安捷伦气相色谱仪教学课件.pdf

Agilent Technologies安捷伦气相色谱仪安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理气相色谱基本原理2 2气相色谱基本原理气相色谱基本原理声明声明安捷伦科技公司版权所有2002根据美国联邦政府和国际著作权的有关法律未经安捷伦公司许可和书面授权不得对本书的任何部分以任何形式或手段进行复制包括电子版储存和检索或翻译成外文手册部件号手册部件号G1176-97000版本说明版本说明2002年5月第1版美国印刷安捷伦科技公司2850 Centerville Road Wilmington,Delaware 19808-1610 USA气相色谱基本原理气相色谱基本原理3 3内容提要内容提要本书所提供的信息将有助于您有效地使用气相色谱仪(GC)1 1什么是气相色谱什么是气相色谱本章介绍气相色谱的功能和用途以及色谱仪的基本结构2 2进样方式进样方式本章介绍气相色谱最常用的几种进样方式3 3组分分离组分分离样品经过色谱柱而被分离成单个组分本章将告诉你如何进行分离和怎样使用色谱柱4 4组分检测组分检测本章将介绍三种常用的气相色谱检测器5 5图谱解析图谱解析最后一章讨论怎样对色谱峰进行鉴定和如何定量测定每一个组分的含量4 4气相色谱基本原理气相色谱基本原理气相色谱基本原理气相色谱基本原理5 5目录目录1 1什么是气相色谱什么是气相色谱基于时间的差别进行分离10系统11气源12进样口12色谱柱14检测器14数据处理15仪器控制152 2进样方式进样方式进样口18填充柱进样口18分流/不分流进样口19注射进样技术22自动进样的优点23进样阀24气体进样阀24液体进样阀24进样口温度25气体样品25液体样品253 3组分分离组分分离色谱柱如何对化合物进行分离28色谱基本原理296气相色谱基本原理气相色谱基本原理色谱柱类型30毛细管柱30填充柱30色谱柱管材31色谱柱特性32柱效32载气控制33柱分离度33柱选择性34用毛细管柱还是填充柱35柱温36柱箱恒温36程序控温374 4组分检测组分检测热导检测器(TCD)40工作原理40火焰离子化检测器(FID)42工作原理42电子捕获检测器(ECD)43工作原理435 5谱图解析谱图解析色谱峰测量47保留时间47色谱峰大小47积分仪和数据系统48组分定性49组分定量50未校准计算50气相色谱基本原理气相色谱基本原理7峰面积与峰高百分比法50校准计算52归一化法54外标法55内标法568气相色谱基本原理气相色谱基本原理9 9安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理Agilent Technologies1什么是气相色谱什么是气相色谱基于时间的差别进行分离10系统11气源12进样口12色谱柱14检测器14数据处理15仪器控制15气相色谱(GC)是一种把混合物分离成单个组分的实验技术它被用来对样品组分进行鉴定和定量测定1010气相色谱基本原理1什么是气相色谱气相色谱基本原理1什么是气相色谱基于时间的差别进行分离基于时间的差别进行分离和物理分离比如蒸馏和类似的技术不同气相色谱(GC)是基于时间差别的分离技术将气化的混合物或气体通过含有某种物质的管基于管中物质对不同化合物的保留性能不同而得到分离这样就是基于时间的差别对化合物进行分离样品经过检测器以后被记录的就是色谱图图 1每一个峰代表最初混合样品中不同的组分峰出现的时间称为保留时间可以用来对每个组分进行定性而峰的大小峰高或峰面积则是组分含量大小的度量图图 1 1典型色谱图什么是气相色谱1气相色谱基本原理什么是气相色谱1气相色谱基本原理1111系统系统一个气相色谱系统包括 可控而纯净的载气源它能将样品带入 GC 系统 进样口它同时还作为液体样品的气化室 色谱柱实现随时间的分离 检测器当组分通过时检测器电信号的输出值改变从而对组分做出响应 某种数据处理装置图 2 是对此作出的一个总结图图 2 2色谱系统样品载气源 进样口色谱柱检测器数据处理1212气相色谱基本原理1什么是气相色谱气相色谱基本原理1什么是气相色谱气源气源载气必须是纯净的污染物可能与样品或色谱柱反应产生假峰进入检测器使基线噪音增大等推荐使用配备有水分烃类化合物和氧气捕集阱的高纯载气见图 3若使用气体发生器而不是气体钢瓶时应对每一台 GC 都装配净化器并且使气源尽可能靠近仪器的背面进样口进样口进样口就是将挥发后的样品引入载气流最常用的进样装置是注射进样口和进样阀图图 3 3载气源钢瓶阀两级减压阀开关阀钢瓶水分捕集阱烃类捕集阱氧气捕集阱钢瓶阀两级减压阀开关阀钢瓶水分捕集阱烃类捕集阱氧气捕集阱什么是气相色谱1气相色谱基本原理什么是气相色谱1气相色谱基本原理1313注射进样口注射进样口用于气体和液体样品进样常用来加热使液体样品蒸发用气体或液体注射器穿透隔垫将样品注入载气流其原理非实际设计尺寸如图 4 所示 进样阀进样阀样品从机械控制的定量管被扫入载气流因为进样量通常差别很大所以对气体和液体样品采用不同的进样阀其原理非实际设计尺寸如图 5 所示图图 4 4注射进样口图图 5 5进样阀 注射器来自载气源注射器来自载气源 针尖通向色谱柱针尖通向色谱柱隔垫隔垫置于进样位置样品入口定量管样品出口来自载气源进入色谱柱停止置于进样位置样品入口定量管样品出口来自载气源进入色谱柱停止1414气相色谱基本原理1什么是气相色谱气相色谱基本原理1什么是气相色谱进样阀通常与进样口连接特别在分流进样模式时进样阀连接到分流/不分流进样口色谱柱色谱柱分离就在色谱柱中进行因为用户可以选择不同的色谱柱故使用一台仪器能够进行许多不同的分析因为大多数分离都强烈依赖于温度故色谱柱要安装在能够精密控温的柱箱内见图 6 检测器检测器从色谱柱里出来的含有分离组分的载气流通过检测器而产生信号检测器的输出信号经过转化后成为色谱图见图 7图图 6 6色谱柱与柱箱色谱柱柱箱图色谱柱柱箱图 7 7检测器色谱柱检测器色谱图色谱柱检测器色谱图什么是气相色谱1气相色谱基本原理什么是气相色谱1气相色谱基本原理1515有几种类型的检测器可供选择但是所有的检测器的功能都是相同的 当纯的载气没有待分离组分流经检测器时产生稳定的电信号基线 当有待分离组分通过检测器时产生不同的信号数据处理数据处理测量测量色谱图记录下了检测器输出的电信号它可以通过以下几种方式进行处理 在带状图记录仪上记录 使用数字积分仪处理 用计算机数据系统处理传统的带状图记录仪必须手工测量峰的保留时间和峰大小积分仪和数据系统则可直接进行这些测量强烈推荐使用积分仪和数据系统因为它们有很好的重现性和灵敏度计算计算色谱峰的保留时间和峰大小必须转换成待分离组分的名称和含量这可以通过与已知样品校准样品的保留时间和响应值大小进行比较来完成这种比较可以手工完成但是鉴于速度和准确性采用数据处理系统是最好的仪器控制仪器控制某些数据系统和 GC 组合还可通过数据系统计算机提供对 GC 的直接控制这样就能创建可存储的方法需要时调用储存的方法即可从而可实现高度的自动化分析1616气相色谱基本原理1什么是气相色谱气相色谱基本原理1什么是气相色谱1717安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理Agilent Technologies2进样方式进样方式进样口18填充柱进样口18分流/不分流进样口19注射进样技术22自动进样的优点23进样阀24气体进样阀24液体进样阀24进样口温度25气体样品25液体样品25一些样品已经是气体例如室内或室外的空气可燃气体等则可以用气体注射器或气体进样阀直接进样大多数样品为液体为了用气相色谱来分析必须首先使之气化这常常由加热的进样口和液体注射器或液体进样阀相结合而完成的1818气相色谱基本原理2进样方式气相色谱基本原理2进样方式进样口进样口进样口的设计和选择取决于色谱柱的直径和类型下一章将介绍色谱柱类型填充柱和毛细管柱填充柱和大口径毛细管柱使用填充柱进样口小口径的毛细管柱使用分流/不分流进样口填充柱进样口填充柱进样口填充柱进样口是为填充柱设计的可更换的衬管使进样口适用于特定内径的色谱柱柱内径一般为 1/8 或 1/4 英寸典型的设计如图 8 所示 当用大口径毛细管柱时专用的衬管使得它们可以用于填充柱进样口这种色谱柱的柱容量与填充柱的类似样品用注射器穿过隔垫注入到载气流中加热的进样口使样品如果是液体气化而后载气将气化的样品带入色谱柱图图 8 8填充柱进样口隔垫吹扫进样口流量控制阀隔垫螺母和隔垫隔垫吹扫进样口流量控制阀隔垫螺母和隔垫 气控制接色谱柱气控制接色谱柱进样方式2气相色谱基本原理进样方式2气相色谱基本原理1919分流分流/不分流进样口不分流进样口分流/不分流进样用毛细管柱有两种操作模式分流模式分流模式毛细管柱有较小的样品容量进样量必须非常少通常远少于 1微升以防止色谱柱超载如此小的样品量操作起来是很困难的分流模式提供了一种方法来解决此问题采用通常的进样量气化然后只把其中一部分引入到色谱柱内进行分析其余大部分经分流出口放空图 9 为典型的分流/不分流进样口的分流模式 图图 9 9分流模式进样口流量控制隔垫螺母和隔垫隔垫吹扫气控制衬管分流阀分流出口控制进样口流量控制隔垫螺母和隔垫隔垫吹扫气控制衬管分流阀分流出口控制开开2020气相色谱基本原理2进样方式气相色谱基本原理2进样方式分流阀开启并一直维持此状态样品被注射进衬管同时被气化气化的样品在色谱柱气流阻力大和分流放空口气流阻力可调之间分配不分流进样模式不分流进样模式此模式特别适用于低浓度的样品它将样品捕集在柱头同时将残留在进样口的溶剂气体放空此模式包括两个步骤1 注射样品关闭分流阀载气流在隔垫吹扫气出口和色谱柱之间分配柱头压力由分流放空调节阀来设定从而设定流过色谱柱的流速注射样品溶剂主要的样品成分在富集样品的柱头产生饱和区带进样方式2气相色谱基本原理进样方式2气相色谱基本原理2121图 10 所示为不分流模式进样的流路2 进样口吹扫在样品被捕集到色谱柱头之后打开分流阀将残留在进样口中的气体此时大部分是溶剂放空现在流路和分流模式是相同的图 9升高柱温开始将样品组分引入色谱柱并分离此方法对于沸点比溶剂高的组分的分离是很有效的溶剂峰将会很大要采用程序升温将目标化合物的峰和溶剂峰分离图图 10 10不分流模式进样进样口流量控制阀隔垫螺母进样口流量控制阀隔垫螺母和隔垫和隔垫隔垫吹扫?气控制衬管分流阀隔垫吹扫?气控制衬管分流阀 关关分流出口分流出口控制控制2222气相色谱基本原理2进样方式气相色谱基本原理2进样方式不分流模式进样步骤不分流模式进样步骤成功的不分流进样包括以下几个步骤1 在加热的进样口中使样品和溶剂挥发2 采用较低的柱温在柱头产生一个溶剂饱和区带3 利用此区带使样品在柱头进行富集和重组4 在所有样品或至少是大部分样品进入色谱柱后通过打开分流放空阀放空进样口中残留的样品气体5 升高柱温先将溶剂然后将样品从柱头释放操作参数初始值设定操作参数初始值设定您必须通过实验来确定最佳操作参数值表 1 提供了一些建议的参数设置初始值注射进样技术注射进样技术每一个色谱峰的起始点是与载气混合的挥发的样品区域的一部分在样品组分于柱内被分离的过程中样品区域由于扩散而展宽任何色谱峰的宽度都不会比初始区域宽度更窄表表 1 1不分流进样模式的进样口参数初始值设置仪器参数建议初始值仪器参数建议初始值柱温低于溶剂沸点 10柱箱初始时间分流阀开启时间分流放空阀开启时间衬管体积2/柱流速进样方式2气相色谱基本原理进样方式2气相色谱基本原理2323由于分离窄峰比宽峰容易得多故必须使初始区域宽度最小化理想的注射进样技术是1 将样品充入注射器调节进样量2 将注射器的针尖以尽可能深地速度穿过进样隔垫进样口的设计者假定您会这样做3 快速压下注射器推杆4 立即把针从进样口拔出重要的就是速度任何迟疑都将导致样品区域宽度增大如果一个熟练的操作者按以上方法进样他能达到 3 到 4%的进样量重复性能够限制注射器推杆移动距离的机械装置能提高进样重复性应避免使用在两个气泡间捕集样品的注射技术这样您必须做两次估算因而使进样量的误差增倍自动进样的优点自动进样的优点自动进样器是解决进样问题的一个方法它们能够实现高度重复的进样因此它们通常允许采用更简单的峰的含量计算方法用外标法而不是内标法如果配备有自动进样器装备有样品盘并与数据系统连接就可以进行全自动分析2424气相色谱基本原理2进样方式气相色谱基本原理2进样方式进样阀进样阀气体进样阀气体进样阀气体样品进样阀包括一个定量管和将定量管接入载气流和脱离载气流的阀体图 11 所示为一种常用的进样机理 样品量通过定量管来确定定量管是可以更换的因此一个进样阀能够提供多种高度重复的进样体积液体进样阀液体进样阀这与气体进样阀的原理是一样的由于液体进样要求更小的进样体积因此定量管是构成阀体的一部分且是不可更换的如果要改变进样量您必须更换整个进样阀图图 11 11气体进样阀接色谱柱载气入口样品入口样品放空定量管上样注射进样接色谱柱载气入口样品入口样品放空定量管上样注射进样进样方式2气相色谱基本原理进样方式2气相色谱基本原理2525进样口温度进样口温度气体样品气体样品对于气体样品而言进样口不需要气化任何物质因此也就没有必要加热然而大多数色谱工作者更倾向于加热进样口以保证进样口不会使任何物质冷凝常用的进样口温度为 100液体样品液体样品液体样品要求加热进样口温度要足够高以使样品气化但又不能过高而导致样品分解温度足够高温度足够高开始将进样口温度设置为溶剂沸点值并观察色谱峰形如果所有色谱峰的峰形大致相同大小不同说明进样口温度已经足够高了如果后流出的色谱峰显得过宽就将进样口温度升高 10看峰形是否改善温度过高 温度过高 如果出现的峰数比组分数还多且峰型较差说明可能有样品分解发生在进样口发生分解所产生的峰其大小主要取决于进样口温度为了验证是否发生分解稍稍降低进样口温度后进行第二次分析然后比较峰的大小若有明显的变化就表明在进样口处有样品分解发生2626气相色谱基本原理2进样方式气相色谱基本原理2进样方式2727安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理Agilent Technologies3组分分离组分分离色谱柱如何对化合物进行分离28色谱基本原理29色谱柱类型30毛细管柱30填充柱30色谱柱管材31色谱柱特性32柱效32载气控制33柱分离度33柱选择性34用毛细管柱还是填充柱35柱温36柱箱恒温36程序控温37混合物在色谱柱内被分离为单个组分许多色谱柱都可以用来分离混合物色谱柱的选择取决于混合物的性质和所需获得的信息分析目的然而所有色谱柱都基于同样的工作原理2828气相色谱基本原理3组分分离气相色谱基本原理3组分分离色谱柱如何对化合物进行分离色谱柱如何对化合物进行分离这是一段含有两个样品组分彩色的圆点的色谱柱的横截面它既没有填料也没有涂层这样的色谱柱只是空柱图 12 如果过几秒钟后您再观察色谱柱内的情况就发生了改变 图 13由于载气流的带动样品向柱的右端移动并且由于样品区域和周围载气中样品浓度的不同而使得样品区带展宽样品组分仍然是混合在一起的现在我们在柱子的内表面涂一层高沸点物质然后重复此实验(如图 14)图图 12 12未经涂层的色谱柱图图 13 13几分钟后图图 14 14 涂层色谱柱载气流载气流载气流载气流组分分离3气相色谱基本原理组分分离3气相色谱基本原理2929我们可以用所希望的任何涂层在这个例子中我们选用能够溶解兰色圆点组分而不能溶解黄色圆点组分的固定液兰色组分在固定相和载气两相之间进行分配黄色组分则停留在气相中几秒钟以后我们再观察色谱柱我们会发现见图 15黄色组分与涂层之间没有作用它随载气一同流过色谱柱并首先从色谱柱中流出兰色组分在固定液和载气之间进行分配它以较慢的速度流过色谱柱而后流出色谱柱样品已经开始分离为两个峰色谱基本原理色谱基本原理 当气化的组分与气相和固定涂层 相共存时它就根据对两相相对吸附性能的不同而在两相间进行分配 此吸附性能可以是溶解度挥发性极性特殊的化学相互作用或其他任何存在于样品组分间的性质差异 如果一相是固定的涂层而另一相是流动的载气组分将会以比流动相慢的速度迁移迁移速度慢的程度取决于相互作用的大小 如果不同组分有不同的吸附性能它们将会随时间而被分离图图 15 15几秒钟以后3030气相色谱基本原理3组分分离气相色谱基本原理3组分分离色谱柱类型色谱柱类型毛细管柱毛细管柱毛细管柱是将固定相涂在管内壁的开口管其中没有填充物毛细管柱的内径从 0.1 到 0.5 毫米典型的柱长是 30 米见图 16毛细管柱产生很窄的色谱峰这有利于分离非常复杂的混合物例如常用的汽车燃油的分析将产生 400 到 500 个色谱峰这些用熔融石英毛细管制成的色谱柱呈很好的惰性在不锈钢和玻璃柱上拖尾现象很严重的样品如硫醇类化合物在毛细管柱上能够达到基线分离毛细管柱对样品量的要求小于填充柱特定的进样口见 19 页分流/不分流进样口允许采用常规进样量而在样品进入色谱柱之前进行分流填充柱填充柱在填充柱内固定液被涂在粒度均匀的载体颗粒上以增大表面积减少涂层厚度涂好的填料被填充在金属玻璃或塑料管内如图 17图图 16 16毛细管柱内壁涂层组分分离3气相色谱基本原理组分分离3气相色谱基本原理3131大多数金属填充柱的外径是 1/8 或 1/4 英寸玻璃柱通常是 1/4英寸外径但是内径不同使之与两种规格的不锈钢柱有相同的分离效果填充柱有较大的样品容量是老式的灵敏度较低的检测器所必需的然而采用现代高灵敏度的检测器样品容量大的优势已经消失填充柱仍然适用于气体样品但是毛细管柱对于大多液体样品会有更好的分离度色谱柱管材色谱柱管材色谱柱管材料包括 不锈钢 耐用但是相对活泼的柱表面可能导致被分离组分的损失和峰拖尾 玻璃 质脆通常要求对内表面进行脱活处理 熔融石英 仅用于毛细管柱惰性好坚固耐用是最常用的柱材料图图 17 17填充柱填料上的涂层填料上的涂层3232气相色谱基本原理3组分分离气相色谱基本原理3组分分离色谱柱特性色谱柱特性色谱柱的用途是将多组分的样品分成窄的分离良好的色谱峰这两个目标并不是完全无关的柱效柱效高柱效的色谱柱产生窄的色谱峰见图 18柱效是由色谱柱的结构小的柱内径和薄的固定相涂层有最高的柱效和载气流速决定的表 2 是所推荐的载气流速图图 18 18柱效separated低柱效低柱效 高柱效高柱效 组分分离3气相色谱基本原理组分分离3气相色谱基本原理3333注较低的流速接近于载气与色谱柱的优化值通常色谱柱运行得更快分析就更迅速而不会损失多少柱效如果分离非常好或使用更短的色谱柱色谱柱甚至还可以运行得更快大多数情况下不用低于推荐值的流速因为它们延长分析时间还会降低柱效载气控制载气控制填充柱内的流速通常是用质量流量控制器来控制的毛细管柱由于它的流速很低常常是用压力来控制流速的有些 GC 提供电子气路控制这样的仪器允许从键盘上设定流速并从显示器上读出柱分离度柱分离度高分离度的色谱柱能够作到基线分离如果色谱峰很窄柱效高分离将会更容易实现载气流速的稍微改变能对分离度产生显著的影响表表 2 2推荐的载气流速载气流速载气流速 mL/min类型直径氢气氦气氮气 mL/min类型直径氢气氦气氮气填充柱1/8 英寸303020填充柱1/4 英寸606050毛细管柱0.05 mm0.2-0.50.1-0.30.02-0.1毛细管柱0.1mm 0.3-10.2-0.50.05-0.2毛细管柱0.2 mm 0.7-1.70.5-1.20.2-0.5毛细管柱0.25 mm 1.2-2.50.7-1.70.3-0.6毛细管柱0.32 mm 2-41.2-2.50.4-1.0毛细管柱0.53 mm 5-103-71.3-2.63434气相色谱基本原理3组分分离气相色谱基本原理3组分分离结合柱效和分离度的数学定义式我们可以得到重要的结论:色谱柱分离度与柱长的平方根成正比色谱柱分离度与柱长的平方根成正比这意味着增加柱长并不是提高分离度行之有效的方法柱长加倍分离时间和色谱柱成本也加倍但是分离度仅仅增加大约 40%柱选择性柱选择性这是一个定义不很明确的与固定相有关的性质事实上它是固定相对两种化合物表现出不同作用的程度选择性低 两组分同时流出选择性高 两色谱峰分离组分分离3气相色谱基本原理组分分离3气相色谱基本原理3535用毛细管柱还是填充柱用毛细管柱还是填充柱两者各有所长下面是一些需要考虑的因素 气体分析通常用填充柱完成填充柱有足够的柱容量来适应较大体积的气体进样量气体样品分析常用填料包括 分子筛 氧气氮气氦气氢气二氧化碳一氧化碳甲烷等 氧化铝 丙烷或更大分子量的化合物 多孔性聚合物微球(Porapaks)乙烷丁烷二氧化碳等其中一些填料但不是所有填料可以用于毛细管色谱柱中 毛细管柱有比填充柱更高的分离度即使选择性低一些通常也能实现足够的分离 一根毛细管柱能够完成多种分析而用填充柱则可能需要多根才能完成 对毛细管柱和填充柱都适用的的固定液有 甲基硅烷 非极性到中等极性 苯基甲基硅烷5 到 50%的苯基 烯烃芳香化合物中等极性化合物 Carbowax聚乙二醇 酸强极性的物质 由于毛细管柱高的分离度通常可以牺牲一点分离度而减少分析时间由于分离度与柱长的平方根成正比因此一根良好的毛细管柱可以被截成两段很好的毛细管柱而仅损失很少的分离度分离时间却可以减少一半3636气相色谱基本原理3组分分离气相色谱基本原理3组分分离柱温柱温色谱柱内的固定相涂层有一个适用的温度范围 最低 温度通常是熔点低于此您所做的是气固色谱高于此您所做的是气液色谱结果可能大不相同 最高 温度通常是指沸点或降解温度 色谱柱通常安装在可控温的柱箱里因为温度对分离的影响是很大的柱温可以采用恒温或程序升温如图 19柱箱恒温柱箱恒温这是操作柱温箱最简单的方法在整个分析过程中柱温将保持不变它有以下优点 柱温箱总是处于可进行样品分析的状态 两次分析之间不需要间隔时间图图 19 19柱温温度程序控温恒温时间温度程序控温恒温时间组分分离3气相色谱基本原理组分分离3气相色谱基本原理3737缺点 若样品组分的沸点范围很宽那么恒温分离将会需要很长时间 由于色谱峰随时间而展宽后面流出的峰将会难于检测或测定程序控温程序控温在分析过程中柱温随时间而变化通常是升高柱温它的优点是 减少分析时间 整个分离过程中峰形一致检测和测定更容易缺点 样品组分将经历比恒温分离更高的温度这可能会导致某些敏感组分降解 在两次进样之间柱温箱必须冷却到初始温度这样就抵消了部分所节省的分析时间3838气相色谱基本原理3组分分离气相色谱基本原理3组分分离3939安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理Agilent Technologies4组分检测组分检测热导检测器(TCD)40工作原理40火焰离子化检测器(FID)42工作原理42电子捕获检测器(ECD)43工作原理43本章所介绍的三种检测器能够完成 GC 的大部分工作还有其他一些检测器起互补作用见表 3大多是元素专属性检测器或质量选择性检测器在这里将不对它们做详细介绍表表 3 3其他检测器名称用途名称用途氮磷检测器(NPD)含氮和含磷化合物火焰光度检测器(FPD)含硫和含磷化合物原子发射检测器(AED)适用于多种元素质量选择检测器(MSD)利用质谱图对组分进行鉴定当和气相色谱联用时成为当今最强有力的鉴定手段4040气相色谱基本原理4组分检测气相色谱基本原理4组分检测热导检测器热导检测器(TCD)(TCD)所有气体都能够导热但是氢气和氦气的热导系数最大见表 4当两者任何一种作为载气时任何其他成分的存在都将导致热导检测池中气流热导率的下降用 TCD 可以测量这种变化并用来创建色谱图由于 TCD 是基于热导率的差异而工作的故氢气或氦气显然是优选的载气工作原理工作原理当电压施加于热丝时它就发热稳定的温度取决于所施加的电压热丝的电阻和热丝向周围环境散热的速率如果热丝被载气所包围载气热导率的任何变化都会引起热丝温度的改变这样就导致热丝电阻的变化表表 4 4某些气体相对于正己烷的热导率气体相对热导系数气体相对热导系数四氯化碳0.44苯0.88正己烷1.00氩气1.04甲醇1.10氮气1.50氦气8.32氢气10.68组分检测4气相色谱基本原理组分检测4气相色谱基本原理4141早期的 TCD 设计是将四根热丝连接成惠斯通电桥柱流出物流经两根相对的热丝纯的载气参比气流过另外两根热丝当有被分离样品组分流出色谱柱进入检测器时电桥的平衡被破坏 现代的 TCD 设计如图 20 所示此检测器只用一根热丝快速切换阀使得柱流出物含样品和参比气交替通过检测池如果两气流是一样的 没有被分离的组分气体切换时热丝电阻不变然而在有样品组分进入检测池时切换到色谱柱流出气时热丝温度降低当切换到参比气时热丝温度又恢复原值电子传感器能够探测到此变化并调节热丝的电源供给以使温度保持恒定电源供给变化曲线的波动幅度取决于柱流出物有组分存在时和参比气之间热导率的差异图图 20 20热导检测器热丝参比气切换阀尾吹气色谱柱放空热丝参比气切换阀尾吹气色谱柱放空4242气相色谱基本原理4组分检测气相色谱基本原理4组分检测火焰离子化检测器火焰离子化检测器(FID)(FID)氢气和空气燃烧所生成的火焰产生不多的离子然而有含碳有机物进入火焰中燃烧时离子产率将增大工作原理工作原理从色谱柱流出的载气和氢气混合后在空气中燃烧FID 有两个电极其中之一是火焰燃烧的喷嘴另一个加上极化电压后用来收集火焰中的离子当组分进入火焰时收集极所记录到的电流增大该电流经过放大后形成色谱图FID 对在火焰中产生离子的任何物质都有响应几乎包括所有有机化合物有少数例外通用的 FID 设计如图 21 所示图图 21 21火焰离子化检测器放空空气电极放空空气电极火焰氢气火焰氢气尾吹气尾吹气组分检测4气相色谱基本原理组分检测4气相色谱基本原理4343电子捕获检测器电子捕获检测器(ECD)(ECD)电子捕获检测器广泛应用于环境分析领域这是因为它对含卤素化合物有很高的灵敏度包括大部分除草剂和农药工作原理工作原理检测池中的放射性同位素通常是63Ni,发射出射线射线和载气分子碰撞而产生低能量的自由电子在两电极间施加极化电压以捕集电子流某些分子能够捕获低能量的自由电子而形成负离子当此类化合物分子进入检测池时部分电子被捕获从而使得收集电流下降信号经过处理后形成色谱图图 22 是一种 ECD 的结构示意图图图 22 22电子捕获检测器阳极气体放空阳极气体放空63Ni 放射源尾吹气放射源尾吹气4444气相色谱基本原理4组分检测气相色谱基本原理4组分检测ECD 是高度选择性的检测器对能捕获电子的物质有高的灵敏度而对其他物质则几乎不响应一些相对响应值见表 5表表 5 5ECD 对某些化合物的灵敏度化合物相对于苯(响应值=1)的响应值化合物相对于苯(响应值=1)的响应值苯1甲苯3丙酮82,3-丁二酮800,000正丁醇17氯苯1,200溴苯7,6001-氯丁烷171-溴丁烷5,0001-碘丁烷1,500,000氯仿1,000,000四氯化碳6,600,0004545安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理Agilent Technologies5谱图解析谱图解析色谱峰测量47保留时间47色谱峰大小47组分定性49组分定量50未校准计算50峰面积与峰高百分比法50校准计算52归一化法54外标法55内标法564646气相色谱基本原理5谱图解析气相色谱基本原理5谱图解析色谱仪产生随时间而变化的信号当信号被记录下来时就形成我们熟悉的色谱图见图 23色谱图可以通过手动或电子处理方式转化为峰保留时间或峰大小的数据列表 图图 23 23典型色谱图谱图解析谱图解析5 5气相色谱基本原理气相色谱基本原理4747色谱峰测量色谱峰测量对于一个色谱峰我们可以获得两个基本的测量数据 进样后到色谱峰被检测到的时间 色谱峰的大小保留时间保留时间峰出现的时间是从开始进样到被检测到的时间包括两部分 死时间 载气流过色谱柱所用的时间可通过注射空气或其他没有相互作用的物质来测定 保留时间 由于被分离组分与色谱柱固定相相互作用所造成的滞留时间在大多数情况下通常忽略死时间而把出峰时间认为是保留时间色谱峰大小色谱峰大小色谱峰大小可以通过峰高或峰面积来测定二者都是相对于基线而言的色谱峰下的基线不能直接测量它必须从色谱峰两侧的基线处测量对于分离良好的峰这是很简单的但是当峰发生重叠或出现在溶剂峰的拖尾侧或其他非理想化的情况时测量就比较困难一些鉴于此花在改善峰分离条件上的时间是值得的峰高峰高这是最简单的测量仅仅需要一把测量尺它是从峰尖到基线的垂直距离4848气相色谱基本原理5谱图解析气相色谱基本原理5谱图解析峰面积峰面积此面积是指由色谱峰信号曲线和基线所围成的面积最好通过电子方式来测量图 24 为两个测量参数的图示 积分仪和数据系统积分仪和数据系统积分仪用来测量色谱峰的面积和峰高以及峰保留时间它们能够方便而重现地将曲线色谱图转换为表格时间和大小数据处理系统不仅有积分仪同样的优点而且具有更多的功能 软件控制的积分仪比机械的积分仪更灵活 不用重复进样可以采用不同的积分和计算参数对数据进行再处理 系统能够更加精确的完成本章所介绍的几种基本的计算 系统能够给出用户所需要的报告格式 色谱峰的校准变得非常简单 既可以进行一点也可以进行多点校准 原始数据和已处理的数据可以被保存以备后用 系统可以同时处理多台气相色谱仪的数据图图 24 24色谱峰测量峰面积峰面积 阴影部分阴影部分峰高构造基线测量基线峰高构造基线测量基线谱图解析谱图解析5 5气相色谱基本原理气相色谱基本原理4949组分定性组分定性因为许多化合物可能在同一时间或几乎同一时间流出色谱柱因此仅仅依靠气相色谱本身是不能对一个完全未知的化合物进行定性的然而当问题被加以限定时气相色谱将变成一个强有力的工具可以通过比较气相色谱图以确定样品是否相同例如油轮里的原油样品可以和海上浮油比较以确定油轮是否应对原油的泄漏负责GC 对于排除可疑性是很有用的如果您从先前的实验中知道异辛烷在 1.9 分钟出峰那么一个在 1.5 分钟出的峰一定不会是异辛烷那么它是什么呢幸运的是您不必要考虑所有的有机化合物样品信息限定了可能的化合物例如您不会期望在止痛药中找到链霉素当一个未知的峰被初步确定后还必须在别的不同性质的色谱柱上重现以得到确认如果一个化合物在基于沸点分离的柱甲基硅氧烷和极性柱聚乙二醇上有正确的保留时间此定性很可能就是正确的GC 在处理已知样品组分并且要求定量时是特别有用的GC 通常也用来监测杂质组分的存在作为额外峰最后GC 可以和质谱或其他选择性检测器联用以提供明确鉴定未知组分所需的辅助数据5050气相色谱基本原理5谱图解析气相色谱基本原理5谱图解析组分定量组分定量未校准计算未校准计算当载气通过检测器时将会产生信号如果没有样品组分存在所产生的信号是基线当有组分出现时信号将会增强当组分通过时信号和其投影的基线所围面积是峰面积从色谱峰顶到投影的基线的最大垂直距离是峰高积分仪或数据处理系统负责处理绘制基线和测量峰面积和峰高这项困难的任务其结果就是测量的响应值测量的响应值(MR)峰面积与峰高百分比法峰面积与峰高百分比法在一次进样分析过程中每一个色谱峰所占总的峰面积或峰高的百分比假设检测器对所有组分都有相同的响应计算公式见公式 1第第 n n 个峰含量个峰含量=第第n n个峰的个峰的MR/MR/一次进样的所有一次进样的所有MRMR的和的和 100 100(1)优点优点 快速因为不需要进行校准 进样量在一定范围内变化不影响结果缺点缺点 所有组分的色谱峰必须能够检测到 任何没有被检测到或有没流出色谱柱的峰都会减少 MR 的总和这会造成所有被测物质含量值偏高谱图解析谱图解析5 5气相色谱基本原理气相色谱基本原理5151如果组分的响应因子不同未校准计算的结果是不准确的这会造成早流出的峰的测得含量偏高适用范围适用范围 为建立校准表而列出响应信号和保留时间 要进行快速分析与设定的极限值比较结果重现 用于过程监测产品检验测试等 不能用于对绝对准确度要求高的分析5252气相色谱基本原理5谱图解析气相色谱基本原理5谱图解析校准计算校准计算如果峰面积和峰高百分比定量不能满足需要就要用标准样品分析所得数据进行校准计算以建立单个色谱峰的定量校准曲线最简单的校准是响应因子它是通过已知组分的含量除以相应峰的大小来计算的用图表示响应因子是组分含量对色谱峰大小曲线的斜率如图 25 所示 响应因子可通过分析一个含有所有欲校准组分的标准混合溶液来进行测定但是响应因子方法有两个假设的前提条件 含量/峰面积峰高曲线经过原点 含量/峰面积峰高曲线是直线对于一个可靠的校准两个前提条件都必须通过实验来加以证明如果曲线确实是一条直线且确实通过原点则响应因子是有效的图图 25 25响应因子色谱峰 A色谱峰 B色谱峰 C色谱峰大小组分含量色谱峰 A色谱峰 B色谱峰 C色谱峰大小组分含量谱图解析谱图解析5 5气相色谱基本原理气相色谱基本原理5353在图 25 中响应因子可用于色谱峰 A 和 B但不适用于色谱峰 C两种形式的定量校正用公式 2 和公式 3 来表示对于色谱峰对于色谱峰 A A 和和 B B峰的峰的 CRCR 值值=峰的峰的 MRMR 值值色谱峰响应因子色谱峰响应因子 (2)对于色谱峰对于色谱峰 C C峰的峰的 CRCR 值值=色谱峰色谱峰 MRMR 值的值的响应曲线量响应曲线量(3)色谱峰 C 只有用整个校准曲线进行校正手动进行这样的处理是很费时的但是用数据处理系统就很容易做到了5454气相色谱基本原理5谱图解析气相色谱基本原理5谱图解析归一化法归一化法归一化百分比法与面积和峰高百分比法类似但是要用校正的响应值(CR)代替测量的响应值如公式 4 所示第第n n个色谱峰含量个色谱峰含量=第第n n个色谱峰的个色谱峰的CRCR值值/所有峰的所有峰的CRCR之和之和 100100(4)优点优点 此计算方法可对组分灵敏度差异进行校正这对流出早的色谱峰的计算结果更加准确 进样量在一定范围内变化不影响结果缺点缺点 此方法必须经过校准 所有的峰都必须能被检测任何没有被检测到或有没流出色谱柱的峰都会减少 CR 的总和这会造成所有被测物质含量值偏高 所有的峰都必须被鉴定和校准以求达到最高的准确度未知的故未校准峰将会降低校准的绝对准确度适用范围适用范围 如果没有高沸点化合物存在就可给出非常准确的结果谱图解析谱图解析5 5气相色谱基本原理气相色谱基本原理5555外标法外标法外标法最大的优点是只对目标化合物的色谱峰进行校准即可其计算非常简便见公式 5 第第 n n 个色谱峰含量个色谱峰含量=第第 n n 个色谱峰的个色谱峰的 CRCR 值值 (5)优点优点 只需对目标化合物进行校准 只需目标化合物流出色谱柱并被检测即可 每一个校准的峰都是独立进行计算的缺点缺点 必须对目标化合物进行校准 外标法假定仪器漂移是可以忽略的必须定期用已知测试样进行测试以确证这一点 因为外标法是绝对计算而非相对计算因此恒定的进样量是至关重要的用手动进样很难保证这一点实际上气体或液体进样阀或自动液体进样器是必须的适用范围适用范围使用进样阀进行气体分析随着仪器稳定性能的提高借助于自动进样装置保证恒定的进样量外标法已经取代了许多过去要求用内标法来测定的分析工作5656气相色谱基本原理5谱图解析气相色谱基本原理5谱图解析内标法内标法内标法对每一个色谱峰提供独立的计算它同时还对进样量的波动仪器漂移和其他影响因素进行校正虽然随着现代仪器的发展外标法有很大的改进但是内标法仍被认为是最准确的色谱定量方法内标法的基本计算公式见公式 6第第n n个峰的含量个峰的含量=第第 n n 个峰的个峰的CRCR值值/内标峰的内标峰的CRCR值值 内标峰的含量内标峰的含量(6)内标峰的含量是在分析之前加在待测样品中的已知内标化合物的含量这通常被认为是最为准确的定量方法优点优点 只需对目标化合物进行校准 只需目标化合物流出色谱柱并能够检测到 每一个校准峰是独立计算的 进样量微小的变化不影响测定结果 微小的仪器漂移不影响测定结果缺点缺点 必须对目标峰进行校准 每个样品中必须加入已知量的内标化合物适用范围适用范围要求高准确度的液体样品分析谱图解析谱图解析5 5气相色谱基本原理