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气相色谱基本原理

文章出处:水果游戏机 人气:发表时间:2020-06-09 13:13

  气相色谱基本知识 一、概 述 1.起源: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. 2.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 3.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) 二、气相色谱的定义与分类 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。 3.气相色谱流程 气相色谱法用于分离分析样品的基本过程如下图: 气相色谱过程示意图 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。 三、气相色谱仪的结构 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。 1.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。 2.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。 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) 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 SSI 分流模式流路图 SSI 不分流模式流路图 SSI分流流量计算 隔垫吹扫填充进样口 对于毛细管柱: 1.增加了隔垫吹扫的功能 隔垫吹扫的作用:由于要让进去的液体或固体样品在汽化室汽化, 这里必然 有高温,高温会使隔垫上的一些易挥发的物质出来,同 时由于进样针的插入,有可能会使垫圈上的物质脱落,若没有隔垫 吹扫,则会使色谱图上出现鬼峰,采用隔垫吹扫,这些物质可以从 隔垫吹扫气路吹走. 2.增加了排放多余样品的阀和管路 3.增加了尾吹气 由于毛细管柱载气流速低,进入检测器后发生突然减速,会 引起色谱峰展宽,为此,在色谱柱出口加一个辅助尾吹气,以加 速样品通过检测器。当检测池体积较大时,尾吹更是必要的。 歧视效应: 由于各种化合物的沸点不同,进入汽化室时,低沸点的完全气化, 而高沸点的未完全气化,已经气化的物质被载气带入色谱柱,从而 造成高沸点的物质回收率低,重现性差,且有拖尾,这种效应叫歧 视效应. 减少歧视效应的方法: 1)采用分流/不分流技术 2)采用溶剂效应(即利用冷柱头进样技术/冷柱箱进样技术):把进样 口的温度设高,柱的起始温度设低(温度的设定依据所用的溶剂而 言,如丙酮的沸点56度,设定的温度应 低于丙酮的沸点),这样丙 酮到达柱头时,会凝结下来,样品会被丙酮溶解凝聚在柱头,然后 瞬时升温,温度要能够保证所有的样品成分及溶剂都挥发,使其在 同一起跑线上,同时被载气带动,这样可以将歧视效应降到最低. 1.污染: 典型的进样口问题 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 2.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。 3.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. 4. 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。 5.进样口温度、分流比等设置不正确 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 分流比设置问题 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.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。 3.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 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0.2-0.5mm, 长度30-300m,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。 ? 用毛细管柱,有利于: 提高色谱分离能力, 加快色谱分析速度, 促进色谱的应用都是十分必要的 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) ? 气-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。 ? 气-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) ? 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。 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20cm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) 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. 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. 7.调节柱位置,使柱上改正液标记正好在柱螺帽底部. 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. 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:48mm) 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。 毛细管柱问题 1 RT(保留时间) 和面积增大.峰宽变大.后面的峰变形差 原因:柱过载. 典型色谱图 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 问题色谱图 毛细管柱问题2 鬼峰:残留或柱污染 典型色谱图 问题色谱图 #1 #2 #4 #5 #6 #7 #8 #3 #9 毛细管柱问题3 RT 和面积完全不同:用错了柱子 典型色谱图 问题色谱图 #3 #4 #5 #1 #2 #6 #7 #8 #9 毛细管柱问题4 色谱完全变形:柱子已经被严重破坏或严重退化 典型色谱图 120 问题色谱图 #6 #7 #8 #1 #2 #3 #4 #5 #9 100 80 60 40 20 0 6 8 10 Time (min.) 12 14 16 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。 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)。 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 FID检测器的结构及原理 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。 FID检测器使用注意事项 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 电子捕获检测器(Electron Capture Detector) 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1014g/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。 ? 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) 色谱定性与定量分析方法 色谱定性分析 1.保留时间定性 2.利用不同的检测方法定性 3.保留指数定性 4.柱前或柱后化学反应定性 色谱定量方法 1.校正因子定量 2.归一化法 3.外标法 4.内标法 5.标准加入法 5.与其他仪器联用定性 一般需要建立2个文件: 开机文件和关机文件 开机文件:注意首先加热检测器(防止污染),再加热进样器, 柱箱 关机文件:先关进样器,柱箱,最后关检测器,等温度降到60度 左右,退出工作软件,关主机电源,气源(当用到氢气时要记 住放掉余气) 茶叶香气的制备与气相色谱分析 ? ? ? ? ? ? ? ? 材料:茶叶 试剂: 1)无水(重蒸)、 2)无水硫酸钠:分析纯无水硫酸钠,在500℃高 温炉中烘烤4小时,密封备用。 3)普通氮气 仪器:SDE装置,GC,KD浓缩仪,其他的玻璃仪器 香气制备方法:SDE(Simultaneous Distillation and Extraction) 香气分析方法:GC 色谱柱:DB-WAX 60m*0.25cm*0.25um 检测器:FID 进样方式:分流进样 样品的制备步骤 50g 粉碎的茶叶样品 加700ml 沸腾的去离子水置于样品瓶中 加50ml 无水到溶剂瓶中 样品瓶和溶剂瓶连接到SDE装置上,分别加热100℃和60℃,45min 提取物用无水硫酸钠干燥12小时 去掉无水硫酸钠,将无水用氮气浓缩至50 -100μl 将浓缩液转移到毛细管中保存,备用。 取 2ul 样品上 GC 分析(分流进样) Norm. 10 0 5.136 - Propylaldehyde 5.948 - butyral-dehyde 6.784 - alcohol 20 30 40 50 60 70 FID2 A, (AROMAA\AROMA244.D) 10 12.182 - Isopentylacetate - Caren 13.397 - 1-penten-3-ol 13.827 14.115 - phellandrene 香气标样色谱图 20 30 40 50 60 70 72.248 - 4 64.893 - 3 67.984 - eugenol 46.041 - benzyl acetate 48.491 - methyl salicylate 50.095 - nerol 16.232 trans-2-hexen-al 16.757 -- Iso-amyl-alcohol 17.478 - Ethyl caproate - r-terpinene 18.145 - n-pentanol 18.518 19.481 - p-cymene - caprylicaldehyde 20.514 - cyclohexanone 20.861 - 2,5-dimethylpyrazine 22.654 - 6-methyl-5-hepten-2-one 23.319 26.289 - cis-3-hexen-1-ol 30.793 cis-3-hexenyl ester 31.333-- furfural 34.298 - benzadehyde 35.846 - (+)linalool 36.584 - n-octanol 37.242 - 5-methyl-2-furaldehyde 38.492 - dimethyl succinate - acetophenone 41.653 -n-hexanoate cis-3-hexenyl 41.960 - -a-humulen 42.622 52.568 - geraniol 52.692 - geranylaceton 54.080 - benzyl alcohol - 1 - phenethyl alcohol 55.426 55.850 b-ionone 57.045 cis-jasmone - 57.337 58.258 - 2 60.095 - cis-nerolidol 61.243 - kuixiangquan 77.495 - isoeugenol 4.236 80 min

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