气相色谱(GC)培训讲义-简化版

气相色谱分析讲义 沈阳华光精密仪器有限公司 第一章色谱分析导论 1 1概述 色谱法也叫层析法 它是一种高效能的物理分离技术 将它用于分析化学并配合适当的检测手段 就成为色谱分析法 由俄国植物学家茨维特 Tsweett 创立 色谱法的最早应用是用于分离植物色素 1903年 茨维特做了一个植物色素分离实验 在一玻璃管中放入碳酸钙 将含有植物色素 植物叶的提取液 的石油醚倒入管中 此时 玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带 然后用纯石油醚冲洗 随着石油醚的加入 谱带不断地向下移动 并逐渐分开成几个不同颜色的谱带 继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素 并可分别进行鉴定 色谱法也由此而得名 在茨维特提出色谱概念后的20多年里没有人关注这一伟大的发明 直到1931年德国的Kuhn和Lederer才重复了茨维特的某些实验 用氧化铝和碳酸钙分离了 和 胡萝卜素 此后用这种方法分离了60多种这类色素 Martin和Synge在1940年提出液液分配色谱法 Lipuid LipuidPartitionChromatography 即固定相是吸附在硅胶上的水 流动相是某种有机溶剂 1941年Martin和Synge提出用气体代替液体作流动相的可能性 11年之后James和Martin发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法 GesLipuidChromatography 因而获得了1952年的诺贝尔化学奖 在此基础上1957年Golay开创了开管柱气相色谱法 Open TubularColumnChromatography 习惯上称为毛细管柱气相色谱法 CapillaryColumnChromatography 1956年VanDeemter等在前人研究的基础上发展了描述色谱过程的速率理论 1965年Giddings总结和扩展了前人的色谱理论 为色谱的发展奠定了理论基础 另一方面早在1944Consden等就发展了纸色谱 1949年Mecllean等在氧化铝中加入淀粉粘合剂制作薄层板使薄层色谱法 TLC 得以实际应用 而在1956年Stahl开发出薄层色谱板涂布器之后 才使TLC得到广泛地应用 在60年代末把高压泵和化学键合固定相用于液相色谱 出现了高效液相色谱 HPLC 80年代初毛细管超临界流体色谱 SFC 得到发展 但在90年代后才得到较广泛的应用 而在80年代初由Jorgenson等集前人经验而发展起来的毛细管电泳 CZE 在90年代得到广泛的发展和应用 同时集HPLC和CZE优点的毛细管电色谱在90年代后期受到重视 到21世纪色谱科学已经在生命科学等前沿科学领域发挥它不可代替的重要作用 一 色谱分离基本原理 在色谱法中存在两相 一相是固定不动的 我们把它叫做固定相 另一相则不断流过固定相 我们把它叫做流动相 色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数 吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的 使用外力使含有样品的流动相 气体 液体 通过一固定于柱中或平板上 与流动相互不相溶的固定相表面 当流动相中携带的混合物流经固定相时 混合物中的各组分与固定相发生相互作用 由于混合物中各组分在性质和结构上的差异 与固定相之间产生的作用力的大小 强弱不同 随着流动相的移动 混合物在两相间经过反复多次的分配平衡 使得各组分被固定相保留的时间不同 从而按一定次序由固定相中先后流出 与适当的柱后检测方法结合 实现混合物中各组分的分离与检测 二 色谱分类方法 色谱分析法有很多种类 从不同的角度出发可以有不同的分类方法 一 从两相的状态分类 色谱法中 流动相可以是气体 也可以是液体 由此可分为气相色谱法 GC 和液相色谱法 LC 固定相既可以是固体 也可以是涂在固体上的液体 由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气 液色谱 气 固色谱 液 液色谱 液 固色谱 二 按固定相的形式分类 按固定相的形式可分为 柱色谱 固定相装在色谱柱中 纸色谱 利用滤纸作载体 吸附在纸上的水作固定相 薄层色谱 将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相 三 按分离原理分类 可分为 吸附色谱法 利用吸附剂 固定相一般是固体 表面对不同组分吸附能力的差别进行分离的方法 分配色谱法 利用不同组分在两相间的分配系数的差别进行分离的方法 离子交换色谱 利用溶液中不同离子与离子交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方法 空间排斥 阻 色谱法 利用多孔性物质对不同大小的分子的排阻作用进行分离的方法 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 2色谱流出曲线 色谱图 及有关术语 如图所示为一色谱流出曲线 色谱流出曲线的意义 色谱峰数 样品中单组份的最少个数 色谱保留值 定性依据 色谱峰高或面积 定量依据 色谱保留值或区域宽度 色谱柱分离效能评价指标 色谱峰间距 固定相或流动相选择是否合适的依据 色谱术语 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 3 保留值a 死时间 t0 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t0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 即由于保留时间为色谱定性依据 但同一组份的保留时间与流速有关 因此有时需用保留体积来表示保留值 j 分配度R与拖尾因子r 1 分离度 表示相邻两个峰分离程度的优劣 是色谱柱分离效能的指标 用 R 表示 定义 相邻两组分色谱峰保留值只差与两组分色谱峰底宽度总和之半的比值 R 1 5时 分离程度可达到99 7 达到基线分离 2 拖尾因子 r b ar 1 峰形为对称的高斯曲线 r 1 峰形拖尾 r 1 峰形前伸 其他色谱分析方法 液相色谱 LC 包括制备液相色谱离子色谱 IC 毛细管电泳 CE 薄层色谱 TLC 亲和色谱 AC 凝胶渗透色谱又称排阻色谱 GPC 高速逆流色谱超临界流体色谱 SFC 全二维气相色谱多维气相色谱色谱法主要是用来分析自然界中各种有机物的方法 1 3物质的分类以及有机物知识简述 自然界中的物质分为有机物和无机物两种 其中有机物占80 有机物一般都含有碳 氢 氧 氮几种化合物 包括 烷烃和环烷烃 卤代烷和有机金属化合物 烯烃 炔烃 苯和芳香族化合物 醇类 醚类 醛类 酮类 羧酸及其衍生物 胺类 酚类 醌类 杂环化合物 单糖和多糖 氨基酸 多肽 蛋白质 酶 核酸 萜类化合物 甾类化合物 胆固醇和激素 生物碱 有机硫 有机磷 有机硅 有机硼等 这么多种类的有机物 大约300万种 其中有80 属于大分子 难挥发物质 要用液相色谱或其他色谱方法来分析 20 属于小分子 挥发性物质可用气相色谱分析 思考题 简述色谱分析法有哪几种分类方法 每种分类方法中有哪些具体方法 第二章气相色谱分析 定义 气相色谱法是以惰性气体 载气 为流动相 以固定液或固体吸附剂作为固定相的色谱法 按固定相分类 气 固色谱气 液色谱按分离原理分 吸附色谱分配色谱按柱子粗细分 填充柱色谱毛细管柱色谱气相色谱过程 待测物样品被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶 以惰性气体 指不与待测物反应的气体 只起运载蒸汽样品的作用 也称载气 将待测物样品蒸汽带入柱内分离 载气 减压 净化 稳压 进样 分离 检测 处理 记录其分离原理是基于待测物在气相和固定相之间的吸附 脱附 气固色谱 和分配 气液色谱 来实现的 因此可将气相色谱分为气固色谱和气液色谱 2 1概述 气固色谱 在气固色谱中的固定相是一种具有多孔性及比表面积较大的吸附剂 样品由载气携带进入色谱柱时 立即被吸附剂所吸附 载气不断通过吸附剂 吸附的被测组分被洗脱下来 洗脱下来的组分又随载气流动 又被后面的吸附剂所吸附 随着载气的流动 被测组分在气固吸附剂表面进行反复的吸附 解吸 再吸附 再解吸 由于各组分在气固吸附剂表面吸附能力不同 吸附能力强的组分在色谱柱中停留的时间就长些 而吸附能力弱的组分在色谱柱中停留的时间就短些 经过一段时间后 各组分就彼此分离开并依次流出色谱柱 气液色谱 在气液色谱中 当载气携带样品进入色谱柱时 气相中的被测组分就溶解到固定液中 载气连续流经色谱柱 溶解在固定液中的组分会从固定液中挥发到气相中 随着载气的流动 挥发到气相中的组分又会重新溶解在后面的固定液中 这样反复多次溶解 挥发 再溶解 再挥发 由于各组分在固定液中的溶解度不同 溶解度大的组分较难挥发 停留在色谱柱中的时间就长些 溶解度小的组分容易挥发 停留在色谱柱中的时间就短些 经过一定的时间 各组分就彼此分离并依次流出色谱柱 气相色谱法的特点和应用 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 气相色谱仪的应用领域 1 石油和石油化工分析 炼油厂 研究所 油气田勘探中的化学分析 原油分析 炼气厂气体分析 模拟蒸馏 油料分析 单质烃分析 含硫 含氮 含氧化合物分析 汽油添加剂分析 脂肪烃分析 芳烃分析 举例如下 天然气常量分析 O2 N2 CH4 CO2 C2H6 C3H8 i C40 n C40 i C50 n C50等组分的常量分析 液化石油气分析 液化石油气中C2 C4及总C5烃类组成的分析 炼厂气分析 快速分析H2 O2 N2 CO2 CO C10 C60 C2二 C4二及C6以上烃等组分 3 环境分析 环保监测站 大气污染物分析 水分析 土壤分析 固体废弃物分析举例如下 室内空气检测分析 按国标GB50325 2001选用专用的色谱柱可完成对室内空气中苯 甲苯 二甲苯及总挥发性有机合物 TVOC 的检测 采用衍生气相色谱法 经2 4 二硝基苯肼衍生 用环已烷萃取 以OV 17和QF 1混涂色谱柱分离 用电子俘获检测器 ECD 测定室内空气中的甲醛 土壤中有害物质的分析 汽车尾气分析等 2 造气厂 煤气成分分析 水煤气成分分析 气体厂 H2 O2 N2 CO CO2 C2H2 He Ar等 人工煤气分析气体纯度分析及杂质含量分析举例如下 选用热导检测器 双阀多柱系统 手动或自动进样 分析人工煤气中H2 O2 N2 CO CO2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2等主要成分的分析等 4 食品分析 食品厂 产品质量技术监督检验所 粮油监测站 卫生防疫 海产品检测 农药残留分析 香精香料分析 添加剂分析 脂肪酸甲酯分析 食品包装材料分析 水产检测举例如下 蒸馏酒及配制酒卫生标准的气相色谱分析 氢焰离子化检测器 GDX 102填充柱或FFAP大口径毛细管柱 外标法 峰面积 定量 分析白酒中的甲醇和杂醇油 白酒中有关醛 醇 酯的分析 植物油中残留溶剂的检测 按照国标GB T5009 37 2003顶空气相色谱法对浸出油中6号溶剂残留量进行测定 食品添加剂 防腐剂 增白剂 抗氧化剂 着色剂等 及食品中农药残留分析 食品中山梨酸 苯甲酸 GB T5009 29 2003 食品中有机磷农药残留 GB T5009 20 2003 食品中六六六 滴滴涕残留 GB T5009 19 2003 食品中氨基甲酸酯农药残留 GB T5009 145 2003和GB T5009 104 2003 食品中拟除虫菊酯农药残留 海产品中多氯联苯的气相色谱法 GB T5009 190 2003 水产品中的硫丹检测 多宝鱼中的药残检测 食品中氯丙醇的检验 5 生物 药物和临床分析 制药厂 药物检验所 药物研究所 雌三醇分析 儿茶酚胺代谢产物分析 尿中孕二醇和孕三醇分析 血浆中睾丸激素分析 血液中乙醇 麻醉剂及氨基酸衍生物分析 6 农药残留物分析 米厂 面厂 产品检验所 有机氯农药残留分析 666 DDT 有机磷农药残留分析 杀虫剂残留分析 除草剂残留分析等 7 精细化工分析 有机化工厂 染料 涂料 有机中间体 有机材料研究所 质量监督部门 添加剂分析 催化剂分析 原材料分析 产品质量控制 8 聚合物分析与合成工业 单体分析 添加剂分析 共聚物组成分析 聚合物结构表征 聚合物中的杂质分析 热稳定性研究方法研究 质量监控 过程分析 9 饮料 饮品工业 产品检验所 饮料厂 白酒 啤酒 红酒成分分析 各种饮料 果汁成分分析 酱油 醋等调料成分分析 10 烟草 烟草制品工业 卷烟厂 烟草研究所 选用TCD FID 配以专用色谱柱 可完成对烟气中水分分析 烟草中尼古丁含量的分析 选用ECD FPD NPD检测器 可对烟草和香烟中有机氯 有机磷 菊酯类农药残留进行分析 汽油中某些醇类和醚类分析 氢焰离子化检测器 多柱系统 十通阀自动切换和反吹 一次直接进样分析汽油中某些醇类和醚类 汽油中苯系物分析 11 汽油工业 车用汽油 航空汽油 12 电力系统 变压器油裂解产物气相色谱分析 采用氢焰离子化检测器和热导检测器 Ni触媒转换器 甲烷转化炉 六通阀自动切换 无二次分流系统 使之对变压器油裂解产物 8种组分气体 一次进样全自动分析 定量准确 灵敏度高 13 公安系统和法庭分析 人体血液中的乙醇分析 毒品分析 鉴定各种物证 15 大专院校实验室 教学和科研用 14 空间分析和军工分析 分析飞船 航母中的气体质量 炸药分析 思考题 1 简述气相色谱法的定义 分类方法及细节 2 简述气相色谱法的工作过程以及分离原理 3 简述气 固色谱和气 液色谱的分离原理 4 气相色谱法的特点是什么 5 简述气相色谱的应用领域 2 2气相色谱仪 现在 有近百厂家 提供数百种型号的气相色谱仪 过去几十年内 色谱仪器得到了极大的发展 这主要归于 1970s 电子积分仪及计算机数据处理装置的发展 1980s 计算机技术对仪器各类参数的自动控制 如柱温 气体流速 自动进样等 随着这些技术的发展 仪器性价比大幅提高 其中 GC最重要的发展是开管柱 毛细管 的引入 使含有数百种混合物样品得以分离 气相色谱结构流程图processofgaschromatograph 1 载气钢瓶 2 减压阀 3 净化干燥管 4 针形阀 5 流量计 6 压力表 4 针形阀 5 流量计 6 压力表 9 热导检测器 10 放大器 11 温度控制器 12 记录仪 载气系统 进样系统 分离系统 检测系统 温控系统 记录系统 进行气相色谱法分析时 载气 一般用氮气或氢气 由高压钢瓶供给 经减压阀减压后 载气进入净化管干燥净化 然后由稳压阀控制载气的流量和压力 并由流量计显示载气进入柱之前的流量后 以稳定的压力进入气化室 色谱柱 检测器后放空 当气化室中注入样品时 样品瞬间气化并被载气带入色谱柱进行分离 分离后的各组分 先后流出色谱柱进入检测器 检测器将其浓度信号转变成电信号 再经放大器放大后在记录器上显示出来 就得到了色谱的流出曲线 利用色谱流出曲线上的色谱峰就可以进行定性 定量分析 这就是气相色谱法分析的过程 一 气路系统气路系统 获得纯净 流速稳定的载气 包括气源 净化干燥管和载气流速控制及气体化装置 填充柱 FID双柱双气路 气路流程图 填充柱 TCD双柱双气路 气路流程图 专用毛细管柱气路流程图 常见气路系统常见的有单柱单气路 多 双 柱单气路 双柱双气路 1 单柱单气路一个柱子 一条气路 最简单 多用 2 多 双 柱单气路 将两根装有不同固定相柱子串联起来 解决单柱不易解决的问题 3 双柱双气路将载气分成两路 分别进入两个装填完全相同的柱子 分别进入两个装填完全相同的柱子 再分别进入检测器的两臂或进入两个检测器 其中一路作为分析用 一路供补偿用 消除条件误差 载气 常用氢气 氮气 氦气 氩气 纯度要求99 999 以上 要求化学惰性好 不与有关物质反应 载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外 还要与分析对象和所用的检测器相配 净化器 多为分子筛和活性碳管的串联 去除载气中的水 有机物等杂质 载气流速控制 压力表 流量计 针形稳压阀 控制载气流速恒定 压力表 多为两级压力指示 第一级 钢瓶压力 总是高于常压 对填充柱 0 4MPa左右 对开口毛细管柱 0 2MPa左右 第二级 柱头压力指示 对填充柱 0 1MPa左右 对开口毛细管柱 0 06MPa左右 流量计 在柱头前使用转子流量计 但不太准确 通常在柱后 以皂膜流量计测流速 许多现代仪器装置有电子流量计 并以计算机控制其流速保持不变 气路系统作用 供给色谱分析所需要的载气 燃气 助燃气 包括 气体钢瓶 气体发生器 减压阀 净化管 脱氧管 脱水管 稳压阀和稳流阀 气体管路等组件 1 载气 最常用的有N2 H2等 所走的路线为 钢瓶 或气体发生器 压力表 减压阀 净化管 仪器进气孔 稳压表 稳流表 汽化室 柱 检测器 2 燃气 助燃气 H2和空气 所走的路线为 钢瓶 或气体发生器 压力表 减压阀 净化管 稳流表 检测器 进样系统的作用就是把各种形态的样品转化为气态 以便进样分析 进样系统分为气体进样器 液体进样器和固体进样器等组成部分 进样器 气体球胆 六通气体进样阀 液体进样针 固体裂解进样器 汽化室 加热系统 进样要求 进样量或体积适宜 塞子 式进样 一般柱分离进样体积在十分之几至20 L 对毛细管柱分离 体积约为0 2 5 L 此时应采用分流进样装置来实现 体积过大或进样过慢 将导致分离变差 拖尾 二 进样系统 气体进样器 六通阀 推拉式和旋转式两种 由气体取样袋 六通阀 定量管组成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 液体进样器 由液体进样针 自动进样器 汽化室 加热系统组成分为 填充柱进样口和毛细管柱进样口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 气化室 将液体试样瞬间气化的装置 无催化作用 固体进样器由热裂解器 加热系统 汽化室组成 填充柱进样系统 毛细管进样系统 柱分离系统是色谱分析的心脏部分 其作用就是把样品中的各个组分分离开来 分离柱包括填充柱和开管柱 毛细管柱 柱材料包括金属 玻璃 融熔石英 聚四氟等 三 柱分离系统 组成部分 柱室 后开门 风扇 色谱柱 温控部件 色谱柱 色谱仪的核心部件 柱材质 不锈钢管或石英玻璃管 内径3 6毫米 长度可根据需要确定 一般填充柱1 10M 毛细管柱15 100M 柱填料 粒度为60 80或80 100目的色谱固定相 液 固色谱 固体吸附剂液 液色谱 担体 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 填充柱 多为U形或螺旋形 内径2 4mm 长1 10m 常用的1 3m 内填固定相 开管柱 分为涂壁 多孔层和涂载体开管柱 内径0 1 0 5mm 长达15 100m 通常弯成直径10 30cm的螺旋状 开管柱因渗透性好 传质快 因而分离效率高 n可达106 分析速度快 样品用量小 过去是填充柱占主要 但现在 这种情况正在迅速发生变化 除了一些特定的分析之外 填充柱将会被更高效 更快速的开管柱所取代 柱温 是影响分离的最重要的因素 其变化应小 0 xoC 选择柱温主要考虑样品待测物沸点和对分离的要求 柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点 分析时间20 30min 对宽沸程的样品 应使用程序升温方法 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 程序升温与恒温对分离的影响比较 程序升温气相色谱法 方法特点 适用对象 多组分 沸点范围宽的样品 程序升温方式 单阶程序升温多阶程序升温 四 检测系统检测器 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 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 检测器类型 1 热导检测器 TCD thermalconductivitydetector TCDTCD是一种应用较早的通用型检测器 又称导热析气计 现仍在广泛应用 原理 由于不同气态物质所具有的热传导系数不同 当它们到达处于恒温下的热敏元件 如Pt Au W 半导体 时 其电阻将发生变化 将引起的电阻变化通过某种方式转化为可以记录的电压信号 从而实现其检测功能 构成 由池体和热敏元件构成 通常将参比臂和样品臂组成惠斯通电桥 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 且价廉易加工的铼钨丝制成 参考臂 仅允许纯载气通过 测量臂 需要携带被分离组分的载气流过 工作过程 四臂 1 在只有载气通过时 四个臂的温度都保持不变 电阻值也不变 此时 调节电路电阻使电桥平衡 即R1 R测 R2 R参 AB两端无电压信号输出 记录仪走基线 检测原理平衡电桥 右图 依据组分与载气的热导系数的差别进行检测 2 当有样品随载气进入样品臂时 使测量臂的温度改变 引起电阻的变化 参考臂流过的仍是纯载气 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 载气 样品的混合气体与纯载气的热导系数相差越大 则输出信号越强 TCD检测器特点 优点 1 通用型 应用广泛2 结构简单3 稳定性好4 线性范围宽5 不破坏组分 可重新收集制备 缺点 与其他检测器比灵敏度稍低 因大多数组分与载气热导率差别不大 1 桥电流i i增加 热敏元件温度增加 元件与池体间温差增加 气体热传导增加 灵敏度增加 检测器的响应值S i3 但稳定性下降 基线不稳 桥电流太高时 还可能造成钨丝烧坏 电流通常选择在50 200mA之间2 池体温度 不同温度允许的桥电流值是不同的 温度高时桥电流不能太高 因为可能烧坏钨丝 TCD灵敏度与热丝和池体温度差成正比 显然 热丝与池体温度相差越大 越有利于热传导 检测器的灵敏度也就越高 增大温差有二种方法 一是提高桥面流 以提高热丝温度 前面已讨论过 二是降低池体温度 但是池体温度不能低于样品的沸点 以防止试样组分在检测器中冷凝 因此对沸点不是很低的样品 采用此法提高灵敏度是有限的 而对于气体样品 特别是永久气体 采用此法可达到较好的效果 影响TCD灵敏度的因素 3 载气种类 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 通过的桥路电流也可适当加大 则检测灵敏度进一步提高 通常选择热导系数大的H2和He作载气 因为H2 He的热导系数远远大于其它化合物 灵敏度高 峰形正常 线性范围宽 易于定量 氢的热导系数最大 传热好 通过的桥电流也可适当加大 灵敏度进一步提高 氦气也具有较大的热导系数 安全 但价格较高 N2与Ar作载气 灵敏度低 易出W峰 线性范围窄 一般只在分析H2 He气时用 用N2作载气时 热导系数较大的试样 如甲烷 可出现倒峰 毛细管柱接TCD时 最好加尾吹气 加尾吹气的种类同载气 载气纯度影响TCD灵敏度 纯度低将产生较大噪声 降低检测限 实验表明 在桥电流160 200mA时 用99 999 的超纯氢比用99 普氢灵敏度高6 13 载气纯度对峰形也有影响 用TCD作高纯气体中的杂质检测时 载气纯度应比被测气体高十倍以上 否则将出倒峰 TCD为浓度型检测器 对载气流速的波动很敏感 TCD的峰面积响应值反比于载气流速 因此 在检测过程中 载气流速必须保持恒定 在柱分离条件许可时 以低载气流速为妥 在填充柱分析中 一般载气流速在30 45ml min为宜 对微型TCD 毛细管分析 为有效消除峰形扩展 同时又保持高的灵敏度 通常载气加尾吹气的总流速在30 45mL min 注意 通过TCD两臂的气体流量必须保持一致 一般为30ml min 表 某些气体与蒸气的热导系数 单位 J cm s 4 热敏元件阻值 阻值高 电阻温度系数大 随温度改变 阻值改变大 或者说热敏性好 的热敏元件 其灵敏度高 综述 较大的桥电流 较低的池体温度 低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度 TCD使用注意事项 1 确保毛细柱插入TCD深度合适毛细柱端必须插至测量池腔入口处合适的深度 2 避免热丝温度过高被烧断任何热丝都有一最高承受温度 高于此温度则烧断 热丝温度的高低 桥电流的大小 是由载气种类和池体温度决定的 商品色谱仪出厂时均附有这三者的关系曲线 见下图所示 按此图调节桥电流 就能保证热丝温度不会太高 一般 N2作载气 110 150mA H2作载气 150 250mA图中所推荐的桥电流值 是指无氧存在时 如果载气中含氧时 热丝会氧化而烧断 或使热丝寿命缩短 所以载气必须除氧 而且要用不锈钢输送管 不要使用聚四氟乙烯作载气输送管 因为聚四氟乙烯管会渗透氧气 图 TCD的最高桥电流曲线 3 通桥电流前 务必要先通载气为确保热丝不被烧断 在TCD通桥电流前 务必要先通载气 检查整个气路的气密性是否完好 调节TCD出口处的流速 稳定10 15分钟后 才能加桥电流 分析过程中 若需要更换色谱柱 进样垫或钢瓶 务必要先关桥电流 再更换 关机时也一定要先关桥电流 后关载气 否则检测器热丝会烧断 最后关主机电源 4 确保载气净化系统正常载气和尾吹气应加净化装置 以除去氧气 载气净化系统使用一定时间后 因吸附饱和而失效 应立即更换 以确保载气正常净化 如不及时更换 载气净化系统就成了温度诱导漂移的根源 当室温下降时 净化器不再饱和 又开始吸附杂质 于是基线向下漂移 当室温升高 净化器处于气固平衡状态 向气相中解吸杂质增多 于是基线向上漂移 5 TCD温度必须高于柱温 否则组分会在池体内冷凝 TCD的应用举例 TCD特别适用于永久性气体 C1 C3烃 硫和碳各种形态的氧化物以及水等挥发性化合物的分析 近年TCD也用于高沸点样品以及痕量分析等 例如 一 石油裂解气的分析 因为石油裂解气为无机气体和轻烃的混合物 TCD常用于工厂控制分析或在线监测 工业色谱仪中85 90 用TCD 二 水及氧化性化工产品的程序升温分析 要对样品中微量水定量 必须用TCD 三 空气中痕量氯气的直接测定 用双柱系统可将O2 N2 CO2 Cl2完全分离 0 25mL空气样品先在25m 0 53mmPoraPLOTQ柱 将空气和二氧化碳 氯气分离 空气进入分子筛柱后 切换阀使CO2和氯气直接进入TCD 而空气在分子筛柱中进一步分离后 再进入TCD 图3 14为其色谱图 氯的检测限可达3 g g 在3 300 g g范围内均呈良好的线性关系 空气中痕量氯气的直接测定色谱图 用TCD 填充柱测定甲醇中微量水含量 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 2 火焰离子化检测器 FID flameionizationdetector FID 结构 主体为离子室 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 氢火焰离子化检测器的结构与电路图 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 10 12A 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 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 影响FID灵敏度的因素 FID检测器可供色谱工作者选择的参数有 毛细柱插入FID喷嘴深度 载气种类 载气 氢气 空气的流速 温度等 一 毛细柱插入喷嘴深度毛细柱插入喷嘴深度对改善峰形十分重要 通常是插入至喷嘴口平面下1 3 处 若太浅 组分与金属喷嘴表面接触 产生催化吸附 峰形拖尾 若插入太深 会产生很大噪声 灵敏度要下降 二 气体种类 流速和纯度 1 载气 尾吹气种类和流速载气不但将组分带入FID检测器 同时又是氢火焰的稀释剂 N2 Ar He H2等均可作FID的载气 N2 Ar作载气 灵敏度高 线性范围宽 由于氮气价廉易得 响应值大 故N2是一种常用的载气 载气流速根据色谱柱分离要求调节 因为FID是典型的质量型检测器 峰高与载气流速成正比 而且在一定的流速范围内 峰面积不变 因此作峰高定量 又希望降低检测限时 可适当加大载气流速 当然为了提高定量准确性时 用峰面积定量比用峰高定量好 从线性范围考虑 流速低一点好 毛细管分析是 加尾吹气的目的是为了不使柱后的峰变宽 尽管FID的死体积几乎为零 但在接毛细柱时通常在柱后要加尾吹气 用N2 Ar作尾吹气 灵敏度高 线性范围宽 尾吹气流速视FID结构而定 用He或H2作载气 如用N2或Ar作尾吹气 还可改善线性范围 2 氢气 空气的流速氮 氢比 氢气是保证氢火焰燃烧的气体 也为氢解反应和非甲烷烃类还原成甲烷提供氢原子 实验表明 氮气稀释氢焰的灵敏度高于纯氢焰 氮 氢比影响FID的灵敏度和线性范围 而当氮气流速相对固定时 随着氢气流量的增大 响应值也逐渐增大 增至一定值后又逐渐降低 当氮气流速不同时 最佳的氢气流速也不同 即氮气 氢气流速有一个最佳的比值 当氮气 氢气流速比相对最佳值时 不但响应值大 而且流速有微小变化时对信号的影响最小 一般氮气 氢气流速最佳比为 1 1 5 1 3 空气的流速空气作为助燃气体 并为离子化过程提供氧气 同进起着清扫离子室的作用 空气的流速也影响灵敏度 随着空气流量的增加 灵敏度也相对渐趋稳定 空气与氢气的比约为 10 20 1 一般情况下为300 500ml min比较合适 当然最好根据实际情况进行确定 一般在选定氢气和氮气流速之后 逐渐增大空气流速到基流不再增大 再过量50ml min就足够了 流速比例调得好则灵敏度大 各种气体流速和配比的选择 一般比较合适的范围 氢 载 空气 1 1 1 5 10 15 3 气体纯度作常量分析时 载气 氢气和空气纯度在空气99 9 以上即可 但在作痕量分析时 则要求三种气体纯度相就提高 一般要求在99 999 以上 空气中的总烃就小于0 1 L L 气源中的杂质会产生噪声 基线漂移 假峰 柱流失和缩短柱寿命 通常超纯氮气发生器所产生的氮气纯度可达99 9995 氢气发生器所产生的氢气纯度可达99 99999 这些气源用于FID痕量分析 基线稳定性好 使用这些气源是可靠的 三 极化电压 在500V以下时 电压越高 灵敏度越高 但在500V以上 则灵敏度增加不明显 通常选择 100 300V的极化电压 四 FID为质量型检测器 对温度变化不敏感 但柱温变化影响基线漂移 检测器温度变化影响FID灵敏度和噪声 但汽化室温度变化对FID无直接影响 由于FID中氢燃烧产生大量的水蒸气 若检测器温度太低 水蒸气不能从检测器中排出 会冷凝成水 使灵敏度下降 噪声增加 若有氯代溶剂或氯代样品时 还易造成腐蚀 所以FID检测器温度务必在120 以上 1 灵敏度高 10 12g s 2 线性范围宽 107数量级 3 噪声低 4 结构简单 稳定性好 响应迅速等特点 耐用且易于使用 5 为质量型检测器 色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量 在样品量一定时 峰高与载气流速成正比 因此在用峰高定量时 应控制流速恒定 6 对有机化合物具有很高的灵敏度 对无机物 永久性气体和水基本无响应 因此FID特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水 N和S的氧化物污染的有机物分析 7 对含羰基 羟基 卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应 8 样品受到破坏 无法回收 9 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级 检测下限可达10 12g g FID特点 典型的质量型检测器 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 FID的应用举例 FID检测器与TCD一样 应用十分广泛 FID主要特用于烃类的工业分析 也用于化学 化工 药物 农药 法医化学 食品和环境科学等诸多领域 它主要用于各种样品的常量常规分析与痕量分析 近年普遍用于快速GC和全二维GC的检测器 一 烃类的工业分析 二 水中挥发性有机物的痕量分析 三 环境检测 用HP WAX毛细管柱检测涂料溶剂 氦气作载气 FID检测器 用程序升温可得谱图3 16 涂料稀释剂的GC分析 3 电子捕获检测器 ECD ECD主要对含有较大电负性原子的化合物响应 它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析 特点 1 高选择性检测器 2 仅对含有卤素 过氧基 醌基 硝基等元素的化合物有很高的灵敏度 检测下限10 14g mL 3 对大多数烃类没有响应 4 较多应用于农副产品 食品及环境中农药残留量的测定 5 载气用高纯氮气 要用净化管除去氧和水 电子捕获检测器的结构与电路图 原理及工作过程 电子捕获检测器内有一个放射源 Ni63放射源 作为负极 还有一正极 两极间加适当电压 当载气 N2 进入检测器时 受放射源不断放出 粒子射线的辐照发生电离 生成的正离子和电子分别向负极和正极移动 形成恒定的基流 含有电负性元素的样品AB进入检测器后 就会捕获电子而生成稳定的负离子 生成的负离子又与载气正离子复合 结果导致基流下降 因此 样品经过检测器 会产生一系列的倒峰 对这些倒峰进行转换处理 就形成了色谱图上的正峰 一 Ni63放射源放射出 粒子与载气N2碰撞产生电子 这些电子在电场作用下向收集极移动 形成恒定的基流 N2 粒子 N2 e 二 电负性组分分子捕获这些低能量的电子 使基流降低 产生倒色谱峰讯号 AB e AB e 三 复合AB N2 AB N2由于以上过程使基流下降 下降的程度与组分的浓度成正比 因此 在记录仪上产生倒峰 检测条件的选择 一 载气种类 纯度和流速N2 Ar He H2等均可作ECD的载气 N2 Ar作载气时之基流之和灵敏度高于He H2 由于氮气价廉易得 响应值大 故N2是一种常用的载气 载气纯度直接影响ECD的基流 一般用高纯N2 99 999 含O2 10mg L 若用普通N2 含O2量100mg L 必须净化除去残留的氧和水等 因为O2是电负性物质 可使基流降低很多 载气与尾吹气流速的调节有不同的目的意义 载气主要从组分分离要求出发 通常用填充柱时载气流量为20 50ml min 尾吹气流速的调节为减小谱带展宽 保持毛细柱达到一定的柱效 保持ECD达饱和基流 使峰面积或峰高达到最大响应 二 色谱柱和柱温色谱柱和柱温的选择原则是既保证各组分的分离效果 又要保持ECD洁净 不受柱固定相的污染 因此应尽量选择低配比的耐高温或交联固定相 柱温尽量偏低 可减少固定相的流失 三 检测器温度ECD响应值与温度密切相关 采取升高或降低检测器温度 使被测物组分信号增大 干扰物响应减小 来达到选择性检测的目的 ECD检测器的响应明显受检测器温度的影响 因此 检测器温度波动必须小于 0 1 0 3 OC 以保证测量精度在1 以内 另外 在比较同一化合物的响应值或最小检测量时 注意温度应相同 并要标明温度 ECD使用注意事项 电子捕获检测器是常用的检测器 灵敏度高 选择性好 主要缺点是线性范围较窄 ECD使用中最重要的是始终保持系统的洁净有污染时要及时清理及时排除 要注意安全 为了准确定量 要防止ECD过载 1 是选择性检测器 对卤素及S P O N等化合物响应大 对烃类无响应 对CCl4响应值比正己烷大108倍 因此可与FID组合定性 2 灵敏度高 最低检测限度很低 检测下限10 14g mL 但线形范围窄 约104 ECD的应用举例 有机氯农药 多氯联苯 卤代烃 已污染全球 许多国家在水 空气 土壤和食品的痕量检测中已规定用GC ECD法 一 有机氯农药和多氯联苯的分析海水中有机氯农药的残留量检测 八个组分依次为 HCH HCH HCH HCH DDE DDD DDT DDT 二 饮用水中三卤甲烷的直接进样分析 海水中有机氯农药的残留量检测 FPD是对含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 COS 石油精馏物的含硫量 有机硫 有机磷的农药残留物分析等 化合物中硫 磷在富氢火焰中被还原 激发后 辐射出400 550nm左右的光谱 可被检测FPD性能特征是 高灵敏度和高选择性 对磷的响应为线性 对硫的响应为非线性 用于测含S P化合物 信号约比C H化合物大10000倍 用P滤光片时 P的响应值 S的响应值 20 用S滤光片时 S的响应值 P的响应值 10 对硫的非线性响应已有多种线性化处理方法 双对数曲线法 峰高换算法等 在此不作讨论 4 火焰光度检测器 FPD flamephotometricdetector FPD 火焰光度检测器的结构与电路图 FPD结构 一般分为燃烧和光电两部分 前者为火焰燃烧室 与FID相似 后者由喷嘴 滤光片 光电管等组成 组分在富氢 H2 O2 3 的火焰中燃烧时组分不同程度地变为碎片或原子 其外层电子由于互相碰撞而被激发 当电子由激发态返回低能态或基态时 发射出特征波长的光谱 这种特征的光谱通过选择的干涉滤光片进香测量 含有硫 磷 硼 氮 卤素等的化合物均能产生这种光谱 如硫在火焰中产生350 430nm的光谱 磷产生480 600nm的光谱 测量到的光信号经转换变为电信号 再经过光电倍增管放大 得到色谱图 通过测量光谱的强度的变化的大小可进行定量分析 原理及工作过程 含S P化合物在氢焰中的变化过程如下 工作条件 通入的氢气量必须多于通常燃烧所需要的氢气量 即在富氢情况下燃烧得到火焰 一般H2流量是150 160ml min N2流量是40 50ml min 性能与应用 FPD为质量型选择性检测器 主要用于测定含硫 含磷化合物 其信号比碳氢化合物几乎高10000倍 FPD在石油工业 食品工业 环境保护 战用毒剂等领域得到广泛应用 FPD主要用于痕量硫 磷化合物的检测 近年也用于其它杂原子有机物和有机金属化合物的检测 一 磷化合物的痕量检测 二 苯中痕量噻吩的测定 三 环境中有机锡化合物的痕量检测 噻吩结构式 FPD的应用举例 采用火焰光度检测器分析汽油中痕量噻吩 蔬菜中9种有机磷农药残留量的测定 FPD NPD的结构与FID类似 只是在H2 Air焰中燃烧的低温热气再被一硅酸铷电热头 硅酸铷 Rb2O SiO2 称作铷珠 加热至600 800oC 从而使含有N或P的化合物产生更多的离子 产生离子的机理目前仍不清楚 目前有两种说法 气相电离理论和表面电离理论 结构 NPD属于碱盐离子化检测器之一 在喷嘴和收集极之间 加一个小玻璃珠 表面涂一层硅酸铷作离子源 增加组分的电离度 是选择性检测器 对含有能增加碱盐挥发性的有化合物特别敏感 对含氮 磷的有机物灵敏度很高 检测氮 磷化合物 是一种破坏性检测器 5 氮磷检测器 NPD 又名 热离子检测器 thermionicdetector TID 碱焰离子化检测器 alkaliFID AFID NPD的结构 工作条件 两种操作方式 NP方式和P方式 其工作条件也不一样 性能与应用 NPD是选择性检测器 NP操作方式时 可用于测定含氮和含磷的有机化合物 P操作方式时 可用于测定含磷的有机化合物 作为选择性检测器 对于检测的化合物灵敏度非常高 为其它检测器所不及 NPD的特点 1 对含N P化合物的具有选择性 对P的响应是对N的响应的10倍 是对C原子的104 106倍 2 灵敏度高 与FID对P N的检测灵敏度相比 NPD分别是FID的500倍 对P 50倍 对N NPD