氣相色譜儀基礎(chǔ)知識培訓(xùn).ppt

1、a,1,氣相色譜儀基礎(chǔ)課程,a,一、氣相色譜基礎(chǔ),色譜原理 氣相色譜系統(tǒng) 色譜基本理論 載氣 進(jìn)樣口 色譜柱 檢測器 定量分析方法,a,1. 色譜原理,根據(jù)樣品各組分在流動相和固定相中的分配情況不同來進(jìn)行分離。 一些組分與固定相作用較強，故較慢流出色譜柱，從而得以分離。,a,樣品組分分離示意圖,a,2. 氣相色譜系統(tǒng),a,色譜圖,檢測信號和時間的關(guān)系圖 不同的色譜峰對應(yīng)相應(yīng)的組分 可以得到相應(yīng)組分的保留時間和峰面積信息。 保留時間 定性分析 峰面積 定量分析,3. 氣相色譜理論,CH4,a,基本術(shù)語 保留時間（Retention time)： 組份從進(jìn)樣到出現(xiàn)最大值所需要的時間，tR 死時間(

2、dead time): 不被固定相滯留的組份，從進(jìn)樣到出峰最大值所需要的時間，t0 峰高（Peak Height) 從峰最大值到峰底的距離, 峰面積（Peak Area) 峰與峰底之間的面積,a,分離度（Resolution) 兩個相鄰峰的分離程度。以兩個組份保留值之差與其平均半峰寬值的比來表示：,當(dāng)R=1 時，有5的重疊； 當(dāng)R=1.5時，分離程度為99.7%，可視為基線分離 毛細(xì)管色譜柱比填充柱有更高的分辨率.,a,例如，圖示中塔板數(shù)為3.,塔板理論,柱效能（Column Efficiency),峰展寬的度量. 以塔板數(shù)來表示 類似蒸餾中的氣液平衡,a,峰的形狀,理想的峰型是高斯曲線. 分

3、子的理論統(tǒng)計學(xué)分布,a,A. 渦流擴散 (不同路徑的影響 )., 取決于色譜柱大小、形狀和填充的好壞 毛細(xì)管柱可忽略該項,影響色譜柱效率的因素,a,B. 縱向擴散.,氣相中分子的擴散 主要決定于氣體流速,a,C. 傳質(zhì)阻力., 樣品組分從氣相到液相容易. 主要取決于氣體的流速和固定相量的多少。,a,綜合上述三個峰展寬的因數(shù) HEPT : 理論塔板高度 (Height Equivalent to a Theoretical Plate)：,HETP = A + B / + C ,這里： A = 渦流擴散 B = 縱向擴散 C = 傳質(zhì)阻力 = 載氣的線流量 低的 HETP= 高的色譜柱效率 如果

4、已知有效塔板數(shù)，則可計算：,Neff = Lcol / HETP,著名的范德母特（Van Deemter）方程,a, 由該圖可以得到最佳的線速度 對于毛細(xì)管柱可忽略A項（渦流擴散），一般對于毛細(xì)管線速度為30-60 cm/sec。,Van Deemter 圖,a, N2, 變化最大, 可得到最低的HETP. H2 和 He 曲線較平坦，即使較高的流速下也能得到較低的HETP 所以即使在較高的分析速度時，也可以得到較好的分離度.,4. 載氣對Van Deemter圖的影響,常用毛細(xì)管柱的最佳載氣流量,a,氣體,作用： 1）載氣：作為色譜的流動相 2）檢測器的工作氣體。 載氣： 惰性：He, Ar

5、, N2, H2. 根據(jù)檢測器, 價格及方便程度來決定 采用壓力調(diào)節(jié)器以獲得恒定的儀器輸入壓力 控制流量來得到恒定的流速,a,氣體的類型由檢測器決定. 氣體要求色譜級的高純氣體，99.999 %,過濾系統(tǒng): 除氧. 活性炭除碳?xì)浠衔铩?分子篩除水,氣體的供應(yīng)和控制,載氣推薦采用H2、He: 分離度好 對TCD靈敏度最高，而且可保護W絲 注意安全問題,a,兩級的氣體壓力調(diào)節(jié)器. 低壓端可從0到100 psig. 注意：不要用不干凈的管路,氣體進(jìn)口及連接,如果管線太長，應(yīng)適當(dāng)增加輸出壓力,a,氣體進(jìn)口及連接 （續(xù)）,a,5、 進(jìn)樣口,作用：樣品進(jìn)樣和汽化. 要求：精度和重現(xiàn)性 根據(jù)樣品的性質(zhì)選擇

6、進(jìn)樣技術(shù),a,填充柱進(jìn)樣口 柱上進(jìn)樣(On Column) 快速氣化（Flash-vaporization） 毛細(xì)管柱進(jìn)樣口 分流/不分流進(jìn)樣 分流 分流進(jìn)樣規(guī)則 不分流進(jìn)樣的規(guī)則,a,填充柱進(jìn)樣口,柱上進(jìn)樣(On Column) 快速氣化（Flash-vaporization） 柱上進(jìn)樣(On column) 液體樣品直接注射進(jìn)柱頭上 消除了氣化時樣品損失。 消除了傳輸過程中從進(jìn)樣口到色譜柱之間的樣品損失。 可用于熱不穩(wěn)定物質(zhì)的分析。 定量分析精度好。 最好用于干凈稀釋的樣品。,a,快速氣化（Flash-vaporization）,對于濃度較高或較臟的樣品。 色譜柱連接在進(jìn)樣口底部。 色譜柱

7、完全填充。 樣品在玻璃內(nèi)襯中氣化 進(jìn)樣口至少高于柱溫箱50C。 能夠用于大口徑的毛細(xì)管。,a,25,a,a,毛細(xì)管進(jìn)樣,只需要少的進(jìn)樣量 需要特別的進(jìn)樣技術(shù)分流/不分流/柱上進(jìn)樣 載氣流量小 需要特別的硬件 隔墊吹掃 分流裝置 壓力、流量調(diào)節(jié),a,毛細(xì)管柱進(jìn)樣口,要求不同的硬件和技術(shù)。 直接進(jìn)樣. 分流/不分流進(jìn)樣. 柱上進(jìn)樣 直接進(jìn)樣 -(柱上進(jìn)樣或快速氣化) 只用于大口徑 ( 0.53 mm 內(nèi)徑). 將注射器中的樣品全部送入到色譜柱. 允許緩慢注入較大體積的稀釋樣品 ( 2 L)。 相對低的進(jìn)樣口溫度。,a,分流/不分流進(jìn)樣,用于毛細(xì)管柱0.1 mm to 0.53 mm ID. 可選用

8、分流/不分流進(jìn)樣 (split/splitless.) 分流(split) 允許樣品中的代表部分進(jìn)入到色譜柱中。 當(dāng)被測物濃度較高時。 不分流(splitless) 類似于直接進(jìn)樣. 樣品中絕大部分進(jìn)入到色譜柱中。,a,分流,均勻氣化的樣品通過分流點(柱尖端Colomn tip). 樣品在玻璃襯管氣化 要求： 將樣品中具有代表性的樣品注入到色譜柱中。 可重現(xiàn)的分流比 缺點 可能會有進(jìn)樣歧視現(xiàn)象。對寬沸程的樣品易產(chǎn)生非線性分流，使樣品失真 不適于高純度物質(zhì)和痕量組分(50ppm)的分析,a,分流比,排氣口流量 + 色譜柱流量 色譜柱 流量 分流比的設(shè)定根據(jù)樣品的濃度和復(fù)雜程度來決定?？偭髁恳欢ㄒ?/p>

9、大于20ml/min 隔墊吹掃： 用途：趕走殘留樣品和溶劑。 2-5 mL/min的載氣直徑吹掃隔墊底部。 可用燒結(jié)的限制器和針型閥來控制。 在特有的毛細(xì)管柱進(jìn)樣口上使用。,分流比S.R.=,a,a,a,a,a,分流進(jìn)樣規(guī)則,進(jìn)樣口溫度比樣品中最高沸點的溫度至少高20C，以便高效且得到好的重現(xiàn)性。 針頭不用預(yù)熱，快速進(jìn)樣，并迅速拔出針頭。自動進(jìn)樣器一般為1L或更少。對高沸點的樣品應(yīng)在進(jìn)樣口停留1-2s. 如果程序升溫，柱溫箱的溫度應(yīng)該高于溶劑的沸點，進(jìn)樣后應(yīng)快速升溫。 以確保隔墊吹掃打開，設(shè)定為2-5 mL/min.,a,不分流進(jìn)樣的規(guī)則,將軟件置于不分流模式. 所有進(jìn)樣口的流量應(yīng)經(jīng)過色譜柱和

10、隔墊吹掃. 將進(jìn)樣口溫度設(shè)置為沸點最高物質(zhì)的沸點上。 開始時，柱溫箱溫度設(shè)定為比溶劑的沸點低20C，保持1分鐘，然后以30C/min的速度升到比溶劑沸點高 40-60C的溫度，然后再根據(jù)樣品需要程序升溫。 進(jìn)樣時間為0.5-1.0分鐘后，進(jìn)樣口切換到分流模式。排氣流量至少應(yīng)設(shè)為50 mL/min. 保證隔墊吹掃打開，并設(shè)為2-5 mL/min.,a,6. 色譜柱,a,色譜柱材料和結(jié)構(gòu),填充柱 - 短(2-3 米), 管內(nèi)徑較粗. 毛細(xì)管柱 - 長( 60 米), 內(nèi)徑較細(xì). 所有材料均要求化學(xué)及熱性質(zhì)穩(wěn)定. 熱穩(wěn)定性 - 分析時所使用的溫度不應(yīng)致使色譜柱材質(zhì)受到破壞 化學(xué)穩(wěn)定性 - 在一定溫度

11、下，色譜柱材質(zhì)不受分析物的影響 注意：用色譜級、干凈的材料。,a,填充柱,玻璃、特氟瓏及不銹鋼材質(zhì) (惰性).,填充柱中填有固態(tài)載體，上面涂有液態(tài)固定相，用于氣液色譜（GLC）或直接填充多孔固體，用于氣固色譜（GSC）.,填充柱尺寸,a,固態(tài)載體,是液態(tài)固定相附著的載體 增加與樣品接觸的表面積。 細(xì)小、均勻、多孔。 大部分采用硅土. 標(biāo)準(zhǔn)大小顆粒.,直徑大小與目號的關(guān)系,例如: 80/100目表明所有的顆粒將通過 80目篩但不通過 100目篩. 80目篩是指篩網(wǎng)每英寸有80根標(biāo)準(zhǔn)直徑的網(wǎng)線。,a,毛細(xì)管柱,不銹鋼 玻璃 熔融硅. 柔韌性及機械強度均較好 惰性 內(nèi)徑：0.05 - 0.80 mm

12、 . 長度：可大于100 m , 普通一般為30 m。 外層為聚酰亞胺，可修補柱子缺陷并且增加強度。 柱子內(nèi)表面進(jìn)行硅烷化處理。 內(nèi)壁涂有固定相.,a,毛細(xì)管柱截面圖,毛細(xì)管柱,WCOT - 內(nèi)表面涂有很薄的固定相. PLOT 內(nèi)表面涂有多孔的固體層或吸附劑 SCOT 內(nèi)表面先涂固態(tài)載體，然后再涂上固定相。,a,色譜柱參數(shù),柱長、內(nèi)徑、涂膜厚度 色譜柱長度 柱長度只有大的變化才會影響分辨率。 填充柱一般為2-3 米. 毛細(xì)管柱可以根據(jù)需要進(jìn)行裁剪。 色譜柱內(nèi)徑 填充柱固定為2 mm。 毛細(xì)管柱的內(nèi)徑可從0.10 - 0.8 mm. 內(nèi)徑的大小將影響到色譜柱的效率、保留時間和柱容量. 較小的內(nèi)徑

13、有較小的流失和較小的柱容量,a,毛細(xì)管柱內(nèi)徑,0.25mm：用于分流/不分流進(jìn)樣，前提是被測物不會過載。 0.32mm：用于分流/不分流進(jìn)樣，允許較高濃度的分析物。 0.53mm：如果想取代填充柱，并且被測物少于30種。,典型的毛細(xì)管柱特點,a,涂膜厚度,固定相的總量. 影響保留時間和容量。 較厚的涂層會延長保留時間和增加柱容量。 薄的涂層用于高沸點的分析物。 標(biāo)準(zhǔn)的毛細(xì)管柱一般為0.25 m. 0.53 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管柱一般為1.0 - 1.5 m. 填充柱一般 10 m.,a,柱容量,柱容量是指色譜峰沒有明顯變形，樣品能夠進(jìn)入到色譜柱中的最大允許量。 以下因素可增加柱容量 : 膜厚 (d

14、f). 溫度. 內(nèi)徑 (ID). 固定相的選擇性. 如果過載，可導(dǎo)致 : 峰變寬. 不對稱. 拖尾或前伸峰.,a,色譜柱中固定相流失,柱流失可以從檢測器的背景信號中觀察到： 柱流失是由于固定相遭到破壞而導(dǎo)致的。 柱流失隨著膜厚、柱內(nèi)徑、長度和溫度的增加而增加。 極性柱有較高的柱流失。 柱子損壞或退化，柱流失可能會增加。 避免使用強酸或強堿 按照制造商推薦的溫度限制使用,a,確保載氣流過毛細(xì)管柱15-30分鐘. 緩慢程序升溫(5/min)到老化溫度。 最初老化溫度 4 hours. 如果柱子受到污染, 可在推薦的最高色譜柱溫度低20 C的條件下，老化柱子。 一般推薦的老化溫度為： Tcond =

15、 Tmax/2 - Tapp/2 + Tapp 這里: Tcond = 老化溫度 Tmax = 色譜柱推薦采用的最高溫度 Tapp = 應(yīng)用中使用的最高溫度 在老化柱子時，一定不要將毛細(xì)管接在檢測器上。應(yīng)將那一端放空，同時將檢測器用悶頭堵上。如果是FID,容許接在上面，但應(yīng)該將檢測器溫度升上去。,色譜柱老化,a,溫度限制,恒溫最高允許溫度 :恒溫操作的最高允許溫度 程序升溫最高允許溫度：短期允許的最高溫度，一般比恒溫允許的最高溫度高20C。 當(dāng)柱子遭受熱破壞，可以看到嚴(yán)重的峰拖尾和柱流失。,a,固態(tài)固定相,氣固色譜（GSC）最常用于氣體樣品的分析。 采用的固定相可以是分子篩和氧化鋁 固態(tài)吸附點

16、少，不會導(dǎo)致拖尾。 無液態(tài)固定相導(dǎo)致的柱拖尾。,a,液體固定相,固定相決定了色譜柱的選擇性。 有數(shù)百種固定相，尤其是填充柱. 許多固定相有多種商品名。 毛細(xì)管柱的固定相選擇較簡單。 “相似相溶原理” - 用極性固定相分析極性物質(zhì)。 - 用非極性固定相分析非極性物質(zhì). 極性表明了分子中電荷的分配情況。,a,硅氧烷結(jié)構(gòu),固定相取代,a,液態(tài)固定相的選擇,根據(jù)極性選擇固定相。 非極性柱分離弱極性物質(zhì)能得到較好的分離。 對于普通的GC使用, 常用到如VA-5這樣的弱極性柱。 避免固定相中帶有檢測器能夠檢測的成分。 用聚乙二烯乙二醇固定相來分析帶氫鍵的樣品 氣體分析可能要求固態(tài)的固定相。,a,7. 檢測

17、器,通用型檢測器（ Universal Detector) 熱導(dǎo)檢測器（TCD） 氫火焰檢測器（FID） 選擇性檢測器 電子捕獲（ECD） 脈沖火焰光度檢測器 （FPD） 氮磷檢測器（NPD),a,a,通用型檢測器(Universal Detector),熱導(dǎo)檢測器（TCD） 氣相色譜最早的檢測器, 1946. 測量樣品氣流導(dǎo)熱性能的變化。 熱導(dǎo)-熱量從高溫物體到低溫物體的傳導(dǎo)。,a,TCD 熱導(dǎo)池,兩個平行的氣流，樣品和參考。 惠斯通電橋用來比較兩個氣流的阻抗。 氣流的速度、壓力及電的變化影響被最小化。,a,氣體的熱導(dǎo),分子越小，運動速度越快，導(dǎo)熱性能越好。 H2 和He是最小的分子，它們的

18、熱導(dǎo)性能比絕大部分有機物和無機氣體高6到10倍。 H2 和He是最普通的載氣；N2 和Ar也可采用。,a,TCD 操作注意事項 1. 打開氣體鋼瓶 (He, Ar或N2), 並須確認(rèn)鋼瓶無誤, 輸出壓 為 80PSI（5.5kg/cm2 ) 2. 確定流速 Carrier Gas= Reference Gas 3. 等待 COL/ INJ / DET 溫度到達(dá)設(shè)定值 4. 設(shè)定 Electronics On 5. 等待 TCD 穩(wěn)定至少約 30 min 左右 6. 開始分析樣品 7. 結(jié)束分析時設(shè)定 Electronics Off 8. 降溫 COL / INJ / DET = 50 (含F(xiàn)i

19、lament) 9. 關(guān)閉氣體鋼瓶,a,氫火焰檢測器（FID）,最常用的GC 檢測器. - 是有機物的通用型檢測器。 - 檢出限 10 pg. - 線性范圍可達(dá)6個數(shù)量級 . - 容易操作 破壞型檢測器樣品燃燒 信號值大小取決于碳原子數(shù)目及替代物的數(shù)量。,a,FID結(jié)構(gòu)圖,a,FID工作原理,理論: 在火焰頭和收集極（電極）上加一電壓。 有機物都在火焰中燃燒(2000F)。 在電極之間產(chǎn)生離子化介質(zhì)和電子。 帶電粒子被收集極吸引和捕獲。 離子流被放大和記錄。,a,響應(yīng),離子數(shù)目正比于碳原子數(shù)目(C-H鍵). 一些官能團如羰基(CO=)、羥基(OH）、鹵素（X）、胺（NH4+）則很少或根本不會離

20、子化。 對無機氣體如H2O, CO2, SO2, 和Nox不靈敏。 火焰 以氫氣和空氣作為燃?xì)狻?在控制的流速下進(jìn)行電子點火。 火焰無色除非受到污染。,a,燃燒氣,H2流速45ml/min。 空氣一般為氫氣的10倍。 大的空氣流速和熱檢測器可以趕走大量的水蒸氣。,a,FID注意事項,正確設(shè)置H2、空氣的流量 檢測器溫度應(yīng)比柱溫箱設(shè)定的最高溫度高30C，且大于150C以防止水凝結(jié)在檢測器上 FID在電路打開后，會自動點火。在GC報告熄火以前，最多會連續(xù)點火三次 如果報告了熄火，要查找熄火的原因。然后再按GC上的“Ignite”功能鍵，當(dāng)色譜柱拆下或不使用檢測器時，一點要關(guān)閉氫氣。以防止氫氣積累。

21、,a,選擇性檢測器,電子捕獲檢測器（ECD） 非破壞性。 對鹵素、過氧化物、醌類金屬有機物及硝基化合物非常靈敏。 而對胺類、醇類及碳?xì)浠衔锊混`敏。 線性窄， 103 .,a,電子捕獲檢測器 ECD,主要用于食品、制藥、環(huán)保等領(lǐng)域，檢測痕量含鹵素等的樣品 一定不要試圖去拆卸該檢測器,a,電子捕獲檢測器ECD 操作原理, 射線粒子使載氣離子化: N2 + N2 + e- 在電場中生成的正離子和電子向兩極移動形成基流。 當(dāng)電負(fù)性樣品進(jìn)入后即捕獲慢速低能量電子使基流下降形成信號。 e- + sample current loss,a,氮磷檢測器(NPD）,只對氮、磷有很高的選擇性 氮的靈敏度：0.5

22、pg/sec；磷為：0.05pg/sec 主要應(yīng)用于：藥物、燃料、香料、農(nóng)藥殘留,a,氫氣流量為2.0 ml/min，空氣流量為100 ml/min。 NPD使用前要進(jìn)行珠老化，老化過程中載氣流量要小于5ml/min。 根據(jù)樣品濃度選擇不同的背景值。 NPD不能測定以鹵代烴為溶劑的樣品，極性溶劑如水、甲醇、乙醇等對珠壽命的影響較大。 分析結(jié)束后要及時關(guān)閉珠電壓，建議采用內(nèi)標(biāo)法定,氮磷檢測器(NPD）,a,火焰光度檢測器FPD,對P, S,和錫元素有選擇性 其應(yīng)用包括水和空氣中污染物的檢測、農(nóng)藥和石油天然氣的分析。 標(biāo)配為S元素的濾光片，測定P和錫時調(diào)換相應(yīng)的濾光片,a,火焰光度檢測器FPD,a

23、,FPD工作溫度為250 450度。 氫氣流量為75ml/min，空氣流量為90 ml/min。 FFD點火：打開氫氣和空氣，將FPD點火器直接至于FPD帽上即可點火。 FPD工作期間不許拿下FPD帽子，以防止FPD光電倍增管檢測器受損。 分析結(jié)束后要及時關(guān)閉FPD光電倍增管檢測器, 以延長檢測器壽命,火焰光度檢測器FPD,a,8. 定量分析方法,校正因子 校正因子是定量計算公式中的比例常數(shù)，其物理意義是單位面積所代表的被測組分的量。 可用下式表示： Mi I組分的量；fi I組分的校正因子；AiI組分的峰面積 定量分析的依據(jù)是被測組分的量與響應(yīng)信號成正比，但相同含量的物質(zhì)由于物理、化學(xué)性質(zhì)的

24、差別，即使在同一檢測器上產(chǎn)生的信號也不同，直接用響應(yīng)信號定量，必然導(dǎo)致較大誤差。故引入校正因子。,a,歸一化法(Normalized %),將樣品中所有組份的含量之和定為100%。計算其中某一組份百分含量的定量方法： 其中：xi試樣中組份I的百分含量 fi組份I的校正因子 Ai組份I的峰面積或峰高,a,優(yōu)點：方法簡便，進(jìn)樣量與載氣流速的影響不大 缺點：樣品中所有組份必須都能出峰，并且必須知道各自組份的校正因子。 當(dāng)樣品中各組份的校正因子近似相等，可不用校正因子，將面積直接歸一化，按下式計算： 即 % (NO Calibration),a,外標(biāo)法（External Standard),在相同分析條件下，比較標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與樣品的色譜峰面積或峰高 1. 用已知的標(biāo)準(zhǔn)品配成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣，測量各種濃度的峰高或峰面積，繪制響應(yīng)信號與百分含量的關(guān)系曲線； 2. 測量樣品的峰面積或峰高，在校正曲線上查出其對應(yīng)的百分含量。 要求：進(jìn)樣量、色譜分析條件嚴(yán)格不變；,a,樣品中加入內(nèi)標(biāo)物，利用被測物與內(nèi)標(biāo)物校正因子的比值不變來進(jìn)行定量的。 首先用被測物