气相色谱法培训

气相色谱法GasChromatography第一节概述气相色谱法分离原理吸附色谱分配色谱固定相气固色谱(GSC)气液色谱(GLC)固定相为固体，主要依赖于固定相的吸附性质来分离样品。主要用于分离永久气体和低沸点液体固定相为液体，分离基于分配机理。实际应用中，90%以上为气液色谱。1.定义①以气体为流动相的色谱法，称为气相色谱法（gaschromatography，GC）②系采用气体（载气）为流动相流经装有填充剂的色谱柱进行分离测定的色谱方法。（药典定义）2.分类优点缺点高效能、高选择性、高灵敏度、用样量少、分析速度快及应用广。制备高纯物质，纯度高达99.99%一切具有一定挥发性并对热稳定的化合物，包括经处理后能转化为挥发性物质的不挥发性物质所有物质均需转换为气态然后进行分析。分子量大，受热易分解的样品分析比较困难。不能分析无机物。3.特点4.基本流程GC主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离，其过程如图所示。图1-1气相色谱流程示意图1-高压气瓶（载气源）2-减压阀3-气流调节阀4-净化干燥管5-压力表6-热导池7-进样口8-色谱柱9-恒温箱（虚线内）10-皂膜流量计11-测量电桥12-记录仪4.基本流程图中载气由高压气瓶供给，经压力调节器降压，净化器净化，又稳压阀调节至适宜的流量进入色谱柱，待流量、温度及基线稳定后，即可进样。液态样品由进样口注入。待分析样品在汽化室汽化后被惰性气体（即载气，也叫流动相）带入色谱柱，柱内含有液体或固体流动相，由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能不同，每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立起来，也正是由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解吸，结果是在载气中分配浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出。当组分流出色谱柱后，立即进入检测器。4.基本流程检测器能够将样品组分的存在与否转变为电信号，而电信号的大小与被测组分的量或浓度成比例。将这些信号放大并记录下来时，就是如图所示的色谱图，它包含了色谱的全部原始信息。在没有组分流出时，色谱图的记录是检测器的本底信号，即色谱图的基线。4.基本流程气相色谱流程动画演示第二节仪器的基本配置气相色谱仪1气相色谱仪2岛津GC-2010气相色谱仪3Agilent6890N气相色谱仪4气相色谱仪5第二节仪器的基本配置一、仪器的基本配置气相色谱仪是以气相色谱法为基础而设计的仪器，以气相色谱柱为分离基础，样品注入进样器后经载气传送，到达色谱柱分离，分离后样品由柱中流出到达检测器并转换成相应的电讯号，然后排空。目前市场上GC仪器型号繁多，但仪器的基本结构是相似的，即由下面几部分组成：气路系统包括载气和辅助气的气源以及气路控制系统进样系统分离系统包括色谱柱、柱箱以及与进样口和检测器的接头检测系统包括各种检测器记录系统（数据处理系统）记录（处理）GC原始数据，获得色谱图温控系统进样口、柱温、检测器温度的控制作用是将样品导入色谱柱，如自动进样器、进样阀、各种进样口，以及顶空进样器、吹扫-捕集进样器裂解进样器等。二、气路系统1.气源气源是为GC仪器提供载气和或辅助气体的高压钢瓶或气体发生器。载气有氮气、氦气、氢气等，常用氮气或氦气做载气。TCD检测器一般选氢气做载气常见辅助气为空气和氢气2.气源的净化GC对各种气体的纯度要求较高。因载气起传输样品和保护色谱柱的作用，故作载气的氮气、氢气或氦气必须达到99.99%以上，如使用低纯度的载气会使检测器噪声增大，出现多余峰。辅助气不纯，更会增大背景噪声，缩小检测器线性范围，污染检测器。因此，实际工作中要在气源和仪器之间连接气体净化装置。2.气源的净化气体中的杂质主要是一些永久气体、低分子有机化合物和水蒸气，一般采用装有分子筛（如5A分子筛或13X分子筛）的过滤器以吸附有机杂质，采用变色硅胶除去水蒸气。实际操作中可根据检测器的噪声水平判断气体的纯度，如噪声明显增大，就要首先检查气体纯度。要定期更换净化装置中填料，分子筛可以重新活化后再使用，活化方法是将分子筛从净化装置中取出，置于坩埚中，在马弗炉内加热到400~600℃，活化4~6小时。硅胶变红时也要进行活化，方法是置烘箱中，140℃左右加热2小时即可。比较简单的方法就是在一个净化装置中装有一半硅胶、一半分子筛，如果硅胶变红，就可更换全部填料。3.气体的控制和测定为保证色谱定性和定量分析的准确性和重现性，载气的流量要求恒定（变化小于1%）,尤其是毛细管GC中，色谱柱内载气流量一般为1~3ml/min，如果控制不精确，就会造成保留时间的不重现。一般采用减压阀，稳压阀或稳压阀和稳流阀串联使用，以控制流速的稳定。流速计用以测量气体流速。常用的有转子流量计和皂膜流量计等。气体流速是指单位时间内通过色谱柱或检测器的气体体积，以ml/min表示。采用2~3mm内径填充柱用氮气做载气时，流速在30~60ml/min现代仪器有电子流量检测器和电子压力控制器（EPC）4.气路系统常见问题实际工作中，气路系统最常出现的问题是泄漏，一旦某处发上泄漏，轻则影响仪器正常工作，重则造成意外事故（如氢气泄漏就可能引起爆炸），所以要经常注意检漏。三、进样系统1.进样器把样品通进（引入）色谱柱的元件称为进样器，其中包括汽化室和进样工具，汽化室的作用是将液体或固体样品瞬间汽化为蒸汽。进样工具常有定量阀和注射器。2.汽化室样品进入汽化室汽化并用载气传入色谱柱，故必须要在一定的稳定温度下工作。其高和低都会对样品汽化和进入色谱柱后的分离产生影响，温度低，样品汽化不完全，产生伸舌峰，并对下次试验和本次试验分析数据造成影响，温度太高，会造成样品的分解，影响仪器使用寿命，同样使分析数据不准确。所以我们在选择进样器（汽化室）温度时，一般可比样品中组分沸点最高的温度再高30~40℃，但不能高于样品的分解温度和仪器最高使用温度。3.常见进样口及其选择对于热稳定的样品，分流/不分流进样口是优先的选择。但对热不稳定的样品，或者有易分解组分的样品，必须考虑进样口温度的设置以及汽化室的惰性问题。进样口温度高，或者汽化室表面有活性催化点（如金属或玻璃表面的金属离子），就可能引起样品分解。采用不分流进样时，更容易发生样品降解，使色谱图上出现更多的风，使分析准确度下降。因此，在保证样品有效汽化的前提下，进样口温度低一些有助于防止样品降解。采用高的分流流量、对进样口内表面进行脱活处理，都是防止样品降解的措施。表2-1常见GC进样口和进样技术进样口和进样技术特点填充柱进样分流不分流进样顶空进样冷柱上进样程序升温汽化进样大体积进样最简单的进样口：所有汽化样品进入色谱柱；可接玻璃和不锈钢填充柱，也可接大口径毛细管柱直接进样最常用的毛细管柱进样口：分流进样最为普遍，操作简单，但有分流歧视和样品分解的问题‘不分流进样虽然操作稍微复杂一些，但分析灵敏度高，常用于痕量分析只取复杂样品基体上方的气体部分进行分析，有静态顶空和动态顶空（吹扫-捕集）之分，适用于环境分析（如水中有机污染物）、食品分析（如气味分析）及固体材料中的可挥发物分析等样品以液态形式直接进入色谱柱，无分流歧视问题，分析精度高，重现性好，尤其适用于沸点范围宽、或者不稳定的样品，也常用于痕量分析（可进行柱上浓缩）将分流不分流和冷柱上样结合起来，功能多，适用范围广，是较为理想的GC进样口采取程序升温汽化或冷柱上样，配合以溶剂放空功能，进样量可达几百微升，甚至更高，可大大提高分析灵敏度，在环境分析中应用广泛，但操作较为复杂表2-1常见GC进样口和进样技术（续）进样口和进样技术特点阀进样常用六通阀定量引入气体或液体样品，重现性好，容易实现自动化，但样品对峰展宽的影响大，常用于永久气体的分析，以及化工工艺过程中物料流的监测。裂解进样在严格控制的高温下将不能汽化或部分不能汽化的样品裂解成可汽化的小分子化合物，进而用GC分析，适用于聚合物样品或地矿样品等。4.隔垫和衬管①隔垫：也叫进样口密封垫，隔垫与衬管如图所示。隔垫有老化漏气的问题，所以要注意选择耐高温的隔垫，并定期检查是否漏气，必要时及时更换，以保证分析的正常进行（如何选择隔垫，判断是否漏气及更换见后维护章节）4.隔垫和衬管②衬管：多为玻璃或石英材料制成。使用应注意如下问题：1）衬管能起到保护色谱柱的作用。因此，一定要保持衬管干净，注意及时清洗和更换。2）衬管内表面的活性点可能导致样品杯吸附或分解，故要进行脱活处理。因此在分析极性样品时，要注意及时更换衬管或重新硅烷化。3）衬管中是否要填充填料，要依据情况而定。一般填少量经硅烷化处理石英玻璃毛可防止注射器针尖的歧视作用，加速样品汽化；还可避免颗粒物质堵塞色谱柱。5.手动进样与自动进样1）注射速度注射深度、速度和位置对峰高、峰面积都有影响。注射速度慢时会使样品的汽化过程变长，导致样品进入色谱柱的初始谱带变宽。注射样品所用时间及注射器在汽化室中停留的时间越短越好。2）取样准确而重现及取样量要准确，抽取样品的速度要重现，以保证进样的重现性。特别是粘度大的样品，要避免在注射器中形成气泡。3）避免样品之间的相互干扰如果进样时注射器内有前一个样品的残留组分，就会干扰下一个样品的分析，带来定量误差，在色谱中这叫记忆效应，必须消除。具体办法是反复洗针，取样前先用供试品溶剂洗针至少3次(抽满针管的2/3，再排出)，再用要分析的供试品洗针至少3次。如果同时有几个样品进行分析，且要交替进样（如用外标法分析时，可能对标样和实际样品交替进样），则最好是每个样品各用一个注射器。5.手动进样与自动进样4）选用合适的注射器GC分析进样一般不小于1μl。如果进样量要控制在1μl以下，就应采用5μl或1μl的注射器。但是应注意，此类的注射器往往是将样品抽在针芯内，因此观察不到针管中的液面，故很可能抽入气泡。取样时反复推拉针芯，以确保针芯内没有气泡。5）减少注射歧视所谓注射歧视是指进样针插入GC进样口时，针尖内的溶剂和样品中的易挥发组分首先开始汽化，无论注射速度多快，不同沸点的组分总是有汽化速度的差异。当注射完毕抽出针尖时，注射器中残留样品的组成就与实际样品的组成有所不同。如果能保证每次进样的速度严格一致（如使用自动进样器），经标样校正后，可忽略这一歧视作用。四、分离系统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或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2~4mm，长1~3m。填充柱的形状有U形和螺旋形两种。2、毛细管柱毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多空层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀涂在内径0.1~0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管柱渗透性好，传质阻力小，而且柱子可以做到长几十米。与填充柱相比，其分离效率高（理论板数可达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。五、检测系统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：1）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的某组分的量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。气相色谱检测器有：火焰离子化检测器（FID）、热导检测器（TCD）、电子俘获检测器（ECD）、火焰光度检测器（FPD)、氮磷检测器（NPD）光离子化检测器（PID）、红外光谱检测器（IRD）和质谱检测器（MSD）等。在药物分析中火焰离子化检测器（FID）是最常用的检测器六、记录系统（数据处理系统）该系统是指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，检测器把进入的组分按时间及浓度或质量变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递