第一章 气相色谱法

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,*,*,国家职业资格培训教材,技能型人才培训用书,国家职业资格培训教材编审委员会 编,国家职业资格培训教材,技能型人才培训用书,依据,劳动和社会保障部,制定的,国家职业标准,要求编写,化学检验工,(,高级,),王 燕 主编,第一章,气相色谱法,第一章 气相色谱法,通过本章的学习，是,高级,化学检验工掌握气相色谱的基本原理；熟悉,气相色谱仪,的,构造、使用和维护保养方法,。掌握,固定相,的基本性质和,选择,固定相的原则。掌握,色谱柱的制备方法,，,熟悉热导池和氢火焰检测器,的工作原理。掌握校正因子的测定方法及定性定量的方法。,第一节色谱分析的分离原理,一、气液色谱,二、气固色谱,一、气相色谱的基本术语,1.色谱流出曲线,图1-1色谱流出曲线,2.基线,第二节气相色谱的基础知识,(1)死时间tM,从进样开始到惰性组分(指不被固定相吸附或溶解的空气或甲烷)从柱中流出，呈现浓度极大值时所需要的时间称为死时间，用tM表示。,(2)保留时间tR,从进样到出现待测组分信号极大值所需要的时间称为保留时间，以tR表示。,(3)调整保留时间tR,扣除死时间后的保留时间称为调整保留时间，以tR表示。,3.保留值,第二节气相色谱的基础知识,(4)死体积VM、保留体积VR和调整保留体积VR,保留时间受载气流速的影响,为了消除这一影响,保留值也可以用从进样开始到出现峰(空气或甲烷峰,组分峰)极大值所流过的载气体积来表示，即用保留时间乘以载气平均流速。,(5)相对保留值ris,在一定实验条件下，组分i与另一标准组分s的调整保留时间之比称为相对保留值，以ris表示。,第二节气相色谱的基础知识,(6)选择性因子,相邻两组分调整保留值之比称为选择性因子，以表示。,(1)峰高(h),峰高指峰顶到基线的距离，用h表示。,(2)峰面积(A),指每个组分的流出曲线与基线间所包围的面积，用A表示。,4.峰高、峰面积,5.区域宽度,第二节气相色谱的基础知识,(1)标准偏差(),指0.607倍峰高处色谱峰宽度(见图1-1中EF段)的一半，用表示。,(2)半峰宽(W1/2),指峰高一半处色谱峰的宽度(见图1-1中GH段)，以W1/2表示。,(3)峰底宽度(Wb),指通过色谱峰两侧拐点作切线在基线上的截距。,第二节气相色谱的基础知识,二、气相色谱的基本理论,(1)理论塔板数n,塔板理论是从实践中总结出来的一种半经验理论，它把色谱柱比作一个精馏塔，假设柱中有许多塔板，组分在每个塔板气相和液相间进行分配并达到分配平衡，然后都随着流动相按一个一个塔板的方式向前转移。,(2)有效理论塔板数n有效,在实际应用中，常常出现计算出的n很大，但色谱柱的实际分离效能并不高的现象。,1. 塔板理论,第二节气相色谱的基础知识,2.速率理论,图1-2涡流扩散项示意图,第二节气相色谱的基础知识,三、色谱柱的分离度,第二节气相色谱的基础知识,一、载气系统,1.气路结构,图1-3单柱单气路结构示意图,1载气钢瓶2减压阀3净化器4气流调节阀,5转子流量计6汽化室7色谱柱8检测器,第三节气相色谱仪的结构,图1-4双柱双气路结构示意图,1载气钢瓶2减压阀3净化器4稳压阀5压力表6、6针形阀,7、7转子流量计8、8进样汽化室9、9色谱柱10检测器,第三节气相色谱仪的结构,2.载气,第三节气相色谱仪的结构,图1-5净化管的结构,a)非直通式b)直通式,1干燥管2螺母3毛玻璃4干燥剂5载气出口6载气入口,第三节气相色谱仪的结构,3.管路连接,4.检漏,5.载气流量的测定,图1-6流量计,a)转子流量计b)皂膜流量计,G07BG1,二、进样系统,1)气体样品可以用平面六通阀(又称旋转六通阀)进样(见图1-7)。,图1-7平面六通阀结构、采样和进样位置,a)取样位置b)进样位置,1.进样器,第三节气相色谱仪的结构,2)液体样品可以采用微量注射器进样。,图1-8微量注射器,3)固体样品通常用溶剂溶解后，用微量注射器进样。,2.汽化室,第三节气相色谱仪的结构,图1-9汽化室,a)普通汽化室b)内衬石英管的汽化室,1载气和样品气出口2载气入口3进样口4硅橡胶垫5螺母6汽化室体,7电热丝8保温材料9保温外壳10石英管11金属垫片,第三节气相色谱仪的结构,三、柱分离系统,1.填充柱,2.毛细管柱(开管柱),第三节气相色谱仪的结构,四、检测系统,1.热导池检测器,图1-10热导池构造,a)双臂热导池b)四臂热导池,第三节气相色谱仪的结构,图1-11热导池气路形式,a)直通型b)半扩散型c)扩散型,第三节气相色谱仪的结构,2.氢火焰离子化检测器,图1-12氢火焰离子化检测器的结构示意图,1离子室2点火线圈3极化极4收集极5高电阻6记录仪,3.电子捕获检测器,第三节气相色谱仪的结构,图1-13电子捕获检测器示意图,4. 火焰光度检测器,第三节气相色谱仪的结构,图1-14火焰光度检测器结构示意图,1喷嘴2遮风槽3石英窗4滤光片5光电倍增管6放大器7记录仪,第三节气相色谱仪的结构,五、温度控制系统,六、记录系统,第三节气相色谱仪的结构,二、液体固定相,(1)对固定液的要求,固定液是高沸点有机物。1)在使用温度下为液体，蒸气压低，稳定性好。2)能溶解被分离混合物中的各组分，使各组分有足够的分离能力。3)粘度低，能在担体表面形成均匀的液膜。,(2)固定液的种类及用途,在气液色谱中所使用的固定液已达1000多种，为了便于选择和使用，一般按固定液的,“,极性,”,大小进行分类。,(3)固定液选择的原则,选择固定液应根据不同的分析对象和分析要求进行。,1.固定液,一、固体固定相,第四节气相色谱固定相的选择和制备,1)分离非极性物质可选用非极性固定液。2)分离极性物质建议按极性强弱来选相应极性固定液。3)分离非极性和极性混合物时选用极性固定液。4)能形成氢键的试样选用氢键型固定液(如醇、酚、胺和水的分离)。5)对于复杂组分可选用两种或两种以上的固定液配合使用，以增加分离效果。6)对于含有异构体的试样(主要是含有芳香性异构部分)可选用特殊保留作用的有机皂土或液晶做固定液。,(1)担体的分类,2.担体,第四节气相色谱固定相的选择和制备,1)硅藻土型载体。2)非硅藻土型载体。,(2)担体的预处理,硅藻土型载体表面由于有硅醇(,Si,OH)和硅醚(,Si,O,Si,)基团，并有少量金属氧化物和Al2O3酸性作用点及Fe2O3碱性作用点，会引起对组分的吸附造成色谱峰的拖尾，因此使用前需要经过处理。1)酸洗法。2)碱洗法。3)硅烷化处理。4)釉化处理。,第四节气相色谱固定相的选择和制备,(3)担体的选择原则,载(担)体选择适当，能提高色谱柱效能，有利于混合物分离。1)固定液用量大于5%(质量分数)时，可选用硅藻土白色载体或红色载体；若固定液用量小于5%(质量分数)时，可选用表面处理过的载体。2)腐蚀性样品可选氟载体；而高沸点组分可选用玻璃微球载体。3)载体粒度一般选用6080目或80100目，高效柱可选用100120目。,第四节气相色谱固定相的选择和制备,三、气液色谱柱的制备,(1)柱管的选择,柱形、柱内径、柱长度都会影响柱的分离效果，一般直形管效果优于U形和螺旋形，但后者体积小、为一般仪器常用。,(2)柱管的试漏和清洗,在选定色谱柱后，需要对色谱柱进行试漏和清洗，试漏方法是将色谱柱出口堵住，将色谱柱全部浸入水中，另一端通入气体，在高于使用时操作压力下，不应有气泡冒出，否则应更换色谱柱。,1.色谱柱柱管的选择与清洗,2.固定液的涂渍,第四节气相色谱固定相的选择和制备,(1)固定液用量的选择,固定液的用量要视载体的性质及其他情况而定。,(2)固定液的涂渍,图1-15泵抽装柱示意图,3.色谱柱的装填,第四节气相色谱固定相的选择和制备,4.色谱柱的老化,第四节气相色谱固定相的选择和制备,一、热导池检测器,(1)桥路电流的选择,桥路电流指直流稳压电源供给测量电桥的电流，简称桥流。,(2)池体温度的选择,热导池置于可控恒温箱中，池体温度对检测灵敏度也有影响。,(3)载气的选择,载气与样品的导热能力相差越大，检测器灵敏度越高。,1.热导池检测器的工作原理,2.热导池检测器操作条件的选择,第五节检测器的工作原理和条件,二、氢火焰离子化检测器,(1)基流,在氢火焰燃烧过程中，当没有样品组分进入检测器只有载气通过时，检测器产生的微弱电流(一般约为10-1210-11A)称为基流。,(2)载气种类及气体流速,实验证明，使用氢焰检测器时，以氮气作载气要比用其他气体(如H2、He、Ar)作载气时的灵敏度高，因此选择氮气作载气。,(3)极化电压,极化电压的大小会直接影响检测器的灵敏度。,1.氢焰检测器的检测原理,2.影响氢焰检测器灵敏度的因素,第五节检测器的工作原理和条件,(4)电极形状和距离,有机物在氢火焰中的离子化效率很低，因此要求收集极要有足够大的表面积，这样可以收集更多的正离子，提高收集效率。1)为了避免水蒸气和样品在检测器内冷凝，要使检测器温度保持在100以上(常用150)。2)离子室内喷嘴和收集极，在使用一定时间后，应使用无水乙醇进行清洗。,3.使用氢焰检测器的注意事项,第五节检测器的工作原理和条件,三、电子捕获检测器,1.电子捕获检测器的检测原理,图1-16电子捕获检测器产生的色谱图,第五节检测器的工作原理和条件,(1)载气纯度及流速,电子捕获检测器要求使用高纯度载气(纯度达99.99%)，若载气中含微量O2和H2O等负电性物质，对检测器的灵敏度影响很大。,(2)进样量,电子捕获检测器是依据基流减小获得检测信号的，为了获得高分离度，进样量必须适当，通常希望产生的峰高不超过基流的30%。,(3)极化电压及电极间距离,当脉冲直流供电时，电子捕获检测器中正、负电极间距离以410mm为宜。,2.电子捕获检测器操作条件的选择,第五节检测器的工作原理和条件,(4)检测器的使用温度,检测器的使用温度受所用的放射源的最高使用温度限制，对常用的镍源使用温度低于400，但要高于柱温。,第五节检测器的工作原理和条件,四、火焰光度检测器,(1)各种气体流速,火焰光度检测器使用的是富氢火焰，因此当载气(N2)使用的是最佳流速时，氢气的流量要大。,(2)检测器使用温度,检测器使用温度应大于100，以防止氢气燃烧生成的水蒸气冷凝在检测器中而增大噪声。,(3)暗电流,光电倍增管暗电流对检测器灵敏度影响很大，因而要求所用的光电倍增管暗电流要小。,1.火焰光度检测器的检测原理,2.火焰光度检测器操作条件的选择,第五节检测器的工作原理和条件,一、定性分析,(1)保留指数定义,保留指数是把物质的保留行为用紧靠近它的两个正构烷烃标准物来标定(要使这两个正构烷烃的调整保留时间一个在被测组分的调整保留时间之前，一个在其之后)。,1.标样对照定性,2.利用相对,保留值定性,3.利用保,留指数定性,第六节气相色谱定性和定量方法,图1-17保留指数测定示意图,正庚烷正辛烷i待测组分,第六节气相色谱定性和定量方法,(2)保留指数的测定,要测定某一物质的保留指数，只要与相邻两正构烷烃混合在一起(或分别进行)，在相同色谱条件下进行分析，测出保留值(见图1-17)。,第六节气相色谱定性和定量方法,二、定量分析,(1)手工测量法,1)峰高乘以半峰宽法： 当色谱峰形对称且不太窄时，可采用此法。,2)峰高乘以平均峰宽： 当峰不对称时，可采用此法。,3)峰高乘以保留时间法：,1.峰面积的测量,第六节气相色谱定性和定量方法,(2)自动积分仪法,自动积分仪可自动测出一曲线所包围的真实面积，有效数字大于4位，精密度高(相对偏差可达0.2%2%)。,(3)以峰高表示峰面积,对一些对称的狭窄峰，可以直接以峰高代替峰面积的测量，这样既简便快速，又准确。,(1)绝对校正因子(fi),2.定量校正因子,第六节气相色谱定性和定量方法,(2)相对校正因子(fi),1)相对质量校正因子指组分的量以质量表示时的相对校正因子，用fm表示。,第六节气相色谱定性和定量方法,2)相对摩尔校正因子指组分的量以物质的量n表示时的相对校正因子，用fM表示,3)相对体积校正因子是对于气体样品，以体积计量时，相应的相对校正因子称为相对体积校正因子，以fV表示。,第六节气相色谱定性和定量方法,(3)相对响应值(s),相对响应值是物质i与标准物质s的响应值(灵敏度)之比。,(4)校正因子的测定方法,相对校正因子数值可以从文献上查得，但实际工作中一般都是自行测得。,3.定量分析方法,第六节气相色谱定性和定量方法,(1)归一化法,归一化法是以样品中被测组分经校正过的峰面积(或峰高)占样品中各组分经校正过的峰面积(或峰高)之和的比例来表示样品中各组分含量的定量方法。,(2)内标法,内标法是将一定量选定的标准物(称内标物s)加入到一定量试样中，混合均匀后，,第六节气相色谱定性和定量方法,在一定操作条件下注入色谱仪，出峰后分别测量组分i和内标物s的峰面积(或峰高)，然后再按内标法公式计算组分的含量。,1)内标物应是试样中不存在的纯物质。2)内标物的性质应与待测组分性质相近，以使内标物的色谱峰与待测组分色谱峰靠近并与之完全分离。,第六节气相色谱定性和定量方法,3)内标物与样品应完全互溶，但不能发生化学反应。4)内标物加入量应接近待测组分含量。,(3)外标法,外标法也称已知样校正法或标准曲线法。,第六节气相色谱定性和定量方法,图1-18外标法定量,第六节气相色谱定性和定量方法,(4)标准加入法,标准加入法又称为叠加法或内加法。,图1-19标准加入法示意图,第六节气相色谱定性和定量方法,第六节气相色谱定性和定量方法,一、操作条件的选择,(1)载气的选择,气相色谱的载气是载送样品进行分离的惰性气体，是气相色谱的流动相。1)适应检测器的要求。2)有利于提高色谱柱效能和分析速度。,(2) 载气流速的选择,最佳流速一般通过实验来选择。,1.载气及其流速的选择,第七节气相色谱操作条件的选择及操作,图1-20塔板高度H与载气流速v的关系,2.柱长及柱内径的选择,第七节气相色谱操作条件的选择及操作,1)用注射器取样时，应先用丙酮或乙醚抽洗56次后，再用被测试液抽洗56次，然后缓慢抽取一定量试液(稍多于需要量)。,3.柱温的选择,4.汽化室温度选择,5.进样量与进样时间,第七节气相色谱操作条件的选择及操作,2)取样后就立即进样。3)进样时要求操作稳当、连贯、迅速。,第七节气相色谱操作条件的选择及操作,二、气相色谱仪的操作,(1)色谱柱安装和系统试漏,色谱柱预先安装到色谱仪中，再进行试漏。,(2)色谱条件的设置,首先设置柱温，检测器温度和进样口温度。,(3)色谱测定,仪器稳定后，调节色谱仪输出零点，开始进样。,(4)热导检测器色谱仪的操作步骤,1)开启载气钢瓶(N2或H2)将压力调至0.6MPa, 用仪器面板上减压阀调节柱前压力为0.020.03MPa左右，以主机稳压调节所需气体流量为20mL/min。,1.热导气相色谱仪的操作,第七节气相色谱操作条件的选择及操作,2)打开主机电源。3)开启温控器电源，调节气化室加热器，控制气化温度为120，调节色谱柱温调节器，使色谱室温度为80。4)开启热导检测器电源，转动热导池电流调节旋钮，调节电流在120mA,不可以调的太大，否则容易烧坏钨丝。5)半小时后开启记录仪，衰减器置于1/1位置，调节平衡和调零电位器，使记录仪针在零点附近，待基线走稳后进样。,第七节气相色谱操作条件的选择及操作,6)进样前进一步，检查温度是否在所需控制的温度点上。7)仪器使用完后应将各种开关复位，将恒温室门打开，让其冷却，再关总电源和载气。,(1)色谱条件的设置,当分析微量的有机化合物时，或者水溶液中微量有机物时，热导检测器灵敏度不够，应该使用氢焰检测器，它的灵敏度较热导检测器高出10100倍，水不出峰，无干扰。1)温度设置：柱炉温度、检测器温度、进样口温度的设置和热导色谱仪相似。,2.氢焰色谱仪的操作,第七节气相色谱操作条件的选择及操作,2)气体流速的设置：氢焰检测器使用的气体比热导检测器复杂，除了载气外还有燃气和助燃气。,(2)氢焰气相色谱仪的操作步骤,1)安装色谱柱，进行检漏。2)设置柱炉温度、检测器温度和进样口温度。3)点火。4)进样。,第七节气相色谱操作条件的选择及操作,