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氣相色譜基本知識 一 概述 起源 色譜分析法是一種分離技術(shù) 它是由俄國物理學(xué)家茨維特 Tswett 在1906年創(chuàng)立的 他在研究植物葉中的色素時 先用石油醚浸提植物中的色素 然后將浸提液注入到一根填充CaCO3的直立玻璃管的頂端 圖a 再加入純石油醚進(jìn)行淋洗 淋洗結(jié)果使玻璃管內(nèi)植物色素被分離成具有不同顏色的譜帶 圖b 他把這種分離方法稱為色譜法 玻璃管稱為色譜柱 管內(nèi)填充物 CaCO3 是固定不動的 稱為固定相 淋洗劑 石油醚 是攜帶混合物流過固定相的流體 稱為流動相 2 原理使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行分配 其中一相是不動的 固定相 另一相 流動相 攜帶混合物流過此固定相 與固定相發(fā)生作用 在同一推動力下 不同組分在固定相中滯留的時間不同 依次從固定相中流出 又稱色層法 層析法3 分類 1 氣相色譜 液相色譜 超臨界流體色譜 流動相 2 柱色譜 紙 PC 色譜 薄層色譜 TLC 固定相 3 吸附色譜 分配色譜 離子交換色譜 排阻色譜 物理化學(xué)分離原理 二 氣相色譜的定義與分類 定義 氣相色譜法是以惰性氣體 N2 e Ar H2等 為流動相的柱色譜分離技術(shù) 其應(yīng)用于化學(xué)分析領(lǐng)域 并與適當(dāng)?shù)臋z測手段相結(jié)合 就構(gòu)成了氣相色譜分析法 分類 根據(jù)固定相的狀態(tài)不同 可將其分為氣固色譜和氣液色譜 氣相色譜流程氣相色譜法用于分離分析樣品的基本過程如下圖 氣相色譜過程示意圖由高壓鋼瓶1供給的流動相載氣 經(jīng)減壓閥2 凈化器3 流量調(diào)節(jié)器4和轉(zhuǎn)子流速計5后 以穩(wěn)定的壓力恒定的流速連續(xù)流過氣化室6 色譜柱7 檢測器8 最后放空 氣相色譜儀由五大系統(tǒng)組成 氣路系統(tǒng) 進(jìn)樣系統(tǒng) 分離系統(tǒng) 控溫系統(tǒng)以及檢測和記錄系統(tǒng) 三 氣相色譜儀的結(jié)構(gòu) 氣路系統(tǒng)氣路系統(tǒng)是指流動相 載氣連續(xù)運(yùn)行的密閉系統(tǒng) 它包括氣源鋼瓶 凈化器 氣體流速控制和測量裝置 通過該系統(tǒng) 可以獲得純凈的 流速穩(wěn)定的載氣 它的氣密性 載氣流速的穩(wěn)定性以及測量流量的準(zhǔn)確性 對色譜結(jié)果均有很大的影響 因此必須注意控制 常用的載氣有氮?dú)夂蜌錃?也有用氦氣 氬氣 載氣的凈化 需經(jīng)過裝有活性炭 分子篩或硅膠的凈化器 以除去載氣中的水 氧 油等不利的雜質(zhì) 進(jìn)樣系統(tǒng)組成 進(jìn)樣系統(tǒng)包括進(jìn)樣裝置和汽化室兩部分 作用 是將液體或固體試樣 在進(jìn)入色譜柱之前瞬間氣化 然后快速定量地轉(zhuǎn)入到色譜柱中 進(jìn)樣的多少 進(jìn)樣時間的長短 試樣的氣化速度等都會影響色譜的分離效果和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性 1 進(jìn)樣器液體樣品的進(jìn)樣一般采用微量注射器 氣體樣品的進(jìn)樣常用色譜儀本身配置的推拉式六通閥或旋轉(zhuǎn)式六通閥定量進(jìn)樣 也可采用氣密性針進(jìn)樣 手動進(jìn)樣 進(jìn)樣口類型 1 分流 不分流進(jìn)樣口 SSI 2 隔墊吹掃填充柱進(jìn)樣口 PPI 3 冷柱頭進(jìn)樣口4 程序升溫汽化進(jìn)樣口 PTV 進(jìn)樣口的加熱絲可程序升溫 適合多組分難分離的物質(zhì)分離5 頂空進(jìn)樣6 微相固萃取進(jìn)樣 SSI分流模式流路圖 SSI不分流模式流路圖 分流流量計算 隔墊吹掃填充進(jìn)樣口 對于毛細(xì)管柱 1 增加了隔墊吹掃的功能隔墊吹掃的作用 由于要讓進(jìn)去的液體或固體樣品在汽化室汽化 這里必然有高溫 高溫會使隔墊上的一些易揮發(fā)的物質(zhì)出來 同時由于進(jìn)樣針的插入 有可能會使墊圈上的物質(zhì)脫落 若沒有隔墊吹掃 則會使色譜圖上出現(xiàn)鬼峰 采用隔墊吹掃 這些物質(zhì)可以從隔墊吹掃氣路吹走 2 增加了排放多余樣品的閥和管路3 增加了尾吹氣由于毛細(xì)管柱載氣流速低 進(jìn)入檢測器后發(fā)生突然減速 會引起色譜峰展寬 為此 在色譜柱出口加一個輔助尾吹氣 以加速樣品通過檢測器 當(dāng)檢測池體積較大時 尾吹更是必要的 歧視效應(yīng) 由于各種化合物的沸點(diǎn)不同 進(jìn)入汽化室時 低沸點(diǎn)的完全氣化 而高沸點(diǎn)的未完全氣化 已經(jīng)氣化的物質(zhì)被載氣帶入色譜柱 從而造成高沸點(diǎn)的物質(zhì)回收率低 重現(xiàn)性差 且有拖尾 這種效應(yīng)叫歧視效應(yīng) 減少歧視效應(yīng)的方法 1 采用分流 不分流技術(shù)2 采用溶劑效應(yīng) 即利用冷柱頭進(jìn)樣技術(shù) 冷柱箱進(jìn)樣技術(shù) 把進(jìn)樣口的溫度設(shè)高 柱的起始溫度設(shè)低 溫度的設(shè)定依據(jù)所用的溶劑而言 如丙酮的沸點(diǎn)56度 設(shè)定的溫度應(yīng)低于丙酮的沸點(diǎn) 這樣丙酮到達(dá)柱頭時 會凝結(jié)下來 樣品會被丙酮溶解凝聚在柱頭 然后瞬時升溫 溫度要能夠保證所有的樣品成分及溶劑都揮發(fā) 使其在同一起跑線上 同時被載氣帶動 這樣可以將歧視效應(yīng)降到最低 典型的進(jìn)樣口問題 污染 重復(fù)使用同一根針進(jìn)樣 會產(chǎn)生殘留與污染 上一次進(jìn)樣的物質(zhì)會影響下一次進(jìn)樣 形成 記憶效應(yīng) 用洗針的方法來消除 記憶效應(yīng) 洗針 首先要根據(jù)化合物的性質(zhì)選用不同的溶劑洗針 并需要洗20次以上 再用樣品液洗針 以免帶來稀釋效應(yīng) 針歧視 氣相色譜進(jìn)樣針的針頭為斜面 造成液體滑坡 從而產(chǎn)生蒸餾效應(yīng) 低沸點(diǎn)的更容易出來 從而帶來的歧視效應(yīng)對低沸點(diǎn)的影響更大 通過快速自動進(jìn)樣 進(jìn)樣針頭為錐型 增大進(jìn)樣量和 或使用沸點(diǎn)更高的溶劑來減少針歧視 3 進(jìn)樣的速度1 對于有的樣品 進(jìn)樣速度要快2 留針 對于粘滯的樣品 先刺入隔墊 進(jìn)針2 3 推針不馬上進(jìn)行 待升溫使其溶解后再推針 4 泄漏 進(jìn)樣墊和柱泄漏會改變保留時間和峰面積 樣品可能從泄漏處跑掉 空氣會擴(kuò)散入進(jìn)樣口造成柱損傷 定期更換進(jìn)樣墊并在第一次發(fā)生問題時檢查柱連接 進(jìn)樣口溫度 分流比等設(shè)置不正確 分流比設(shè)置問題 進(jìn)樣口的日常維護(hù) 更換隔墊清洗或更換進(jìn)樣針進(jìn)行泄漏測試和維修清洗或更換襯管 內(nèi)插件更換O 形環(huán)清洗或更換分流平板和金屬墊片 SSI 氣化室為了讓樣品在氣化室中瞬間氣化而不分解 因此要求氣化室熱容量大 并不使樣品分解 為了盡量減少柱前譜峰變寬 氣化室的死體積應(yīng)盡可能小 常用金屬塊制成汽化室 外套加熱塊 為消除金屬表面的催化作用 在汽化室管內(nèi)有石英襯管 襯管有分流與不分流之分 襯管是可以清洗的 分離系統(tǒng) 分離系統(tǒng)是指把混合樣品中各組分分離的裝置 它由色譜柱組成色譜柱的分類 1 填充柱由不銹鋼 玻璃和聚四氟乙烯等材料制成 常用的為不銹鋼柱 柱管內(nèi)徑為2 mm 柱長1 m 柱形有U型和螺旋型二種 2 毛細(xì)管柱又叫空心柱 分為涂壁 多孔層和涂載體空心柱 空心毛細(xì)管柱材質(zhì)為玻璃或石英 內(nèi)徑一般為0 2 0 5mm 長度30 300m 呈螺旋型 與填充柱相比 毛細(xì)管柱的特點(diǎn)為 分離效能高分析速度快樣品用量少 可在幾十分鐘內(nèi)分離出包含幾百種化合物的汽油餾分 然而樣品用量僅有數(shù)微克在快速分析方面 可在幾分鐘內(nèi)分離含十幾個組份的樣品 用毛細(xì)管柱 有利于 提高色譜分離能力 加快色譜分析速度 促進(jìn)色譜的應(yīng)用都是十分必要的 填充柱氣相色譜 填充柱氣相色譜的柱管通常內(nèi)徑寬 內(nèi)徑為不銹鋼管 為節(jié)省柱溫箱空間而將柱管彎成環(huán)狀 在管內(nèi)壁涂漬液體物質(zhì) 氣 液色譜 或在管內(nèi)填充固體吸附劑 氣 固色譜 氣 液色譜氣 液色譜的原理 各溶質(zhì)在氣相 流動相 和液相 固定相 間分配系數(shù)不同達(dá)到分離 氣 液色譜的固定相 涂漬在惰性多孔固體基質(zhì) 載體或擔(dān)體 上的液體物質(zhì) 常稱固定液 使用過的氣 液色譜固定液上千種 常用的固定液有聚甲基硅氧烷 非極性 聚乙二醇 強(qiáng)極性 含5 或20 苯基的聚甲基硅氧烷 非極性 中等極性 含氰基和苯基的聚甲基硅氧烷 中極性 50 三氟丙基聚硅氧烷 高極性 另外 用于分離手性異構(gòu)體的手性固定相則主要有手性氨基酸的衍生物 手性金屬配合物和環(huán)糊精衍生物 固定液的分類 1 非極性固定液 它們與待測物質(zhì)分子的作用力以色散力為主 組分在此類固定相上按沸點(diǎn)由低到高順序流出 適用于非極性和弱極性化合物的分析 2 中等極性固定液 它們與待測物質(zhì)分子間的作用力以色散力和誘導(dǎo)力為主 組分基本上按沸點(diǎn)順序出峰 適用于弱極性和中等極性化合物的分析 強(qiáng)極性固定液 含有較強(qiáng)的極性基團(tuán) 它們與待測物質(zhì)分子間的作用力以靜電力和誘導(dǎo)力為主 組分按極性由小到大的順序出峰 適用于極性化合物的分析 氫鍵型固定液 是強(qiáng)極性固定液中特殊的一類 與待測物質(zhì)分子間作用力以氫鍵力為主 組分按依次形成氫鍵的難易程度出峰 不易形成氫鍵的組分先出峰 常用的固定液有聚乙二醇 三乙醇胺等 適用于分析含 等的化合物 固定液的選擇 固定液的選擇一般根據(jù) 相似相溶 的原則 待測組分分子與固定液分子的性質(zhì) 極性 官能團(tuán) 相似時 其溶解度就大 按極性相似原則選擇 按官能團(tuán)相似選擇 若待測物質(zhì)為酯類 則選用酯或聚酯類固定液 若待測物質(zhì)為醇類 可選用聚乙二醇固定液 按主要差別選擇 若待測各組分之間沸點(diǎn)是主要矛盾 可選用非極性固定液 若極性是主要矛盾 則選用極性固定液 選擇混合固定液 對于難分離的復(fù)雜樣品 可選用兩種或兩種以上的固定液 常用的基質(zhì) 無機(jī)載體 如硅藻土 玻璃粉末或微球 金屬粉末或微球 金屬化合物 和有機(jī)載體 如聚四氟乙烯 聚乙烯 聚乙烯丙烯酸酯 2 氣 固色譜氣 固色譜的固定相是固體吸附劑 分離是基于樣品分子在固定相表面的吸附能力的差異而實(shí)現(xiàn)的 常用的固體吸附劑有碳質(zhì)吸附劑 活性炭 石墨化碳黑 碳分子篩 氧化鋁 硅膠 無機(jī)分子篩和高分子小球 氣 固色譜不如氣 液色譜應(yīng)用廣泛 主要用于永久性氣體和低沸點(diǎn)烴類的分析 在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用很普遍 毛細(xì)管柱毛細(xì)管柱是用熔融二氧化硅拉制的空心管 也叫彈性石英毛細(xì)管 柱內(nèi)徑通常為0 1 0 5mm 柱長30 50m 繞成直徑20cm左右的環(huán)狀 用這樣的毛細(xì)管作分離柱的氣相色譜稱為毛細(xì)管氣相色譜或開管柱氣相色譜 其分離效率比填充柱要高得多 毛細(xì)管氣相色譜 在分流 不分流進(jìn)樣口安裝毛細(xì)管柱的步驟 檢查氣體過濾器 載氣 進(jìn)樣隔墊和襯管等 把毛細(xì)管柱螺母和墊圈安裝于柱上 毛細(xì)管端口朝下 使用玻璃刻痕工具刻劃柱 刻痕部位必須平直 確保裂口整齊 用柱切割器的劃痕部位的對面折斷柱 用放大鏡觀察末端 確保沒有毛邊或呈鋸齒狀 用濾紙擦毛細(xì)管柱壁 去掉指紋和粉末 在柱墊圈上端以上留出柱4 6mm 用打印機(jī)改正液在柱螺母下作標(biāo)記 將柱插入進(jìn)樣口 把螺帽和墊圈上部的柱子滑向進(jìn)樣口底部 用手指擰緊柱螺帽直至柱被固定 調(diào)節(jié)柱位置 使柱上改正液標(biāo)記正好在柱螺帽底部 擰緊螺帽1 4 1 2圈 用輕微的力部能將柱從接頭上拉下 在檢測器上安裝毛細(xì)管柱其步驟與進(jìn)樣口相同 但是在柱墊圈上端以上留出的距離不一樣 mm 注意 如果在應(yīng)用中系統(tǒng)所使用的是 或是 等 那么在老化色譜柱時 不接檢測器 進(jìn)行氣體檢漏 當(dāng)我們對進(jìn)樣口和檢測器進(jìn)行載氣檢漏時 使用電子檢測計 ElectronicLeakDetector 是最為有效的方法之一 確定載氣流量 再對色譜柱的安裝進(jìn)行檢查 色譜柱的老化 對色譜柱升溫到一恒定溫度 通常為其溫度上限 超過溫度上限 那樣極易損壞色譜柱 升溫速度一定要快 不要將程序升溫的速度設(shè)太慢 當(dāng)達(dá)到老化溫度后 記錄并觀察基線 比例放大基線 以便容易觀察 毛細(xì)管柱問題1RT 保留時間 和面積增大 峰寬變大 后面的峰變形差原因 柱過載 毛細(xì)管柱問題2鬼峰 殘留或柱污染 毛細(xì)管柱問題3RT和面積完全不同 用錯了柱子 毛細(xì)管柱問題4色譜完全變形 柱子已經(jīng)被嚴(yán)重破壞或嚴(yán)重退化 溫控系統(tǒng)是指對氣相色譜的汽化室 色譜柱和檢測器進(jìn)行溫度控制的裝置 由于汽化室 色譜柱和檢測器要求的適合溫度各有不同 所以要求配有三種不同的溫控裝置 以便設(shè)定控制和測定各處的溫度 為滿足分析要求 除可以恒溫外 還可采用程序升溫 一般情況下 汽化室的溫度比柱溫高 以保證試樣能瞬間汽化而不分解 而檢測器溫度是三者之間最高的 以防止樣品在檢測室冷凝 溫控系統(tǒng) 檢測和記錄系統(tǒng) 檢測記錄系統(tǒng)是指從色譜柱流出的各個組分 經(jīng)過檢測器把濃度 或質(zhì)量 信號轉(zhuǎn)換成電信號 并經(jīng)放大器放大后由記錄儀顯示出最終獲得分析結(jié)果的裝置 它包括檢測器 放大器和記錄儀 檢測器的種類很多 據(jù)檢測原理的不同可分為濃度型檢測器和質(zhì)量型檢測器兩大類 濃度型檢測器常用的有熱導(dǎo)池檢測器 和電子捕獲檢測器 質(zhì)量型檢測器常見的有氫火焰離子化檢測器 和火焰光度檢測器 氫火焰離子化檢測器 屬于選擇性檢測器 只對碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生信號 它的特點(diǎn)是死體積小 靈敏度高 比 高 倍 穩(wěn)定性好 響應(yīng)快 線性范圍寬 適合于痕量有機(jī)物的分析 但樣品被破壞 無法進(jìn)行收集 不能檢測永久性氣體及 等 檢測器的結(jié)構(gòu)及原理 主要部件是離子室 與載氣在進(jìn)入噴嘴前混合 空氣 助燃?xì)?由一側(cè)引入 在火焰上方筒狀收集電極 作正極 和下方的圓環(huán)狀極化電極 作負(fù)極 間施加恒定電壓 當(dāng)待測有機(jī)物由載氣攜帶從色譜柱流出 進(jìn)入火焰后 在火焰高溫 2000 左右 作用下發(fā)生離子化反應(yīng) 生成的許多正離子和電子 在外電場作用下 向兩極定向移動 形成了微電流 微電流的大小與待測有機(jī)物含量成正比 微電流經(jīng)放大后 由記錄儀記錄下來 檢測器使用注意事項 載氣 氫氣和空氣須過濾凈化 一般常用分子篩 活性炭和硅膠作為干燥凈化劑 定期更換干燥凈化劑 選擇FID的操作條件時應(yīng)注意所用氣體流量和工作電壓 一般N2和H2流速的最佳比為1 1 1 5 1 此時靈敏度高 穩(wěn)定性好 氫氣和空氣的比例為1 10 極化電壓一般為100 300 當(dāng)分析樣品水分太多或進(jìn)樣量太多時 會使火焰溫度下降 影響靈敏度 有時甚至?xí)够鹧嫦?離子頭 管道和離子室必須清潔 不得有有機(jī)物污染 否則引起本底電流增大 噪聲增大 靈敏度降低 若不清潔 可用水 酒精和苯依次清洗烘干5 應(yīng)在氫氣通氣半小時以上再點(diǎn)火 以免火點(diǎn)不著 等火點(diǎn)著了后再通尾吹氣 電子捕獲檢測器 ElectronCaptureDetector 電子捕獲檢測器是一種高選擇性 高靈敏度的檢測器 應(yīng)用廣泛 僅次于TCD和FID 它的選擇性是指它只對具有電負(fù)性的物質(zhì)如含鹵素 S P O N的物質(zhì)有響應(yīng) 而且電負(fù)性越強(qiáng) 檢測的靈敏度越高 高靈敏度表現(xiàn)在能檢測出10 14g ml的電負(fù)性物質(zhì) 因此可測定痕量的電負(fù)性物質(zhì) 多鹵 多硫化合物 甾族化合物