安捷伦气相色谱仪-气相色谱基本基本知识.pdf
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1、Agilent Technologies 安捷伦气相色谱仪安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理气相色谱基本原理 2 2气相色谱基本原理气相色谱基本原理 声明声明 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 手册部件号手册部件号 G1176-97000 版本说明版本说明 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 USA 气相色谱基本原理气相色谱基本
2、原理3 3 内容提要内容提要 本书所提供的信息将有助于您有效地使用气相色谱仪 (GC) 1 1什么是气相色谱什么是气相色谱 本章介绍气相色谱的功能和用途以及色谱仪的基本结构 2 2进样方式进样方式 本章介绍气相色谱最常用的几种进样方式 3 3组分分离组分分离 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 4 4组分检测组分检测 本章将介绍三种常用的气相色谱检测器 5 5图谱解析图谱解析 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 的含量 4 4气相色谱基本原理气相色谱基本原理 气相色谱基本原理气相色谱基本原理5 5 目录目录 1 1什么是气相色谱什么
3、是气相色谱 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 2 2进样方式进样方式 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 3 3组分分离组分分离 色谱柱如何对化合物进行分离28 色谱基本原理29 6气相色谱基本原理气相色谱基本原理 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
4、柱箱恒温36 程序控温37 4 4组分检测组分检测 热导检测器(TCD)40 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 5 5谱图解析谱图解析 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50 未校准计算50 气相色谱基本原理气相色谱基本原理7 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 8气相色谱基本原理气相色谱基本原理 9 9 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 Agilent Technologies 1 什么是
5、气相色谱什么是气相色谱 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 1010气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 基于时间的差别进行分离基于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
6、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 图图 1 1典型色谱图 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理1111 系统系统 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 图图 2 2色谱系统 样品 载气源 进样口色谱柱检测器数据处理 1212气相色谱基本原理 1什
7、么是气相色谱 气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 气源气源 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 3 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 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 图图 3 3载气源 钢瓶阀 两级减压阀 开关阀 钢瓶 水分捕集阱 烃类捕集阱 氧气捕集阱 钢瓶阀 两级减压阀 开关阀 钢瓶 水分捕集阱 烃类捕集阱 氧气捕集阱 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理 什么是气相色谱1
8、气相色谱基本原理1313 注射进样口注射进样口 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 图图 4 4注射进样口 图图 5 5进样阀 注射器 来自载气源 注射器 来自载气源 针尖 通向色谱柱 针尖 通向色谱柱 隔垫隔垫 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 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 1414气相
9、色谱基本原理 1什么是气相色谱 气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 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 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 检测器检测器 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 图图 6 6色谱柱与柱箱 色谱柱 柱箱 图 色谱柱 柱箱 图 7 7检测器 色谱柱检测器 色谱图 色谱柱检测器 色谱图 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理
10、 什么是气相色谱1 气相色谱基本原理1515 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 数据处理数据处理 测量测量 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
11、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 1616气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 气相色谱基本原理 1什么是气相色谱 1717 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 Agilent Technologies 2 进样方式进样方式 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
12、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 1818气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 进样口进样口 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 填充柱进样口是为填充
13、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 图图 8 8填充柱进样口 隔垫吹扫进样口流量 控制阀 隔垫螺母 和隔垫 隔垫吹扫进样口流量 控制阀 隔垫螺母 和隔垫 气控制 接色谱柱 气控制 接色谱柱 进样方式2 气相色谱基本原理 进样方式2 气相色谱基本原理1919 分流分流 / / 不分流进样口不分流进样口 分流 / 不分流进样用
14、毛细管柱有两种操作模式 分流模式分流模式 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 图图 9 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 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 开开 2020气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 分流阀开启
15、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 进样方式2 气相色谱基本原理 进样方式2 气相色谱基本原理2121 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
16、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 图图 10 10不分流模式进样 进样口流量 控制阀 隔垫螺母进样口流量 控制阀 隔垫螺母 和隔垫和隔垫 隔垫吹扫? 气控制 衬管 分流阀 隔垫吹扫? 气控制 衬管 分流阀 关关 分流出口分流出口 控制控制 2222气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 不分流模式进样步骤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
17、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 操作参数初始值设定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 注射进样技术注射进样技术 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 表表 1 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仪器参数建议初始值 柱温低于溶剂
18、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 进样方式2 气相色谱基本原理 进样方式2 气相色谱基本原理2323 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
19、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 2424气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 进样阀进样阀 气体进样阀气体进样阀 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 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 液体进样阀液体进样阀
20、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 图图 11 11气体进样阀 接色谱柱 载气入口 样品入口 样品放空 定量管上样 注射进样 接色谱柱 载气入口 样品入口 样品放空 定量管上样 注射进样 进样方式2 气相色谱基本原理 进样方式2 气相色谱基本原理2525 进样口温度进样口温度 气体样品气体样品 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 100 液体样品液体样品 液体样品要求加热进
21、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 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 2626气相色谱基本原理 2进样方式 气相色谱基本原理 2进样方式 2727 安捷伦气
22、相色谱仪 气相色谱基本原理 安捷伦气相色谱仪 气相色谱基本原理 Agilent Technologies 3 组分分离组分分离 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 2828气相色谱基本原理 3组分分离 气相色谱基本原理 3组分分离 色谱柱如
23、何对化合物进行分离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 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) 图图 12 12未经涂层的色谱柱 图图 13 13几分钟后 图图 14 14 涂层色谱柱 载气流载气流 载气流载气流 组分分离3 气相色谱基本原理 组分分离3 气相色谱基本原理2929 我们可
24、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 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
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