氣相色譜儀分析法

1、2018,氣相色譜儀分析法,氣相色譜儀,樣品在氣化室內迅速氣化，并在恒定載氣流帶動下進入色譜柱，經(jīng)色譜柱分離后的各組分先后進入檢測器，檢測器將組分的濃度信號轉變?yōu)殡娦盘?，并?jīng)過方法器放大后由記錄儀記錄測量。出峰的相對時間構成定性分析的依據(jù)，峰面積或峰高與組分濃度成正比，構成定量分析的依據(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確性都直接影響分析結果。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，提供試樣在柱內運行的動力，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，還要直接進入檢測器，所以載氣的性質、純度、流速對試樣的檢測結果都有很大的影響。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，因為他們的熱導系數(shù)遠遠大于其他化合物。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，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作高純氣雜質檢測時，載氣純度應比被測氣體高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,毛細管柱為01~10mL/min。為保持毛細管柱達到一定的柱效，需加尾吹氣，達到減小譜帶柱變寬、保持ECD達飽和基流或穩(wěn)定基頻、峰面積達到最大響應的目的。,1.1.3 氫火焰離子化檢測器（FID） 當色譜柱、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氣，還為氫解反應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氣，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量和分析結果的穩(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使用。針對不同氣體可以采用不同類型的分子篩達到不同的凈化要求。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)來準確控制和調節(jié)載氣、燃氣和阻燃氣的流量。采用EPC技術主要具有一下優(yōu)點：1、氣體流量控制準確，重復性好，因載氣流量變化引起的保留時間測量的相對標準差小于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節(jié)閥，簡化了儀器結構。3、提高了儀器的自動化程度，自動記錄運行過程的壓力、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。,采用毛細血管柱色譜分析時，在毛細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入檢測器所需的時間，減免可能產(chǎn)生的擴散，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、使用減壓器調節(jié)所需壓力時，應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)常檢查和更換進樣墊，保證進樣口的氣密性。,二、進樣系統(tǒng),GC進樣可采用微量進樣器或自動進樣器取樣。自動進樣器可自動完成進樣針清洗、潤沖、取樣、進樣、換樣等過程，進樣盤內可放置數(shù)十個試樣。 常規(guī)氣相色譜儀一般有毛細管柱和填充柱兩個進樣口。毛細管柱的進樣系統(tǒng)包括進樣口、氣化室和分流器。進樣口內插有玻

12、璃襯管，樣品進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，用以完成不同進樣方式的樣品分流。,進樣口的內的襯管為氣化室，是樣品進樣瞬間發(fā)生氣化的裝置。多為玻璃或石英材料制成。進樣時針尖的位置應位于襯管的中部，襯管中部的溫度最高而兩端的溫度較低。如圖所示：,進樣方式的選擇：1、物質的性質。（熱穩(wěn)定性）2、物質的含量。（含量的大小>50ppm,FID)3、物質的極性。（用程序升溫氣化）,常見GC進樣口和進樣

13、技術的特點,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)反復多次分配實現(xiàn)分離。,

14、填充柱和毛細管柱相比,填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內填有固定相，柱內徑一般為2~4mm，柱長1~10m. 常用的毛細管柱分為用于氣—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行氣—液分析的多孔層開管（PLOT）柱。毛細管柱由于傳質阻力小，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)檢測器的響應信號與被測組分的質量或濃度關系，可分為濃度型和質量型檢測器 濃度型檢測器的響應信號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.質量型檢測器的響應信號E與單位時間進入檢測器的某組分質量成

16、正比：E α dm/dt 質量型檢測器測得的峰高表示組分單位時間內通過檢測器的質量，峰面積表示組分的總質量。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、響應迅速、線性范圍寬等。1、響應值（靈敏度）S：在一定范圍內，響應信號E與進入檢測器的物質的質量m呈線性關系。E=Sm S=E/m色譜中檢測信號

17、通常顯示為色譜峰，則響應值也可以由色譜峰面積A除以物質質量可得：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量。一般是將檢測器響應值為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值與進入檢測器的組分量呈線性關系的范圍，常用最大允許進樣量與最小允許進樣量之比來表示。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、檢測器等都需要進行溫度設定和控制。 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。 檢測器溫度的設要保證唄分離組分到達檢測器時不被冷凝。,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變?yōu)橛嬎銠C能夠接受的數(shù)字信號，起著計算機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，除去溶劑中的機械雜質，以防輸液管道和進樣閥產(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）所選用的材質對所使用的溶劑都是惰性的。 3）、貯液器材質： 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： 在高壓輸液泵的進口及它的出口與進樣閥之間應設置過濾器。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洗出。若清洗后仍不能達到要求，則應更換濾芯。

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、、成敗的關鍵。,分離系統(tǒng)功能：

24、 組分分離目標：分辨力強、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 ——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化為光學或電學信號。選擇檢測器應考慮以下一些因素：1）分離的化合物/樣品的化學特性

25、 ——化學結構、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，可靠性強缺點：選擇性檢測器，僅適用于測定有紫外吸收的物質,——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）表面應是化學惰性，即表面沒有吸附性或吸附性很弱，更不能與被測物質器化學反應。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，有一定的機械強度，不易破碎。4）對載體粒度的要求，一般希望均勻、細小，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?shù)娜芙饽芰?，否則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有盡可能高的分離能力

29、5）化學穩(wěn)定性好，不與被測物質起化學反應。選擇：相似相溶原理1）分離非極性物質，一般選用非極性固定液2）分離極性物質，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、進樣方式和進樣量的選擇2、氣化溫度的選擇,一、色譜柱及有關條件的選擇,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 固定液在擔體上的涂漬量，一般指的是固定液與擔體的百分比，配比通常在5%~25%之間。配比低，擔體上形成的液膜薄，傳質阻力越小，柱效高，分析速度也越快

31、。但固定相的負載量低，允許進樣量較小。通常使用較低的配比。3、柱長和柱內徑的選擇 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，毛細管柱在10—30米。對于復雜混合物可采用50、60、100米。 柱內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，一般毛細管柱優(yōu)先考慮內徑為0.25mm的色譜柱，在根據(jù)樣品情況選擇其他內徑。,4、柱溫選擇1）柱溫應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，大質量分子可抑制試樣的縱向擴散，提高柱效；載氣流速高時，傳質阻力起主要作用，此時要采用質量較小的氫氣或氦氣等載氣，可減小傳質阻力，提高柱效。2）檢測器要求：對TCD使用熱導系數(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：一綜合考慮載氣的安全性、經(jīng)濟性及來源等因素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、進樣方式和進樣量的選擇1）液體試樣采用色譜微量進樣器進樣，規(guī)格有1ul、5ul、10ul等2）進樣量應控制在柱容量允許范圍及檢測器線性檢測范圍之內3）氣體試樣應采用氣體進樣閥（流通閥）進樣2、氣化溫度的選擇1）色譜儀進樣口下端有一氣化器，液體試樣進樣后，