气相色谱基础培训

美国瓦里安技术中国有限公司

气相色谱仪基础

内容提要１.色谱原理２.气相色谱系统３.气相色谱基本理论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进样时分离时洗脱时2.气相色谱系统控制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CH4

保留时间（Retentiontime)：组份从进样到出现最大值所需要的时间，tR死时间(deadtime):

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（PeakHeigh)从峰最大值到峰底的距离峰面积（PeakArea)峰与峰底之间的面积基本术语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值的比来表示：当R=1时，有5％的重叠；当R=1.5时，分离程度为99.7%，可视为基线分离

毛细管色谱柱比填充柱有更高的分辨率.分离度（Resolution)例如，图示中塔板数为3.塔板理论柱效能（ColumnEfficiency)峰展宽的度量.以塔板数来表示类似蒸馏中的气液平衡

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.

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.•

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

综合上述三个峰展宽的因数

HEPT:理论塔板高度(HeightequicalenttoatheoreticalPlate)：

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（VanDeemter）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30-60cm/sec。VanDeemter图•

N2,变化最大,可得到最低的HETP.•H2和

He曲线较平坦，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VanDeemter图的影响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。分子筛除水气体的供应和控制载气推荐采用H2、He:分离度好对TCD灵敏度最高，而且可保护W丝注意安全问题

两级的气体压力调节器.

低压端可从0到100psig.

注意：不要用不干净的管路气体进口及连接如果管线太长，应适当增加输出压力

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）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(OnColumn)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

进样口填充柱进样口柱上进样(OnColumn)快速气化（Flash-vaporization）柱上进样(Oncolumn)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。Model1041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“530microninsert”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。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(0.53mm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(2µL)。相对低的进样口温度。分流/不分流进样用于毛细管柱0.1mmto0.53mmID.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Colomntip).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(<50ppm)的分析分流比分流比的设定根据样品的浓度和复杂程度来决定。总流量一定要大于20ml/min隔垫吹扫：用途：赶走残留样品和溶剂。2-5mL/min的载气直径吹扫隔垫底部。可用烧结的限制器和针型阀来控制。在特有的毛细管柱进样口上使用。分流比S.R.排气口流量+色谱柱流量色谱柱流量=Model10791079进样口气路图(a)分流

(b)不分流SeptumnutSeptumpurgeCarriergasinSplitoutInsert*SplitpointSeptumsupportSealingferruleInjectionpoint1079的进样垫直径为11.５mm1079进样口Splitterventtofilter,thentosolenoidvalveSeptumpurgeGasin1079进样口气路图1177分流/无分流毛细柱进样口进样垫

O型密封环分流出口进样衬管载气进口隔垫吹扫分流点分流进样规则进样口温度比样品中最高沸点的温度至少高20C，以便高效且得到好的重现性。针头不用预热，快速进样，并迅速拔出针头。自动进样器一般为1µL或更少。对高沸点的样品应在进样口停留1-2s.如果程序升温，柱温箱的温度应该高于溶剂的沸点，进样后应快速升温。以确保隔垫吹扫打开，设定为2-5mL/min.不分流进样的规则将软件置于不分流模式（splitless）。所有进样口的流量应经过色谱柱和隔垫吹扫.将进样口温度设置为沸点最高物质的沸点上。用“三明治”技术慢慢进样。在进样口预热针头0.05min.以1.0µL/sec的速度进样。让注射器停在进样口几秒钟以确保样品完全气化。开始时，柱温箱温度设定为比溶剂的沸点低20ºC，保持1分钟，然后以30ºC/min的速度升到比溶剂沸点高40-60ºC的温度，然后再根据样品需要程序升温。进样时间为0.5-1.0分钟后，进样口切换到分流模式。排气流量至少应设为50mL/min.保证隔垫吹扫打开，并设为2-5mL/min.6.色谱柱色谱柱材料和结构

填充柱-短(2-3米),管内径较粗.

毛细管柱-长(>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。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，用于气固色谱（GSC）.填充柱尺寸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.直径大小与目数的关系例如: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。毛细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：0.05-0.80mm.长度：可大于100m,普通一般为30m。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.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。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2mm。毛细管柱的内径可从0.10-0.8mm.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。典型的毛细管柱特点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0.25µm.0.53mm内径的毛细管柱一般为1.0-1.5µm.填充柱一般>10µm.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

限制使用确保载气流过毛细管柱15-30分钟.缓慢程序升温(5º/min)到老化温度。最初老化温度

4hours.如果柱子受到污染,可在推荐的最高色谱柱温度低20ºC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20ºC。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（UniversalDetector)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)通用型检测器(UniversalDetector)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。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30~50C灯丝温度Tfil:：一般，比Tdet高的柱温高50CTCD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CarrierGas（柱流量＋Makeup流量）=ReferenceGas3.等待COL/INJ/DET溫度到達設定值4.設定ElectronicsOn(|TFIL-TDET|=T,T,灵敏度)5.等待TCD稳定至少約30min左右6.开始分析样品7.结束分析时设定ElectronicsOff8.降温

COL/INJ/DET=50℃(含Filament)9.关闭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<10pg.-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H2andmake-upairfpalametissemblysignalprobeignitorprobecollectorFID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(2000ºF)。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。FID工作原理燃烧气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-+samplecurrentlossECD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450面板上，选择Detector－ECD;设置Tempture：300CElectron: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）在ECD屏幕上，按Adjustment:将CellCurrent设为零；将Contactpotential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=-12.3mv;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：<0.05pg/sec主要应用于：药物、燃料、香料、农药残留TSD的结构类似FID，主要差别是TSD在喷嘴上方有铷珠，氢气流量较小TSD的结构图H2andmake-upairflametipassemblysignalprobebeadprobecollectorceramicbeadcolumnceramicinsulator化学反应原理燃烧产生CN·和HPO·Rb·+CN·®

Rb++CN-(detected)Rb·+HPO·®

Rb++HPO-(detected)TSD的信号对H2的流速和铷珠的电路非常敏感减少H2流量可以提高N、P对C的选择性，而增加H2流量可以使信号增大；而从铷珠的角度出发，降低H2流量可以延长铷珠寿命，所以要选择一个最佳流量铷珠出厂是都有H2的流量值，可采用该数值进行设定，一般不用修改

铷珠的电流需要精确调节，电流太低不产生氮磷的信号；电流太高，选择性迅速下降，且降低铷珠的寿命。铷珠出厂时都有铷珠电流的参考电流，但这个值会随事件慢慢增加，应调节获得适当的电流值铷珠的P/N:03-906074-00载气要求99.999%；过滤器应及时更换TSD的结构图铷珠的老化－铷珠电流的调节打开各钢瓶气正确设置气相色谱各参数：气体流量Air:175ml/min；H2:采用铷珠出厂时推荐的流量（一般为4.0ml/min左右）；载气＋尾吹：30ml/min设定温度：进样口；柱温；检测器：300CTSD设定：Temperature－300C、Oven－on、BeadPower－Off、Range－12、Autozero－Off打开铷珠电源前，使检测器和铷珠温度达到设定的温度，保持15分钟。然后设定TSD最低电流是2.4A，将Beadpower置为On，保持至少15分钟每次增加0.100A，至少等候15分钟，使铷珠在增加电流后达到平衡状态。当增加电流后信号出现明显增加时，即获得了我们所需要的电流值。也完成了铷珠的电流调节铷珠保持这个电流至少12小时，最好过夜。检测器即可以使用。脉冲火焰光度检测器PFPD新型的脉冲火焰光度检测器对P,S,N和25种其它元素选择性其应用包括水和空气中污染物的检测、农药和石油天然气的分析。不能分析Hg,Zn,Cl,F,I,H,OPFPD结构图点火灯丝尾气出口ColumnEffluent点火室PMT滤光片窗口燃烧室光管H2+Air1&2PFPD

PFPD的火焰脉冲是因为氢气和空气的流速不能承受火焰的连续燃烧。火焰脉冲包含四个步骤：■充满：空气和氢气混合并在两处进入燃烧室。部分燃烧气与柱馏出物向上移动进入燃烧室，另一气流经过石英室外围进入点火室。■点火：点火室含有一个连续加热的点火线圈，当混合燃烧气到达点火室时，点火开始。■延烧：燃烧的火焰自点火室向下延烧至燃烧室，当延烧至底部时火焰熄灭。值此延烧阶段，自色谱柱进入燃烧室的待测分子在火焰中被分解为简单的分子或原子。■光激发：从延烧过程至结束，感兴趣的样品原子经过反应形成电子激发态，此时火焰熄灭，火焰背景发射在延烧后约0.3毫秒时完成，而硫磷分子碎片的发射要经历较长时间。这种籍发射时间的不同而分离讯号的做法增强了PFPD的选择性与灵敏度。PFPD的工作原理－－火焰脉冲步骤点火线圈点火室燃烧室Vent柱流出物H2+Air充满点火延燃激发PMTPFPD的工作原理－－火焰脉冲步骤PFPD的波长选择性P:HPO*=>greenlightS:S2*=>bluelightN:HNO*=>NIR根据所测量的元素来选择滤光片和/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。

PFPD的工作条件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

PFPD的工作条件PFPD操作在分析磷或硫时，需要变化滤光片。推荐采用He或N2

作为载气。检测器的温度应保持恒定为220ºC，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#2:10mL/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(peakhigh)出峰面积分析(peakarea)外标法(externalstandard)內标法(internalstandard)百分归一法(normalizedpercent)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Wh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性绝对进样量并不一定需要知道出峰面积分析范例

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；Ai–I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，