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第十七章 气相色谱法 Gas Chromatography

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第十七章 气相色谱法 Gas Chromatography. 第十七章 气相色谱法. 概 述. 气相色谱法( GC )是 英国生物化学家马丁 等人在研究液液分配色谱的基础上,于 1952 年创立的一种极有效的分离方法,它可 分析和分离复杂的多组分混合物。 目前由于使用了高效能的色谱柱,高灵敏度的检测器及微处理机,使得气相色谱法成为一种 分析速度快、灵敏度高、应用范围广 的分析方法。 气相色谱与质谱( GC - MS )联用、气相色谱与 Fourier 红外光谱 ( GC - FTIR )联用、气相色谱与原子发射光谱( GC - AES )联用。.

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Presentation Transcript
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第十七章 气相色谱法

概 述
  • 气相色谱法(GC)是英国生物化学家马丁等人在研究液液分配色谱的基础上,于1952年创立的一种极有效的分离方法,它可分析和分离复杂的多组分混合物。
  • 目前由于使用了高效能的色谱柱,高灵敏度的检测器及微处理机,使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。
  • 气相色谱与质谱(GC-MS)联用、气相色谱与Fourier红外光谱(GC-FTIR)联用、气相色谱与原子发射光谱(GC-AES)联用。
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气相色谱法 是采用气体作流动相的一种

色谱法。

  • 在此法中,载气(即流动相,它通常是一种不与待测物作用、用来载送试样的惰性气体,如氢气、氮气等)载着待分离的试样通过色谱柱中的固定相,使试样在两相中发生反复多次的分配,最后使各组分分离,然后分别检测,记录各自的响应信号。
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第十七章 气相色谱法

主要内容

  • 第一节 气相色谱分类和流程
  • 第二节 气相色谱固定相和流动相
  • 第三节 检测器
  • 第四节 分离条件的选择
  • 第五节 毛细管气相色谱
  • 第六节 定性与定量分析
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第一节 气相色谱分类和流程

一、 分类和特点

1 分类:

  • 按固定相状态分类:气—固,气—液
  • 按色谱柱的填充形式分类:

填充柱(2~4mm),空心柱,(0.1~1mm)。

  • 按分离原理分类: 吸附柱,分配柱
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气固色谱(GSC):是用多孔性固体为固定相,分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物.气固色谱(GSC):是用多孔性固体为固定相,分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物.

  • 气液色谱(GLC):固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上.由于可供选择的固定液种类多,故选择性较好,应用亦广泛。
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第十七章 气相色谱法

2. 特点:

1)高选择性—能分离性质极为接近的物质

如:同位素,异构体等

2) 高效能—在很短的时间内就能分离测定性质极为复杂的混合物

3) 高灵敏度—分离微量、痕量组分

  • 用高灵敏度的检测器可测出样品中10 -11~ 10-13 g组分
  • 样品用量少:

液体0.XL

气体1mL

固体Xg

可测粮食、蔬菜中农药残留量,动植物体内微量成分

4)分析速度快—样品准备好后,几分钟~几十分钟即可

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第十七章 气相色谱法

5) 应用范围广

在柱温条件下有一定蒸气压且稳定性好的样品都能测定,只要在 <500 ℃温度下稳定,MW<400, 有27 ~1330 Pa蒸气压且不分解的物质原则上都能测定,不论它是气体、液体和固体.

对于挥发性低和受热易分解的物质,若能通过化学衍生方法使其转化为挥发性大、热稳定性好的衍生物,同样可用气相色谱分离和分析.

GC 专长:同系物(其它方法无法测定)

GC 主要用于分离和定量,可广泛应用在环保、临床、药物、农药、食品、污染物等方面的测定.

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6)缺点

对不宜汽化的高分子,热稳定性差、化学性质极为活泼或强腐蚀性物质不能用GC测定。应用范围受到限制,在所有的有机物分析中只有15~20%能用GC进行分离分析。

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二、 气相色谱的一般流程
  • 1 载气系统:气压,净化,流速控制
  • 2 进样系统:进样器,气化室,加热系统
  • 3 柱系统:分离柱,恒温系统
  • 4 检测系统:检测器,恒温装置
  • 5 记录系统
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图17-1气相色谱仪流程图

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;7-注射器;

8-色谱柱;9-热导检测器;10-放大器;

11-温度控制器;12-记录仪;

17 2 102g
图17-2 102G型气相色谱仪

102型气相色谱仪

7 6890
图7 6890 气相色谱仪

图8 毛细管柱色谱

(美国安捷伦科技公司 Agilent)

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载气要纯净、且稳定

气密性好

1. 载气系统:包括气源、净化干燥管和载气流速控制

  • 对气路的要求:
  • 气路结构
  • 流速的测定和校正

单柱单气路,简单

适于恒温分析

双柱双气路

适于程序升温

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2. 进样系统—进样装置和汽化室

汽化室:可控温度

为50~400℃,一般

比柱温高30~50 ℃

  • 1) 进样装置
  • 液体:0.5、1、5、10、25、50 L (一般进样0.1~10 L)
  • 气体:0.25~5 mL 注射器或六通阀 (一般进样0.1~10 mL)

2) 汽化室

样品在汽化室汽化,

并很快被带入色谱柱.

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3.色谱柱系统——把混合物样品中各组分进行分离的装置3.色谱柱系统——把混合物样品中各组分进行分离的装置

分离系统由色谱柱组成,它是色谱仪的核心部件,其作用是分离样品。色谱柱主要有两类:填充柱和毛细管柱。

(1)填充柱填充柱由不锈钢, 玻璃或聚四氟乙烯等材料制成,内装固定相,一般内径为2~4mm,长1~5m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。柱内填充固定相,制作简单,柱容量大,操作方便,分离效果足够高,n在102~103之间,应用普遍。

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(2)毛细管柱

毛细管柱又叫空心柱,分为涂壁,多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0. l~0. 5mm的毛细管内壁而成,毛细管材料可以是不锈钢或石英。毛细管色谱柱渗透性好,传质阻力小,而柱子可以做到长几十米。与填充柱相比,其分离效率高(理论塔板数可达106)、分析速度快、样品用量小,但柱容量低、要求检测器的灵敏度高,并且制备较难。

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4. 检测系统

样品经色谱柱分离后,各成分按保留时间不同,顺序地随载气进入检测器,把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化,转化成易于测量的电信号,经过必要的放大传递给记录仪或计算机,最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。

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5.记录系统
  • 记录仪,数据处理装置(计算机)
  • 最主要的两部分:色谱柱、检测器。

实验条件的设定、数据的记录和处理

由软件--色谱工作站来完成

气相色谱实验室

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第二节 气相色谱的固定相和流动相

混合组分在色谱柱上能否分离,主要取决于所用固定相,选择固定相是GC的关键问题。

固定相分为:

  • 气-液色谱固定相
  • 气-固色谱固定相
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一、 气-液色谱固定相

气液色谱固定相由担体和固定液

两部分组成。

固定相=固定液+载体

一般是把固定液(高沸点有机物)均匀地涂在担体(惰性固体支撑物)上,然后再装入色谱柱内用于分离各种混合物。

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(一) 固定液—高沸点有机物

1. 对固定液的要求

  • 蒸气压较低——在操作温度下固定液应是液体,不易挥发、不易流失;
  • 稳定性好——良好的热稳定性和化学稳定性;
  • 选择性好——各组分K值相差较大
  • 溶解度大——对试样各组分有适当的溶解能力,有合适的K。
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2. 固定液的分类

固定液有几百种,根据固定液的化学结构、官能团性质、固定液相对极性及分析对象有几种分类方法,目前最常用的是用相对极性表示。

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相对极性:

  • 1959年提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。规定非极性固定液角鲨烷的极性为0,强极性固定液β,β′-氧二丙腈的极性为100.然后,选择一对物质(如丁二烯——正丁烷或环乙烷——苯)来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及待测固定液的色谱柱上的相对保留值,将其取对数后,得到:
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式中:下标1,2和X分别表示氧二丙腈,角鲨烷及式中:下标1,2和X分别表示氧二丙腈,角鲨烷及

被测固定液中丁二烯与正丁烷相对保留值的对数

  • 由此测得的各种固定液的相对极性均在0~100之间。
  • 一般将其分为五级,每20单位为一级。

相对极性在0~+l之间的叫非极性固定液

+2为弱极性固定液 +3为中等极性

+4~+5为强极性。

  • 非极性亦可用“-”表示。
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(3)固定液的选择

一般可按“相似相溶”原则来选择。在应用时,应按实际情况而定。

(i)分离非极性物质:一般选用非极性固定液,这时试样中各组分按沸点次序流出,沸点低的先流出,沸点高的后流出。

(ii)分离极性物质:选用极性固定液,试样中各组分按极性次序分离,极性小的先流出。极性大的后流出。

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(iii)分离非极性和极性混合物:一般选用极性固定液,这时非极性组分先流出,极性组分后流出。(iii)分离非极性和极性混合物:一般选用极性固定液,这时非极性组分先流出,极性组分后流出。

(iv)分离能形成氢键的试样:一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出,不易形成氢键的先流出,最易形成氢键的后流出。

(v)复杂的难分离物质:可选用两种或两种以上混合固定液。

对于样品极性情况未知的,一般用最常用的几种固定液做试验。

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(二)载 体

载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相

载体(担体)——承担固定液的惰性物质

1. 对载体的要求

① 具有足够大的表面积和良好的孔穴结构,使固 定液与试样的接触面较大,能均匀地分布成一薄膜.

②热稳定性好;表面呈化学惰性,没有吸附性或吸附性很弱,更不能与被测物起反应;

③ 形状规则,粒度均匀,具有一定机械强度。

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2. 硅藻土型载体

载体类型:大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体,它是由单细胞海藻骨架组成,主要成分是二氧化硅和少量无机盐,根据制造方法不同,又分为:

红色载体和白色载体

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红色载体和白色载体

红色载体:是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后,破碎过筛而得,因铁生成氧化铁呈红色,故称红色载体,其特点是表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。

白色载体:是将硅藻土与20%的碳酸钠(助熔剂)混合煅烧而成,它呈白色、比表面积较小、吸附性和催化性弱,适宜于分析各种极性化合物。

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比较两种载体的优缺点

红色载体 白色载体

柱效 较高 较低

强度 高 低

比表面 大(3~10 m2/g) 小(1~3 m2/g)

活性中心 有 少

适宜涂渍 非极性固定液 极性固定液

适于分离 非极性、弱极性化合物 极性化合物

hf cl 2
非硅藻土载体有有机玻璃微球,聚四氟乙烯,高分子多孔微球载体等。这类载体常用于特殊分析,用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2等分析。但由于表面非浸润性,其柱效低。非硅藻土载体有有机玻璃微球,聚四氟乙烯,高分子多孔微球载体等。这类载体常用于特殊分析,用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2等分析。但由于表面非浸润性,其柱效低。

3. 载体的钝化

硅藻土载体表面不是完全惰性的,具有活性中心。如硅醇基

或含有矿物杂质,如氧化铝、铁等,使色谱峰产生拖尾。因此,使用前要进行化学处理,以改进孔隙结构,屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。

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(i)酸洗:用3--6mol·L-1盐酸浸泡20-30min、过滤,水洗至中性。甲醇淋洗,脱水烘干。可除去无机盐,Fe,Al等金属氧化物。适用于分析酸性物质。(i)酸洗:用3--6mol·L-1盐酸浸泡20-30min、过滤,水洗至中性。甲醇淋洗,脱水烘干。可除去无机盐,Fe,Al等金属氧化物。适用于分析酸性物质。

(ii)碱洗:用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡,然后用水、甲醇洗至中性,除去氧化铝,用于分析碱性物质。

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CH3

CH3

CH3

CH3

(iii)硅烷化:用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应,使生成硅烷醚,以除去表面氢键作用力。如:

常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷(DMCS),六甲基二硅烷胺(HMDS)等。

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二.气-固色谱固定相

常用固定相

  • 主要有吸附剂、分子筛、高分子多孔微球和化学键合相等。
  • 强极性的硅胶,弱极性的氧化铝,非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。使用时,可根据它们对各种气体的吸附能力不同,选择最合适的吸附剂 .
  • 主要用来分析永久性气体和一些低沸点物质。
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三、流动相
  • 常用氢气、氮气、氦气、氩气和二氧化碳。
  • 1. 氢气:导热系数大,使用热导池检测器时,

常用氢气作载气。

用氢焰离子化检测器时,作焰气。

2. 氮气:扩散系数小,柱效高,较常用。

使用热导池检测器时,导热系数小,

灵敏度低。

纯度:99.99%;去水、去氧、去总烃。

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第三节 气相色谱检测器

气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。目前检测器的种类多达数十种。根据检测原理的不同,可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种:

(l)浓度型检测器测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化,即检测器的响应值和组分的浓度成正比。如热导检测器和电子捕获检测器。

(2)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,即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。

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一、检测器的主要性能指标

常用灵敏度、敏感度、线性范围等性能指标来描述

一个优良的检测器应具以下几个性能指标:灵敏度高,检出限低,死体积小,响应迅速,线性范围宽,稳定性好。通用型检测器要求适用范围广;选择型检测器要求选择性好。

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(一)灵敏度(相应值或应答值)

浓度型检测器灵敏度Sc:1ml载气携带1mg度某组分通过检测器时,产生的电压, mV/(mg / ml)

  • 质量型检测器灵敏度Sm:每秒钟载气携带1g度某组分通过检测器时,产生的电压或电流值,mV /(g / s)或 A /(g / s)
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(二)噪音和漂移
  • 无样品通过检测器时,由仪器本身和工作条件等的偶然因素引起度基线起伏称为噪音(noise;N )。
  • 噪音的大小用测量基线波动的峰对峰的最大宽度来衡量。
  • 漂移(drift;d)通常指

基线在单位时间内单方向

缓慢变化的幅值。

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(三)检测限
  • 某组分的峰高为2倍噪声水平时,单位时间内载气引入检测器中该组分的质量(g/s) 或试样浓度(或单位体积载体中含组分的量),被定义为最低检测限(或该物质的最小检测量)。

D=2N/S

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仪器分析

第二十四讲

主讲教师:刘忠英                   学时:32

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二、热导检测器

thermal conductivity detector;TCD

热导检测器是通用型检测器。几乎对所有物质都有响应。

由于结构简单,性能稳定,通用性好,而且线性范围宽,价格便宜,因此是应用最广,最成熟的一种检测器。其主要缺点是灵敏度较低。

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1.热导池结构

结构:

热导池由池体和热敏元件构成

池体用不锈钢制成;池体内装两根电阻完全相等的钨丝或铂丝热敏元件。构成参比池和测量池。

热导池检测器结构图

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R2

R1

2. 热导池检测原理

热导池检测器检测原理是基于不同的物质有不同的导热系数。参比池和测量池与固定电阻组成惠斯登电桥。热导检测器电桥线路示意图:

未进样时:

R1=R2 R参=R测

R1 /R2 = R测/ R参

检流计无电流,无信号输出。

进样后:

R参≠R测

检流计有电流,

输出信号。

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原 理:

根据不同的物质蒸汽和载气有不同的导热系数,当通过热导池孔道的气体组成发生变化时,从热敏元件上带走不同的热量,从而引起阻值的变化,这种变化可用电桥进行测量。信号强度与组分浓度成正比。

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3.影响热导检测器灵敏度的因素

(1)载气种类载气与试样的导热系数相差愈大,则灵敏度愈高。一般物质导热系数较小,故选择导热系数大的H2或Ne作载气有利于灵敏度提高。如用N2作载气时,有些试样(如甲烷)导热系数比它大就会出现倒峰。

  • 同一种物质,峰面积越大,浓度越大.
  • 不同物质,与载气的导热系数相差越大,

峰面积越大,灵敏度越大.

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(2)池体温度池体温度一般等于或高于柱温。

(3)桥电流

  • 通载气后才能加电流。
  • 电流增加,使钨丝温度提高,钨丝和热

导池体的温差加大,气体就容易将热量

传出去,灵敏度就提高。

  • 但电流太大会影响钨丝寿命。一般电流

控制在1OO~20OmA左右(N2作载气

时为100~150mA,H2作载气时

150~200mA为宜)。

hydrogen flame ionizatin detector fid
三、氢焰离子化检测器(hydrogen flame ionizatin detector;FID)
  • 氢焰离子化检测器为质量型检测器;

属选择性检测器。

  • 火焰离子化检测器能检测大多数含碳

有机化合物

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灵敏度很高,比热导检测器的灵敏度高约103倍;检出限低,可达10-12g·S-1;灵敏度很高,比热导检测器的灵敏度高约103倍;检出限低,可达10-12g·S-1;
  • 死体积小,响应速度快,线性范围也宽,可达106以上;
  • 而且结构不复杂,操作简单,是目前应用最广泛的色谱检测器之一。
  • 其主要缺点是不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等物质。
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离子室:

气体入口

火焰喷嘴、

发射极(-)和

收集极(+)

等部件。

1. 装置——主要部件是离子室

2. 装置——主要部件是离子室
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2. 工作原理

被测组分被载气携带,与氢气混合进入离子室,以氢气和空气燃烧的火焰作为能源,利用含碳有机物在火焰中燃烧产生正离子和电子,在外加的电场作用下,使离子和电子在电场作用下定向运动,形成电流。产生的电信号强度,检测被色谱柱分离出的组分。

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通过在发射极和收集极之间施加极化电压,形成直流电场,有机组分在高温下电离成许多正离子和电子,在极化电场作用下向两极定向移动,正离子移向负极,电子移向正极,形成微电流,微电流放大后由记录仪记录下来。通过在发射极和收集极之间施加极化电压,形成直流电场,有机组分在高温下电离成许多正离子和电子,在极化电场作用下向两极定向移动,正离子移向负极,电子移向正极,形成微电流,微电流放大后由记录仪记录下来。

微电流大小与被测组分含量成正比,含量越大,产生微电流越大,因此可进行定量分析

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3 注意点:

  • 氢火焰离子化检测器的操作条件选择时应注意气体流量和工作电压.

N2 : H2 1 : 1 ~1.5 : 1

H2 : Air 1 : 10

极化电压 100 ~ 300 V

  • 氢火焰离子化检测器为质量型检测器,峰高与单位时间引入检测器中组分质量成正比,与载气流速成正比。在用峰高定量时应保持载气流速恒定。
electron capture detector ecd
四、电子捕获检测器(electron capture detector;ECD)
  • 电子捕获检测器是一种选择性很强的检测器,对具有电负性物质(如含卤素、硫、磷、氰等的物质)的检测有很高灵敏度(检出限约1O-14g·cm-3)。它是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。电子捕获检测器已广泛应用于农药残留量、大气及水质污染分析,以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域中。它的缺点是线性范围窄,只有103左右,且响应易受操作条件的影响,重现性较差。
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1.电于捕获检测器的结构

实际上它是一种放射性离子化检测器,与火焰离子化检测器相似,也需要一个能源和一个电场。能源多数用63Ni或3H放射源,其结构如下图。

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2 工作原理

  • 检测器内腔有两个电极和筒状的β放射源。β放射源贴在阴极壁上,以不锈钢棒作正极,在两极施加直流或脉冲电压。放射源的β射线将载气(N2或Ar)电离,产生次级电子和正离子,

N2→N2++e

  • 在电场作用下,电子向正极方向移动,形成恒定基流。当载气带有电负性溶质进入检测器时,电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子,形成稳定的负离子或带负电荷分子并释放出能量,

AB+e→ AB-+E

  • 负离子再与载气正离子复合成中性化合物,使基流降低而产生负信号——倒峰
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捕获机理可用以下反应式表示:

形成恒定基流

基流降低而产生负信号

组分浓度越高,倒峰越大。

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3 操作条件的选择
  • 载气纯度高,大于99.999%
  • 流速对基流和相应信号有影响,应选择最佳的载气流速,通常40~100ml/min
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五.火焰光度检测器(FPD)

火焰光度检测器,又称硫、磷检测器,它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器,检出限可达10-12g·S-1(对P)或10-11g·S-11(对S)。这种检测器可用于大气中痕量硫化物以及农副产品,水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。

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2.火焰光度检测器的工作原理

根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时,被打成有机碎片,并能发射出特征波长的光进行检测

含硫化合物发射394nm特征波长,含磷化合物发射出λmax为526nm的特征光谱。这些光由光电信增管转换成信号,经放大后由记录仪记录。

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第四节 分离条件的选择

一、气相色谱的速率理论

1 涡流扩散项A

A =2λdPλ填充不规则因子

dP填充物颗粒的平均直径。

影响A的因素: A与填充物颗粒大小dP和填充均匀

性λ( 取决于填充物颗粒的大小分

布和装柱情况)有关, 与载气性质、

线速和组分无关。

减小涡流扩散提高柱效的有效途径:

使用适当的粒度且颗粒均匀的担体,并尽量填充均匀。

通常采用60-80或80-10目的填料。

空心毛细管柱没有此项,A=0

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2 分子扩散项B/u

B =2 Dg

  •  因固定相填充在柱内后使气体扩散路径变

弯曲的因素 (弯曲因子).

  • Dg 组分在气相中的扩散系数(102m2/s)。

分子量大, Dg小,Dg反比于载气密度(分子 量)的平方根, 故采用分子量较大的载气可使B项降低。

随柱温升高而增大,随柱压增大而减小

分子扩散项还与弯曲因子γ有关。

  • 保留时间长, 分子扩散项对色谱峰变宽的影响显著。
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3 传质阻力Cu

Cu = Cgu +Clu

Cgu 气相传质阻力项

Cg气相传质阻力系数

Clu 液相传质阻力项

Cl液相传质阻力系数。

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液相传质过程:指待测试样组分从固定相的气液界面 移动到液相内部,发生质量交换以达到分配平衡,然后又返回气液界面的传质过程。

CL液相传质阻力系数 df固定相液膜厚度

DL 组分在液相中的扩散系数

系数DL,均可提高柱效。

结论:

  • 减小液膜厚度df ,增大组分在液相中的扩散
  • 载气流速增大时,传质阻力项增大,塔板高度

增大,柱效低。

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二、实验条件的选择
  • 条件选择的主要依据:提高柱效,降低塔板高度,提高相邻组分的分离度。
  • 三个主要的条件:固定液、柱温及载气
  • 当两组分峰宽近似相等时,分离度R与柱效(n)、分配系数比(α)及容量因子(k)的关系:

容量因子

理论塔板数

K2 / K1

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(一)提高α和k

选择适当的固定液以便获得较大的分配系数比α和容量因子k;

容量因子k与分配系数K和固定液用量有关,

固定液用量大k 增大,分离度增大,但保留时间

延长,使色谱峰变宽。

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(二)提高n

1 载气种类和流速的选择

常见的载气有N2、H2、He 、Ar 等惰性气体,选用何种载气,从以下两方面考虑:

  • 检测器:热导检测器常用N2、H2、He作载气,火焰离子化、电子捕获、火焰光度检测器常用N2作载气
  • 流速大小:若需用流速大的载气可用分子量小,扩散系数大的 H2或He,减小气相传质阻力;相反若需载气流速小的载气,则可用分子量大,扩散系数小的N2或Ar为载气。
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流速严重影响分离效果和分析时间

可以通过H - u曲线来选择。 为缩短分析时间,可选比 u最佳稍大的载气流速。

载气流速的选择
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2 分离温度——柱温的选择
  • 柱温是色谱分析的重要操作变量,柱温改变,会影响K、k、Dg、Dm,直接影响分离效果和分析速度
  • 提高柱温,改善气相、液相传质阻力,有利于提高柱效,缩短 tR,但降低了k和选择性,不利于分离
  • 降低柱温。改善分离,但 tR长
  • 一般在低液载比的情况下,降低柱温,得满意结果
  • 具体见下面表格:
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表 柱温对分离效果的影响及选择

一般在低液载比的情况下,降低柱温,得满意结果

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控制温度系统
  • 在气相色谱测定中,温度是重要的指标,它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对色谱柱炉,汽化室,检测器三处的温度控制。
  • 色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物,往往采用程序升温法进行分析。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化,以达到用最短时间获得最佳分离的目的。
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色谱柱(填充柱)的材质一般采用不锈钢或玻璃。色谱柱(填充柱)的材质一般采用不锈钢或玻璃。

内径通常为2~4 mm长度为1~5 m。

柱长长可提高分离度(前面已知分离度与柱长的平方根成正比,而柱长又与分离时间成正比),因此在满足分离度要求的前提下,尽量采用短柱,以提高工作效率。

3色谱柱柱长、柱径的选择
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4进样量、进样方式和进样温度的选择
  • 进样量应控制在色谱柱负载范围和检测器的线性范围之内。进样量太小,不易检测,太大,柱效下降。一般液体试样量为0.1~10μL,气体试样量为0.1~10mL。
  • 进样器具:一般采用微量注射器或气体进样阀。
  • 进样速度:应该快速,一般一秒以内,以免原始区带过宽。
  • 进样温度(汽化室温度):应能使样品迅速气化,但不能分解。一般比柱温高30~50 oC
  • 检测器的温度高于或等于柱温。
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三、样品的预处理

1 分解法

高分子化合物→低分子化合物

2 衍生化法

通过化学方法使被测组分衍生化,衍生物的挥发性或热稳定性好。

常用的方法有:酯化法(脂肪酸)、硅烷化法(氨基、羟基、羧基等,如氨基酸、维生素、抗生素等)。

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第五节 毛细管气相色谱

一、毛细管色谱的特点和分类

  • (一)毛细管色谱的特点
  • 由塔板理论:增加柱长减小柱径,即增加柱子塔板数;
  • 由速率理论:减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻力,也即降低塔板高度。
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柱效高不装填料阻力小,长度可达百米的毛细管柱,管径0.2mm。毛细管色谱柱柱效高达每米3000~4000块理论塔板,一支长度100米的毛细管柱,总的理论塔板数可达104~106。柱效高不装填料阻力小,长度可达百米的毛细管柱,管径0.2mm。毛细管色谱柱柱效高达每米3000~4000块理论塔板,一支长度100米的毛细管柱,总的理论塔板数可达104~106。
  • 柱渗透性好气流单途径通过柱子,消除了组分在柱中的涡流扩散。固定液直接涂在管壁上,总柱内壁面积较大, 涂层很薄,则气相和液相传质阻力大大降低。
  • 柱容量小,易联机,应用广。
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毛细管色谱具有的优点

(1)分离效率高:比填充柱高10~100倍;

(2)分析速度快:用毛细管色谱分析比用填充柱色谱速度

(3)色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温 方式;

(4)灵敏度高,一般采用氢焰检测器。

(5)涡流扩散为零。

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(二) 毛细管柱的分类:
  • 填充毛细管柱
  • 开管型毛细管柱:
    • 按内壁状态分为: 涂壁毛细管柱

多孔层毛细管柱

涂载体开管柱

    • 按内径分为: 常规 0.1-0.3mm

小内径 <100μm

大内径 0.32,0.52mm

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开管型毛细管柱
  • 涂壁开管柱(wall coated opentubular,WCOT柱):将固定液直接涂在管内壁上。柱制作相对简单,但柱制备的重现性差、寿命短。
  • 多孔层开管柱(porous layer open tubular,PLOT柱):在管壁上涂敷一层多孔性吸附剂固体微粒。构成毛细管气固色谱。
  • 载体涂渍开管柱(support coated open tubular,SCOT柱):将非常细的担体微粒粘接在管壁上,再涂固定液。柱效较WCOT柱高。
  • 化学键合或交联柱:将固定液通过化学反应键合在管壁上或交联在一起。使柱效和柱寿命进一步提高。
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二、毛细管色谱速率理论和实验条件的选择

(一)毛细管色谱速率理论方程

H = B/u+Cg u+Cl u

A : 涡流扩散项为0;

B/u:纵向扩散项中γ=1,B=2D; (B=2 γ Dm)

Cg u:高效薄液膜毛细管柱, 相传质阻力系数小,

气相传质阻力相是重要的。气相传质阻力相小(气相扩散系数Dg大),柱效高。通常用氢气为载气。

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( 二) 条件的选择

1 毛细管柱的直径: H∝ (柱内径r 2)

一般采用100~300µm

2 载气的选择: 分离效果和速度;

检测器的适应性和灵敏度;

气体的理化性质。

3 液膜厚度:厚度增加,柱效下降。(H大)

液膜薄,分析速度快。

液膜厚,容量大。

因实际要求而定。

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三、毛细管气相色谱系统
  • 分流比调节毛细管柱内径很细,因而带来三个问题:

(1)允许通过的载气流量很小。

(2)柱容量很小,允许的进样量小。需采用分流技术,

(3)分流后,柱后流出的试样组分量少、流速慢。解决方法:灵敏度高的氢焰检测器,采用尾吹技术。

分流比:进入毛细管柱的试样量与放空的试样量之比。

分流比=Fc / Fv

一般在1:50到1:500 之间调节。

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一、定性分析

1.利用保留值定性:

1)已知对照物定性:标准对照法,标准加入法。

  • 注:不同组分如在某一色谱条件下可能保留值相同,应更改色谱柱再检测,粗步推算是否为同一个物质峰。

2)相对保留值定性: r2.1

3)利用保留指数定性:唯一可靠、准确、重复性好

2.利用化学反应定性:收集柱后组分,官能团反应

定性鉴别(非在线)。

3.利用两谱联用定性:GC-MS,GC-FTIR

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以峰高或峰面积定量

(一)峰面积的测量

(二)定量校正因子

(三)定量方法

二、定量分析
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1.对于正常峰 :A=1.065×h×W1/2(一)峰面积的测量

2.自动求和(自动积分仪或色谱工作站):

直接给出A,h,W1/2

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前提:同一检测器对不同物质有不同相应值

1.两种表示方法:绝对校正因子和相对校正因子。

(二)定量校正因子
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1.归一化法

2.外标法

3.内标法

4.内标校正曲线法

5.标准加入法

(三)定量方法
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前提:试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰前提:试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰

依据:组分含量与峰面积成正比

优点:

简便,准确

定量结果与进样量、重复性无关(前提→柱子不超载)

色谱条件略有变化对结果几乎无影响

缺点:

所有组分必须在一定时间内都出峰

必须已知所有组分的校正因子

不适合微量组分的测定

1.归一化法
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a.工作曲线法:纯品→工作曲线,

b.外标一点法:一种浓度对照物对比样品中待测组分含量

前提:截距为0,对照品浓度与待测组分浓度接近

2.外标法:以待测组分纯品为对照物,与试样中待测 组分的响应信号相比较进行定量的方法
  • 外标法特点:

1)不需要校正因子,不需要所有组分出峰

2)结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大

→每次进样量应一致,否则产生误差

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对内标物要求:

a.内标物须为原样品中不含组分,

b.内标物与待测物保留时间应接近且R>1.5

c.内标物为高纯度标准物质,加入量接近被测组分。

内标法优点:

进样量不超量时,重复性及操作条件对结果无影响

只需待测组分和内标物出峰,与其他组分是否出峰无关

适合测定微量组分

内标法缺点:

制样要求高;找合适内标物困难;已知校正因子

3.内标法:加入样品中不含对照物,以待测组分和对照物的响应信号对比定量3.内标法:加入样品中不含对照物,以待测组分和对照物的响应信号对比定量
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内标对比法特点:

不需要校正因子; 进样量对结果影响不大

注:对于正常峰,可以h代替A计算含量

4.内标校正曲线法:
  • 配制一系列标准溶液,分别加入等量的内标物。以 Ai / As ~ Ci作图。计算试样浓度。试样中也加入等量的内标。
  • 内标对比法(已知浓度样品对照法) 配制等量加入内标物的样品溶液和对照品溶液
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在被测样品中加入一定量待测组分的对照品,测定加对照品前后待测组分的面积。在被测样品中加入一定量待测组分的对照品,测定加对照品前后待测组分的面积。

mi=Δmi Ai / ΔAi

在样品色谱图中选择一个参比峰,无须加内标

无合适的参比峰时,加入内标.

5.标准加入法