氣相色譜儀基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)PPT演示課件

1、1,氣相色譜儀基礎(chǔ)課程,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(cè)器 定量分析方法,1. 色譜原理,根據(jù)樣品各組分在流動(dòng)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(qiáng)，故較慢流出色譜柱，從而得以分離,樣品組分分離示意圖,2. 氣相色譜系統(tǒng),色譜圖,檢測(cè)信號(hào)和時(shí)間的關(guān)系圖 不同的色譜峰對(duì)應(yīng)相應(yīng)的組分 可以得到相應(yīng)組分的保留時(shí)間和峰面積信息。 保留時(shí)間 定性分析 峰面積 定量分析,3. 氣相色譜理論,CH4,基本術(shù)語 保留時(shí)間（Retention time)： 組份從進(jìn)樣到出現(xiàn)最大值所需要的時(shí)間，tR 死時(shí)間(dead time): 不被固

2、定相滯留的組份，從進(jìn)樣到出峰最大值所需要的時(shí)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,分離度（Resolution) 兩個(gè)相鄰峰的分離程度。以兩個(gè)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(shí)，有5的重疊； 當(dāng)R=1.5時(shí)，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,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,峰的形狀,理想的峰型是高斯曲線. 分子的理論統(tǒng)計(jì)學(xué)分布,A. 渦流擴(kuò)散 (不同路徑的影

3、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(xiàng),影響色譜柱效率的因素,B. 縱向擴(kuò)散,氣相中分子的擴(kuò)散 主要決定于氣體流速,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,綜合上述三個(gè)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(kuò)散 B = 縱向擴(kuò)散 C = 傳質(zhì)阻力 = 載氣的線流量 低的 HETP= 高的色譜柱效率 如果已知有效塔板數(shù)，則可計(jì)算,Neff = Lcol / HETP,著名的范德母特（Van

4、Deemter）方程,由該圖可以得到最佳的線速度 對(duì)于毛細(xì)管柱可忽略A項(xiàng)（渦流擴(kuò)散），一般對(duì)于毛細(xì)管線速度為30-60 cm/sec,Van Deemter 圖,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(shí)，也可以得到較好的分離度,4. 載氣對(duì)Van Deemter圖的影響,常用毛細(xì)管柱的最佳載氣流量,氣體,作用： 1）載氣：作為色譜的流動(dòng)相 2）檢測(cè)器的工作氣體。 載氣： 惰性：He, Ar, N2, H2. 根據(jù)檢測(cè)器, 價(jià)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

5、恒定的流速,氣體的類型由檢測(cè)器決定. 氣體要求色譜級(jí)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(duì)TCD靈敏度最高，而且可保護(hù)W絲 注意安全問題,兩級(jí)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,氣體進(jìn)口及連接 （續(xù),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)選擇進(jìn)樣技術(shù),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

6、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,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(shí)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,快速氣化（Flash-vaporization,對(duì)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,25,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

7、/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),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(duì)低的進(jìn)樣口溫度,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(cè)物濃度較高時(shí)。 不分流(splitless) 類似

8、于直接進(jìn)樣. 樣品中絕大部分進(jìn)入到色譜柱中,分流,均勻氣化的樣品通過分流點(diǎn)(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(diǎn) 可能會(huì)有進(jìn)樣歧視現(xiàn)象。對(duì)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,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笥?0ml/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

9、.R.,分流進(jìn)樣規(guī)則,進(jìn)樣口溫度比樣品中最高沸點(diǎn)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(dòng)進(jìn)樣器一般為1L或更少。對(duì)高沸點(diǎn)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(diǎn)，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,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)過色譜柱和隔墊吹掃. 將進(jìn)樣口溫度設(shè)置為沸點(diǎn)最高物質(zhì)的沸點(diǎn)上。 開始時(shí)，柱溫箱溫度設(shè)定為比溶劑的沸點(diǎn)低20C，保持1分鐘，然后以30C/min的速度升到比溶劑沸點(diǎn)高 40-60C的溫度，然后再根據(jù)樣品需要程序升溫。 進(jìn)樣

10、時(shí)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,6. 色譜柱,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(shí)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 - 在一定溫度下，色譜柱材質(zhì)不受分析物的影響 注意：用色譜級(jí)、干凈的材料,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,

11、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(hào)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,毛細(xì)管柱,不銹鋼 玻璃 熔融硅. 柔韌性及機(jī)械強(qiáng)度均較好 惰性 內(nèi)徑：0.05 - 0.80 mm . 長度：可大于100 m , 普通一般為30 m。 外層為聚酰亞胺，可修補(bǔ)柱子缺陷并且增加強(qiáng)度。 柱子內(nèi)表面進(jìn)行硅烷化處理。 內(nèi)壁涂有固定相,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

12、吸附劑 SCOT 內(nèi)表面先涂固態(tài)載體，然后再涂上固定相,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(huì)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(shí)間和柱容量. 較小的內(nèi)徑有較小的流失和較小的柱容量,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(cè)物不會(huì)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(cè)物少于30種,典型的毛細(xì)管柱特點(diǎn),涂膜厚度,固定相的總量

13、. 影響保留時(shí)間和容量。 較厚的涂層會(huì)延長保留時(shí)間和增加柱容量。 薄的涂層用于高沸點(diǎn)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,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 (df). 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(duì)稱. 拖尾或前伸峰,色譜柱中固定相流失,柱流失可以從檢測(cè)器的背景信號(hào)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

14、失。 柱子損壞或退化，柱流失可能會(huì)增加。 避免使用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿 按照制造商推薦的溫度限制使用,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 = 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(shí)，一定不要將毛細(xì)管接在檢測(cè)器上。應(yīng)將那一端放空，同時(shí)將檢測(cè)器用悶頭堵上。如果是FID,容許接在上面，但應(yīng)該將檢測(cè)器

15、溫度升上去,色譜柱老化,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,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(diǎn)少，不會(huì)導(dǎo)致拖尾。 無液態(tài)固定相導(dǎo)致的柱拖尾,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(jiǎn)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,硅

16、氧烷結(jié)構(gòu),固定相取代,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(duì)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(cè)器能夠檢測(cè)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,7. 檢測(cè)器,通用型檢測(cè)器（ Universal Detector) 熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD） 氫火焰檢測(cè)器（FID） 選擇性檢測(cè)器 電子捕獲（ECD） 脈沖火焰光度檢測(cè)器 （FPD） 氮磷檢測(cè)器（NPD,通用型檢測(cè)器(Universal Detector,熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD） 氣相色譜最早的檢測(cè)器, 1946. 測(cè)量樣品氣流導(dǎo)熱

17、性能的變化。 熱導(dǎo)-熱量從高溫物體到低溫物體的傳導(dǎo),TCD 熱導(dǎo)池,兩個(gè)平行的氣流，樣品和參考。 惠斯通電橋用來比較兩個(gè)氣流的阻抗。 氣流的速度、壓力及電的變化影響被最小化,氣體的熱導(dǎo),分子越小，運(yùn)動(dòng)速度越快，導(dǎo)熱性能越好。 H2 和He是最小的分子，它們的熱導(dǎo)性能比絕大部分有機(jī)物和無機(jī)氣體高6到10倍。 H2 和He是最普通的載氣；N2 和Ar也可采用,TCD 操作注意事項(xiàng) 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 / D

18、ET 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(shí)設(shè)定 Electronics Off 8. 降溫 COL / INJ / DET = 50 (含F(xiàn)ilament) 9. 關(guān)閉氣體鋼瓶,氫火焰檢測(cè)器（FID,最常用的GC 檢測(cè)器. - 是有機(jī)物的通用型檢測(cè)器。 - 檢出限 10 pg. - 線性范圍可達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí) . - 容易操作 破壞型檢測(cè)器樣品燃燒 信號(hào)值大小取決于碳原子數(shù)目及替代物的數(shù)量,FID結(jié)構(gòu)圖,FID工作原理,理論: 在火焰頭和收集極（電極）上加一電壓。 有機(jī)物都在火焰中燃燒(2

19、000F)。 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,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(tuán)如羰基(CO=)、羥基(OH）、鹵素（X）、胺（NH4+）則很少或根本不會(huì)離子化。 對(duì)無機(jī)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(diǎn)火。 火焰無色除非受到污染,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(cè)器可以趕走大量的水蒸氣,FID注意事項(xiàng),正確設(shè)置H2、空氣的流量 檢測(cè)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

20、檢測(cè)器上 FID在電路打開后，會(huì)自動(dòng)點(diǎn)火。在GC報(bào)告熄火以前，最多會(huì)連續(xù)點(diǎn)火三次 如果報(bào)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(cè)器時(shí)，一點(diǎn)要關(guān)閉氫氣。以防止氫氣積累,選擇性檢測(cè)器,電子捕獲檢測(cè)器（ECD） 非破壞性。 對(duì)鹵素、過氧化物、醌類金屬有機(jī)物及硝基化合物非常靈敏。 而對(duì)胺類、醇類及碳?xì)浠衔锊混`敏。 線性窄， 103,電子捕獲檢測(cè)器 ECD,主要用于食品、制藥、環(huán)保等領(lǐng)域，檢測(cè)痕量含鹵素等的樣品 一定不要試圖去拆卸該檢測(cè)器,電子捕獲檢測(cè)器ECD 操作原理,射線粒子使載氣離子化: N2 + N2 + e- 在電場(chǎng)中生成的正離子和電子向兩

21、極移動(dòng)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(hào)。 e- + sample current loss,氮磷檢測(cè)器(NPD,只對(duì)氮、磷有很高的選擇性 氮的靈敏度：0.5pg/sec；磷為：0.05pg/sec 主要應(yīng)用于：藥物、燃料、香料、農(nóng)藥殘留,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(cè)定以鹵代烴為溶劑的樣品，極性溶劑如水、甲醇、乙醇等對(duì)珠壽命的影響較大。 分析結(jié)束后要及時(shí)關(guān)閉珠電壓，建議采用內(nèi)標(biāo)法定,氮磷檢測(cè)器(NPD,火焰光度檢

22、測(cè)器FPD,對(duì)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(cè)、農(nóng)藥和石油天然氣的分析。 標(biāo)配為S元素的濾光片，測(cè)定P和錫時(shí)調(diào)換相應(yīng)的濾光片,火焰光度檢測(cè)器FPD,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(diǎn)火：打開氫氣和空氣，將FPD點(diǎn)火器直接至于FPD帽上即可點(diǎn)火。 FPD工作期間不許拿下FPD帽子，以防止FPD光電倍增管檢測(cè)器受損。 分析結(jié)束后要及時(shí)關(guān)閉FPD光電倍增管檢測(cè)器, 以延長檢測(cè)器壽命,火焰光度檢測(cè)器FPD,8. 定量分析方法,校正因子 校正因子是定量計(jì)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(cè)組

23、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(cè)組分的量與響應(yīng)信號(hào)成正比，但相同含量的物質(zhì)由于物理、化學(xué)性質(zhì)的差別，即使在同一檢測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)也不同，直接用響應(yīng)信號(hào)定量，必然導(dǎo)致較大誤差。故引入校正因子,歸一化法(Normalized ,將樣品中所有組份的含量之和定為100%。計(jì)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,優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)便，進(jìn)樣量與載氣流速的影響不大 缺點(diǎn)：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(jì)算： 即 % (NO Calibration,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(cè)量各種濃度的峰高或峰面積，繪制響應(yīng)信號(hào)與百分含量的關(guān)系曲線； 2. 測(cè)量樣品的峰面積或峰高，在校正曲線上查出其對(duì)應(yīng)的百分含量。 要求：進(jìn)樣量、色譜分析條件嚴(yán)格不變,樣品中加入內(nèi)標(biāo)物，利用被測(cè)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(cè)