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1、 为什么用气相色谱 IfyoucandoitbyGC YoushoulddoitbyGC H M McNair如果你能用气相色谱完成 你就应该用气相色谱完成 气相色谱可分析的有机物占目前发现总有机物的15 20 应用范围 挥发温度 500 热稳定性好相对分子量 400 气相色谱系统 一 气相色谱基础 色谱原理气相色谱系统色谱基本理论载气进样口色谱柱检测器定量分析方法 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 2 气相色谱系统 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
2、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 气相色谱理论 CH4 基本术语保留时间 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 分离度 Resolution 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 例如 图示中塔板数为3 塔
3、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柱效的大小直接反应色谱柱的分离能力 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 B 纵向扩散 气相中分子的扩散主要决定于气体流速 C 传质阻力 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 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
4、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
5、 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 Allgasesconnectto1 8 Swagelok fittingsonrearofinstrument 气体进口及连接 续 5 进样口 作用 样品进样和汽
6、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 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
7、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50 C 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
8、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 2 L 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
9、真不适于高纯度物质和痕量组分 50ppm 的分析 分流比 排气口流量 色谱柱流量色谱柱流量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 Model1079 1079进样口气路图 a Split b Splitless 1079的进样垫直径为11 4mm 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20 C 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1 L或更少 对高
10、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 0 L 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20 C 保持1分钟 然后以30 C min的速度升到比溶剂沸点高40 60 C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
11、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
12、大部分采用硅土 标准大小颗粒 直径大小与目号的关系 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
13、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 25 m 0 53mm内
14、径的毛细管柱一般为1 0 1 5 m 填充柱一般 10 m 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 5 min 到老化温度 最初老化温度 4hours 如
15、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 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20 C 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
16、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 表3常用固定相与相应色谱柱 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
