气相色谱法的基本知识

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,气相色谱法的基本知识,一、 基本概念,1,、色谱法的定义及发展,色谱法是一种分离方法，它利用物质在两相中分配系数的微小差异进行分离。,当两相做相对移动时，使被测物质在两相之间进行多次分配，这样原来的微小差异产生了很大的效果，使各组分分离。,色谱法是,混合物最有效的分离、分析方法。,俄国植物学家茨维特在,1906,年使用的装置：,色谱原型装置，如图。,试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。,其中的一相固定不动，称为固定相；,另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。,样品组份分离,色谱法发展的历史：,1906,年俄国植物学家,Tswett,命名自己发明的分离植物色素的新方法为色谱法。因为他并不是一个著名的学者，因此他发表出来的文章并没有得到重视。,1931,年，德国的,Kuhn,和,Lederer,重复了,Tswett,的实验，得到很好的结果，色谱法因此得到很大的推广。,1940,年，,Martin,和,Synge,提出了液液分配色谱法，又把塔板的 概念引入色谱法中，初步建立了塔板理论。,1941,年，他们提出了用气体代替流体做流动相的可能性，在他们发展了完整的气液色谱法之后，他们得了,1952,年的诺贝尔化学奖。,二,.,色谱法分类,(1),气相色谱,：,流动相为气体（称为载气）。,按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；,按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱,液相色谱,(2),液相色谱,：,流动相为液体（也称为淋洗液）。,按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。,离子色谱,：,液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同,pH,值的水溶液为流动相。,三、,色谱流出曲线与术语,1.,基线,无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。,2.,保留值,（,1,）时间表示的保留值,保留时间（,t,R,）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；,死时间（,t,M,）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；,调整保留时间（,t,R,）：,t,R,=,t,R,t,M,（,2,）用体积表示的保留值,保留体积（,V,R,）：,V,R,=,t,R,F,0,F,0,为柱出口处的载气流量，,单位：,m L / min,。,死体积（,V,M,）：,V,M,=,t,M,F,0,调整保留体积,(,V,R,),：,V,R,=,V,R,V,M,3.,相对保留值,r,21,组分,2,与组分,1,调整保留值之比：,r,21,=,t,R,2,/,t,R,1,=,V,R,2,/,V,R,1,相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。,4. 区域宽度,用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法：,（,1,）标准偏差,(,)：,即,0.607,倍峰高处色谱峰宽度的一半。,（,2,）半峰宽,(,Y,1/2,),：色谱峰高一半处的宽度,Y,1/2,=2.354,（,3,）峰底宽,(,W,b),：,W,b,=4,四、 色谱定量分析方法,1.,峰面积的测量,（,1,）峰高,（,h,）,乘半峰宽,（,Y,1/2,）,法：,近似将色谱峰当作等腰三角形。此法算出的面积是实际峰面积的,0.94,倍：,A,= 1.064,h,Y,1/2,（,2,）峰高乘平均峰宽法：,当峰形不对称时，可在峰高,0.15,和,0.85,处分别测定峰宽，由下式计算峰面积：,A,=,h,（,Y,0.15,+,Y,0.85,）,/ 2,（,3,）峰高乘保留时间法：,在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比，对于难于测量半峰宽的窄峰、重叠峰（未完全重叠），可用此法测定峰面积：,A,=,h,b,t,R,（,4,）自动积分和微机处理法,2.,定量校正因子,试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：,m,i,=,f,i,A,i,绝对校正因子,：比例系数,f,i,，单位面积对应的物质量：,f,i,=,m,i,/,A,i,相对校正因子,f,i,：即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。,当,m,i,、,m,S,以摩尔为单位时，所得相对校正因子称为相对摩尔校正因子（,f,M,）,用表示；当,m,i,、,m,S,用质量单位时,以（,f,W,）,表示。,3.,常用的几种定量方法,（,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,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。,（,3,）内标法,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,）不与试样发生化学反应；,（,d,）出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。,试样配制：准确称取一定量的试样,W,，加入一定量内标物,m,S,计算式：,五、气相色谱仪器,gas chromatographic instrument,s,气相色谱仪器,气相色谱仪器,1,、气相色谱结构流程,process of gas chromatograph,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；,4-,针形阀；,5-,流量计,;6-,压力表；,9-,热导检测器；,10-,放大器；,11-,温度控制器；,12-,记录仪；,载气系统,进样系统,色谱柱,检测系统,温控系统,2,、气相色谱仪主要部件,main assembly of gas chromatograph,(1).,载气系统,包括气源、净化干燥管和载气流速控制；,常用的载气有：氢气、氮气、氦气；,净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；,载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。,(2).,进样装置,气体进样器（六通阀）：,推拉式和旋转式两种。 试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱；,液体进样器：,不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用,10,L；毛细管色谱常用,1,L；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。,气化室：,将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。,(3).,色谱柱（分离柱）,色谱柱：,色谱仪的核心部件。,柱材质：,不锈钢管或玻璃管，内径,3-6,毫米。长度可根据需要确定。,柱填料：,粒度为,60-80,或,80-100,目的色谱固定相。,液,-,固色谱：固体吸附剂,液,-,液色谱：担体,+,固定液,柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将 柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。,转化炉,由于,FID,对,CO,和,CO,2,无响应，所以需要通过转化炉将,CO,和,CO,2,转化为,CH,4,，再由,FID,检测。,使用注意事项, 由于转化炉使用时温度较高，所以密封垫禁止使用橡胶垫，应使用耐高温的石墨垫或紫铜垫等；, 老化方法：老化时进口要通,80mL/min,以上的氢气，出口放空，在,400,条件下活化,2,4,小时。,(4).,检测系统,色谱仪的眼睛，通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；,被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；,检测器：广普型,对所有物质均有响应；,专属型,对特定物质有高灵敏响应；,常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；,(5).,温度控制系统,温度是色谱分离条件的重要选择参数；,气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；,气化室：保证液体试样瞬间气化；,检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；,分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离；,六、气固色谱固定相,stationary phases in Gas-solid chromatograph,1.,种类,(1),活性炭,有较大的比表面积，吸附性较强。,(2),活性氧化铝,有较大的极性。适用于常温下,O,2,、,N,2,、,CO,、,CH,4,、,C,2,H,6,、,C,2,H,4,等气体的相互分离。,CO,2,能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。,(3),硅胶,与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析,CO,2,、,N,2,O,、,NO,、,NO,2,等，且能够分离臭氧。,(4),分子筛,碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如,3A,、,4A,、,5A,、,10X,及,13X,分子筛等（孔径：埃）。常用,5A,和,13X,（常温下分离,O,2,与,N,2,）。除了广泛用于,H,2,、,O,2,、,N,2,、,CH,4,、,CO,等的分离外，还能够测定,He,、,Ne,、,Ar,、,NO,、,N,2,O,等。,(5),高分子多孔微球（,GDX,系列）,新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。,型号：,GDX-01,、,-02,、,-03,等。适用于水、气体及低级醇的分析。,2.,气固色谱固定相的特点,（,1,）性能与制备和活化条件有很大关系；,（,2,）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；,（,3,）种类有限，能分离的对象不多；,（,4,）使用方便。,七、检测器特性,specific property of detector,1.,检测器类型,浓度型检测器：,测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测 信号值与组分的浓度成正比。热导检测器；,质量型检测器：,测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。,FID,；,广普型检测器：,对所有物质有响应，热导检测器；,专属型检测器：,对特定物质有高灵敏响应，电子俘获检测器；,2.,检测器性能评价指标,响应值（或灵敏度）,S,：,在一定范围内，信号,E,与进入检测器的物质质量,m,呈线性关系：,E = S m,S = E / m,单位：,mV/,（,mg / cm,3,） ；（浓度型检测器）,mV/,（,mg / s,） ；（质量型检测器）,S,表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。,S,值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就越高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（,A,）除以试样质量求得：,S,=,A,/,m,2.,最低检测限（最小检测量）,噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。,从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于,N,。,检测器响应值为,2,倍噪声水平时载气中的试样浓度（或质量），被定义为检测限（或检测度、敏感度）。而对应的进样量称为该物质的最小检测量。,4.,线性度与线性范围,检测器的线性度定义：,检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。,检测器的线性范围定义,：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。,3,、热导检测器,thermal conductivity detector,TCD,(1).,热导检测器的结构,池体,（一般用不锈钢制成）,热敏元件,：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。,参考臂：,仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。,测量臂,：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,(2).,检测原理,平衡电桥，不同的气体有不同的热导系数。,(3).,影响热导检测器灵敏度的因素,桥路电流,I,：,I,，钨丝的温度,，钨丝与池体之间的温差,，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值,S,I,3,，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。,池体温度,：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。,载气种类,：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。,表 某些气体与蒸气的热导系数（,），单位：,J / cm,s,4,、,氢火焰离子化检测器,(1).,特点,(1),典型的质量型检测器,;,(2),对有机化合物具有很高的灵敏度,;,(3),无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应,;,(4),氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点,;,(5),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,-12,g,s,-1,。,(2).,氢焰检测器的结构,在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（,100,300V,）构成一个外加电场。, 氢焰检测器需要用到三种气体：,N,2,：载气携带试样组分；,H,2,：为燃气；,空气：助燃气。,使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。,(3).,氢焰检测器的原理,当含有机物,CnHm,的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在,C,层发生裂解反应产生自由基 ：,CnHm ,CH,产生的自由基在,D,层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：,CH + O CHO,+,+ e,生成的正离子,CHO,+,与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：,CHO,+,+ H,2,O H,3,O,+,+ CO,A,区：预热区,B,层：点燃火焰,C,层：热裂解区：,温度最高,D,层：反应区,氢焰检测器的原理,化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约,10,-6,10,-14,A,）；, 在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。,组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离。,离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线,含氢、氧标气自配方法,（,1,）器材：,100l,、,1ml,、,100ml,注射器、橡胶封帽、双头针、高纯氮气；,（,2,）在,100ml,注射器中封入一个搅拌用的小纸片，用橡胶封帽将注射器密封，然后套上双头针，冲洗几次之后取,120ml,左右氮气，慢慢推至,99ml,迅速拔掉双头针；,（,3,）用,1ml,注射器在清洁空气中冲洗几次后取,1ml,注入注射器中（空气中氧气约占,21%,，氮气约占,78%,）；,（,4,）用,100l,注射器抽取纯净的氢气,100l,注入注射器中（如果没有微量注射器，可以先将氢气稀释）；,（,5,）将配好的混合气充分混合得到混合标气，标气浓度分别为氢气为,1000L/L,、氧气为,2100L/L,。,取样的方法,1,、油样应能代表设备本体油，放油阀中的残存油应尽可能排除。,2,、取样的连接方式可靠，尽量采用不使油中溶解气体逸散和空气混入的连接装置。,3,、取样容器和连接管道中的空气要完全排去。,4,、取样过程中，油样应平静地流入容器内，而不产生气泡。,5,、抺去放油阀和连接装置等处的污物，防止油样污染。,6,、注意设备在负压状态下取油样时，可能使外部空气引入油箱内，特别是冬季负荷较低时更应当注意。,7,、所取的油样应尽快分析。油样暂时不能分析时，保存期不得超过,4,天。,8,、样品在运输过程中及分析前的放置时间内，必须保证注射器的芯子不卡涩。,9,、油样应避光存放。,色谱仪操作与维护,1,、,进样方法选择,通常使用注射器进样，应选择气密性好并经校准的注射器，以保证进样体积的准确性。对怀疑有故障的设备，应至少进样两次，取其平均值。,用注射器进样时，仪器的标定和组分测定必须用同一注射器，并使用定量卡，这样可以保证进样体积相同，以减少误差。,2,、进样注意事项,（,1,）进样胶垫要定期更换，防止漏气；,（,2,）应注意检查针管、针头是否漏气，特别是针管与针头连接处容易漏气；,（,3,）应待别注意针头是否堵塞了胶垫粒。,（,4,）进样时要防止油进入进样口，可以在进样前将针头擦一下；,（,4,） 标定和分析时应使用同一只注射器。,（,5,） 进针及取针时应准确、稳定、快速。,3,、色谱仪使用注意事项,（,1,）仪器周围不能有火源、震源、强电场、磁场、电火花、易燃和腐蚀性气体存在。,（,2,）电源为,AC220V10%,。要求配备,5KW,左右稳压电源。,（,3,）应有单独、良好的接地装置。,（,4,）室内空气含尘量应尽量低，以免影响仪器性能，还要经常保持仪器和室内清洁。,（,5,）放置仪器的工作台，应能承受整套仪器重量，不发生震动。,（,6,）钢瓶总压力不能低于,2.0Mpa,；,（,7,）气源的纯度对仪器影响很大，所以一定要保证气体纯度在,99.99%,以上，钢瓶压力降到,2MPa,以下时，不要再使用。,（,8,）检测器、色谱柱启动加热时都应通气。特别是热导检测器必须严格遵守先通载气后开桥流的操作原则。,（,9,）更换进样口硅橡胶垫时，必须先关闭桥流，换好后通几分钟载气再开桥流。,（,10,）进样时，变压器油会随注射器进入色谱柱中，导致色谱柱长期使用后受到污染，影响仪器的稳定性，因此，进样前要将油擦去。,（,11,）要勤于观察气源、仪器的压力及设置等是否正常。,（,13,）应注意检查针管、针头是否漏气，特别是针管与针头连接处容易漏气。,（,14,）转化炉、氢焰为高温区，工作中应避免烫伤。,（,15,）检查仪器电路时请确保已经关闭色谱仪电源，并拔掉了电源插头；,油中溶解气体,气相色谱分析的主要步骤,从油样中脱出油中溶解气体,以色谱柱将不同的气体组分分离,定量：如用热导池,TCD,、氢焰检测器,FID,取样的方法,1,、油样应能代表设备本体油，放油阀中的残存油应尽可能排除。,2,、取样的连接方式可靠，尽量采用不使油中溶解气体逸散和空气混入的连接装置。,3,、取样容器和连接管道中的空气要完全排去。,4,、取样过程中，油样应平静地流入容器内，而不产生气泡。,5,、抺去放油阀和连接装置等处的污物，防止油样污染。,6,、注意设备在负压状态下取油样时，可能使外部空气引入油箱内，特别是冬季负荷较低时更应当注意。,7,、所取的油样应尽快分析。油样暂时不能分析时，保存期不得超过,4,天。,8,、样品在运输过程中及分析前的放置时间内，必须保证注射器的芯子不卡涩。,9,、油样应避光存放。,2,1.,分两次进样。进样,(FID),测烃类气体,进样,(FID),测,CO,、,CO,2,，,(TCD),测,H,2,、,O,2,(N,2,),2.,此流程适合于一般仪器,1,说明,流程图,序号,色谱流程举例,1.,一次进样，自动切换,阀切换操作在实线位置,时,(TCD),测,H,2,、,O,2,(N,2,),(FID),测,CO,、,CH,4,切换阀在虚线位置,时,(FID),测,CO,2,、,C,2,C,3,2.,此流程适合于自动,分析仪器,油中溶解气体分析方法分析的气体对象,变压器绝缘材料热分解所生的可然和非可然气体达,20,种左右，包括,C1-C3,的所有饱和烃和不饱和烃及氧氮、碳氧化物等永久气体。,由于,C3,、,C4,烃类从油中分离比较困难及分析时间较长，且,C1,、,C2,的烃类气体亦足以提供有效的准确信息判断变压器故障。所以我们选择,C1,、,C2,及永久气体做为分析对象。,进样时应注意的事项,1,、必须保持注射器的密封性。,2,、必须保持进样口橡皮垫的密封性。,3,、注意注射器针头内不要有橡皮垫碎削，要保持注射器针头畅通。,4,、标定和分析时应使用同一只注射器。,5,、进针及取针时应准确、稳定、快速。,