色谱柱前 先检查一下 氢气是否关好 如果是双柱双检测器我谱仪 只有一个FID检测器工作时 务必要将另一个不用的FID用闷头螺丝堵死 防烫伤 因为FID外壳很烫 二 保持FID正常性能1 正常点火点火时 FID检测器温度务必在120 以上 点火困难时 适当增大氢气流速 减小空气流速 点着后再调回原来的比例 检测器要高于柱温20 50 防水冷凝 2 定期清洗喷咀注意线性范围与以下条件有关 一般用N2作载气 载气要净化 除有机物 气体流量比等 wangfeng0157 第六部分数据分析 2020年3月20日星期五 wangfeng0157 54 2020 3 20 55 6 1定量方法 一 6 1 1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 wangfeng0157 2020 3 20 56 面积归一法 不需