气相色谱基础培训

1、CONFIDENTIAL美国瓦里安技术中国有限公司美国瓦里安技术中国有限公司 气相色谱仪基气相色谱仪基础础 CONFIDENTIAL内容提要. .色谱原理色谱原理. .气相色谱系统气相色谱系统. .气相色谱基本理论气相色谱基本理论. .载气载气. .进样口进样口. .色谱柱色谱柱. .检测器检测器. .定量分析定量分析CONFIDENTIAL.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。CONFIDENTIAL样品组分分离示意图进样时进样时分离时分离时洗脱时洗脱时CONFIDENTIAL2. 气相色谱系统控制

2、面板气路控制压力控制柱箱计算机色谱工作站检测器进样口气体钢瓶CONFIDENTIALv 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. 气相色谱基本理论CH4CONFIDENTIAL 保留时间（保留时间（Retention 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

3、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基本术语CONFIDENTIAL两个相邻峰的分离程度。以两个两个相邻峰的分离程度。以两个组份保留值之差与其平均半峰宽组份保留值之差与其平均半峰宽值的比来表示：值的比来表示：当当R=1 时，有时，有5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分离度（Resolution)CONFIDENTIAL例如，图示中塔板数为3.塔板理论塔板理论柱效能（Co

4、lumn Efficiency)峰展宽的度量.以塔板数来表示类似蒸馏中的气液平衡CONFIDENTIAL峰的形状理想的峰型是高斯曲线.分子的理论统计学分布CONFIDENTIALA.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CONFIDENTIAL气相中分子的扩散主要决定于气体流速影响色谱柱效率的因素B. 纵向扩散.CONFIDENTIAL 样品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。影响色谱柱效率的因素C. 传质阻力CONFIDENTIAL 综合上述三个峰展宽的因数 HEPT : 理论塔板高度 (H

5、eight 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CONFIDENTIAL 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CONFIDENTIAL N2, 变化最大, 可得到最低的HETP. H2 和 He 曲线

6、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图的影响常用毛细管柱的最佳载气流量常用毛细管柱的最佳载气流量毛细管内径（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 CONFIDENTIAL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

7、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输入压力控制流量来得到恒定的流速CONFIDENTIAL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CO

8、NFIDENTIAL 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载气气的的进进口口压压力力 H2, He, N2, Ar 一般 80 psi(5.5kg/cm2) 燃燃烧烧气气的的进进口口压压力力 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CONFIDENTIAL 仪器上所有的气体都使用 1/8” Swagelok 的接头连接气体进口及连接 （续）CONFIDENTIAL5 . 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CON

9、FIDENTIAL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 分流进样规则 不分流进样的规则 进样口CONFIDENTIAL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。CONFIDENTIALModel 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

10、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。CONFIDENTIAL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。CONFIDENTIAL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C

11、ONFIDENTIAL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。CONFIDENTIAL分流/不分流进样用于毛细管柱0.1 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。CONFIDENTIAL

12、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。CONFIDENTIAL填充柱玻璃、特氟珑及不锈钢材质 (惰性). 填充柱中填有固态载体，上面涂有液态固定相，用于气液色谱（GLC）或直接填充多孔固体

13、，用于气固色谱（GSC）.填充柱尺寸填充柱尺寸CONFIDENTIAL固态载体是液态固定相附着的载体增加与样品接触的表面积。细小、均匀、多孔。大部分采用硅土.标准大小颗粒.颗颗粒粒大大小小（目目） 平平均均的的直直径径范范围围 60 / 80 177 to 260 m 80 / 100 149 to 177 m 100 / 120 125 to 149 m 120 / 140 105 to 125 m 直径大小与目数的关系直径大小与目数的关系例如例如: 80/100目表明所有的颗粒将通过 80目筛但不通过 100目筛. 80目筛是指筛网每英寸有80根标准直径的网线。CONFIDENTIAL毛细

14、管柱不锈钢 玻璃 熔融硅.柔韧性及机械强度均较好惰性内径：0.05 - 0.80 mm .长度：可大于100 m , 普通一般为30 m。外层为聚酰亚胺，可修补柱子缺陷并且增加强度。柱子内表面进行硅烷化处理。内壁涂有固定相.CONFIDENTIAL毛细管柱截面图毛细管柱WCOT - 内表面涂有很薄的固定相.PLOT 内表面涂有多孔的固体层或吸附剂SCOT 内表面先涂固态载体，然后再涂上固定相。CONFIDENTIAL色谱柱参数柱长、内径、涂膜厚度色谱柱长度 柱长度只有大的变化才会影响分辨率。 填充柱一般为2-3 米. 毛细管柱可以根据需要进行裁剪。色谱柱内径 填充柱固定为2 mm。 毛细管柱的

15、内径可从0.10 - 0.8 mm. 内径的大小将影响到色谱柱的效率、保留时间和柱容量. 较小的内径有较小的流失和较小的柱容量CONFIDENTIAL毛细管柱内径0.25mm：用于分流/不分流进样，或柱上进样，前提是被测物不会过载。0.32mm：用于分流/不分流进样，或柱上进样，允许较高浓度的分析物。0.53mm：如果想取代填充柱，并且被测物少于30种。柱柱内内径径 ID 流流速速 (20 cm/sec 氦氦气气) 流流速速 (40 cm/sec 氢氢气气) 0.18 mm 0.3 mL/min 0.6 mL/min 0.25 mm 0.7 mL/min 1.4 mL/min 0.32 mm

16、1.2 mL/min 2.4 mL/min 0.53 mm 2.6 mL/min 5.2 mL/min 典型的毛细管柱特点CONFIDENTIAL涂膜厚度固定相的总量.影响保留时间和容量。较厚的涂层会延长保留时间和增加柱容量。薄的涂层用于高沸点的分析物。标准的毛细管柱一般为0.25 m.0.53 mm内径的毛细管柱一般为1.0 - 1.5 m.填充柱一般 10 m.CONFIDENTIAL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

17、伸峰.CONFIDENTIAL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 CONFIDENTIAL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

18、= 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CONFIDENTIAL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20C。当柱子遭受热破坏，可以看到严重的峰拖尾和柱流失。CONFIDENTIAL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

19、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。CONFIDENTIAL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。CONFIDENTIAL硅氧烷结构固定相取代CONFIDENTIAL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

20、体分析可能要求固态的固定相。 CONFIDENTIAL7. 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)CONFIDENTIAL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

21、、S、N&25 个其它元素 P：0.1pg/sec S： 1pg/sec N：20pg/sec 104 103 to 103 CONFIDENTIAL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。CONFIDENTIALTCD 热导池两个平行的气流，样品和参考。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。CONFIDENTIAL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

22、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 CCONFIDENTIALTCD 操作注意事項1. 打开气体钢瓶 (He, Ar或N2), 并须确认钢瓶无误, 输出压 为 80PSI（5.5kg/cm2 )2. 确定流速 Carrier Gas（柱流量Make up流量） = Reference Gas3. 等待 COL/ INJ / DET 溫度到達設定值4. 設定 Electro

23、nics On ( |TFIL- TDET| = T, T , 灵敏度 )5. 等待 TCD 稳定至少約 30 min 左右6. 开始分析样品7. 结束分析时设定 Electronics Off8. 降温 COL / INJ / DET = 50 (含Filament)9. 关闭气体钢瓶CONFIDENTIAL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。CONFIDENTIALFID结构图H2andmake-upairfpalametiss

24、emblysignalprobeignitorprobecollectorCONFIDENTIALFID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(2000F)。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。CONFIDENTIAL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。FID工作原理CONFID

25、ENTIAL燃烧气H2与载气（或载气尾吹气）的流速一般为1:1 。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工作原理CONFIDENTIALFID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。CONFIDENT

26、IAL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、醇类及碳氢化合物不灵敏。线性窄， 103 .CONFIDENTIAL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CONFIDENTIAL电子捕获检测器ECD 操作原理 射线粒子使载气离子

27、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 lossCONFIDENTIALECD的调节可在450GC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CONFIDENTIAL设置接触电位仪器准备完成：打开载气，设置到正确的输

28、出压力；色谱柱已经老化完成在450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CONFIDENTIAL设置接触电位（续）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 -12.6 -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

29、.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。CONFIDENTIAL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 2* = blue lightN: HNO* = NIR根据所测量的元素来选择滤光片和/或光电倍增管CONFIDENTIAL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CONFIDENTIAL 载载气气流流速速（mL/min） H2（mL/min） Air-1（

30、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。 PFPDPFPD的工作条件的工作条件CONFIDENTIAL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450GC方法的PFPD检测器部分按调节键进入 PFPDPFPD的工作条件的工作条件CONFIDENT

31、IALPFPD 操作在分析磷或硫时，需要变化滤光片。推荐采用He或N2 作为载气。检测器的温度应保持恒定为 220C，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。CONFIDENTIAL.定量分析色谱相当重要的应用 决定组分质量、浓度或物质在样品中占的百分比 平均或标准偏差用來作分析精密度的表示定量结果的数种计算方式 出峰高度分析 (peak high) 出峰面积分析 (peak area) 外标法 (ex

32、ternal standard) 內标法 (internal standard) 百分归一法 (normalized percent)CONFIDENTIAL定量分析峰高 以直线连接峰两侧的基线 测量波峰至此线的直线距离 优点: 快速简单 缺点: 出峰高度变化大，与出峰宽度成反比关系通常只有毛細柱采用此法CONFIDENTIAL定量分析峰面积 与出峰展宽效应无关 将得到比出峰高度更佳的結果 面积计算半峰宽*出峰高度 (A=h*W)減少出峰拖尾的误差出峰必須对称WhCONFIDENTIAL定量分析峰面积 重量法 將尖峰剪下、秤重 并与已知面积的记录纸重量比较 求相对面积 检测器对物质响应必须呈线

33、性 绝对进样量并不一定需要知道100%AAAreaiCONFIDENTIAL出峰面积分析范例Peak NO.TR(min)Area CountsArea%11.84220,0006.622.75103,0003.133.301,212,00036.143.80494,00014.754.79701,00020.965.10329,0009.875.59297,0008.8Total Area Counts:3,356,000100CONFIDENTIAL 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

34、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，必然导致较大误差。故引入校正因子。iiiAfmCONFIDENTIAL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%)(iiiiAfAfixCONFIDENTIAL百分归一法 (normalized percent) 或称：体积归一法 前提假设样品所有成分必須均洗脱出來所有成分都必須有响应 配置已知含量多标准品混合溶液，选择其中一个当作参比 透过响应因子计算未知物