气相色谱法实验操作

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1 气相色谱法 Gas Chromatography 海南大学分析测试中心 谢艳丽

2 俄国植物学家茨维特 (Tswett) 在 1906 年使用的装置 : 色谱原型装置, 如图

3 一 色谱法 1. 概述色谱法又称色谱分析 色谱分析法 层析法, 是一种重要的分离分析方法, 它是利用混合物不同组分在两相中具有不同的分配系数 ( 或吸附系数 渗透性等 ), 当两相作相对运动时, 不同组分在两相中进行多次反复分配实现分离后, 通过检测器得以检测, 进行定性定量分析 其中不动的一相成为固定相, 而携带混合物流过此固定相的流体成为流动相 能完成这种分离的仪器即为色谱仪

4 2. 特点 混合物最有效的分离 分析方法, 分离效能高 灵敏度高 分析速度快

5 3. 色谱法原理 当流动相中携带的混合物流经固定相时, 其与固定相发生相互作用 由于混合物中各组分在性质和结构上的差异, 与固定相之间产生的作用力的大小 强弱不同, 随着流动相的移动, 混合物在两相间经过反复多次的分配平衡 使原来微小的差异累加产生了很大的效果, 形成差速迁移, 使各组分在柱内移动的同时逐渐分离, 并按一定的先后次序从色谱柱中流出 与适当的柱后检测方法结合, 实现混合物中各组分的分离与检测 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础

6 4. 色谱法分类 从不同角度有多种分类方法, 主要有以下四种 : 按流动相的状态不同主要分为三类 : (1) 气相色谱 : 流动相为气体 ( 称为载气 ) 按分离柱不同可分为 : 填充柱色谱和毛细管柱色谱 ; 按固定相的不同又分为 : 气固色谱和气液色谱 (2) 液相色谱 : 流动相为液体 ( 也称为淋洗液 ) 按固定相的不同分为 : 液固色谱和液液色谱 离子色谱 : 液相色谱的一种, 以特制的离子交换树脂为固定相, 不同 ph 值的水溶液为流动相 (3) 超临界色谱 : 流动相为超临界流体, 以固体或液体作固定相的色谱 超临界流体 : 温度和压力在超临界温度和超临界压力之上的一种既不是气体也不是液体的流体 这种流体因其密度不同, 对各种物质具有不同的溶解能力

7 按固定相使用的形式 : (1) 柱色谱 : 固定相装在色谱柱内 (2) 纸色谱 : 固定相为滤纸 (3) 薄层色谱 : 将吸附剂粉末制成薄层作固定相

8 按分离机制 : (1) 吸附色谱 : 利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离 如液 - 固色谱 (2) 分配色谱 : 利用不同组分在两相中有不同的分配系数进行分离 如液 - 液色谱 (3) 离子交换色谱 : 利用离子交换原理进行分离 (4) 排阻色谱 : 利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用进行分离

9 按使用领域不同对色谱仪的分类 : (1) 分析用色谱仪 : 又可分为实验室用色谱仪和便携式色谱仪 这类色谱仪主要用于各种样品的分析, 其特点时色谱柱较细, 分析的样品量少 (2)) 制备用色谱仪 : 又可分为实验室用制备型色谱仪和工业用大型制造纯物质的制备色谱仪 制备型色谱仪可以完成一般分离方法难以完成的纯物质制备任务, 如纯化学试剂的制备, 蛋白质的纯化 (3)) 流程色谱仪 : 在工业生产流出中为在线连续使用的色谱仪 目前主要是工业气相色谱仪, 用于化肥 石油精炼 石油化工及冶金工业中

10 二 气相色谱法 1. 概述 : 气相色谱法 (GC) 是从 1952 年才迅速发展起来的一种分离分析方法 基于不同物质物化性质的差异, 在固定相 ( 色谱柱 ) 和流动相 ( 载气 ) 构成的两相体系中具有不同的分配系数 ( 或吸附性能 ), 当两相作相对运动时, 这些物质随流动相一起迁移, 并在两相间进行反复多次的分配 ( 吸附 - 脱附或溶解 - 析出 ), 使得那些分配系数只有微小差别的物质, 在迁移速度上产生了很大的差别, 经过一段时间后, 各组分之间达到了彼此的分离 被分离的物质依次通过检测装置, 给出每个物质的信息, 一般是一个色谱峰 通过出峰的时间和峰面积, 可以对被分离物质进行定性和定量分析

11 2. 应用 石油化学 化工 有机合成 医药 生物化学 食品分析和环境监测等领域 在药物分析中, 气相色谱法已成为有关物质检查 原料药和制剂的含量测定 中草药成分分析 药物的纯化 制备的一种重要手段 气相色谱分析对象 : 分子量一般在 1000 以下 低沸点 易挥发 热稳定性较好的化合物 样品必须在进柱前变成气态分子

12 3. 分类就其操作形式而言, 气相色谱法属于柱色谱法 气相色谱法从不同的角度有不同的分类方法 : 按固定相的物态, 分为气 - 固色谱法 (GSC) 及气 - 液色谱法 (GLC) 两类 用液体做固定相时, 必须将液体均匀地涂布在多孔的化学惰性固体上 这时的固定相中的液体叫固定液, 它通常为高沸点有机物 ; 将多孔的化学惰性固体叫担体或载体 按柱的粗细和填充情况, 分为填充柱色谱法及毛细管柱色谱法两种 按分离机制, 可分为吸附及分配色谱法两类 气 - 液色谱法属于分配色谱法 在气 - 固色谱法中, 固定相常用吸附剂, 因此多属于吸附色谱法 当固体固定相为分子筛时, 分离是靠分子大小差异及吸附两种作用

13 4. 特点 优点 : 分离效能高 选择性好 ( 分离制备高纯物质, 纯度可达 99%; 可分离性能相近物质和多组分混合物 ) 灵敏度高 ( 可检测出 g 的物质 ) 样品用量少 ( 进样量可在 1mg 以下 ) 分析速度快 ( 几秒至几十分钟 ) 及应用广泛 ( 易挥发的有机物和无机物 ) 等 缺点 : 受样品蒸气压限制, 对于挥发性较差的液体 固体, 需采用制备衍生物或裂解等方法, 增加挥发性

14 5. 方法原理 气相色谱的分离原理有气固吸附色谱和气液分配色谱之分, 物质在固定相和流动相 ( 气相 ) 之间发生的吸附 脱附或溶解 挥发的过程叫分配过程 在一定温度下组分在两相间分配达到平衡时, 组分在固定相与在气相中浓度之比, 称为分配系数 不同物质在两相间的分配系数不同, 分配系数小的组分, 每次分配后在气相中的浓度较大, 当分配次数足够多时, 只要各组分的分配系数不同, 混合的组分就可分离, 依次离开色谱柱 相邻两组分之间分离的程度, 既取决于组分在两相间的分配系数, 又取决于组分在两相间的扩散作用和传质阻力, 前者与色谱过程的热力学因素有关, 后者与色谱过程的动力学因素有关 气相色谱以永久性气体 ( 如氮气 氢气 氩气等 ) 为流动相 ( 又称载气 ) 以色谱柱入口与出口的压力差为动力源

15 Agilent 6890N GC

16 6. 气相色谱仪器结构与原理 (1) 仪器结构 载气系统 进样系统 ( 进样器 ) 分离系统 ( 色谱柱 ) 检测系统 ( 检测器 ) 数据处理系统 ( 色谱工作站 )

17 辅助气 载气进样器汽化器色谱柱检测器色谱工作站 温控系统 气相色谱仪流程图方块图

18 载气系统 包括气源 气体净化器 气路控制系统 载气是气相色谱过程的流动相, 原则上说只要没有腐蚀性, 且不干扰样品分析的气体都可以作载气 常用的有 H 2 He N 2 Ar 等 在实际应用中载气的选择主要是根据检测器的特性来决定, 同时考虑色谱柱的分离效能和分析时间, 例如氢火焰离子化检测器中, 氢气是必用的燃气, 用氮气作载气 载气的纯度 流速对色谱柱的分离效能 检测器的灵敏度均有很大影响 气路控制系统的作用 : 将载气及辅助气进行稳压 稳流及净化, 以满足气相色谱分析的要求

19 对载气的一般要求 : 纯度最好大于 % 氧气含量小于 2ppm 氧气 水分 烃类的杂质总量小于 10ppm

20 载气系统的结构和性能 稳定而可调节的气流是气相色谱仪正常运行的保证, 系统中的各部件都是为此目标, 而提供稳定 且具有一定流量 ( 流速 ) 的载气和辅助气 气源 是气相色谱仪载气 和辅助气的来源, 可以是高压气体钢瓶, 也可以是气体发生器 ( 氢气 氮气 ) 和空气压缩机 通常使用的载气有氮气 氢气 氦气 氩气,TCD 多用氦气或氢气,FID 多用氦气或氮气,ECD 多用氮气或氩气 ( 混合 5% 的甲烷气 ) 辅助气为空气和氢气 氢气 氮气 气体发生器 空气

21 载气系统的结构和性能 减压阀 用于氢气的减压阀俗称氢气表, 用于 氧气 氮气的减压阀俗称氧气表, 它们是将高压钢瓶中的气体压力从 10 兆帕以上降低到 0.5 兆帕以下, 然后作为气源供气相色谱仪使用 为了防止减压阀接错钢瓶, 氢气减压阀的输入接头螺纹制成反牙 ( 逆时针旋转时拧紧 ) 氢气减压阀 氧 ( 氮 ) 气减压阀

22 稳压阀载气系统的结构和性能 稳压阀 又称为压力调节器, 它能保持输出压 力不随输入压力的变化而改变, 同时也能在输出气阻发生变化时, 保持输出压力不变 在气相色谱仪中是最重要的部件 稳流阀 它在输入气体压力不变的条件下, 能 在流路气阻发生变化时, 使输出流量 ( 质量 ) 保持不变 在程序升温气相色谱仪中为了在柱温变化时保持载气流速不变, 就必须使用稳流阀 通常稳流阀必须与稳压阀配套使用, 由稳压阀提供稳定的气压给稳流阀作为输入气源, 以保证稳流阀输出稳定的流量 其他 在气路系统中还有针形阀用于调节流路 的流量 ; 开关阀用于流路气体对控制 ; 六通阀用于气体进样 稳流阀 形阀开关阀针

23 电子流量控制系统 随着传感器和计算机技术的发展, 自上世纪 90 年代起, 电子流量控制器被广泛地应用在气相色谱仪中, 抛弃了传统的机械阀门, 用先进的流量传感器替代, 使远程调节气相色谱仪各路气体流量成为现实 现在国内外均有商品化仪器供应

24 进样系统 包括进样器和汽化室, 它的功能是引入试样, 并使试样瞬间汽化 气体样品可以用六通阀进样, 进样量由定量管控制, 可以按需要更换, 进样量的重复性可达 0.5 % 液体样品可用微量注射器进样, 重复性比较差, 在使用时, 注意进样量与所选用的注射器相匹配, 最好是在注射器最大容量下使用 工业流程色谱分析和大批量样品的常规分析上常用自动进样器, 重复性很好 在毛细管柱气相色谱中, 由于毛细管柱样品容量很小, 一般采用分流进样器, 进样量比较多, 样品汽化后只有一小部分被载气带入色谱柱, 大部分被放空 汽化室的作用是把液体样品瞬间加热变成蒸汽, 然后由载气带入色谱柱

25 汽化室 : 对于液体 固体样品在进样之前一般要用合适的溶剂进行稀释 温度 : 要求将样品各组分能够气化, 一般在 240 以上 分流比 : 以保证有良好的峰形 要适时保持清洁

26 分离系统分离系统主要由色谱柱组成, 是气相色谱仪的心脏, 它的功能是使试样在柱内运行的同时得到分离 样品在色谱柱内分离示意图

27 气相色谱填充柱 气固吸附色谱 : 以具有活性的多孔性固体 ( 吸附剂 ) 高分子多孔聚合物等固体为固定相, 所能分析的样品主要是永久性气体和低分子量的烃类等气态混合物 气液分配色谱 : 固定相是涂在惰性固体担体 ( 载体 ) 上的一层很薄的高沸点有机液体 二者均以惰性气体为流动相

28 毛细管柱 1957 年, 美国学者 Golay 在填充柱的基础上提出了毛细管色谱气相色谱法 渗透性大, 分析速度快传质阻力小, 可用长柱, 并得高的总柱效 由于它的分离高效率, 因而对所涂的固定液性质要求不像填充柱那样苛刻, 只需几根极性不同的毛细管即可解决大多数较复杂样品的分析

29 现代毛细柱是由石英拉制成空柱, 外涂聚酰亚胺层, 柱内键合固定相等工艺完成 毛细管的内径只有 mm 0.5mm,, 长度可达 100m, 常用的长度有 15m,30m 30m,50m 柱压降只相当于 4m 长的填充柱, 总理论板数一般可达 万, 使色谱分离能力大大提高

30

31 固定相组成极性类似品牌应用 SE-30 OV-1 OV-101 SE-54 SE-52 OV-1701 OV-17 二甲基硅氧烷 非极性 DB-1 HP-1 CP-Sil5CB SPB Rtx-1 BP-1 5% 苯基,1% 乙烯基甲基硅氧烷 7% 氰甲基,7% 苯基甲基硅氧烷 50% 苯基甲基硅氧烷 弱极性 DB-5 HP-5 CPSil 8CB SPB-5 Rtx-5 Bp-5 中等极性 中等极性 DB-170 BP-10 HP-1701 CPSil 19CB Rtx-1701 SPB-1701 DB-17 HP-50 SP2250 CP-Sil 19 Rtx-50 SPB-50 PEG-20M 聚乙二醇 20M 强极性 DB-WAX HP-Wax Carbowax SUPELCOWAX10 CPWAX52CB FFAP XE-60 聚乙二醇 20M 对苯二甲酸的反应产物 25% 氰乙基甲基硅氧烷 OV % 氰乙基,25% 苯基甲基硅氧烷 OV-210 OV % 三氟丙基硅氧烷 100% 三氟丙基硅氧烷 强极性 DB-FFAP.HP-FFAP.Nukol SP-1000 中极性 中极性 DB-225 HP-225 SP-2330 SPB- 225 CP-SIL43CB 烃类 胺类 酚类 农药 PCBs 挥发油 硫化物等 药物 芳烃类 酚 酯 生物碱 卤代烃 药物 农药 除草剂 TMS 糖 药物 农药 甾类等 醇类 酯 醛类 溶剂 单芳 精油等 醇 酸 酯 醛 腈 酯 硝基化合物 脂肪酸酯 PUFA Alditol 极性 DB210 Rtx200 极性化合物 有机氯 化合物 强极性 DB210 SP2401 Rtx200 极性化合物

32 柱子选择要在其极性上与被测物一致 一般, 一个常规 GC 实验室只要购置三种毛细管柱, 就可以应付 85% % 以上的分析任务 它们是 :OV: OV-1(SE-30) SE-54 OV-17(OV 17(OV- 1701) 如果再加一根 PEG-20M 柱, 则可应付 95% % 的 GC 分析任务 另加一根分析常规气体的 GASPRO 柱, 就能基本解决一般的常规分析

33 柱温的选择 : 在柱子的的正常使用温度范围之内, 小于柱子的最高使用温度约 20 初始温度, 使样品的起始峰与溶剂峰的保留时间有 3-5min 的时间间隔 升温速率, 使各组分峰之间有适当时间间升温速率, 使各组分峰之间有适当时间间隔

34 检测器 其功能是对柱后已被分离的组分的信息转变为便于记录的电信号, 然后对各组分的组成和含量进行鉴定和测量, 是色谱仪的眼睛 检测器的选择 : 原则上, 被测组分和载气在性质上的任何差异都可以作为设计检测器的依据, 但在实际中常用的检测器只有几种, 它们结构简单, 使用方便, 具有通用性或选择性 检测器的选择要依据分析对象和目的来确定

35 常见检测器 热导检测器 (TCD( TCD) 氢火焰离子化检测器 (FID( FID) 电子捕获检测器 (ECD( ECD) 火焰光度检测器 (FPD( FPD) 氮磷检测器 (NPD( NPD) 光离子化检测器 (PID( PID) 质谱检测器 (MSD( MSD)

36 热导池检测器

37 热导检测器 (TCD( TCD) 利用组分与载气的热导系数的差值进行检测, 属于浓度型检测器, 即检测器的响应值与组分在载气中的浓度成正比 基本原理 : 基于不同物质具有不同的热导系数, 几乎对所有的物质都有响应, 是目前应用最广泛的通用型检测器 在检测过程中样品不被破坏, 因此可用于制备和其它联用鉴定技术

38 部分气体和蒸气在 373ºK 时的热导系数 单位 :10-5 卡 / 厘米 度 秒 化合物 热导系数 化合物 热导系数 空气 7.5 甲烷 10.9 氢气 53.4 乙烷 7.3 氦气 41.6 丙烷 6.3 氧气 7.6 乙烯 7.4 氮气 7.5 乙炔 6.8 氩气 5.2 苯 4.4 一氧化碳 7.2 甲醇 5.5 二氧化碳 5.3 丙酮 4.2

39 缺点 : 检测器死体积大, 常用于填充柱 目前仅死体积小于 50μL 以下的微型热导池能于毛细管柱分析 灵敏度低, 仅可分析含量在 5μg/mL 级或 10ng 以上的物质, 常用于常量分析, 线性范围在 10 5 操作不当, 极宜烧毁检测元件

40 氢火焰离子化检测器 (FID( FID) 该检测器是利用氢气燃烧形成的火焰现象测定可燃性有机物质的检测器 FID 在上世纪五十年代研制色谱仪时就问世了 在色谱柱出口混入氢气的载气进入离子室的喷口, 在空气的助燃下, 形成富氢火焰, 在安装于喷嘴及其上方的一对电极间加上数百伏直流电压 ( 一般为 100V~250V ), 当柱后被分离的样品组分随载气在富氢火焰中燃烧, 被离解成正 负离子, 在电场作用下, 形成微电流, 经高阻抗微电流放大器放大, 转换成低阻抗电压讯号, 由色谱工作站或记录仪显示出来

41 氢火焰离子化检测器 (FID( FID) 原理 : 利用有机物在氢火焰的作用下化学电离而形成离子流, 借测定离子流强度进行检测 特点与应用 : 灵敏度高 ( ~ g), 线性范围宽 ( 以上 ), 响应快, 易于掌握, 操作条件不苛刻 噪声小 死体积小, 是有机化合物检测常用的检测器 但是检测时样品被破坏, 一般只能检测那些在氢火焰中燃烧产生大量碳正离子的有机化合物

42 分析对象是绝大多数有机化合物, 为质量型检测器 检测器死体积小, 适用于毛细管柱和大多数填充柱 灵敏度高, 可分析含量在 5ng/mL 或 20ng 以下的物质, 适用于微量分析, 线性范围可达 10 7 检测器的工作机理目前还未完全搞清楚, 偏向于化学电离过程 有机物在氢火焰中形成自由基与氧生成正离子, 再与水生成 H 3 O + 离子, 由化学电离产生的正离子和电子在电场作用下形成微弱的离子流 不能分析无机物和无机化合物 使用中必须用氢气作为燃烧气, 空气或氧气作为助燃气, 气路系统较复杂

43 电子捕获检测器 (ECD( ECD) 有选择性的高灵敏度的离子检测器, 对卤素 硫 磷 氮等元素的物质有强烈的响应信号, 可用于甾族化合物 金属有机化合物 金属螯合物 多环芳烃 多卤或多硫化合物的分析 在医学 农药 大气及水质污染等领域得到广泛应用

44 电子捕获检测器 (ECD( ECD) 原理 : 利用电负性物质捕获电子的能力, 通过测定电子流进行检测 特点 :ECD: 具有灵敏度高 选择性好的特点 是专属型检测器, 是目前分析痕量电负性有机化合物最有效的检测器, 元素的电负性越强, 检测器灵敏度越高, 对含卤素 硫 氧 羰基 氨基等的化合物有很高的响应 应用 : 目前已广泛应用于有机氯和有机磷农药残留量 金属配合物 金属有机多卤或多硫化合物等的分析测定 它可用氮气或氩气作载气, 最常用的是高纯氮

45 火焰光度检测器 (FPD( FPD) 对含硫和含磷的化合物有比较高的灵敏度和选择性 原理 : 当含磷和含硫物质在富氢火焰中燃烧时, 分别发射具有特征的光谱, 透过干涉滤光片, 用光电倍增管测量特征光的强度

46 含磷农药十组分分析图谱 (FPD FPD 检测器 ) 10ppm 敌百虫, 敌敌畏, 甲胺磷, 乙酰甲胺磷, 甲拌磷, 果, 甲基对硫磷, 毒死蜱, 杀螟硫磷, 马拉硫磷 乐

47 含磷农药六组分分析图谱 (FPD FPD 检测器 ) 10ppm 敌百虫氢气,, 氧气敌敌畏, 一氧化碳, 乐果, 杀螟硫磷甲烷, 二氧化碳, 马拉硫磷, 乙炔,, 毒死蜱乙烷, 乙烯

48 氮磷检测器 -NPD 氮磷检测器 (NPD) 也称为碱焰离子化检测器 (AFID) 火焰热离子化检测器 (FTD) 和热离子检测器 (TID), 与 FID 结构相似, 仅在氢气喷口上方有一含碱金属盐的陶瓷珠, 所用碱金属有 Na Rb Cs 它是一种对含氮 磷化合物有特别高的灵敏度和响应值 当氢气流经被加上低电压大电流的陶瓷珠时, 产生微弱的电流, 在电场的作用下形成基流 当有含氮或磷组分通过时, 使基流发生变化, 而形成电信号 ( 即出峰 )

49 结 论 1. NPD 是仅对氮 磷化合物有极高的选择与分析能力 磷可达 0.01pg 数量级 ; 氮可达 0.1pg 数量级, 线性范围在 检测器灵敏度与噪声取决于 陶瓷珠 的性能外, 还与载气的种类有关, 如 : 用氮气作载气要比用氦气作载气提高灵敏度 10% 3. 碱金属盐 ( 陶瓷珠 ) 的种类对检测器的可靠性和灵敏度有影响 对可靠性的优劣次序 :Na >Rb>Cs; 对灵敏度的优劣次序 : Rb> Na> Cs 4. 操作要求高, 过大的电流将使碱金属的蒸发速度加快, 使检测器的寿命降低

50 含磷农药十五组分分析图谱 (NPD NPD 检测器 ) 敌敌畏 甲拌磷 速灭磷 甲胺磷 氧化乐果 二嗪农 乙拌磷 乐果 甲基对硫磷 马拉硫磷 甲基异柳磷 水胺硫磷 喹硫磷 稻丰散 乙硫磷

51 含磷农药四组分分析图谱 (NPD NPD 检测器 ) 1ppm 敌敌畏, 甲拌磷 甲基对硫磷, 对硫磷

52 光离子化检测器 (PID) 原理 : 各种化合物的电离电位小于或等于 (10.6eV) 紫外光的辐射能量时, 就可电离为正离子和电子, 在电场作用下形成电流 (I 0 ) 样品 : 样品 : 环氧乙烷 苯 甲苯 二甲苯 乙烯 丙稀 丁烯 二氯甲烷 烷烃 ~ 辛烃, 丙酮 乙醛 ~ 己醛 磷化氢 氟里昂等 (1~50ppm)

53 质谱检测器 (MSD( MSD) 原理 : 质量型 通用型检测器, 其原理与质谱相同 它不仅能给出一般 GC 检测器所能获得的色谱图 ( 总离子流色谱图或重建离子流色谱图 ), 而且能够给出每个色谱峰所对应的质谱图 通过电脑对标准谱库的自动检索, 可提供化合物分析结构的信息, 故是 GC 定性分析的有效工具 常被成为色谱 - 质谱联用 (GC( GC-MS) ) 分析, 是将色谱的高分离能力与 MS 的结构鉴定能力结合在了一起

54 检测器 响应特性 常用气相色谱仪检测器性能比较 噪声 A TCD 浓度 0.005~ 0.01mV 基流 A 检测限 g/s 无 g/ml 线性范围 响应时间 s 最低检测量 g ~10 5 ~10-6 FID 质量 1~ ~ ECD 浓度 FPD P 质量 S 浓度 3H: 10-6 ~ ~10-10 ~ Ni 63 :10-9 g/ml NPD 质量 N:10-13 P: P: S P: : S: 10 2 ~ PID 质量 1~ ~ 本表摘自 分析仪器手册 主编 : 朱良漪

55 气相色谱的检测器 将经色谱柱分离后各个组分分量的变化转化成易检测的电信号, 然后记录或显示出来 检测器的温度一般要高于气化室 10-20

56 专用气相色谱仪

57 商品化热解吸仪 吸附管老化箱 图片不按比例

58 热解吸仪的原理 居住环境的改善, 新的装饰材料 油漆涂料, 给我们带来了欣喜, 同时也带来了新的环境污染 分析和测试空气中总挥发性有机物, 保护自然环境和国民的身体健康已成为当务之急 室内 外大气中 TVOC( 总挥发性有机物 ) 的分析研究早已在科研系统 大专院校 环境保护和卫生防疫系统中开展 其难度在于被测空气样品中 TVOC 的组成非常复杂, 且含量很低, 尤其是居住室内的空气中的 TVOC, 一般浓度在 mg/m 3 ~10mg/m 3 范围, 样品需经浓缩和热解吸, 才能用气相色谱仪分析 M.LUO

59 热解吸仪的原理 热解吸仪是针对国家质量检验检疫总局 中华人民共和国建设部联合颁布的 GB/ 民用建筑工程室内环境污染控制规范 国家标准中的室内大气中苯和 TVOC 检测方法, 而制造的 热解吸仪作为一个特种配件与常规气相色谱仪平台使用, 用于检测室内空气中的挥发性有机化合物 苯 甲苯 对 ( 间 ) 二甲苯 邻二甲苯 十一烷 M.LUO

60 热解吸仪安装在色谱仪上 M.LUO

61 汽油芳烃色谱仪

62 这是专为石油工业分析汽油而开发的 专用气相色谱仪, 配置专用色谱柱和进样 阀件系统, 自动完成汽油的全分析 M.LUO

63 白酒分析色谱仪

64 这是专为白酒制造行业分析产品 白酒的专用气相色谱仪, 现已成为制酒行业堵绝假酒和毒酒的必备设备, 它也是以常规气相色谱仪为基础的仪器 M.LUO

65 变压器油溶解气体 分析色谱仪 M.LUO

66 这是专为电力行业测定大型变压器的 潜伏性故障而开发的专用气相色谱仪, 它 是气相色谱仪的派生产品 M.LUO

67 变压器油溶解气体分析色谱仪分析谱图 0.289' H ' 2.653' w 3.996' C2H ' CO 2.096' CH ' C2H 3.677' C2H ' CO2 mv 一氧化碳 甲烷 乙烯 乙烷 二氧化碳 氢 乙炔 min M.LUO

68 在线色谱仪安装在某热电厂 仪器安装在防护箱内

69 衍生化色谱方法 对于极性大 易形成分子间氢键而难挥发热不稳定 化学活性高的化合物, 可将其进行化学衍生化, 转化成为非极性或弱极性的衍生物, 提高其挥发度以满足气相色谱分析的要求

70 裂解气相色谱法 对于高分子化合物, 可将其在一定的条件下热裂解成易挥发的小分子, 然后由载气送入色谱柱进行分析 由于裂解产物的组成和相对含量与被测物质的组成和结构有一定的对应关系, 因此每种物质裂解后得到具有各自特征性的色谱图 根据指纹图中的特征峰的存在, 鉴定试样的组成 ; 由特征峰面积的大小, 对裂解碎片定量, 从而判断其结构状态

71 流速对分离效果的影响

72 恒温气相色谱法 (IGC)( 对含多组份 沸点范围宽的样品, 若在各组份平均沸点的恒定柱温下进行分析, 对于分配系数 K 小的低沸点组份, 因其在气相的蒸汽压高, 在载气中以较高的浓度进入检测器, 可在很短的时间内以窄而重叠的一组色谱峰流出, 给定量分析带来困难 而对于分配系数 K 大的高沸点组份, 主要溶解在固定液中, 其蒸汽压低, 在载气中以低浓度和较长的时间才被带入检测器, 因而以低灵敏度的宽而扁平的峰流出 只有沸点接近柱温的组份, 其流出时间适中并有较高的分离度, 易于定量分析

73 程序升温气相色谱法 (PTGC( PTGC) 在一个分析周期内, 按预设的加热速度, 使柱温随分析时间的增加而呈线性 ( 或非线性 ) 增加, 就会使样品中的每个组份的 K 都处于连续变小的状态, 使它们在气相中的浓度不断提高, 检测器可在较短时间内连续检测到已分离的各个组份, 使其都在最佳温 ( 或称保留温度 ) 下流出, 而获得满意的分离度和相接近的柱效, 并缩短了总分析时间

74 恒温和程序升温分析烃类混合物 (a) 恒温分析 : 柱温 (b) 程序升温分析 : 柱温 50 --~ 升温速率 8 --/min

75 计算机应用技术 1. 数据处理 : 色谱工作站的功能包括色谱峰的识别 基线的校正 重叠峰和畸峰的解析, 及峰参数的计算 2. 实时控制 : 一般操作条件的控制 程序控制 自动进样控制 流路切换及阀门切换控制 3. 谱图检索使用计算机进行谱图检索, 省时 准确

76 1 色谱图 (chromatogram): 色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信号对时间或流动相流出体积的曲线图, 或者通过适当的方法观察到的纸色谱或薄层色谱斑点 谱带的分布图 2 ( 色谱 ) 峰 (chromatographic peak): 色谱柱流出组分通过检测器系统时所产生的响应信号的微分曲线 3 峰高 (h,peak height): 色谱峰最大值点到峰底的距离 ( 图中 AB) 4 峰宽 (W,peak width): 在峰两侧拐点处所作切线与峰底相交两点的距离 ( 图中的 I J )

77 5 峰底 (peak base): 峰的起点与终点之间的连接的直线 ( 图中 CD) 6 半峰宽 (W h/2,peak withd at half height): 通过峰高的中点作平行于峰底的直线, 此直线与峰两侧相交两点之间的距离 ( 图中的 GH) 7 峰面积 (A,peak area): 峰与峰底之间的面积 ( 图 1 中的 AGCBDH) 8 拖尾峰 (tailing peak): 后沿较前沿平缓的不对称的峰 9 前伸峰 (leading peak): 前沿较后沿平缓的不对称的峰 ( 又叫伸舌峰 前延峰 )

78 10 假峰 (ghost peak): 除组分正常产生的色谱峰外, 由于仪器条件的变化等原因而在谱图上出现的色谱峰, 即并非由试样所产生的峰 这种色谱峰并不代表具体某一组分, 容易给定性 定量带来误差 ( 又叫鬼峰 ) 11 畸峰 (distrorted peak): 形状不对称的色谱峰, 前伸峰 拖尾峰都属于这类 12 反峰 (negative peak): 也称倒峰 负峰, 即出峰的方向与通常的方向相反的色谱峰

79 13 死时间 (dead time): 不被固定相吸附或溶解的组分的保留时间, 死时间实际上就是流动相流经色谱柱所需要的时间, 或者组分在流动相中所消耗的时间 因此, 也叫流动相保留时间 对于同一试样所有组分组死时间都是相同的 (O A ) 14 保留时间 (retention time) : 组分从进样到出峰最大之所需的时间 (O B) 15 调整保留时间 (adjusted retention time): 组分的保留时间与死时间之差值, 即实际上就是组分被固定相滞留的总时间 (A B)

80 16 死体积 (dead volume): 不被固定相滞留的组分, 从进样到出峰最大之所需的载气体积 (O A *F) 17 保留体积 (retention volume): 组分从进样到出先峰最大之所需的载气体积 (O B*F) 18 调整保留体积 (adjusted retention volume): 减去死体积的保留体积 (A B*F) (F- 流动相 载液 的流速 )

81 19 容量因子 (capacity factor, k ): 化合物在两相间达到分配平衡时, 在固定相与流动相中的量之比 因此容量因子也称质量分配系数 K= n s /n m =t R /t M 物理意义 : 表示一个组分在固定相中停留的时间 ( t' R ) 是不保留组分保留时间 (t 0 ) 的几倍 k=0 时, 化合物全部存在于流动相中, 在固定相中不保留,t' R =0;k 越大, 说明固定相对此组分的容量越大, 出柱慢, 保留时间越长 容量因子与分配系数的不同点是 :k 取决于组分 流动相 固定相的性质及温度, 而与体积 V s V m 无关 ; K[K=(c x ) s /(c x ) M ] 除了与性质及温度有关外, 还与 V s V m 有关 由于 t' R t 0 较 V s V m 易于测定, 所以容量因子比分配系数应用更广泛

82 色谱流出曲线

83 定性分析 1. 利用保留时间定性 在一定的色谱系统和操作条件下, 各种组分都有确定的保留时间, 可以通过比较已知纯物质和未知组分的保留时间定性 方法简便, 是气相色谱定性中最常用的定性方法

84 在一根色谱柱上或一种检测器上无论用保留值或标准物定性都不一定可靠 用双柱或多柱定性时必须选择不同性能的柱子 ( 具有不同极性或氢键作用力, 或称为两柱性能正交 )

85 2. 柱前或柱后化学反应定性 在色谱柱后装 T 型分流器, 将分离后的组分导入官能团试剂反应管, 利用官能团的特征反应定性 也可在进样前将被分离化合物与某些特殊反应试剂反应生成新的衍生物, 于是, 该化合物在色谱图上的出峰位置的大小就会发生变化甚至不被检测 由此得到被测化合物的结构信息

86 3. 保留指数法 保留指数是将正构烷烃作为标准物, 把一个组分的保留行为换算成相当于含有几个碳的正构烷烃的保留行为来描述, 这个相对指数称为保留指数, 定义式如下 : I X 为待测组分的保留指数,z, 与 z+n 为正构烷烃对的碳数 规定正己烷 正庚烷及正辛烷等的保留指数为 ,, 其它类推 在有关文献给定的操作条件下, 将选定的标准和待测组分混合后进行色谱实验 ( 要求被测组分的保留值在两个相邻的正构烷烃的保留值之间 ) 由上式计算待测组分 X 的保留指数 I X, 再与文献值对照, 即可定性 保留指数随温度的变化率还可用来判断化合物的类型, 因为不同类型化合物的保留指数随温度的变化率不同

87 4. 联用技术 利用 GC/MS GC/FTIR( ( 付里叶红外光谱 ) GC/HMR, GC/AA( ( 原子吸收 ) 等定性. GC-MS 联用仪器

88 定量计算方法 绝对校正因子 : 单位峰面积或峰高对应的组分 i 的质量或浓度, 即 f ia = m i / A i 和 f ih = m i / h i f ia,f ih 与检测器性能 组分和流动相性质及操作条件有关, 不易准确测量 在定量分析中常用相对校正因子 相对校正因子 : 组分 i 与标准物质的绝对校正因子之比, 即 : F isa =f ia /f s A = A s m i /A i m s, F ish =f ih /f sh = h s m i /h i m s 式中 :F: isa,f ish 分别为组分 i 以峰面积和峰高为定量参数时的相对校正因子,f, sa,f sh 分别为基准组分 s 以峰面积和峰高为定量参数时的绝对校正因子, 其余符号的含义同前 相对校正因子只与检测器类型有关, 与色谱条件无关 由于绝对因子很少使用, 因此, 一般文献上提到的校正因子就是相对校正因子

89 1. 归一化法 : 将试样中所有组分的含量之和按 100% % 计算, 以它们相应的色谱峰面积为定量参数 如果试样中所有组分均能流出色谱柱, 并在检测器上都有响应信号, 都能出现色谱峰, 可用此法计算各待测组分 X 的含量 其计算公式如下 : 特点 : 归一化法简便, 准确, 进样量多少不影响定量的准确性, 操作条件的变动对结果的影响也较小, 尤其适用多组分的同时测定 但若试样中有的组分不能出峰, 则不能采用此法

90 2. 外标法 直接比较法 : 将未知样品中某一物质的峰面积与该物质的标准品的峰面积直接比较进行定量 通常要求标准品的浓度与被测组分浓度接近, 以减小定量误差 标准曲线法 : 取待测试样的纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液, 分别取一定体积, 进样分析 从色谱图上测出峰面积, 以峰面积对含量作图即为标准曲线 然后在相同的色谱操作条件, 分析待测试样, 从色谱图上测出试样的峰面积 ( 或峰高 ), 由上述标准曲线查出待测组分的含量

91 外标法的优点是简便, 适用于工厂的控制分析, 特别是气体分析 缺点是操作条件的稳定性 进样重复性等对定量结果影响较大, 操作时要注意, 同时还应经常考察标准曲线有无变化

92 3. 内标法内标法是在未知样品中加入已知浓度的标准物质 ( 内标物 ), 然后比较内标物和被测组分的峰面积, 从而确定被测组分的浓度 当对样品的情况不了解, 样品的基体很复杂或不需要测定样品中所有组分时, 采用这种方法比较合适 具体作法 : 准确称取 m(g) ) 试样 i,, 加入 m s (g)) 内标物 s,, 根据试样和内标物的质量比及相应的峰面积之比, 由下式计算待测组分的含量 :

93 内标法特点 : 优点 : 定量准确 因为该法是用待测组分和内标物的峰面积的相对值进行计算, 所以不要求严格控制进样量和操作条件, 试样中含有不出峰的组分时也能使用. 缺点 : 每次分析都要准确称取或量取试样和内标物的量, 比较费时

94 内标物的基本条件 1 内标物与被测组分的物理化学性质要相似 ( 如 : 沸点 极性 化学结构等 ); 2 内标物应能完全溶解于被测样品 ( 或溶剂 ) 中, 且不与被测样品起化学反应 ; 3 内标物的出峰位置应该与被分析物质的出峰位置相近, 且又能完全分离, 目的是为了避免 GC 的不稳定性所造成的灵敏度的差异 ; 4 选择合适的内标物加入量, 使得内标物和被分析物质二者峰面积的匹配性大于 75%,, 以免由于它们处在不同响应值区域而导致的灵敏度偏差

95 气相色谱方法的建立 想办法得到各种信息 向同行了解是否做过此类样品, 或有否类似样品的分析方法 查学术期刊上的文献 仪器制造商的文献 对色谱柱有足够的了解 掌握分离机理, 自己建立方法 充分了解您自己的样品

96 分析时要了解哪方面的情况? 灵敏度的要求有多高? 样品的本底是否很复杂? 有多少组份要分析? 对分析的精确度 准确度等有多高要求? 是否因是日常检验, 而要求方法容易使用?

97 如何建立分析方法 解决方案 : 查物理常数 ( 熔点, 沸点, 蒸汽压等 )Physical data 判断分子极性 Polarity estimation 选择色谱柱 column selection 选择色谱条件 Chromatographic condition 采样及样品预处理方法 Sampling and pretreatment 色谱峰鉴定 Peak Identification ---Qualitative 被分析组分的定量 Quantitative 方法的校验 (( 线性范围, 准确度, 回收率 ) Validation 理论 + 尝试 + 规范 = 方法

98 如何判断分子极性? 看结构式 -COOH,-OH,NH2,-CN, -CHO, 苯环, 烃基, 杂环等 用 Chemoffice 等化学软件计算 LogP 判断分子的亲疏水性

99 如何选择色谱柱? 1 分离非极性组分时, 通常选用非极性固定相 各组分按沸点顺序出峰, 低沸点组分先出峰 2 分离极性组分时, 一般选用极性固定液 各组分按极性大小顺序流出色谱柱, 极性小的先出峰 3 分离非极性和极性的 ( 或易被极化的 ) 混合物, 一般选用极性固定液 此时, 非极性组分先出峰, 极性的 ( 或易被极化的 ) 组分后出峰 4 醇 胺 水等强极性和能形成氢键的化合物的分离, 通常选择极性或氢键性的固定液 5 组成复杂 较难分离的试样, 通常使用特殊固定液, 或混合固定相

100 气相色谱法的应用

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114 国内相关的色谱网站 中国色谱网, 网址 : 中国分析仪器网, 网址 : 仪器信息网, 网址 :

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