气相色谱分析

本期讲座的目录 本期讲座的目录 第一章 检测器的响应 第一节 检测器的线性范围 第二节 色谱定量计算的依据 第二章 色谱定量方法 第一节 外标法 第二节 相对校正因子 Gi 第三节 归一化法 第四节 内标法 第五节 内加法 第六节 对比和综述 第一章 检测器的响应第一章 检测器的响应 第一节 检测器的线性范围第一节 检测器的线性范围 一个好的检测器必须具有较高的灵敏度 低的检测限 宽的线性和工作温度范围 一定的 稳定性 较小的检测池死体积 快速的响应时间和牢固的整体结构 同时检测器的操作也 要力求简单 线性范围 linear range 是指检测器灵敏度保持不变时 所允许的最大进样量与最小进样 量之比 图 1 线性范围示意图 不同类型的检测器的响应值 R 和进入检测器的组分浓度 Q 即进样量不变下的样品浓度 C 之间的关系一般可用下面的公式来表示 其中当 n 1 时 称为线性响应 如图 1 线性范围示意图 线性范围 就是图中 A B 曲线 直线部分两个端点浓度之比 现代色谱检测器通常都是线性响应的 但也有例外 比如 FPD 通常与浓度的平方成正比 一般来说 样品中组分的响应值应该落在检测器的线性区间内 如果样品进样量过大 某 组分的响应值超过了线性范围 那么用外标法测定时会导致测定值偏低 检测器的动态范围是指检测器对组分发生响应的区间 它通常大于线性空间 一个检测器的线性空间的下限 就是该检测器的检测限 第二节 色谱定量计算的依据第二节 色谱定量计算的依据 色谱法进行定量计算时 可以选择峰高或峰面积来进行 无论选用哪个参数 样品中组分 的含量 C 与此参数 X 都必须符合线性关系 即 C KX 的关系 根据检测器响应机理和塔 板理论 峰高与峰面积都应该满足此关系 但由于峰形展宽等原因 对绝大多数检测器来 说 都是峰面积 A 与含量成正比 只有在峰形比较细高而且对称较好的时候 选用峰高计 算比较简易 第二章 色谱定量方法第二章 色谱定量方法 根据标准样品在色谱定量过程中的使用情况 色谱定量分析方法可以分为外标法 内标法 归一化法三大类 对于一些特殊样品的分析 可能综合使用其中的二种或三种 形成更 复杂的定量方法 如内加法等 第一节 外标法第一节 外标法 当能够精确进样量的时候 通常采用外标法进行定量 这种方法标准物质单独进样分析 从而确定待测组分的校正因子 实际样品进样分析后依据此校正因子对待测组分色谱峰进 行计算得出含量 其特点是标准物质和未知样品分开进样 虽然看上去是二次进样 但实 际上未知样品只需要一次进样分析就能得到结果 外标法的优点是操作简单 不需要前处 理 缺点是要求精确进样 进样量的差异直接导致分析误差的产生 外标法是最常用的定 量方法 其计算过程如下 1 绝对校正因子 gi 的计算 gi ms Ai 式中 ms 是标准样品中组分 i 的含量 Ai 是标准样品谱图中组分 i 的峰面积 2 外标法的计算公式 mi Ai gi 这里 mi 是未知样品中组分 i 的含量 第二节 相对校正因子第二节 相对校正因子 Gi 相对校正因子是某组分的绝对校正因子与标准物质绝对校正因子的商 计算公式如下 Gi gi gs 式中 gi 是组分 i 的绝对校正因子 gs 是标准物质的绝对校正因子 对同一类型的不同检测器来说 在组分 i 和 s 相同的情况下 相对校正因子是基本一致的 它只和检测器的性能 待测组分的性质 标准物质的性质 载气的性质相关 与操作条 件无关 也就是说基本上可是认为相对校正因子相对校正因子 Gi 是一个常数是一个常数 相对校正因子在好多相 关文献上可以查到 在无法找到所有组分标准样品的时候 可以参考使用 但是由于不同 检测器的性能有一定的差异 因此相对校正因子最好在使用的色谱上单独测定 事实上 要测定样品中所有组分的绝对校正因子很复杂 难以找到所有的标准物质并一一 进行测定 考虑到相对校正因子很容易获得 通过测定一个标准组分并得到其绝对校正因 子后 可以用文献值推算出其它组分的绝对校正因子 因此相对校正因子具有很高的实际 应用价值 第三节 归一化法第三节 归一化法 归一化法有时候也被称为百分法 percent 不需要标准物质帮助来进行定量 它直接通 过峰面积或者峰高进行归一化计算从而得到待测组分的含量 其特点是不需要标准物 只 需要一次进样即可完成分析 归一化法兼具内标和外标两种方法的优点 不需要精确控制进样量 也不需要样品的前处 理 缺点在于要求样品中所有组分都出峰 并且在检测器的响应程度相同 即各组分的绝 对校正因子都相等 归一化法的计算公式如下 当各个组分的绝对校正因子不同时 可以采用带校正因子的面积归一化法来计算 事实上 很多时候样品中各组分的绝对校正因子并不相同 为了消除检测器对不同组分响应程度 的差异 通过用校正因子对不同组分峰面积进行修正后 再进行归一化计算 其计算公式 如下 与面积归一化法的区别在于用绝对校正因子修正了每一个组分的面积 然后再进行归一化 注意 由于分子分母同时都有校正因子 因此这里也可以使用统一标准下的相对校正因 子 这些数据很容易从文献得到 当样品中不出峰的部分的总量 X 通过其他方法已经被测定时 可以采用部分归一化来测定 剩余组分 计算公式如下 第四节 内标法第四节 内标法 选择适宜的物质作为预测组分的参比物 定量加到样品中去 依据欲测定组分和参比物在 检测器上的响应值 峰面积或峰高 之比和参比物加入量进行定量分析的方法叫内标法 特点是标准物质和未知样品同时进样 一次进样 内标法的优点在于不需要精确控制进样 量 由进样量不同造成的误差不会带到结果中 缺陷在于内标物很难寻找 而且分析操作 前需要较多的处理过程 操作复杂 并可能带来误差 一个合适的内标物应该满足以下要求 能够和待测样品互溶 出峰位置不和样品中的组分一个合适的内标物应该满足以下要求 能够和待测样品互溶 出峰位置不和样品中的组分 重叠 易于做到加入浓度与待测组分浓度接近 谱图上内标物的峰和待测组分的峰接近 重叠 易于做到加入浓度与待测组分浓度接近 谱图上内标物的峰和待测组分的峰接近 内标法的计算公式推导如下 式中 Ai As 分别为待测组分和内标物的峰面积 Ws W 分别为内标物和样品的质量 Gwi s 是待测组分对于内标物的相对质量校正因子 此值可自行测定 测定要求不高时 也可以由文献中待测组分和内标物组分对苯的相对质量校正因子换算求出 第五节 内加法第五节 内加法 在无法找到样品中没有的合适的组分作为内标物时 可以采用内加法 在分析溶液类型的 样品时 如果无法找到空白溶剂 也可以采用内加法 内加法也经常被称为标准加入法 内加法需要除了和内标法一样进行一份添加样品的处理和分析外 还需要对原始样品进行 分析 并根据两次分析结果计算得到待测组分含量 和内标法一样 内加法对进样量并不 敏感 不同之处在于至少需要两次分析 下面我们用一个实际应用的例子来说明内加法是 如何工作的 题 在分析某混合芳烃样品时 测得样品中苯的面积为 1100 甲苯的面积为 2000 其 它组分面积略 精确称取 40 00g 该样品 加入 0 40g 甲苯后混合均匀 在同一色谱仪 上进混合后样品测到苯的面积为 1200 甲苯的面积为 2400 试计算甲苯的含量 分析 分析 本题的分析过程是一个典型的内加法操作 其中内加物为甲苯 待测组分为甲苯和 苯 解 解 1 由于进样量并不准确 因此两次分析的谱图很难直接进行对比 为了取得可以对比 的一致性 我们通过数字计算调整两次分析苯的峰面积相等 此时由于两次分析苯峰面积 相等 因此可以断定两次分析待测样品的进样量是相等的 需要注意的是 此时两次分析 的总的进样量并不相等 添加后样品比原始样品调整后的进样量中 多了添加的内标物的 量 调整可以用原始样品谱图为依据 也可以用添加后样品谱图为依据 但是通常采用原始样 品作为依据以便计算最终结果时比较简单 注意 选用的依据不同 中间计算结果会产生 差异 但不会影响最终结果 依据的谱图一旦选定 计算就应该围绕此依据进行 在以原始样品谱图为依据的情况下 调整添加后样品谱图中甲苯的峰面积如下 对比两次分析 甲苯的面积增加为 2200 2000 200 在两次分析待测样品量相同的情况 下 内加物面积的增加来自于内加量 也就是说 由于内加物的加入 导致了内加物峰面 积的增加 因此内加物的加入量与峰面积的增加量符合外标法的线性关系 为此 计算混合样品中内加物的加入量 也就是甲苯相对于原进样量下浓度的增加量值 据此可以计算得到在以原始样品谱图为依据的条件下甲苯的绝对校正因子 g 此时 可以根据外标法 以原始样品谱图为依据 计算得到甲苯的含量为 答 此样品中甲苯的含量为 10 另 通过相对校正因子 容易得到苯的校正因子并计算得到苯的含量 第六节 对比和综述第六节 对比和综述 如图 2 所示 这些定量方法的关系如下 1 外标法是所有定量方法的基础 在可以精确进样量的情况下 通常都采用外标法 2 归一化法不要求精确进样量 但要求所有组分都必须出峰 或者所有出峰组分的总含 量已知 有些时候虽然能够精确进样量 但所有组分都出峰的情况下 也使用归一化法 因为此时归一化法相当于外标法定量后 对总量进行归一化误差修正 3 内标法是无法精确进样量 不是所有组分都出峰的情况下 解决定量的办法 相对而 言 操作和计算都很复杂 内标法的关键是要能够找到合适的内标物 内标法的称量误差 应小于色谱正常定量分析误差 4 再无法找到合适内标物的无奈情况下 可以使用内加法 内加法操作复杂 计算繁琐 不是一种常用的定量方法 在本期讲座中 我提了三个问题 请大家思考 这三个问题是 1 气体 液化气体 液体如何做到精确进样 2 如何精确添加内标物到未知样品中 3 高含量组分如何精确定量 下面 我对此做一个解答 1 气体 液化气体 液体如何做到精确进样 气体样品 通常通过阀与定量环配合进样 对于气体样品 有关充分置换的问题不再讨论 气体进样量主要受到定量环体积误差 气体压力误差 气体温度误差的影响 只有能够有 效地避免这些误差 才能做到精确进样 要避免定量环体积误差 应该注意对定量环进行温控 确保恒温 要避免气体温度误差 必须保证样品气体进样前温度稳定 也就是说 在定量环内进行温 度平衡是必须的 置换之后 要平衡一定时间 让温度达到定量环设定温度 要避免气体压力误差 必须保证样品气体进样前压力稳定 由于控制进样压力的色谱仪非 常少 因此通常都是通过大气平衡来稳定压力 做大气平衡时 要注意停止置换后给一定 的平衡时间 确保鼓泡器不再鼓泡 事实上 这个时间是温度平衡也必须的 液体样品 注射器进样比较多 注射器使用中有三个难点 即洗针 插入 注射 注射器使用时 必须充分洗针 通常常量分析要用溶剂洗 3 次以上 然后用样品洗 3 次以 上 痕量组分加倍 无论洗针还是取样 都要遵循慢拉快推的原则 快速抽拉起不到应有 的洗针效果 注意样品置换的头几次 应排放在样品容器外 另外 洗针时 推杆行程要 长于取样时的行程 洗针后的取样和定容 不是关键问题 主要看眼神 只要没有气泡 位置正确就好 如果 要消除针头效应 可以用三明治进样 把注射器插入色谱仪并不是一个简单的事情 第一个要点是一定要用食指轻轻的顶住针杆 否则过高的柱前压 可能造成针杆被吹出 插入时要用另一只手扶着针尖 垂直轻轻的 插入 遇到插偏顶住衬管的时候 可以边轻推针边拧动针 180 度 一般都能顺利插入 如 果拧动后扔无法插入 那么要拔出来重新取样 注射似乎很简单 推下推杆就可以了 事实上这里是最容易出现进样误差的过程 针插入 色谱仪后 扶针尖的手可以腾出来按下推杆 这个过程要快速但不能用力过猛 避免推弯 推杆 然后用顶住推杆的食指按住推杆 确保推杆不会被吹出 停留 2 3 秒后快速拔出 在完全拔出前 要一直顶住推杆 一直顶住推杆是这里的关键 少数时候可以不做停留 但做停留在更多时候对精确进样帮助更大 如果有可能 动手试一试 同一个样品连续分析 6 次 看看如何进样才能保证 6 次分析结 果更接近 液化气是一个很难精确进样的样品 进样方式包括气化后进样和液相阀进样 不同沸点组分气化过程中的误差会很大 很多专用的气化装置 有自己的说明书 不多谈 这里主要谈一下液相进样阀 LSV 的使用 控制液相阀精确进样的关键在与不能让液相阀 内出现气泡 用钢瓶采样 并为钢瓶提供压力稳定的惰性气体背压是避免发生气泡 确保 液相阀体积稳定的有效办法 能够做到精确进样 外标法的误差就得到了良好的控制了 2 如何精确添加内标物到未知样品中 加入内标物的样品 进样方式应遵循液体样品进样的办法 此时 内标物如何加入样品 就成了内标法定量的主要误差来源 添加内标物的时候 首先要考虑内标物 样品的挥发性 挥发性强的 应该后加入 挥发 性都比较强 那么应该先加入样品 也就是量大的 例如石脑油中加入 16 烷内标 石脑 油明显挥发性强 因此应先在样品瓶中加入内标物 16 烷 而石脑油中加入内标物苯 由 于苯的挥发性也很强 因此应先加入石脑油 然后通过穿刺注射加入内标物苯 低含量内标物 可以配成一定浓度的溶液加入 但要考虑溶剂的影响 内标物的含量 应该考虑称量误差和分析允许误差两方面确定 一般最少称量量为 5 倍称 量最大绝对误差 分析允许最大相对误差 例如万分之一克的分析天平减量称量 最大绝对 误差为万分之二克 分析允许最大相对误差为百分之二 那么就应该称量最少 50mg 样 品用量和样品瓶大小据此确定 注意