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1、气相色谱法,第一部分GC基础知识,2020年9月7日星期一,3,1.1 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。,2020年9月7日星期一,4,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。,2020年9月

2、7日星期一,5,1.2 气相色谱法的定义和分类,定义：用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。 分类：根据固定相的状态不同，气固色谱(GSC) （吸附原理）、 气液色谱(GLC) （分配原理） 气固色谱可用活性炭，硅胶，分子筛，高分子多孔小球等作为固定相，分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。吸附-脱附 气液色谱多用固定液涂渍在惰性载体上作为固定相，一般只要高沸点的有机化合物，蒸汽压低（在450以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽压）且热稳定性好的有机化合物作为固定液。由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，所以气液色谱有广泛的实用价值。 溶解-挥发,2020

3、年9月7日星期一,6,1.3 气相色谱法的特点,“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10111013g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。,2020年9月7日星期一,7,从载气带着组分进入色谱柱起就用检

4、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。,1.4 色谱流出曲线（色谱图）及有关术语,2020年9月7日星期一,8,如图所示为一色谱流出曲线：,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

5、离叫峰高。色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。,2020年9月7日星期一,9,3）保留值 a. 死时间(tM) ：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 tM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 tr= tr tM 4）色谱峰底宽W ：由色谱峰的两边拐点做切线，与基线交点的距离。 5）半峰

6、高宽度W ：色谱峰高一半处的峰宽。也称为色谱峰半高宽度。,2020年9月7日星期一,10,1.5 气相色谱构成示意图,2020年9月7日星期一,11,1.6 气相色谱基本流路图,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,第二部分载气,2020年9月7日星期一,13,2.1 常用载气,1、载气要求： 作为气相色谱载气的气体，要求要化学稳定性好；纯度高；价格便宜并易取得；能适合于所用的检测器。 2、常用载气 氮气(黑)、氦气(银灰)、氩气(白)、氢气(深绿)、二氧化碳(黑)等 TCD 用氢气、氦气比较好，灵敏度高， FID 用氮气 惰性气体化学稳定性好、价格高

7、。,2020年9月7日星期一,14,3、气体的净化 净化管通常为内径50mm，长200250mm的金属管 装填什么物质取决于载气纯度的要求(如，除去水分可用吸附剂硅胶和分子筛，除去烃类化合物，可用活性炭）。 净化管的出口和入口应加上标志，出口应当用少量纱布或脱脂棉轻轻塞上，严防净化剂粉尘流出净化管进入色谱仪。,2020年9月7日星期一,15,4、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

8、动控制载气的稳定流速。,第三部分进样口,2020年9月7日星期一,17,3.1 进样系统,气化室 将液体试样瞬间气化的装置。 进样装置 气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。 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；,2020年9月7日星期一,18,微量注射器进样阀 不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用1L；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。,2020年9月7日星期一,19,3.12 注意事项,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

9、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。,第四部分色谱柱,2020年9月7日星期一,21,色谱柱：色谱仪的核心部件。 柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径2-6毫米。长度可根据需要确定。 柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。 气-固色谱：固体吸附剂 气-液色谱：载体+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

10、之空隙体积大，柱效低。,2020年9月7日星期一,22,2020年9月7日星期一,23,4.2 色谱柱选择的要素,柱材质 固定相 内径 膜厚 长度,2020年9月7日星期一,24,4.2.1 柱材质,不锈钢和熔融石英 共同点：良好的惰性和自由度 不锈钢的优势：良好的耐磨性和抗刮伤特性，可以缠绕为更小的尺寸，卓越的温度适应性。 熔融石英的优势：易于和保护柱连接，易于确认毛细柱内的高沸点污染物。,2020年9月7日星期一,25,4.2.2 固定相,固定相选择的基本原则： 相似相溶原理，选用非极性的固定相分析非极性化合物 如果化合物可以用不同极性的固定相分析，选用极性最小 的固定相。 非极性固定相的

11、使用寿命长于极性固定相。 应用范围较广的五种固定相，Rtx-1、Rtx-5、Rtx-50、Rtx-1701和Rtx-wax可以满足90%以上的分析需求。,2020年9月7日星期一,26,4.2.4 色谱柱的选择,根据极性来选择适合的固定相，从来选择适当的色谱柱。,2020年9月7日星期一,27,4.2.5 气相色谱毛细管柱常用固定相,2020年9月7日星期一,28,4.2.7 内径,内径选择的基本原则： 0.10mm口径柱适用于快速气相色谱分析。 0.25mm口径柱具有较高的柱效，用于标准的 GC/MS应用和分流/不分流分析。 0.32mm口径柱中等柱效，多用于不分流进样。 0.53mm口径柱

12、，可以替代填充柱，适合于痕量分析。 增加色谱柱的内径，可以增加分离的样品量，但由于纵向扩散路径的增加，会使柱效降低。,2020年9月7日星期一,29,4.2.8 内径对分离度的影响,较小的内径可以获得更好的分离度，或者在更短的时间内获得同样的分离度,2020年9月7日星期一,30,4.2.9 膜厚,膜厚选择的基本原则： 增加膜厚可以提高分离度和加强保留，厚些的液膜可以有效降低过载拖尾峰和其他化合物的共流出。 如果样品的浓度范围很宽，就需要更厚的液膜，反之，如果目标组分的分离足够，并且没有共流出的问题，就可以使用比较薄的液膜，对于挥发性有机物来说，厚液膜更为合适。 液膜厚度的改变将直接影响化合物

13、的流出温度。膜越厚，保留越强，流出温度相应也越高。 标准膜厚(0.250.5m)：最广泛的应用，对于流出达到300的大多数样品分析效果良好。 薄液膜(0.10.2m)：适合石化分析，甘油三酯等高沸点的物质。 厚液膜(15m)：适合于流出温度在100200之间的低沸点化合物,2020年9月7日星期一,31,4.2.10 膜厚对分离度的影响,2020年9月7日星期一,32,4.2.11 长度,长度选择的基本原则： 色谱柱越长，柱效越高。 选择可以满足分离度要求的最短的柱子。 如果即使是最长规格的色谱柱依然无法满足分离度的要求，请考虑更换固定相或膜厚。 分离度和柱长的平方根成正比，两倍的柱长只能增加

14、40的分离度。 标准柱(2530m)：标准柱长，满足大部分应用。 短柱(515m)：通常用于10个组份以下简单样品的快速分析。 长柱(50m以上)：复杂样品分析。,2020年9月7日星期一,33,4.2.11 柱长对分析时间的影响,恒温分析 ：保留时间由柱长决定，柱长加倍分析时间也加倍。 程升分析： 保留时间主要取决于柱温，分离度的提升和恒温分析类似，但分析时间只是略有增加。 由于分离度正比于柱长的平方根，所以增加柱长对分离是有利的。但增加柱长会使各组分的保留时间增加，延长分析时间。因此，在满足一定分离度的条件下，应尽可能使用较短的柱子。,2020年9月7日星期一,34,4.3 色谱柱的老化,

15、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。,2020年9月7日星期一,35,4.4 柱温的选择,柱温是一个重要的色谱操作参数，它直接影响分离效能和分析速度。 柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则会造成固定液大量挥发流失。某些固定液有最低操作温度。一般地说，操作温度至少必须高于固定液的熔点，以使其有效地发挥作用。 降低柱温可使色谱柱的选择性增大，

16、但升高柱温可以缩短分析时间，并且可以改善气相和液相的传质速率，有利于提高效能。所以，这两方面的情况均需考虑。 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。,2020年9月7日星期一,36,第五部分检测器,2020年9月7日星期一,38,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

17、，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。,5.1 检测器定义,2020年9月7日星期一,39,5.2 检测器分类,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、NP

18、D。 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 。,2020年9月7日星期一,40,5.3 常用检测器,2020年9月7日星期一,41,热导检测器（TCD）thermal conductivity detector,基本原理:每种物质都有导热能力，而且导热的能力大小不同，通过一个热敏电阻来测定与热敏电阻接触的气体组成变化情况。这种检测方式虽然不是最灵敏的，但是对所有样品都有响应，是通用型的检测器。,2020年9月7日星期一,42,1. 热导检测器的结构 池体（一

19、般用不锈钢制成） 热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。 参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,2020年9月7日星期一,43,2020年9月7日星期一,44,平衡电桥，下图。 不同的气体有不同的热导系数。,钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参R2=R测R1 无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）。,2020年9月7日星期一,45,进样后， 载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考

20、臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 则： R参R2R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。,2020年9月7日星期一,46,影响热导检测器灵敏度的因素,热丝阻值 热丝阻值越大，其灵敏度越高。 桥流 桥流越大，灵敏度越高。,2020年9月7日星期一,47,TCD的响应特性,通用型检测器 灵敏度较低，适合于大于几十ppm组分测定 对卤化物、重金属酯响应较小 浓度型检测器 非破坏型检测器,2020年9月7日星期一,48,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。

21、 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,2020年9月7日星期一,49,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。,2020年9月7日星期一,50

22、,2020年9月7日星期一,51,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,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。,2020年9月7日星期一,52,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50350V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

23、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。,2020年9月7日星期一,53,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

24、。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色谱仪，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 2050，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。,第六部分数据分析,2020年9月7日星期一,55,6.1 定量方法(一),6.1.1面积归一法 各组分浓度以面积百分比表示，该结果可以确认大概的浓度，但有误差。,2020年9月7日星期一,56,面积归一法,不需标样