氣相色譜儀分析法課件

2021氣相色譜儀分析法氣相色譜儀樣品在氣化室內(nèi)迅速氣化，并在恒定載氣流帶動下進入色譜柱，經(jīng)色譜柱別離后的各組分先后進入檢測器，檢測器將組分的濃度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并?jīng)過方法器放大后由記錄儀記錄測量。出峰的相對時間構(gòu)成定性分析的依據(jù)，峰面積或峰高與組分濃度成正比，構(gòu)成定量分析的依據(jù)。一、氣路系統(tǒng)

氣相色譜儀的氣路系統(tǒng)是一個載氣連續(xù)運行、管路密閉的系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)的氣密性、載氣流速的穩(wěn)定性以及流量測量的準確性都直接影響分析結(jié)果。氣路系統(tǒng)包括氣源系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、壓力流量控制系統(tǒng)。1、氣源系統(tǒng)

氣源的作用是提供足夠壓力的氣源。主要分為載氣和輔助氣。載氣是攜帶分析試樣通過色譜柱，提供試樣在柱內(nèi)運行的動力，輔助氣是提供檢測器燃燒或吹掃用。目前我國主要使用的載氣有氫氣、氮氣、氬氣、氦氣。載氣不僅要與固定相充分接觸，還要直接進入檢測器，所以載氣的性質(zhì)、純度、流速對試樣的檢測結(jié)果都有很大的影響。根據(jù)檢測器的不同可以選擇不同的載氣。1.1主流檢測器的載氣條件選擇原那么1.1.1熱導(dǎo)池檢測器〔TCD〕載氣種類：通常選用氦氣和氫氣作載氣，因為他們的熱導(dǎo)系數(shù)遠遠大于其他化合物。用氦氣和氫氣作載氣的TCD,其靈敏度高，且峰形正常，響應(yīng)因子穩(wěn)定，易于定量，線性范圍寬。載氣純度：1〕、載氣純度影響TCD的靈敏度。實驗說明：在橋流160~200mA范圍內(nèi)，用99.999%的超純氫氣比用99%的普氫靈敏度高6%~13%。2〕、對峰形也有影響，用TCD作高純氣雜質(zhì)檢測時，載氣純度應(yīng)比被測氣體高10倍以上，否那么將出倒峰。載氣流速：TCD的峰面積響應(yīng)值反比于載氣流速。在柱別離許可的情況下，載氣流速要盡量低且必須保持恒定。一般在10~20mL/min.流速波動可能導(dǎo)致基線噪聲和漂移增大。1.1.2電子捕獲檢測器〔ECD〕其靈敏度與樣品的瞬時濃度成正比，因此較小的載氣流速能獲得較大的靈敏度。載氣種類：N2、Ar、He、H2均可做ECD的載氣。N2、Ar作載氣時的基流和靈敏度均高于He、H2，故填充時通常用N2和Ar作為載氣。載氣純度：它直接影響ECD的基流或基頻。氧具有強烈的吸電子性，使基流下降。流速：載氣流速主要從組分別離要求確定，通常填充柱為20~50mL/min,毛細管柱為01~10mL/min。為保持毛細管柱到達一定的柱效，需加尾吹氣，到達減小譜帶柱變寬、保持ECD達飽和基流或穩(wěn)定基頻、峰面積到達最大響應(yīng)的目的。2、凈化系統(tǒng)2.1凈化器的作用。保證氣相色譜的分析質(zhì)量和分析結(jié)果的穩(wěn)定性，延長柱壽命和減少檢測器的噪聲。主要去除氣體中的水分、烴、氧。這些成份會產(chǎn)生噪聲、額外峰和基線“毛刺〞，破壞毛細管柱，使固定相降解，縮短色譜柱的壽命2.2吸附劑的活化一般是使用吸附劑進行吸附凈化，常用的吸附劑有硅膠、分子篩、活性炭及催化劑脫氧劑，使用前必須活化，因為減少殘留的水，增加脫水效率，且失活后可再生重復(fù)使用。針對不同氣體可以采用不同類型的分子篩到達不同的凈化要求。如以下圖：3、壓力流量控制系統(tǒng)在恒溫色譜中，色譜柱的滲透性并不改變，因此用一個穩(wěn)壓閥，使柱子進口壓力恒定，流速穩(wěn)定，這樣在一定溫度下，恒定流速將在特定的時間內(nèi)把組分沖洗出來，這個時間為保存時間。測定流速最簡便的方法是用皂膜流量計。它的實際校正公式為：采用毛細血管柱色譜分析時，在毛細血管的末端需增加尾吹氣以增加色譜柱末端氣體流速，縮短流出色譜柱的樣品組分進入檢測器所需的時間，減免可能產(chǎn)生的擴散，提高柱效別離和別離效果。以下圖為電性的雙柱氣相色譜儀氣路系統(tǒng)圖：氣路系統(tǒng)的使用注意二、進樣系統(tǒng)GC進樣可采用微量進樣器或自動進樣器取樣。自動進樣器可自動完成進樣針清洗、潤沖、取樣、進樣、換樣等過程，進樣盤內(nèi)可放置數(shù)十個試樣。常規(guī)氣相色譜儀一般有毛細管柱和填充柱兩個進樣口。毛細管柱的進樣系統(tǒng)包括進樣口、氣化室和分流器。進樣口內(nèi)插有玻璃襯管，樣品進樣后的氣化在此處完成。分流器包括分流比閥、針形閥和電磁閥等控制部件，用以完成不同進樣方式的樣品分流。進樣口的內(nèi)的襯管為氣化室，是樣品進樣瞬間發(fā)生氣化的裝置。多為玻璃或石英材料制成。進樣時針尖的位置應(yīng)位于襯管的中部，襯管中部的溫度最高而兩端的溫度較低。如下圖：進樣方式的選擇：1、物質(zhì)的性質(zhì)?！矡岱€(wěn)定性〕2、物質(zhì)的含量?！埠康拇笮?gt;50ppm,FID)3、物質(zhì)的極性?！灿贸绦蛏郎貧饣橙?、別離系統(tǒng)別離系統(tǒng)由色譜柱組成。色譜柱是色譜儀的核心，在此處完成樣品組分的別離。根據(jù)固定相狀態(tài)的不同，氣相色譜分為氣—固色譜和氣液色譜。氣—固色譜的固定相為多孔性的固態(tài)吸附劑，其別離主要基于吸附劑對樣品中各組分吸附力的不同，經(jīng)反復(fù)吸附與解吸過程實現(xiàn)別離。氣—液色譜的固定相由載體和固定液所組成，其別離主要基于固定液對樣品中各組分的溶解能力的不同、分配系數(shù)不同，組分在氣—液兩相間經(jīng)反復(fù)屢次分配實現(xiàn)別離。氣—液色譜氣—固色譜分配系數(shù)低，保留時間短吸附系數(shù)大，保留時間長吸附等溫線的直線部分范圍大，色譜峰對稱吸附等溫線的直線部分范圍很小，色譜峰不對稱重復(fù)性好，固定相批與批之間差異小重復(fù)性較差，固定相批與批之間差異大固定液一般無催化活性高溫下一般吸附劑有催化活性可用于高沸點化合物的分離適用于永久氣體和低沸點化合物品種多，選擇余地大品種小，選擇余地不大高溫下易流失在較高的柱溫下不易流失填充柱和毛細管柱相比填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內(nèi)填有固定相，柱內(nèi)徑一般為2~4mm，柱長1~10m.常用的毛細管柱分為用于氣—液分析的凃壁開管〔WCOT〕柱和用于氣—固分析或在多孔材料外表再涂一層固定液進行氣—液分析的多孔層開管〔PLOT〕柱。毛細管柱由于傳質(zhì)阻力小，與填充柱相比，具有別離效率高、分析速度快、樣品用量小等優(yōu)點，由于柱容量低，必須要求檢測器的靈敏度要高。四、檢測系統(tǒng)如果說色譜柱是色譜儀的心臟，那么檢測器就是色譜儀的眼睛。根據(jù)檢測器的響應(yīng)信號與被測組分的質(zhì)量或濃度關(guān)系，可分為濃度型和質(zhì)量型檢測器濃度型檢測器的響應(yīng)信號E與載氣中某組分濃度C成正比EαC濃度型檢測器測得的峰高表示組分通過檢測器時的濃度值，峰寬表示組分通過檢測器的時間。峰面積隨著流速增加而減少，峰高根本不變，適合檢測儀器有TCD和ECD.質(zhì)量型檢測器的響應(yīng)信號E與單位時間進入檢測器的某組分質(zhì)量成正比：Eαdm/dt質(zhì)量型檢測器測得的峰高表示組分單位時間內(nèi)通過檢測器的質(zhì)量，峰面積表示組分的總質(zhì)量。峰高隨著流速增加而增大，峰面積根本不變。適合檢測器的有FID、FPD、MSD.性能評價對檢測器的性能評價通常要求靈敏度高、檢測限低、體積小、響應(yīng)迅速、線性范圍寬等。1、響應(yīng)值〔靈敏度〕S：在一定范圍內(nèi)，響應(yīng)信號E與進入檢測器的物質(zhì)的質(zhì)量m呈線性關(guān)系。E=SmS=E/m色譜中檢測信號通常顯示為色譜峰，那么響應(yīng)值也可以由色譜峰面積A除以物質(zhì)質(zhì)量可得：S=A/m2、最低檢限值〔最低檢測量〕：噪聲水平?jīng)Q定能被檢測到的濃度或質(zhì)量。一般是將檢測器響應(yīng)值為3倍噪聲水平時的試樣濃度定義為最低檢測限。3、線性與線性范圍：檢測器的線性是指檢測器響應(yīng)值的對數(shù)值與組分量對數(shù)值之間成比例的狀況。檢測器的線性范圍是指檢測器響應(yīng)值與進入檢測器的組分量呈線性關(guān)系的范圍，常用最大允許進樣量與最小允許進樣量之比來表示。檢測器的線性范圍寬可以保證對微量組分、高含量組分同時進行定量測定。下表為常用檢測器的性能。五、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)1、溫度控制氣相色譜儀的氣化室、色譜柱箱、檢測器等都需要進行溫度設(shè)定和控制。氣化室溫度一般在250~300度。在保證樣品組分能瞬間氣化的前提下，應(yīng)盡量降低氣化室溫度，以延長隔墊等的使用壽命。色譜柱的溫度設(shè)定要低于色譜柱的最高使用溫度，在保證組分別離的前提下，應(yīng)盡可能降低色譜柱的使用溫度，以減少高溫可能帶來的固定相的流失和柱效下降。檢測器溫度的設(shè)要保證唄別離組分到達檢測器時不被冷凝。2、氣體壓力控制氣體具有穩(wěn)定的流速是GC分析定性定量分析的前提和保證。GC中氣體流速的控制是通過氣體壓力的控制來完成的。電子壓力控制〔EPC〕是目前有效控制氣相色譜儀中氣體壓力的重要部件。3、數(shù)據(jù)采集和處理硬件：是指信號采集器，可將色譜儀檢測器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能夠接受的數(shù)字信號，起著計算機與色譜儀之間的橋梁作用。軟件：是指接受由硬件傳來的色譜信號采樣數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)譜圖顯示、色譜峰檢測和基線矯正、定量計算、打印報告等功能的計算機程序。液相色譜儀高壓輸液泵：1、類型：有恒流泵和恒壓泵。2、優(yōu)勢：〔1〕高效：填料顆粒小，別離效率高，柱壓降大，泵工作壓力大?！?〕分析時間短：流速更快，柱壓降大?！?〕減少洗脫液用量?！?〕多元洗脫。過濾器：在高壓輸液泵的進口及它的出口與進樣閥之間應(yīng)設(shè)置過濾器。常見的過濾器有溶劑過濾器和管道過濾器。過濾器的濾芯采用不銹鋼燒材料，孔徑為2～3um，耐有機溶劑的侵蝕。假設(shè)發(fā)現(xiàn)過濾器堵塞〔發(fā)生流量減小現(xiàn)象〕，可將其浸入稀HNO3溶液中，在超聲波清洗器中用超聲波振蕩10～15min，即可將堵塞的固體雜質(zhì)洗出。假設(shè)清洗后仍不能到達要求，那么應(yīng)更換濾芯。脫氣裝置：所有溶劑在使用前必須脫氣。因為色譜柱是帶壓力操作的，而檢測器是在常壓下工作。假設(shè)流動相中所含的空氣不除去，那么流動相通過色譜柱時其中的氣泡受到壓力而壓縮，流出色譜柱后到檢測器時因常壓而將氣泡釋放出來，造成檢測器噪聲增大，使基線不穩(wěn)，儀器不能正常工作。梯度洗脫裝置：分低壓梯度和高壓梯度。色譜柱液相色譜柱是高效液相色譜儀的核心局部，是分析好壞、、成敗的關(guān)鍵。別離系統(tǒng)功能：組分別離目標：分辨力強、效率高檢測器理想的HPLC檢測器1〕高靈敏度，可忽略的基線噪聲。2〕寬的線性范圍3〕獨立于流動相及操作參數(shù)的響應(yīng)——對壓力、溫度及流速等變化不敏感4〕長時間操作的穩(wěn)定性5〕低死體積6〕非破壞性7〕選擇性檢測器的功能是將分析組在柱流出液中濃度的變化轉(zhuǎn)化為光學(xué)或電學(xué)信號。選擇檢測器應(yīng)考慮以下一些因素：1〕別離的化合物/樣品的化學(xué)特性——化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量、紫外光譜等2〕流動相的影響——溶劑、緩沖鹽改性劑3〕梯度還是等度4〕靈敏度需求5〕是否有雙檢測的需求紫外可見吸收檢測器原理：基于被分析組分對特定波長紫外線的選擇性吸收優(yōu)點：1〕對溫度和流速不敏感2〕可用于梯度洗脫3〕靈敏度較高，ng級檢測4〕費用相對低廉5〕易于操作，可靠性強缺點：選擇性檢測器，僅適用于測定有紫外吸收的物質(zhì)——是HPLC分析中最常見的檢測器氣相色譜和液相色譜的異同點不同點氣相液相流動相永久性氣體液體進樣器尖頭進樣針平頭進樣針色譜柱長度不同幾米——幾十米幾十——幾百毫米分析種類分子質(zhì)量小于1000，低沸點、易揮發(fā)、熱穩(wěn)定性差好的化合物高沸點，難揮發(fā)、熱穩(wěn)定性差、分子質(zhì)量1000~2000的液體化合物樣品柱前變化氣化室氣化無變化檢測器FID、TCD、ECD....紫外檢測器、熒光檢測器...相同點：根本原理相同——都是利用物質(zhì)在流動相和固定相中的分配系數(shù)的差異，從而在兩相間反復(fù)屢次的分配，是原來分配系數(shù)差異很小的各組分別離開來。二、氣相色譜固定相及其選擇1、氣—固色譜固定相氣—固色譜固定相為多孔性的固體吸附劑顆粒，其別離基于吸附劑對試樣中各組分吸附能力的不同。常有的吸附劑有：活性炭、活性氧化鋁、硅膠、分子篩、高分子多空微球。主要特點：1〕別離性能受吸附劑制備條件和活化條件的影響最大2〕不同廠家生產(chǎn)或不同活化條件得到的同一種固定相的別離效果差異較大3〕此類固定相的種類有限，適于別離的對象有限。氣—固色譜法常用的幾種吸附劑及其性能氣—液色譜固定相載體是一種化學(xué)惰性、多孔性的固體顆粒，他的作用是提供一個惰性外表，用以承擔(dān)固定液，使固定液以薄膜狀態(tài)分布在其外表上。對載體有以下幾個要求：1〕外表應(yīng)是化學(xué)惰性，即外表沒有吸附性或吸附性很弱，更不能與被測物質(zhì)器化學(xué)反響。2〕多孔性，即外表積較大，使固定液與試樣的接觸面較大。3〕熱穩(wěn)定性好，有一定的機械強度，不易破碎。4〕對載體粒度的要求，一般希望均勻、細小，一般選用60~100目等常用載體有硅藻土型和非硅藻土型兩類氣—液色譜固定液要求：1〕揮發(fā)性小，在操作溫度下有較低蒸汽壓，以秒流失2〕熱穩(wěn)定性好，在操作溫度下呈液態(tài)不分解3〕對試樣各組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰?，否那么組分易被載氣帶走而起不到分配作用4〕具有高的選擇性，對沸點相同或接近的不同物質(zhì)有盡可能高的別離能力5〕化學(xué)穩(wěn)定性好，不與被測物質(zhì)起化學(xué)反響。選擇：相似相溶原理1〕別離非極性物質(zhì)，一般選用非極性固定液2〕別離極性物質(zhì)，選用極性固定液3〕別離非極性和極性混合物，一般選用極性固定液4〕對于能形成氫鍵的試樣，一般選擇極性的或是氫鍵型的固定液氣相色譜別離與操作條件選擇一、色譜柱及有關(guān)條件的選擇1、固定相的選擇2、固定液配比的選擇3、柱長和柱內(nèi)徑的選擇4、柱溫確實定二、載氣種類和流速的選擇三、其他操作條件的選擇1、進樣方式和進樣量的選擇2、氣化溫度的選擇一、色譜柱及有關(guān)條件的選擇

如圖為色譜柱固定相極性的一般順序圖。對于非極性組分，選擇如甲基取代的聚硅氧烷非極性固定相，對于中等級的組分，選擇含苯基20%~50%的聚硅氧烷，對于極性組分，選擇聚乙二醇固定相。2、固定液配比的選擇固定液在擔(dān)體上的涂漬量，一般指的是固定液與擔(dān)體的百分比，配比通常在5%~25%之間。配比低，擔(dān)體上形成的液膜薄，傳質(zhì)阻力越小，柱效高，分析速度也越快。但固定相的負載量低，允許進樣量較小。通常使用較低的配比。3、柱長和柱內(nèi)徑的選擇增加柱長有利于提高別離度，但柱長會增加會增加組分的保存時間，同時增大柱阻力，影響柱效率。在滿足別離目的的前提下，盡可能選擇較短的色譜柱，有利于縮短分析時間，提高分析效率。一般填充柱的柱長在2~4米，毛細管柱在10—30米。對于復(fù)雜混合物可采用50、60、100米。柱內(nèi)徑增加會增加峰容量，降低柱阻力，也會降低別離度。一般填充柱選擇3~4米，一般毛細管柱優(yōu)先考慮內(nèi)徑為0.25mm的色譜柱，在根據(jù)樣品情況選擇其他內(nèi)徑。4、柱溫選擇1〕柱溫應(yīng)控制在固定液的最高使用溫度〔超過該溫度固定液易流失〕和最低使用溫度〔低于此固定液以固體形式存在〕。提高柱溫可增加組份傳質(zhì)速度，有利于降低塔板高度，改善柱效，但增加柱溫會加劇縱向擴散，