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1、气相色谱法 一 简述 1 定义以惰性气体为流动相 以固定液或固体吸附剂作为固定相的色谱法称为气相色谱法 GC 以固定液作为固定相的色谱称为气液色谱 以固体吸附剂作为固定相的色谱称为气固色谱 气液色谱的固定相是在化学惰性的固体颗粒表面上 涂一层高沸点有机化合物的液膜或直接将高沸点有机化合物均匀地涂敷在毛细管的内壁 并形成一层均匀的液膜 气液色谱法的原理 在气液色谱中 当载气携带被测样品进入色谱柱 气相中的被测组分就溶解到固定液中 载气连续流经色谱柱 溶解在固定液中的组分会从固定液中挥发到气相中 随着载气的流动 挥发到气相中的组分又会重新溶解到前面的固定液中 这样反复多次溶解 挥发 再溶解 再挥发
2、 由于各组分在固定液中的溶解度不同 溶解度大的组分较难挥发停留在色谱柱中的时间就长些 而溶解度小的组分易挥发 停留在色谱柱中的时间就短些 经过一定时间后 各组分就彼此分离并依次流出色谱柱 气固色谱法原理 气固色谱中的固定相是一种具有多孔性及比表面积较大的吸附剂 样品由载气携带进入色谱柱时 立即被吸附剂所吸附 载气不断通过吸附剂 吸附的被测组分被洗脱下来 洗脱的组分随载气流动 又被前面的吸附剂所吸附 随着载气的流动 被测组分在吸附剂表面进行反复吸附 解吸 由于各组分在气固吸附剂表面吸附能力不同 吸附能力强的组分停留在色谱柱中的时间就长些 而吸附能力弱的组分停留在色谱柱中的时间就短些 经过一定的时
3、间后 各组分就彼此分离开并依次流出色谱柱 3 气相色谱法的优点 1 分离效率高 是指它对性质极为相似的组分有很强的分离能力 2 灵敏度高 使用高灵敏度的检测器可检测出痕量组分 3 分析速度快 相对化学分析而言 完成多组分分析仅需几分钟至几十分钟 4 分析需要样品量很少 4 工作流程示图1 载气瓶2 压力调节器3 净化器4 稳压阀5 柱前压力表6 转子流量计7 进样器8 色谱柱9 色谱柱恒温箱10 馏分收集口 柱后分离阀 11 检测器12 检测器恒温箱13 记录器14 尾气出口 5 载气气相色谱所用的流动相 气体叫载气 常用的载气有氮气 N2 纯度为99 9995 来自钢瓶或氮气发生器 由分离空
4、气来制得 氢气 H2 99 99 99 9999 来自钢瓶或氢气发生器 电解KOH或NaOH溶液得到 氦气 He 装有钢瓶 另外还有氩气 Ar 甲烷 乙烷和二氧化碳等 6 色谱柱色谱柱是气相色谱仪中分离的心脏 色谱柱的选择是确定色谱分析方法的中心环节 要求色谱柱 效能高 选择性好 快速 几秒钟至几十分钟 色谱柱包括填充柱和毛细管柱 选择色谱柱也就是选择固定相 固定相指柱中的内容物 7 固定相固定液的选择 1 按 相似相溶 原则 极性相似或官能团相似2 按组分性质主要差别 沸点相差大的选非极性固定液沸点相差小的选极性固定液3 柱温 固定液最高使用温度 防止固定液流失 1 气固色谱 吸附剂 化学键
5、合相 高分子多孔小球 2 气液色谱 载体 也叫担体 固定液A 烃类B 硅氧烷类C 醇类D 酯类 8 检测器检测器是将流出色谱柱的载气中被分离组分的浓度和质量转化为电信号 电压或电流 变化的装置 气相色谱仪的检测器有30多种 我们用到的是热导池检测器 TCD 氢火焰离子化检测器 FID 进样口结构 一 进样口结构分流 不分流进样口是毛细管GC最常用的进样口 它既可用作分流进样 也可用作不分流进样口 下图是典型的分流 不分流进样口示意图 从结构上看 分流 不分流进样口与填充柱进样有明显的不同 一是前者有分流气出口及其控制装置 二是除了进样口前有一个控制阀外 在分流气路上还有一个柱前压调节阀 三是二
6、者使用的衬管结构不同 而分流进样和不分流进样在操作参数的设置 对样品的要求以及衬管结构方面也有很大区别 分流 不分流进样 二 分流进样 一 载气流路和衬管选择分流进样时载气流路如图4 2a所示 进入进样口的载气总流量由一个总流量阀控制 而后载气分成两部分 一是隔垫吹扫气 1 3mL min 二是进入汽化室的载气 进入汽化室的载气与样品气体混合后又分为两部分 大部分经分流出口放空 小部分进样色谱柱 以总流量为34m1 min为例 如果隔垫吹扫气流设置为3m1 min 则另31mL min进入汽化室 当分流流量为1mL min时 柱内流量为lml min 这时分流比为30 1 此仪器设计将柱前压调
7、节阀置于分流气路上 这就可在总流量不变的情况下 改变柱前压 柱前压越高 柱流速越大 分析速度越快 而要在柱前压不变 柱流速不变 的条件下改变分流比 则必须调节总流量 总流量越大 分流比越大 分流进样口可采用多种衬管 用于分流进样的衬管大都不是直通的 管内有缩径处或者填充有玻璃毛 这主要是为了增大与样品接触的比表面 保证样品完全汽化 减小分流歧视 同时也是为了防止固体颗粒和不挥发的样品组分进入色谱柱 注意 填充物应位于衬管的中间 即温度最高的地方 也是注射器针尖所到达的地方 这样对提高汽化效率 减少注射器针尖对样品的歧视更为有效 另外 玻璃毛活性较大 不适合于分析极性化合物 此时可用经硅烷化处理
8、的石英玻璃毛 衬管的上端常用 O 形硅橡胶环密封 用一段时间后该环会老化而造成漏气 故要及时更换 当进样口温度超过400 时 最好采用石墨密封环 二 样品的适用性分流进样适合于大部分可挥发样品 包括液体和气体样品 此外 如果对样品的组成不很清楚 也应首先采用分流进样口 对于一些相对 脏 的样品 更应采用分流进样 因为分流进样时大部分样品被放空 只有一小部分样品进入色谱柱 这在很大程度上防止了柱污染 只是在分流进样不能满足分析要求时 灵敏度太低 才考虑其他进样方式 如不分流进样 总之 分流进样的适用范围宽 灵活性很大 分流比可调范围广 故成为毛细管GC的首选进样方式 三 操作参数设置1 温度进样
9、口温度应接近于或等于样品中最重组分的沸点 以保证样品快速汽化 2 载气流速常用毛细管GC所用柱内载气流速可根据具体情况确定 同时还要测定隔垫吹扫气流量和分流流量 前者一般为2 3mL min 后者则要依据样品情况 如待侧组分浓度等 进样量大小和分析要求来改变 常用分流比范围为20 1 200 1 样品浓度大或进样量大时 分流比可相应增大 反之则减小 用大口径柱时分流比小一些 或采用不分流进样 三 不分流进样 一 载气流路和衬管选择不分流进样与分流进样采用同一个进样口 不分流进样是将分流气路的电磁阀关闭 图4 2 b 让样品全部进入色谱柱 这样做的好处提高分析灵敏度 但是 在实际工作中 不分流进
10、样的应用远没有分流进样普遍 只是在分流进样不能满足分析要求时 主要是灵敏度要求 才考虑使用不分流进样 这是因为不分流进样的操作条件优化较为复杂 操作技术的要求高 其中一个最突出的问题是样品初始谱带较宽 样品汽化后的体积相对于柱内载气流量太大 汽化的样品中溶剂是大量的 不可能瞬间进入色谱柱 结果溶剂峰就会严重拖尾 使早流出组分的峰被掩盖在溶剂拖尾峰中 如图4 3 a 所示 从而使分析变的困难 甚至不可能 有人也将这一现象叫做溶剂效应 消除这种溶剂效应可从几个方面考虑 但就载气的流路来说 主要是采用所谓瞬间不分流技术 即进样开始时关闭分流电磁阀 使系统处于不分流状态 图4 2 b 待大部分汽化的样
11、品进入色谱柱后 开启分流阀 使系统处于分流状态 图4 2 a 这样 汽化室内残留的溶剂气体 当然包括一小部分样品组分 就很快从分流出口放空 从而在很大程度上消除了溶剂拖尾 如图4 2 b 所示 分流状态一直持续到分析结束 注射下一个样品时再关闭分流阀 所以我们说 不分流进样并不是绝对不 分流 而是分流与不分流的结合 这里 确定一个瞬间不分流时间 从进样到开启分流阀的时间 往往是分析成败的关键 原则上讲 这一时间应足够长 以保证绝大部分样品进人色谱柱 避免分流歧视的影响 同时又要尽可能短 以最大限度地消除溶剂拖尾 使早流出峰的分析更为准确 在实际工作中 常常是根据样品的具体情况 如溶剂沸点 待测
12、组分沸点和浓度等 或操作条件来确定一个优化的折衷点 研究结果表明 这一时间值一般在30 80S之间 文献报道多采用0 75min 即从进样到开启分流阀的时问为0 75min 通常能保证95 以上的样品进入色谱柱 衬管的尺寸是影响不分流进样性能的另一个重要因素 为了使样品在汽化室尽可能少地稀释 从而减小初始谱带宽度 衬管的容积小一些有利 一般为0 25 1mL 且最好使用直通式衬管 当用自动进样器进样时 因进样速度快 样品挥发快 故建议采用容积稍大一些的直通式衬管 对于干净样品 衬管内可不填充玻璃毛 对于相对脏的样品 则需要填充玻璃或石英毛 以保证分析的重现性并保护色谱柱不被污染 但要注意 由于
13、不分流进样时样品在汽化室滞留的时间比分流进样时长 热不稳定化合物的分解可能性也大 故衬管和其中填充的石英毛都必须经硅烷化处理 且要及时清洗 更换和重新硅烷化 3 进样量和进样速度分流进样的进样量一般不超过2 L 最好控制在0 5 L以下 因为衬管的容积有限 液体汽化时体积要膨胀数百倍 防止倒灌现象 进样量还和分流比相关 分流比大时 进样量可大一些 至于进样速度应当越快越好 一是防止不均匀汽化 二是保持窄的初始谱带宽度 因此 快速自动进样往往比手动进样的效果好 另一方面 由于分流进样给检测灵敏度提出了更高的要求 而当样品浓度太低时 分流进样并不总是合适的选择 除了进行样品预处理 如浓缩 外 既然
14、分流进样是因为柱容量小 样品浓度高而不得不采用的方法 那么低浓度样品采用不分流进样 以提高检测灵敏度就是理所当然的选择了 二 操作参数设置 1 进样口温度进样口温度的设置可以比分流进样时稍低一些 因为不分流进样时样品在汽化室滞留时问长 汽化速度稍慢一些不会影响分离结果 不过 进样口温度的底限是能保证待测组分在瞬间不分流时完全汽化 否则 过低的进样口温度会造成高沸点组分的损失 影响分析灵敏度和重现性 当然 过高的温度又会造成样品的分解 因此 要根据样品的具体情况优化进样口温度 2 载气流速不分流进样的载气流速应当高一些 其上限应以保证分离度为准 分流出口的流量 开启分流阀后 一般为30 60mL
15、 min 3 进样量和进样速度进样量一般不超过2 L 进样量大时应选用容积大的衬管 进样速度则应快一些 最好用自动进样器 若采用手动进样 进样速度的重现性会影响分析结果 检测器 氢火焰离子化检测器和热导池检测器氢火焰离子化检侧器 FID 它是典型的破坏性 质量型检测器 是以氢气和空气燃烧生成的火焰为能源 当有机化合物进入以氢气和氧气燃烧的火焰 在高温下产生化学电离 电离产生比基流高几个数量级的离子 在高压电场的定向作用下 形成离子流 微弱的离子流经过高阻放大 成为与进入火焰的有机化合物量成正比的电信号 因此可以根据信号的大小对有机物进行定量分析 氢火焰检测器结构简单 性能优异 稳定可靠 操作方
16、便 其主要特点是对几乎所有挥发性的有机化合物均有响应 而且具有灵敏度高 10 13 10 10g s 基流小 10 14 10 13A 线性范围宽 106 107 死体积小 1 L 响应快 1ms 可以和毛细管柱直接联用 其主要缺点是需要三种气源及其流速控制系统 尤其是对防爆有严格的要求 氢火焰离子化检测器的结构 氢火焰离子化检测器 FID 由电离室和放大电路组成 FID的电离室由金属圆筒作外罩 底座中心有喷嘴 喷嘴附近有环状金属圈 极化极 又称发射极 上端有一个金属圆筒 收集极 两者间加90 300V的直流电压 形成电离电场加速电离离子的运动 收集极捕集的离子流经放大器的高阻产生信号 放大后输送至数据采集系统 燃烧气 辅助气和色谱柱由底座引入 燃烧气及水蒸气由外罩上方小孔逸出 尾吹气的作用 减小柱外效应 防止峰展宽 提够FID最佳灵敏度操作条件 保证使用的线性范围 注意 FID长期不用 在重新操作之前 最好在温度大于150 以上烘烤2小时 热导池检测器 一 工作原理 热导池检测器的工作原理是基于不同气体具有不同的热导系数 热丝具有电阻随温度变化的特性 纯载气通过测量和参考热丝池槽时
