C12-GC介绍基本原理.ppt

1、气相色谱 1 气相色谱仪器 气路系统、进样系统、柱分离系统、温控系统、各类检测器 2 毛细管色谱简介 毛细管分类及特点 3 进样系统 气固色谱固定相（吸附剂）、气液色谱固定相（载体+固定液） 4 检测器 柱长、载气及其流速、填充颗粒、柱温、进样量及进样方式 5 定性分析 保留时间、经验规律、保留指数、双柱定性、仪器联用定性 6 定量分析 校正因子、归一化法、外标法、内标法,一、概述 气相色谱过程：待测物样品被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。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

2、（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。 气固色谱：利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附-解吸能力不同实现物质的分离。由于活性（或极性）分子在这些吸附剂上的半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性的)，导致色谱峰严重拖尾，因此气固色谱应用十分有限。只适于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析。对此方法，本章只作简单介绍。 气液色谱：通常直接称之为气相色谱。它是利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。1941年，Martin和Synge(对液-液分配色谱也做了巨大贡献)提出气液分配色谱的概念。11年后，即1952年，Jone

3、s和Martin通过实验展示了该方法；3年后，即1955年，首台气相色谱仪问世。1985年，估计有10万台仪器投入使用！如今呢？说不清了。,1. Carrier Gas 2. Sample Introduction 3. Column 4. Detector 5. Computer - Data System - Integrator The sample introduction, column and detector are the key components of the GC instrument. The carrier gas and computer are external

4、 to the GC.,二、气相色谱仪发展及组成： 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、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的引入，使含有数百种混合物样品得以分离！,三、柱分离系统 1. 简介 柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和开管柱(或毛细管柱)。 柱材料：金属、玻璃、融熔石英、Teflon等 填充柱：多为U形或螺旋形，内径24 mm，长13m，内填固定相； 开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管

5、柱。内径0.10.5mm，长达几 十至100m。通常弯成直径1030cm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。选择柱温主要是考虑 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。,2. 毛细管柱(开管柱、开口柱) 1) 分类 填充型：先在玻璃管内填充疏松载体，再拉制成毛细管，

6、最后再涂渍固定液。 开管型：按固定液涂渍方法不同，可分为 (i) 涂壁开管柱(Wall-coated open tubular, WCOT) 管内壁经处理后，直接涂渍固定液； 管内壁经处理后，将固定液引入到管壁，再经高温处理，使其交联(Cross- lined)至管壁高效、耐高温、抗溶剂冲刷。 管内壁经处理后，将固定液以化学键合(Bonded)的方式引入到管壁或预先涂 渍的硅胶上高热稳定性。 (ii) 载体涂渍开管柱(SCOT)： 管内壁经处理后，先涂载体，再涂固定液液膜厚，因而柱容量大。 (iii) 多孔层开管柱(Porous layer coated open tubular, PLOT)

7、 管内壁涂渍一层多孔吸附剂颗粒，不涂固定液，实际上是毛细管气固色谱柱。 以上开管柱玻璃材料已被外涂聚酰亚胺保护层的熔融石英管(含金属氧化合物 少、管壁更薄，因而不与待测物作用、柔韧性好、强度高、更易弯曲）所取代。 此外，现在也发展了一种大口径开管柱(Megabore colum, 0.53mm i.d.)，可容许更大样品量（类似于填充柱），尽管柱效低些，但大大高于填充柱。,2) 毛细管柱特点 (i) 渗透性好：可使用较长的色谱柱； (ii) 相比率大：分配快，有利于提高柱效；加上保留因子k小，渗透性 好，因而分析速度快； (iii) 柱容量小：因而进样量小。需采用分流技术并使用更高灵敏度的检

8、测器； (iv) 总柱效高：尽管毛细管柱效比填充柱大，但仍处于同一数量级。但 毛细管柱长很大，因而总柱效高。 3. 毛细管气相色谱仪器 毛细管气相色谱仪器与填充柱色谱仪类似。只是在进样口增加了分流/不分流装置，以及在柱后增加了一个尾气吹扫气路。 前者解决了柱容量小的问题，后者减少了柱与检测器连结处的死体积过大的问题。,四、气路系统(Carrier gas supply) 气路系统：获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体 净化装置。 载气：要求化学惰性，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，可

9、除去水、氧气以及其它杂 质。 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：10-50 psi；对开口毛细柱：1-25 psi)；第二级，柱头压 力指示； 流量及压力控制：早期的仪器在柱头前使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确，通常在柱后，以皂膜流量计(Soap-bubble meter)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（EPC）。,气体种类的选择,气体纯度要求,五、进样系统(Sample introduction system) 常以微量注射器穿过隔垫将液体样品注入气化室，汽化室温度比样品中最易蒸的物质的沸点高约50oC。

10、（通常气体可通过六通阀进样，重现性较好） 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20L，对毛细管柱分离，体积约为10-3 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)。 进样口类型：分流/部分流毛细管柱进样口，填充柱进样口，冷柱上进样口，程序升温气化进样口。,1、分流/不分流进样口及填充柱进样口功能 1)操作温度范围 最高气化温度350420，常用250 2)载气压力和流量设定范围 常见仪器载气压力范围：0100psi 流量范围：0200mlmin-1 3)死体积 0.21ml 气化室死体积小，样品初始谱带窄，柱外效应小，但死

11、体积太小，会因样品气化后体积膨胀引起压力的剧烈波动，严重时会引起样品“倒灌”，反而增加柱外效应。 4)惰性 气化室内壁应有足够惰性，不对样品发生吸附或化学反应或对样品分解起催化作用。所以，气化室不锈钢套管中要插入一个石英或玻璃管柱。 5)隔垫吹扫功能 隔垫的影响：硅橡胶材料残留溶剂低分子齐聚物进入色谱柱，引起“鬼峰” ，气化室高温使其部分降解 隔垫吹扫的作用：隔垫排出物被排出，温度较气化温度低，防止隔垫老化,6)分流进样 为什么采用分流进样？ 作用：小部分被载气带入色谱柱，大部分被放空，在进样量一定时，减少进入毛细管柱的样品量，防止柱柱超载及污染。 分流比：放空部分:进入色谱柱部分=分流比（一

12、般10 : 1 200:1） 分流歧视：在一定分流比条件下，不同样品组分的实际分流比是不同的，从而选成进入色谱柱的样品组成不同于原来的样品组成，影响定量结果的准确度。 原因：各组分在载气中的扩散速度不同，各组分极性不同，沸点不同，气化速度不同，分流比较大 。 解决方法：快速气化，包括采用较高气化温度和选用合适的衬管 ，在样品浓度和柱容量允许情况下，分流比尽量小一些。 7）不分流进样 适用于低浓度样品，可提高灵敏度，消除分流歧视，但由于溶剂效应会引起初始谱带变宽。,2. 冷柱上进样： 样品直接注入处于室温活低于室温的色谱柱，逐步升高温度使组分依次气化通过色谱柱分离 优点：消除歧化效应避免样品分解

13、，准确度，精密度高。 缺点：要求进样体积小，否则会超载操作复杂：对起始柱温、溶剂性质、进样速度有严格的要求。 3. 程序升温气化进样（PTV） 将气体或液体样品，注入处于低温的进样口衬管内，按设定程序升高进样口温度 缺点：PTV进样口结构复杂，操作技术要求更高一些；价格贵一些。,4. 填充柱进样口结构,Load,A/D Converter,uProcessor,D/A Converter,Setpoint,Electronic Pneumatic Control.,Septum,Liner,Liner O-Ring,Capillary Column,5. 毛细管柱分流/不分流进样口结构（EPC

14、）,FLOW SENSOR,PROPORTIONAL VALVE 1,PRESSURE SENSOR,SEPTUM PURGE REGULATOR,PURGE VALVE OPEN,TOTAL FLOW CONTROL LOOP,GOLD SEAL,PROPORTIONAL VALVE 2,0 ML/MIN,SPLIT VENT TRAP,0 PSI,SPLIT VENT,FLOW SENSOR,PROPORTIONAL VALVE 1,PRESSURE SENSOR,SEPTUM PURGE REGULATOR FIXED 3ML/MIN,PURGE VALVE OPEN,TOTAL FLO

15、W CONTROL LOOP,PROPORTIONAL VALVE 2,205 ML/MIN,SPLIT VENT TRAP,10 PSI,BACK PRESSURE CONTROL LOOP,Split Ratio - 100:1,TOTAL FLOW IN 55 ML/MIN,MANUAL MASS FLOW CONTROLLER,SEPTUM PURGE REGULATOR FIXED 3ML/MIN,OPTIONAL TRAP,PURGE VALVE “ON”,BACK-PRESSURE EPC VALVE,GOLD SEAL,LINER PURGE FLOW - 52 ML/MIN,

16、EPC Control,Sensor,“C” LINE,“P” LINE,“S” LINE,PRIMARY FLOW PATH,REDUCED FLOW PATH,P,P,S,SPLIT RATIO 25:1,六、检测器 气相色谱检测器种类繁多，本节将介绍最为常用的几种检测器： 1. 热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD); 2. 氢火焰离子化检测器(Flame ionized detector, FID); 3. 电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD); 4. 火焰光度检测器(Flame photometri

17、c detector, FPD); 5. 氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionic detector, TID); 6. 原子发射检测器(Atomic emission Detector, AED) 7. 硫荧光检测器（Sulfur chemiluminescence Detector, SCD） 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 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 进入检测器的量成正比。,Thermal Conductivity Values of Comm

18、on Gases/Solvents,Compound,Relative Thermal Conductivity,Carbon Tetrachloride,0.05,Benzene,0.11,Hexane,0.12,Argon,0.12,Methanol,0.13,Nitrogen,0.17,Helium,1.00,Hydrogen,1.28,Thermal Conductivity Relative to Helium,工作过程： 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，AB两端无电压信号输出； 2）当有样品随载气进入两个样品臂时，此时热导系

19、数发生变化，或者说，测量臂的温度发生变化，其电阻亦发生变化，电桥失去平衡，AB两端有电压信号输出。当载气和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。 特点： 对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。 * 1979 年，出现了一种高灵敏度、基线漂移小、平衡时间短的“调制式单丝热导检测器：将参比气（载气）和样品、载气混合气交替(10Hz)导入微型陶瓷热导池(5L)中，从而产生10Hz的交变信号，该信号正比于热导系数的差。因为放大器只检测频率为10Hz的信号，因此可克服热噪声的干扰。,影响TCD灵敏度的因素： 1）桥电流 i：i 增加

20、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。但 i 过大，热敏元件寿命下降。电流通常选择在100200 mA之间(N2作载气，100150 mA；H2作载气，150200 mA)。 2）池体温度：池体温度低，与热敏元件间温差大，灵敏度提高。但温度过低，可使试样凝结于检测器中。通常池体温度应高于柱温。 3）载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。通常选择热导系数大的H2和Ar作载气。用N2作载气，热导系数较大的试样(如甲烷)可出现倒峰。 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、

21、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。,2. 火焰离子化检测器（FID） 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给分。 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。 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（10-12 A）。,

22、FID特点： 1）灵敏度高(10-13g/s)； 2）线性范围宽(107数量级)； 3）噪声低； 4）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）对无机物、永久性气体和水基本无响应（不足？），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。,ECD Theory ofOperation.,Beta Emission,N2,-e,Ni63 Sourc

23、e,-e,-e,-e,-e,-e,-e,Secondary Emission of Electrons,-e,-e,-e,Gas Exit,Detector Anode - Pulse frequency increases to maintain constant current,X,X,X,Makeup Gas - N2 or ArMe,ECD 特点： 1）响应电流i与浓度c是非线性的，即， 该式类似于比尔定律。其中，i0为基流，K 为电子吸收系数(不同物质K值不同)。 2）对如卤素基、过氧基、醌基、硝基等含电负性的功能团的分子具有极 高的选择性和灵敏度；但对含酰胺基和羟基的化合物以及烃类

24、物质不 灵敏。 3）与FID相比，ECD对样的破坏不大； 4）线性范围为两个数量级，相对FID来说，这不算大; 5）要求载气纯度要高(99.99%)，否则杂质会降低基流；（通常将载气通 入480oC的紫铜屑除O2）。,4. 火焰光度检测器（FPD） FPD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、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。 FPD结构： 喷嘴+滤光片+光电管。 原理： 待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物并发射特征分子光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。,含S、P化合物在氢焰中的变化过程如下

25、：,FPD 特点： 1）对含S、P化合物有较高灵敏度和一定的选择性； 2）对卤素气X2、N2、Sn、Cr、Se和Ge等也有响应； 3）相对其它检测器如ECD和FID，FPD价格较贵。 4）对测S的灵敏度比硫荧光检测器*(SCD) 低； *硫荧光检测器（SCD）：FPD检测器中含硫化合物燃烧产物可与O3反应并产生与S含量成正比的荧 光，通过测定荧光强度来分析含S化合物。SCD的灵敏度极高。,5. 氮磷检测器（NPD） 热离子检测器也叫热离子检测器（TID） 。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加热至600800oC，从而使含有N或P的化合物产生更多的

26、离子。产生离子的机理目前仍不清楚。 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）。,Ceramic seals,Vent,Interconnect spring,Bead,Jet,Collector,Air,H2 + Makeup,Carrier,Sensor,Heater,Rb impregnated into multi-layer ceramic source,Column Flow.5 - 10 ml/min,H

27、ydrogen- 2ml/min+ Makeup Gas(N2)- 10 ml/min,Electrometer,Air - 60 ml/min,H2,H2,N2,N2,Rb,Rb,O2,O2,O2,Active species reaction zone,HE,HE,Organic “N” or “P” sample elutes from Column,六、检测器的性能指标： 理想的检测器应具有的条件： 1）适合的灵敏度：对一些组分十分灵敏，而对其它则不，其间应相差 达107倍； 2）稳定、重现性好； 3）线性范围宽，可达几个数量级； 4）可在室温到400oC下使用； 5）响应时间短，且不

28、受流速影响； 6）可靠性好、使用方便、对无经验者来说足够安全； 7）对所有待测物的响应相似或可以预测这种响应； 8）选择性好； 9）不破坏样品。 但任何检测器都不可能同时满足上述所有要求。,1. 灵敏度S 以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号作图，得到校正曲线，该曲线的斜率 k 即为灵敏度S。 实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度。 对于浓度型： Sc灵敏度(mVmL/mg); Ai峰面积(cm2); Fco检测器入口流速(mL/min); wi进样量(mg), C1记录仪纸速(cm/min) C2记录仪灵敏度(mV/cm); 对于质量型： Sm灵敏度(mVs/g); wi进入检测器的样品量(

29、g),2. 检测限，DL 与通用的检测限表示方法相同，即 实际工作中，色谱检测限表示为 浓度型： 质量型： 注意：检测限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声，即检测限是衡量检 测器或仪器性能的综合指标。 3. 线性范围和响应时间（略）, 4 定性分析 一、样品预处理： GC分析对象是在气化室温度下能生气态的物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在进样前，对样品进行处理。 水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质柱效下降，需除去。 非挥发份会产生噪声，同时慢慢分解产生杂峰。 稳定性差的组分生成新物质杂峰。 二、定性方法 1、用已知物对照定性 该法是基于在一定操作条件下，各组分保留时间

30、是一定值的原理。 具体做法： 1）分别以试样和标准物进样分析，各自的色谱图； 2）对照。如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合，则可初步确定试样 中含有该物质。 3）也可通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰增加来确定。,2. 据经验式定性 1）碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留时间tr的对数与分子中碳数n成正比： lgtr=An+C (n3) 如果知道两种或以上同系物的调整保留值，则可求出常数A和C。未知物的碳数则可从色谱图查出tr后，以上式求出。 2）沸点规律：同族具相同碳数的异构物，其调整保留时间tr的对数与分子中沸点n成正比： lgtr=ATb+C 3. 据相对保留值 ri,s

31、定性： 用保留值定性要求两次进样条件完全一致，这是比较困难的。而用ri,s定性，则只要温度一定即可。 具体做法： 在样品和标准中分别加入同一种基准物 s，将样品的ri,s和标准物的ri,s相比较来确定样品中是否含有 i 组分。,4. 保留指数(Kovats指数)定性 该指数定性的重现性最佳，当固定液和柱温一定时，定性可不需要标准物。 设正构烷烃的Kovats指数为碳数100。测定时，将碳数为n 和n+1的正构烷烃加入到样品 x 中进行色谱分析，此时测得这三个物质的调整保留值分别为： tr(Cn)，tr(x)和tr(Cn+1)，且待测物x的调整保留值介于两个烷烃之间。 利用此式求出未知物Kovats指数Ix，然后与文献值对照。 5. 双柱或