气相基础教程

气相色谱仪基础课程一、气相色谱基础1.色谱原理2.气相色谱系统3.色谱基本理论4.载气5.进样口6.色谱柱7.检测器8.定量分析方法1.色谱原理p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。p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p检测信号和时间的关系图p不同的色谱峰对应相应的组分p可以得到相应组分的保留时间和峰面积信息。p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.1212+)(2=WWttRRR-例如，图示中塔板数为3.塔板理论柱效能（ColumnEfficiency)p峰展宽的度量.p以塔板数来表示p类似蒸馏中的气液平衡峰的形状p理想的峰型是高斯曲线.p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/μ+Cμ这里：A=涡流扩散B=纵向扩散C=传质阻力μ=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16•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图的影响毛细管内径（微米）250320530载气ml/mincm/secml/mincm/secml/mincm/secHe1.3451.7352.821H21.6552.1433.426N20.4140.5110.97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：p惰性：He,Ar,N2,H2.p根据检测器,价格及方便程度来决定p采用压力调节器以获得恒定的仪器输入压力p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DetectorTCDECDFIDFPDNPDCarrierGasesHeN2H2ArN2CH4+ArrHeN2H2N2HeH2HeN2FuelGasesH2AirH2AirH2Air气体的供应和控制载气推荐采用H2、He:1)分离度好2)对TCD灵敏度最高，而且可保护W丝3)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载气的进口压力H2,He,N2,Ar一般80psi(5.5kg/cm2)燃烧气的进口压力H2一般40psi(2.8kg/cm2)Air一般60psi(4kg/cm2)气体进口及连接如果管线太长，应适当增加输出压力气体进口及连接（续）5、进样口p作用：样品进样和汽化.p要求：精度和重现性p根据样品的性质选择进样技术p填充柱进样口•柱上进样(OnColumn)•快速气化（Flash-vaporization）p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p柱上进样(OnColumn)p快速气化（Flash-vaporization）柱上进样(Oncolumn)p液体样品直接注射进柱头上p消除了气化时样品损失。p消除了传输过程中从进样口到色谱柱之间的样品损失。p可用于热不稳定物质的分析。p定量分析精度好。p最好用于干净稀释的样品。快速气化（Flash-vaporization）p对于浓度较高或较脏的样品。p色谱柱连接在进样口底部。p色谱柱完全填充。p样品在玻璃内衬中气化p进样口至少高于柱温箱50C。p能够用于大口径的毛细管。毛细管进样p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p载气流量小p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)p只用于大口径(Φ0.53mm内径).p将注射器中的样品全部送入到色谱柱.p允许缓慢注入较大体积的稀释样品(2µL)。p相对低的进样口温度。分流/不分流进样p用于毛细管柱0.1mmto0.53mmID.p可选用分流/不分流进样(split/splitless.)分流(split)p允许样品中的代表部分进入到色谱柱中。p当被测物浓度较高时。不分流(splitless)p类似于直接进样.p样品中绝大部分进入到色谱柱中。分流p均匀气化的样品通过分流点(柱尖端Colomntip).p样品在玻璃衬管气化p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p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)的分析分流比排气口流量+色谱柱流量色谱柱流量p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.=分流进样规则p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。p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.p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。p以确保隔垫吹扫打开，设定为2-5mL/min.不分流进样的规则1.将软件置于不分流模式.所有进样口的流量应经过色谱柱和隔垫吹扫.2.将进样口温度设置为沸点最高物质的沸点上。3.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。4.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.5.保证隔垫吹扫打开，并设为2-5mL/min.填充柱毛细管柱•长：2-3m•长：10-100m•内径：2-4mm•内径：0.1-0.8mm•玻璃和金属材质•熔融氧化硅或不锈钢，聚酰亚胺涂层6.色谱柱色谱柱材料和结构p填充柱p-短(2-3米),管内径较粗.p毛细管柱p-长(60米),内径较细.p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p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).材质内径外经长度不锈钢2mm1/8inch2-3meters玻璃2mm1/4inch2meters特氟珑2mm1/8inch10metersPack•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p是液态固定相附着的载体p增加与样品接触的表面积。p细小、均匀、多孔。p大部分采用硅土.p标准大小颗粒.颗粒大小（目）平均的直径范围60/80177to260m80/100149to177m100/120125to149m120/140105to125m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p不锈钢玻璃熔融硅.p柔韧性及机械强度均较好p惰性p内径：0.05-0.80mm.p长度：可大于100m,普通一般为30m。p外层为聚酰亚胺，可修补柱子缺陷并且增加强度。p柱子内表面进行硅烷化处理。p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，前提是被测物不会过载。0.32mm：用于分流/不分流进样，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。柱内径ID流速(20cm/sec氦气)流速(40cm/sec氢气)0.18mm0.3mL/min0.6mL/min0.25mm0.7mL/min1.4mL/min0.32mm1.2mL/min2.4mL/min0.53mm2.6mL/min5.2mL/min典型的毛细管柱特点涂膜厚度p固定相的总量.p影响保留时间和容量。p较厚的涂层会延长保留时间和增加柱容量。p薄的涂层用于高沸点的分析物。p标准的毛细管柱一般为0.25µm.p0.53mm内径的毛细管柱一般为1.0-1.5µm.p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。p柱流失随着膜厚、柱内径、长度和温度的增加而增加。p极性柱有较高的柱流失。p柱子损坏或退化，柱流失可能会增加。p避免使用强酸或强碱p按照制造商推荐的温度限制使用强酸强碱HClH2SO4H3PO4HNO3KOHNaOHNH4OHp确保载气流过毛细管柱15-30分钟.p缓慢程序升温(5º/min)到老化温度。p最初老化温度4hours.p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。p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p气固色谱（GSC）最常用于气体样品的分析。p采用的固定相可以是分子筛和氧化铝p固态吸附点少，不会导致拖尾。p无液态固定相导致的柱拖尾。液体固定相p固定相决定了色谱柱的选择性。p有数百种固定相，尤其是填充柱.p许多固定相有多种商品名。p毛细管柱的固定相选择较简单。p“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.p极性表明了