气相色谱基本原理

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。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。三、气相色谱仪的结构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.典型的进样口问题１.污染：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#9#8#7#6#5#4#3#2#1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0.1~0.5mm，柱长30~50m，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。毛细管气相色谱在分流／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(ElectronicLeakDetector)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1RT（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#9#8#7#6#5#4#3#2#1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#9#8#7#6#5#4#3#2#1问题色谱图毛细管柱问题3RT和面积完全不同：用错了柱子典型色谱图#9#8#7#6#5#4#3#2#1问题色谱图毛细管柱问题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#9#8#7#6#5#4#3#2#1Time(min.)6810121416问题色谱图020406080100120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。温控系统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