1、安捷伦气相色谱仪Agilent Technologies气相色谱基本原理声明安捷伦科技公司版权所有2002根据美国联邦政府和国际著作权的有关法律未经安捷伦公司许可和书面授权不得对本书的任何部分以任何形式或手段进行复制包括电子版储存和检索或翻译成外文手册部件号G1176-97000版本说明2002年5月第1版美国印刷安捷伦科技公司2850 Centerville Road Wilmington, Delaware 19808-1610 USA2气相色谱基本原理内容提要123气相色谱基本原理的含量5图谱解析最后一章讨论怎样对色谱峰进行鉴定和如何定量测定每一个组分4本书所提供的信息将有助于您有效地使
2、用气相色谱仪(GC)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进样方式本章介绍气相色谱最常用的几种进样方式组分分离样品经过色谱柱而被分离成单个组分本章将告诉你如何进行分离和怎样使用色谱柱组分检测本章将介绍三种常用的气相色谱检测器34气相色谱基本原理目录1什么是气相色谱进样口温度25气体样品25液体样品25气相色谱基本原理3组分分离进样口18填充柱进样口18分流/不分流进样口19注射进样技术22自动进样的优点23进样阀24气体进样阀24液体进样阀242进样方式基于时间的差别进行分离10系统11气源12进样口12色谱柱14检测器14数据处理15仪器控制155色谱柱如何对化合物进
3、行分离28色谱基本原理2965谱图解析工作原理40火焰离子化检测器(FID) 42工作原理42电子捕获检测器(ECD) 43工作原理43色谱峰测量47保留时间47色谱峰大小47积分仪和数据系统48组分定性49组分定量504组分检测热导检测器(TCD) 40柱选择性34用毛细管柱还是填充柱35柱温36柱箱恒温36程序控温37载气控制33柱分离度33色谱柱类型30毛细管柱30填充柱30色谱柱管材31色谱柱特性32柱效32气相色谱基本原理未校准计算50气相色谱基本原理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5678气相色谱基本原理安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理1什么是气相色
4、谱基于时间的差别进行分离10系统11气源12进样口12色谱柱14检测器14数据处理15仪器控制15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9Agilent Technologies1什么是气相色谱基于时间的差别进行分离10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
5、峰的大小峰高或峰面积则是组分含量大小的度量图1典型色谱图气相色谱基本原理什么是气相色谱1气相色谱基本原理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图2色谱系统样品载气源 进样口色谱柱检测器数据处理111什么是气相色谱气源进样口12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图3载气源钢瓶氧气捕集阱水分捕集
6、阱烃类捕集阱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3钢瓶阀两级减压阀开关阀气相色谱基本原理什么是气相色谱1气相色谱基本原理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 进样阀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所示图4注射进样口图5进样阀注射器来自载气源针尖通向色谱柱隔垫置于进样位置样品入口定量管样品出口来自载气源进入色谱柱停止13141
7、什么是气相色谱色谱柱检测器图7检测器色谱图色谱柱检测器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7图6色谱柱与柱箱色谱柱柱箱控温的柱箱内见图6 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气相色谱基本原理什么是气相色谱1气相色谱基本原理数据处理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
8、自动化分析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
9、检测器时产生不同的信号15161什么是气相色谱气相色谱基本原理安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理2进样方式进样口18填充柱进样口18分流/不分流进样口19注射进样技术22自动进样的优点23进样阀24气体进样阀24液体进样阀24进样口温度25气体样品25液体样品25一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17Agilent Technologies2进样方式进样口填充柱进样口18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
10、而后载气将气化的样品带入色谱柱图 8填充柱进样口接色谱柱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隔垫吹扫进样口流量控制阀隔垫螺母和隔垫气控制气相色谱基本原理进样方式2分流/不分流进样口气相色谱基本原理分流/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
11、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 图 9分流模式进样口流量控制隔垫螺母和隔垫隔垫吹扫气控制衬管分流阀分流出口控制开19202进样方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
12、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气相色谱基本原理进样方式2气相色谱基本原理图10 所示为不分流模式进样的流路2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图 10不分流模式进样进样口流量控制阀隔垫螺母和隔垫隔垫吹扫g3气控制衬管分流阀关分流出口控制21222进样方式参数设置初始值注射进样技术
13、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10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1在加热的进样口中使样品和溶剂挥发2采用较低的柱温在柱头产生一个溶剂饱和区带3利用此区带使样品在柱头进行富集和重组4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
14、残留的样品气体5升高柱温先将溶剂然后将样品从柱头释放气相色谱基本原理进样方式2气相色谱基本原理自动进样的优点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1将样品充入注射器调节进样量2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3快速压下注射器推杆4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
15、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器是解决进样问题的一个方法它们能够实现高度重复232进样方式进样阀气体进样阀液体进样阀24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图 11气体进样阀样品入口样品放空定量管上样注射进样载气入口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11所示为一种常用的进样机理 接色谱柱气相色谱基本
16、原理进样方式2进样口温度气体样品液体样品气相色谱基本原理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100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高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
17、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25262进样方式气相色谱基本原理安捷伦气相色谱仪气相色谱基本原理3组分分离色谱柱如何对化合物进行分离28色谱基本原理29色谱柱类型30毛细管柱30填充柱30色谱柱管材31色谱柱特性32柱效32载气控制33柱分离度33柱选择性34用毛细管柱还是填充柱35柱温36柱箱恒温36程序控温37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27Agilent Technologies3组分分离色谱柱如何对化合
18、物进行分离28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12 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13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(如图14)图 12未经涂层的色谱柱图 13几分钟后图 14 涂层色谱柱载气流载气流气相色谱基本原理组分分离3气相色谱基本原理色谱基本原理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当气化的组分与气相和固定
19、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见图15图 15几秒钟以后293组
20、分分离色谱柱类型毛细管柱填充柱30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图 16毛细管柱内壁涂层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气相色谱基本原理
