气相色谱分离的原理

峰面积 峰面积 组分流出的曲线与基线所包围的面积 表示 符号 A 峰底 色谱峰下面的基线延长线 峰起点到终点间的直线 CD 峰高 色谱峰最高点至峰底的垂直距离 AB 表示符号 h 峰宽 W 沿色谱峰两侧拐点所作的切线与峰底相交两点之间的距离 IJ 符号 半峰宽 Wh 2 峰高为 0 5h 处的峰宽 标准偏差 峰高 0 607h 处峰宽 EF 的一半 区域宽度 区域宽度 色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一 可用于衡量色谱柱的柱效 及反映色谱操作条件下的动力学因素 宽度越窄 其效率越高 分离的效果也越好 保留时间 保留时间 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 死时间死时间 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 调整保留时间调整保留时间 某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间 是组份在固定相中的滞留时 间 死体积死体积 色谱柱管内固定相颗粒间空隙 色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和 保留体积保留体积 Vr 指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积 调整保留体积调整保留体积 某组份的保留体积扣除死体积后的体积 净保留体积净保留体积 用压力梯度校正因子修正后的组分调整保留体积 VN 比保留体积比保留体积 组分在每 g 固定液校正到 273 15K 时的净保留体积 Vg 相比率 相比率 气相与吸附剂或固定液体积之比 VG VS VG VL 相对保留值 相对保留值 相同操作条件下 组分与参比 物质的调整保留值之比 ri s 柱外效应柱外效应 是指色谱柱之外的造成色谱峰展宽的成因 主要由进样装置 检测池及它们与柱 之间的连接管路所产生 即从进样系统到检测器之间色谱柱以外的流路部分 由于进样方 式 柱后扩散等因素对柱效能所产生的影响 反吹 反吹 一些组分被洗脱后 将载气反向通过色谱柱 使另一些组分向相反方向移动的操作 目 的是为了使组分从色谱柱相反方向洗脱 可节省时间 或使组分不进入会受其污染的另一色谱 柱 老化老化 色谱柱在高于使用柱温下通过载气进行处理的过程 老化温度不可超过固定液的允许最 高使用温度 老化时间一般为 10 小时左右 色谱柱老化的目的 色谱柱老化的目的 是彻底除去填充物中的残留溶剂和某些挥发性的物质 另一方面是促 进固定液均匀牢固地分布在担体的表面上 柱流失柱流失 所有的色谱柱都有柱流失的现象 来源于固定相由于各种原因降解而产生的被洗脱 物质 柱流失会随着温度的升高而加剧 基线噪声基线噪声又称噪音 定义为没有溶质通过检测器时 检测器输出的信号变化 以 RN 表示 噪声是指与被测样品无关的检测器输出信号的随机扰动变化 漂移漂移是指基线随时间的增加朝单一方向规律性移动 造成漂移的原因造成漂移的原因是电源电压不稳 检 测器本身或附属电子元件性能不佳 或者温度及流动相流速的缓慢变化 固定相从柱中冲刷 下来 更换的新溶剂在柱中尚未达到平衡等 检测器的线性范围检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比 或叫最大允许进样量 浓度 与最小检测量 浓度 之比 检测器的灵敏度检测器的灵敏度灵敏度可定义为信号 R 对进人检测器的组分量 C 的变化率 检测器的检测限检测器的检测限如果要把信号从本底噪声中识别出来 则组分的响应值就一定要高于 N 检测器响应值为 2 倍噪声水平时的试样浓度 或质量 被定义为最低检测限 最小检测量最小检测量指产生二倍噪声峰高时 色谱体系 即色谱仪 所需的进样量 响应速度响应速度 响应时间响应时间 响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其真值的 63 所需 的时间 响应速度快 一般都小于 1s 使用温度使用温度 检测器的使用温度要求高于柱温 否则分离后的各组分容易冷凝而滞留于检测器或 管路中 造成检测器的污染而降低灵敏度 甚至引起池体或喷嘴的堵塞 使检测器不能正常工 作 气相色谱分离的原理气相色谱分离的原理 混合物中各组分在两相间进行分配 其中一相是不动的固定相 另一项是携带混合物流过此 固定相的流动相气体 也叫载气 当流动相中所含化合物经过固定相时 就会与固定相发生 作用 由于各组分在性质和结构上的差别 与固定相发生作用的大小 强弱有差异 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 按先后不同的顺序从固定 相中流出 程序升温程序升温是指色谱柱的温度按设置的程序连续地随时间线性或非线性逐渐升高 以使低沸 点组分和高沸点组分在色谱柱中都有适宜的保留 色谱峰分布均匀且峰形对称 各组分的 保留值可用色谱峰最高处的相应温度即保留温度表示 程序升温优点程序升温优点采用程序升温后不仅改善分离 而且可以缩短分析时间 得到的峰形也很理 想 应用 应用 宽沸程 沸程 80 的多组分混合物可采用程序升温法 即在分析过程中按一定 速度提高柱温 在程序开始时 柱温较低 低沸点的组分得到分离 中等沸点的组分移动 很慢 高沸点的组分还停留于柱口附近 随着温度上升 组分由低沸点到高沸点依次分离 出来 对固定液的选择对固定液的选择并没有规律性可循 一般可按 相似相溶 原则来选择 在应用时 应按 实际情况而定 i 分离非极性物质 一般选用非极性固定液 这时试样中各组分按沸点次序流出 沸点 低的先流出 沸点高的后流出 ii 分离极性物质 选用极性固定液 试样中各组分按极性次序分离 极性小的先流出 极性大的后流出 iii 分离非极性和极性混合物 一般选用极性固定液 这时非极性组分先流出 极性组 分后流出 vi 分离能形成氢键的试样 一般选用极性或氢键型固定液 试样中各组分按与固定液 分子间形成氢键能力大小先后流出 不易形成氢键的先流出 最易形成氢键的最后流出 v 复杂的难分离物质 可选用两种或两种以上混合固定液 检测器的分类检测器的分类 l 浓度型检测器浓度型检测器 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的 浓度成正比 如热导检测器和电子捕获检测器 2 质量型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量成正比 如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等 热导检测器热导检测器是利用被测组分和载气的导热系数不同而响应的浓度型检测器 被测组分的 蒸气与载气具有不同的热导系数 热丝阻值随温度变化而变化 利用惠斯登电桥测量 热导检测器优缺点热导检测器优缺点由于结构简单 性能稳定 几乎对所有物质都有响应 通用性好 而且 线性范围宽 价格便宜 因此是应用最广 最成熟的一种检测器 主要缺点是灵敏度较低 影响热导检测器灵敏度的因素影响热导检测器灵敏度的因素 l 桥电流 桥电流增加 使钨丝温度提高 钨丝和热导池体的温差加大 气体就容易 将热量传出去 灵敏度就提高 响应值与工作电流的三次方成正比 2 池体温度 池体温度降低 可使池体和钨丝温差加大 有利于提高灵敏度 但池体温 度过低 被测试样会冷凝在检测器中 池体温度一般不应低于柱温 3 载气种类 载气与试样的热导系数相差愈大 则灵敏度愈高 故选择热导系数大的氢 气或氦气作载气有利于灵敏度提高 如用氮气作载气时 有些试样 如甲烷 的热导系数 比它大就会出现倒峰 4 热敏元件的阻值 阻值高 温度系数较大的热敏元件 灵敏度高 出峰特点出峰特点同一种物质 峰面积越大 浓度越大 不同物质 与载气的导热系数相差越大 峰面积越大 灵敏度越大 应用应用热导检测器是一种通用的非破坏型浓度型检测器 有利于样品的收集 或与其它仪器 联用 TCD 特别适用于气体混合物的分析 尤其是无机气体的分析 对于那些氢 火焰离子化检测器不能直接检测的 TCD 用峰高定量 适于工厂控制分析 氢火焰离子化检测器 氢火焰离子化检测器 FIDFID 氢火焰离子化检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源 利用含碳有机物在火焰中燃烧 产生离子 在外加的电场作用下 使离子形成离子流 根据离子流产生的电信号强度 检 测被色谱柱分离出的组分 它的特点是 灵敏度很高 比热导检测器的灵敏度高约 103 倍 检出限低 可达 10 12g S 1 优点 优点 能检测大多数含碳有机化合物 死体积小 响应速度快 线性范围也宽 可达 106 以上 而且结构不复杂 操作简单 主要缺点是 不能检测永久性气体 水 一氧化碳 二氧化碳 氮的氧化物 硫化氢等物 质 火焰离子化机理火焰离子化机理 至今还不十分清楚其机理 普遍认为这是一个化学电离过程 有机物在火 焰中先形成自由基 然后与氧产生正离子 再同水反应生成 H30 离子 影响操作条件的因素影响操作条件的因素 离子室的结构对火焰离子化检测器的灵敏度有直接影响 操作条件的 变化 包括氢气 载气 空气流速和检测室的温度等都对检测器灵敏度有影响 电子捕获检测器电子捕获检测器 electron electron capturecapture detector detector ECD ECD 优缺点优缺点电子捕获检测器也称电子俘获检测器 它是一种选择性很强的检测器 对具有电负 性物质 如含卤素 硫 磷 氰等的物质 的检测有很高灵敏度 检出限约 1O 14g cm 3 它是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器 它的缺点是线性范围窄 只有 103 左右 且响应易受操作条件的影响 重现性较差 ECDECD 使用特别注意使用特别注意 1 载气 用纯度高于 99 999 N2 2 第一次使用 ECD 时 要用大量高纯 N2 吹扫 24h 以上 短时停机不停气 3 ECD 出口必须引出室外 4 分析电负性强的物质时 进样量要 10 9g 以防放射源能量大大降低而失效 火焰光度检测器火焰光度检测器 flame flame photometricphotometric detector detector FPD FPD 火焰光度检测器 又称硫 磷检测器 它是一种对含磷 硫有机化合物具有高选择性和高 灵敏度的质量型检测器 检出限可达 10 12g S 1 对 P 或 10 11g S 11 对 S 这种 检测器可用于大气中痕量硫化物以及农副产品 水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留 量的测定 工作原理工作原理 根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时 生成化学发光物质 并能发射出特征波 长的光 记录这些特征光谱 就能检测硫和磷 气相色谱分离条件的优化气相色谱分离条件的优化 1 1 柱长的选择柱长的选择 增加柱长可使理论塔板数增大 但同时使峰宽加大 分析时间延长 因此 填充柱的柱长 要选择适当 过长的柱子 总分离效能也不一定高 一般情况下 柱长选择以使组分能完 全分离 分离度达到所期望的值为准 2 2 载气种类及其流速的选择载气种类及其流速的选择 当 u 较小时 分子扩散项 B u 是影响板高的主要因素 此时 宜选择相对分子质量较大的 载气 N2 Ar 以使组分在载气中有较小的扩散系数 当 u 较大时 传质阻力项 Cu 起主 导作用 宜选择相对分子质量小的载气 H2 He 使组分有较大的扩散系数 减小传质阻力 提高柱效 当然 载气的选择还要考虑与检测器相适应 3 3 柱温的选择柱温的选择 在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下 采取适当低的柱温 但以保留时间适宜 峰形不拖尾为度 另外 柱温的选择还应考虑固定液的使用温度 柱温不能高于固定液的 最高使用温度 否则固定派挥发流失对分离不利 固定液 T 最高 T 老化 Tc 固定液 T 最低 4 4 气化温度和检测室温度选择气化温度和检测室温度选择 一般选择 Ti 比 Tc 高出 10 50 30 70 即可 在汽化室中 稍低于组分的正常沸 点 也可完全汽化 但要注意 TD Ti 5 5 载体粒度及筛分范围的选择载体粒度及筛分范围的选择 载体的粒度愈小 填装愈均匀 柱效就愈高 但粒度也不能太小 否则 阻力压也急剧增 大 6 6 进样量的选择进样量的选择 准确 适量 控制在柱容量和仪器的线性范围之内 保证液体试样瞬间汽化 外标法定 1 量时还要求准确定量进样 在实际分析中最大允许进样量应控制在使半峰宽基本不变 2 而峰高与进样量成线性关系 如果超过最大允许进样量 线性关系遭破坏 一般说来 3 色谱柱越粗 越长 固定液含量越高 容许进样量越大 7 7 进样速度 时间 选择进样速度 时间 选择 快且稳 保证试样立刻全部汽化集中被载气带入色谱柱 裂解气相色谱裂解气相色谱 原理原理在一定条件下 高分子及非挥发性有机物遵循一定的规律裂解 即特定的样品能够产生 特征的裂解产物及产物分布 据此可对原样品进行表征 把待测样品置于裂解器中 在严 格控制的条件下快速加热 使之迅速分解成为可挥发的小分子产物 然后将裂解产物送到 色谱柱中进行分离分析 通过对裂解产物的定性和定量分析 以及和裂解温度 裂解时间 等操作条件的关系 可以研究裂解产物和原样品的组成 结构和物化性能的关系 并可以 研究裂解机理和反应动力学 应用应用裂解气相色谱法是一个样品破坏性的仪器分析方法 它的主要研究对象是天然和合成 高聚物 生物大分子 地质有机大分子和不挥发性有机物 液相色谱分离液相色谱分离 原理原理被分离混合物由流动相液体推动进入色谱柱 根据各组分在固定相及流动相中的吸 1 附能力 分配系数 离子交换作用或分子尺寸大小的差异进行分离 色谱分离的实质是 2 样品分子 溶质 与溶剂 即流动相或洗脱液 以及固定相分子间的作用 作用力的大小 决定色谱过程的保留行为 分类分类根据分离机制不同 液相色谱可分为 液固吸附色谱 液液分配色谱 化学键合相色 谱 离子交换色谱以及分子排阻色谱等类型 梯度洗脱梯度洗脱 就是在分离过程中 让流动相的组成 含有两种或两种以上极性不同的溶剂 按 一定程序连续变化 梯度洗脱十分类似气体色谱中的程序升温 通过改变流动相组成 来 达到改变组分 k 的目的 改变流动相的极性 离子强度 pH 值 盐浓度 从而产生了相应 的浓度梯度 极性梯度 离子强度梯度 pH 梯度 盐梯度 梯度洗脱的优点是 梯度洗脱的优点是 1 改善分离 加快分析速度 2 改善越形 减少施尾 增加柱效 有利于痕量组分的检测 3 增加峰容量 4 由于强烈滞留的组分不容易残留在柱上 因而 可保持柱性能长期良好 梯度洗脱的缺点是 梯度洗脱的缺点是 仪器成本高 进行下次分析时 更换流动相需要时间 不同溶剂的紫 外吸收程度稍有差异 可能引起基线漂移 梯度洗脱原理 梯度洗脱原理 在液相色谱中用 2 种 或 2 种以上 不同极性的流动相 在分离过程中按 一定的比例连续的变化 通过自身配比的改变而改变其极性 以实现对复杂物质的分离 应用应用 具有较宽 k 值范围的样品 大分子样品 样品含有晚流出干扰物 溶于弱 溶剂的样品稀溶液 注意事项注意事项 柱外展宽柱外展宽是指色谱柱外的因素所引起的峰展宽 主要包括进样系统 连接管道及检测器中 存在死体积 柱外展宽可分柱前和柱后展宽 进样系统是引起柱前展宽的主要因素 因此 高效液相色谱法中对进样技术要求较严 1 预防堵塞预防堵塞 柱易被极细的颗粒堵塞 因此必须将流动相仔细地蒸馏 过滤 防止细菌生 长的办法是加入抑制剂 抑制剂不能干扰分离和测定 2 柱子堵塞后需要仔细拆洗柱子堵塞后需要仔细拆洗 柱压明显升高 柱子可能部分堵塞 堵塞最容易发生在极窄 的入口接头处以及入口 出口筛板处 堵塞后需要仔细拆洗 清除堵塞物 但必须防止较 强的机械震动 以防扰动柱内的固定相层 使柱效发生变化 3 3 柱子的实际操作压力应低于填装时的最高压力 最好在最高压力的一半以下 柱子的实际操作压力应低于填装时的最高压力 最好在最高压力的一半以下 实际操作 压力过高 易使入口的固定相层下沉 形成一个空穴 若空穴形成 应重新装柱 在空穴 中加入新的匀浆或玻璃微珠 也无法恢复到原来的柱效 4 用进样阀进样用进样阀进样 不用注射器进样 以防止注射隔膜碎屑集聚在柱入口 5 无特殊说明的柱子不得反冲无特殊说明的柱子不得反冲 流动相逆向流动流动相逆向流动 否则使固定相层位移 柱效下降 6 柱子两端用金属螺帽封闭 保存在纯净的有机溶剂中 柱子两端用金属螺帽封闭 保存在纯净的有机溶剂中 应该将柱子保存在以下 pH 范围 内的水溶液流动相中 2 pH 8 5 为了长期保存 最好用纯有机溶剂 如甲醇 清洗柱子 7 一定要防止柱子干涸 特别是硬胶柱一定要防止柱子干涸 特别是硬胶柱 8 使用卫柱使用卫柱 Guard Column 连续注射含有强烈滞留 不被洗脱 组分的样品 最终会 使柱效下降 保留值改变 选择性变坏 柱寿命缩短 为了延长柱寿命 在进样阀和分析 柱之间加上卫柱 液相检测器液相检测器 分类分类 1 溶质性检测器 它仅对被分离组分的物理或化学特性有响应 属于这类检测器的有 紫外 荧光 电化学检测器等 2 总体检测器 它对试样和洗脱液总的物理或化学性 质有响应 属于这类检测器的有示差折光 电导检测器等 紫外吸收检测器紫外吸收检测器 作用原理作用原理 基于被分析样品组分对特定波长紫外光的选择性吸收 组分浓度与吸光度的关 系遵守比耳定律 紫外光度检测器有固定波长 单浓长和多波长 和可变波长 紫外分光和紫 外可见分光 两类 紫外吸收检测器的优点紫外吸收检测器的优点 1 灵敏度高 检测器的灵敏度强烈依赖于组分的摩尔吸光系数 许 多官能团在紫外区具有很高的摩尔吸光系数 2 选择性好 3 对流动相速度波动以及温 度的变化不敏感 适用于梯度洗脱 4 线性动态范围宽 达 105 这就有可能同时检测主 要成分及痕量成分 5 池体积很小 由检测器死体积引起的柱外展宽就小 6 不破坏样 品 7 价格低 DADDAD 检测器检测器 二极管阵列检测器 属于紫外检测器的一种 优点优点 1 可得任意波长的色谱图 极为方便 2 可得任意时间的光谱图 相当于与紫外联 用 3 色谱峰纯度鉴定 光谱图检索等功能 可提供组分的定性信息 2 示差折光检测器 优缺点优缺点 1 响应值取决于柱后流出液的折射率的变化 适用于 高分子化合物 糖 脂肪烷 烃 聚乙烯 聚乙二醇 2 与 UV 比 灵敏度较低 不适于痕量分析 3 对压力和温度变化 敏感 4 不能用于梯度洗脱 5 基线难稳定 3 3 安培检测器安培检测器利用待测物流入反应池时在工作电极表面发生氧化或还原反应 两电极间就 有电流通过 此电流大小与待测物浓度成正比 流动相必须含有电解质 且呈化学惰性 且只能检测具有电活性的物质 4 4 荧光检测器荧光检测器 原理原理 物质的分子或原子经光照射后 有些电子被激发至较高的能 级 这 些电子从高能级 跃至低能级时 物质会发出比入射光 波长较 长的光 这种光称为荧光 荧光检测器就是在样品的激发波长处检测发射光的强弱 优点优点 a 灵敏度非常高适合于痕量分析 b 可以用于梯度洗脱 c 对仪器的稳定性 如 温度和压力的稳定性 依赖较小 d 选择性好 优于紫外 缺点缺点 a 适用范围有一定的局限性 只适用于有荧光基团 衍生化之后有荧光基团的化合 物 b 定量分析时线性范围较窄 6 6 蒸发光散射检测器蒸发光散射检测器 ELSD ELSD 原理原理 色谱柱流出液进入雾化器形成微小液滴 与通入的气体 通常是氮气 混合均匀 经 过加热的漂移管 蒸发除去流动相 样品组分形成气溶胶 用强光或激光照射气溶胶 产 生光散射 用光电二极管检测散射光 ELSDELSD 检测分为三个步骤检测分为三个步骤 1 用惰性气体 一般是用 N2 雾化脱洗液 2 流动相在加热 管 漂移管 中蒸发 3 样品颗粒散射光后得到检测 重要参数与影响 的因素重要参数与影响 的因素 a 雾化室温度 影响不大 b 氮气流速 气体流速增大 使响应值减小 故最佳气体流速 是在可以接受的噪声基础上所产生的最大检测响应值的最低气体流速 c 漂移管温度 温 度过低则流动相得不到充分挥发 使基线水平较高 温度过高则可能带来更大的噪声 最 佳温度是在流动相基本挥发的基础上产生可接受噪音的最低温度 d 流动相流速 e 盐对基线噪音的影响 对于高浓度的盐 盐的不完全挥发会造成基线增高 使样品响应 值受气体流速的影响相对变小 对于低浓度的盐 盐的完全挥发使响应值受其影响较 大 所以 对用做缓冲液的盐 既要容易挥发 又要具有好的纯度 一般盐的挥发性越大 所需的气体流速和漂移管温度越低 特点特点因为 ELSD 在检测前将流动相蒸发 所以基线的噪声和漂移都很小 因此基线稳定和 1 1 样品检测的灵敏度高 流动相的蒸发使得 ELSD 和梯度脱洗相容 因而可提高色谱分离的 2 分辨率和缩短分离时间 不像紫外检测器 ELSD 的激光源无需更换大大降低了运行成本 3 ELSDELSD 优点优点 a 灵敏度大大提高 S N 高 5 10 倍 检测限可达 ng 级 b 能进行梯度脱洗 是多成分分析中强有力的检测手段 c 对环境温度变化不敏感 d 基线稳定 不会产生漂 移 缺点缺点 a RID 上使用的流动相不受特殊的制约 但是 ELSD 由于以流动相挥发为大前提 限定为挥发性物质 不能使用磷酸缓冲液等 b RI