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彩票开奖查询气相色谱仪图解

发布时间:2020-10-31 04:28  

  气相色谱仪原理(图文详解) 什么是气相色谱 本章介绍气相色谱的功能和用途,以及色谱仪的基本结构。 气 相 色 谱 ( GC) 是 一 种 把 混 合 物 分 离 成 单 个 组 分 的 实 验 技 术 。 它 被 用 来对样品组分进行鉴定和定量测定》 : 基子时间的差别进行分离 和 物 理 分 离 ( 比 如 蒸 馏 和 类 似 的 技 术 ) 不 同 , 气 相 色 谱 ( GC) 是 基 于 时 间 差别的分离技术。 将 气 化 的 混 合 物 或 气 体 通 过 含 有 某 种 物 质 的 管 ,基 于 管 中 物 质 对 不 同 化 合 物 的 保 留 性 能 不 同 而 得 到 分 离 。这 样 ,就 是 基 于 时 间 的 差 别 对 化 合 物 进 行 分 离 。 样 品 经 过 检 测 器 以 后 , 被 记 录 的 就 是 色 谱 图 ( 图 1), 每 一 个 峰 代 表 最 初 混 合 样 品中不同的组分。 峰出现的时间称为保留时间,可以用来对每个组分进行定性,而 峰的大小 (峰高或峰面积)则是组分含量大小的度量。 图 1 典型色谱图 系统 一个气相色谱系统包括 可 控 而 纯 净 的 载 气 源 . 它 能 将 样 品 带 入 GC 系 统 进 样 口 , 它同时还作为液体 样品的气化室 色谱柱,实现随时间的分离 检测器,当组分通过时,检测器电信号的输出值改变,从而对 组分做出响 应 某种数据处理装置 图 2 是对此作出的一个总结。 样品 载气源 一^ 进样口一^ 色谱柱 一^ 检测器一_ 数据处理」 图 2 色谱系统 气源 载气必须是纯净的。污染物可能与样品或色谱柱反应,产生假峰 进入检测 器使基线噪音增大等。推荐使用配备有水分、烃类化合 物和氧气捕集阱的高纯 载气。见图 钢瓶阀 若 使 用 气 体 发 生 器 而 不 是 气 体 钢 瓶 时 , 应 对 每 一 台 GC 都 装 配 净 化 器 , 并 且使气源尽可能靠近仪器的背面。 进样口 进 样 口 就 是 将 挥 发 后 的 样 品 引 入 载 气 流 。最 常 用 的 进 样 装 置 是 注 射 进 样 口 和进样阀。 注射进样口 用于气体和液体样品进样。常用来加热使液体样品蒸发。用气体 或液体注 射器穿透隔垫将样品注入载气流。其原理(非实际设计 尺寸)如图 4 所示。 样品从机械控制的定量管被扫入载气流。因为进样量通常差别很 大, 所以对气体和液体样品采用不同的进样阀。其原理(非实际 设计尺寸)如图 5 所示。 进样阀通常与进样口连接,特别在分流进样模式时,进样阀连接 到分 流 /不 分 流 进 样 口 。 色谱柱 分 离 就 在 色 谱 柱 中 进 行 。 因 为 用 户 可 以 选 择 不 同 的 色 谱 柱 .故 使 用 一 台 仪 器能够进行许多不同的分析。 图 因 为 大 多 数 分 离 都 强 烈 依 赖 于 温 度 .故 色 谱 柱 要 安 装 在 能 够 精 密 控 温 的 柱 箱 内 .见 图 6。 从色谱柱里出来的含有分离组分的载气流通过检测器而产生信号。 检 测器的输出信号经过转化后成为色谱图,见图 检测器有几种类型的检测器可供选择, 但是所有的检测器的功能都是相 同的: 当纯的载气(没有待分离组分)流经检测器时,产生稳定的电 信号(基线 当 有 待 分 离 组 分 通 过 检 测 器 时 .产 生 不 同 的 信 号 。 数据处理 测量 色谱图记录下了检测器输出的电信号。它可以通过以下几种方式 进行处 理: 在带状图记录仪上记录 使用数字积分仪处理 用计算机数据系统处理 传 统 的 带 状 图 记 录 仪 必 须 手 工 测 量 峰 的 保 留 时 间 和 峰 大 小 。积 分 仪 和 数 据 系统则可直接进行这些测量。强烈推荐使用积分仪和数 据系统,因为它们有很 好的重现性和灵敏度。 计算 色谱峰的保留时间和峰大小必须转换成待分离组分的名称和含量。 这可以 通过与已知样品(校准样品)的保留时间和响应值大小进 行比较来完成。这种 比 较 可 以 手 工 完 成 .但 是 鉴 于 速 度 和 准 确 性 . 采 用 数 据 处 理 系 统 是 最 好 的 。 仪器控制 某 些 数 据 系 统 和 GC 组 合 还 可 通 过 数 据 系 统 计 算 机 提 供 对 GC 的 直 接 控 制 。 这 样 就 能 创 建 可 存 储 的 方 法 .需 要 时 调 用 储 存 的 方 法 即 可 .从 而 可 实 现 高 度 的 自 动 化 分 析 。一 些 样 品 已 经 是 气 体( 例 如 室 内 或 室 外 的 空 气 ,可 燃 气 体 等 ), 则 可以用气体注射器或气体进样阀直接进样。 大多数样品为液体,为了用气相色谱来分析,必须首先使之气化 这常常由 加热的进样口和液体注射器或液体进样阀相结合而完成的 进样口 进 样 口 的 设 计 和 选 择 取 决 于 色 谱 柱 的 直 径 和 类 型 。下 一 章 将 介 绍 色 谱 柱 类 型,填充柱和毛细管柱。 填 充 柱 和 大 口 径 毛 细 管 柱 使 用 填 充 柱 进 样 口 ;小 口 径 的 毛 细 管 柱 使 用 分 流 /不 分 流 进 样 口 。 填充柱进样口 填 充 柱 进 样 口 是 为 填 充 柱 设 计 的 。可 更 换 的 衬 管 使 进 样 口 适 用 于 特 定 内 径 的 色 谱 柱 , 柱 内 径 一 般 为 1/8 或 1/4 英 寸 。 典 型 的 设 计 如 图 8 所 示 。 当用大口径毛细管柱时,专用的衬管使得它们可以用于填充柱进 样口。这 种色谱柱的柱容量与填充柱的类似。 样 品 用 注 射 器 穿 过 隔 垫 注 入 到 载 气 流 中 。 加 热 的 进 样 口 使 样 品 (如 果 是 液 体 ) 气 化 , 而 后 载 气 将 气 化 的 样 品 带 入 色 谱 柱 。 分 流 /不 分 流 进 样 口 分 流 /不 分 流 进 样 用 毛 细 管 柱 , 有 两 种 操 作 模 式 。 分 流 模 式 毛 细 管 柱 有 较 小 的 样 品 容 量 。进 样 量 必 须 非 常 少 . 通 常 远 少 于 1 微 升 ,以 防 止色谱柱超载。 如此小的样品量操作起来是很困难的。分流模式提供了 一种方法 来解决 此 问 题 :采 用 通 常 的 进 样 量 . 气 化 . 然 后 只 把 其 中 一 部 分 引 入 到 色 谱 柱 内 进 行 分 析。其余大部分经分流出口放空。 图 9 为 典 型 的 分 流 /不 分 流 进 样 口 的 分 流 模 式 。 分流阀开启并一直维持此状态。样品被注射进衬管,同时被气化。 气 化 的 样 品 在 色 谱 柱( 气 流 阻 力 大 )和 分 流 放 空 口 ( 气 流 阻 力 可 调 )之 间 分 配 。 不分流进样模式 此模式特别适用于低浓度的样品。它将样品捕集在柱头,同时将 残留在进 样口的溶剂气体放空。 此模式包括两个步骤- 1 注射样品 关闭分流阀。载气流在隔垫吹扫气出口和色谱柱之间分配。柱 头压力由分 流放空调节阀来设定,从而设定流过色谱柱的流速。 注射样品。溶剂(主要的样品成分)在富集样品的柱头产生饱 和区带。 进样口流量 隔垫螺母隔垫吹扫 控制阀和隔垫气控制 图 10 不 分 流 模 式 进 样 进样口吹扫 在样品被捕集到色谱柱头之后, 打开分流阀。 将残留在进样口 中的气体 (此 时大部分是溶剂)放空。 现 在 流 路 和 分 流 模 式 是 相 同 的 ( 图 9) 。 升高柱温,开始将样品组分引入色谱柱并分离。 此方法对于沸点比溶剂高的组分的分离是很有效的。溶剂峰将会 很 大。要采用程序升温将目标化合物的峰和溶剂峰分离。不分流模式进样步骤 成功的不分流进样包括以下几个步骤: 在加热的进样口中使样品和溶剂挥发。 采用较低的柱温在柱头产生一个溶剂饱和区带。 利用此区带使样品在柱头进行富集和重组。 在所有样品,或至少是大部分样品进入色谱柱后,通过打开分 流放空阀放 空进样口中残留的样品气体。 升高柱温,先将溶剂,然后将样品从柱头释放。 操作参数初始值设定 您 必 须 通 过 实 验 来 确 定 最 佳 操 作 参 数 值 。表 1 提 供 了 一 些 建 议 的 参 数 设 置 初始值: 表 1 不分流进样模式的进样口参数初始值设置 仪器参数建议初始值 柱温低于溶剂沸点 柱 箱 初 始 时 间 分 流 阀 开 启 时 间 分 流 放 空 阀 开 启 时 间 衬 管 体 积 2/ 柱 流 速 注射进样技术每一个色谱峰的起始点是与载气混合的挥发的样品区域的一 部分 在样品组分于柱内被分离的过程中,样品区域由于扩散而展宽。 任何色 谱 峰 的 宽 度 都 不 会 比 初 始 区 域 宽 度 更 窄 。 由 于 分 离 窄 峰 比 宽 峰 容 易 得 多 .故 必 须使初始区域宽度最小化。 理想的注射进样技术是: 将样品充入注射器,调节进样量。 将 注 射 器 的 针 尖 以 尽 可 能 深 地 速 度 穿 过 进 样 隔 垫( 进 样 口 的 设 计 者 假 定 您 会这样做)。 快速压下注射器推杆。 立即把针从进样口拔出。 重要的就是速度》任何迟疑都将导致样品区域宽度增大。 如 果 一 个 熟 练 的 操 作 者 按 以 上 方 法 进 样 , 他 能 达 到 3 到 4% 的 进 样 量 重 复 性。能够限制注射器推杆移动距离的机械装置能提高进样 重复性。 应避免使用在两个气泡间捕集样品的注射技术。这样您必须做两 次估算, 因而使进样量的误差增倍。 自动进样的优点 自动进样器是解决进样问题的一个方法。它们能够实现高度重复 的进样。 因 此 , 它 们 通 常 允 许 采 用 更 简 单 的 峰 的 含 量 计 算 方 法 (用 外 标 法 , 而 不 是 内 标 法)。 如 果 配 备 有 自 动 进 样 器( 装 备 有 样 品 盘 . 并 与 数 据 系 统 连 接 ). 就 可 以 进 行 全自动分析。 气体样品进样阀包括一个定量管和将定量管接入载气流和脱离载 气流的 阀体。 图 Ii 所 示 为 一 种 常 用 的 进 样 机 理 。 样品量通过定量管来确定。定量管是可以更换的,因此一个进样 阀能够提 供多种高度重复的进样体积。 液体进样阀 这与气体进样阀的原理是一样的。由于液体进样要求更小的进样 体积,因 此 “定 量 管 ”是 构 成 阀 体 的 一 部 分 , 且 是 不 可 更 换 的 。 如果要改变进样量,您必须更换整个进样阀。进样口温度 气体样品 对 于 气 体 样 品 而 言 .进 样 口 不 需 要 气 化 任 何 物 质 .因 此 也 就 没 有 必 要 加 热 。 然 而 .大 多 数 色 谱 工 作 者 更 倾 向 于 加 热 进 样 口 以 保 证 进 样 口 不 会 使 任 何 物 质 冷 凝 。 常 用 的 进 样 口 温 度 为 10(TC 。 液体样品 液 体 样 品 要 求 加 热 进 样 口 。 温 度 要 足 够 高 以 使 样 品 气 化 .但 又 不 能 过 高 而 导致样品分解。 温 度 足 够 髙 开 始 将 进 样 口 温 度 设 置 为 溶 剂 沸 点 值 并 观 察 色 谱 峰 形 。如 果 所 有色谱峰的峰形大致相同(大小不同),说明进样口 温度已经足够高了。如果 后 流 出 的 色 谱 峰 显 得 过 宽 , 就 将 进 样 口 温 度 升 高 10 C 看 峰 形 是 否 改 善 。 温度过高如果出现的峰数比组分数还多,且峰型较差,说明可 能有样品分 解发生。 在进样口发生分解所产生的峰,其大小主要取决于进样口温度。 为了验证 是否发生分解,稍稍降低进样口温度后进行第二次分析, 然后比较峰的大小。 若有明显的变化,就表明在进样口处有样品 分解发生。 气相色谱原理 组分分离 色谱柱如何对化合物进行分离 混 合 物 在 色 谱 柱 内 被 分 离 为 单 个 组 分 。许 多 色 谱 柱 都 可 以 用 来 分 离 混 合 物 。 色 谱 柱 的 选 择 取 决 于 混 合 物 的 性 质 和 所 需 获 得 的 信 息 (分 析 目 的 ) 》 然 而,所有色谱柱都基于同样的工作原理。 色谱柱如何对化合物进行分离 这是一段含有两个样品组分(彩色的圆点)的色谱柱的横截面, 它既没有 填料,也没有涂层。这样的色谱柱只是空柱(图 载气流 图 12 未 经 涂 层 的 色 谱 柱 如 果 过 几 秒 钟 后 您 再 观 察 , 色 谱 柱 内 的 情 况 就 发 生 了 改 变 (图 图 13 几 分 钟 后 由于载气流的带动,样品向柱的右端移动。并且由于样品区域和 周围载气 中样品浓度的不同而使得样品区带展宽。 样品组分仍然是混合在一起的。 现 在 我 们 在 柱 子 的 内 表 面 涂 一 层 高 沸 点 物 质 ,然 后 重 复 此 实 验 我 们可以用所希望的任何涂层。在这个例子中,我们选用能够溶 解兰色圆点组分 而不能溶解黄色圆点组分的固定液。 兰色组分在固定相和载气两相之间进行分配。黄色组分则停留在 气相中。 几 秒 钟 以 后 我 们 再 观 察 色 谱 柱 .我 们 会 发 现 ( 黄色组分与涂层之间没有 作用》它随载气一同流过色谱柱并首先 从色谱柱中流出。 兰 色 组 分 在 固 定 液 和 载 气 之 间 进 行 分 配 。它 以 较 慢 的 速 度 流 过 色 谱 柱 而 后 流出色谱柱。 样品已经开始分离为两个峰。 色谱基本原理 当 气 化 的 组 分 与 气 相 和 固 定 ( 涂 层 ) 相 共 存 时 .它 就 根 据 对 两 相 相 对 吸 附 性能的不同而在两相间进行分配。 此 “ 吸 附 性 能 ” 可 以 是 溶 解 度 ,挥 发 性 ,极 性 ,特 殊 的 化 学 相 互 作 用 ,或 其 他任何存在于样品组分间的性质差异。 如果一相是固定的(涂层)而另一相是流动的(载气),组分 将会以比流 动相慢的速度迁移。迁移速度慢的程度取决于相互 作用的大小。 如 果 不 同 组 分 有 不 同 的 “吸 附 性 能 ”, 它 们 将 会 随 时 间 而 被 分 离 。 毛 细 管 柱 是 将 固 定 相 涂 在 管 内 壁 的 开 口 管 .其 中 没 有 填 充 物 。 毛 细 管 柱 的 内 径 从 0.1 到 0.5 毫 米 。 典 型 的 柱 长 是 30 米 . 见 图 16 。 图 16 毛 细 管 柱 毛细管柱产生很窄的色谱峰。这有利于分离非常复杂的混合物。 例如,常 用 的 汽 车 燃 油 的 分 析 将 产 生 400 到 500 个 色 谱 峰 。 色谱柱类型 毛细管柱 这 些 用 熔 融 石 英 毛 细 管 制 成 的 色 谱 柱 呈 很 好 的 惰 性 。在 不 锈 钢 和 玻 璃 柱 上 拖尾现象很严重的样品,如硫醇类化合物,在毛细管柱 上能够达到基线分离。 填充柱 毛 细 管 柱 对 样 品 量 的 要 求 小 于 填 充 柱 。 特 定 的 进 样 口 , 见 19 页 “ 分 流 / 不 分 流 进 样 口 ”, 允 许 采 用 常 规 进 样 量 而 在 样 品 进 入 色 谱 柱 之 前 进 行 分 流 。 在 填 充 柱 内 .固 定 液 被 涂 在 粒 度 均 匀 的 载 体 颗 粒 上 以 增 大 表 面 积 . 减 少 涂 层 厚 度 。涂 好 的 填 料 被 填 充 在 金 属 . 玻 璃 . 或 塑 料 管 内 . 如 图 17 。大 多 数 金 属 填 充 柱 的 外 径 是 1/8 或 1/4 英 寸 。玻 璃 柱 通 常 是 1/4 英 寸 外 径 ,但 是 内 径 不 同 , 使之与两种规格的不锈钢柱有相同的 分离效果。 填料上的涂层 填充柱 图 填 充 柱 有 较 大 的 样 品 容 量 . 是 老 式 的 灵 敏 度 较 低 的 检 测 器 所 必 需 的 。然 而 . 采 用 现 代 高 灵 敏 度 的 检 测 器 .样 品 容 量 大 的 优 势 已 经 消 失 。 填 充 柱 仍 然 适 用 于 气 体 样 品 .但 是 .毛 细 管 柱 对 于 大 多 液 体 样 品 会 有 更 好 的 分 离 度 。 色谱柱管材 色谱柱管材料包括: 不 锈 钢 一 耐 用 ,但 是 相 对 活 泼 的 柱 表 面 可 能 导 致 被 分 离 组 分 的 损 失 和 峰 拖 尾。 玻璃一质脆,通常要求对内表面进行脱活处理。 熔 融 石 英 一 仅 用 于 毛 细 管 柱 . 惰 性 好 、坚 固 耐 用 . 是 最 常 用 的 柱 材 料 。色 谱 柱特性 色 谱 柱 的 用 途 是 将 多 组 分 的 样 品 分 成 窄 的 、分 离 良 好 的 色 谱 峰 这 两 个 目 标 并不是完全无关的。 柱效 高柱效的色谱柱产生窄的色谱峰。见图 低柱效高柱效 图 18 柱 效 柱效是由色谱柱的结构(小的柱内径和薄的固定相涂层有最高的 柱效)和 载气流速决定的。 表 2 是所推荐的载气流速 。 表 2 推荐的载气流速 注 : 较 低 的 流 速 接 近 于 载 气 与 色 谱 柱 的 优 化 值 。 通 常 .色 谱 柱 运 行 得 更 快 . 分 析 就 更 迅 速 . 而 不 会 损 失 多 少 柱 效 。如 果 分 离 非 常 好 或 使 用 更 短 的 色 谱 柱 .色 谱 柱 甚 至 还 可 以 运 行 得 更 快 。 大 多 数 情 况 下 .不 用 低 于 推 荐 值 的 流 速 .因 为 它 们 延 长 分 析 时 间 .还 会 降 低 柱 效 。 载气控制 填充柱内的流速通常是用质量流量控制器来控制的。毛细管柱, 由于它的 流 速 很 低 .常 常 是 用 压 力 来 控 制 流 速 的 。 有 些 GC 提 供 电 子 气 路 控 制 。 这 样 的 仪 器 允 许 从 键 盘 上 设 定 流 速 并 从 显 示 器上读出。 柱分离度 高分离度的色谱柱能够作到基线分离。如果色谱峰很窄(柱效 高),分离 将会更容易实现。 载气流速的稍微改变能对分离度产生显著的影响。 结合柱效和分离度的数学定义式,我们可以得到重要的结论: 色谱柱分离度与柱长的平方根成正比。 这意味着增加柱长并不是提高分离度行之有效的方法。柱长加倍,分 离时 间 ( 和 色 谱 柱 成 本 ) 也 加 倍 , 但 是 分 离 度 仅 仅 增 加 大 约 40% 。 柱选择性 这是一个定义不很明确的、与固定相有关的性质。事实上,它是 固定相对 两种化合物表现出不同作用的程度。选择性低一两组分 同时流出。选择性高一 两色谱峰分离。用毛细管柱还是填充柱 两者各有所长。下面是一些需要考虑的因素。 气 体 分 析 通 常 用 填 充 柱 完 成 。填 充 柱 有 足 够 的 柱 容 量 来 适 应 较 大 体 积 的 气 体进样量。气体样品分析常用填料包括: 分子筛一氧气,氮气,氦气,氢气,二氧化碳,一氧化碳, 甲烷等。 氧化铝一丙烷或更大分子量的化合物 多 孔 性 聚 合 物 微 球 (Porapaks) - 乙 烷 , 丁 烷 , 二 氧 化 碳 等 。 其中一些填料(但不是所有填料)可以用于毛细管色谱柱中。 毛细管柱有比填充柱更高的分离度。即使选择性低一些,通常 也能实现足 够的分离。 一根毛细管柱能够完成多种分析,而用填充柱则可能需要多根 才能完成。 对毛细管柱和填充柱都适用的的固定液有: 甲基硅烷一非极性到中等极性 苯 基 甲 基 硅 烷 ( 5 到 50% 的 苯 基 ) 一 烯 烃 , 芳 香 化 合 物 , 中 等 极 性 化 合 物 聚 乙 二 醇 ) _酸 , 强 极 性 的 物 质 由于毛细管柱高的分离度,通常可以牺牲一点分离度而减少分 析时间。由 于 分 离 度 与 柱 长 的 平 方 根 成 正 比 ,因 此 一 根 良 好 的 毛 细 管 柱 可 以 被 截 成 两 段 很 好的毛细管柱,而仅损失很少的分 离度。分离时间却可以减少一半! 柱温 色谱柱内的固定相(涂层)有一个适用的温度范围。 漫 菇 温 度 通 常 是 熔 点 。低 于 此 . 您 所 做 的 是 气 / 固 色 谱 ;高 于 此 ,您 所 做 的 是 气 /液 色 谱 。 结 果 可 能 大 不 相 同 。 漫暮温度通常是指沸点或降解温度。 色谱柱通常安装在可控温的柱箱里,因为温度对分离的影响是很 大的。 温度 柱 温 可 以 采 用 恒 温 或 程 序 升 温 。 如 图 19 。 这 是 操 作 柱 温 箱 最 简 单 的 方 法 。在 整 个 分 析 过 程 中 ,柱 温 将 保 持 不 变 。 它有以下优点 柱温箱总是处于可进行样品分析的状态。 两次分析之间不需要间隔时间。 缺点: 若 样 品 组 分 的 沸 点 范 围 很 宽 , 那 么 恒 温 分 离 将 会 需 要 很 长 时 间 , ?由 于 色 谱峰随时间而展宽,后面流出的峰将会难于检测或测定。 程序控温 在 分 析 过 程 中 , 柱 温 随 时 间 而 变 化 , 通 常 是 升 高 柱 温 。 它 的 优 点 是 : ?减 少 分析时间 整个分离过程中峰形一致,检测和测定更容易。 缺点: 样品组分将经历比恒温分离更高的温度,这可能会导致某些敏 感组分降 解。 在 两 次 进 样 之 间 .柱 温 箱 必 须 冷 却 到 初 始 温 度 。 这 样 就 抵 消 了 部 分 所 节 省 的分析时间。 气相色谱仪原理 组分检测 热导检测器 工 作 原 理 40 火 焰 离 子 化 检 测 器 ( 工 作 原 理 42 电 子 捕 获 检 测 器 ( ECD) 43 工 作 原 理 本 章 所 介 绍 的 三 种 检 测 器 能 够 完 成 GC 的 大 部 分 工 作 。 还 有 其 他 一 些 检 测 器 起 互 补 作 用 ( 见 表 3), 大 多 是 元 素 专 属 性 检 测 器 或 质 量 选 择 性 检 测 器 , 在 这 里将不对它们做详细介绍。 表 3 其他检测器 热导检测器 所 有 气 体 都 能 够 导 热 ,但 是 氢 气 和 氦 气 的 热 导 系 数 最 大( 见 表 4) 。当 两 者 任 何 一 种 作 为 载 气 时 ,任 何 其 他 成 分 的 存 在 都 将 导 致 热 导 检 测 池 中 气 流 热 导 率 的下降。 用 TCD 可 以 测 量 这 种 变 化 , 并 用 来 创 建 色 谱 图 。 表 4 某些气体相对于正己烷的热导率 气体相对热导系数 由 于 TCD 是 基 于 热 导 率 的 差 异 而 工 作 的 , 故氢气或氦气显然是优 选的 载气。 工作原理 当 电 压 施 加 于 热 丝 时 .它 就 发 热 。 稳 定 的 温 度 取 决 于 所 施 加 的 电 压 、 热 丝 的电阻和热丝向周围环境散热的速率。 如 果 热 丝 被 载 气 所 包 围 .载 气 热 导 率 的 任 何 变 化 都 会 引 起 热 丝 温 度 的 改 变 。 这 样 就 导 致 热 丝 电 阻 的 变 化 。 早 期 的 TCD 设 计 是 将 四 根 热 丝 连 接 成 惠 斯 通 电 桥 。柱 流 出 物 流 经 两 根 相 对 的 热 丝 ;纯 的 载 气( 参 比 气 )流 过 另 外 两 根 热 丝 。 当有 被分离样品组分流出色谱柱进入检测器时,电桥的平衡被破坏。 现 代 的 TCD 设 计 如 图 20 所 示 。 此检测器只用一根热丝。快速切换阀使得柱流出物(含样品)和 参比气交 替通过检测池。如果两气流是一样的一没有被分离的组 分,气体切换时热丝电 阻不变。 然而,在有样品组分进入检测池时,切换到色谱柱流出气时,热 丝温度降 低;当切换到参比气时,热丝温度又恢复原值。电子传 感器能够探测到此变化 并调节热丝的电源供给以使温度保持恒定。 图 20 热 导 检 测 器 电源供给变化曲线的波动幅度取决于柱流出物(有组分存在时) 和参比气 之间热导率的差异。火焰离子化检测器 氢 气 和 空 气 燃 烧 所 生 成 的 火 焰 产 生 不 多 的 离 子 。然 而 有 含 碳 有 机 物 进 入 火 焰中燃烧时,离子产率将增大。 工作原理 从 色 谱 柱 流 出 的 载 气 和 氢 气 混 合 后 在 空 气 中 燃 烧 。 FID 有 两 个 电 极 ,其 中 之一是火焰燃烧的喷嘴,另一个加上极化电压后用来收 集火焰中的离子。 当组分进入火焰时,收集极所记录到的电流增大。该电流经过放 大后形成 色谱图。 图 21 火 焰 离 子 化 检 测 器 对在火焰中产生离子的任何物质都有响应,几乎包括所有有 机化合物(有 少数例外)。 通 用 的 FID 设 计 如 图 21 所 示 。 空 极焰 放电火 电子捕获检测器( 电 子 捕 获 检 测 器 广 泛 应 用 于 环 境 分 析 领 域 ,这 是 因 为 它 对 含 卤 素 化 合 物 有 很高的灵敏度,包括大部分除草剂和农药。 工作原理 检 测 池 中 的 放 射 性 同 位 素 , 通 常 是 63Ni, 发 射 出 0 射 线 。 ^ 射 线 和 载 气 分 子碰撞而产生低能量的自由电子。在两电极间施加极化电 压以捕集电子流。 某 些 分 子 能 够 捕 获 低 能 量 的 自 由 电 子 而 形 成 负 离 子 。当 此 类 化 合 物 分 子 进 入检测池时,部分电子被捕获从而使得收集电流下降。 信号经过处理后形成色 谱图。 图 22 是 一 种 ECD 的 结 构 示 意 图 。 是高度选择性的检测器:对能捕获电子的物质有高的灵敏 度,而对其他物 质 则 几 乎 不 响 应 。 一 些 相 对 响 应 值 见 表 5。 表 5 ECD 对 某 些 化 合 物 的 灵 敏 度 化 合 物 相 对 于 苯 ( 响 应 值 =1) 的 响 应 值 气相色谱基本原理 谱图解析 色 谱 峰 测 量 47 保 留 时 间 47 色 谱 峰 大 小 47 组 分 定 性 49 组 分 定 量 50 未 校 准 计 算 50 峰 面 积 与 峰 高 百 分 比 法 50 校 准 计 算 52 归 一 化 法 54 外 标 法 55 内 标 法 56 色 谱 仪 产 生 随 时 间 而 变 化 的 信 号 。 当信号被记录下来时, 就 形 成 我 们 熟 悉 的 色 谱 图 ( 见 图 23) 。 图 23 典 型 色 谱 图 色谱图可以通过手动或电子处理方式转化为峰保留时间或峰大小 的数据 列表。色谱峰测量 对 于 一 个 色 谱 峰 , 我 们 可 以 获 得 两 个 基 本 的 测 量 数 据 - ?进 样 后 到 色 谱 峰 被 检 测 到 的 时 间 ?色 谱 峰 的 大 小 保留时间 峰出现的时间是从开始进样到被检测到的时间,包括两部分: 一载气流过色谱柱所用的时间。可通过注射空气或其他 没有相互作用的物质来测定。 保留时间一由于被分离组分与色谱柱固定相相互作用所造成的 滞留时间。 在 大 多 数 情 况 下 .通 常 忽 略 死 时 间 而 把 出 峰 时 间 认 为 是 保 留 时 间 。 色谱峰大小 色 ^峰 大 小 可 以 通 过 峰 高 或 峰 面 积 来 测 定 , 二 者 都 是 相 对 于 基 线 而 言 的 。 色谱峰下的基线不能直接测量。它必须从色谱峰两侧的基线处测量 对于分离良好的峰这是很简单的。但是当峰发生重叠,或出现在 溶剂峰的 拖尾侧,或其他非理想化的情况时,测量就比较困难一 些。鉴于此,花在改善 峰分离条件上的时间是值得的。 峰高 这 是 最 简 单 的 测 量 ,仅 仅 需 要 一 把 测 量 尺 。它 是 从 峰 尖 到 基 线 的 垂 直 距 离 。 峰面积 此 面 积 是 指 由 色 谱 峰 信 号 曲 线 和 基 线 所 围 成 的 面 积 。最 好 通 过 电 子 方 式 来 测量。 图 24 为 两 个 测 量 参 数 的 图 示 。 测量基线 色 谱 峰 测 量 积分仪和数据系统 积 分 仪 用 来 测 量 色 谱 峰 的 面 积 和 峰 高 .以 及 峰 保 留 时 间 。 它 们 能 够 方 便 而 重现地将曲线(色谱图)转换为表格(时间和大小)。 数 据 处 理 系 统 不 仅 有 积 分 仪 同 样 的 优 点 .而 且 具 有 更 多 的 功 能 : 软件控制的积分仪比机械的积分仪更灵活。 不用重复进样,可以采用不同的积分和计算参数对数据进行再 处理。 系 统 能 够 更 加 精 确 的 完 成 本 章 所 介 绍 的 几 种 基 本 的 计 算 。 ?系 统 能 够 给 出 用 户 所 需 要 的 报 告 格 式 。 ?色 谱 峰 的 校 准 变 得 非 常 简 单 。 既 可 以 进 行 一 点 .也 可 以 进 行 多 点 校 准 。 ?原 始 数 据 和 已 处 理 的 数 据 可 以 被 保 存 以 备 后 用 ^ ?系 统 可 以同时处理多台气相色谱仪的数据。 因为许多化合物可能在同一时间(或几乎同一时间)流出色谱 柱,因此仅 仅依靠气相色谱本身是不能对一个完全未知的化合物 进行定性的。 然而,当问题被加以限定时,气相色谱将变成一个强有力的工具。 可以通 过比较气相色谱图以确定样品是否相同。例如,油轮里的原 油样品可以和海上 浮油比较以确定油轮是否应对原油的泄漏负责。 对于排除可疑性是很有用的。 如 果 您 从 先 前 的 实 验 中 知 道 异 辛 烷 在 1.9 分 钟 出 峰 , 那 么 一 个 在 1.5 分 钟 出 的 峰 一 定 不 会 是 异 辛 烷 。 那 么 它 是 什 么 呢 ? 幸运的是,您不必要考虑所有的有机化合物。样品信息限定了可 能的化合 物。例如,您不会期望在止痛药中找到链霉素。 当 一 个 未 知 的 峰 被 初 步 确 定 后 ,还 必 须 在 别 的 不 同 性 质 的 色 谱 柱 上 重 现 以 得到确认。如果一个化合物在基于沸点分离的柱(甲基 硅氧烷)和极性柱(聚 乙二醇)上有正确的保留时间,此定性很 可能就是正确的。 在 处 理 已 知 样 品 组 分 并 且 要 求 定 量 时 是 特 别 有 用 的 。 GC 通 常 也 用 来 监 测 杂质组分的存在(作为额外峰)。 组分定性 最 后 .GC 可 以 和 质 谱 或 其 他 选 择 性 检 测 器 联 用 以 提 供 明 确 鉴 定 未 知 组 分 所 需的辅助数据。组分定量 未校准计算 当 载 气 通 过 检 测 器 时 将 会 产 生 信 号 。 如 果 没 有 样 品 组 分 存 在 .所 产 生 的 信 号是基线。当有组分出现时,信号将会增强。 当 组 分 通 过 时 .信 号 和 其 投 影 的 基 线 所 围 面 积 是 峰 面 积 。 从 色 谱 峰 顶 到 投 影的基线的最大垂直距离是峰高。 积分伩或数据处理系统负责处理绘制基线和测量峰面积和峰高这 项困难 的 任 务 。 其 结 果 就 是 测 量 的 响 应 值 (MR) 。 峰面积与峰高百分比法 在一次进样分析过程中每一个色谱峰所占总的峰面积或峰高的百 分比。 假 设 检 测 器 对 所 有 组 分 都 有 相 同 的 响 应 。 计 算 公 式 见 公 式 1。 第 n 个 峰 含 量 第 n 个 峰 的 MR/_ 次 进 样 的 所 有 MR 的 和 优点: 快 速 , 因 为 不 需 要 进 行 校 准 。 ?进 样 量 在 一 定 范 围 内 变 化 不 影 响 结 果 。 缺点: 所有组分的色谱峰必须能够检测到。 任 何 没 有 被 检 测 到 或 有 没 流 出 色 谱 柱 的 峰 都 会 减 少 MR 的 总 和 。 这 会 造 成 所 有 被 测 物 质 含 量 值 偏 高 。如 果 组 分 的 响 应 因 子 不 同 ,未 校 准 计 算 的 结 果 是 不 准 确的。这会 造成早流出的峰的测得含量偏高。 适用范围 为 建 立 校 准 表 而 列 出 响 应 信 号 和 保 留 时 间 。 ?要 进 行 快 速 分 析 , 与 设 定 的 极 限 值 比 较 , 结 果 重 现 。 ?用 于 过 程 监 测 , 产 品 检 验 测 试 等 。 ?不 能 用 于 对 绝 对准确度要求高的分析。校准计算 如 果 峰 面 积 和 峰 高 百 分 比 定 量 不 能 满 足 需 要 ,就 要 用 标 准 样 品 分 析 所 得 数 据进行校准计算,以建立单个色谱峰的定量校准曲线。 最 简 单 的 校 准 是 响 应 因 子 ,它 是 通 过 已 知 组 分 的 含 量 除 以 相 应 峰 的 大 小 来 计算的。 用图表示,响应因子是组分含量对色谱峰大小曲线的斜率,如 图邸所示。 色谱峰大小 图 25 响 应 因 子 响应因子可通过分析一个含有所有欲校准组分的标准混合溶液来 进行测 定。 但 是 ,响 应 因 子 方 法 有 两 个 假 设 的 前 提 条 件 : ? 含 量 / 峰 面 积( 峰 高 )曲 线 经 过 原 点 。 ?含 量 /峰 面 积 ( 峰 高 ) 曲 线 是 直 线 。 对 于 一 个 可 靠 的 校 准 ,两 个 前 提 条 件 都 必 须 通 过 实 验 来 加 以 证 明 如 果 曲 线 确实是一条直线且确实通过原点,则响应因子是有效的 在 图 25 中 , 响 应 因 子 可 用 于 色 谱 峰 A 和 B , 但 不 适 用 于 色 谱 峰 C 。 两 种 形式的定量校正用公式 2 和公式 3 来表示。 对于色谱峰 A 和 峰 的 CR 值 = 峰 旳 MR 值 X 色 谱 峰 响 应 因 子 ⑵ 对于色谱峰 峰 的 CR 值 = 色 谱 峰 MR 值 旳 〈 响 应 曲 线 量 〉 ⑶ 色谱峰 C 只有用整个校准曲线进行校正。 手动进行这样的处理是 很费时的, 但是用数据处理系统就很容易做到了。归一化法 归一化百分比法与面积和峰高百分比法类似, 但是要用校正的响 应值 ( CR) 代替测量的响应值,如公式 4 所示。 第 n 个色谱峰含量 第 n 个 色 谱 峰 的 CR 值 / 所 有 峰 的 CR 之 和 ]X 100 ⑷ 此 计 算 方 法 可 对 组 分 灵 敏 度 差 异 进 行 校 正 ,这 对 流 出 早 的 色 谱 峰 的 计 算 结 果更加准确。 进样量在一定范围内变化不影响结果。 缺点: 此方法必须经过校准。 所 有 的 峰 都 必 须 能 被 检 测 。任 何 没 有 被 检 测 到 或 有 没 流 出 色 谱 柱 的 峰 都 会 减 少 CR 的 总 和 。 这 会 造 成 所 有 被 测 物 质 含 量 值 偏 高 。 所有的峰都必须被鉴定和校准,以求达到最高的准确度。未知 的(故未校 准)峰将会降低校准的绝对准确度。 适用范围 如果没有高沸点化合物存在,就可给出非常准确的结果。 外标法 外 标 法 最 大 的 优 点 是 只 对 目 标 化 合 物 的 色 谱 峰 进 行 校 准 即 可 。其 计 算 非 常 简 便 ; 见 公 式 5。 第 n 个 色 谱 峰 含 量 = 第 n 个 色 谱 峰 的 CR 值 ( 优点: 只 需 对 目 标 化 合 物 进 行 校 准 。 ?只 需 目 标 化 合 物 流 出 色 谱 柱 并 被 检 测 即 可 。 ?每 一 个 校 准 的 峰 都 是 独 立 进 行 计 算 的 。 缺点: 必须对目标化合物进行校准。 外 标 法 假 定 仪 器 漂 移 是 可 以 忽 略 的 。必 须 定 期 用 已 知 测 试 样 进 行 测 试 以 确 证这一点。 因为外标法是绝对计算而非相对计算,因此恒定的进样量是至 关重要的。 用手动进样很难保证这一点。实际上,气体或液体 进样阀,或自动液体进样器 是必须的。 适用范围 使 用 进 样 阀 进 行 气 体 分 析 。 随 着 仪 器 稳 定 性 能 的 提 高 .借 助 于 自 动 进 样 装 置 保 证 恒 定 的 进 样 量 ,外 标 法 已 经 取 代 了 许 多 过 去 要 求 用 内 标 法 来 测 定 的 分 析 工作。 内标法 内标法对每一个色谱峰提供独立的计算。它同时还对进样量的波 动、仪器 漂移和其他影响因素进行校正。 虽 然 随 着 现 代 仪 器 的 发 展 外 标 法 有 很 大 的 改 进 ,但 是 内 标 法 仍 被 认 为 是 最 准确的色谱定量方法。 内 标 法 的 基 本 计 算 公 式 见 公 式 6。 第 n 个峰的含量 第 n 个 峰 的 CR 值 / 内 标 峰 的 CR 值 I X 内 标 峰 旳 含 量 内标、峰的含量是在分析之前加在待测样品中的已知内标化合物 的含量。 这通常被认为是最为准确的定量方法。 只需对目标化合物进行校准。 只需目标化合物流出色谱柱并能够检测到》 ? 每 一 个 校 准 峰 是 独 立 计 算 的 。 ?进 样 量 微 小 的 变 化 不 影 响 测 定 结 果 。 ?微 小 的 仪器漂移不影响测定结果。 缺点: 必 须 对 目 标 峰 进 行 校 准 。 ?每 个 样 品 中 必 须 加 入 已 知 量 的 内 标 化 合 物 。 适用范围 要求高准确度的液体样品分析。 注释 内标一词有两个稍有区别的含义 外 标 法 原 本 是 为 了 补 偿 手 动 进 样 所 引 起 的 进 样 量 误 差 而 开 发 的 。为 了 达 到 此目的,内标化合物在样品前处理(萃取、蒸 馏,等等)完成后加到将要进样 的样品中去。对内标物的主要 要求是样品中不含有该物质,同时内标化合物能 够产生与样品 组分完全分离的、 峰形很好的色谱峰。 内标物不必和样品组分 的 化学性质相似。 在 许 多 生 化 分 析 和 相 关 的 应 用 中 ,内 标 化 合 物 是 在 样 品 处 理 之 前 加 入 到 原 始样品中去。在这种情况下,内标化合物的化学性 质必须和样品相似,以保证 前处理步骤对内标物和样品组分有 相同的影响。此时,内标物用来对两种不同 的因素进行较正: 在预处理过程中样品回收量的误差和进样时样品量的误差。 用 单一内标物是不可能实现这两个目的的。通过精确控制样品预 处理过程和 用实验来证明回收率是高度重现的,那么误差可以 减少至可接受的程度。