气相色谱原理基础PPT课件

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。第1页/共48页 理解色谱法(Gas Chromatography ) 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(carrier gas )。 差异就是指分配系数的差异。1、概 述第2页/共48页 色谱过程示意图 待分离组分 ，和 载气ABCD1、概 述易溶解难脱附速度

2、慢时间长不易溶解易脱附速度快停留时间短第3页/共48页2、气相色谱的定义与分类定义：定义： 气相色谱法气相色谱法是以惰性气体是以惰性气体(N(N2 2、e e、ArAr、H H2 2等等) )为为流动相的柱色谱分离技术流动相的柱色谱分离技术, ,其应用于化学分析领域其应用于化学分析领域, ,并并与适当的检测手段相结合与适当的检测手段相结合, ,就构成了气相色谱分析法。就构成了气相色谱分析法。分类分类： 根据根据固定相的状态不同，可将其分为固定相的状态不同，可将其分为气固色谱气固色谱和和气液色谱气液色谱。第4页/共48页NoImage载气系统 色谱柱进样系统检测系统记录及数据处理系统气相色谱构成

3、示意图第5页/共48页气相色谱仪一般流程气相色谱仪一般流程 载气由高压钢瓶中流出，经减压阀降压到所需压力后，通过净化干燥管使载气净化，再经稳压阀和转子流量计后，以稳定的压力、恒定的速度流经气化室与气化的样品混合，将样品气体带入色谱柱中进行分离。分离后的各组分随着载气先后流入检测器，然后载气放空。检测器将物质的浓度或质量的变化转变为一定的电信号，经放大后在记录仪上记录下来，就得到色谱流出曲线。根据色谱流出曲线上得到的每个峰的保留时间，可以进行定性分析，根据峰面积或峰高的大小，可以进行定量分析。第6页/共48页3.3.气路系统气路系统 气路系统是指流动相气路系统是指流动相-载气连续运行的密闭系统载

4、气连续运行的密闭系统, ,它包括气源钢瓶、净化器、气体流速控制和测量装置。它包括气源钢瓶、净化器、气体流速控制和测量装置。通过该系统，可以获得纯净的、流速稳定的载气。它的通过该系统，可以获得纯净的、流速稳定的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性，对气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性，对色谱结果均有很大的影响，因此必须注意控制。色谱结果均有很大的影响，因此必须注意控制。 常用的载气有氮气和氢气，也有用氦气、氩气。载常用的载气有氮气和氢气，也有用氦气、氩气。载气的净化，需经过装有活性炭、分子筛或硅胶的净化器，气的净化，需经过装有活性炭、分子筛或硅胶的净化器，以除去载气中

5、的水、氧、油等不利的杂质。以除去载气中的水、氧、油等不利的杂质。 辅助气：氧气或空气辅助气：氧气或空气第7页/共48页典型的气相色谱色谱柱流量控制器稳压器空气氢气载气分子筛脱水管固定进样口检测器电子部件PC限流器3.气路系统第8页/共48页3.1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。 第9页/共48页3.2净化器净化器氧气捕集器微量的氧气会破坏色谱柱，特别是对

6、毛细管柱。 氧气捕集器应连接在分子筛干燥器和仪器安装设备的进样口之间。烃类捕集器（活性炭）捕集小分子烃类物质水分捕集器（硅胶、分子筛）第10页/共48页n须使用GC 专用铜管或不锈钢管。n塑料管会渗透O2和其它污染物。还可能会释放其它可被检测到的干扰物。n管子使用前确保洁净，否则先用甲醇冲洗，载气吹干。n根据工厂的推荐，每用完3瓶气，应更换捕集器，以防止发生气体的污染。n每隔一定时间，应对所有外加接头进检漏（大约每隔 4-6个月。3.3管路管路和净化器和净化器注意事项注意事项第11页/共48页组成组成：进样系统包括进样装置和汽化室两部分。进样系统包括进样装置和汽化室两部分。作用：作用：是将液体

7、或固体试样，在进入色谱柱之前瞬间气是将液体或固体试样，在进入色谱柱之前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的多少，进样化，然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的多少，进样时间的长短，试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果时间的长短，试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。和分析结果的准确性和重现性。4.进样系统第12页/共48页液体液体样品的进样一般采用微量注射器。样品的进样一般采用微量注射器。 气体样品的进样常用色谱仪本身配置的推拉式六通阀或旋转气体样品的进样常用色谱仪本身配置的推拉式六通阀或旋转式六通阀定量进样式六通阀定量进样, ,也可采用气密性针进样也可采

8、用气密性针进样( (手动进样手动进样) )4.1进样器第13页/共48页 为了为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解，让样品在气化室中瞬间气化而不分解，因此要求气化室热容量大，并不使样品分解。为因此要求气化室热容量大，并不使样品分解。为了尽量减少柱前谱峰变宽，气化室的死体积应尽了尽量减少柱前谱峰变宽，气化室的死体积应尽可能小。常用金属块制成汽化室、外套加热块，可能小。常用金属块制成汽化室、外套加热块，为消除金属表面的催化作用，在汽化室管内有石为消除金属表面的催化作用，在汽化室管内有石英衬管英衬管, ,衬管有分流与不分流之分。衬管是可以清衬管有分流与不分流之分。衬管是可以清洗的。洗的。4.2汽化室

9、第14页/共48页1)分流分流/不分流进样口不分流进样口 (SSI)2)隔垫吹扫填充柱进样口隔垫吹扫填充柱进样口 (PPI)3)冷柱头进样口冷柱头进样口4)程序升温汽化进样口程序升温汽化进样口 (PTV):进样口的加热丝可程序升进样口的加热丝可程序升温，适合多组分难分离的物质分离温，适合多组分难分离的物质分离5)顶空进样顶空进样6)微相固萃取进样微相固萃取进样4.3进样口类型第15页/共48页4.4进样口的日常维护 更换隔垫更换隔垫 清洗或更换进样针清洗或更换进样针 进行泄漏测试和维修进行泄漏测试和维修 清洗或更换衬管清洗或更换衬管/ /内插件内插件 更换更换O-O-形环形环 清洗或更换分流平

10、板和金属垫片清洗或更换分流平板和金属垫片( (SSI)SSI)第16页/共48页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尾吹第17页/共48页 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。4.5进样口的日常维护注意事项进样口的日常维护注意事项第18页

11、/共48页5.5.分离系统：分离系统：分离系统是指把混合样品中各组分分离的装置，分离系统是指把混合样品中各组分分离的装置，它由色谱柱它由色谱柱组成。组成。色谱柱的分类：色谱柱的分类：1)1)填充柱填充柱 由不锈钢、玻璃和聚四氟乙烯等材料制成，由不锈钢、玻璃和聚四氟乙烯等材料制成，常用的为不锈钢柱，柱管内径为常用的为不锈钢柱，柱管内径为2-2-mmmm，柱长，柱长1-1-m m。柱形有柱形有U U型和螺旋型二种。型和螺旋型二种。2)2)毛细管柱毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。心柱。空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为空心毛细管柱材质为

12、玻璃或石英。内径一般为0.2-0.5mm0.2-0.5mm，长度，长度30-300m30-300m，呈，呈螺旋型。螺旋型。 第19页/共48页色谱柱 填充柱 毛细管柱 普通填充柱 微填充柱分析填充柱制备填充柱壁涂毛细管柱(WCOT)多孔层毛细管柱(SCOT或 PLOT)填充毛细管柱弹性石英毛细管柱(FSOT)壁处理毛细管柱分配型吸附型分配型吸附型普通弹性石英毛细管柱键合相弹性石英毛细管柱 5.1色谱柱分类第20页/共48页5.2毛细管柱的选择21第21页/共48页5.2毛细管柱的选择22熔融二氧化硅作为基本材质，表面涂有一层聚酰亚胺做保护层，温度上限提高至360甚至400第22页/共48页5.

13、2毛细管柱的选择23固定相以膜的形式涂布在毛细管柱的内壁表面，大部分是胶状的高分子，且具有高热稳定性的聚合物，如聚硅氧烷，聚乙二醇第23页/共48页5.2毛细管柱的选择24一般有0.53，0.32，0.25，0.20mm四种规格，内径小分离效果好，内径大处理量大，但过大的内径会导致担体不能均匀地分布在色谱柱中第24页/共48页5.2毛细管柱的选择25柱管增长，可改善分离能力，短则组分馏出的快柱长级别柱长级别数值数值应用应用短柱短柱1015m对分离度要求不高的应用，筛查性对分离度要求不高的应用，筛查性实验，或样品中各个组分的化学性实验，或样品中各个组分的化学性质差异较大，少于质差异较大，少于10

14、个组分个组分中长柱中长柱2030m分离分离1050个个组份的样品组份的样品长柱长柱50m以上以上分离分离 50个组份以上的样品个组份以上的样品第25页/共48页5.2毛细管柱的选择26薄 液 膜：0.1-0.2m标准液膜：0.25-0.33m厚 液 膜：0.5-5m 薄液膜负荷量低，高温下流失较小，适合高沸点化合物分析，厚液膜负荷量高，高温下流失较大，适合低沸点化合物分析。第26页/共48页5.2毛细管柱的选择27基本原则是分析物与固定液具有相似化学性质时会相互作用,白酒样品中所含的醇醛酸酯类物质均为极性化合物，因此选择有极性的聚硅氧烷作为固定液可以得到很好的分离效果第27页/共48页5.2毛

15、细管柱的选择28温度上限和温度下限。提高柱温可以缩短样品分析时间，降低柱温可以增大色谱柱的选择性，有利于组分的分离，提高色谱柱稳定性，延长柱寿命第28页/共48页5.2毛细管柱的选择29温度上限和温度下限。提高柱温可以缩短样品分析时间，降低柱温可以增大色谱柱的选择性，有利于组分的分离，提高色谱柱稳定性，延长柱寿命第29页/共48页目前所使用的色谱柱 1、DB-Wax 30m0.320mm0.25m（40-260） 2、 DB-Wax 30m0.530mm0.25m（20-230） 3、CP-Wax 30m0.250mm0.25m（40-230）30第30页/共48页5.3毛细管柱的安装1. 毛

16、细管柱的安装需在加热区处于室温条件下进行。 2. 安装载气净化装置去除载气中的水、氧气等以延长柱子寿命；并定期更换。 3.定期更换进样垫和衬管。4. 检查毛细管柱有否断裂或损伤。31第31页/共48页 5. 操作时保持柱端向下，套上卡套和石墨垫圈。 6. 插入柱子进样端到进样口，预留4-5mm的位置。 7. 用手拧紧螺帽，直到柱子刚好不上下滑动。通常再用扳手多拧紧四分之一圈。 8. 接通载气并调节载气压力以得到合适的流速。 9. 安装柱子检测端到检测器，喷嘴以下1-2mm位置。 10. 根据分析方法和测试报告调整分流和隔膜吹扫隔垫流量。 11. 对进样口和检测器进行检漏。 12. 进常规标准样

17、品或特定混标检测峰形是否正常。 13. 校对仪器并进行样品分析。 32第32页/共48页5.4毛细管柱的老化 新柱子老化 柱污染老化33目的：除去管柱内固定液中的低沸点馏分及易挥发的杂质，同时使固定液更均匀、牢固地分布于管壁上作用：降低由柱流失引起的本底噪声，提高定量的准确度第33页/共48页新柱子老化34检查载气检查气密性安装色谱柱老化第34页/共48页举例35升温速率/min 温度 保持时间min 40 0 5 100 60 10 120 60 10 220 200第35页/共48页柱污染老化如果柱子受到污染，可在推荐的最高色谱柱温度低20 度的条件下，老化柱子。一般推荐的老化温度为： T

18、cond = 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 36 在老化柱子时，需要将连接检测器那一端放空，同时将检测器用闷头堵上。第36页/共48页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。第37页/共48页 检测器：是将流出色谱柱的被测

19、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。6.检测器第38页/共48页 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）flame ionization detector, FID第39页/共48页 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（100300V）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。第40页/共48页第41页/共48页A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解