安捷伦气相色谱基础培训.ppt
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1、安捷伦气相色谱基础培训质量管理部兰 1第一部分GC基础知识兰 21.1 概 述色谱法是一种分离方法,它利用物质在两相中分配系数的微小差异进行分离。当两相做相对移动时,使被测物质在两相之间进行多次分配,这样原来的微小差异产生了很大的效果,使各组分分离,以达到分离分析及测定一些物理化学常数的目的。兰 3理解色谱法(Gas Chromatography)主要有2点:一是要 有两相,二是要有差异。两相:固定相和流动相具体到气相色谱:固定相就是色谱柱(column),流动相就是气体或者称为载气(carrier gas)。差异就是指分配系数的差异。兰 4 色谱过程示意图兰 待分离组分 ,和 载气ABCD
2、5分离的过程示意图 兰 样品 流动相固定相GCTECH 2-04Analytical Training Center61.2 气相色谱法的定义和分类定义:用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。分类:根据固定相的状态不同,气固色谱(GSC)(吸附原理)、气液色谱(GLC)(分配原理)p 气固色谱可用活性炭,硅胶,分子筛,高分子多孔小球等作为固定相,分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。吸附-脱附p 气液色谱多用固定液涂渍在惰性载体上作为固定相,一般只要高沸点的有机化合物,蒸汽压低(在450以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽压)且热稳定性好的有机化合物作为固定液。由于在气液色谱中可
3、供选择的固定液种类很多,容易得到好的选择性,所以气液色谱有广泛的实用价值。溶解-挥发兰 71.3 气相色谱法的特点“三高”“一快”“一广”1.高效能:一般填充柱的理论塔板数可达数千,毛细管柱可达一百多万。2.高选择性:可以使一些分配系数很接近的以及极为复杂、难以分离的物质,获得满意的分离。3.高灵敏度:可以检测1010 11111010 1313g g物质,适合于痕量分析4.分析速度快:一个试样的分析可在几分钟到几十分钟内完成。5.应用广泛:可以分析气体试样,也可分析易挥发或可衍生转化为易挥发的液体和固体。分析的有机物,约占全部有机物(约300万种)的20%。6.不足之处:对被分离组分的定性能
4、力较差。兰 8从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体,并用记录器记录信号随时间变化的曲线,此曲线就叫色谱流出曲线,当待测组分流出色谱柱时,检测器就可检测到其组分的浓度,在流出曲线上表现为峰状,叫色谱峰。色谱图:试样中各组分经色谱柱分离后,在柱的末端收集各组分,经检测器转换为电信号,用纪录仪将各组分浓度记录下来,得到色谱图。1.4 色谱图及有关术语兰 9如图所示为一色谱流出曲线:1)基线:在实验条件下,色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线。基线在稳定的条件下应是一条水平的直线。它的平直与否可反应出实验条件的稳定情况。2)峰高(h)和峰面积:色谱峰顶点与基线的距离叫峰
5、高。色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。兰 103)保留值 a.死时间(tM):不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间,它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用,因此,其流速与流动相的流速相近。据 tM可求出流动相平均流速b.保留时间tr:试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过柱子的时间t0和组份在固定相中滞留的时间。c.调整保留时间tr:某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间,它是组份在固定相中的滞留时间。即 tr=tr tM4)色谱峰底宽W:由色谱峰的两边拐点做切线,与基线交点的距离。5)半峰高宽度W :色谱峰高一半处的峰宽。也称为色谱峰半高宽
6、度。兰 111.5 气相色谱构成示意图兰 121.6 气相色谱基本流路图500次更换进样垫100次更换一般为1:10吸咐不被气化的物质N2尾吹兰 13第二部分载气兰 14典型的气相色谱色谱柱流量控制器稳压器空气氢气载气分子筛脱水管固定进样口检测器电子部件PC限流器气气 源源兰 15气源与载气种类兰 对载气的要求如下:1、惰性(不与样品或固定相反应)2、气体扩散小,以提高柱效率3、容易得到并易纯化4、价格便宜5、满足检测器要求常用载气:N2 H2 He Ar TCD 用氢气、氦气比较好,灵敏度高,FID 用氮气 辅助气:氧气或空气 161、气体不纯的不良影响2、气体的净化方法3、常用的净化物质的
7、使用与老化兰1)样品失真或消失2)柱失效3)对固定液保留特性的影响4)对检测器的影响气体的净化气体的净化 17氧气捕集器兰微量的氧气会破坏色谱柱,特别是对毛细管柱。氧气也会降低ECD检测器的功能。氧气捕集器(P/N 3150-0414)应连接在分子筛干燥器和仪器安装设备的进样口之间。管路:使用GC专用铜管,使用前先用溶剂冲洗,载气吹干。分子筛干燥器 18气流调节阀 通常在减压阀输出气体的管线中还要串联稳压通常在减压阀输出气体的管线中还要串联稳压阀,用以稳定载气(或燃气)的压力阀,用以稳定载气(或燃气)的压力当用程序升温进行色谱分析时,由于色谱柱当用程序升温进行色谱分析时,由于色谱柱柱温不断升高
8、引起色谱柱阻力不断增加,也会使柱温不断升高引起色谱柱阻力不断增加,也会使载气流量发生变化。为了在气体阻力发生变化时,载气流量发生变化。为了在气体阻力发生变化时,也能维持载气流速的稳定,需要使用稳流阀来自也能维持载气流速的稳定,需要使用稳流阀来自动控制载气的稳定流速。动控制载气的稳定流速。兰 19第三部分进样系统及技术兰 20 阀进样 兰 气体进样21 液体进样阀 兰WSPC排出口样品入口限流器载气色谱柱WSPC载气色谱柱取样状态取样状态进样状态进样状态22 样品上方取样进样法(顶空分析)顶空的概念 样品 顶空 恒温箱 气密型进样器1.样品放置在一个恒温箱中(或炉中),从而可以达温度平衡。2.利
9、用一个气密型的进样器或其它合适的手段取出样品上方的相同的顶空气体。3.再使用一般的GC仪器来分析样品的顶空气体。兰23 顶空相关问题顶空相关问题 适于分析这样的挥发物:适于分析这样的挥发物:-不纯样品。不纯样品。-固体样品。固体样品。-含有某些不做分析的高沸点含有某些不做分析的高沸点组组 分样品。分样品。-含水量较高的样品。含水量较高的样品。兰24 应用1.氯代甲烷2.二氯甲烷3.三氯甲烷4.四氯化碳123415 min柱:HP-1(Cross-Linked Methyl Silicone)30 m x 0.53 mm x 2.65(HP Part No.19095Z-123)载气:Heliu
10、m,5.2 psi 炉温:40 C 进样口:1cc,不分流 检测器:FID柱:HP-1(Cross-Linked Methyl Silicone)30 m x 0.53 mm x 2.65(HP Part No.19095Z-123)载气:Helium,5.2 psi 炉温:60 C 进样口:1 cc,分流比 5:1 检测器:FID1.苯2.甲苯10 min12 水中氯化烃 顶空分析 水中芳烃 顶空分析 兰25药品中溶剂残留:USP 467 兰246810123451 二氯甲烷(25 ppm)2 氯仿(12 ppm)3 苯(25 ppm)4 三氯乙烯 (25 ppm)5 二噁环(25 ppm)
11、26进样垫固定螺母 兰 进样垫 石墨垫柱 载气 玻璃填充物 齿形螺母 衬管 填充柱进样口示意图27 毛细管柱进样口 分流方式是特为毛细管柱GC设计的样品引入方式 可与熔融石英,玻璃,金属柱相接 脉冲分流 允许更大进样量 脉冲不分流 允许更大进样量分流方式用于 含量较高组分分析 不分流方式用于 痕量组分分析 兰28分流/不分流流路系统 兰29不分流流路示意图n进样过程中分流放空阀关闭(没有分流出口流量)n在进样后的某指定时间,分流阀打开,将剩下的蒸汽清除出进样口。兰30 堵塞 温度不正确 污染 泄漏2、操作条件的选择1)汽化室温度的选择2)进样垫的材料与处理3)进样量进样口操作 1、进样口常见问
12、题 兰31 注意事项进样口温度过低,将导致高分子量化合物气化不完全,并且不能有效转移到色谱柱中。(样品气化不完全)进样口温度过高,导致热稳定性差的化合物分解。(样品分解)样品从进样针注入时,不同组分的气化程度不同,高沸点组分残留量比例高。一般情况下进样速度必须很快,因为当进样时间太长时,试样原始宽度将变大,色谱峰半峰宽随之变宽,有时甚至使峰变形。一般地,进样时间应在1s以内。兰 32第四部分色谱柱兰 33气相色谱柱有多种类型。从不同的角度出发,可按色谱柱的材料、形状、柱内径的大小和长度、固定液的化学性能等进行分类。色谱柱使用的材料通常有玻璃、石英玻璃、不锈钢和聚四氟乙烯等,根据所使用的材质分别
13、称之为玻璃柱、石英玻璃柱、不锈钢柱和聚四氟乙烯管柱等。在毛细管色谱中目前普遍使用的是玻璃和石英玻璃柱,后者应用范围最广。对于填充柱色谱,大多数情况下使用不锈钢柱,其形状有U型的和螺旋型的,使用U型柱时柱效较高。按照色谱柱内径的大小和长度,又可分为填充柱和毛细管柱。前者的内径在24mm,长度为110m左右;后者内径在0.20.5mm,长度一般在25100m。在满足分离度的情况下,为提高分离速度,现在也有人使用高柱效、薄液膜的10m短柱。兰34根据固定液的化学性能,色谱柱可分为非极性、极性与手性色谱分离柱等。固定液的种类繁多,极性各不相同。色谱柱对混合样品的分离能力,往往取决于固定液的极性。常用的
14、固定液有烃类、聚硅氧烷类、醇类、醚类、酯类以及腈和腈醚类等。新近发展的手性色谱柱使用的是手性固定液,主要有手性氨基酸衍生物、手性金属配合物、冠醚、杯芳烃和环糊精衍生物等。其中以环糊精及其衍生物为色谱固定液的手性色谱柱,用于分离各种对映体十分有效,是近年来发展极为迅速且应用前景相当广阔的一种手性色谱柱。在进行气相色谱分析时,色谱柱的选择是至关重要的。不仅要考虑被测组分的性质,实验条件例如柱温、柱压的高低,还应注意和检测器的性能相匹配。有关内容我们将在以后章节中加以详细讨论。兰35“极性”一词常用来描述或评价固定液的性质。气相色谱中的所谓极性,是指含有不同功能团的固定液与分析物质的功能团和亚甲基之
15、间相互作用的程度。如果一种固定液保留某种化合物的能力大于另一类,则认为这种固定液对于前一类化合物有较高的选择性。人们最初用来描述和区别固定液分离特性的方法是罗胥耐德(Rohrschneider)于1959年提出的相对极性方法。他首先规定固定液,-氧二丙腈的相对极性为100,角鲨烷为零,选用正丁烯与正丁烷或环已烷与苯作为物质对,然后分别测定物质对在氧二丙腈、角鲨烷以及被测固定液柱上的相对调整保留值并取对数。对于罗氏所建议的方法,有些人仍认为不够完善。1970年麦克雷诺(McReynolds)对这一方法提出改进方案。他采用丁醇、2-戊酮和硝基丙烷分别取代罗氏所用的乙醇、甲乙酮和硝基甲烷,实验温度改
16、为120。为了与罗氏常数相区别,相应的麦氏常数用X,Y,Z,U,S表示。兰36许多色谱手册都列有这两种常数,但罗氏常数现在人们已经不太常用,使用比较广泛的是麦氏常数。固定相的评价是一个比较复杂的问题。不论是罗氏常数还是麦氏常数,许多人认为都还有不少缺点。为了寻求比较完美的表征方法,近年来Abraham等人提出了一种“溶剂化参数模型”(solvation parameter model)。这一模型将溶质分子从气相溶解到固定相的过程分为三个阶段:(1)在固定相中形成一定大小的空穴。这一过程要打破溶剂-溶剂分子间的“键”,是一个吸收能量的过程。溶质分子越大,需要打破的溶剂-溶剂分子间的“键”越多,吸
17、收的能量也越多。如果仅考虑这一阶段,溶质分子越大,其保留值越小;(2)孔穴周围的溶剂分子重新排列。这一过程虽然与熵及焓有关,但对Gibbs自由能的贡献不大;(3)溶质进入孔穴。这一过程产生溶质和溶剂之间的各种作用力。所有作用力都会导致释放能量,有利于溶质的溶解。兰37色谱柱 兰 填充柱 毛细管柱 普通填充柱 微填充柱分析填充柱制备填充柱壁涂毛细管柱(WCOT)多孔层毛细管柱(SCOT或 PLOT)填充毛细管柱弹性石英毛细管柱(FSOT)壁处理毛细管柱分配型吸附型分配型吸附型普通弹性石英毛细管柱键合相弹性石英毛细管柱 色谱柱分类38 色谱柱类型 兰 填充柱 开管柱(毛细管柱)常规型小球填充柱多孔
18、层小球填充柱 常规填充柱及微填充柱多孔层开管柱壁涂开管柱长度(meters)内径(mm)流量(ml/min)压力梯度(psi)样品负荷量.5-102-410-6010-90100 ng/峰5-100.5304-301-205-100.3-.751-301-40100 ng/峰5-100.1-.250.3-1.05-9050 ng/峰PACKEDSERIES 530WCOT(wide)WCOT(narrow)39 气固色谱(GSC)吸附型 填充柱 吸附填充(GSC)多孔具有大的表面积毛细管柱-Porous Layer O pen Tubular(PLOT)载气 载气 兰40 气液色谱(GLC)兰
19、 分配型 填充柱 毛细管柱Wall Coated OpenTubular(WCOT)液体相 固体支撑物 非常多的孔具有极大的表面积 载气液体相41 气液色谱(GLC)兰 通过样品在固定相中不同的溶解度来实现分离 根据极性的不同分离组分 通常情况下“相似相溶 或 同极性互相作用 例如:醇类是极性化合物 聚乙二醇(Carbowax)是极性化合物423、分离度R:柱将两个峰彼此分开的能力。1、柱效:柱生成尖锐峰的能力。2、选择性:柱将两个具有相似的化学和/或物理性质的 物质进行选择性分离的能力。优差优差 分离指标4、柱效,选择因子和分离度之间的关系。r2,1=tR2tR1=VR2VR1=Vg2Vg1
20、 选择因子:分离度分离度柱效柱效 兰43 毛 细 管 柱 色 谱 条 件 的 选 择1、柱 效2、液 膜 厚 度(d)f3、柱 内 径4、载 气 线 速 及 载 气 种 类5、柱 温 的 选 择6、进 样 量 及 进 样 技 术 兰44 柱 选 择 常用的柱选择方法:首先试用手边现有的柱子 向同事请教 从文献中查到相近应用的方法 如不是太清楚,先使用一个非极性柱如 HP-1或 HP-5 兰45固定相选择的基本原则:相似相溶原理,选用非极性的固定相分析非极性化合物 如果化合物可以用不同极性的固定相分析,选用极性最小 的固定相。非极性固定相的使用寿命长于极性固定相。兰 46根据极性来选择适合的固定
21、相,从来选择适当的色谱柱。兰 47气相色谱毛细管柱常用固定相兰 48 固固 定定 液液 的的 选选 用用气 相 色 谱 固 定 相SameSame100%MethylSilicone Gum100%MethylSilicone Gum99%Methyl1%Vinyl Gum100%MethylSilicone Fluid100%MethylSilicone Fluid100%MethylSilicone Fluid5%PhenylCarboraneMethyl Silicone50%PhenylMethyl Silicone75%PhenylMethyl SiliconeSame50%3,3,
22、3-Trifluropropyl25%2-Cyanoethyl25%CyanopropylPolyethylene GlycolPolyethylene Glycol(Modified withTeraphthalic Acid)50%CyanopropylPhenyl SiliconeFree fatty acid phasePolyethylene GlycolDiethylene GlycolSuccinate1,2,3-Trie(2-Cyano-ethoxy)propaneSameSameSameSqualaneApiazon LSE-30OV-1UCW-982DC-200OV-101
23、SP-2100SE-52(or SE-54)Dexall 300OV-17OV-25Polyphenyl Ether(5 ring)QF-1OV-210XE-60OV-225Carbowax 20MCarbowax 20MTPASilar 5CPFFAP50%3,3,3-TrifluropropylCarbowax 1500DEQSSilar 10CEGS100%CyanopropylSiliconeEthylene GlycolSuccinateTCEPSebaconitrileBis-(2-Methoxyethyl)AdipateBis-(2-Cyanoethyl)FormalmideOV
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