安捷伦气相色谱仪-气相色谱基本基本知识.pdf

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1、Agilent Technologies 安捷伦气相色谱仪安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理气相色谱基本原理 2 2气相色谱基本原理气相色谱基本原理 声明声明 安捷伦科技公司版权所有2002 根据美国联邦政府和国际著作权的有关 法律未经安捷伦公司许可和书面授 权不得对本书的任何部分以任何形式 或手段进行复制包括电子版储存和 检索或翻译成外文 手册部件号手册部件号 G1176-97000 版本说明版本说明 2002年5月第1版 美国印刷 安捷伦科技公司 2850 Centerville Road Wilmington, Delaware 19808-1610 USA 气相色谱基本原理气相色谱基本

2、原理3 3 内容提要内容提要 本书所提供的信息将有助于您有效地使用气相色谱仪 (GC) 1 1什么是气相色谱什么是气相色谱 本章介绍气相色谱的功能和用途以及色谱仪的基本结构 2 2进样方式进样方式 本章介绍气相色谱最常用的几种进样方式 3 3组分分离组分分离 样品经过色谱柱而被分离成单个组分本章将告诉你如何进行分 离和怎样使用色谱柱 4 4组分检测组分检测 本章将介绍三种常用的气相色谱检测器 5 5图谱解析图谱解析 最后一章讨论怎样对色谱峰进行鉴定和如何定量测定每一个组分 的含量 4 4气相色谱基本原理气相色谱基本原理 气相色谱基本原理气相色谱基本原理5 5 目录目录 1 1什么是气相色谱什么

3、是气相色谱 基于时间的差别进行分离10 系统11 气源12 进样口12 色谱柱14 检测器14 数据处理15 仪器控制15 2 2进样方式进样方式 进样口18 填充柱进样口18 分流/不分流进样口19 注射进样技术22 自动进样的优点23 进样阀24 气体进样阀24 液体进样阀24 进样口温度25 气体样品25 液体样品25 3 3组分分离组分分离 色谱柱如何对化合物进行分离28 色谱基本原理29 6气相色谱基本原理气相色谱基本原理 色谱柱类型30 毛细管柱30 填充柱30 色谱柱管材31 色谱柱特性32 柱效32 载气控制33 柱分离度33 柱选择性34 用毛细管柱还是填充柱35 柱温36

4、柱箱恒温36 程序控温37 4 4组分检测组分检测 热导检测器(TCD)40 工作原理40 火焰离子化检测器(FID)42 工作原理42 电子捕获检测器(ECD)43 工作原理43 5 5谱图解析谱图解析 色谱峰测量47 保留时间47 色谱峰大小47 积分仪和数据系统48 组分定性49 组分定量50 未校准计算50 气相色谱基本原理气相色谱基本原理7 峰面积与峰高百分比法50 校准计算52 归一化法54 外标法55 内标法56 8气相色谱基本原理气相色谱基本原理 9 9 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 Agilent Technologies 1 什么是

5、气相色谱什么是气相色谱 基于时间的差别进行分离10 系统11 气源12 进样口12 色谱柱14 检测器14 数据处理15 仪器控制15 气相色谱 (GC) 是一种把混合物分离成单个组分的实验技术它被 用来对样品组分进行鉴定和定量测定 1010气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 基于时间的差别进行分离基于时间的差别进行分离 和物理分离比如蒸馏和类似的技术不同气相色谱 (GC) 是 基于时间差别的分离技术 将气化的混合物或气体通过含有某种物质的管基于管中物质对 不同化合物的保留性能不同而得到分离这样就是基于时间的 差别对化合物进行分离样品经过检测器以后被记录的就

6、是色 谱图图 1每一个峰代表最初混合样品中不同的组分 峰出现的时间称为保留时间可以用来对每个组分进行定性而 峰的大小峰高或峰面积则是组分含量大小的度量 图图 1 1典型色谱图 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理1111 系统系统 一个气相色谱系统包括 可控而纯净的载气源它能将样品带入 GC 系统 进样口它同时还作为液体样品的气化室 色谱柱实现随时间的分离 检测器当组分通过时检测器电信号的输出值改变从而对 组分做出响应 某种数据处理装置 图 2 是对此作出的一个总结 图图 2 2色谱系统 样品 载气源 进样口色谱柱检测器数据处理 1212气相色谱基本原理 1什

7、么是气相色谱 气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 气源气源 载气必须是纯净的污染物可能与样品或色谱柱反应产生假峰 进入检测器使基线噪音增大等推荐使用配备有水分烃类化合 物和氧气捕集阱的高纯载气见图 3 若使用气体发生器而不是气体钢瓶时应对每一台 GC 都装配净 化器并且使气源尽可能靠近仪器的背面 进样口进样口 进样口就是将挥发后的样品引入载气流最常用的进样装置是注 射进样口和进样阀 图图 3 3载气源 钢瓶阀 两级减压阀 开关阀 钢瓶 水分捕集阱 烃类捕集阱 氧气捕集阱 钢瓶阀 两级减压阀 开关阀 钢瓶 水分捕集阱 烃类捕集阱 氧气捕集阱 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理 什么是气相色谱1

8、气相色谱基本原理1313 注射进样口注射进样口 用于气体和液体样品进样常用来加热使液体样品蒸发用气体 或液体注射器穿透隔垫将样品注入载气流其原理非实际设计 尺寸如图 4 所示 进样阀进样阀 样品从机械控制的定量管被扫入载气流因为进样量通常差别很 大所以对气体和液体样品采用不同的进样阀其原理非实际 设计尺寸如图 5 所示 图图 4 4注射进样口 图图 5 5进样阀 注射器 来自载气源 注射器 来自载气源 针尖 通向色谱柱 针尖 通向色谱柱 隔垫隔垫 置于 进样位置 样品入口定量管样品出口 来自载气源进入色谱柱 停止 置于 进样位置 样品入口定量管样品出口 来自载气源进入色谱柱 停止 1414气相

9、色谱基本原理 1什么是气相色谱 气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 进样阀通常与进样口连接特别在分流进样模式时进样阀连接 到分流 / 不分流进样口 色谱柱色谱柱 分离就在色谱柱中进行因为用户可以选择不同的色谱柱故使 用一台仪器能够进行许多不同的分析 因为大多数分离都强烈依赖于温度故色谱柱要安装在能够精密 控温的柱箱内见图 6 检测器检测器 从色谱柱里出来的含有分离组分的载气流通过检测器而产生信号 检测器的输出信号经过转化后成为色谱图见图 7 图图 6 6色谱柱与柱箱 色谱柱 柱箱 图 色谱柱 柱箱 图 7 7检测器 色谱柱检测器 色谱图 色谱柱检测器 色谱图 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理

10、 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理1515 有几种类型的检测器可供选择但是所有的检测器的功能都是相 同的 当纯的载气没有待分离组分流经检测器时产生稳定的电 信号基线 当有待分离组分通过检测器时产生不同的信号 数据处理数据处理 测量测量 色谱图记录下了检测器输出的电信号它可以通过以下几种方式 进行处理 在带状图记录仪上记录 使用数字积分仪处理 用计算机数据系统处理 传统的带状图记录仪必须手工测量峰的保留时间和峰大小积分 仪和数据系统则可直接进行这些测量强烈推荐使用积分仪和数 据系统因为它们有很好的重现性和灵敏度 计算计算 色谱峰的保留时间和峰大小必须转换成待分离组分的名称和含量 这可以通过与已

11、知样品校准样品的保留时间和响应值大小进 行比较来完成这种比较可以手工完成但是鉴于速度和准确性 采用数据处理系统是最好的 仪器控制仪器控制 某些数据系统和 GC 组合还可通过数据系统计算机提供对 GC 的直 接控制这样就能创建可存储的方法需要时调用储存的方法即 可从而可实现高度的自动化分析 1616气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 1717 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 Agilent Technologies 2 进样方式进样方式 进样口18 填充柱进样口18 分流 / 不分流进样口19 注射进样技术22 自动进样

12、的优点23 进样阀24 气体进样阀24 液体进样阀24 进样口温度25 气体样品25 液体样品25 一些样品已经是气体例如室内或室外的空气可燃气体等 则可以用气体注射器或气体进样阀直接进样 大多数样品为液体为了用气相色谱来分析必须首先使之气化 这常常由加热的进样口和液体注射器或液体进样阀相结合而完成的 1818气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 进样口进样口 进样口的设计和选择取决于色谱柱的直径和类型下一章将介绍 色谱柱类型填充柱和毛细管柱 填充柱和大口径毛细管柱使用填充柱进样口小口径的毛细管柱 使用分流 / 不分流进样口 填充柱进样口填充柱进样口 填充柱进样口是为填充

13、柱设计的可更换的衬管使进样口适用于 特定内径的色谱柱柱内径一般为 1/8 或 1/4 英寸典型的设计 如图 8 所示 当用大口径毛细管柱时专用的衬管使得它们可以用于填充柱进 样口这种色谱柱的柱容量与填充柱的类似 样品用注射器穿过隔垫注入到载气流中加热的进样口使样品 如果是液体气化而后载气将气化的样品带入色谱柱 图图 8 8填充柱进样口 隔垫吹扫进样口流量 控制阀 隔垫螺母 和隔垫 隔垫吹扫进样口流量 控制阀 隔垫螺母 和隔垫 气控制 接色谱柱 气控制 接色谱柱 进样方式2 气相色谱基本原理 进样方式2 气相色谱基本原理1919 分流分流 / / 不分流进样口不分流进样口 分流 / 不分流进样用

14、毛细管柱有两种操作模式 分流模式分流模式 毛细管柱有较小的样品容量进样量必须非常少通常远少于 1 微升以防止色谱柱超载 如此小的样品量操作起来是很困难的分流模式提供了一种方法 来解决此问题采用通常的进样量气化然后只把其中一部分 引入到色谱柱内进行分析其余大部分经分流出口放空 图 9 为典型的分流 / 不分流进样口的分流模式 图图 9 9分流模式 进样口流量 控制 隔垫螺母 和隔垫 隔垫吹扫 气控制 衬管 分流阀 分流出口 控制 进样口流量 控制 隔垫螺母 和隔垫 隔垫吹扫 气控制 衬管 分流阀 分流出口 控制 开开 2020气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 分流阀开启

15、并一直维持此状态样品被注射进衬管同时被气化 气化的样品在色谱柱气流阻力大和分流放空口气流阻力可 调之间分配 不分流进样模式不分流进样模式 此模式特别适用于低浓度的样品它将样品捕集在柱头同时将 残留在进样口的溶剂气体放空 此模式包括两个步骤 1 注射样品 关闭分流阀载气流在隔垫吹扫气出口和色谱柱之间分配柱 头压力由分流放空调节阀来设定从而设定流过色谱柱的流速 注射样品溶剂主要的样品成分在富集样品的柱头产生饱 和区带 进样方式2 气相色谱基本原理 进样方式2 气相色谱基本原理2121 图 10 所示为不分流模式进样的流路 2 进样口吹扫 在样品被捕集到色谱柱头之后打开分流阀将残留在进样口 中的气体

16、此时大部分是溶剂放空 现在流路和分流模式是相同的图 9 升高柱温开始将样品组分引入色谱柱并分离 此方法对于沸点比溶剂高的组分的分离是很有效的溶剂峰将会 很大要采用程序升温将目标化合物的峰和溶剂峰分离 图图 10 10不分流模式进样 进样口流量 控制阀 隔垫螺母进样口流量 控制阀 隔垫螺母 和隔垫和隔垫 隔垫吹扫? 气控制 衬管 分流阀 隔垫吹扫? 气控制 衬管 分流阀 关关 分流出口分流出口 控制控制 2222气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 不分流模式进样步骤不分流模式进样步骤 成功的不分流进样包括以下几个步骤 1 在加热的进样口中使样品和溶剂挥发 2 采用较低的柱

17、温在柱头产生一个溶剂饱和区带 3 利用此区带使样品在柱头进行富集和重组 4 在所有样品或至少是大部分样品进入色谱柱后通过打开分 流放空阀放空进样口中残留的样品气体 5 升高柱温先将溶剂然后将样品从柱头释放 操作参数初始值设定操作参数初始值设定 您必须通过实验来确定最佳操作参数值表 1 提供了一些建议的 参数设置初始值 注射进样技术注射进样技术 每一个色谱峰的起始点是与载气混合的挥发的样品区域的一部分 在样品组分于柱内被分离的过程中样品区域由于扩散而展宽 任何色谱峰的宽度都不会比初始区域宽度更窄 表表 1 1不分流进样模式的进样口参数初始值设置 仪器参数建议初始值仪器参数建议初始值 柱温低于溶剂

18、沸点 10 柱箱初始时间分流阀开启时间 分流放空阀开启时间衬管体积2/ 柱流速 进样方式2 气相色谱基本原理 进样方式2 气相色谱基本原理2323 由于分离窄峰比宽峰容易得多故必须使初始区域宽度最小化 理想的注射进样技术是 1 将样品充入注射器调节进样量 2 将注射器的针尖以尽可能深地速度穿过进样隔垫进样口的设 计者假定您会这样做 3 快速压下注射器推杆 4 立即把针从进样口拔出 重要的就是速度任何迟疑都将导致样品区域宽度增大 如果一个熟练的操作者按以上方法进样他能达到 3 到 4% 的进样 量重复性能够限制注射器推杆移动距离的机械装置能提高进样 重复性 应避免使用在两个气泡间捕集样品的注射技

19、术这样您必须做两 次估算因而使进样量的误差增倍 自动进样的优点自动进样的优点 自动进样器是解决进样问题的一个方法它们能够实现高度重复 的进样因此它们通常允许采用更简单的峰的含量计算方法 用外标法而不是内标法 如果配备有自动进样器装备有样品盘并与数据系统连接 就可以进行全自动分析 2424气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 进样阀进样阀 气体进样阀气体进样阀 气体样品进样阀包括一个定量管和将定量管接入载气流和脱离载 气流的阀体 图 11 所示为一种常用的进样机理 样品量通过定量管来确定定量管是可以更换的因此一个进样 阀能够提供多种高度重复的进样体积 液体进样阀液体进样阀

20、这与气体进样阀的原理是一样的由于液体进样要求更小的进样 体积因此定量管是构成阀体的一部分且是不可更换的 如果要改变进样量您必须更换整个进样阀 图图 11 11气体进样阀 接色谱柱 载气入口 样品入口 样品放空 定量管上样 注射进样 接色谱柱 载气入口 样品入口 样品放空 定量管上样 注射进样 进样方式2 气相色谱基本原理 进样方式2 气相色谱基本原理2525 进样口温度进样口温度 气体样品气体样品 对于气体样品而言进样口不需要气化任何物质因此也就没有 必要加热 然而大多数色谱工作者更倾向于加热进样口以保证进样口不会 使任何物质冷凝常用的进样口温度为 100 液体样品液体样品 液体样品要求加热进

21、样口温度要足够高以使样品气化但又不 能过高而导致样品分解 温度足够高温度足够高开始将进样口温度设置为溶剂沸点值并观察色谱峰 形如果所有色谱峰的峰形大致相同大小不同说明进样口 温度已经足够高了如果后流出的色谱峰显得过宽就将进样口 温度升高 10看峰形是否改善 温度过高 温度过高 如果出现的峰数比组分数还多且峰型较差说明可 能有样品分解发生 在进样口发生分解所产生的峰其大小主要取决于进样口温度 为了验证是否发生分解稍稍降低进样口温度后进行第二次分析 然后比较峰的大小若有明显的变化就表明在进样口处有样品 分解发生 2626气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 2727 安捷伦气

22、相色谱仪 气相色谱基本原理 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 Agilent Technologies 3 组分分离组分分离 色谱柱如何对化合物进行分离28 色谱基本原理29 色谱柱类型30 毛细管柱30 填充柱30 色谱柱管材31 色谱柱特性32 柱效32 载气控制33 柱分离度33 柱选择性34 用毛细管柱还是填充柱35 柱温36 柱箱恒温36 程序控温37 混合物在色谱柱内被分离为单个组分许多色谱柱都可以用来分 离混合物色谱柱的选择取决于混合物的性质和所需获得的信息 分析目的然而所有色谱柱都基于同样的工作原理 2828气相色谱基本原理 3组分分离 气相色谱基本原理 3组分分离 色谱柱如

23、何对化合物进行分离色谱柱如何对化合物进行分离 这是一段含有两个样品组分彩色的圆点的色谱柱的横截面 它既没有填料也没有涂层这样的色谱柱只是空柱图 12 如果过几秒钟后您再观察色谱柱内的情况就发生了改变 图 13 由于载气流的带动样品向柱的右端移动并且由于样品区域和 周围载气中样品浓度的不同而使得样品区带展宽 样品组分仍然是混合在一起的 现在我们在柱子的内表面涂一层高沸点物质然后重复此实验 ( 如图 14) 图图 12 12未经涂层的色谱柱 图图 13 13几分钟后 图图 14 14 涂层色谱柱 载气流载气流 载气流载气流 组分分离3 气相色谱基本原理 组分分离3 气相色谱基本原理2929 我们可

24、以用所希望的任何涂层在这个例子中我们选用能够溶 解兰色圆点组分而不能溶解黄色圆点组分的固定液 兰色组分在固定相和载气两相之间进行分配黄色组分则停留在 气相中 几秒钟以后我们再观察色谱柱我们会发现见图 15 黄色组分与涂层之间没有作用它随载气一同流过色谱柱并首先 从色谱柱中流出 兰色组分在固定液和载气之间进行分配它以较慢的速度流过色 谱柱而后流出色谱柱 样品已经开始分离为两个峰 色谱基本原理色谱基本原理 当气化的组分与气相和固定涂层 相共存时它就根据对两 相相对吸附性能的不同而在两相间进行分配 此吸附性能可以是溶解度挥发性极性特殊的化学相 互作用或其他任何存在于样品组分间的性质差异 如果一相是固

25、定的涂层而另一相是流动的载气组分 将会以比流动相慢的速度迁移迁移速度慢的程度取决于相互 作用的大小 如果不同组分有不同的吸附性能它们将会随时间而被分离 图图 15 15几秒钟以后 3030气相色谱基本原理 3组分分离 气相色谱基本原理 3组分分离 色谱柱类型色谱柱类型 毛细管柱毛细管柱 毛细管柱是将固定相涂在管内壁的开口管其中没有填充物 毛细管柱的内径从 0.1 到 0.5 毫米典型的柱长是 30 米见 图 16 毛细管柱产生很窄的色谱峰这有利于分离非常复杂的混合物 例如常用的汽车燃油的分析将产生 400 到 500 个色谱峰 这些用熔融石英毛细管制成的色谱柱呈很好的惰性在不锈钢和 玻璃柱上拖

26、尾现象很严重的样品如硫醇类化合物在毛细管柱 上能够达到基线分离 毛细管柱对样品量的要求小于填充柱特定的进样口见 19 页 分流 / 不分流进样口允许采用常规进样量而在样品进入色谱 柱之前进行分流 填充柱填充柱 在填充柱内固定液被涂在粒度均匀的载体颗粒上以增大表面积 减少涂层厚度涂好的填料被填充在金属玻璃或塑料管内 如图 17 图图 16 16毛细管柱 内壁涂层 组分分离3 气相色谱基本原理 组分分离3 气相色谱基本原理3131 大多数金属填充柱的外径是 1/8 或 1/4 英寸玻璃柱通常是 1/4 英寸外径但是内径不同使之与两种规格的不锈钢柱有相同的 分离效果 填充柱有较大的样品容量是老式的灵

27、敏度较低的检测器所必需 的然而采用现代高灵敏度的检测器样品容量大的优势已经 消失填充柱仍然适用于气体样品但是毛细管柱对于大多液 体样品会有更好的分离度 色谱柱管材色谱柱管材 色谱柱管材料包括 不锈钢 耐用但是相对活泼的柱表面可能导致被分离组分的 损失和峰拖尾 玻璃 质脆通常要求对内表面进行脱活处理 熔融石英 仅用于毛细管柱惰性好坚固耐用是最常用的 柱材料 图图 17 17填充柱 填料上的涂层填料上的涂层 3232气相色谱基本原理 3组分分离 气相色谱基本原理 3组分分离 色谱柱特性色谱柱特性 色谱柱的用途是将多组分的样品分成窄的分离良好的色谱峰 这两个目标并不是完全无关的 柱效柱效 高柱效的色

28、谱柱产生窄的色谱峰见图 18 柱效是由色谱柱的结构小的柱内径和薄的固定相涂层有最高的 柱效和载气流速决定的 表 2 是所推荐的载气流速 图图 18 18柱效 separated 低柱效低柱效 高柱效高柱效 组分分离3 气相色谱基本原理 组分分离3 气相色谱基本原理3333 注较低的流速接近于载气与色谱柱的优化值通常色谱柱运 行得更快分析就更迅速而不会损失多少柱效如果分离非常 好或使用更短的色谱柱色谱柱甚至还可以运行得更快大多数 情况下不用低于推荐值的流速因为它们延长分析时间还会 降低柱效 载气控制载气控制 填充柱内的流速通常是用质量流量控制器来控制的毛细管柱 由于它的流速很低常常是用压力来控制

29、流速的 有些 GC 提供电子气路控制这样的仪器允许从键盘上设定流速 并从显示器上读出 柱分离度柱分离度 高分离度的色谱柱能够作到基线分离如果色谱峰很窄柱效 高分离将会更容易实现 载气流速的稍微改变能对分离度产生显著的影响 表表 2 2推荐的载气流速 载气流速载气流速 mL/min 类型直径氢气氦气氮气 mL/min 类型直径氢气氦气氮气 填充柱1/8 英寸 303020 填充柱1/4 英寸 606050 毛细管柱 0.05 mm0.2-0.50.1-0.30.02-0.1 毛细管柱 0.1mm 0.3-10.2-0.50.05-0.2 毛细管柱 0.2 mm 0.7-1.70.5-1.20.2

30、-0.5 毛细管柱 0.25 mm 1.2-2.50.7-1.70.3-0.6 毛细管柱 0.32 mm 2-41.2-2.50.4-1.0 毛细管柱 0.53 mm 5-103-71.3-2.6 3434气相色谱基本原理 3组分分离 气相色谱基本原理 3组分分离 结合柱效和分离度的数学定义式我们可以得到重要的结论 : 色谱柱分离度与柱长的平方根成正比色谱柱分离度与柱长的平方根成正比 这意味着增加柱长并不是提高分离度行之有效的方法柱长加倍分 离时间和色谱柱成本也加倍但是分离度仅仅增加大约 40% 柱选择性柱选择性 这是一个定义不很明确的与固定相有关的性质事实上它是 固定相对两种化合物表现出不同

31、作用的程度选择性低 两组分 同时流出选择性高 两色谱峰分离 组分分离3 气相色谱基本原理 组分分离3 气相色谱基本原理3535 用毛细管柱还是填充柱用毛细管柱还是填充柱 两者各有所长下面是一些需要考虑的因素 气体分析通常用填充柱完成填充柱有足够的柱容量来适应较 大体积的气体进样量气体样品分析常用填料包括 分子筛 氧气氮气氦气氢气二氧化碳一氧化碳 甲烷等 氧化铝 丙烷或更大分子量的化合物 多孔性聚合物微球 (Porapaks) 乙烷丁烷二氧化碳等 其中一些填料但不是所有填料可以用于毛细管色谱柱中 毛细管柱有比填充柱更高的分离度即使选择性低一些通常 也能实现足够的分离 一根毛细管柱能够完成多种分析

32、而用填充柱则可能需要多根 才能完成 对毛细管柱和填充柱都适用的的固定液有 甲基硅烷 非极性到中等极性 苯基甲基硅烷5 到 50% 的苯基 烯烃芳香化合物 中等极性化合物 Carbowax聚乙二醇 酸强极性的物质 由于毛细管柱高的分离度通常可以牺牲一点分离度而减少分 析时间由于分离度与柱长的平方根成正比因此一根良好的 毛细管柱可以被截成两段很好的毛细管柱而仅损失很少的分 离度分离时间却可以减少一半 3636气相色谱基本原理 3组分分离 气相色谱基本原理 3组分分离 柱温柱温 色谱柱内的固定相涂层有一个适用的温度范围 最低 温度通常是熔点低于此您所做的是气固色谱高于 此您所做的是气液色谱结果可能大

33、不相同 最高 温度通常是指沸点或降解温度 色谱柱通常安装在可控温的柱箱里因为温度对分离的影响是很 大的 柱温可以采用恒温或程序升温如图 19 柱箱恒温柱箱恒温 这是操作柱温箱最简单的方法在整个分析过程中柱温将保持 不变它有以下优点 柱温箱总是处于可进行样品分析的状态 两次分析之间不需要间隔时间 图图 19 19柱温 温度 程序控温 恒温 时间 温度 程序控温 恒温 时间 组分分离3 气相色谱基本原理 组分分离3 气相色谱基本原理3737 缺点 若样品组分的沸点范围很宽那么恒温分离将会需要很长时间 由于色谱峰随时间而展宽后面流出的峰将会难于检测或测定 程序控温程序控温 在分析过程中柱温随时间而变

34、化通常是升高柱温它的优点是 减少分析时间 整个分离过程中峰形一致检测和测定更容易 缺点 样品组分将经历比恒温分离更高的温度这可能会导致某些敏 感组分降解 在两次进样之间柱温箱必须冷却到初始温度这样就抵消了 部分所节省的分析时间 3838气相色谱基本原理 3组分分离 气相色谱基本原理 3组分分离 3939 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 Agilent Technologies 4 组分检测组分检测 热导检测器 (TCD)40 工作原理40 火焰离子化检测器 (FID)42 工作原理42 电子捕获检测器 (ECD)43 工作原理43 本章所介绍的三种检测器

35、能够完成 GC 的大部分工作还有其他 一些检测器起互补作用见表 3大多是元素专属性检测器或 质量选择性检测器在这里将不对它们做详细介绍 表表 3 3其他检测器 名称用途名称用途 氮磷检测器 (NPD)含氮和含磷化合物 火焰光度检测器 (FPD)含硫和含磷化合物 原子发射检测器 (AED)适用于多种元素 质量选择检测器 (MSD)利用质谱图对组分进行鉴定当和 气相色谱联用时成为当今最强有 力的鉴定手段 4040气相色谱基本原理 4组分检测 气相色谱基本原理 4组分检测 热导检测器热导检测器 (TCD)(TCD) 所有气体都能够导热但是氢气和氦气的热导系数最大见 表 4当两者任何一种作为载气时任何

36、其他成分的存在都将导 致热导检测池中气流热导率的下降 用 TCD 可以测量这种变化并用来创建色谱图 由于 TCD 是基于热导率的差异而工作的故氢气或氦气显然是优 选的载气 工作原理工作原理 当电压施加于热丝时它就发热稳定的温度取决于所施加的电 压热丝的电阻和热丝向周围环境散热的速率 如果热丝被载气所包围载气热导率的任何变化都会引起热丝温 度的改变这样就导致热丝电阻的变化 表表 4 4某些气体相对于正己烷的热导率 气体相对热导系数气体相对热导系数 四氯化碳 0.44 苯 0.88 正己烷 1.00 氩气 1.04 甲醇 1.10 氮气 1.50 氦气 8.32 氢气 10.68 组分检测4 气相

37、色谱基本原理 组分检测4 气相色谱基本原理4141 早期的 TCD 设计是将四根热丝连接成惠斯通电桥柱流出物流经 两根相对的热丝纯的载气参比气流过另外两根热丝当有 被分离样品组分流出色谱柱进入检测器时电桥的平衡被破坏 现代的 TCD 设计如图 20 所示 此检测器只用一根热丝快速切换阀使得柱流出物含样品和 参比气交替通过检测池如果两气流是一样的 没有被分离的组 分气体切换时热丝电阻不变 然而在有样品组分进入检测池时切换到色谱柱流出气时热 丝温度降低当切换到参比气时热丝温度又恢复原值电子传 感器能够探测到此变化并调节热丝的电源供给以使温度保持恒定 电源供给变化曲线的波动幅度取决于柱流出物有组分存

38、在时 和参比气之间热导率的差异 图图 20 20热导检测器 热丝 参比气 切换阀 尾吹气 色谱柱 放空 热丝 参比气 切换阀 尾吹气 色谱柱 放空 4242气相色谱基本原理 4组分检测 气相色谱基本原理 4组分检测 火焰离子化检测器火焰离子化检测器 (FID)(FID) 氢气和空气燃烧所生成的火焰产生不多的离子然而有含碳有机 物进入火焰中燃烧时离子产率将增大 工作原理工作原理 从色谱柱流出的载气和氢气混合后在空气中燃烧FID 有两个电 极其中之一是火焰燃烧的喷嘴另一个加上极化电压后用来收 集火焰中的离子 当组分进入火焰时收集极所记录到的电流增大该电流经过放 大后形成色谱图 FID 对在火焰中产

39、生离子的任何物质都有响应几乎包括所有有 机化合物有少数例外 通用的 FID 设计如图 21 所示 图图 21 21火焰离子化检测器 放空 空气 电极 放空 空气 电极 火焰 氢气 火焰 氢气 尾吹气尾吹气 组分检测4 气相色谱基本原理 组分检测4 气相色谱基本原理4343 电子捕获检测器电子捕获检测器 (ECD)(ECD) 电子捕获检测器广泛应用于环境分析领域这是因为它对含卤素 化合物有很高的灵敏度包括大部分除草剂和农药 工作原理工作原理 检测池中的放射性同位素通常是 63Ni, 发射出 射线射线和 载气分子碰撞而产生低能量的自由电子在两电极间施加极化电 压以捕集电子流 某些分子能够捕获低能量

40、的自由电子而形成负离子当此类化合 物分子进入检测池时部分电子被捕获从而使得收集电流下降 信号经过处理后形成色谱图 图 22 是一种 ECD 的结构示意图 图图 22 22电子捕获检测器 阳极气体 放空 阳极气体 放空 63Ni 放射源 尾吹气 放射源 尾吹气 4444气相色谱基本原理 4组分检测 气相色谱基本原理 4组分检测 ECD 是高度选择性的检测器对能捕获电子的物质有高的灵敏 度而对其他物质则几乎不响应一些相对响应值见表 5 表表 5 5ECD 对某些化合物的灵敏度 化合物相对于苯 ( 响应值 =1) 的响应值化合物相对于苯 ( 响应值 =1) 的响应值 苯 1 甲苯 3 丙酮 8 2,

41、3- 丁二酮 800,000 正丁醇 17 氯苯 1,200 溴苯 7,600 1- 氯丁烷 17 1- 溴丁烷 5,000 1- 碘丁烷 1,500,000 氯仿 1,000,000 四氯化碳 6,600,000 4545 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 Agilent Technologies 5 谱图解析谱图解析 色谱峰测量47 保留时间47 色谱峰大小47 组分定性49 组分定量50 未校准计算50 峰面积与峰高百分比法50 校准计算52 归一化法54 外标法55 内标法56 4646气相色谱基本原理 5谱图解析 气相色谱基本原理 5谱图解析 色

42、谱仪产生随时间而变化的信号当信号被记录下来时就形成 我们熟悉的色谱图见图 23 色谱图可以通过手动或电子处理方式转化为峰保留时间或峰大小 的数据列表 图图 23 23典型色谱图 谱图解析谱图解析5 5 气相色谱基本原理气相色谱基本原理4747 色谱峰测量色谱峰测量 对于一个色谱峰我们可以获得两个基本的测量数据 进样后到色谱峰被检测到的时间 色谱峰的大小 保留时间保留时间 峰出现的时间是从开始进样到被检测到的时间包括两部分 死时间 载气流过色谱柱所用的时间可通过注射空气或其他 没有相互作用的物质来测定 保留时间 由于被分离组分与色谱柱固定相相互作用所造成的 滞留时间 在大多数情况下通常忽略死时间

43、而把出峰时间认为是保留时间 色谱峰大小色谱峰大小 色谱峰大小可以通过峰高或峰面积来测定二者都是相对于基线 而言的 色谱峰下的基线不能直接测量它必须从色谱峰两侧的基线处测量 对于分离良好的峰这是很简单的但是当峰发生重叠或出现在 溶剂峰的拖尾侧或其他非理想化的情况时测量就比较困难一 些鉴于此花在改善峰分离条件上的时间是值得的 峰高峰高 这是最简单的测量仅仅需要一把测量尺它是从峰尖到基线的 垂直距离 4848气相色谱基本原理 5谱图解析 气相色谱基本原理 5谱图解析 峰面积峰面积 此面积是指由色谱峰信号曲线和基线所围成的面积最好通过电 子方式来测量 图 24 为两个测量参数的图示 积分仪和数据系统积

44、分仪和数据系统 积分仪用来测量色谱峰的面积和峰高以及峰保留时间它们能 够方便而重现地将曲线色谱图转换为表格时间和大小 数据处理系统不仅有积分仪同样的优点而且具有更多的功能 软件控制的积分仪比机械的积分仪更灵活 不用重复进样可以采用不同的积分和计算参数对数据进行再 处理 系统能够更加精确的完成本章所介绍的几种基本的计算 系统能够给出用户所需要的报告格式 色谱峰的校准变得非常简单 既可以进行一点也可以进行多点校准 原始数据和已处理的数据可以被保存以备后用 系统可以同时处理多台气相色谱仪的数据 图图 24 24色谱峰测量 峰面积峰面积 阴影部分阴影部分 峰高 构造基线 测量基线 峰高 构造基线 测量

45、基线 谱图解析谱图解析5 5 气相色谱基本原理气相色谱基本原理4949 组分定性组分定性 因为许多化合物可能在同一时间或几乎同一时间流出色谱 柱因此仅仅依靠气相色谱本身是不能对一个完全未知的化合物 进行定性的 然而当问题被加以限定时气相色谱将变成一个强有力的工具 可以通过比较气相色谱图以确定样品是否相同例如油轮里的原 油样品可以和海上浮油比较以确定油轮是否应对原油的泄漏负责 GC 对于排除可疑性是很有用的如果您从先前的实验中知道异辛 烷在 1.9 分钟出峰那么一个在 1.5 分钟出的峰一定不会是异辛 烷那么它是什么呢 幸运的是您不必要考虑所有的有机化合物样品信息限定了可 能的化合物例如您不会期

46、望在止痛药中找到链霉素 当一个未知的峰被初步确定后还必须在别的不同性质的色谱柱 上重现以得到确认如果一个化合物在基于沸点分离的柱甲基 硅氧烷和极性柱聚乙二醇上有正确的保留时间此定性很 可能就是正确的 GC 在处理已知样品组分并且要求定量时是特别有用的GC 通常 也用来监测杂质组分的存在作为额外峰 最后GC 可以和质谱或其他选择性检测器联用以提供明确鉴定 未知组分所需的辅助数据 5050气相色谱基本原理 5谱图解析 气相色谱基本原理 5谱图解析 组分定量组分定量 未校准计算未校准计算 当载气通过检测器时将会产生信号如果没有样品组分存在所 产生的信号是基线当有组分出现时信号将会增强 当组分通过时信

47、号和其投影的基线所围面积是峰面积从色谱 峰顶到投影的基线的最大垂直距离是峰高 积分仪或数据处理系统负责处理绘制基线和测量峰面积和峰高这 项困难的任务其结果就是测量的响应值测量的响应值 (MR) 峰面积与峰高百分比法峰面积与峰高百分比法 在一次进样分析过程中每一个色谱峰所占总的峰面积或峰高的百 分比 假设检测器对所有组分都有相同的响应计算公式见公式 1 第第 n n 个峰含量个峰含量 = = 第第n n个峰的个峰的MR/MR/一次进样的所有一次进样的所有MRMR的和的和 100 100 (1) 优点优点 快速因为不需要进行校准 进样量在一定范围内变化不影响结果 缺点缺点 所有组分的色谱峰必须能够

48、检测到 任何没有被检测到或有没流出色谱柱的峰都会减少 MR 的总 和这会造成所有被测物质含量值偏高 谱图解析谱图解析5 5 气相色谱基本原理气相色谱基本原理5151 如果组分的响应因子不同未校准计算的结果是不准确的这会 造成早流出的峰的测得含量偏高 适用范围适用范围 为建立校准表而列出响应信号和保留时间 要进行快速分析与设定的极限值比较结果重现 用于过程监测产品检验测试等 不能用于对绝对准确度要求高的分析 5252气相色谱基本原理 5谱图解析 气相色谱基本原理 5谱图解析 校准计算校准计算 如果峰面积和峰高百分比定量不能满足需要就要用标准样品分 析所得数据进行校准计算以建立单个色谱峰的定量校准

49、曲线 最简单的校准是响应因子它是通过已知组分的含量除以相应峰 的大小来计算的 用图表示响应因子是组分含量对色谱峰大小曲线的斜率如 图 25 所示 响应因子可通过分析一个含有所有欲校准组分的标准混合溶液来 进行测定 但是响应因子方法有两个假设的前提条件 含量 / 峰面积峰高曲线经过原点 含量 / 峰面积峰高曲线是直线 对于一个可靠的校准两个前提条件都必须通过实验来加以证明 如果曲线确实是一条直线且确实通过原点则响应因子是有效的 图图 25 25响应因子 色谱峰 A 色谱峰 B 色谱峰 C 色谱峰大小 组分含量 色谱峰 A 色谱峰 B 色谱峰 C 色谱峰大小 组分含量 谱图解析谱图解析5 5 气相色谱基本原理气相色谱基本原理5353 在图 25 中响应因子可用于色谱峰 A 和 B但不适用于色谱峰 C 两种形式的定量校正用公式 2 和公式 3 来表示 对于色谱峰对于色谱峰 A A 和和 B B 峰的峰的 CRCR 值值 = = 峰的峰的 MRMR 值值色谱峰响应因子色谱峰响应因子 (2) 对于色谱峰对于色谱峰 C C 峰的峰