lecture 6氣相色譜分析1

1、1應用于農(nóng)殘檢測的色譜分析方法黃寶勇2色譜分離基本原理： 使用外力使含有樣品的流動相（氣體、液體或超臨界流體）通過一固定于柱或平板上、與流動相互不相溶的固定相表面。樣品中各組份在兩相中進行不同程度的作用。與固定相作用強的組份隨流動相流出的速度慢，反之，與固定相作用弱的組份隨流動相流出的速度快。由于流出的速度的差異，使得混合組份最終形成各個單組份的“帶(band)”或“區(qū)(zone)”，對依次流出的各個單組份物質(zhì)可分別進行定性、定量分析。3氣相色譜分析一、 氣相色譜儀器 氣路系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、柱分離系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、各類檢測器二、 氣相色譜固定相 氣固色譜固定相（吸附劑）、氣液色譜固定相(載體+固定

2、液)三、 氣相色譜分離分析條件 柱長、載氣及其流速、填充顆粒、柱溫、進樣量及進樣方式四、 定性分析 保留時間、經(jīng)驗規(guī)律、保留指數(shù)、雙柱定性、儀器聯(lián)用定性五、 定量分析 校正因子、歸一化法、外標法、內(nèi)標法六、 毛細管色譜簡介 毛細管分類及特點4氣相色譜過程：待測物樣品被被蒸發(fā)為氣體并注入到色譜分離柱柱頂，以惰性氣體（指不與待測物反應的氣體，只起運載蒸汽樣品的作用，也稱載氣）將待測物樣品蒸汽帶入柱內(nèi)分離。其分離原理是基于待測物在氣相和固定相之間的吸附-脫附（氣固色譜）和分配（氣液色譜）來實現(xiàn)的。因此可將氣相色譜分為氣固色譜和氣液色譜。5氣固色譜：利用不同物質(zhì)在固體吸附劑上的物理吸附-解吸能力不同實

3、現(xiàn)物質(zhì)的分離。由于活性（或極性）分子在這些吸附劑上的半永久性滯留(吸附-脫附過程為非線性的)，導致色譜峰嚴重拖尾，因此氣固色譜應用十分有限。只適于較低分子量和低沸點氣體組分的分離分析。6氣液色譜：通常直接稱之為氣相色譜。它是利用待測物在氣體流動相和固定在惰性固體表面的液體固定相之間的分配原理實現(xiàn)分離。1941年，Martin和Synge(對液-液分配色譜也做了巨大貢獻)提出氣液分配色譜的概念。11年后，即1952年，Jones和Martin通過實驗展示了該方法；3年后，即1955年，首臺氣相色譜儀問世。1985年，估計有10萬臺儀器投入使用！7Agilent 1100系列液相色譜與Picker

4、ing 5200型柱后衍生系統(tǒng)DB-1與DB-17毛細管色譜柱Agilent 5973N 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀Next配備雙進樣塔，雙ECD，雙FPD檢測器的6890N氣相色譜儀8 現(xiàn)在，有近百廠家、提供數(shù)百種型號氣相色譜儀。 過去幾十年內(nèi)，色譜儀器得到了極大的發(fā)展，這主要歸于：1970s: 電子積分儀及計算機數(shù)據(jù)處理裝置的發(fā)展；1980s: 計算機技術對儀器各類參數(shù)的自動控制。如柱溫、流速、自動進樣等。 隨著這些技術的發(fā)展，儀器性價比大幅提高。其中，GC最重要的發(fā)展是開管柱的引入，使含有數(shù)百種混合物樣品得以分離！H2,N2或Ar氣路系統(tǒng)進樣系統(tǒng)檢測系統(tǒng)分離系統(tǒng)溫控系統(tǒng)一、 氣相色譜儀器9氣路

5、系統(tǒng)： 獲得純凈、流速穩(wěn)定的載氣。包括壓力計、流量計及氣體凈化裝置。載氣： 要求化學惰性，不與有關物質(zhì)反應。載氣的選擇除了要考慮對柱效的影響外,還要與分析對象和所用的檢測器相配。凈化器： 多為分子篩和活性碳管的串聯(lián)，可除去水、氧氣以及其它雜質(zhì)。H2,N2或Ar氣路系統(tǒng)進樣系統(tǒng)檢測系統(tǒng)分離系統(tǒng)溫控系統(tǒng)(一) 氣路系統(tǒng)(Carrier gas supply)10壓力表： 多為兩級壓力指示：第一級，鋼瓶壓力(總是高于常壓。對 填充柱：10-50 psi；對開口毛細柱：1-25 psi)；第二級，柱 頭 壓力指示。流量計： 在柱頭前使用轉(zhuǎn)子流量計(Rotometer)，但不太準確。通常在柱后，以皂膜流

6、量計(Soap-bubble meter)測流速。許多現(xiàn)代儀 器裝有電子流量計,并以微機控制其流速保持不變。H2,N2或Ar氣路系統(tǒng)進樣系統(tǒng)檢測系統(tǒng)分離系統(tǒng)溫控系統(tǒng)(一) 氣路系統(tǒng)(Carrier gas supply)11(二)進樣系統(tǒng)(Sample injection system)mL-1 常以微量注射器(穿過隔膜墊)或六通閥將液體樣品注入氣化室(汽化室溫度比樣品中最易蒸的物質(zhì)的沸點高約50oC)，通常六通閥進樣的重現(xiàn)性好于注射器。進樣要求：進樣量或體積適宜；“塞子”式進樣。一般柱分離進樣體積在十分之幾至20L，對毛細管柱分離，體積約為10-3 L，此時應采用分流進樣裝置來實現(xiàn)。體積過大

7、或進樣過慢，將導致分離變差(拖尾)。六通閥12柱分離系統(tǒng)是色譜分析的心臟部分。分離柱包括填充柱和開管柱(或毛細管柱)。柱材料：金屬、玻璃、融熔石英、Teflon等。填充柱：多為U形或螺旋形，內(nèi)徑24 mm，長13m，內(nèi)填固定相；(三)柱分離系統(tǒng)13開管柱：分為涂壁、多孔層和涂載體開管柱。內(nèi)徑0.10.5mm，長達幾十至100m。通常彎成直徑1030cm的螺旋狀。開管柱因滲透性好、傳質(zhì)快，因而分離效率高(n可達106)、分析速度快、樣品用量小。過去是填充柱占主要，但現(xiàn)在，這種情況正在迅速發(fā)生變化，除了一些特定的分析之外，填充柱將會被更高效、更快速的開管柱所取代！14柱溫：是影響分離的最重要的因素

8、。其變化應小0.xoC。選擇柱溫主要是考慮樣品待測物沸點和對分離的要求。柱溫通常要等于或略高于樣品的平均沸點(分析時間20-30min)；對寬沸程的樣品，應使用程序升溫方法。15恒溫：45oC程序升溫：30180oC恒溫：145oC溫度低，分離效果好，但分析時間長程序升溫，分離效果好，且分析時間短溫度高，但分析時間短，但分離效果差程序升溫與恒溫對分離的影響比較16溫度控制是否準確、升、降溫速度是否快速是市售色譜儀器的最重要指標之一?？販叵到y(tǒng)包括對三個部分的控溫，即，氣化室、柱箱和檢測器?？販胤绞剑汉銣睾统绦蛏郎亍囟冗x擇：在介紹儀器組成時給出，此處略。(四) 溫控系統(tǒng)17氣相色譜檢測器種類繁多

9、，在此將介紹最為常用的幾種檢測器：1. 熱導檢測器(Thermal conductivity detector, TCD)2. 氫火焰離子化檢測器(Flame ionized detector, FID)3. 電子捕獲檢測器(Electron capture detector, ECD)4. 火焰光度檢測器(Flame photometric detector, FPD)5.氮磷檢測器（NPD）也稱熱離子檢測器(Thermionic detector, TID)6. 原子發(fā)射檢測器(Atomic emission Detector, AED)7. 硫熒光檢測器（Sulfur chemilumi

10、nescence Detector, SCD）(五)檢測器18根據(jù)檢測器的響應原理，可將其分為濃度型和質(zhì)量型檢測器。 濃度型：檢測的是載氣中組分濃度的瞬間變化，即響應值與濃度成正比 質(zhì)量型：檢測的是載氣中組分進入檢測器中速度變化，即響應值與單位時間 進入檢測器的量成正比。191. 熱導檢測器(TCD) TCD是一種應用較早的檢測器，又稱導熱析氣計(Katharometer)?，F(xiàn)在仍在廣泛應用。原理：由于不同氣態(tài)物質(zhì)所具有的熱傳導系數(shù)不同，當它們到達處于恒溫下的熱敏元件（如Pt, Au, W, 半導體）時，其電阻將發(fā)生變化，將引起電阻變化通過某種方式轉(zhuǎn)化為可以記錄的電壓信號，從而實現(xiàn)其檢測功能。

11、構成：由池體和熱敏元件構成。通常將參比臂和樣品臂組成Wheatstone 電橋。如圖。單臂四臂柱前柱前柱后柱后AB20工作過程：1）在只有載氣通過時，四個臂的溫度都保持不變，電阻值也不變。此時，調(diào)節(jié)電路電阻使電橋平衡，AB兩端無電壓信號輸出；2）當有樣品隨載氣進入兩個樣品臂時，此時熱導系數(shù)發(fā)生變化，或者說，測量臂的溫度發(fā)生變化，其電阻亦發(fā)生變化，電橋失去平衡，AB兩端有電壓信號輸出。當載氣和樣品的混合氣體與純載氣的熱導系數(shù)相差越大，則輸出信號越強。21特點： 對任何氣體均可產(chǎn)生響應，因而通用性好，而且線性范圍寬、價格便宜、應用范圍廣。但靈敏度較低。 *1979 年，出現(xiàn)了一種高靈敏度、基線漂移

12、小、平衡時間短的“調(diào)制式單絲熱導檢測器：將參比氣（載氣）和樣品、載氣混合氣交替(10Hz)導入微型陶瓷熱導池(5L)中，從而產(chǎn)生10Hz的交變信號，該信號正比于熱導系數(shù)的差。因為放大器只檢測頻率為10Hz的信號，因此可克服熱噪聲的干擾。22影響TCD靈敏度的因素： 1）橋電流 i： i 增加熱敏元件溫度增加元件與池體間溫差增加氣體熱傳導增加靈敏度增加。但 i 過大，熱敏元件壽命下降。電流通常選擇在100200 mA之間(N2作載氣，100150 mA；H2作載氣，150200 mA)。 2）池體溫度：池體溫度低，與熱敏元件間溫差大，靈敏度提高。但溫度過低，可使試樣凝結于檢測器中。通常池體溫度應

13、高于柱溫。23 3）載氣種類： 載氣與試樣的熱導系數(shù)相差越大，則靈敏度越高。通常選擇熱導系數(shù)大的H2和Ar作載氣。用N2作載氣，熱導系數(shù)較大的試樣(如甲烷)可出現(xiàn)倒峰。 4）熱敏元件阻值： 阻值高、電阻溫度系數(shù)大（隨溫度改變，阻值改變大，或者說熱敏性好）的熱敏元件，其靈敏度高。 綜述：較大的橋電流、較低的池體溫度、低分子量的載氣以及具有大的電阻溫度系數(shù)的熱敏元件可獲得較高的靈敏度。242. 火焰離子化檢測器（FID） 又稱氫焰離子化檢測器。主要用于可在H2-Air火焰中燃燒的有機化合物(如烴類物質(zhì))的檢測。原理：含碳有機物在H2-Air火焰中燃燒產(chǎn)生碎片離子，在電場作用下形成離子流，根據(jù)離子流

14、產(chǎn)生的電信號強度，檢測被色譜柱分離的組分。結構：主體為離子室，內(nèi)有石英噴嘴、發(fā)射極(極化極，此圖中為火焰頂端)和收集極。工作過程：來自色譜柱的有機物與H2-Air混合并燃燒，產(chǎn)生電子和離子碎片，這些帶電粒子在火焰和收集極間的電場作用下（幾百伏）形成電流，經(jīng)放大后測量電流信號（10-12 A）。25火焰離子化機理： 有關機理并不十分清楚，但通常認為是化學電離過程：有機物燃燒產(chǎn)生自由基，自由基與O2作用產(chǎn)生正離子，再與水作用生成H3O+。以苯為例：26影響FID靈敏度的因素：1）載氣和氫氣流速：通常以N2為載氣，其流速主要考慮其柱效能。但也要考慮其流速與H2流速相匹配。一般N2:H2 = 1:11

15、:1.5；當以He為載氣時，則氫氣流速= 1/3H2+10mL。2）空氣流速：流速越大。靈敏度越大，到一定值時，空氣流速對靈敏度影響不大。一般地，H2:Air = 1:10。3）極化電壓：在50V以下時，電壓越高，靈敏度越高。但在50V以上，則靈敏度增加不明顯。通常選擇100300V的極化電壓。4）操作溫度：比柱的最高允許使用溫度低約 50oC(防止固定液流失及基線漂移)27FID特點：1）靈敏度高(10-13g/s)；2）線性范圍寬(107數(shù)量級)；3）噪聲低；4）耐用且易于使用；5）為質(zhì)量型檢測器，色譜峰高取決于單位時間內(nèi)引入檢測器中組分的質(zhì)量。 在樣品量一定時，峰高與載氣流速成正比。因此

16、在用峰高定量時，應控 制流速恒定！6）對無機物、永久性氣體和水基本無響應（不足？），因此FID特別適于 水中和大氣中痕量有機物分析或受水、N和S的氧化物污染的有機物分析。7）對含羰基、羥基、鹵代基和胺基的有機物靈敏度很低或根本無響應。8）樣品受到破壞。28FID特點： 1）靈敏度高(10-13g/s)； 2）線性范圍寬(107數(shù)量級)； 3）噪聲低； 4）耐用且易于使用； 5）為質(zhì)量型檢測器，色譜峰高取決于單位時間內(nèi)引入檢測器中組分的質(zhì)量。 在樣品量一定時，峰高與載氣流速成正比。因此在用峰高定量時，應控 制流速恒定！296）對無機物、永久性氣體和水基本無響應（不足？），因此FID特別適于水中和

17、大氣中痕量有機物分析或受水、N和S的氧化物污染的有機物分析。7）對含羰基、羥基、鹵代基和胺基的有機物靈敏度很低或根本無響應。8）樣品受到破壞。303. 電子捕獲檢測器(ECD) ECD主要對含有較大電負性原子的化合物響應。它特別適合于環(huán)境樣品中鹵代農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯等微量污染物的分析。原理及工作過程：從色譜柱流出的載氣(N2或Ar)被ECD內(nèi)腔中的放射源電離，形成次級離子和電子(此時電子減速)，在電場作用下，離子和電子發(fā)生遷移而形成電流(基流)。當含較大電負性有機物被載氣帶入ECD內(nèi)時，將捕獲已形成的低速自由電子，生成負離子并與載氣正離子復合成中性分子，此時，基流下降形成“倒峰”。63Ni或3HU

18、U過高，電子速度快，不易捕獲通常為基流電壓的2/331ECD 特點：1）響應電流i與濃度c是非線性的，即， 該式類似于比爾定律。其中，i0為基流，K 為電子吸收系數(shù)(不同物質(zhì)K值不同)。2）對如鹵素基、過氧基、醌基、硝基等含電負性的功能團的分子具有極 高的選擇性和靈敏度；但對含酰胺基和羥基的化合物以及烴類物質(zhì)不靈敏。3）與FID相比，ECD對樣的破壞不大；4）線性范圍為兩個數(shù)量級，相對FID來說，這不算大;5）要求載氣純度要高(99.99%)，否則雜質(zhì)會降低基流；（通常將載氣通 入480oC的紫銅屑除O2）。324. 火焰光度檢測器（FPD） FPD對含S、P化合物具有高選擇性和高靈敏度的檢測

19、器。因此，也稱硫磷檢測器。主要用于SO2、H2S、石油精餾物的含硫量、有機硫、有機磷的農(nóng)藥殘留物分析等。FPD結構： 噴嘴+濾光片+光電管。原理： 待測物在低溫H2-Air焰中燃燒產(chǎn)生S、P化合物的分解產(chǎn)物并發(fā)射特征分子光譜。測量光譜的強度則可進行定量分析。 濾光片放大器記錄儀光電管石英窗H2Air載氣+組分出口33含S、P化合物在氫焰中的變化過程如下：34FPD 特點： 1）對含S、P化合物有較高靈敏度和一定的選擇性； 2）對鹵素氣X2、N2、Sn、Cr、Se和Ge等也有響應； 3）相對其它檢測器如ECD和FID，F(xiàn)PD價格較貴。 4）對測S的靈敏度比硫熒光檢測器*(SCD) 低； 硫熒光檢

20、測器（SCD）：FPD檢測器中含硫化合物燃燒產(chǎn)物可與O3反應并產(chǎn)生與S含量成正比的熒 光，通過測定熒光強度來分析含S化合物。SCD的靈敏度極高。355. 氮磷檢測器（NPD） 氮磷檢測器也叫熱離子檢測器（TID） 。NPD的結構與FID類似，只是在H2-Air焰中燃燒的低溫熱氣再被一硅酸銣電熱頭加熱至600800，從而使含有N或P的化合物產(chǎn)生更多的離子。產(chǎn)生離子的機理目前仍不清楚。NPD的特點：1）對含N 、P化合物的具有選擇性：對P的響應是對N的響應的10倍，是 對C原子的104-106倍。2）靈敏度高：與FID對P、N的檢測靈敏度相比，NPD分別是FID的500倍 （對P）；50倍（對N）。366. 原子發(fā)射檢測器（AED）MicrowaveHe化合物分解-原子化-激發(fā)元素特征譜線同時監(jiān)測15種甚至