自动检测技术气相色谱简介

1、气相色谱仪在环境样品分析中的应用化学与分析测试实验室1主要内容 实验室现有气相色谱仪 气相色谱分析的基本知识 气相色谱分析应用示例2实验室现有气相色谱仪（70年代） 川分SC-73实验室现有气相色谱仪（80年代） P-E/3920B4实验室现有气相色谱仪（80年代） P-E/3920B5实验室现有气相色谱仪（90年代） 北分/34106实验室现有气相色谱仪（90年代） 北分/34107实验室现有气相色谱仪（90年代） 北分/34108实验室现有气相色谱仪（90年代） Agilent/48909实验室现有气相色谱仪（90年代） Agilent/4890D10实验室现有气相色谱仪（最新型） Agi

2、lent/6890N11实验室现有气相色谱仪（最新型） Agilent/6890N12实验室现有气相色谱仪（最新型） Agilent/6890N13实验室现有气相色谱仪（最新型） Agilent/6890N14实验室现有气相色谱仪（最新型） Agilent/6890N15气相色谱分析的基本知识 色谱法的历史俄国植物学家M. S. Tswett将植物色素的石油醚抽提液倒入一根装有碳酸钙微粒的竖直玻璃管中，再加入纯石油醚淋洗，在管中形成不同颜色的色带，抽提液中不同的色素得到分离。1906年他发表文章称这些色带为“色谱图”，称此方法为“色谱法”。“色谱”因此而得名。起分离作用的柱称为色谱柱，柱内填充

3、物称为固定相，沿柱流动的液相称为流动相。16色谱法分离分析的原理：利用组分在体系中固定相与流动相的分配有差异，当组分在两相中反复多次进行分配并随流动相向前移动，各组分沿色谱柱运动的速度就不同，在固定相分配少的组分较快地随流动相从色谱柱流出。更通俗的说法：一群运动员在一条泥泞的道路上顺风赛跑，同时起跑后，因本身体力差异及道路、风力的影响，相互的距离逐渐增大，最后于不同的时间到达终点。道路越长，运动员彼此间拉开的距离越大。 气相色谱分析的基本知识 色谱法的原理17 气相色谱法（GC）：气固色谱法、气液色谱法 液相色谱法（LC）：液固色谱法、液液色谱法气相色谱分析的基本知识 色谱法的分类18气相色谱

4、分析的基本知识 气相色谱与液相色谱的比较气相色谱液相色谱流动相气体流动相液体流动相推动力高压气体(如H2、He)高压泵抽有机溶剂(如甲醇、乙腈)色谱柱流动相阻力小可用长柱(如毛细柱长达数十米甚至数百米)流动相阻力大，短柱(几十厘米)分析对象A分析易挥发的化合物(通常300以下可气化的物质)B不能分析不气化的化合物（如高分子化合物）C不能分析热不稳定化合物（如蛋白质）A不能直接分析气体物质B可分析不气化的高分子化合物C可分析热不稳定化合物（如蛋白质、核酸）19气相色谱分析的基本知识 气相色谱仪的发展定性、定量结果物质的物理、化学特性转变成电学特性并建立质和量的关联电信号数据记录并处理色谱柱及柱箱

5、样品气体流动相20早期的色谱工作者使用自制气相色谱仪美国Perkin-Elmer公司：1954年首先有商品化的填充柱气相色谱仪问世，1959年推出毛细管柱气相色谱仪。英国、日本、意大利等国随后相继生产许多型号的色谱仪。1975年以来，美国与日本的气相色谱仪在我国占有很大市场。气相色谱分析的基本知识 气相色谱仪的发展21我国色谱法起步于1954年。1961-65年间，大连化物所与大连第二仪表厂和天津试剂二厂合作研制并生产出我国最早的气相填充柱、毛细柱色谱仪和制备色谱仪。其后北京、上海、南京、天津、重庆、山东等地多家工厂生产多种型号气相色谱仪目前一些国产色谱仪性能已接近国外较好水平。气相色谱分析的

6、基本知识 气相色谱仪的发展22气流系统进样系统色谱柱分离系统检测系统数据处理系统温控及辅助系统气相色谱分析的基本知识 气相色谱仪组成单元23气相色谱分析的基本知识 气流系统24手动进样：微量进样器、注射器自动进样：计算机控制顶空进样：外围装置气体阀进样：在线质量控制气相色谱分析的基本知识 进样系统25气相色谱分析的基本知识 进样系统26气相色谱分析的基本知识 进样系统27气相色谱分析的基本知识 进样系统28气相色谱分析的基本知识 进样系统29气相色谱分析的基本知识 柱分离系统类别名称特点填充柱经典填充柱柱内径（-）mm，向柱管填充固定相而成，用于分析样品微型填充柱柱内径约mm，柱管内填充微粒固

7、定相而成，用于分析样品制备填充柱柱内径大于经典填充柱，制法同经典填充柱，用于制备纯化合物毛细柱或空心柱涂壁空心柱柱内径（0.1-0.6）mm，柱内壁涂渍固定液而成，分析复杂样品处壁空心柱柱内径（0.2-0.6）mm，柱内壁经化学处理后涂渍固定液而成化学交联空心柱柱内径（0.1-0.6）mm，固定液化学交联于柱内壁而成多孔层空心柱柱内径（0.2-0.6）mm，柱内壁涂附有固体，固体多为吸附剂涂载体空心柱柱内径（0.2-0.6）mm，柱内壁涂附固体载体，固定液涂渍其上填充毛细管柱柱内径mm，将固体疏松地装入玻璃管柱内，然后拉制而成30气相色谱分析的基本知识 柱分离系统31气相色谱分析的基本知识 柱

8、分离系统32载气通过空心柱的阻力远小于填充柱，故可使用很厂长的空心柱，却不能使用长的填充柱。当固定相与柱温相同时，为达到分离两组分相同的分辨率，空心柱所需分析时间比填充柱要短；维持相同的分析时间，则空心柱分离两组分的分辨率优于填充柱。当固定相相同时，使用空心柱时的柱温常稍低于填充柱。气相色谱分析的基本知识 经典填充柱与空心柱的比较33填充柱的制备方法简单，使用方便，故气体样品和易于分离的样品分析，现在仍多用填充柱。分析痕量组分时，若填充柱能将痕量组分与其他组分很好地分离，则用填充柱有利于检测，否则应该用空心柱，使之与其他组分分离，才能定量检测。分析异构体和复杂混合物样品时，空心柱优于填充柱。气

9、相色谱分析的基本知识 经典填充柱与空心柱的比较34气相色谱分析的基本知识 色谱柱的安装35氢焰离子化检测器FID（Flame Ionization Detector）电子捕获检测器ECD(Electron Capture Detector)热导检测器TCD（Thermal Conductivity Detector） 其他检测器如FPD、NPD气相色谱分析的基本知识 检测系统36红外检测器：GC/FT-IR联用检测技术质谱检测器MSD：GC/MS联用检测技术气相色谱分析的基本知识 检测系统37FID原理：氢气和空气燃烧产生火焰，以其热量为能源，经色谱柱分离进入FID检测器的组分燃烧时离子化生成

10、离子，在电场作用下形成离子流，离子流与进入检测器组分的量有正相关关系。用标样进行定性定量。FID是通用的破坏性质量型检测器，用峰面积定量，适于分析大多数挥发性含碳化合物。FID不适于分析：O2、N2、CO、CO2、COS、SO2、CS2、NH3、H2O、SiCl4、SiHCl3、SiF4、HCHO、惰性气体、无机酸等。气相色谱分析的基本知识 检测系统FID38气相色谱分析的基本知识 检测系统FID收集极的维护39气相色谱分析的基本知识 检测系统FID火焰喷嘴的更换40气相色谱分析的基本知识 检测系统FID点火器的更换41ECD原理：ECD内的放射源放出 -射粒离子，与通过检测器的载气如N2碰撞

11、产生电子和正离子，在电场作用下，分别向与自己极性相反的电极运动形成本底电流，当具有负电性的组分（有捕获电子能力的组分）进入检测室，捕获了检测室原有的电子，使检测室本底电流变小，产生电信号波动，即色谱峰。电信号波动大小与进入检测室的负电性组分量成正相关。气相色谱分析的基本知识 检测系统ECD42ECD是选择性的非破坏性浓度型检测器，用峰高定量。ECD适合于检测负电性的组分（如含有卤素、硫、磷、氮的化合物）。气相色谱分析的基本知识 检测系统ECD43TCD原理：当载气以一定流速通过稳定状态的热导池时，热敏元件消耗电能产生的热与各因素所散失的热达到热动平衡，当载气携带组分进入热导池时，池内气体组成发

12、生变化，热导率也相应改变，热动平衡被破坏，引起热敏元件温度发生变化，电阻值也相应改变，电路输出电信号波动值，即色谱峰。电信号波动大小与组分浓度有正相关。气相色谱分析的基本知识 检测系统TCD44TCD是通用的非破坏性浓度型检测器，用峰高定量。TCD适用于所有化合物的检测，通常使用氢或氦作载气可获得较高的灵敏度。气相色谱分析的基本知识 检测系统TCD45 气相色谱分析应用示例 FID对待测样品的要求 （1）可挥发（通常300以下）的热稳定含碳化合物。（2）对于气样和水样，如果样品中待测组分浓度足够大可以直接被检测出来，则可以直接进样，但需考虑水对色谱柱的危害 ；如果样品中待测组分浓度过低不能直接

13、检测，需通过适当的富集浓缩方法（如液液萃取、气液吸收、气固吸附、液固吸附等）进行富集后测定。（3）对于固体样品，需用溶剂溶解或固液萃取后测定。46药厂废气中有多种浓度较高的物质，如甲醇、丁醇、醋酸丁酯、乙醚、四氢呋喃等。由于浓度较高，可以采气样直接进样测定。 气相色谱分析应用示例 FID测定药厂废气中丁醇等 47 气相色谱分析应用示例 FID测定药厂废气中丁醇等 48装修引起室内空气中有一定量的苯、甲苯、二甲苯(三种异构体)、乙苯、异丙苯、苯乙烯等各类挥发性有机物。需大气采样器采样，经特制的椰壳活性炭管吸附，用二硫化碳溶剂洗脱，定容后进样测定。 气相色谱分析应用示例 FID测定室内空气中苯系物

14、 49 气相色谱分析应用示例 FID测定室内空气中苯系物 50 气相色谱分析应用示例 FID测定污水中有机物 污水中甲醇、乙醇、醋酸、丙酸、丁酸等许多具有较高浓度的有机物均可直接进样测定。51 气相色谱分析应用示例 FID测定饮用水中微量有机物 由于受水环境污染的影响，饮用水中含有各类微量有机污染物。需用适当的富集浓缩方法（通常用大孔吸附树脂吸附、有机溶剂洗脱、蒸出有机溶剂浓缩）对水样进行预处理后才能上机测定。52提纯有机溶剂重蒸。提纯大孔树脂脂肪提取器。同时洗少量玻璃棉。装树脂柱根据需要装树脂量。注意下端用玻璃棉塞好、湿法装柱！有机物富集控制水样流速、注意树脂柱中气泡短流。 气相色谱分析应用

15、示例 FID测定饮用水中微量有机物 53有机物洗脱注意选择适当溶剂。相似相溶原理、单一或混合溶剂洗脱。有机相脱水适量加入经400-500 灼烧的无水硫酸钠。静置。有机相转移浓缩K-D浓缩器、或旋转蒸发器、或高纯氮气吹脱。1 ml。测定密封于进样瓶中，上机测试。 气相色谱分析应用示例 FID测定饮用水中微量有机物 54 气相色谱分析应用示例 ECD测定对样品的要求 可挥发（通常300以下）的热稳定电负性化合物。对于气样，可直接进样或经富集浓缩后进样。不能直接进水样，需经过一定的预处理方式使水样中待测组分转移到有机溶剂或气相进行测定。主要分析含卤素化合物、农药、多核芳烃、金属螯合物、甾族化合物。5

16、5液液萃取。用等体积的乙醚和正己烷萃取后进样测定。顶空气相进样测定。样品于密闭的容器中在一定温度下达热平衡，使水中卤代烃挥发到液上空间气相，取液上气相进样测定。 气相色谱分析应用示例 ECD测定水中挥发性卤代烃 56卤乙酸水溶性好、非挥发性，如何转移到有机相和气相是要解决的难题。使卤乙酸甲酯化，然后用MTBE萃取后进样测定。 气相色谱分析应用示例 ECD测定水中卤乙酸 57水中六六六、DDT等农药的测定：标准方法是用石油醚进行液液萃取，建议采用MTBE（甲基叔丁基醚）进行萃取测定。 气相色谱分析应用示例 ECD测定水中农药 58可挥发（通常300以下）的热稳定的所有化合物。但由于灵敏度的原因，

17、某些化合物能用FID、ECD等测定获得高的灵敏度，就不用TCD。气样可直接进样。水样也可直接进样，但需考虑对色谱柱的危害。固样需溶解或萃取出待测组分后进样。 气相色谱分析应用示例 TCD测定对样品要求 59用分子筛填充柱。取反应器中气体直接进样。 气相色谱分析应用示例 TCD测定反应器中N2、O2 60气相色谱能否进水样进水样遇到问题：重现性差、峰形差。进水样对气相色谱的影响主要体现在三个方面：1、水对分离效果的影响：对于GC分析来讲，水不是理想溶剂，因为在常用的溶剂中，水具有最大的气化膨胀体积。61水对分离效果的影响进样1L进样口温度250压力20psi条件下，一般的有机溶剂近似气化膨胀体积

18、小于500L，如甲醇为450L，乙酸乙酯、甲苯、正己烷的近似气化膨胀体积都是200L以下，而水高达1010L。62进样口衬管的体积范围从约200到990L，所以水样有可能造成样品的蒸汽会膨胀出衬管，造成“拥挤”、“倒灌”，直接影响到峰面积的重现性；“拥挤”会引起峰的分离效果差、峰拖尾等；“倒灌”还会污染衬管上方的气路，影响后来的实验。水对分离效果的影响63水对色谱柱的影响水的表面能很大，而大部分的毛细管柱固定相的表面能较低，导致水的润湿性能很差。水又具有较高的沸点，由于不能在色谱柱内壁上形成光滑的溶剂膜而一部分水以液体状态流过色谱柱，水会留下液滴，导致在水中具有良好的溶解性的溶质会出现谱带展宽

19、，甚至会出现色谱峰裂分。64水对色谱柱的影响柱上进样时，不挥发的化合物如盐类会被液体水栓带入色谱柱，使色谱柱被污染的可能性增加。很难找到一种表面既能被水润湿又能有效脱活以保证惰性的色谱固定相。65水对检测器的影响 当水进样量较大时，可以使FID的火焰熄灭，尤其是在检测器流速设定不合理的时候，此时可以加大氢气流速（以损失灵敏度的代价）来稳定火焰。66当水进样量较大时，可以使FID的火焰熄灭，尤其是在检测器流速设定不合理的时候，此时可以加大氢气流速（以损失灵敏度的代价）来稳定火焰水对检测器的影响 ECD对水也非常敏感，水的存在会降低ECD的灵敏度。Jennings和合作者提出克服的方法时：使用一种

20、厚液膜色谱柱，使分析物在柱中保留足够长的时间，以保证ECD的性能可以在水分通过检测器后得到恢复。67尽管直接进水样有上述潜在的危害，但如果在某些特殊不可避免的情况下，进水样并不是绝对不可行的，但要使用得当并注意以下几点： 气相色谱进水样 68气相色谱进水样 什么样的色谱柱可以进水样？色谱柱能否进水样首先要参考厂家的建议。理论上讲，鉴于表面能的匹配性，使用极性固定相要优于非极性固定相。69气相色谱进水样 填充柱：可以请厂家考虑填充能耐水的固定相。毛细柱：Agilent公司色谱专家曾做过一系列试验，其产品中DB-1（非极性柱）、DB-225、DB-WAX、CYCLOSIL B和HP-PLOT Q柱

21、，分别进1000针水样，结果水样对多数色谱柱的固定相没有损坏。 70气相色谱进水样 结论是：交联键合技术的色谱柱一般不怕水（个别PLOT柱除外，如分子筛合Al2O3柱，由于吸附性极强，吸附水在低温下是不可逆吸附，会严重影响保留时间和重现性），而非交联键合的色谱柱，建议不要进水样。71气相色谱进水样 进样口注意事项：建议使用大体积的衬管（大于900L）和小的进样量（小于0.5L）来避免或减小“拥挤”、“倒灌”的问题。72气相色谱进水样 柱温的选择：初始柱温最好大于100，注意加长分析后对柱子的高温烘烤（老化）时间，特别是在初始温度不太高的时候，如果初始温度低于100，建议定期以200烘烤柱子。

22、73气相色谱进水样 改善溶剂：如果可能，在水样中适当添加有机溶剂（如甲醇）来降低水的比例，缓解有可能由水带来的问题。 74脂肪酸的分析食品废水、生物氧化处理后的水、化学氧化处理后的水，都可能涉及到水中脂肪酸的分析测定。直接进水样测定：填充柱或FFAP极性色谱柱上进行分离，仅适合小分子游离脂肪酸。而且对气相色谱系统有潜在危害。75脂肪酸的分析食品废水、生物氧化处理后的水、化学氧化处理后的水，都可能涉及到水中脂肪酸的分析测定。直接进水样测定：填充柱或FFAP极性色谱柱上进行分离，仅适合小分子游离脂肪酸。而且对气相色谱系统有潜在危害。76脂肪酸的分析多碳脂肪酸分子量较大、极性大、亲水性好、挥发性较差

23、。转化成挥发性好的脂肪酸甲脂后再进行分离和分析测定。选择分析脂肪酸甲脂的毛细管色谱柱时应考虑：77脂肪酸的分析按照碳数和不饱和度的不同来分离各种游离脂肪酸必须使用极性柱。以PEG（polyethyleneglycol ）聚乙二醇柱子为主，如DB-Wax，HP-INNOWax和FFAP柱都可提供良好的分离（顺/反异构体除外），可满足大部分脂肪酸常规分析要求。78脂肪酸的分析如采用30m x 0.25mm x 0.25um DBWax毛细管柱(Part No.1227032)分析C4C24的脂肪酸甲脂。升温程序：50保持1min，50200 ，25 /min，200230 ，3 /min，230

24、保持18min。79脂肪酸的分析进样方式：分流/不分流进样口，250 ，分流衬管体积870uL（Part No.51834647）， 50：1分流比，1uL进样。检测器：FID 280 。载气：H2 53kPa 恒压（36cm/s）仪器：Agilent6890带自动进样器。80脂肪酸的分析同PEG柱相比，含有睛丙基的强极性柱如DB-23、DB225等对FAMEs具有更强的分离能力，不但可以按照碳数和不饱和度分离，而且能够分离部分顺/反异构体，适合复杂脂肪酸的详细分析。81脂肪酸的分析如采用60m x 0.25mm x 0.15um DB23毛细管柱(Part No.1222361)分析C4C2

25、4的37种脂肪酸甲脂。升温程序：50保持1min，50175 ，25 /min，175230 ，5 /min，230 保持4min。82脂肪酸的分析进样方式：分流/不分流进样口，250 ，分流衬管（Part No.51834647，体积870uL ）， 50：1分流比，1uL进样。检测器：FID 280 。载气：He 230kPa 恒压（33cm/s50 ）仪器：Agilent6890带自动进样器。83脂肪酸的分析针对逐渐增加的对反式脂肪酸检测的要求，Agilent公司开发了专门用于分离顺/反脂肪酸甲脂的毛细管色谱柱HP-88，100米长的整体柱具有极强的极性和极高的柱效，是目前市场上对脂肪酸甲脂具有最高分离效能的色谱柱。热稳定性好、柱寿命长。84脂肪酸的分析如采用100m x 0.25mm x 0.20um HP88毛细管柱(Part No.12288A7)分析C4C24的45种脂肪酸甲脂，可以得到很好的分离。柱温：155保持恒温。85脂肪酸的分析进样方式：分流/不分流进样口，240 ，分流衬管（Part No.51834647，体积870uL ）， 100：1分流比，0.5uL进样。检测器：FID 250 。载气：H2 30cm/s仪器：Agilent6890带自动进样器。86开机步骤：计算机载气主机电源（自检）应用软件（工作站）设定方法（空气、氢