气相色谱分离原理分析

气相色谱分离原理分析 气相色谱分离原理分析 气相色谱法(GC)就是以气体为流动相的色谱分析法。具有高效能、高选择性、高灵敏度、分析速度快、应用范围广等特点。 一、气相色谱分离原理 气相色谱过程是待测物样品被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶，以惰性气体(指不与待测物反应的气体，只起运载蒸汽样品的作用，也称载气)将待测物样品蒸汽带入柱内分离。其分离原理基于待测物在气相和固定相之间的吸附—脱附(气固色谱)和分配(气液色谱)来实现的。因此可将气相色谱分为气固色谱和气液色谱。气固色谱是利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附—解吸能力不同实现物质分离。由于活性(或极性)分子在这些吸附剂上的半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性的)，导致色谱峰严重拖尾，因此气固色谱应用有限，只适于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析。气液色谱通常直接称为气相色谱。它利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。 二、气相色谱仪的构成 气相色谱主要由气路系统、进样系统、柱分离系统、温控系统、检测系统和 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 系统等部分组成(如图3-2-1)。 图3-2-1 气相色谱基本结构图 图3-2-1 气相色谱基本设备示意图 1-载气钢瓶 2-减压阀 3-净化干燥管 4-针形阀 5-流量计 6-压力表 7-进样器 8-色谱柱 9-热导检测器 10-放大器 11-温度控制器 12-记录仪 组分能否分离，色谱柱是关键，它是色谱仪的“心脏”;分离后的组分能否产生信号则取决于检测器的性能和种类，它是色谱仪的“眼睛”。所以分离系统和检测系统是仪器的核心。进行气相色谱法分析时，载气(一般用氮气或氢气)由高压钢瓶供给，经减压阀减压后，载气进入净化管干燥净化，然后由稳压阀控制载气的流量和压力，并由流量计显示载气进入柱之前的流量后，以稳定的压力进入气化室、色谱柱、检测器后放空。当气化室中注入样品时，样品立即被气化并被载气带入色谱柱进行分离。分离后的各组分，先后流出色谱柱进入检测器，检测器将其浓度信号转变成电信号，再经放大器放大后在记录器上显示出来，就得到了色谱的流出曲线，利用色谱流出曲线上的色谱峰就可以进行定性、定量分析。 (一)气路系统 气路系统是为获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体化装置。载气从起源钢瓶出来后依次经过减压阀、净气阀、气流调节阀、转子流量计、气化室、色谱柱、检测器，然后放空。 载气:要求化学惰性，不与有关物质反应。载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配。常用的载气有氢气、氮气、氦气。 净化器:多为分子筛和活性碳管的串联，可除去水、氧气以及其它杂质。 压力表:多为两级压力指示。第一级为钢瓶压力，总是高于常压(填充柱要求为10,50 psi;开口毛细管柱为1,25 psi);第二级为柱头压力指示。 流量计:在柱头前使用转子流量计，但不太准确。通常在柱后，以皂膜流量计测流速。许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。 (二)进样系统 隔膜进样器结构图 进样系统包括气化室和进样装置，常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液体样品注入气化室(气化室温度比样品中最易蒸发物质的沸点高约50oC)，通常六通阀进样的重现性好于注射器。要求进样量或体积适宜，“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至20μL，对毛细管柱分离，体积约为 10,30μL，此时应采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过慢，将导致分离变差(拖尾)。 (三)柱分离系统 柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和毛细管柱。 柱材料包括金属、玻璃、融熔石英等。 填充柱:多为U 形或螺旋形，内径2,4mm，长1,3m，内填固定相。 毛细管柱:分为涂壁、多孔层、键合型和交联型毛细管柱。 10000 50 ~ 300 < 100 每个峰的容量/ng 低 中 高 分离能力 10 0.5 ~ 0.8 0.1 ~ 5 液膜厚度/mm 2 ~ 4 0.5 ~ 0.8 0.1 ~ 0.8 内径/mm 1 ~ 5 10 ~ 50 10 ~ 100 长度/m 填充柱 SCOT WCOT 色谱柱种类 毛细管柱与填充柱分离一些硝基化合物的比较 (a)填充柱1.5m，涂QF-1，恒温;(b)毛细管柱，21m，涂OV-101 毛细管气相色谱流路 内径0.1,0.5mm，长达几十至100m。通常弯成直径10,30cm的螺旋状。传质阻力很小，谱带展宽变小，其总柱效比填充柱高得多、分析速度快、样品用量小。过去是填充柱占主要，但现在除了一些特定的分析之外，填充柱将会被更高效、更快速的毛细管柱所取代。 (四)温控系统 温度控制是否准确和升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。 控温系统包括对三个部分的控温，即气化室、柱箱和检测器。控温方式有恒温和程序升温。柱温是影响分离的最重要的因素，其变化应小?0.1?。选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分析时间20,30min);对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。 (五)检测记录系统 检测记录系统是指从色谱柱流出的组分，经过检测器把浓度(或质量)信号转化为电信号，并经放大器放大后由记录仪显示和记录分析结果的装置，它由检测器、放大器和记录仪三部分构成。 气路系统 温控系统 进样系统 柱分离系统 检测系统 气相色谱结构 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 三、气相色谱检测器 (一)检测器的作用、分类及性能指标 1. 检测器的作用 检测组分的存在，并将组分的量定量地转换为电信号，加以放大。 2. 检测器的分类 根据检测器的响应原理，可将其分为浓度型和质量型检测器。 浓度型:检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与浓度成正比，如热导检测器(TCD)。 质量型:检测的是载气中组分进入检测器中速度变化，即响应值与单位时间进入检测器的组分量成正比，如氢火焰离子化检测器(FID)。 3. 检测器的性能指标 1. 灵敏度(S)和检测限(D) 灵敏度(S)单位物质量通过检测器时产生的信号大小。S值越大，说明检测器越灵敏。 检测限(D)又称检测度或敏感度，定义为当检测器产生的信号(峰高)恰是噪声的2倍时，单位时间或单位体积内进入检测器的最小物质量 。检测限可表示为: 式中，N为噪声信号(纯载气通过检测器时基线的波动)，单位为mV。由此可见，检测限不仅决定于灵敏度，而且受制于噪声，所以它是衡量检测器性能好坏比较全面的指标。 通常情况下，D值越小的检测器，越有利于痕量分析。 2. 稳定性 检测器的稳定性通常用噪音和基线漂移两项指标来衡量。 (1)噪音 在色谱图中基线的无规则波动，称为噪音。其大小为峰对峰的平均值，称噪音水平，以RN表示。噪音的测量通常是取10,15min的噪音带来计算。单位为mV。 (2)基线漂移 基线长期的向上或向下单方向波动称为基线漂移。漂移的测量通常是取0.5h或1h内基线的变动来计算，单位mV/h。 3. 线性范围 (1)线性 不同类型检测器的响应值(Ri)与进入检测器的信号与组分浓度的关系呈线性的范围。 Ri,C×Qn 式中C为常数 n=1时，检测器为线性响应，n?1时，为非线性响应。 (2)线性范围 检测器在线性工作时，被测物质的最大浓度(或质量)与最低浓度(或质量)之比，即检测器信号与组成浓度呈线性范围。热导检测器的线性范围一般为1.0×105，氢火焰离子化检测器则为1.0×107。 4. 响应时间 响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其值的63,时所需的时间，一般都小于1s。检测器的死体积越小，电路系统的滞后现象越小，响应速率就越快，响应时间就越短。 (二)检测器的类型 气相色谱检测器种类繁多，本节将介绍最为常用的几种检测器，热导检测器(TCD)、氢火焰离子化检测器(FID)、电子捕获检测器(ECD)和火焰光度检测器(FPD)。 1.热导检测器(TCD) TCD是一种应用较早的通用型检测器，对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广，但灵敏度较低。现仍在广泛应用。 (1)TCD结构 由池体和热敏元件构成。池体内装两根电阻相等(R1=R2)的热敏元件(钨丝、白金丝或热敏电阻)构成参比池和测量池，它们与两固定电阻R3、R4组成惠斯顿电桥。 (2)基本原理 利用组分与载气导热率的差异进行检测。 当只有载气通过时，池内产生的热量与被载气带走的热量达到动态平衡，参考臂与测量臂温度相同，则R参?R2=R测?R1。无电压信号输出。进样后，参考臂流过的仍是纯载气，测量臂由于混合气体的热导系数与载气不同，使的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，则R参?R2?R测?R1，这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。当载气和样品的混合气体与纯载气的热导系数相差越大，则输出信号越强。 热导检测器示意图及电路原理 (3)影响TCD灵敏度的因素: (a)桥电流i:随着桥电流i增加,热丝温度增加，热丝与池体间温差也增加，气体热传导增加，灵敏度增加。但i过大，会使噪音增大、基线不稳、热敏元件寿命下降。电流通常选择在100,200 mA之间(N2作载气，100,150 mA;H2作载气，150,200 mA)。 (b)池体温度:池体温度低，与热敏元件间温差大，灵敏度提高。但温度过低，可使试样凝结于检测器中。通常池体温度应高于柱温。 (c)载气种类:载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。通常选择热导系数大的H2 和He 作载气。用N2作载气，热导系数较大的试样(如甲烷)可出现倒峰。 (d)热敏元件阻值:阻值高、电阻温度系数r大(随温度改变，阻值改变大，或者说热敏性好)的热敏元件，其灵敏度高。 (4)使用注意事项 适当桥流;载气流速稳定;开机时先通气，后通电;关机时先关电，冷后关气。 2.火焰离子化检测器(FID) 主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。为典型的质量型检测器，具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速、比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达 10-12g.s-1等特点。 (1)FID的结构 包括离子室，内有石英喷嘴、发射极(极化极，此图中为火焰顶端)和收集极。 氢火焰离子检测器示意图 (2)测定原理 含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，这些带电粒子在火焰和集电极间的电场作用下(几百伏)形成电流，经放大后测量电流信号(10-12 A)，检测被色谱柱分离的组分。 (3)影响FID灵敏度的因素: (1)载气和氢气流速:通常以N2为载气，其流速主要考虑其柱效能。但也要考虑其流速与H2流速相匹配。一般N2:H2 = 1:1,1:1.5。 (2)空气流速:流速越大，灵敏度越大，到一定值时，空气流速对灵敏度影响不大。一般地，H2:Air = 1:10。 (3)极化电压:在50V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在50V以上，则灵敏度增加不明显。通常选择?100,? 300V的极化电压。 (4)注意事项 气体纯度;选择适当气体流速;样品净化;色谱柱的老化;鬼峰的消除及进样口垫的处理;100 ?以上点火 。 3.电子捕获检测器(ECD) 电子捕获检测器(ECD)为高选择性检测器，主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析，对大多数烃类没有响应，检测下限10-14 g /mL，较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。 (1)测定原理 从色谱柱流出的载气(N2或Ar)被ECD内腔中的β放射源电离，形成次级离子和电子(此时β电子减速)，在电场作用下，离子和电子发生迁移而形成电流(基流)。当含较大电负性有机物被载气带入ECD内时，将捕获已形成的低速自由电子，生成负离子并与载气正离子复合成中性分子，此时，基流下降形成“倒峰”。 N2?N2+ + e AB + e?AB- + E AB- + N2+?AB + N2 电子捕获检测器示意图 (2)主要影响因素 气体纯度;脉冲频率及基流;样品的净化;温度。 3)注意事项 ( 气体纯度;样品净化;色谱柱的老化;进样口垫的处理;进样量及线性范围;通气维持灵敏度;检测器的维护。 4.火焰光度检测器(FPD) FPD 是对含S、P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。因此，也称硫磷检测器。主要用于SO2、H2S、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。 (1)FPD结构 包括，喷嘴、滤光片和光电管。 火焰光度检测器示意图 光电倍增管原理图 (2)基本原理 在富氢焰中含硫、含磷的化合物产生激发态分子或分子碎片(S2*，HPO*)，发射出特征光，检测其特征光(硫 394nm，磷 526nm)决定硫、磷化合物的含量。FPD实际上为一个简单的发射光度计。 (3)注意事项 调节合适的流速比;对硫的响应非线性;光电倍增管在50?以下工作，加电压下绝不可打开罩;100 ?以上点火。 四、气相色谱固定相 在介绍色谱仪器时，我们提到色谱分离系统是色谱仪器中最为灵魂的部分，而其中分离柱中固定相组成与性质更是直接与分离效能有关。气相色谱柱可分为两类:用于气固色谱的固定相(固体吸附剂);用于气液色谱的固定相(固定液和载体)。 1.气固色谱固定相——固体吸附剂 该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。 (1)常用固体吸附剂:硅胶(强极性)、氧化铝(弱极性)、活性炭(非极性)、分子筛(极性，筛孔大小) (2)人工合成固体吸附剂:高分子多孔微球(GDX)为人工合成的多孔聚合物，其孔径大小可以人为控制,可在活化后直接用于分离。高分子多孔微球可分为两类: 非极性:苯乙烯+二乙烯苯共聚:GDX-1和2型(国产);Chromosorb系列(国外);极性:苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团:GDX-3和4型(国产); Porapak N等(国外)。 (3)气固色谱固定相的特点 (a)性能与制备和活化条件有很大关系; (b)同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大; (c)对烃类异构体有很好的选择性和较高的分辨率。 (d) 色谱峰易不对称，重现性差，不宜分析高沸点和有活性组分的试样。 2.气液色谱固定相 气液色谱固定相由载体和固定液构成，载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。 (1) 载体(也称担体) 对载体的要求: 化学惰性;热稳定性;一定机械强度;适当的比表面 载体的种类: 硅藻土类，分为白色和红色担体。红色担体孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好，适宜分离非极性或弱极性组分的试样。其缺点是表面存有活性吸附中心点。白色担体煅烧前原料中加入了少量助溶剂(碳酸钠)，颗粒疏松，孔径较大，比表面积较小，机械强度较差，但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。 非硅藻土类(玻璃、金属、金属化合物、吸附剂) 载体的处理: 酸洗、碱洗、硅烷化、釉化 (2) 固定液及其选择 固定液主要是一些高沸点有机物。 ?对固定液的要求: 工作温度下为液体，具有很低的蒸汽压;热稳定性，化学稳定性;对载体 有好的浸渍能力;对组分有好的选择性分离能力。 ?固定液与组分的作用力 a.色散力——非极性分子之间(瞬时偶极之间静电吸引); b.诱导力——极性与非极性分子之间(偶极与瞬时偶极之间静电吸引); c.取向力——极性与极性分子之间(偶极与偶极之间静电吸引) d.氢键力——强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引，亦属取向力。 前三种统属范德华力，后者属特殊范德华力。 ?固定液的分类 ?固定液的选择——相似性原则 按极性选择: 对于非极性物质分离，一般采用非极性固定液;对于中等极性物质的分离，一般选用强极性固定液。对于能够形成氢键的样品的分离，一般选择极性或氢键型固定液。 按化学官能团相似选择: 对于醇类化合物可选用聚乙二醇等醇类固定液，对于酯类化合物则选用奎二酸二异辛酯等酯类固定液，对于醚类化合物可选用庚二醇单异壬基苯醚为固定液。 对于沸点相近的化合物的分离: 只能利用固定液的选择性。对于他们的分离，要选择极性完全与它们不同的固定液;分离同沸点的极性化合物物质，可选用非极性或弱极性固定液如角鲨烷、甲基硅油等。 固定液的优选: 包括混涂、混装和串联三种方法 混涂是用两种性质不同的固定液按一定比例混合后，然后涂在但体上;混装是将分别涂有不同性质固定液的担体，按一定比例混合均匀后，装入色谱柱;串联是将装有不同液体固定液的色谱柱串联起来使用。 六、气相色谱定性和定量分析 (一)定性分析 1.利用纯物质定性的方法 利用保留值定性:通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。 利用加入法定性:将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。 2.利用文献保留值定性 利用相对保留值r21定性 相对保留值r21仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。 3.保留指数 又称Kovats指数(?)，是一种重现性较好的定性参数。测定方法: 将正构烷烃作为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100(如正己烷的保留指数为600)。 其它物质的保留指数(IX)是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z，1个碳原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示: 4.与其他分析仪器联用的定性方法 与质谱、红外光谱等仪器结合定性 单纯用气相色谱法定性往往很困难， 但可以配合其他仪器分析方法定性。其中仪器分析方法如红外光谱、质谱、核 磁共振等对物质的定性最为有用。 (二)定量分析 1.归一化法: 特点及要求: 归一化法简便、准确; 进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大; 仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。 2.外标法 也称为标准曲线法 特点及要求: 外标法不使用校正因子，准确性较高， 操作条件变化对结果准确性影响较大。 对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。 内标法 3. 内标物要满足以下要求: (a)试样中不含有该物质;(b)与被测组分性质比较接近;(c)不与试 )出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。 样发生化学反应;(d 试样配制:准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物mS 计算式: 内标法特点 (1) 内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍许变动对定量结果的影 响不大。 (2) 每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合大批量试样的快速分析。 (3) 若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则: 七、气相色谱在食品分析检测中的应用 气相色谱法广泛应用于食品中的脂肪酸、农药残留、毒害物质、香精香料、 食品添加剂、食品包装材料中的挥发物等成分的分析中。