氣相色譜儀分析法

1、2018,氣相色譜儀分析法,氣相色譜儀,樣品在氣化室內(nèi)迅速氣化，并在恒定載氣流帶動下進(jìn)入色譜柱，經(jīng)色譜柱分離后的各組分先后進(jìn)入檢測器，檢測器將組分的濃度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒔?jīng)過方法器放大后由記錄儀記錄測量。出峰的相對時間構(gòu)成定性分析的依據(jù)，峰面積或峰高與組分濃度成正比，構(gòu)成定量分析的依據(jù)。,一、氣路系統(tǒng),氣相色譜儀的氣路系統(tǒng)是一個載氣連續(xù)運(yùn)行、管路密閉的系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)的氣密性、載氣流速的穩(wěn)定性以及流量測量的準(zhǔn)確性都直接影響分析結(jié)果。氣路

2、系統(tǒng)包括氣源系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、壓力流量控制系統(tǒng)。,1、氣源系統(tǒng),氣源的作用是提供足夠壓力的氣源。主要分為載氣和輔助氣。載氣是攜帶分析試樣通過色譜柱，提供試樣在柱內(nèi)運(yùn)行的動力，輔助氣是提供檢測器燃燒或吹掃用。目前我國主要使用的載氣有氫氣、氮氣、氬氣、氦氣。載氣不僅要與固定相充分接觸，還要直接進(jìn)入檢測器，所以載氣的性質(zhì)、純度、流速對試樣的檢測結(jié)果都有很大的影響。根據(jù)檢測器的不同可以選擇不同的載氣。,1.1主流檢測器的載氣條件選擇原則,1.1.

3、1 熱導(dǎo)池檢測器（TCD）載氣種類：通常選用氦氣和氫氣作載氣，因為他們的熱導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他化合物。用氦氣和氫氣作載氣的TCD,其靈敏度高，且峰形正常，響應(yīng)因子穩(wěn)定，易于定量，線性范圍寬。載氣純度：1）、載氣純度影響TCD的靈敏度。實驗表明：在橋流160~200mA范圍內(nèi)，用99.999%的超純氫氣比用99%的普氫靈敏度高6%~13%。2）、對峰形也有影響，用TCD作高純氣雜質(zhì)檢測時，載氣純度應(yīng)比被測氣體高10倍以上，否則將出倒峰

4、。載氣流速：TCD的峰面積響應(yīng)值反比于載氣流速。在柱分離許可的情況下，載氣流速要盡量低且必須保持恒定。一般在10~20mL/min.流速波動可能導(dǎo)致基線噪聲和漂移增大。,1.1.2 電子捕獲檢測器（ECD） 其靈敏度與樣品的瞬時濃度成正比，因此較小的載氣流速能獲得較大的靈敏度。載氣種類：N2、Ar、He、H2均可做ECD的 載氣。N2、Ar作載氣時的基流和靈敏度均高于He、H2，故填充時通常用N2和Ar作為載氣。載氣純度

5、：它直接影響ECD的基流或基頻。氧具有強(qiáng)烈的吸電子性，使基流下降。流速：載氣流速主要從組分分離要求確定，通常填充柱為20~50mL/min,毛細(xì)管柱為01~10mL/min。為保持毛細(xì)管柱達(dá)到一定的柱效，需加尾吹氣，達(dá)到減小譜帶柱變寬、保持ECD達(dá)飽和基流或穩(wěn)定基頻、峰面積達(dá)到最大響應(yīng)的目的。,1.1.3 氫火焰離子化檢測器（FID） 當(dāng)色譜柱、樣品組分一定時，載氣總流量在30mL/min附近靈敏度最高，流量過低過高都會造

6、成響應(yīng)減少、靈敏度降低。同時載氣與氫氣的配比以及空氣的流量，都影響檢測器的靈敏度。一般氣體流量比例可設(shè)為：載氣：空氣：氫氣=1:10:1.載氣種類：因氮氣價格比氬氣低，通常選用氮氣作為載氣，F(xiàn)ID的靈敏度高、線性范圍寬。氣體純度：在做痕量分析時，要求三種氣體的純度要達(dá)到99.999%以上，空氣中總烴小于0.1uL/L。因為鋼瓶氣源中的雜質(zhì)可能會造成FID噪聲、基線漂移、假峰、柱流失和縮短柱壽命等問題的產(chǎn)生。氫氣和空氣的流速：1）氮

7、氫比：氫氣是保持氫火焰正常燃燒的燃?xì)?，還為氫解反應(yīng)和非甲烷烴類還原成甲烷提供氫原子。2)空氣流速 ：空氣是氫火焰的阻燃?xì)?，同時也起著把二氧化碳和水等燃燒產(chǎn)物帶走的吹掃作用，通?？諝饬魉贋闅錃饬魉俚?0倍。,2、凈化系統(tǒng),2.1 凈化器的作用。 保證氣相色譜的分析質(zhì)量和分析結(jié)果的穩(wěn)定性，延長柱壽命和減少檢測器的噪聲。主要去除氣體中的水分、烴、氧。這些成份會產(chǎn)生噪聲、額外峰和基線“毛刺”，破壞毛細(xì)管柱，使固定相降解，縮短色譜柱的

8、壽命2.2吸附劑的活化 一般是使用吸附劑進(jìn)行吸附凈化，常用的吸附劑有硅膠、分子篩、活性炭及催化劑脫氧劑，使用前必須活化，因為減少殘留的水，增加脫水效率，且失活后可再生重復(fù)使用。針對不同氣體可以采用不同類型的分子篩達(dá)到不同的凈化要求。如下圖：,3、壓力流量控制系統(tǒng),在恒溫色譜中，色譜柱的滲透性并不改變，因此用一個穩(wěn)壓閥，使柱子進(jìn)口壓力恒定，流速穩(wěn)定，這樣在一定溫度下，恒定流速將在特定的時間內(nèi)把組分沖洗出來，這個時間為保留時間。測

9、定流速最簡便的方法是用皂膜流量計。它的實際校正公式為：,目前一些新型的氣相色譜儀多采用電子壓力控制（EPC）系統(tǒng)來準(zhǔn)確控制和調(diào)節(jié)載氣、燃?xì)夂妥枞細(xì)獾牧髁?。采用EPC技術(shù)主要具有一下優(yōu)點：1、氣體流量控制準(zhǔn)確，重復(fù)性好，因載氣流量變化引起的保留時間測量的相對標(biāo)準(zhǔn)差小于0.02%。2、由儀器的液晶屏顯示氣體的壓力和流量，可省略壓力表和部分流量調(diào)節(jié)閥，簡化了儀器結(jié)構(gòu)。3、提高了儀器的自動化程度，自動記錄運(yùn)行過程的壓力、流量變化。也可自動

10、檢查色相色譜系統(tǒng)是否漏氣，保證操作過程的安全。4、便于實現(xiàn)載氣的多模式操作，如恒流操作、恒壓操作和程序升壓操作。,采用毛細(xì)血管柱色譜分析時，在毛細(xì)血管的末端需增加尾吹氣以增加色譜柱末端氣體流速，縮短流出色譜柱的樣品組分進(jìn)入檢測器所需的時間，減免可能產(chǎn)生的擴(kuò)散，提高柱效分離和分離效果。下圖為電性的雙柱氣相色譜儀氣路系統(tǒng)圖：,氣路系統(tǒng)的使用注意,1、空壓機(jī)儲罐要經(jīng)常放水，以減少凈化器填料的更換次數(shù)。2、氫氣減壓閥和鋼瓶連接時必須加密封圈

11、。3、使用減壓器調(diào)節(jié)所需壓力時，應(yīng)使壓力從小到大到所需壓力，并注意小閥的狀態(tài)。4、防至硅膠氣路管掉到箱排熱口而爆裂。5、要經(jīng)常檢查和更換進(jìn)樣墊，保證進(jìn)樣口的氣密性。,二、進(jìn)樣系統(tǒng),GC進(jìn)樣可采用微量進(jìn)樣器或自動進(jìn)樣器取樣。自動進(jìn)樣器可自動完成進(jìn)樣針清洗、潤沖、取樣、進(jìn)樣、換樣等過程，進(jìn)樣盤內(nèi)可放置數(shù)十個試樣。 常規(guī)氣相色譜儀一般有毛細(xì)管柱和填充柱兩個進(jìn)樣口。毛細(xì)管柱的進(jìn)樣系統(tǒng)包括進(jìn)樣口、氣化室和分流器。進(jìn)樣口內(nèi)插有玻

12、璃襯管，樣品進(jìn)樣后的氣化在此處完成。分流器包括分流比閥、針形閥和電磁閥等控制部件，用以完成不同進(jìn)樣方式的樣品分流。,進(jìn)樣口的內(nèi)的襯管為氣化室，是樣品進(jìn)樣瞬間發(fā)生氣化的裝置。多為玻璃或石英材料制成。進(jìn)樣時針尖的位置應(yīng)位于襯管的中部，襯管中部的溫度最高而兩端的溫度較低。如圖所示：,進(jìn)樣方式的選擇：1、物質(zhì)的性質(zhì)。（熱穩(wěn)定性）2、物質(zhì)的含量。（含量的大小>50ppm,FID)3、物質(zhì)的極性。（用程序升溫氣化）,常見GC進(jìn)樣口和進(jìn)樣

13、技術(shù)的特點,三、分離系統(tǒng),分離系統(tǒng)由色譜柱組成。色譜柱是色譜儀的核心，在此處完成樣品組分的分離。根據(jù)固定相狀態(tài)的不同，氣相色譜分為氣—固色譜和氣液色譜。 氣—固色譜的固定相為多孔性的固態(tài)吸附劑，其分離主要基于吸附劑對樣品中各組分吸附力的不同，經(jīng)反復(fù)吸附與解吸過程實現(xiàn)分離。 氣—液色譜的固定相由載體和固定液所組成，其分離主要基于固定液對樣品中各組分的溶解能力的不同、分配系數(shù)不同，組分在氣—液兩相間經(jīng)反復(fù)多次分配實現(xiàn)分離。,

14、填充柱和毛細(xì)管柱相比,填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內(nèi)填有固定相，柱內(nèi)徑一般為2~4mm，柱長1~10m. 常用的毛細(xì)管柱分為用于氣—液分析的凃壁開管（WCOT）柱和用于氣—固分析或在多孔材料表面再涂一層固定液進(jìn)行氣—液分析的多孔層開管（PLOT）柱。毛細(xì)管柱由于傳質(zhì)阻力小，與填充柱相比，具有分離效率高、分析速度快、樣品用量小等優(yōu)點，由于柱容量低，必須要求檢測器的靈敏度要高。,四、檢測系統(tǒng),如果說色譜柱是色譜儀的心臟，那么檢

15、測器就是色譜儀的眼睛。 根據(jù)檢測器的響應(yīng)信號與被測組分的質(zhì)量或濃度關(guān)系，可分為濃度型和質(zhì)量型檢測器 濃度型檢測器的響應(yīng)信號E與載氣中某組分濃度C成正比 E α C 濃度型檢測器測得的峰高表示組分通過檢測器時的濃度值，峰寬表示組分通過檢測器的時間。峰面積隨著流速增加而減少，峰高基本不變，適合檢測儀器有TCD和ECD.質(zhì)量型檢測器的響應(yīng)信號E與單位時間進(jìn)入檢測器的某組分質(zhì)量成

16、正比：E α dm/dt 質(zhì)量型檢測器測得的峰高表示組分單位時間內(nèi)通過檢測器的質(zhì)量，峰面積表示組分的總質(zhì)量。峰高隨著流速增加而增大，峰面積基本不變。適合檢測器的有FID、FPD、MSD.,性能評價,對檢測器的性能評價通常要求靈敏度高、檢測限低、體積小、響應(yīng)迅速、線性范圍寬等。1、響應(yīng)值（靈敏度）S：在一定范圍內(nèi)，響應(yīng)信號E與進(jìn)入檢測器的物質(zhì)的質(zhì)量m呈線性關(guān)系。E=Sm S=E/m色譜中檢測信號

17、通常顯示為色譜峰，則響應(yīng)值也可以由色譜峰面積A除以物質(zhì)質(zhì)量可得：S=A/m2、最低檢限值（最低檢測量）：噪聲水平?jīng)Q定能被檢測到的濃度或質(zhì)量。一般是將檢測器響應(yīng)值為3倍噪聲水平時的試樣濃度定義為最低檢測限。,3、線性與線性范圍：檢測器的線性是指檢測器響應(yīng)值的對數(shù)值與組分量對數(shù)值之間成比例的狀況。檢測器的線性范圍是指檢測器響應(yīng)值與進(jìn)入檢測器的組分量呈線性關(guān)系的范圍，常用最大允許進(jìn)樣量與最小允許進(jìn)樣量之比來表示。檢測器的線性范圍寬可以保證

18、對微量組分、高含量組分同時進(jìn)行定量測定。下表為常用檢測器的性能。,五、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),1、溫度控制 氣相色譜儀的氣化室、色譜柱箱、檢測器等都需要進(jìn)行溫度設(shè)定和控制。 氣化室溫度一般在250~300度。在保證樣品組分能瞬間氣化的前提下，應(yīng)盡量降低氣化室溫度，以延長隔墊等的使用壽命。 色譜柱的溫度設(shè)定要低于色譜柱的最高使用溫度，在保證組分分離的前提下，應(yīng)盡可能降低色譜柱的使用溫度，以減少高溫可能帶來的

19、固定相的流失和柱效下降。 檢測器溫度的設(shè)要保證唄分離組分到達(dá)檢測器時不被冷凝。,2、氣體壓力控制 氣體具有穩(wěn)定的流速是GC分析定性定量分析的前提和保證。GC中氣體流速的控制是通過氣體壓力的控制來完成的。電子壓力控制（EPC）是目前有效控制氣相色譜儀中氣體壓力的重要部件。3、數(shù)據(jù)采集和處理硬件：是指信號采集器，可將色譜儀檢測器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)能夠接受的數(shù)字信號，起著計算機(jī)與色譜儀之間的橋梁作用。軟件：是

20、指接受由硬件傳來的色譜信號采樣數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)譜圖顯示、色譜峰檢測和基線矯正、定量計算、打印報告等功能的計算機(jī)程序。,液相色譜儀,1、輸液系統(tǒng) 主要由貯液器、高壓輸液泵、過濾器、脫氣裝置和梯度洗脫裝置等組成。1） 貯液器用來提供足夠數(shù)量的符合要求的流動相，以完成分析工作。所有溶劑在放入貯液罐前必須經(jīng)過0.45um濾膜過濾，除去溶劑中的機(jī)械雜質(zhì)，以防輸液管道和進(jìn)樣閥產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。2）、對貯液器的要求：（1）必須有足夠的容積，以備重復(fù)分

21、析時保證供液。（2）脫氣方便。（3）能耐一定的壓力。（4）所選用的材質(zhì)對所使用的溶劑都是惰性的。 3）、貯液器材質(zhì)： 一般采用不銹鋼、玻璃、聚四氟乙稀、特種塑料聚醚醚酮（PEEK）襯里為材料。 4）、貯液器容積： 一般為0.5～2L為宜。,高壓輸液泵： 1、類型： 有恒流泵和恒壓泵。 2、優(yōu)勢：（1）高效：填料顆粒小，分離效率高，柱壓降大，泵工作壓力大。（2）分析時間短：流

22、速更快，柱壓降大。（3）減少洗脫液用量。（4）多元洗脫。,過濾器： 在高壓輸液泵的進(jìn)口及它的出口與進(jìn)樣閥之間應(yīng)設(shè)置過濾器。常見的過濾器有溶劑過濾器和管道過濾器。 過濾器的濾芯采用不銹鋼燒材料，孔徑為2～3um，耐有機(jī)溶劑的侵蝕。若發(fā)現(xiàn)過濾器堵塞（發(fā)生流量減小現(xiàn)象），可將其浸入稀HNO3溶液中，在超聲波清洗器中用超聲波振蕩10～15min，即可將堵塞的固體雜質(zhì)洗出。若清洗后仍不能達(dá)到要求，則應(yīng)更換濾芯。

23、,脫氣裝置： 所有溶劑在使用前必須脫氣。因為色譜柱是帶壓力操作的，而檢測器是在常壓下工作。若流動相中所含的空氣不除去，則流動相通過色譜柱時其中的氣泡受到壓力而壓縮，流出色譜柱后到檢測器時因常壓而將氣泡釋放出來，造成檢測器噪聲增大，使基線不穩(wěn)，儀器不能正常工作。 梯度洗脫裝置： 分低壓梯度和高壓梯度。,色譜柱,液相色譜柱是高效液相色譜儀的核心部分，是分析好壞、、成敗的關(guān)鍵。,分離系統(tǒng)功能：

24、 組分分離目標(biāo)：分辨力強(qiáng)、效率高,檢測器,理想的HPLC檢測器1）高靈敏度，可忽略的基線噪聲。2）寬的線性范圍3）獨立于流動相及操作參數(shù)的響應(yīng) ——對壓力、溫度及流速等變化不敏感4）長時間操作的穩(wěn)定性5）低死體積6）非破壞性7）選擇性,檢測器的功能是將分析組在柱流出液中濃度的變化轉(zhuǎn)化為光學(xué)或電學(xué)信號。選擇檢測器應(yīng)考慮以下一些因素：1）分離的化合物/樣品的化學(xué)特性

25、 ——化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量、紫外光譜等2）流動相的影響——溶劑、緩沖鹽改性劑3）梯度還是等度4）靈敏度需求5）是否有雙檢測的需求,紫外可見吸收檢測器,原理：基于被分析組分對特定波長紫外線的選擇性吸收優(yōu)點：1）對溫度和流速不敏感2）可用于梯度洗脫3）靈敏度較高，ng級檢測4）費用相對低廉5）易于操作，可靠性強(qiáng)缺點：選擇性檢測器，僅適用于測定有紫外吸收的物質(zhì),——是HPLC分析中最常見的檢

26、測器,氣相色譜和液相色譜的異同點,相同點：基本原理相同——都是利用物質(zhì)在流動相和固定相中的分配系數(shù)的差別，從而在兩相間反復(fù)多次的分配，是原來分配系數(shù)差別很小的各組分分離開來。,二、氣相色譜固定相及其選擇,1、氣—固色譜固定相 氣—固色譜固定相為多孔性的固體吸附劑顆粒，其分離基于吸附劑對試樣中各組分吸附能力的不同。常有的吸附劑有：活性炭、活性氧化鋁、硅膠、分子篩、高分子多空微球。 主要特點：1）分離性能受吸附劑制備

27、條件和活化條件的影響最大2）不同廠家生產(chǎn)或不同活化條件得到的同一種固定相的分離效果差異較大3）此類固定相的種類有限，適于分離的對象有限。,氣—固色譜法常用的幾種吸附劑及其性能,氣—液色譜固定相,載體是一種化學(xué)惰性、多孔性的固體顆粒，他的作用是提供一個惰性表面，用以承擔(dān)固定液，使固定液以薄膜狀態(tài)分布在其表面上。對載體有以下幾個要求：1）表面應(yīng)是化學(xué)惰性，即表面沒有吸附性或吸附性很弱，更不能與被測物質(zhì)器化學(xué)反應(yīng)。2）多孔性，即表面積

28、較大，使固定液與試樣的接觸面較大。3）熱穩(wěn)定性好，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不易破碎。4）對載體粒度的要求，一般希望均勻、細(xì)小，一般選用60~100目等常用載體有硅藻土型和非硅藻土型兩類,氣—液色譜固定液,要求：1）揮發(fā)性小，在操作溫度下有較低蒸汽壓，以秒流失2）熱穩(wěn)定性好，在操作溫度下呈液態(tài)不分解3）對試樣各組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰Γ駝t組分易被載氣帶走而起不到分配作用4）具有高的選擇性，對沸點相同或接近的不同物質(zhì)有盡可能高的分離能力

29、5）化學(xué)穩(wěn)定性好，不與被測物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)。選擇：相似相溶原理1）分離非極性物質(zhì)，一般選用非極性固定液2）分離極性物質(zhì)，選用極性固定液3）分離非極性和極性混合物，一般選用極性固定液4）對于能形成氫鍵的試樣，一般選擇極性的或是氫鍵型的固定液,氣相色譜分離與操作條件選擇,一、色譜柱及有關(guān)條件的選擇1、固定相的選擇2、固定液配比的選擇3、柱長和柱內(nèi)徑的選擇4、柱溫的確定二、載氣種類和流速的選擇三、其他操作條件的選擇1、

30、進(jìn)樣方式和進(jìn)樣量的選擇2、氣化溫度的選擇,一、色譜柱及有關(guān)條件的選擇,如圖為色譜柱固定相極性的一般順序圖。對于非極性組分，選擇如甲基取代的聚硅氧烷非極性固定相，對于中等級的組分，選擇含苯基20%~50%的聚硅氧烷，對于極性組分，選擇聚乙二醇固定相。,2、固定液配比的選擇 固定液在擔(dān)體上的涂漬量，一般指的是固定液與擔(dān)體的百分比，配比通常在5%~25%之間。配比低，擔(dān)體上形成的液膜薄，傳質(zhì)阻力越小，柱效高，分析速度也越快

31、。但固定相的負(fù)載量低，允許進(jìn)樣量較小。通常使用較低的配比。3、柱長和柱內(nèi)徑的選擇 增加柱長有利于提高分離度，但柱長會增加會增加組分的保留時間，同時增大柱阻力，影響柱效率。在滿足分離目的的前提下，盡可能選擇較短的色譜柱，有利于縮短分析時間，提高分析效率。一般填充柱的柱長在2~4米，毛細(xì)管柱在10—30米。對于復(fù)雜混合物可采用50、60、100米。 柱內(nèi)徑增加會增加峰容量，降低柱阻力，也會降低分離度。一般填充柱選擇

32、3~4米，一般毛細(xì)管柱優(yōu)先考慮內(nèi)徑為0.25mm的色譜柱，在根據(jù)樣品情況選擇其他內(nèi)徑。,4、柱溫選擇1）柱溫應(yīng)控制在固定液的最高使用溫度（超過該溫度固定液易流失）和最低使用溫度（低于此固定液以固體形式存在）。提高柱溫可增加組份傳質(zhì)速度，有利于降低塔板高度，改善柱效，但增加柱溫會加劇縱向擴(kuò)散，降低柱效，低沸點組份峰易產(chǎn)生重疊，分離度下降。降低柱溫在一定程度上可改善分離度，提高選擇性，但會增加分析時間。2）柱溫一般選擇在接近或略低于組分

33、平均沸點時的溫度。3）組成復(fù)雜，沸程寬的試樣，宜采用程序升溫。既可保證低沸點組分的分離度，又可縮短分析時間。,二、載氣種類和流速的選擇,1、載氣種類的選擇：考慮一下三個方面因素1）載氣對柱效的影響：載氣流速低時，大質(zhì)量分子可抑制試樣的縱向擴(kuò)散，提高柱效；載氣流速高時，傳質(zhì)阻力起主要作用，此時要采用質(zhì)量較小的氫氣或氦氣等載氣，可減小傳質(zhì)阻力，提高柱效。2）檢測器要求：對TCD使用熱導(dǎo)系數(shù)較大的氫氣有利于提高檢測靈敏度。對FID首先氮

34、氣。3）載氣性質(zhì)：一綜合考慮載氣的安全性、經(jīng)濟(jì)性及來源等因素2、載氣流速的選擇理論上采用最佳流速。實際流速通常稍大于最佳流速以縮短分析時間。,三、其他操作條件的選擇,1、進(jìn)樣方式和進(jìn)樣量的選擇1）液體試樣采用色譜微量進(jìn)樣器進(jìn)樣，規(guī)格有1ul、5ul、10ul等2）進(jìn)樣量應(yīng)控制在柱容量允許范圍及檢測器線性檢測范圍之內(nèi)3）氣體試樣應(yīng)采用氣體進(jìn)樣閥（流通閥）進(jìn)樣2、氣化溫度的選擇1）色譜儀進(jìn)樣口下端有一氣化器，液體試樣進(jìn)樣后，