气相色谱培训讲义(基础).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,CONFIDENTIAL,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,美国瓦里安技术中国有限公司,气相色谱仪基,础,内容提要,.,色谱原理,.,气相色谱系统,.,气相色谱基本理论,.,载气,.,进样口,.,色谱柱,.,检测器,.,定量分析,一、色谱理论,气相色谱的发展,.,色 谱,原 理,根据样品各组分在流动相和固定相中的分配情况不同来进行分离。,一些组分与固定相作用较强，故较慢流出色谱柱，从而得以分离。,样品组分分离示意图,2.气相色谱系统的组成,控制面板,气路控制,压力控制,柱箱,计算机,色谱工作站,检测器,进样口,气体钢瓶,自动进样器,色谱图,检测信号和时间的关系图,不同的色谱峰对应相应的组分,可以得到相应组分的保留时间和峰面积信息。,保留时间,定性分析,峰面积,定量分析,3.气相色谱基本理论,CH4,保留时间（,Retention time)：,组份从进样到出现最大值所需要的时间,，,t,R,基线,当没有样品进入检测器时是噪声随时间变化的曲线，一般为一条直线，叫做基线,峰高（,Peak Heigh),从峰最大值到峰底的距离,峰面积（,Peak Area),峰与峰底之间的面积,基本术语,两个相邻峰的分离程度。以两个组份保留时间之差与其平均半峰宽值的比来表示：,当,R=1,时，有5的重叠；,当,R=1.5,时，分离程度为99.7%，可视为基线分离,毛细管,色谱柱,比填充,柱,有更高的分辨率,.,分离度（,Resolution),例如，图示中塔板数为,3.,塔板理论,柱,效能（,Column Efficiency),峰展宽的度量,.,以塔板数来表示,类似蒸馏中的气液平衡,理论板数,N,理论板数的实验评估,与半高宽的关系,峰的形状,理想的峰型是高斯曲线,.,分子的理论统计学分布,HEPT,:,理论塔板高度,(,Height equicalent to a theoretical Plate),：,HETP=A+B/,+C,这里：,A=,涡流扩散,B=,纵向扩散,C=,传质阻力,=,载气的线流量,低的,HETP=,高的,色谱柱,效率,如果已知有效塔板数，则可计算：,N,eff,=L,col,/HETP,著名的范德母特（,Van Deemter,）,方程,A.,涡流扩散,(,不同路径的影响,).,取决于,色谱柱,大小、形状和填充的好坏,毛细管,柱,可忽略该项,影响,色谱柱,效率的因素,气相中分子的扩散,主要决定于气体流速,流速与涡流扩散成反比，气体流速越快，扩散越小,影响,色谱柱,效率的因素,B.,纵向扩散,.,样品组分从气相到液相容易,.,主要取决于气体的流速和固定相量的多少。,影响,色谱柱,效率的因素,C.,传质阻力,由该图可以得到最佳的线速度,对于毛细管柱可忽略,A,项（涡流扩散），一般对于毛细管线速度为30-60,cm/sec。,Van Deemter,图,N2,变化最大,可得到最低的,HETP.,H2,和,He,曲线较平坦，即使较高的流速下也能得到较低的,HETP,所以即使在较高的分析速度时，也可以得到较好的分离度,.,4.,载气对,Van Deemter,图的影响,常用毛细管柱的最佳载气流量,效能最佳化,N,的优化,：,增加色谱柱长度,增加分析时间,降低,H=,较好策略,H,的优化,降低充填物粒径,降低温度，,减少,B/u,液膜越薄越好，色谱柱内径越小越好,气 体,作用：,1）载气：作为色谱的流动相,2）检测器的工作气体。,载气：,惰性：,He,Ar,N2,H2.,根据,检测器,价格及方便程度来决定,采用压力调节器以获得恒定的仪器输入压力,控制流量来得到恒定的流速,气体的类型由,检测器,决定,.,气体要求色谱级的高纯气体99.999%,气体的供应和控制,载气推荐采用,H2、He:,分离度好,对,TCD,灵敏度最高，而且可保护,W,丝,注意安全问题,气体质量控制,过滤系统,:,除氧,.,活性炭除碳氢化合物。,分子筛除水,延长色谱柱寿命,保护检测器,提升检测质量,防止污,染物干扰检测结果,保,护系统,两级的气体压力调节器,.,低压端可从0到,100 psig.,注意：不要用不干净的管路,气体进口及连接,如果管线太长，应适当增加输出压力,仪器上所有的气体都使用,1/8,”,Swagelok,的接头连接,气体进口及连接（续）,5,.,进样口,作用：样品进样和汽化,.,要求：精度和重现性,根据样品的性质选择进样技术,填充柱进样口,柱上进样(,On Column),快速气化（,Flash-vaporization）,毛细管柱进样口,分流/不分流进样,分流,分流进样规则,不分流进样的规则,进样口,填充柱进样口,柱上进样(,On Column),快速气化（,Flash-vaporization）,柱上进样(,On column),液体样品直接注射进柱头上,消除了气化时样品损失。,消除了传输过程中从进样口到色谱柱之间的样品损失。,可用于热不稳定物质的分析。,定量分析精度好。,最好用于干净稀释的样品。,Model 1041,可用于填充柱和0.53毛细管柱,标准配制如右图，用于0.53,mm,的毛细管柱,如用于填充柱，则将右图中的,“,530,micron insert,”,拆下，将填充柱装到顶,标准工具包里带两个柱螺母，一个闷头,1041的进样垫为10.5,mm，,与1079（11.4,mm）、1177(9mm),不一样。,快速气化（,Flash-vaporization）,对于浓度较高或较脏的样品,。,色谱柱连接在进样口底部。,色谱柱完全填充,。,样品在玻璃内衬中气化,进样口至少高于柱温箱,50,C。,能够用于大口径的毛细管。,毛细管进样,只需要少的进样量,需要特别的进样技术分流/不分流/柱上进样,载气流量小,但检测器需要尾吹,需要特别的硬件,隔垫吹扫,分流装置,压力、流量调节,毛细管柱进样口,要求不同的硬件和技术,。,直接进样,.,分流/不分流进样,.,柱上进样,直接进样,-(,柱上进样或快速气化,),只用于大口径(,0.53,mm,内径,).,将注射器中的样品全部送入到色谱柱.,允许缓慢注入较大体积的稀释样品,(,2,L)。,相对低的进样口温度。,分流/不分流进样,用于毛细管柱,0.1 mm to 0.53 mm ID.,可选用分流/不分流进样,(split/splitless.),分流(,split),允许样品中的代表部分进入到色谱柱中。,当被测物浓度较高时。,不分流(,splitless),类似于直接进样.,样品中绝大部分进入到色谱柱中。,分 流,均匀气化的样品通过分流点,(,柱尖端,Colomn tip).,样品在玻璃衬管气化,要求：,将样品中具有代表性的样品注入到色谱柱中。,可重现的分流比,缺点,可能会有进样歧视现象。对宽沸程的样品易产生非线性分流，使样品失真,不适于高纯度物质和痕量组分(60 米,),内径较细.,所有材料均要求化学及热性质稳定.,热稳定性,-,分析时所使用的温度不应致使色谱柱材质受到破坏,化学稳定性,-,在一定温度下，色谱柱材质不受分析物的影响,注意：用色谱级、干净的材料,。,填充柱,玻璃、特氟珑及不锈钢材质,(,惰性),.,填充柱中填有固态载体，上面涂有液态固定相，用于气液色谱（,GLC）,或直接填充多孔固体，用于气固色谱（,GSC）.,填充柱尺寸,固态载体,是液态固定相附着的载体,增加与样品接触的表面积,。,细小、均匀、多孔,。,大部分采用硅土.,标准大小颗粒.,直径大小与目数的关系,例如,:,80/100,目表明所有的颗粒将通过,80,目筛但不通过 1,00,目筛,.,80,目筛是指筛网每英寸有80根标准直径的网线,。,毛细管柱,不锈钢,玻璃,熔融硅,.,柔韧性及机械强度均较好,惰性,内径：0.05-0.80,mm.,长度：可大于,100 m,普通一般为30,m。,外层为聚酰亚胺，可修补柱子缺陷并且增加强度,。,柱子内表面进行硅烷化处理,。,内壁涂有固定相.,毛细管柱截面图,毛细管柱,WCOT-,内表面涂有很薄的固定相.,PLOT,内表面涂有多孔的固体层或吸附剂,SCOT,内表面先涂固态载体，然后再涂上固定相,。,色谱柱,参数,柱长,、,内径,、,涂膜厚度,色谱柱长度,柱长度只有大的变化才会影响分辨率,。,填充柱一般为,2-3,米,.,毛细管柱可以根据需要进行裁剪,。,色谱柱内径,填充柱固定为,2 mm。,毛细管柱的内径可从,0.10-0.8 mm.,内径的大小将影响到色谱柱的效率、保留时间和柱容量,.,较小的内径有较小的流失和较小的柱容量,毛细管柱内径,0.25,mm：,用于分流/不分流进样，或柱上进样，前提是被测物不会过载,。,0.32mm：,用于分流/不分流进样，或柱上进样，允许较高浓度的分析物。,0.53mm：,如果想取代填充柱，并且被测物少于30种。,典型的毛细管柱特点,涂膜厚度,固定相的总量.,影响保留时间和容量,。,较厚的涂层会延长保留时间和增加柱容量,。,薄的涂层用于高沸点的分析物,。,标准的毛细管柱一般为,0.25,m.,0.53 mm,内径的毛细管柱一般为,1.0-1.5,m.,填充柱一般,10,m.,柱容量,柱容量是指色谱峰没有明显变形，样品能够进入到色谱柱中的最大允许量。,以下因素可增加柱容量,:,膜厚(,d,f,).,温度,.,内径,(ID).,固定相的选择性,.,如果过载，可导致:,峰变宽,.,不对称.,拖尾或前伸峰.,色谱柱中固定相流失,柱流失可以从检测器的背景信号中观察到：,柱流失是由于固定相遭到破坏而导致的,。,柱流失随着膜厚、柱内径、长度和温度的增加而增加,。,极性柱有较高的柱流失,。,柱子损坏或退化，柱流失可能会增加,。,避免使用强酸或强碱,按照制造商推荐的温度限制使用,确保载气流过毛细管柱,15-30,分钟,.,缓慢程序升温(5,/,min),到老化温度。,最初老化温度,4 hours.,如果柱子受到污染,可在推荐的最高色谱柱温度低,20,C,的条件下，老化柱子。,一般推荐的老化温度为：,Tcond,=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,在老化柱子时，一定不要将毛细管接在检测器上。应将那一端放空，同,时将检测器用闷头堵上。如果是,FID,容许接在上面，但应该将检测器温,度升上去。,色谱柱老化,温度限制,恒温最高允许温度:恒温操作的最高允许温度,程序升温最高允许温度：短期允许的最高温度，一般比恒温允许的最高温度高,20,C。,当柱子遭受热破坏，可以看到严重的峰拖尾和柱流失,。,固态固定相,气固色谱（,GSC）,最常用于气体样品的分析。,采用的固定相可以是分子筛和氧化铝,固态吸附点少，不会导致拖尾。,无液态固定相导致的柱拖尾,。,液体固定相,固定相决定了色谱柱的选择性。,有数百种固定相，尤其是填充柱,.,许多固定相有多种商品名,。,毛细管柱的固定相选择较简单。,“,相似相溶原理,”,-,用极性固定相分析极性物质,。,-,用非极性固定相分析非极性物质,.,极性表明了分子中电荷的分配情况,。,硅氧烷结构,固定相取代,液态固定相的选择,根据极性选择固定相。,非极性柱分离弱极性物质能得到较好的分离,。,对于普通的,GC,使用,常用到如,VA-5,这样的弱极性柱。,避免固定相中带有检测器能够检测的成分。,用聚乙二烯乙二醇固定相来分析带氢键的样品,气体分析可能要求固态的固定相。,7,.,检测器,通用型,检测器,（,Universal Detector),热导检测器（,TCD,）,氢火焰检测器（,FID,）,选择性检测器,电子捕获（,ECD）,脉冲火焰光度检测器,（,PFPD,）,氮磷检测器（,TSD,),通用型,检测器(,Universal Detector),热导检测器（,TCD,）,气相色谱最早的检测器,1946.,测量样品气流导热性能的变化。,热导,-,热量从高温物体到低温物体的传导。,TCD,热导池,两个平行的气流，样品和参考。,惠斯通电桥用来比较两个气流的阻抗。,气流的速度、压力及电的变化影响被最小化。,气体的热导,分子越小，运动速度越快，导热性能越好。,H,2,和,He,是最小的分子，它们的热导性能比绝大部分有机物和无机气体高6到10倍。,H,2,和,He,是最普通的载气；,N,2,和,Ar,也可采用。,TCD,温度的设定：,T,fil,-,T,det,的值越大，灵敏度越高，但太高会使样品分解，且减少灯丝寿命,检测器的温度,T,det,：,比最高的柱温高3050,C,灯丝温度,T,fil:,：,一般，比,T,det,高的柱温高50,C,TCD,操作注意事項,1.,打,开,气体钢瓶(,He,Ar,或,N,2,),并须,确认钢瓶无,误,输出压 为 80,PSI（5.5kg/cm,2,),2.确,定,流速,Carrier Gas（,柱流量,Make up,流量）=,Reference Gas,3.等待,COL/INJ/DET,溫度到達設定值,4.設定,Electronics,On,(|T,FIL,-T,DET,|,=,T,T,灵敏度,),5.等待,TCD,稳,定至少約 30,min,左右,6.,开,始分析样品,7.,结束,分析,时设,定,Electronics,Off,8.降,温,COL/INJ/DET=50,(,含,Filament),9.,关闭,气体钢瓶,氢火焰检测器（,FID,）,最常用的,GC,检测器.,-,是有机物的通用型检测器。,-,检出限,10 pg.,-,线性范围可达7个数量级,.,-,容易操作,破坏型检测器样品燃烧,信号值大小取决于碳原子数目及替代物的数量,。,FID,结构图,H,2,a,n,d,m,a,k,e,-,u,p,a,i,r,f,p,a,l,a,m,e,t,i,s,s,e,m,b,l,y,s,i,g,n,a,l,p,r,o,b,e,i,g,n,i,t,o,r,p,r,o,b,e,collector,FID,工作原理,理论:,在火焰头和收集极（电极）上加一电压。,有机物都在火焰中燃烧,(2000,F)。,在电极之间产生离子化介质和电子。,带电粒子被收集极吸引和捕获。,离子流被放大和记录,。,响应,离子数目正比于碳原子数目,(C-H,键,).,一些官能团如羰基(,CO=)、,羟基(,OH）、,卤素（,X）、,胺（,NH4+）,则很少或根本不会离子化。,对无机气体如,H,2,O,CO,2,SO,2,和,No,x,不灵敏。,火焰,以氢气和空气作为燃气,。,在控制的流速下进行电子点火。,火焰无色除非受到污染,。,FID,工作原理,燃烧气,H,2,与载气（或载气尾吹气）的流速一般为,1:1。,空气一般为氢气的,10,倍。,大的空气流速和热检测器可以赶走大量的水蒸气。,FID,燃烧气流速对信号的影响,FID,工作原理,FID,注意事项,正确设置,H2、,空气和尾吹气的流量,检测器温度应比柱温箱设定的最高温度高30,C，,且大于150,C,以防止,水凝结在检测器上,FID,在电路打开后，会自动点火。在3800报告熄火以前，最多会连续,点火三次,如果报告了熄火，要查找熄火的原因。然后再按,GC3800,上的,“,Ignite,”,功能键，或在工作站上关闭,FID,的电路，再打开，当色谱,柱拆下或不使用检测器时，一点要关闭氢气。以防止氢气积累。,选择性检测器,电子捕获,检测器,（ECD）,非破坏性。,对卤素、过氧化物、醌类金属有机物及硝基化合物非常灵敏。,而对胺类、醇类及碳氢化合物不灵敏。,线性窄，,10,3,.,电子捕获检测器,ECD,c,e,l,l,-,p,u,l,s,e,r,p,r,o,b,e,s,i,g,n,a,l,p,r,o,b,e,N,2,m,a,k,e,-,u,p,c,o,l,u,m,n,c,o,l,l,e,c,t,o,r,e,l,e,c,t,r,o,d,e,c,e,l,l,a,s,s,e,m,b,l,y,e,l,e,c,t,r,o,n,c,l,o,u,d,6,3,N,i,f,o,i,l,i,n,s,u,l,a,t,i,o,n,c,e,r,a,m,i,c,i,n,s,u,l,a,t,o,r,s,主要用于食品、制药、环保等领域，检测痕量含卤素等的样品,一定不要试图去拆卸该检测器,电子捕获,检测器,ECD,操作,原理,射线粒子使载气离子化:,N,2,+N,2,+e,-,在,电场中生成的正离子和电子向两极移动形成基流。,当,电负性样品进入后即捕获慢速低能量,电子,使基流下降形成信号。,e,-,+sample current loss,ECD,的调节,可在,450GC,上进行，按,Adjustment,键进行池电流：,Ar/CH4；CAP；N2STD；N2HIGH,以及,Zero,零电流是为了进行接触电位的设置,一般，当,Range,设为1时，基线信号不应超过25,mV。,否则，说明可能是载气不纯、柱流失严重或检测器受污染等,25,mV,之上的基线信号会减少,ECD,检测器的可用线性范围,设置接触电位,仪器准备完成：打开载气，设置到正确的输出压力；色谱柱已经老化完成,在,450,面板上，选择,DetectorECD;,设置,Tempture,：300,C,Electron:on;,Range:1.0;,Autozero:NO,等达到设定温度后，平衡若干小时，最好过夜,设置接触电位（续）,在,ECD,屏幕上，按,Adjustment:,将,Cell Current,设为零；,将,Contact potential,设为-760,mv,注意屏幕显示的信号强度应在-12.,6,-13.0mv,如-12.8,mv,再将接触电位设定为+760,mv，,信号应该增加几,mv,逐渐降低接触电位的,设定值，直到信号强度为,开始的显示值加0.5,mv,如-12.8+0.5=-12.3,mv;,这时的接触电位就是我,们需要的接触电压，接,触电位也就设好了。,氮磷检测器(,TSD）,只对氮、磷有很高的选择性,氮的灵敏度：0.1,pg/sec；,磷为：green light,S:S,2,*=blue light,N:HNO*=NIR,根据所测量的元素来选择滤光片和/或光电倍增管,发光的事件差与元素的选择性,不同的元素发射特征光的时间不一样,如下图：碳氢化合物和硫的发光强度与时间的关系,S,在点火后6,ms,时开始发光，持续20,ms，,而,HC,的发光则在4,ms,内完成,下表列出的是常规分析条件下操作,PFPD,时用到的几种载气的流速。,当优化,PFPD,的性能时使用这些流速作为起点。,PFPD,的工作条件,建议下列调节设定值用于,PFPD,的设置和常规操作。这些调节可以通过在,450GC,方法的,PFPD,检测器部分按调节键进入,PFPD,的工作条件,PFPD,操作,在分析磷或硫时，需要变化滤光片,。,推荐采用,He,或,N,2,作为载气,。,检测器的温度应保持恒定为,220,C，,以获得最大灵敏度。,必须控制好燃烧气的流量，以保证火焰不会波动。,(H,2,:13,Air#1:20,Air#2:10 mL/min),HPO*,发射的绿光于火焰中磷的流速呈线性相关。,S,2,*,发出的蓝光则与火焰中硫的流速的平方线性相关,。,.,定量分析,色谱相当重要的应用,决定组分质量、浓度或物质在样品中占的,百分比,平均或,标准偏差,用來作分析精密度的表示,定量,结果,的,数种计算,方式,出峰高度分析(,peak high),出峰,面积,分析(,peak area),外,标,法(,external standard),內,标,法(,internal standard),百分,归一,法(,normalized percent),定量分析,峰高,以,直线连接峰两侧的基线,测量,波峰至此,线的直线距离,优点,:,快速,简单,缺点,:,出峰高度,变化大,，,与出,峰,宽度成,反比,关系,通常只有毛細柱,采用,此法,定量分析,峰,面积,与,出峰,展宽效应无关,将,得到比出峰高度更,佳,的結果,面积计算,半,峰宽,*出峰高度(,A=h*W),減少出峰拖尾的,误差,出峰必須,对称,W,h,定量分析,峰,面积,重量法,將尖峰剪下、秤重,并与已知面积的记录纸重量比较,求相,对面积,检测器对物质响应必须呈线性,绝对进样量并,不一定需要知道,出峰,面积,分析,范例,校正因子,校正因子是定量计算公式中的比例常数，其物理意义是单位面积所代表的被测组分的量。,可用下式表示：,Mi I,组分的量；,fi I,组分的校正因子；,AiI,组分的峰面积,定量分析的依据是被测组分的量与响应信号成正比，但相同含量的物质由于物理、化学性质的差别，即使在同一检测器上产生的信号也不同，直接用响应信号定量，必然导致较大误差。故引入校正因子。,归一化法(,Normalized%),将样品中所有组份的含量之和定为100%。计算其中某一组份百分含量的定量方法：,其中：,xi,试样中组份,I,的百分含量,fi,组份,I,的校正因子,Ai,组份,I,的峰面积或峰高,百分,归,一法(,normalized percent),或,称,：,体积归一法,前提假,设,样品,所有成分必須均,洗脱,出來,所有成分都必須有,响应,配置,已知含量多,标准品混合溶液,，,选择,其中一,个当作参比,透过响应因子计算未知物质的归一,百分比,定量分析,优点：方法简便，进样量与载气流速的影响不大,缺点：样品中所有组份必须都能出峰，并且必须知道各自组份的校正因子。,当样品中各组份的校正因子近似相等，可不用校正因子，将面积直接归一化，按下式计算：,即,%(,NO Calibration),归一化法(,Normalized%),外标法（,External Standard),又称校正曲线法,在相同分析条件下，比较标准物质与样品的色谱峰面积或峰高,1.,用已知的标准品配成不同浓度的标准样，测量各种浓度的峰高或峰面积，绘制响应信号与百分含量的关系曲线；,2.测量样品的峰面积或峰高，在校正曲线上查出其对应的百分含量。,要求：进样量、色谱分析条件严格不变；,外,标,法,利用一系列,标准品建立校正曲线,精确的标准品含量与进样量必须,已知,建立出峰,面积对标准品浓度的关系图,校正曲線必須,经过原点,外,标准品浓度应尽量与样品接近,未知量,样品进样体积与标准品,相同,必須精密控制,进样量,全定量,环进样较为理想,测,量未知,样品,出峰,面积,与,校正曲,线比较并进行定量,定量分析,內,标,法,最可信的定量方法,將內,标,加入校正,标准品和,未知的,样品,中,固定內,标,所加入的量,出峰,面积测量所产生的误差将被消除,內,标,法,內,标添加,在,样品前处理时加入内标,补偿样品在前处理时的损失,要求特性,内标必须与其它色谱峰完全分离,理化,性质应接近被测物,类似物、同系物或异构体,样品中不可含内标物潜在降解物,內,标物纯度要高,在,测量周期内稳定,样品中加入内标物，利用被测物与内标物校正因子的比值不变来进行定量的。,首先用被测物标准品和内标物配制标准溶液，求得校正因子比值：,然后，再由它和样品的峰面积来计算：,fis,fi/fs,内标物与被测组份校正因子的比值；,mi,被测组份,i,的含量；,ms,加入内标物的量,As,内标物的峰面积；,Ai,组份,I,的峰面积；,内标法(,Internal Standard),内标物的要求：不能与样品或固定相反应；能与样品完全互溶；与被测组份很好分离，又比较接近；加入内标的量要接近被测组份。,内标法可以补偿色谱条件和样品组成或平衡温度的细小变化而带来的影响，定量较准确。缺点：每次需要准确称量内标物和样品。,也可采用内标校正曲线法。公式可改为：,内标法(,Internal Standard),