1、气相色谱色谱法色谱法 generalization of chromatograph analysisu色谱法是一种物理或物理化学分离分析方法,特别适宜于分离多组分的试样,是各种分离技术中效率很高和应用最广的一种方法。u它是利用各物质在两相中具有不同的分配系数,当两相作相对运动时,这些物质在两相中进行多次反复的分配来达到分离的目的。色谱法的起源和发展一、色谱法的起源和发展俄国植物学家M.Tswett于1906年首次提出色谱法。固定相(stationary phase):填入玻璃柱内静止不动的一相(固体或液体)。流动相(mobile phase):自上而下流动的一相(液体、气体或超临界流体)。色
2、谱柱(chromatographic column):装有固定相的柱子。色谱法的起源和发展 茨维特茨维特(Tswett)的实验的实验 茨维特:俄国植物学家主要茨维特:俄国植物学家主要从事植物色素的研究工作从事植物色素的研究工作,在,在1906 年发表的文章中年发表的文章中,首次提出色谱的概念。,首次提出色谱的概念。他用碳酸钙作固定相,石他用碳酸钙作固定相,石油醚作移动相,在玻璃管油醚作移动相,在玻璃管内分离叶绿素,使人们认内分离叶绿素,使人们认识到色谱技术对物质分离识到色谱技术对物质分离和定性的潜力这通常被认和定性的潜力这通常被认为是色谱学的开始为是色谱学的开始l原理原理 使混合物中各组分使混
3、合物中各组分在两相间进行分配在两相间进行分配,其中一相是不动的其中一相是不动的(固定相固定相),),另一相另一相(流动相流动相)携带混合携带混合物流过此固定相物流过此固定相,与与固定相发生作用固定相发生作用,在在同一推动力下同一推动力下,不同不同组分在固定相中滞组分在固定相中滞留的时间不同留的时间不同,依次依次从固定相中流出从固定相中流出,又又称色层法称色层法,层析法层析法固定相固定相CaCO3颗粒颗粒流动相流动相石油醚石油醚 1906 色谱法1930 离子交换色谱法(IEC)1938 薄层色谱法(TLC)1941 分配色谱法(LLC)1944 纸色谱(PC)1952 气相色谱法(GC)195
4、9 凝胶色谱(GPC)1968 高效液相色谱法(HPLC)1988 超临界流体色谱(SFC)二、色谱法的分类(一)按两相状态分类按流动相的状态分类:气相色谱法(GC):用气体作为流动相的色谱法 液相色谱法(LC):用液体作为流动相的色谱法 超临界流体色谱法(SFC):以超临界流体作为流动相的色谱法 按固定相的状态分类:气相色谱法分:气-固色谱法(GSC)和气-液色谱法(GLC)液相色谱法分:液-固色谱法(LSC)和液-液色谱法(LLC)(二)按分离机理分类 吸附色谱法:利用物理吸附性能的差异 分配色谱法:利用分配系数的不同 离子交换色谱法:利用离子交换原理 尺寸排阻色谱法:利用分子在固定相中的
5、选择渗透(三)按操作形式分类 1.柱色谱法 填充柱色谱 毛细管柱色谱 纸色谱法 2.平面色谱法 薄层色谱法 薄膜色谱法表1-1 气相色谱法的发展简史年代发明者发明的色谱方法或重要应用1906Tswett最先提出色谱概念。1941Martin,Synge预言了气相色谱。1952Martin,James从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法1956Van Deemter等提出色谱速率理论,并应用于气相色谱。1958Golay发明毛细管柱气相色谱。1960前后IG McWilliam发明氢火焰离子化检测器(FID)J E Lovelock发明电子捕获检测器(ECD)1979Dandeneau,Hew
6、lett-Pachard制造出熔融石英毛细管柱,为现代气相色谱法的发展奠定了基础。1 概述1.0 气相色谱法的发展简史1 概述1.1 气相色谱法的分类按固定相的物态分类气-固色谱法(GSC)气-液色谱法(GLC)按柱径和填充分类填充柱色谱法(2-4mm)毛细管柱色谱法(0.1-0.53mm)按分离机制分类吸附色谱法(吸附剂固定相)分配色谱法(液体固定相)载体载体系统系统 检测检测系统系统 进样系统进样系统(气化气化)温控温控系统系统 色谱色谱工作站工作站 分离系统分离系统(色谱柱色谱柱)1 概述1.2气相色谱仪的一般流程气相色谱法定义定义:以气体为流动相的柱色谱分离技术一.基本原理气固色谱、气
7、液色谱:分配系数差异气固色谱、气液色谱:分配系数差异 气气固色谱固色谱中被分离物随着载气的流动,被测组分中被分离物随着载气的流动,被测组分在吸附剂表面进行吸附,脱附,再吸附,再脱附在吸附剂表面进行吸附,脱附,再吸附,再脱附这样这样反复的过程不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分反复的过程不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。离的目的。气气液色谱液色谱中被分离物随着载气的流动,被测组分中被分离物随着载气的流动,被测组分在固定液中进行溶解,挥发,再溶解,再挥发在固定液中进行溶解,挥发,再溶解,再挥发的过程,的过程,使不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。使不同物质在色谱柱
8、中的保留时间不同而达到分离的目的。二、气相色谱流出曲线和有关术语二、气相色谱流出曲线和有关术语 图图1 色谱流出曲线色谱流出曲线1、基线基线(base line)当色谱柱中没有组分进入检测器时,在实验操作条当色谱柱中没有组分进入检测器时,在实验操作条件下,反应检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。件下,反应检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。2、保留值保留值(retention value)表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值,表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值,通常用时间或用将组分带处色谱柱所需载气的体积来通常用时间或用将组分带处色谱柱所需载气的体积来表示。任何一种物质都有一
9、定的保留值。表示。任何一种物质都有一定的保留值。气相色谱基本术语3、死时间、死时间(dead time)指不被固定相吸附或溶解的气体(如空气、甲烷)从指不被固定相吸附或溶解的气体(如空气、甲烷)从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需时间。进样开始到柱后出现浓度最大值时所需时间。保留时间保留时间(retention time)tR指被测样品从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时指被测样品从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间间OB。4、调整保留时间、调整保留时间(adjusted retention time)tR=tR-tm 某组分由于溶解或吸附与固定相,比不溶解或不被吸某组分由于溶解或吸
10、附与固定相,比不溶解或不被吸附的组分在色谱柱中多只溜的时间。附的组分在色谱柱中多只溜的时间。气相色谱基本术语三.气相色谱仪工作原理 气相色谱分离是利用试样中各组分在色谱柱中的气相和固定相间的分配系数不同,当汽化后的试样被载气带入色谱柱中运行时,组分就在其中的两相间进行反复多次(103106)的分配(吸附-脱附-放出)由于固定相对各种组分的吸附能力不同(即保存作用不同),因此各组分在色谱柱中的运行速度就不同,经过一定的柱长后,变彼此分离,顺序离开色谱柱进入检测器,产生的离子流信号经放大后,在记录器上描绘出各组分的色谱峰。四.气相色谱仪的工作过程五.气相色谱仪的组成气路系统进样系统分离系统温控系统
11、监测记录系统气路系统气路系统是指流动相连续运行的密闭管路系统。它包括气源、净化器(净化剂有活性炭、硅胶、分子筛)气体流速控制和测量装置。通过该系统可获得纯净的、流速稳定的载体(氮气、氦气、氢气)。返回进样系统进样系统包括进样装置和气化室(液体样品在进柱之前必须在气化室内变成蒸气)。作用:是把待侧样品(气体或液体)快速而定量的加到色谱柱中进行色谱分离。返回返回分离系统色谱仪的分离系统是色谱柱(填充柱、毛细管柱)。气相色谱仪色谱柱 气相色谱分析中,某组分的完全分离取决于色谱柱的效能和选择性,后者取决于固定相的选择性。一、气一、气固色谱固定相固色谱固定相 气-固色谱法中常用固定相 非极性活性炭-永久
12、性气体,低沸点烃类 弱极性氧化铝-烃类及有机异构物 强极性硅 胶-永久性气体及低级烃 1、载体(担体)载体应是一种化学惰性、多孔型的固体颗粒,它的作用是提供一个大的惰性表面,用以承担固定液,使固定液以薄膜状态分布在其表面上。对载体的要求:表面是化学惰性的,表面没有吸附性或很弱,更不能与被测物起化学反应;多孔性,即表面积大,使固定液与试样接触面大;热稳定性好,有一定的机械强度,不易破碎;对担体粒度的要求:均匀,细小(过细柱压增大)二、气液色谱固定相二、气液色谱固定相A、对固定液的要求挥发性小 操作温度下有较低蒸气压,以免流失;热稳定性好 操作温度下不发生分解;对试样各组分有适当的溶解能力。具有高
13、的选择性 对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的溶解能力;化学稳定性好 不与被测物质起化学反应。2、固定液、固定液固定液选择相似相溶原理选择固定液的基本原则:分离非极性物质 选用非极性固定液 甲基硅油,被分离组分和固定液之间的作用力是色散力。各组分按沸点顺序先后流出色谱柱。沸点低的组分先流出,沸点高的组分后流出。如果被分离组分是同系物,由于色散力与分子量成正比,各组分按碳顺序分离。B、固定液的选择分离强极性样品分离强极性样品 选用强极性固定液选用强极性固定液,氧二丙睛,聚丙二醇己二氧二丙睛,聚丙二醇己二酸等。被分离组分和固定液之间的作用力主要是取向力酸等。被分离组分和固定液之间的作用力主要是取
14、向力(定向力),这时试样中的各组分主要按极性顺序分离,(定向力),这时试样中的各组分主要按极性顺序分离,极性小的物质先流出色谱柱,极性大的后流出。极性小的物质先流出色谱柱,极性大的后流出。分离极性和非极性混合物时分离极性和非极性混合物时 可选用非极性固定液也可选用极性固定液,应视组分的可选用非极性固定液也可选用极性固定液,应视组分的性质而定。如果沸点为主要矛盾,则应选用非极性;若性质而定。如果沸点为主要矛盾,则应选用非极性;若极性差别为主,应选极性固定液。极性差别为主,应选极性固定液。分离中等极性样品 选择中等极性固定液邻苯二甲酸二壬酯、聚乙二醇己二酸、甲基硅油。被分离组分和固定液分子之间的作
15、用力是色散力和诱导力,组分按沸点顺序分离。对于能形成氢键的组分 一般选用强极性和氢键型固定液,多元醇固定液。此时样品中各组分按和固定液之间形成氢键能力大小的顺序分离,不易形成氢键的先流出,最易形成氢键的后流出。对于复杂的难分离的物质,可以选用两种或两种以上的混合物固定液。固定液的性质对分离是起决定作用的。一般来讲,担体的表面积越大,固定液用量可以越高,允许的进样量也就越多。固定液量太低,液膜越薄,允许的进样量也就越少 固定液用量根据具体情况决定。固定液的配比(固定液与担体质量比):一般用5:100到25:100,也有低于5:100的。3、固定液的性质和用量、固定液的性质和用量返回温控系统温控系
16、统是指对气相色谱的气化室、色谱柱和检测器进行温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温。气化室温度比柱温高10500C检测器温度与柱温相同或略高于柱温,以防止样品在检测器冷凝。返回检测记录系统检测记录系统包括:检测器、放大器和记录仪。毛细管柱具有柱容量小,出峰快的特点。固定相的选择一般可按“相似相溶”原则来选择固定液。气相色谱的检测器浓度型检测器浓度型检测器热导池检测器热导池检测器(TCD)电子捕获检测器(电子捕获检测器(ECD)质量型检测器质量型检测器氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器(FID)火焰光度检测器火焰光度检测器(FPD)浓度型检测器:浓度型检测器:测量的是载气中某组分浓度瞬
17、间的变化,即检测器的响应值和组分浓度成正比。质量型检测器:质量型检测器:测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化,即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的质量成正比。1、热导池的结构、热导池的结构 双臂热导池 四臂热导池 一、热导池检测器一、热导池检测器(thermal conductivity detector)TCD表示表示热导池由池体(不锈钢块)和热敏元件(铼钨合金热导池由池体(不锈钢块)和热敏元件(铼钨合金)构成)构成。双臂热导池:一臂参比池;一臂测量池双臂热导池:一臂参比池;一臂测量池 四臂热导池:两臂是参比;两臂是测量四臂热导池:两臂是参比;两臂是测量2、热导池检测的基本原理
18、、热导池检测的基本原理将电桥在未通入试样与通入试样后平衡性的差异(以电位差的形式来表现)记录下来,得到色谱峰,反映待测物浓度。(1)桥路工作电流一般桥路电流控制在100200mA左右。氮气作载气100150mA氢气作载气150200mA(2)热导池温度的影响一般池体温度不应低于柱温。3、影响热导池检测器灵敏度的因素、影响热导池检测器灵敏度的因素 (3)载气的影响)载气的影响 载气与试样的热导数相差越大,则灵敏度越高。载气与试样的热导数相差越大,则灵敏度越高。一般选择热导系数大的载气一般选择热导系数大的载气:H2、He(灵敏度较(灵敏度较高)。高)。(4)热敏元件阻值的影响)热敏元件阻值的影响
19、选择阻值高、电阻温度系数大的热敏元件(钨丝)选择阻值高、电阻温度系数大的热敏元件(钨丝)(5)热导池的死体积较大,灵敏度较低)热导池的死体积较大,灵敏度较低 应使用具有微型池体(应使用具有微型池体(2.5L)的热导池。)的热导池。二、氢火焰离子化检测器二、氢火焰离子化检测器(flame ionization detector)FID 对含碳有机化合物有很高的灵敏度。适用于痕量有机物的分析。特点:结构简单、灵敏度高、响应块、稳定性好、死体积小、线性范围宽。1、氢火焰检测器的结构、氢火焰检测器的结构 离子化室、火焰喷嘴、一对电极、外罩2、氢焰检测器作用原机理、氢焰检测器作用原机理A A区:预热区区
20、:预热区B B层:点燃火焰层:点燃火焰C C层:热裂解区:层:热裂解区:温度最高温度最高D D层:反应区层:反应区(1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时,在C层发生裂解反应产生自由基:CnHm CH(2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应:CH+O CHO+e(3)生成的正离子CHO+与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应:CHO+H2O H3O+CO(4)(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流(约10-610-14A);(5)在一定范围内,微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比,所以
21、氢焰检测器是质量型检测器。(6)组分在氢焰中的电离效率很低,大约五十万分之一的碳原子被电离。(7)离子电流信号输出到记录仪,得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线(1)气体流量 载气流量 一般用氮气作载气,最佳载气流速 氢气流量 氢气流量与载气流量之比影响氢火焰的 温度及火焰中的电离过程。H2:N21:11:1.5(最佳氢氮比)空气流量 空气是助燃气 空气流量高于某一数值(400mLmin-1)对影响值 几乎没有影响。一般 H2:空气1:10 3、操作条件选择、操作条件选择(3)极化电极 极化电压的大小直接影响响应值。一般选100V300V(4)使用温度 氢焰检测器的温度不是主要影响因素 8
22、0200灵敏度几乎相同。80以下灵敏度显著下降。(水蒸气冷凝所致)三、电子捕获检测器(三、电子捕获检测器(electron capture detector它是一种具有选择性,高灵敏度的浓度型检测器。它对具有电负性的物质(卤素、硫、磷、氮、氧)有响应,电负性越强,灵敏度越高。能检测10-14gmL-1物质。电子捕获型检测器结构 进入检测器的载气在放射源的照射下发生电离,产生的各种离子在恒定电场的作用下形成恒定的基流。当有电负性较大的试样进入时,会捕获带正电的离子,而使基流降低,形成倒峰,组分浓度越高,倒峰愈大。电子捕获型检测器,高灵敏度,高选择性,常用于痕量的具有特殊官能团的组分分析。食品,农
23、副产品中农药残留量分析;大气、水中痕量污染物分析。注意:载气纯度应在4个9以上。线性范围较宽 103左右 进样量不可超载。四.火焰光度检测器 (flame photometric detector FPD)气相色谱仪用的一种对含磷、含硫化合物有高选择型、高灵敏度的检测器。试样在富氢火焰燃烧时,含磷有机化合物主要是以HPO碎片的形式发射出波长为526nm的光,含硫化合物则以S2分子的形式发射出波长为394nm的特征光。光电倍增管将光信号转换成电信号,经微电流放大纪录下来。此类检测器的灵敏度可达几十到几百库仑/克,最小检测量可达10-11克。同时,这种检测器对有机磷、有机硫的响应值与碳氢化合物的响
24、应值之比可达104,因此可排除大量溶剂峰及烃类的干扰,非常有利于痕量磷、硫的分析,是检测有机磷农药和含硫污染物的主要工具。检测器的性能指标检测器的性能指标要求:响应快、灵敏度高、稳定性好、线性范围宽。1、灵敏度(响应值或应答值)、灵敏度(响应值或应答值)一定浓度或一定质量的试样进入检测器后,就产生一定的相应信号R。如果以进样量Q对检测器作图,就可得到一直线。图中直线的斜率就是检测器的灵敏度。QRS2、检出限、检出限D(detection limit)检出限也称敏感度。是指检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时,在单位体积或时间需向检测器进入的物质质量(单位为g)通常认为恰能鉴别的响应信号重力应等于
25、检测器噪声的3倍。检出限以D表示,则可定义为N为检测器噪声,指由于各种因素所引起的基线在段时间内左右偏差值(单位mv),S为检测器的灵敏度。一般;D值越小说明仪器越敏感。SND3 要求检测器能够迅速的和真实的反应通过它的物质的浓度变化情况,即要求相应速度快。检测器体积要小,电路系统的滞后现象尽可能小,一般小于1s,记录仪的全行程时间要(1s)。3、响应时间(、响应时间(response time)六六.分离操作条件的选择分离操作条件的选择1、载气及其流速的选择、载气及其流速的选择CuuBAH用在不同流速下测得的塔板高度H对了流速u作图,得Hu曲线图(图2-7)曲线的最低点,塔板高度H最小。此时
26、,柱效最高。该点所对应的流速为最佳流速u最佳。一般采用稍高于最佳流速的10%作为载气流速2-7 塔板高度与载气流速的关系2、柱温的选择、柱温的选择柱温:重要的操作变数,直接影响分离效能和分析速度。柱温不能高于固定液的最高温度,否则挥发流失。柱温选择的原则:在使最难分离的组分能尽可能好的分离前提下,尽可能采取较低的柱温,但以保留的时间为宜,峰形不脱尾为度。对于高沸点混合物(300400)希望在较低温度下进行(低于沸点100200)分析柱温:重要的操作变数,直接影响分离效能和分析速度。沸点不太高的混合物(200300)可在中等柱温下进行,固定液质量分数510柱温比平均沸点低100。沸点在10020
27、0的混合物,柱温可选在其平均沸点2/3左右,固定液质量分数1015。对于气体、气态烃等低沸点混合物,柱温选在其沸点及沸点以上,能在室温50以下分析。固定液质量分数一般在1525。对于沸点范围较宽的试样,宜采用程序升温。3、进样时间和进样量、进样时间和进样量 进样时间在一秒以内。时间过长,试样原始宽度变大,半缝宽必将变宽,甚至峰变形。进样量一般:液体试样 0.15L 气体样 0.110mL 进样量太多,会使几个峰叠在一起,分离不好。进样量太少,含量少的组分因检测器灵敏度不够而不出峰。最大进样量应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系。气相色谱仪的应用气相色谱仪的应用在石油化学工业中大部分的原料和产
28、品都可采用气相色谱法来分析;在电力部门中可用来检查变压器的潜伏性故障;在环境保护工作中可用来监测城市大气和水的质量;在农业上可用来监测农作物中残留的农药;在商业部门可和来检验及鉴定食品质量的好坏;在医学上可用来研究人体新陈代谢、生理机能;在临床上用于鉴别药物中毒或疾病类型;在宇宙飞船中可用来自动监测飞船密封仓内的气体等等 注意问题一、进样应注意问题 手不要拿注射器的针头和有样品部位、不要有气泡(吸样时要慢、快速排出再慢吸,反复几次,10ul 注射器金属针头部分体积 0.6ul,有气泡也看不到,多吸 1-2ul 把注射器针尖朝上气泡上走到顶部再推动针杆排除气泡,(指 10ul 注射器,带芯子注射器平感觉)进样速度要快(但不易特快),每次进样保持相同速度,针尖到汽化室中部开始注射样品。二、安装色谱柱 1.安装拆卸色谱柱必须在常温下。2.填充柱有卡套密封和垫片密封,卡套分三种,金属卡套,塑料卡套,石墨卡套,安装时不易拧的太紧。垫片式密封每次按装色谱柱都要换新的垫片(岛津色谱是垫片密封)。3.色谱柱两头是否用玻璃棉塞好。防止玻璃棉和填料被载气吹到检测器中。4.毛细管色谱柱安装插入的长度要根据仪器的说明书而定,不同的色谱汽化室结构不同,所以插进的长度也不同。需要说明的如果你用毛细管色谱柱采用不分流,汽化室采用填充柱接口这时与汽化室连接毛细管柱不能探进太多,略超出卡套即可。谢谢!
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