培訓(xùn)資料-氣相色譜基礎(chǔ)知識(shí)

氣相色譜法

第一部分

GC基礎(chǔ)知識(shí)

05二月202331.1概述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(duì)移動(dòng)時(shí)，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，以達(dá)到分離分析及測定一些物理化學(xué)常數(shù)的目的。05二月20234理解色譜法(GasChromatography)主要有2點(diǎn)：一是要有兩相，二是要有差異。兩相：固定相和流動(dòng)相具體到氣相色譜：固定相就是色譜柱(column)，流動(dòng)相就是氣體或者稱為載氣(carriergas)。差異就是指分配系數(shù)的差異。05二月202351.2氣相色譜法的定義和分類定義：用氣體作為流動(dòng)相的色譜法稱為氣相色譜法。分類：根據(jù)固定相的狀態(tài)不同，氣固色譜(GSC)

（吸附原理）、氣液色譜(GLC)

（分配原理）氣固色譜可用活性炭，硅膠，分子篩，高分子多孔小球等作為固定相，分離的主要對(duì)象是一些永久性的氣體和低沸點(diǎn)的化合物。吸附-脫附

氣液色譜多用固定液涂漬在惰性載體上作為固定相，一般只要高沸點(diǎn)的有機(jī)化合物，蒸汽壓低（在450℃以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽壓）且熱穩(wěn)定性好的有機(jī)化合物作為固定液。由于在氣液色譜中可供選擇的固定液種類很多，容易得到好的選擇性，所以氣液色譜有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

溶解-揮發(fā)05二月202361.3氣相色譜法的特點(diǎn)“三高”“一快”“一廣”1.高效能：一般填充柱的理論塔板數(shù)可達(dá)數(shù)千，毛細(xì)管柱可達(dá)一百多萬。2.高選擇性：可以使一些分配系數(shù)很接近的以及極為復(fù)雜、難以分離的物質(zhì)，獲得滿意的分離。3.高靈敏度：可以檢測1011～1013g物質(zhì)，適合于痕量分析4.分析速度快：一個(gè)試樣的分析可在幾分鐘到幾十分鐘內(nèi)完成。5.應(yīng)用廣泛：可以分析氣體試樣，也可分析易揮發(fā)或可衍生轉(zhuǎn)化為易揮發(fā)的液體和固體。分析的有機(jī)物，約占全部有機(jī)物(約300萬種)的20%。6.不足之處：對(duì)被分離組分的定性能力較差。05二月20237從載氣帶著組分進(jìn)入色譜柱起就用檢測器檢測流出柱后的氣體，并用記錄器記錄信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線，此曲線就叫色譜流出曲線，當(dāng)待測組分流出色譜柱時(shí)，檢測器就可檢測到其組分的濃度，在流出曲線上表現(xiàn)為峰狀，叫色譜峰。

色譜圖:試樣中各組分經(jīng)色譜柱分離后,在柱的末端收集各組分,經(jīng)檢測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),用紀(jì)錄儀將各組分濃度記錄下來,得到色譜圖。1.4色譜流出曲線（色譜圖）及有關(guān)術(shù)語05二月20238如圖所示為一色譜流出曲線：1）基線：在實(shí)驗(yàn)條件下，色譜柱后僅有純流動(dòng)相進(jìn)入檢測器時(shí)的流出曲線稱為基線?；€在穩(wěn)定的條件下應(yīng)是一條水平的直線。它的平直與否可反應(yīng)出實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定情況。2）峰高（h）和峰面積：色譜峰頂點(diǎn)與基線的距離叫峰高。色譜峰與峰底基線所圍成區(qū)域的面積叫峰面積。05二月202393）保留值

a.

死時(shí)間(tM)

：不與固定相作用的物質(zhì)從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值時(shí)的時(shí)間，它與色譜柱的空隙體積成正比。由于該物質(zhì)不與固定相作用，因此，其流速與流動(dòng)相的流速相近。據(jù)tM可求出流動(dòng)相平均流速b.保留時(shí)間tr：試樣從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值時(shí)的時(shí)間。它包括組份隨流動(dòng)相通過柱子的時(shí)間t0和組份在固定相中滯留的時(shí)間。c.調(diào)整保留時(shí)間tr’：某組份的保留時(shí)間扣除死時(shí)間后的保留時(shí)間，它是組份在固定相中的滯留時(shí)間。即

tr’=tr－tM4）色譜峰底寬W

：由色譜峰的兩邊拐點(diǎn)做切線，與基線交點(diǎn)的距離。5）半峰高寬度W?

：色譜峰高一半處的峰寬。也稱為色譜峰半高寬度。

05二月2023101.5氣相色譜構(gòu)成示意圖05二月2023111.6氣相色譜基本流路圖500次更換進(jìn)樣墊100次更換一般為1:10吸咐不被氣化的物質(zhì)N2尾吹第二部分

載氣05二月2023132.1常用載氣

1、載氣要求：作為氣相色譜載氣的氣體，要求要化學(xué)穩(wěn)定性好；純度高；價(jià)格便宜并易取得；能適合于所用的檢測器。

2、常用載氣

氮?dú)?黑)、氦氣(銀灰)、氬氣(白)、氫氣(深綠)、二氧化碳(黑)等

TCD用氫氣、氦氣比較好，靈敏度高，

FID用氮?dú)舛栊詺怏w化學(xué)穩(wěn)定性好、價(jià)格高。05二月2023143、氣體的凈化凈化管通常為內(nèi)徑50mm，長200～250mm的金屬管裝填什么物質(zhì)取決于載氣純度的要求(如，除去水分可用吸附劑硅膠和分子篩，除去烴類化合物，可用活性炭）。凈化管的出口和入口應(yīng)加上標(biāo)志，出口應(yīng)當(dāng)用少量紗布或脫脂棉輕輕塞上，嚴(yán)防凈化劑粉塵流出凈化管進(jìn)入色譜儀。05二月202315

4、氣流調(diào)節(jié)閥

通常在減壓閥輸出氣體的管線中還要串聯(lián)穩(wěn)壓閥，用以穩(wěn)定載氣（或燃?xì)猓┑膲毫?/p>

當(dāng)用程序升溫進(jìn)行色譜分析時(shí)，由于色譜柱柱溫不斷升高引起色譜柱阻力不斷增加，也會(huì)使載氣流量發(fā)生變化。為了在氣體阻力發(fā)生變化時(shí)，也能維持載氣流速的穩(wěn)定，需要使用穩(wěn)流閥來自動(dòng)控制載氣的穩(wěn)定流速。

第三部分

進(jìn)樣口05二月2023173.1進(jìn)樣系統(tǒng)氣化室將液體試樣瞬間氣化的裝置。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；05二月202318微量注射器進(jìn)樣閥不同規(guī)格的專用注射器，填充柱色譜常用10μL；毛細(xì)管色譜常用1μL；新型儀器帶有全自動(dòng)液體進(jìn)樣器，清洗、潤沖、取樣、進(jìn)樣、換樣等過程自動(dòng)完成，一次可放置數(shù)十個(gè)試樣。05二月2023193.12注意事項(xiàng)★進(jìn)樣口溫度過低，將導(dǎo)致高分子量化合物氣化不完全，并且不能有效轉(zhuǎn)移到色譜柱中。(樣品氣化不完全)

★進(jìn)樣口溫度過高，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性差的化合物分解。

(樣品分解)★樣品從進(jìn)樣針注入時(shí)，不同組分的氣化程度不同，高沸點(diǎn)組分殘留量比例高。一般情況下進(jìn)樣速度必須很快，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)樣時(shí)間太長時(shí)，試樣原始寬度將變大，色譜峰半峰寬隨之變寬，有時(shí)甚至使峰變形。一般地，進(jìn)樣時(shí)間應(yīng)在1s以內(nèi)。第四部分

色譜柱05二月202321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2-6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。氣-固色譜：固體吸附劑氣-液色譜：載體+固定液柱制備對(duì)柱效有較大影響，填料裝填太緊，柱前壓力大，流速慢或?qū)⒅滤?，反之空隙體積大，柱效低。05二月20232205二月2023234.2色譜柱選擇的要素

柱材質(zhì)固定相內(nèi)徑膜厚長度05二月2023244.2.1柱材質(zhì)不銹鋼和熔融石英共同點(diǎn)：良好的惰性和自由度不銹鋼的優(yōu)勢：良好的耐磨性和抗刮傷特性，可以纏繞為更小的尺寸，卓越的溫度適應(yīng)性。熔融石英的優(yōu)勢：易于和保護(hù)柱連接，易于確認(rèn)毛細(xì)柱內(nèi)的高沸點(diǎn)污染物。05二月2023254.2.2固定相固定相選擇的基本原則：

相似相溶原理，選用非極性的固定相分析非極性化合物如果化合物可以用不同極性的固定相分析，選用極性最小的固定相。非極性固定相的使用壽命長于極性固定相。應(yīng)用范圍較廣的五種固定相，Rtx-1、Rtx-5、Rtx-50、Rtx-1701和Rtx-wax可以滿足90%以上的分析需求。05二月2023264.2.4色譜柱的選擇根據(jù)極性來選擇適合的固定相，從來選擇適當(dāng)?shù)纳V柱。05二月2023274.2.5氣相色譜毛細(xì)管柱常用固定相05二月2023284.2.7內(nèi)徑內(nèi)徑選擇的基本原則：★

0.10mm口徑柱適用于快速氣相色譜分析。★

0.25mm口徑柱具有較高的柱效，用于標(biāo)準(zhǔn)的GC/MS應(yīng)用和分流/不分流分析?！?/p>

0.32mm口徑柱中等柱效，多用于不分流進(jìn)樣。★

0.53mm口徑柱，可以替代填充柱，適合于痕量分析。增加色譜柱的內(nèi)徑，可以增加分離的樣品量，但由于縱向擴(kuò)散路徑的增加，會(huì)使柱效降低。05二月2023294.2.8內(nèi)徑對(duì)分離度的影響

較小的內(nèi)徑可以獲得更好的分離度，或者在更短的時(shí)間內(nèi)獲得同樣的分離度05二月2023304.2.9膜厚

膜厚選擇的基本原則：★增加膜厚可以提高分離度和加強(qiáng)保留，厚些的液膜可以有效降低過載拖尾峰和其他化合物的共流出。★如果樣品的濃度范圍很寬，就需要更厚的液膜，反之，如果目標(biāo)組分的分離足夠，并且沒有共流出的問題，就可以使用比較薄的液膜，對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)物來說，厚液膜更為合適。★液膜厚度的改變將直接影響化合物的流出溫度。膜越厚，保留越強(qiáng)，流出溫度相應(yīng)也越高?！飿?biāo)準(zhǔn)膜厚(0.25~0.5μm)：最廣泛的應(yīng)用，對(duì)于流出達(dá)到300℃的大多數(shù)樣品分析效果良好?！锉∫耗?0.1~0.2μm)：適合石化分析，甘油三酯等高沸點(diǎn)的物質(zhì)?！锖褚耗?1~5μm)：適合于流出溫度在100~200℃之間的低沸點(diǎn)化合物05二月2023314.2.10膜厚對(duì)分離度的影響05二月2023324.2.11長度

長度選擇的基本原則：★色譜柱越長，柱效越高。★選擇可以滿足分離度要求的最短的柱子。★如果即使是最長規(guī)格的色譜柱依然無法滿足分離度的要求，請考慮更換固定相或膜厚。★分離度和柱長的平方根成正比，兩倍的柱長只能增加40％的分離度?！飿?biāo)準(zhǔn)柱(25~30m)：標(biāo)準(zhǔn)柱長，滿足大部分應(yīng)用?！锒讨?5~15m)：通常用于10個(gè)組份以下簡單樣品的快速分析?！镩L柱(50m以上)：復(fù)雜樣品分析。05二月2023334.2.11柱長對(duì)分析時(shí)間的影響

恒溫分析：保留時(shí)間由柱長決定，柱長加倍分析時(shí)間也加倍。

程升分析：

保留時(shí)間主要取決于柱溫，分離度的提升和恒溫分析類似，但分析時(shí)間只是略有增加。由于分離度正比于柱長的平方根，所以增加柱長對(duì)分離是有利的。但增加柱長會(huì)使各組分的保留時(shí)間增加，延長分析時(shí)間。因此，在滿足一定分離度的條件下，應(yīng)盡可能使用較短的柱子。05二月2023344.3色譜柱的老化為什么必須進(jìn)行色譜柱老化？新色譜柱含有溶劑和高沸點(diǎn)物質(zhì)，所以基線不穩(wěn)，出現(xiàn)鬼峰和噪聲；舊柱長時(shí)間未用，也存在同樣問題。一般采用升溫老化，即從室溫程序升溫到最高溫度，并在高溫段保持?jǐn)?shù)小時(shí)。

新柱老化時(shí)，最好不要連接檢測器。每天都要進(jìn)行老化嗎？視儀器基線情況，確定是否需要老化以及老化時(shí)間。05二月2023354.4柱溫的選擇柱溫是一個(gè)重要的色譜操作參數(shù)，它直接影響分離效能和分析速度。柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否則會(huì)造成固定液大量揮發(fā)流失。某些固定液有最低操作溫度。一般地說，操作溫度至少必須高于固定液的熔點(diǎn)，以使其有效地發(fā)揮作用。降低柱溫可使色譜柱的選擇性增大，但升高柱溫可以縮短分析時(shí)間，并且可以改善氣相和液相的傳質(zhì)速率，有利于提高效能。所以，這兩方面的情況均需考慮。柱溫分為恒溫和程序升溫兩種恒溫：對(duì)于沸程不太寬的簡單樣品，可采用恒溫模式。一般的氣體分析和簡單液體樣品分析都采用恒溫模式。程序升溫：對(duì)于沸程較寬的復(fù)雜樣品，如果在一恒溫下分很難達(dá)到好的分離效果。05二月202336恒溫：45oC程序升溫：30~180oC恒溫：145oC溫度低，分離效果較好，但分析時(shí)間長程序升溫，分離效果好，且分析時(shí)間短溫度高，分析時(shí)間短，但分離效果差第五部分

檢測器05二月202338檢測器：是將流出色譜柱的被測組分的濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，是色譜儀的眼睛。通常由檢測元件、放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器三部分組成.

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(shí)間的變化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號(hào)，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖；常用的檢測器：熱導(dǎo)檢測器、氫火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器、火焰光度檢測器、氮磷檢測器。5.1檢測器定義05二月2023395.2檢測器分類根據(jù)檢測器的響應(yīng)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(yīng)值與濃度成正比。如TCD、ECD。質(zhì)量型：檢測的是載氣中組分進(jìn)入檢測器中速度變化，即響應(yīng)值與單位時(shí)間進(jìn)入檢測器的質(zhì)量成正比。如FID、FPD。根據(jù)應(yīng)用范圍，分為通用型檢測器和選擇型檢測器通用型：對(duì)所有物質(zhì)有響應(yīng)，如TCD、FID。選擇型：對(duì)特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)，如ECD、FPD、NPD。根據(jù)工作過程，分為破壞型檢測器和非破壞型檢測器破壞型：檢測過程中樣品遭到破壞，不能回收。如FID、FPD。非破壞型：檢測過程中樣品不遭到破壞，可以回收。如TCD、ECD。05二月202340符號(hào)TCDFIDECDFPDNPDMSD檢測方法物理常數(shù)法氣相電離法氣相電離法光度法氣相電離法質(zhì)譜法工作原理熱導(dǎo)率差異火焰電離化學(xué)電離分子發(fā)射熱表面電離電離與質(zhì)量色散結(jié)合類型濃度型通用型非破壞性質(zhì)量型準(zhǔn)通用型破壞性質(zhì)量型選擇型非破壞性濃度型選擇型破壞性質(zhì)量型選擇型破壞性質(zhì)量選擇型靈敏度≥2500mv.ml/mg≤10-11g/s≤10-13g/s硫≤10-10g/s磷≤10-11g/s氮≤5×10-11g/s磷≤2×10-12g/s線形范圍≥104≥106≥102-104硫≥102磷≥103-104105105應(yīng)用范圍所有化合物有機(jī)化合物電負(fù)性化合物硫、磷化合物氮、磷化合物、農(nóng)藥殘留所有化合物(結(jié)構(gòu)檢定)5.3常用檢測器05二月202341熱導(dǎo)檢測器（TCD）

thermalconductivitydetector

基本原理:每種物質(zhì)都有導(dǎo)熱能力，而且導(dǎo)熱的能力大小不同，通過一個(gè)熱敏電阻來測定與熱敏電阻接觸的氣體組成變化情況。這種檢測方式雖然不是最靈敏的，但是對(duì)所有樣品都有響應(yīng)，是通用型的檢測器。05二月2023421.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(jià)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。05二月20234305二月202344平衡電橋，下圖。不同的氣體有不同的熱導(dǎo)系數(shù)。鎢絲通電，加熱與散熱達(dá)到平衡后，兩臂電阻值：

R參=R測

;R1=R2

則：R參·R2=R測·R1

無電壓信號(hào)輸出；記錄儀走直線（基線）。

05二月202345進(jìn)樣后，載氣攜帶試樣組分流過測量臂而這時(shí)參考臂流過的仍是純載氣，使測量臂的溫度改變，引起電阻的變化，測量臂和參考臂的電阻值不等，產(chǎn)生電阻差，R參≠R測

則：R參·R2≠R測·R1

這時(shí)電橋失去平衡，a、b兩端存在著電位差，有電壓信號(hào)輸出。信號(hào)與組分濃度相關(guān)。記錄儀記錄下組分濃度隨時(shí)間變化的峰狀圖形。05二月202346影響熱導(dǎo)檢測器靈敏度的因素?zé)峤z阻值熱絲阻值越大，其靈敏度越高。橋流橋流越大，靈敏度越高。05二月202347TCD的響應(yīng)特性通用型檢測器靈敏度較低，適合于大于幾十ppm組分測定對(duì)鹵化物、重金屬酯響應(yīng)較小濃度型檢測器非破壞型檢測器05二月202348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(jī)化合物(如烴類物質(zhì))的檢測。原理：含碳有機(jī)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)離子流產(chǎn)生的電信號(hào)強(qiáng)度，檢測被色譜柱分離的組分?；鹧骐x子化檢測器（FID）flameionizationdetector,FID05二月202349結(jié)構(gòu)：主要為離子室，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(1)在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100—300V）構(gòu)成一個(gè)外加電場。(2)氫焰檢測器要用到三種氣體：N2：載氣攜帶試樣組分；H2：為燃?xì)猓豢諝猓褐細(xì)?。使用時(shí)需要調(diào)整三者的比例關(guān)系，檢測器靈敏度達(dá)到最佳。05二月20235005二月202351A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)工作過程：來自色譜柱的有機(jī)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(hào)。05二月202352具體描述如下：氫氣由噴嘴加入，與空氣混合點(diǎn)火燃燒，形成氫火焰。極化極和收集極通過高阻、基流補(bǔ)償和50～350V的直流電源組成檢測電路，測量氫火焰中所產(chǎn)生的微電流。該檢測電路在收集極和極化極間形成一高壓靜電場。H2+O2燃燒能產(chǎn)生2100℃高溫，使被測有機(jī)組分電離。載氣(N2)本身不會(huì)被電離，只有載氣中的有機(jī)雜質(zhì)和流失的固定液會(huì)在氫火焰中被電離成正、負(fù)離子和電子。在電場作用下，正離子移向收集極(正極)。負(fù)離子和電子移向極化極(負(fù)極)。形成的微電流經(jīng)高電阻，在其兩端產(chǎn)生電壓降，經(jīng)微電流放大器放大后從輸出衰減器中取出信號(hào)，在記錄儀中記錄下來即為基流，或稱本底電流、背景電流。只要載氣流速、柱溫等條件不變，基流亦不變。無樣品時(shí)兩極間離子很少，基流不變;當(dāng)載氣+組分進(jìn)入火焰時(shí)，在氫火焰作用下電離生成許多正、負(fù)離子和電子，使電路中形成的微電流顯著增大。即組分的信號(hào)，離子流經(jīng)高阻放大、記錄即得色譜峰。05二月202353注意事項(xiàng)（一）注意安全防氫氣泄漏，切勿讓氫氣泄漏入柱恒溫箱中，以防爆炸。注意以下幾點(diǎn)即可：在未接色譜柱和柱試漏前，切勿通氫氣；卸色譜柱前，先檢查一下，氫氣是否關(guān)好；如果是雙柱雙檢測器色譜儀，只有一個(gè)FID檢測器工作時(shí)，務(wù)必要將另一個(gè)不用的FID用悶頭螺絲堵死；防燙傷，因?yàn)镕ID外殼很燙。（二）保持FID正常性能1．正常點(diǎn)火點(diǎn)火時(shí)，F(xiàn)ID檢測器溫度務(wù)必在120℃以上。點(diǎn)火困難時(shí)，適當(dāng)增大氫氣流速，減小空氣流速，點(diǎn)著后再調(diào)回原來的比例。檢測器要高于柱溫20~50℃，防水冷凝。2．定期清洗噴咀注意線性范圍與以下條件有關(guān)：一般用N2作載氣，載氣要凈化，除有機(jī)物；氣體流量比等。第六部分

數(shù)據(jù)分析05二月2023556.1定量方法(一)6.1.1面積歸一法

各組分濃度以面積百分比表示，該結(jié)果可以確認(rèn)大