GC培训-色谱基础.pdf

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1、Varian Technologies China,Ltd.美国瓦里安技术中国有限公司GC-3800 气相色谱仪基础课程一、气相色谱基础1.色谱原理2.气相色谱系统3.色谱基本理论4.载气5.进样口6.色谱柱7.检测器8.定量分析方法1.色谱原理 根据样品各组分在流动相和固定相中的分配情况不同来进行分离。一些组分与固定相作用较强，故较慢流出色谱柱，从而得以分离。样品组分分离示意图2.气相色谱系统 色谱图 检测信号和时间的关系图 不同的色谱峰对应相应的组分 可以得到相应组分的保留时间和峰面积信息。保留时间 定性分析峰面积 定量分析3.气相色谱理论CH4基本术语基本术语保留时间（保留时间（Rete

2、ntion time)：组份从进样到出现最大值所需要的时间组份从进样到出现最大值所需要的时间，tR死时间死时间(dead time):不被固定相滞留的组份，从进样到出峰最大值所需要的时间不被固定相滞留的组份，从进样到出峰最大值所需要的时间，t0峰高（峰高（Peak Heigh)从峰最大值到峰底的距离从峰最大值到峰底的距离,峰面积（峰面积（Peak Area)峰与峰底之间的面积峰与峰底之间的面积分离度（分离度（Resolution)两个相邻峰的分离程度。两个相邻峰的分离程度。以两个组份保留值之差以两个组份保留值之差与其平均半峰宽值的比与其平均半峰宽值的比来表示：来表示：当当R=1 时，有时，有5

3、的重叠；的重叠；当当R=1.5时，分离程度为时，分离程度为99.7%，可视为基线分离，可视为基线分离 毛细管毛细管色谱柱色谱柱比填充比填充柱柱有更高的分辨率有更高的分辨率.1212)(2WWttRRR例如，图示中塔板数为3.塔板理论柱效能（Column Efficiency)峰展宽的度量.以塔板数来表示 类似蒸馏中的气液平衡 柱效的大小直接反应色谱柱的分离能力峰的形状峰的形状 理想的峰型是高斯曲线.分子的理论统计学分布A.A.涡流扩散(不同路径的影响).取决于色谱柱大小、形状和填充的好坏 毛细管柱可忽略该项影响色谱柱效率的因素B.纵向扩散.气相中分子的扩散 主要决定于气体流速C.传质阻力.样品

4、组分从气相到液相容易.主要取决于气体的流速和固定相量的多少。综合上述三个峰展宽的因数 HEPT:理论塔板高度(Height equicalent to a theoretical Plate)：HETP=A+B/+C 这里：A=涡流扩散B=纵向扩散C=传质阻力=载气的线流量低的HETP=高的色谱柱效率如果已知有效塔板数，则可计算：Neff=Lcol/HETP著名的范德母特（Van Deemter）方程由该图可以得到最佳的线速度 对于毛细管柱可忽略A项（涡流扩散），一般对于毛细管线速度为30-60 cm/sec。Van Deemter 图 N2,变化最大,可得到最低的HETP.H2 和 He 曲

5、线较平坦，即使较高的流速下也能得到较低的HETP所以即使在较高的分析速度时，也可以得到较好的分离度.4.载气对Van Deemter图的影响毛细管内径（微米）250 320 530 载气 ml/min cm/sec ml/min cm/sec ml/min cm/sec He 1.3 45 1.7 35 2.8 21 H2 1.6 55 2.1 43 3.4 26 N2 0.4 14 0.5 11 0.9 7 常用毛细管柱的最佳载气流量 气体作用：1）载气：作为色谱的流动相2）检测器的工作气体。载气：惰性：He,Ar,N2,H2.根据检测器,价格及方便程度来决定 采用压力调节器以获得恒定的仪器

6、输入压力 控制流量来得到恒定的流速气体的类型由检测器决定.气体要求色谱级的高纯气体，99.999%过滤系统:除氧.活性炭除碳氢化合物。分子筛除水Detector TCD ECD FID PFPD TSD Carrier Gases He N2 H2 Ar N2 CH4+Ar r He N2 H2 N2 He H2 He N2 Fuel Gases H2 Air H2 Air H2 Air 气体的供应和控制载气推荐采用H2、He:1)分离度好2)对TCD灵敏度最高，而且可保护W丝3)注意安全问题 两级的气体压力调节器.低压端可从0到100 psig.注意：不要用不干净的管路载气的进口压力载气的进

7、口压力 H2,He,N2,Ar 一般 80 psi(5.5kg/cm2)燃烧气的进口压力燃烧气的进口压力 H2 一般 40 psi(2.8kg/cm2)Air 一般 60 psi(4kg/cm2)气体进口及连接如果管线太长，应适当增加输出压力All gases connect to 1/8 Swagelok fittings on rear of instrument气体进口及连接（续）5、进样口 作用：样品进样和汽化.要求：精度和重现性 根据样品的性质选择进样技术 填充柱进样口柱上进样(On Column)快速气化（Flash-vaporization）毛细管柱进样口分流/不分流进样分流分流

8、进样规则不分流进样的规则填充柱进样口 柱上进样(On Column)快速气化（Flash-vaporization）柱上进样(On column)液体样品直接注射进柱头上 消除了气化时样品损失。消除了传输过程中从进样口到色谱柱之间的样品损失。可用于热不稳定物质的分析。定量分析精度好。最好用于干净稀释的样品。Model 1041可用于填充柱和0.53毛细管柱标准配制如右图，用于0.53mm的毛细管柱如用于填充柱，则将右图中的“530 micron insert拆下，将填充柱装到顶标准工具包里带两个柱螺母，一个闷头1041的进样垫为10.5mm，与1079（11.4mm）、1177(9mm)不一样

9、。快速气化（Flash-vaporization）对于浓度较高或较脏的样品。色谱柱连接在进样口底部。色谱柱完全填充。样品在玻璃内衬中气化 进样口至少高于柱温箱50C。能够用于大口径的毛细管。毛细管进样 只需要少的进样量需要特别的进样技术分流/不分流/柱上进样 载气流量小但检测器需要尾吹 需要特别的硬件隔垫吹扫分流装置压力、流量调节毛细管柱进样口要求不同的硬件和技术。直接进样.分流/不分流进样.柱上进样直接进样-(柱上进样或快速气化)只用于大口径(0.53 mm 内径).将注射器中的样品全部送入到色谱柱.允许缓慢注入较大体积的稀释样品(2 L)。相对低的进样口温度。分流/不分流进样用于毛细管柱0

10、.1 mm to 0.53 mm ID.可选用分流/不分流进样(split/splitless.)分流(split)允许样品中的代表部分进入到色谱柱中。当被测物浓度较高时。不分流(splitless)类似于直接进样.样品中绝大部分进入到色谱柱中。分流 均匀气化的样品通过分流点(柱尖端Colomn tip).样品在玻璃衬管气化 要求：将样品中具有代表性的样品注入到色谱柱中。可重现的分流比 缺点可能会有进样歧视现象。对宽沸程的样品易产生非线性分流，使样品失真不适于高纯度物质和痕量组分(60 米),内径较细.所有材料均要求化学及热性质稳定.热稳定性-分析时所使用的温度不应致使色谱柱材质受到破坏 化学

11、稳定性-在一定温度下，色谱柱材质不受分析物的影响注意：用色谱级、干净的材料。填充柱玻璃、特氟珑及不锈钢材质(惰性).材质材质 内径内径 外经外经 长度长度 不锈钢不锈钢 2 mm 1/8 inch 2-3 meters 玻璃玻璃 2 mm 1/4 inch 2 meters 特氟珑特氟珑 2 mm 1/8 inch 10 m.柱容量柱容量是指色谱峰没有明显变形，样品能够进入到色谱柱中的最大允许量。以下因素可增加柱容量:膜厚(df).温度.内径(ID).固定相的选择性.如果过载，可导致:峰变宽.不对称.拖尾或前伸峰.色谱柱中固定相流失柱流失可以从检测器的背景信号中观察到：柱流失是由于固定相遭到破

12、坏而导致的。柱流失随着膜厚、柱内径、长度和温度的增加而增加。极性柱有较高的柱流失。柱子损坏或退化，柱流失可能会增加。避免使用强酸或强碱 按照制造商推荐的温度限制使用强酸 强碱强碱 HCl H2SO4 H3PO4 HNO3 KOH NaOH NH4OH 确保载气流过毛细管柱15-30分钟.缓慢程序升温(5/min)到老化温度。最初老化温度 4 hours.如果柱子受到污染,可在推荐的最高色谱柱温度低20 C的条件下，老化柱子。一般推荐的老化温度为：Tcond=Tmax/2 -Tapp/2 +Tapp这里:Tcond=老化温度Tmax=色谱柱推荐采用的最高温度Tapp=应用中使用的最高温度在老化柱

13、子时，一定不要将毛细管接在检测器上。应将那一端放空，同时将检测器用闷头堵上。如果是FID,容许接在上面，但应该将检测器温度升上去。色谱柱老化温度限制恒温最高允许温度:恒温操作的最高允许温度程序升温最高允许温度：短期允许的最高温度，一般比恒温允许的最高温度高20 C。当柱子遭受热破坏，可以看到严重的峰拖尾和柱流失。固态固定相 气固色谱（GSC）最常用于气体样品的分析。采用的固定相可以是分子筛和氧化铝 固态吸附点少，不会导致拖尾。无液态固定相导致的柱拖尾。液体固定相 固定相决定了色谱柱的选择性。有数百种固定相，尤其是填充柱.许多固定相有多种商品名。毛细管柱的固定相选择较简单。相似相溶原理”-用极性

14、固定相分析极性物质。-用非极性固定相分析非极性物质.极性表明了分子中电荷的分配情况。硅氧烷结构固定相取代液态固定相的选择 根据极性选择固定相。非极性柱分离弱极性物质能得到较好的分离。对于普通的GC使用,常用到如VA-5这样的弱极性柱。避免固定相中带有检测器能够检测的成分。用聚乙二烯乙二醇固定相来分析带氢键的样品 气体分析可能要求固态的固定相。7.检测器 通用型检测器（Universal Detector)热导检测器（TCD）氢火焰检测器（FID）选择性检测器电子捕获（ECD）脉冲火焰光度检测器（PFPD）氮磷检测器（TSD)检测器 选择性 检测限 线性动态范围 通用型检测器 TCD 有机物、无

15、机物 非破坏性 0.2ppm 104 FID 有机物 破坏性 10pg/sec 107 选择性检测器 ECD 卤素、过氧化物、醌类、硝基化合物 0.01ppb 103 TSD P、N P：0.05pg/sec N：0.1pg/sec 103 105 PFPD P、S、N&25 个其它元素 P：0.1pg/sec S：1pg/sec N：20pg/sec 104 103 to 103 通用型检测器(Universal Detector)热导检测器（TCD）气相色谱最早的检测器,1946.测量样品气流导热性能的变化。热导-热量从高温物体到低温物体的传导。TCD 热导池 两个平行的气流，样品和参考。

16、惠斯通电桥用来比较两个气流的阻抗。气流的速度、压力及电的变化影响被最小化。气体的热导 分子越小，运动速度越快，导热性能越好。H2和He是最小的分子，它们的热导性能比绝大部分有机物和无机气体高6到10倍。H2和He是最普通的载气；N2和Ar也可采用。TCD温度的设定：Tfil-Tdet的值越大，灵敏度越高，但太高会使样品分解，且减少灯丝寿命检测器的温度Tdet：比最高的柱温高3050C灯丝温度Tfil:：一般，比Tdet高的柱温高50 CTCD 操作注意事項1.打開气体钢瓶(He,Ar或N2),並須确认钢瓶无误,输出压 为 80PSI（5.5kg/cm2)2.确定流速 Carrier Gas（柱

17、流量Make up流量）=Reference Gas3.等待 COL/INJ/DET 溫度到達設定值4.設定 Electronics On(|TFIL-TDET|=T,T,灵敏度 )5.等待 TCD 穩定至少約 30 min 左右6.開始分析样品7.結束分析時設定 Electronics Off8.降溫 COL/INJ/DET=50(含Filament)9.關閉气体钢瓶氢火焰检测器（FID）最常用的GC 检测器.-是有机物的通用型检测器。-检出限 10 pg.-线性范围可达7个数量级.-容易操作 破坏型检测器样品燃烧 信号值大小取决于碳原子数目及替代物的数量。FID结构图H2and make-

18、upairfpalame tissemblysignal probeignitor probecollectorFID工作原理理论:在火焰头和收集极（电极）上加一电压。有机物都在火焰中燃烧(2000 F)。在电极之间产生离子化介质和电子。带电粒子被收集极吸引和捕获。离子流被放大和记录。响应离子数目正比于碳原子数目(C-H键).一些官能团如羰基(CO=)、羟基(OH）、卤素（X）、胺（NH4+）则很少或根本不会离子化。对无机气体如H2O,CO2,SO2,和Nox不灵敏。火焰以氢气和空气作为燃气。在控制的流速下进行电子点火。火焰无色除非受到污染。燃烧气 H2与载气（或载气尾吹气）的流速一般为1:1

19、。空气一般为氢气的10倍。大的空气流速和热检测器可以赶走大量的水蒸气。FID燃烧气流速对信号的影响FID注意事项 正确设置H2、空气和尾吹气的流量 检测器温度应比柱温箱设定的最高温度高30C，且大于150C以防止水凝结在检测器上 FID在电路打开后，会自动点火。在3800报告熄火以前，最多会连续点火三次 如果报告了熄火，要查找熄火的原因。然后再按GC3800上的“Ignite功能键，或在工作站上关闭FID的电路，再打开 当色谱柱拆下或不使用检测器时，一点要关闭氢气。以防止氢气积累。选择性检测器电子捕获检测器（ECD）非破坏性。对卤素、过氧化物、醌类金属有机物及硝基化合物非常灵敏。而对胺类、醇类

20、及碳氢化合物不灵敏。线性窄，103.电子捕获检测器 ECDcell-pulserprobesignalprobeN2make-upcolumncollectorelectrodecellassemblyelectroncloud63Nifoilinsulationceramicinsulators主要用于食品、制药、环保等领域，检测痕量含卤素等的样品一定不要试图去拆卸该检测器电子捕获检测器ECD 操作原理 射线粒子使载气离子化:N2+N2+e-在电场中生成的正离子和电子向两极移动形成基流。当电负性样品进入后即捕获慢速低能量电子使基流下降形成信号。e-+sample current lossEC

21、D的调节可在GC-3800上进行，按Adjustment键进行 池电流：Ar/CH4；CAP；N2STD；N2HIGH以及Zero零电流是为了进行接触电位的设置一般，当Range设为1时，基线信号不应超过25mV。否则，说明可能是载气不纯、柱流失严重或检测器受污染等25mV之上的基线信号会减少ECD检测器的可用线性范围设置接触电位 仪器准备完成：打开载气，设置到正确的输出压力；色谱柱已经老化完成在3800面板上，选择DetectorECD;设置Tempture：300 CElectron:on;Range:1.0;Autozero:NO等达到设定温度后，平衡若干小时，最好过夜设置接触电位（续）

22、在ECD屏幕上，按Adjustment:将Cell Current 设为零；将Contact potential设为-760mv 注意屏幕显示的信号强度应在-12.7-13.0mv,如-12.8mv 再将接触电位设定为+760mv，信号应该增加几mv 逐渐降低接触电位的设定值，直到信号强度为开始的显示值加0.5mv,如-12.8+0.5=-12.3mv;这时的接触电位就是我们需要的接触电压，接触电位也就设好了。氮磷检测器(TSD）只对氮、磷有很高的选择性 氮的灵敏度：0.1pg/sec；磷为：green lightS:S2*=blue lightN:HNO*=NIR根据所测量的元素来选择滤光片

23、和/或光电倍增管发光的事件差与元素的选择性不同的元素发射特征光的时间不一样不同的元素发射特征光的时间不一样如下图：碳氢化合物和硫的发光强度与时间的关系如下图：碳氢化合物和硫的发光强度与时间的关系S在点火后6ms时开始发光，持续20ms，而HC的发光则在4ms内完成 载气流速（载气流速（mL/min）H2（mL/min）Air-1（mL/min）Air-2（mL/min）He 2 13 17 10 5 13 20 10 10 10 34 10 H2 2 11 17 10 5 9 18 10 10 15 31 10 N2 2 14 17 10 5 16 21 10 10 24 34 10 下表列出

24、的是常规分析条件下操作PFPD时用到的几种载气的流速。当优化PFPD的性能时使用这些流速作为起点。建议下列调节设定值用于PFPD的设置和常规操作。这些调节可以通过在3800方法的PFPD检测器部分按调节键进入元元 素素 门延迟门延迟 Gate Delay Gate Delay(ms)(ms)门开启宽度门开启宽度 Gate Width Gate Width (ms)(ms)触发电位触发电位 Trigger Lever Trigger Lever(mv)(mv)硫 6 20 200 磷 4 10 200 氮 3.5 8 200 PFPD 操作 在分析磷或硫时，需要变化滤光片。推荐采用He或N2作为

25、载气。检测器的温度应保持恒定为 220 C，以获得最大灵敏度。必须控制好燃烧气的流量，以保证火焰不会波动。(H2:13,Air#1:20,Air#2:10 mL/min)HPO*发射的绿光于火焰中磷的流速呈线性相关。S2*发出的蓝光则与火焰中硫的流速的平方线性相关。8.定量分析方法校正因子校正因子是定量计算公式中的比例常数，其物理意义是单位面积所代表的被测组分的量。可用下式表示：Mi I组分的量；fi I组分的校正因子；AiI组分的峰面积定量分析的依据是被测组分的量与响应信号成正比，但相同含量的物质由于物理、化学性质的差别，即使在同一检测器上产生的信号也不同，直接用响应信号定量，必然导致较大误

26、差。故引入校正因子。iiiAfm归一化法(Normalized%)将样品中所有组份的含量之和定为100%。计算其中某一组份百分含量的定量方法：其中：xi试样中组份I的百分含量fi组份I的校正因子Ai组份I的峰面积或峰高100%)(iiiiAfAfix优点：方法简便，进样量与载气流速的影响不大缺点：样品中所有组份必须都能出峰，并且必须知道各自组份的校正因子。当样品中各组份的校正因子近似相等，可不用校正因子，将面积直接归一化，按下式计算：即即%(%(NO Calibration)NO Calibration)100%iiAAix外标法（External Standard)又称校正曲线法 在相同分析

27、条件下，比较标准物质与样品的色谱峰面积或峰高1.用已知的标准品配成不同浓度的标准样，测量各种浓度的峰高或峰面积，绘制响应信号与百分含量的关系曲线；2.测量样品的峰面积或峰高，在校正曲线上查出其对应的百分含量。要求：进样量、色谱分析条件严格不变；样品中加入内标物，利用被测物与内标物校正因子的比值不变来进行定量的。首先用被测物标准品和内标物配制标准溶液，求得校正因子比值：然后，再由它和样品的峰面积来计算：fisfi/fs 内标物与被测组份校正因子的比值；mi被测组份i的含量；ms加入内标物的量 As内标物的峰面积；Ai组份I的峰面积；issisiAmAmffisf内标法(Internal Standard)sississiAAmisAAmffifm 内标物的要求：不能与样品或固定相反应；能与样品完全互溶；与被测组份很好分离，又比较接近；加入内标的量要接近被测组份。内标法可以补偿色谱条件和样品组成或平衡温度的细小变化而带来的影响，定量较准确。缺点：每次需要准确称量内标物和样品。也可采用内标校正曲线法。公式可改为：CfsisimmisAA