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固定相、柱温及载气的选择是气相色谱分离条件选择的三个主要方面,用于提高相邻两组分的分离度,在作定量分析时,为了能获得较好的精密度与准确度,应使R≥1.5。
10.常用概念
噪声:
由于各种原.因引起的基线波动,称为基线噪声。
无论在无组分流出还是有组分流出时,这种波动均存在。
它是一种背景信号。
噪声分短期和长期噪声二类。
漂移:
基线随时间单方向的缓慢变化,称基线漂移。
响应值:
组分通过检测器产生的信号。
该值取决于组分的性质和浓度。
气相色谱分析是用各组分的响应值(峰面积或峰高)来定量的。
为此,必须掌握各组分在不同检测器上的响应特征。
相对响应因子:
又称相对响应值(s)就是表明组分响应特征的指标。
它是指某一组分与相同量参比物质,两者响应值之比。
灵敏度:
指通过检测器物质的量变化时,该物质响应值的变化率。
.检测限:
将产生两倍噪声信号时,单位体积的载气或单位时间内进入检测器的组分量
称为检测限。
线性:
不同类型检测器的响应值与进入检测器组分浓度、质量或质量流量之间的关系。
线性范围:
进入检测器的组分量与其响应值保持线性关系,或是灵敏度保持恒定所覆
盖的区间。
11.气相色谱应用的领域
GC是一种极为广泛.和重要的分析方法,范围从石油化工、环境保护,到食品分析、医疗卫生等
第二章气相色谱仪的主要组成部分
1气路部分
2进样口
3色谱柱
4检测器
1.气路
气体:
载气(用于.传送样品通过整个系统的气体)和检测器气体(部分检测器所需要的支持气体)。
载气纯度要求99.999%以上
气体的选择
根据检测器类型而选择.(不同检测器使用载气不同效果不同,FPD和ECD可以选择氮气、氦气及氩气做载气,但是氮气效果更好)
惰性(所使用的气体不能和样品发生反应)
纯净(气体的纯度可避免背景因素的影响)
干燥
捕集阱
脱水管:
用来脱去气体中微量的水分。
烃类捕集阱:
用于捕集气源中少量烃类。
起源中的烃类会提高检测器本底输出,增大噪声。
脱氧管:
用来脱去气体中微量的氧气。
微量的氧气会破坏色谱柱,特别是毛细管柱,同时,氧气也会降低电子捕获检测器的性能。
捕集阱的安装
安装捕集阱尽量靠近仪器位置。
安装之前先将管路吹扫干净防止没必要的消耗。
安装顺序先脱水再脱烃后脱氧(脱烃和脱氧管可以捕集水份,成本比脱水管高,且难再生),定期更换
减压阀压力:
推荐0.4MPa
1kPa=0.145psi=0.01bar
管路的选择
使用铜管和不锈钢管连接管路。
管路使用前应用溶剂冲洗并使用载气干燥。
定期对外加接头检漏。
塑料管不能用于管路连接(会渗透氧气及其他污染物,同时会对检测组分有干扰)
2.进样口
进样口类型
进样口:
使样品以一种可重复的方式注入的装置
填充进样口
分流/不分流进样口
程序升温气化进样口
挥发进样口
冷柱头进样
2.1分流/不分流进样口——分流模式
分流模式用于含量较高组分分析
载气进入进样口后经总流量阀控制分两部分,一部分通过隔垫表面吹扫流出,另一部分经进样口进入衬管,在衬管中与样品气体混合后小部分进入色谱柱,大部分经分流出口放空,分流是通过分流平板的凹槽流出的。
分流比为分流流量与柱流量的比值。
优点
防止柱污染
适用范围广
灵活性大
分流比可调
分流歧视
在分流比一定条件下,不同样品组分实际的分流比是不同的,这样就会造成进入色谱柱的样品组成不同于原来的样品组成,从而影响定量分析的准确度。
造成分流歧视的原因有:
.不均匀汽化
.不同样品组分在载气中的扩散速度不同
.分流比的大小
.注意色谱柱的初始温度,防止样品发生部分冷凝
.还要保证色谱柱安装时柱入口端超过分流点。
分流进样口参数设置
.温度:
接近或等于组分中最重组分的沸点,保证组分快速汽化
.载气流速:
氮气20-40cm/s
.分流比:
20:
1-200:
1
分流比小分流歧视效应小,溶剂峰变宽,分流比大溶剂峰窄分流歧视效应大
衬管的选择
分流进样口可采用多种衬管,用于分流进样的衬管大都不是直通的,常见的管内都填充玻璃毛。
填充玻璃毛主要为了:
.增大与样品接触的比表面积,保证样品完全汽化。
.减小分流歧视。
.防止固体颗粒和不挥发组分进入色谱柱。
2.2分流/不分流进样口——不分流模式
不分流模式用于痕量组分分析
不分流进样和分流进样采用同一个进样口,将分流气路的电磁阀关闭,使样品全部进入色谱柱。
不分流进样不仅可以提高分析灵敏度,而且可以消除分流歧视。
然而,在实际工作中,不分流进样应用远没有分流进样普遍,只有在分流进样不能满足分析要求时(主要是灵敏度要求),才考虑使用不分流进样。
这就要引入溶剂效应的概念。
溶剂效应
样品汽化后的体积相对于柱内载气流量太大,汽化的样品中溶剂是大量的,不可能瞬间进入色谱柱,结果溶剂峰就会严重拖尾,使早流出组分的峰被掩盖在溶剂溶剂拖尾峰中,加大分析难度,这一现象被称为溶剂效应。
为了消除溶剂效应,可以采用瞬间不分流技术,在进样开始时关闭分流阀,使系统处于不分流状态,待大部分样品在衬管中汽化进入色谱柱后,在某指定时间开启分流阀,使系统处于分流状态,这样,将衬管中剩余的蒸汽吹扫出衬管。
就可以很大程度消除进样体积大和柱流量小引起的溶剂拖尾。
所以说不分流进样不是绝对的不分流,而是分流与不分流的结合。
瞬间不分流时间的确定
这里,确定一个从进样到开启分流阀的时间是很关键的。
这一时间(称瞬间不分流时间或分流延迟时间、溶剂吹扫时间)应足够长,以保证绝大部分样品进入色谱柱,避免分流歧视影响;
同时又要尽可能短,以最大限度地消除溶剂拖尾,使早流出峰的分析更为准确。
在实际工作中,常常是根据待测组分沸点和浓度等来确定一个优化的折中点。
大多采用0.75分钟(即从进样到开启分流阀的时间为0.75分钟),通常能保证95%以上的样品进入色谱柱。
衬管的选择
选择直通式衬管,以保证样品在衬管中尽可能少地稀释。
对于相对“脏”的样品,为保证分析的重现性和保护色谱柱不被污染则需填充玻璃毛。
但由于不分流进样时样品在衬管中滞留的时间比分流进样长,热不稳定化合物的分解可能性大,玻璃毛必须经过硅烷化处理,且及时清洗更换。
溶剂的选择
由于进样口温度、色谱柱初温、溶剂吹扫时间和进样体积都与溶剂沸点有关,所以不分流进样对样品溶剂有严格要求,一般来讲,使用高沸点溶剂比低沸点溶剂有利,因为溶剂沸点高时,容易实现溶剂聚焦,且可使用较高的色谱柱初始温度,还可以降低针尖歧视及衬管的压力突变。
另外,溶剂的极性一定要与样品的极性相匹配,且要保证溶剂在所有被测组分之前出峰,溶剂还要与固定相匹配,才能实现有效的溶剂聚焦。
溶剂聚焦
.主要使溶剂峰变窄
.峰型美观
.不会脱尾及变宽
.影响分离效果
.不分流进样是分析高沸点痕量组分的首选方法。
不分流进样口参数设置
可以比分流进样稍低,但要保证待测组分瞬间完全汽化。
温度过低会造成高沸点组分损失,温度过高会造成样品分解。
流速应高一点,分流出口的流量一般为30至60ml/min
.溶剂吹扫时间:
0.75分钟。
分流/不分流进样口——维护
.定期更换进样垫。
.更换或清洗衬管。
.更换O型环。
.清洗分流平板。
.清洗更换进样针
填充柱以一些材料.填充来吸附或吸收,由铜、不锈钢或硅酸硼玻璃制成,内径大约2-4mm,长度为0.5-10m。
.毛细管柱内壁覆盖一种吸附或吸收材料,由熔融石英制成,内径细0.05-0.75mm,长度最长可达150m。
.气相色谱中,固定相是一种固体材料,称为气固色谱法,用于永久气体和低分子量的烃类分析。
固定相是粘性液体时(一般是聚合物),称为气液色谱法,气液色谱法占整个气相色谱分析应用的90%左右。
.通过样品在固定相的分配或不同溶解度实现分离.组分基于不同的极性而分离(偶极力的作用),固定相可由其化学结构不同而引起的不同极性排序。
.通常遵循“相似相溶”或同极性相互作用。
.色谱柱越长分离效果越好。
.分离指标
.柱效:
色谱柱形成尖锐峰的能力
.分离度:
色谱柱将两个峰彼此分开的能力
.选择性:
色谱柱确认两个峰化学或物理性质差别的能力
.影响分离指标的因素
.柱内径
.长度
.柱流量
.炉箱温度
.柱子固定相类型。
.确保所分析组分与柱子的固定相有相互作用的能力。
.理论塔板:
分离理论假定色谱柱被分为一些板,简单理解为组分与固定相之间有相互作用的时刻
.如何提高柱效
.使用内径更小的色谱柱。
.减小固定相百分组成。
.减小固定相液膜厚度。
.减小进样量。
.选用更长的色谱柱。
.使用程序升温改善后流出组分峰形。
.长度:
色谱柱的柱效与色谱柱的长度成正比,分辨率是色谱柱长度的平方根,保留时间与长度称正比。
.直径:
色谱柱的直径越小,效率越高,可加快分析速度;
色谱柱的直径越大,可容纳的样品量越大,但效率会下降。
.液膜厚度:
液膜厚度影响分离的质量,膜厚越厚,色谱柱样品的容量越大,保留时间越长,峰越宽,效率越低,柱流失越大。
柱温操作
.恒温
在整个分析过程中,柱箱温度保持恒定,升温速率为零,导致后流出的峰展宽。
.程序升温
针对组分有较宽的沸点范围时使用,减少分析时间并使峰变窄,可设定多阶程序升温,导致增加了柱流失,引起基线漂移。
.保存
.色谱柱不使用时要密封保存。
.堵上柱子两端,以保护柱子中固定液不被氧气和其他污染物所污染。
.重新安装色谱柱时注意安装方向,
.安装时从柱头截去少许以确保隔垫碎屑不会堵塞在柱子内。
以下情况需老化:
.新柱应老化除去残留的溶剂。
.色谱柱中残留有杂质。
.长期不用的色谱柱应老化去除存放过程中变性的固定相。
.步骤:
.将检测器端色谱柱取下,用接口堵住检测器入口;
通入载气,设定程序升温循环老化(最高温度比色谱柱的温度上限低20℃),老化时间为2-3小时。
.设置老化温度及时间时考虑的因素:
温度足够高以除去不挥发物质,温度足够低以延长柱寿命和减小柱流失,老化温度越低老化时间应越长。
安装色谱柱
.选择尺寸合适的密封垫材料;
.在色谱柱安装前对柱端口进行切割,保证柱端口清洁平整;
.根据仪器制造厂商的指标,确定色谱柱安装于进样口和检测器时插入适当的距离;
.毛细柱必须固定在柱架上,任何部分都不能接触柱箱壁;
.安装好后确保所有接头不泄露。
3.检测器
气相色谱检测器.是一种能检测气相色谱流出组分及其变化的器件。
检测器通常由传感器和检测电路组成。
传感器是利用被测物质的各种物理性质、化学性质以及物理化学性质与载气的差异,来感应出被测物质的存在及其量的变化。
检测电路是将传感器产生的各种信号转变成电信号的装置。
从传感器送出的信号是多种多样的,有电阻、电流、电压、离子流、频率、光波等。
检测电路的作用是测定出这些参数的变化,并将其变成可测量的电信号。
常用检测器的工作原理
.热导检测器:
把载气流分为两部分,分别流经一对参比热导丝,当样品通过其中一根热导丝时,样品稀释了载气而使热导丝升温,其电阻相对于参比热导丝发生了变化,它对所有与载气的热电导有差异的化合物均有响应。
.氢焰检测器:
样品在氢气、空气火焰中燃烧产生离子,离子被收集后转换成电流。
氢焰检测器对大多数有机物都有响应,而多数无机物和一些带杂原子的有机物响应很小或没有响应。
.电子捕获检测器:
通过Ni63放射源发射的低能电子被阳极收集产生电流,化合物捕获这些电子导致电流降低而产生一个信号。
电子捕获检测器对碱金属化合物响应非常灵敏。
.火焰光度检测器:
硫、磷化合物在氢气、氧气火焰中燃烧产生光发射。
带有滤光片的光电倍增器只选择需要的波长来检测这种发射。
火焰光度检测器对农药检测尤其有用。
.氮磷检测器:
当燃烧的样品通过氮磷检测器中铷盐珠时,产生离子。
氮磷检测器对农药中含N、P的检测非常灵敏。
.质量选择检测器:
样品被电子流轰击后产生离子,这些离子按它们的质荷比(M/Z)被分离后,测量器质量数和丰度值。
这种检测器可以通过选择适当的质量而使其选择性强。
.响应指标:
.灵敏度:
单位含量样品的响应值,组分响应值与含量构成的直线的斜率,直线的最小值定义为最低检出限,响应高灵敏度大。
衡量检测器对某些类型化合物是否有响应。
检测器区分不同类别组分的能力。
FID会识别任何烃的存在,ECD只可检测电负性较大的物质类型,如氟化物、氯化物、溴化物或碘化物等。
NPD更具选择性,只可检测出有机氮或磷组分的存在,其他组分被忽略。
.动态范围:
检测器提供的能正确定量的样品浓度范围,含量与电子捕获检测器。
。
.电子捕获检测器是一种具有高灵敏度的离子化检测器。
它的选择性高,仅对其有电负性的物质有信号,电负性越强,灵敏度越高。
.当电负性组分进入检测器时,与电子碰撞并捕获电子导致电流改变并产生信号
电子捕获检测器操作注意事项:
.尾吹气不可采用氢气或氦气,一定使用氮气;
.微量的氧气会影响基线稳定性;
.将检测器出口通向室外;
.一旦检测器污染,只能热清洗。
.热清洗步骤:
.关闭炉温,从检测器端取下色谱柱。
.用色谱柱螺母塞住检测器连接口。
.检测器温度设定为350℃-375℃,尾吹气设为60ml/min。
.保持热清洗几小时后将系统冷却至正常操作温度。
火焰光度检测器
.原理
.利用富氢火焰使含硫或磷杂原子的有机物分解,形成激发态分子,当它们回到基态时,发射出一定波长的光,此光强度与被测组分量成正比,所以它是以物质与光的相互关系为机理的检测方法,属于光度法。
火焰光度检测器是一种高灵敏度和高选择性的检测器。
.对于硫采用394nm或384nm滤光片,对磷用526nm滤光片,然后经光电倍增管把光强度变成电讯号进行测量
.气体设置
.尾吹气:
尾吹气是从色谱柱出口处直接进入检测器的一路气体,又叫辅助气,毛细管柱大都采用尾吹气。
.这是因为毛细管柱的柱内载气流量太低(常规柱为1-3ml/min),不能满足检测器的最佳操作条件(一般检测器要求20ml/min的载气流量)。
在色谱柱后增加一路载气直接进入检测器,就可保证检测器在高灵敏度状态下工作。
尾吹气的另一个重要作用是消除检测器死体积的柱外效应。
经分离的化合物流出色谱柱后,可能由于管道体积增大而出现体积膨胀,导致流速缓慢,从而引起谱带展宽,加入尾吹气后就消除了这一问题。
.操作的注意事项
.更换滤光片前,关闭光电倍增管电压;
.最高操作温度严格按照厂商指标设置;
.避免使用腐蚀性强的氯化有机溶剂。
氮磷检测器
.在一个氢气/空气等离子体环境下,氮磷检测器的铷珠被电加热至600-800℃,形成了催化活性的固体表面,有机氮或有机磷化合物分子被导入到催化活性表面周围,被催化称负离子及电子形成微电流,输出的电流正比与收集到的离子数,用静电计测量并将其转化为数字形式,传输到一个输出设备。
.参数设置
.推荐温度设为325-335℃,设置较高的检测器温度好处:
灵敏度有所提高,检测器上端的绝缘环和密封圈的污染减轻,检测器系统包括废气出口保持干净,铷珠可以在较低的电压下激发。
.操作注意事项
.安装新铷珠初期手动调节铷珠电压,选择较小的铷珠电压;
.设置较小的氢气流量;
.溶剂峰通过铷珠时关闭氢气;
.如果检测器长期未使用,先烘烤然后再加电压;
.使用高纯氮气、氢气和空气以确保检测器的正常使用(纯度99.999%以上);
.如果灵敏度异常,不要轻易增加铷珠电压,检测收集极、喷嘴、陶瓷环和金属密封圈是否需要清洗。
第三章校正与定量
1校正
2定量
3定量的方法
校正
.概念:
是利用某个峰的峰高或峰面积来确定其对应组分的浓度或含量。
.必要性:
当检测器灵敏度针对不同的组分而变化时需要进行校正。
.检测器对同一组分不同含量响应值发生变化时需要进行校正。
.校正的过程:
.首先准备混合标样,准确知道组分浓度;
.运行混合标样;
建立校正表;
.运行待测样品并用校正表分析它;
.需要时进行重新校正。
*对于需要时进行重新校正可以理解为使用质控样品衡量
.单级校正
.对每个峰只做一次校正。
.单级校正即单点校正,仅有一个浓度的标样。
.单级校正定量结果不准确,但其简单、快速。
.单级校正适用以下情况:
.做简单的粗定量;
.当未知样品的浓度小于且接近于标样浓度时,所得定量结果较准确;
.主要用于检出实验,即不需要准确定量未知样品含量,只关心未知样品是否达标。
.多级校正
.对每个峰需要做至少两次校正。
.多级校正即多点校正,纠正了单级校正的缺点,可以进行准确定量,将标样等梯度稀释,运行每一级稀释好的标样,在每一级上进行校正,先准备一个浓度必须高于未知样品浓度,而且最终标样的浓度范围应包含未知样品浓度。
定量
定量是利用峰面积或峰高来确定样品中化合物的含量。
.定量分析过程
.了解你所分析的化合物;
.建立一个分析的方法;
.运行一个或多个已知浓度的样品,得到相应的响应值;
.分析未知浓度的样品,得到相应的响应值;
.将未知浓度样品的响应值与已知浓度的该样品的响应值进行比较,确定其浓度。
.定量的方法
.百分比法
.归一化法
.外标法
.内标法
.外标百分比法
.内标百分比法
.响应因子
.响应因子与组分的含量及其他组分的存在无关;
在分析条件一定的条件下,响应因子为物质的特性;
响应因子可以校正检测器响应。
.常用于粗定量,或组分简单、结构相似的混合物分析,并且不需要建立校正表。
.当校正样和未知样品在同样的条件下分析时,未知样品的结果与校正样的结果相比较从而计算出未知物的含量,该方法是基本的定量方法,使用该方法时每次运行的进样量必须是一致的。
.使用此法的前提假设是标样中、未知样品中待测组分的响应因子相同。
这就要求仪器必须具有良好的稳定性,而且应定期进行重新校正,否则标样的响应因子和未知样品的响应因子不相等,就无法进行准确定量。
外标法优、缺点
.优点:
.可以校正检测器的响应。
.只对欲分析的组分峰做校正。
.无需所有峰都能被检测到。
.缺点:
.进样量必须准确。
.仪器必须有良好的稳定性。
.需定期做重新校正。
.内标法是将内标物加到一定量的被分析样品混合物中,然后对含有内标物的样品进行色谱分析。
内标法优、缺点
.进样不严格要求。
.只对欲分析的组分峰做校正
.校正检测器的响应
.必须加一个组分进到样品。
内标物的选择
.选择的标准
.样品中不存在该组分。
.可迅速容易得到。
.化学性质和样品相似。
.与样品有相似的响应值(浓度范围)。
.不会与样品发生反应。
.在感兴趣组分附近流出。
.可得到分离良好的峰。
.色谱性质稳定。
外标法与内标法比较
外标法是用标准品.的峰面积或峰高与其对应的浓度做一条标准曲线,测出样品的峰面积或峰高,通过该标准曲线上查对应的浓度,内标法是对应外标法说的,外标法是用样品和标准品对比,但是有时我们很难保证样品和标准品进的体积是一样的,毕竟要有误差,这时候就用内标法,就是在外标法的基础上,在样品和标准品里在加入一种物质,通过加入物质的峰面积或峰高的变化,就可以看出我们标准品和样品进样体积的差别,如果进样体积很难掌握,就用内标法,可以消除进样体积的误差。
内标法工作曲线的横、纵坐标分别为含量比和峰面积比;
而外标法工作曲线的横、纵坐标分别为含量和峰面积。
定量的方法
.归一化法
.假定
–所有组分都流出。
–所有组分都被检测到。
.优点缺点
进样量不要求严格。
所有组分峰都要流出。
需测量所有的组分。
必须校正所有的峰。
第四章仪器故障排除
1不出峰与灵敏度降低
2基线问题
3色谱峰问题
4分辨率降低
5保留时间不重复
不出峰与灵敏度降低
.不出峰故障
.在选定操作条件下,给色谱仪注入规定的样品,在记录的谱图上没有相应的色谱峰出现的现象。
.灵敏度异常故障
.虽然出峰,但大小却与原来的已知谱图相差甚大。
.排除故障步骤
.操作条件重复性检查:
核实操作条件是否与原条件接近。
.检查检测器有无反应:
检测器响应检查应检测器类型而异。
.进样针及进、取样技术检查:
进样针有无泄漏,抽取样品时抽取了空气或抽取样品后没及时进样造成样品挥发。
.载气堵、漏检查。
.进样口安装不当,载气样品流入不合理。
.仪器启动后零点基线的调整检查。
.检测器连线及工作条件检查。
基线问题
基线漂移一般是指基线向单方向持续升高或降低,最常见的原因是色谱柱固定性流失,色谱柱固定相流失是当色谱柱在其使用温度上限时基线的升高。
在较低的柱温下如果有色谱峰,噪声过高,基线漂移或基线升高等现象,就不是色谱柱的流失造成的。
此类现象主要是由于柱效降低,例如柱污染等引起的。
.基线波动
.基线波动的原因比较多,进样口、色谱柱、检测器、载气问题等都有可能导致基线的波动。
.基线噪声
.基
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