氣相色譜法的基本知識和取樣方法

1、氣相色譜法的基本知識和取樣方法一、 基本概念1、色譜法的定義及發(fā)展 色譜法是一種分離方法，它利用物質(zhì)在兩相中分配系數(shù)的微小差異進(jìn)行分離。 當(dāng)兩相做相對移動時，使被測物質(zhì)在兩相之間進(jìn)行多次分配，這樣原來的微小差異產(chǎn)生了很大的效果，使各組分分離。 色譜法是混合物最有效的分離、分析方法。 俄國植物學(xué)家茨維特在1906年使用的裝置：色譜原型裝置，如圖。 試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進(jìn)行著的分配過程。 其中的一相固定不動，稱為固定相； 另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體（氣體或液體），稱為流動相。樣品組份分離色譜法發(fā)展的歷史：1906年俄國植物學(xué)家Tswe

2、tt命名自己發(fā)明的分離植物色素的新方法為色譜法。因?yàn)樗⒉皇且粋€著名的學(xué)者，因此他發(fā)表出來的文章并沒有得到重視。1931年，德國的Kuhn和Lederer重復(fù)了Tswett的實(shí)驗(yàn)，得到很好的結(jié)果，色譜法因此得到很大的推廣。1940年，Martin和Synge提出了液液分配色譜法，又把塔板的 概念引入色譜法中，初步建立了塔板理論。1941年，他們提出了用氣體代替流體做流動相的可能性，在他們發(fā)展了完整的氣液色譜法之后，他們得了1952年的諾貝爾化學(xué)獎。二.色譜法分類 (1)氣相色譜：流動相為氣體（稱為載氣）。 按分離柱不同可分為：填充柱色譜和毛細(xì)管柱色譜； 按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜

3、液相色譜(2)液相色譜：流動相為液體（也稱為淋洗液）。 按固定相的不同分為：液固色譜和液液色譜。 離子色譜：液相色譜的一種，以特制的離子交換樹脂為固定相，不同pH值的水溶液為流動相。三、色譜流出曲線與術(shù)語1.基線 無試樣通過檢測器時，檢測到的信號即為基線。2.保留值 （1）時間表示的保留值 保留時間（tR）：組分從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時所需的時間； 死時間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時間； 調(diào)整保留時間（tR ）：tR= tRtM （2）用體積表示的保留值 保留體積（VR）：VR = tRF0F0為柱出口處的載氣流量，單位：m L / min。 死體積（VM）： VM =

4、 tM F0 調(diào)整保留體積(VR)： V R = VR VM 3. 相對保留值r21 組分2與組分1調(diào)整保留值之比： r21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1 相對保留值只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。4. 區(qū)域?qū)挾?用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標(biāo)準(zhǔn)偏差()：即倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2)：色譜峰高一半處的寬度 Y1/2 =2.354 （3）峰底寬(Wb)：Wb=4 四、 色譜定量分析方法1. 峰面積的測量 （1）峰高（h）乘半峰寬（Y 1/2）法：近似將色譜峰當(dāng)作等腰三角形。此法算出的

5、面積是實(shí)際峰面積的倍： A = 1.064 hY1/2 （2）峰高乘平均峰寬法：當(dāng)峰形不對稱時，可在峰高和處分別測定峰寬，由下式計(jì)算峰面積： A = h（Y + Y ）/ 2 （3）峰高乘保留時間法：在一定操作條件下，同系物的半峰寬與保留時間成正比，對于難于測量半峰寬的窄峰、重疊峰（未完全重疊），可用此法測定峰面積： A = hbtR （4）自動積分和微機(jī)處理法2. 定量校正因子 試樣中各組分質(zhì)量與其色譜峰面積成正比，即： m i = fi Ai 絕對校正因子：比例系數(shù)f i ，單位面積對應(yīng)的物質(zhì)量： f i =m i / Ai 相對校正因子f i ：即組分的絕對校正因子與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的絕對校正因

6、子之比。 當(dāng)mi、mS以摩爾為單位時，所得相對校正因子稱為相對摩爾校正因子（f M）,用表示；當(dāng)mi、mS用質(zhì)量單位時, 以（f W）,表示。3.常用的幾種定量方法 （1）歸一化法： 特點(diǎn)及要求： 歸一化法簡便、準(zhǔn)確；進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性和操作條件的變動對測定結(jié)果影響不大；僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況。 （2）外標(biāo)法外標(biāo)法也稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線法。特點(diǎn)及要求： 外標(biāo)法不使用校正因子，準(zhǔn)確性較高， 操作條件變化對結(jié)果準(zhǔn)確性影響較大。 對進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性控制要求較高，適用于大批量試樣的快速分析。（3）內(nèi)標(biāo)法 內(nèi)標(biāo)物要滿足以下要求：（a）試樣中不含有該物質(zhì)；（b）與被測組分性質(zhì)比較接近；（c）不與試樣發(fā)生化學(xué)

7、反應(yīng)；（d）出峰位置應(yīng)位于被測組分附近，且無組分峰影響。試樣配制：準(zhǔn)確稱取一定量的試樣W，加入一定量內(nèi)標(biāo)物mS計(jì)算式：五、氣相色譜儀器 gas chromatographic instruments氣相色譜儀器氣相色譜儀器1、氣相色譜結(jié)構(gòu)流程 process of gas chromatograph1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；9-熱導(dǎo)檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；載氣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)2、氣相色譜儀主要部件 main assembly of gas chromatogr

8、aph(1). 載氣系統(tǒng) 包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制；常用的載氣有：氫氣、氮?dú)?、氦氣；凈化干燥管：去除載氣中的水、有機(jī)物等雜質(zhì)（依次通過分子篩、活性炭等）；載氣流速控制：壓力表、流量計(jì)、針形穩(wěn)壓閥，控制載氣流速恒定。(2). 進(jìn)樣裝置 氣體進(jìn)樣器（六通閥）：推拉式和旋轉(zhuǎn)式兩種。 試樣首先充滿定量管，切入后，載氣攜帶定量管中的試樣氣體進(jìn)入分離柱； 液體進(jìn)樣器： 不同規(guī)格的專用注射器，填充柱色譜常用10L；毛細(xì)管色譜常用1L；新型儀器帶有全自動液體進(jìn)樣器，清洗、潤沖、取樣、進(jìn)樣、換樣等過程自動完成，一次可放置數(shù)十個試樣。 氣化室：將液體試樣瞬間氣化的裝置。無催化作用。(3). 色譜柱（分離

9、柱） 色譜柱：色譜儀的核心部件。 柱材質(zhì)：不銹鋼管或玻璃管，內(nèi)徑3-6毫米。長度可根據(jù)需要確定。 柱填料：粒度為60-80或80-100目的色譜固定相。 液-固色譜：固體吸附劑 液-液色譜：擔(dān)體+固定液 柱制備對柱效有較大影響，填料裝填太緊，柱前壓力大，流速慢或?qū)?柱堵死，反之空隙體積大，柱效低。轉(zhuǎn)化爐 由于FID對CO和CO2無響應(yīng)，所以需要通過轉(zhuǎn)化爐將CO和CO2轉(zhuǎn)化為CH4，再由FID檢測。使用注意事項(xiàng) 由于轉(zhuǎn)化爐使用時溫度較高，所以密封墊禁止使用橡膠墊，應(yīng)使用耐高溫的石墨墊或紫銅墊等； 老化方法：老化時進(jìn)口要通80mL/min以上的氫氣，出口放空，在400條件下活化24小時。(4).

10、檢測系統(tǒng) 色譜儀的眼睛，通常由檢測元件、放大器、顯示記錄三部分組成； 被色譜柱分離后的組分依次進(jìn)入檢測器，按其濃度或質(zhì)量隨時間的變化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖； 檢測器：廣普型對所有物質(zhì)均有響應(yīng)； 專屬型對特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)； 常用的檢測器：熱導(dǎo)檢測器、氫火焰離子化檢測器；(5). 溫度控制系統(tǒng) 溫度是色譜分離條件的重要選擇參數(shù)； 氣化室、分離室、檢測器三部分在色譜儀操作時均需控制溫度； 氣化室：保證液體試樣瞬間氣化； 檢測器：保證被分離后的組分通過時不在此冷凝； 分離室：準(zhǔn)確控制分離需要的溫度。當(dāng)試樣復(fù)雜時，分離室溫度需要按一定程序控制溫度變化，各組分在最佳溫度下分

11、離；六、氣固色譜固定相 stationary phases in Gas-solid chromatograph1. 種類 (1)活性炭 有較大的比表面積，吸附性較強(qiáng)。 (2)活性氧化鋁 有較大的極性。適用于常溫下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等氣體的相互分離。CO2能被活性氧化鋁強(qiáng)烈吸附而不能用這種固定相進(jìn)行分析。 (3)硅膠 與活性氧化鋁大致相同的分離性能，除能分析上述物質(zhì)外，還能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能夠分離臭氧。 (4)分子篩 堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子篩等（孔徑：埃）。常用5A和13X（常溫下分離O2與

12、N2）。除了廣泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分離外，還能夠測定He、Ne、Ar、NO、N2O等。 (5)高分子多孔微球（GDX系列） 新型的有機(jī)合成固定相（苯乙烯與二乙烯苯共聚）。 型號：GDX-01、-02、-03等。適用于水、氣體及低級醇的分析。2. 氣固色譜固定相的特點(diǎn)（1）性能與制備和活化條件有很大關(guān)系；（2）同一種固定相，不同廠家或不同活化條件，分離效果差異較大；（3）種類有限，能分離的對象不多；（4）使用方便。七、檢測器特性 specific property of detector1.檢測器類型濃度型檢測器： 測量的是載氣中通過檢測器組分濃度瞬間的變化，檢測 信號值與組

13、分的濃度成正比。熱導(dǎo)檢測器；質(zhì)量型檢測器： 測量的是載氣中某組分進(jìn)入檢測器的速度變化，即檢測信號值與單位時間內(nèi)進(jìn)入檢測器組分的質(zhì)量成正比。FID；廣普型檢測器： 對所有物質(zhì)有響應(yīng)，熱導(dǎo)檢測器；專屬型檢測器： 對特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)，電子俘獲檢測器；2.檢測器性能評價指標(biāo) 響應(yīng)值（或靈敏度）S ： 在一定范圍內(nèi)，信號E與進(jìn)入檢測器的物質(zhì)質(zhì)量m呈線性關(guān)系： E = S m S = E / m 單位： mV/（mg / cm3） ；（濃度型檢測器） mV/（mg / s） ；（質(zhì)量型檢測器） S 表示單位質(zhì)量的物質(zhì)通過檢測器時，產(chǎn)生的響應(yīng)信號的大小。S值越大，檢測器（也即色譜儀）的靈敏度也就越高。檢

14、測信號通常顯示為色譜峰，則響應(yīng)值也可以由色譜峰面積（A）除以試樣質(zhì)量求得： S = A / m2.最低檢測限（最小檢測量） 噪聲水平?jīng)Q定著能被檢測到的濃度（或質(zhì)量）。 從圖中可以看出：如果要把信號從本底噪聲中識別出來，則組分的響應(yīng)值就一定要高于N。 檢測器響應(yīng)值為2倍噪聲水平時載氣中的試樣濃度（或質(zhì)量），被定義為檢測限（或檢測度、敏感度）。而對應(yīng)的進(jìn)樣量稱為該物質(zhì)的最小檢測量。4.線性度與線性范圍 檢測器的線性度定義：檢測器響應(yīng)值的對數(shù)值與試樣量對數(shù)值之間呈比例的狀況。 檢測器的線性范圍定義：檢測器在線性工作時，被測物質(zhì)的最大濃度（或質(zhì)量）與最低濃度（或質(zhì)量）之比。3、熱導(dǎo)檢測器 therma

15、l conductivity detector,TCD(1). 熱導(dǎo)檢測器的結(jié)構(gòu) 池體（一般用不銹鋼制成） 熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、且價廉易加工的鎢絲制成。參考臂：僅允許純載氣通過，通常連接在進(jìn)樣裝置之前。 測量臂：需要攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。(2).檢測原理 平衡電橋，不同的氣體有不同的熱導(dǎo)系數(shù)。(3). 影響熱導(dǎo)檢測器靈敏度的因素 橋路電流I ： I，鎢絲的溫度 ，鎢絲與池體之間的溫差，有利于熱傳導(dǎo)，檢測器靈敏度提高。檢測器的響應(yīng)值S I3，但穩(wěn)定性下降，基線不穩(wěn)。橋路電流太高時，還可能造成鎢絲燒壞。 池體溫度：池體溫度與鎢絲溫度相差越大，越有利于

16、熱傳導(dǎo)，檢測器的靈敏度也就越高，但池體溫度不能低于分離柱溫度，以防止試樣組分在檢測器中冷凝。 載氣種類：載氣與試樣的熱導(dǎo)系數(shù)相差越大，在檢測器兩臂中產(chǎn)生的溫差和電阻差也就越大，檢測靈敏度越高。載氣的熱導(dǎo)系數(shù)大，傳熱好，通過的橋路電流也可適當(dāng)加大，則檢測靈敏度進(jìn)一步提高。氦氣也具有較大的熱導(dǎo)系數(shù)，但價格較高。表 某些氣體與蒸氣的熱導(dǎo)系數(shù)（），單位：J / cms4、 氫火焰離子化檢測器(1). 特點(diǎn) (1) 典型的質(zhì)量型檢測器; (2) 對有機(jī)化合物具有很高的靈敏度; (3) 無機(jī)氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng); (4) 氫焰檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)

17、迅速等特點(diǎn); (5) 比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高出近3個數(shù)量級，檢測下限可達(dá)10-12gs-1。(2). 氫焰檢測器的結(jié)構(gòu) 在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100300V）構(gòu)成一個外加電場。 氫焰檢測器需要用到三種氣體： N2 ：載氣攜帶試樣組分； H2 ：為燃?xì)猓?空氣：助燃?xì)狻?使用時需要調(diào)整三者的比例關(guān)系，檢測器靈敏度達(dá)到最佳。(3). 氫焰檢測器的原理 當(dāng)含有機(jī)物 CnHm的載氣由噴嘴噴出進(jìn)入火焰時，在C層發(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)生自由基 ： CnHm CH產(chǎn)生的自由基在D層火焰中與外面擴(kuò)散進(jìn)來的激發(fā)態(tài)原子氧或分子氧發(fā)生如下反應(yīng)： CH + O CHO+ + e生成的正離子CHO+ 與火焰中

18、大量水分子碰撞而發(fā)生分子離子反應(yīng)： CHO+ + H2O H3O+ + COA區(qū)：預(yù)熱區(qū)B層：點(diǎn)燃火焰C層：熱裂解區(qū)：溫度最高D層：反應(yīng)區(qū)氫焰檢測器的原理 化學(xué)電離產(chǎn)生的正離子和電子在外加恒定直流電場的作用下分別向兩極定向運(yùn)動而產(chǎn)生微電流（約10-610-14A）； 在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進(jìn)入離子室的被測組分質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測器是質(zhì)量型檢測器。 組分在氫焰中的電離效率很低，大約五十萬分之一的碳原子被電離。離子電流信號輸出到記錄儀，得到峰面積與組分質(zhì)量成正比的色譜流出曲線含氫、氧標(biāo)氣自配方法（1）器材：100l、1ml、100ml注射器、橡膠封帽、雙頭針、高純氮?dú)猓唬?）在100ml

19、注射器中封入一個攪拌用的小紙片，用橡膠封帽將注射器密封，然后套上雙頭針，沖洗幾次之后取120ml左右氮?dú)?，慢慢推?9ml迅速拔掉雙頭針； （3）用1ml注射器在清潔空氣中沖洗幾次后取1ml注入注射器中（空氣中氧氣約占21%，氮?dú)饧s占78%）；（4）用100l注射器抽取純凈的氫氣100l注入注射器中（如果沒有微量注射器，可以先將氫氣稀釋）；（5）將配好的混合氣充分混合得到混合標(biāo)氣，標(biāo)氣濃度分別為氫氣為1000L/L、氧氣為2100L/L。取樣的方法1、油樣應(yīng)能代表設(shè)備本體油，放油閥中的殘存油應(yīng)盡可能排除。2、取樣的連接方式可靠，盡量采用不使油中溶解氣體逸散和空氣混入的連接裝置。3、取樣容器和連

20、接管道中的空氣要完全排去。4、取樣過程中，油樣應(yīng)平靜地流入容器內(nèi)，而不產(chǎn)生氣泡。5、抺去放油閥和連接裝置等處的污物，防止油樣污染。6、注意設(shè)備在負(fù)壓狀態(tài)下取油樣時，可能使外部空氣引入油箱內(nèi)，特別是冬季負(fù)荷較低時更應(yīng)當(dāng)注意。7、所取的油樣應(yīng)盡快分析。油樣暫時不能分析時，保存期不得超過4天。8、樣品在運(yùn)輸過程中及分析前的放置時間內(nèi)，必須保證注射器的芯子不卡澀。9、油樣應(yīng)避光存放。色譜儀操作與維護(hù)1、進(jìn)樣方法選擇 通常使用注射器進(jìn)樣，應(yīng)選擇氣密性好并經(jīng)校準(zhǔn)的注射器，以保證進(jìn)樣體積的準(zhǔn)確性。對懷疑有故障的設(shè)備，應(yīng)至少進(jìn)樣兩次，取其平均值。 用注射器進(jìn)樣時，儀器的標(biāo)定和組分測定必須用同一注射器，并使用定

21、量卡，這樣可以保證進(jìn)樣體積相同，以減少誤差。2、進(jìn)樣注意事項(xiàng)（1）進(jìn)樣膠墊要定期更換，防止漏氣；（2）應(yīng)注意檢查針管、針頭是否漏氣，特別是針管與針頭連接處容易漏氣；（3）應(yīng)待別注意針頭是否堵塞了膠墊粒。（4）進(jìn)樣時要防止油進(jìn)入進(jìn)樣口，可以在進(jìn)樣前將針頭擦一下；（4） 標(biāo)定和分析時應(yīng)使用同一只注射器。（5） 進(jìn)針及取針時應(yīng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速。3、色譜儀使用注意事項(xiàng)（1）儀器周圍不能有火源、震源、強(qiáng)電場、磁場、電火花、易燃和腐蝕性氣體存在。（2）電源為AC220V10%。要求配備5KW左右穩(wěn)壓電源。（3）應(yīng)有單獨(dú)、良好的接地裝置。（4）室內(nèi)空氣含塵量應(yīng)盡量低，以免影響儀器性能，還要經(jīng)常保持儀器和室內(nèi)清潔。（5）放置儀器的工作臺，應(yīng)能承受整套儀器重量，不發(fā)生震動。（6）鋼瓶總壓力不能低于； （7）氣源的純度對儀器影響很大，所以一定要保證氣體純度在99.99%以上，鋼瓶壓力降到2MPa以下時，不要再使用。（8）檢測器、色譜柱啟動加熱時都應(yīng)通氣。特別是熱導(dǎo)檢測器必須嚴(yán)格遵守先通載氣后開橋流的操作原則。（9）更換進(jìn)樣口硅橡膠墊時，必須先關(guān)閉橋流，換好后通幾分鐘載氣再開橋流。（10）進(jìn)樣時，變壓器油會隨注射器進(jìn)入色譜柱中，導(dǎo)致色譜柱長期使用后受到污染，影響儀器的穩(wěn)定性，因此，進(jìn)樣前要將油擦去。（11）要勤于觀察氣源、儀器的壓力及設(shè)置等是否正常。（13）應(yīng)注意檢查針管、針頭是否漏氣，