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气相色谱基础知识详解

实验室资讯网时间:2019-04-13 点击: 百度搜索

【导读】概述 这一部分将分起源、原理、分类三个部分进行介绍。 原理 色谱分析法是一种分离技术 , 它是由俄国物理学家茨维特 (Tswett) 在 1906 年创立的 。 他在研究植物叶中的色素时 , 先用石油醚浸提植物中的色素 , 然后将浸提液注入到一根填充 CaCO3 的直立玻璃管的顶端 ( 图 a); 再加入纯石油醚进行淋洗......
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概述

这一部分将分起源、原理、分类三个部分进行介绍。

原理

色谱分析法是一种分离技术,它是由俄国物理学家茨维特(Tswett)在1906年创立的。他在研究植物叶中的色素时,先用石油醚浸提植物中的色素,然后将浸提液注入到一根填充CaCO3的直立玻璃管的顶端(图a);再加入纯石油醚进行淋洗,淋洗结果使玻璃管内植物色素被分离成具有不同颜色的谱带(图b)。他把这种分离方法称为色谱法;玻璃管称为色谱柱;管内填充物(CaCO3)是固定不动的,称为固定相;淋洗剂(石油醚)是携带混合物流过固定相的流体,称为流动相。

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原理

使混合物中各组分在两相间进行分配,其中一相是不动的(固定相),另一相(流动相)携带混合物流过此固定相,与固定相发生作用。在同一推动力下不同组分在固定相中滞留的时间不同,依次从固定相中流出,又称色层法,层析法。

分类

(1)气相色谱、液相色谱、超临界流体色谱(流动相)

(2)柱色谱,纸(PC)色谱,薄层色谱(TLC)(固定相)

(3)吸附色谱,分配色谱,离子交换色谱,排阻色谱(物理化学分离原理)

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2 定义分类

这一部分将对气相色谱的定义及分类进行介绍。

定义

气相色谱法是以惰性气体(N2、He、Ar、H2等)为流动相的柱色谱分离技术,其应用于化学分析领域,并与适当的检测手段相结合,就构成了气相色谱分析法。

分类

根据固定相的状态不同,可将其分为气固色谱和气液色谱。

流程

气相色谱法用于分离分析样品的基本过程如下图:

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由高压钢瓶1供给的流动相载气。经减压阀2、净化器3、流量调节器4和转子流速计5后,以稳定的压力恒定的流速连续流过气化室6、色谱柱7、检测器8,最后放空。

3 结构

气相色谱仪由五大系统组成:气路系统、进样系统、分离系统、控温系统以及检测和记录系统。

01

气路系统

气路系统是指流动相----载气连续运行的密闭系统,它包括气源钢瓶、净化器、气体流速控制和测量装置。通过该系统,可以获得纯净的、流速稳定的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性,对色谱结果均有很大的影响,因此必须注意控制。

常用的载气有氮气和氢气,也有用氦气、氩气。载气的净化,需经过装有活性炭、分子筛或硅胶的净化器,以除去载气中的水、氧、油等不利的杂质。

02

进样系统

组成:进样系统包括进样装置和汽化室两部分。

作用:是将液体或固体试样,在进入色谱柱之前瞬间气化,然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的多少,进样时间的长短,试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。

2.1 进样器

液体样品的进样一般采用微量注射器。

气体样品的进样常用色谱仪本身配置的推拉式六通阀或旋转式六通阀定量进样,也可采用气密性针进样(手动进样)。

2.1.1 进样口类型

1)分流/不分流进样口(SSI)

2)隔垫吹扫填充柱进样口(PPI)

3)冷柱头进样口

4)程序升温汽化进样口(PTV):进样口的加热丝可程序升温,适合多组分难分离的物质分离

5)顶空进样

6)微相固萃取进样

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△SSI 分流模式流路图

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△SSI 不分流模式流路图

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△SSI分流流量计算

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△隔垫吹扫填充进样口

2.1.2 典型的进样口问题

☆污染:

重复使用同一根针进样,会产生残留与污染,上一次进样的物质会影响下一次进样,形成“记忆效应”。

用洗针的方法来消除“记忆效应”。

洗针:首先要根据化合物的性质选用不同的溶剂洗针,并需要洗20次以上,再用样品液洗针,以免带来稀释效应

☆针歧视:

气相色谱进样针的针头为斜面,造成液体滑坡,从而产生蒸馏效应,低沸点的更容易出来,从而带来的歧视效应对低沸点的影响更大。通过快速自动进样(进样针头为锥型)、增大进样量和/或使用沸点更高的溶剂来减少针歧视。

☆进样的速度

1)对于有的样品,进样速度要快。

2)留针:对于粘滞的样品,先刺入隔垫,进针2/3,推针不马上进行,待升温使其溶解后再推针。

☆泄漏:

进样垫和柱泄漏会改变保留时间和峰面积。样品可能从泄漏处跑掉,空气会扩散入进样口造成柱损伤。定期更换进样垫并在第一次发生问题时检查柱连接。

☆进样口温度、分流比等设置不正确

2.1.3 进样口的日常维护

☆更换隔垫

☆清洗或更换进样针

☆进行泄漏测试和维修

☆清洗或更换衬管/内插件

☆更换O形环

☆清洗或更换分流平板和金属垫片(SSI)

2.2 气化室

为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解,因此要求气化室热容量大,并不使样品分解。为了尽量减少柱前谱峰变宽,气化室的死体积应尽可能小。常用金属块制成汽化室、外套加热块,为消除金属表面的催化作用,在汽化室管内有石英衬管,衬管有分流与不分流之分。衬管是可以清洗的。

03

分离系统

分离系统是指把混合样品中各组分分离的装置,它由色谱柱组成。

3.1 色谱柱的分类

1)填充柱由不锈钢、玻璃和聚四氟乙烯等材料制成,常用的为不锈钢柱,柱管内径为2-6mm,柱长1-5m。柱形有U型和螺旋型二种。

2)毛细管柱又叫空心柱,分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.2-0.5 mm,长度30-300 m,呈螺旋型。

与填充柱相比,毛细管柱的特点为

分离效能高;分析速度快、样品用量少,可在几十分钟内分离出包含几百种化合物的汽油馏分,然而样品用量仅有数微克;在快速分析方面,可在几分钟内分离含十几个组份的样品。

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3.2 填充柱气相色谱

填充柱气相色谱的柱管通常内径宽,内径为不锈钢管,为节省柱温箱空间而将柱管弯成环状。在管内壁涂渍液体物质(气-液色谱),或在管内填充固体吸附剂(气-固色谱)。

3.2.1 -液色谱

气-液色谱的原理:各溶质在气相(流动相)和液相(固定相)间分配系数不同达到分离。

-液色谱的固定相:

涂渍在惰性多孔固体基质(载体或担体)上的液体物质,常称固定液。

使用过的气-液色谱固定液上千种,常用的固定液有聚甲基硅氧烷(非极性)、聚乙二醇(强极性)、含5%或20%苯基的聚甲基硅氧烷(非极性/中等极性)、含氰基和苯基的聚甲基硅氧烷(中极性)、50%三氟丙基聚硅氧烷(高极性),另外,用于分离手性异构体的手性固定相则主要有手性氨基酸的衍生物、手性金属配合物和环糊精衍生物。

固定液的分类:

1)非极性固定液:它们与待测物质分子的作用力以色散力为主.组分在此类固定相上按沸点由低到高顺序流出, 适用于非极性和弱极性化合物的分析.

2)中等极性固定液:它们与待测物质分子间的作用力以色散力和诱导力为主,组分基本上按沸点顺序出峰, 适用于弱极性和中等极性化合物的分析。

3)强极性固定液:含有较强的极性基团,它们与待测物质分子间的作用力以静电力和诱导力为主,组分按极性由小到大的顺序出峰。适用于极性化合物的分析。

4)氢键型固定液:是强极性固定液中特殊的一类,与待测物质分子间作用力以氢键力为主,组分按依次形成氢键的难易程度出峰,不易形成氢键的组分先出峰。常用的固定液有聚乙二醇,三乙醇胺等,适用于分析含F、N、O等的化合物。

固定液的选择

固定液的选择一般根据“相似相溶”的原则,待测组分分子与固定液分子的性质(极性、官能团)相似时,其溶解度就大。

1)按极性相似原则选择:

2)按官能团相似选择:若待测物质为酯类,则选用酯或聚酯类固定液;若待测物质为醇类,可选用聚乙二醇固定液。

3)按主要差别选择:若待测各组分之间沸点是主要矛盾,可选用非极性固定液,若极性是主要矛盾,则选用极性固定液

4)选择混合固定液:对于难分离的复杂样品,可选用两种或两种以上的固定液。

常用的基质:

无机载体(如硅藻土、玻璃粉末或微球、金属粉末或微球、金属化合物)和有机载体(如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚乙烯丙烯酸酯)

3.2.2 气固色谱

气-固色谱的固定相是固体吸附剂,分离是基于样品分子在固定相表面的吸附能力的差异而实现的;

常用的固体吸附剂有碳质吸附剂(活性炭、石墨化碳黑、碳分子筛)、氧化铝、硅胶、无机分子筛和高分子小球;

气-固色谱不如气-液色谱应用广泛,主要用于永久性气体和低沸点烃类的分析,在石油化工领域应用很普遍。

3.3 毛细管气相色谱

毛细管柱

毛细管柱是用熔融二氧化硅拉制的空心管,也叫弹性石英毛细管。柱内径通常为0.1~0.5 mm,柱长30~50 m,绕成直径20 cm左右的环状。

用这样的毛细管作分离柱的气相色谱称为毛细管气相色谱或开管柱气相色谱,其分离效率比填充柱要高得多。

在分流/不分流进样口安装毛细管柱的步骤:

1.检查气体过滤器、载气、进样隔垫和衬管等。

2.把毛细管柱螺母和垫圈安装于柱上。(毛细管端口朝下)

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3.使用玻璃刻痕工具刻划柱。刻痕部位必须平直,确保裂口整齐。

4.用柱切割器的划痕部位的对面折断柱。用放大镜观察末端,确保没有毛边或呈锯齿状。用滤纸擦毛细管柱壁,去掉指纹和粉末。

5.在柱垫圈上端以上留出柱4-6mm,用打印机改正液在柱螺母下作标记。

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6.将柱插入进样口,把螺帽和垫圈上部的柱子滑向进样口底部.用手指拧紧柱螺帽直至柱被固定。

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7.调节柱位置,使柱上改正液标记正好在柱螺帽底部。

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8.拧紧螺帽1/4-1/2圈,用轻微的力部能将柱从接头上拉下。

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9.在检测器上安装毛细管柱

其步骤与进样口相同,但是在柱垫圈上端以上留出的距离不一样(FID:48 mm)

注意:如果在应用中系统所使用的是ECD或是NPD等,那么在老化色谱柱时,不接检测器。

10.进行气体检漏:

当我们对进样口和检测器进行载气检漏时,使用电子检测计(Electronic Leak Detector)是最为有效的方法之一。

11.确定载气流量,再对色谱柱的安装进行检查。

12.色谱柱的老化:

对色谱柱升温到一恒定温度,通常为其温度上限。超过温度上限,那样极易损坏色谱柱。升温速度一定要快,不要将程序升温的速度设太慢。当达到老化温度后,记录并观察基线。比例放大基线,以便容易观察。

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04

温控系统

温控系统是指对气相色谱的汽化室、色谱柱和检测器进行温度控制的装置,由于汽化室、色谱柱和检测器要求的适合温度各有不同,所以要求配有三种不同的温控装置,以便设定控制和测定各处的温度,为满足分析要求,除可以恒温外,还可采用程序升温。一般情况下,汽化室的温度比柱温高,以保证试样能瞬间汽化而不分解,而检测器温度是三者之间最高的,以防止样品在检测室冷凝。

05

检测和记录系统

检测记录系统是指从色谱柱流出的各个组分,经过检测器把浓度(或质量)信号转换成电信号,并经放大器放大后由记录仪显示出最终获得分析结果的装置,它包括检测器、放大器和记录仪。

检测器的种类很多,据检测原理的不同可分为浓度型检测器和质量型检测器两大类。浓度型检测器常用的有热导池检测器(TCD)和电子捕获检测器(ECD);质量型检测器常见的有氢火焰离子化检测器(FID)和火焰光度检测器(FPD)。

5.1 氢火焰离子化检测器(FID)

属于选择性检测器(只对碳氢化合物产生信号),它的特点是死体积小,灵敏度高(比TCD高100-1000倍),稳定性好,响应快,线性范围宽,适合于痕量有机物的分析,但样品被破坏,无法进行收集,不能检测永久性气体及H2O、H2S等。

☆结构及原理

主要部件是离子室,H2与载气在进入喷嘴前混合,空气(助燃气)由一侧引入,在火焰上方筒状收集电极(作正极)和下方的圆环状极化电极(作负极)间施加恒定电压,当待测有机物由载气携带从色谱柱流出,进入火焰后,在火焰高温(2000℃左右)作用下发生离子化反应,生成的许多正离子和电子,在外电场作用下,向两极定向移动,形成了微电流(微电流的大小与待测有机物含量成正比),微电流经放大后,由记录仪记录下来。

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☆使用注意事项

1.载气、氢气和空气须过滤净化,一般常用分子筛,活性炭和硅胶作为干燥净化剂,定期更换干燥净化剂。

2.选择FID的操作条件时应注意所用气体流量和工作电压,一般N2和H2流速的最佳比为1:1-1.5:1(此时灵敏度高、稳定性好),氢气和空气的比例为1:10,极化电压一般为100-300V。

3.当分析样品水分太多或进样量太多时,会使火焰温度下降,影响灵敏度,有时甚至会使火焰熄灭。

4.离子头,管道和离子室必须清洁,不得有有机物污染,否则引起本底电流增大,噪声增大,灵敏度降低,若不清洁,可用水、酒精和苯依次清洗烘干。

5.应在氢气通气半小时以上再点火,以免火点不着。等火点着了后再通尾吹气。

5.2 电子捕获检测器(ECD)

电子捕获检测器是一种高选择性、高灵敏度的检测器,应用广泛,仅次于TCD和FID。它的选择性是指它只对具有电负性的物质如含卤素,S,P,O,N的物质有响应,而且电负性越强,检测的灵敏度越高;高灵敏度表现在能检测出10-14g/ml的电负性物质,因此可测定痕量的电负性物质—多卤、多硫化合物,甾族化合物,金属有机物等。

☆结构和原理

ECD的主要部件是离子室,离子室内装有β放射源(H3或Ni63)作负极,不绣刚棒作正极。当载气(一般为高纯N2)从色谱柱出来进入检测器时,由放射源放射出的β射线使载气电离,产生正离子和慢速低能量的电子,在恒定或脉冲电场的作用下,向极性相反的电极运动,形成电流—基流;当载气携带电负性物质进入检测器时,电负性物质捕获低能量的电子,使基流降低产生负信号而形成倒峰,检测信号的大小与待测物质的浓度呈线性关系(在线性范围内)。

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(本文来源:化学分析计量 )

(责任编辑:子豪)

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