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关于气相色谱你应该知道的知识!!!

福立仪器
2019.7.26
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气相色谱分析是借助于气相色谱仪来实现,在使用气相色谱仪中我们会遇到很多的专业术语以及一些常见故障,今天就来给大家分享一下我们常用的气相色谱专业术语和常见故障的排除方法。

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基本概念和基本操作


01

气相色谱法的常用术语

1、相、固定相和流动相:

一个体系中的某一均匀部分称为相;在色谱分离过程中,固定不动的一相称为固定相;通过或沿着固定相移动的流体称为流动相。

2、色谱峰:

物质通过色谱柱进到鉴定器后,记录器上出现的一个个曲线称为色谱峰。

3、基线:

在色谱操作条件下,没有被测组分通过鉴定器时,记录器所记录的检测器噪声随时间变化图线称为基线。

4、峰高与半峰宽:

由色谱峰的浓度极大点向时间座标引垂线与基线相交点间的高度称为峰高,一般以h表示。色谱峰高一半处的宽为半峰宽,一般以x1/2表示。

5、峰面积:

流出曲线(色谱峰)与基线构成之面积称峰面积,用A表示。

6、死时间、保留时间:

从进样到惰性气体峰出现极大值的时间称为死时间,以td表示。从进样到出现色谱峰最高值所需的时间称保留时间,以tr表示。

7、死体积,保留体积:

死时间与载气平均流速的乘积称为死体积,以Vd表示,载气平均流速以Fc表示,Vd=tdxFc。保留时间与载气平均流速的乘积称保留体积,以Vr表示,Vr=trxFc

8、保留值与相对保留值:

保留值是表示试样中各组分在色谱柱中的停留时间的数值,通常用时间或用将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。以一种物质作为标准,而求出其他物质的保留值对此标准物的比值,称为相对保留值。

9、仪器噪音:

基线的不稳定程度称噪音。

10、基流:

氢焰色谱,在没有进样时,仪器本身存在的基始电流(底电流),简称基流。


02

载气选择依据及常用载气

作为气相色谱载气的气体,要求要化学稳定性好、纯度高、价格便宜并易取得、能适合于所用的检测器。


常用的载气有氢气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳气等等。


03

载气应如何净化?

所谓净化,就是除去载气中的一些有机物、微量氧,水分等杂质,以提高载气的纯度。


不纯净的气体作载气,可导致柱失效,样品变化,氢焰色谱可导致基流噪音增大,热导色谱可导致鉴定器线性变劣等,所以载气必须经过净化。


一般均采用化学处理的方法除氧,如用活性铜除氧;采用分子筛、活性碳等吸附剂除有机杂质;采用矽胶,分子筛等吸附剂除水分。


04

试样的进样方法

色谱分离要求在最短的时间内,以“塞子”形式打进一定量的试样,进样方法可分为:

1.气体试样:(大致进样方法有四种)

(1)注射器进样

(2)量管进样

(3)定体积进样

(4)气体自动进样。

一般常用注射器进样及气体自动进样。注射器进样的优点是使用灵活,方法简便,但进样量重复性较差。气体自动进样是用定量阀进样,重复性好,且可自动操作。


2.液体试样:

一般用微量注射器进样,方法简便,进样迅速。也可采用定量自动进样,此法进行重复性良好。


3.固体试样:

通常用溶剂将试样溶解,然后采用和液体进样同样方法进样。也有用固体进样器进样的。


05

实验操作条件对结果的影响

1、柱长,柱内径:

一般讲,柱管增长,可改善分离能力,短则组分馏出的快些;

柱内径小分离效果好,柱内径大处理量大,但柱内径过大,将导致担体不能均匀地分布在色谱柱中。


2、柱温:

是一个重要的操作变数,直接影响分离效能和分析速度。选择柱温的根据是混合物的沸点范围,固定液的配比和鉴定器的灵敏度。提高柱温可缩短分析时间;

降低柱温可使色谱柱选择性增大,有利于组分的分离和色谱柱稳定性提高,柱寿命延长。

一般采用等于或高于数十度于样品的平均沸点的柱温为较合适,对易挥发样用低柱温,不易挥发的样品采用高柱温。


3、载气流速:

载气流速是决定色谱分离的重要原因之一。一般讲流速高色谱峰狭,反之则宽些,但流速过高或过低对分离都有不利的影响。


4、固定相:

固定相是由固体吸附剂或涂有固定液的担体构成。

当用同等长度的柱子,颗粒细的分离效率就要比粗的好些。

固定液含量对分离效率的影响很大,它与担体的重量比一般用15%-25%。比例过大有损于分离,比例过小会使色谱峰拖尾。


5、进样:

一般讲进样快,进样量小,进样温度高其分离效果好。对进液体样,速度要快,汽化温度要高于样品中高沸点组分的沸点值,一次汽化,保证色谱峰形不致展宽、使柱效高。当进样量在一定限度时,色谱峰的半峰宽是不变的。若进样量过多就会造成色谱柱超载。


一般讲柱长增加四倍,样品的许可量增加一倍。


06

担体要求

担体是一种多孔性化学惰性固体,在气相色谱中用来支撑固定液。对担体有如下几点要求:

1、表面积较大;

2、具有化学惰性和热稳定性;

3、有一定的机械强度,使涂渍和填充过程不引起粉碎;

4、有适当的孔隙结构,利于两相间快速传质;

5、能制成均匀的球状颗粒,利于气相渗透和填充均匀性好;

6、有很好的浸润性,便于固定液的均匀分布。

*完全满足上述要求的担体是困难的,人们在实践中只能找出性能比较优良的担体。


07

担体分类及其特点

通常分为硅藻土非硅藻土两大类,每一类又有种种小类。

1、硅藻土类型:

(1)白色的:表面积小,疏松,质脆,吸附性能小,经适当处理,可分析强极性组分;

(2)红色的:有较大的表面积和较好的机械强度,但吸附性较大。


2、非硅藻土类型:

(1)氟担体:表面惰性好,可用来分析高极性和腐蚀性物质,但装柱不易,柱效率低些。

(2)玻璃微球:表面积小,用它做担体柱温可以大大降低,而分离完全且快速。但涂渍困难,柱效低。

(3)多孔性高聚物小球:机械强度高,热稳定性好,吸附性低,耐腐蚀,分离效率高,是一种性能优良的新型色谱固定相。

(4)炭分子筛:中性,表面积大,强度高,祛寿命长,在微量分析上有无比的优越性。

(5)活性炭:可以单独做为固定相。

(6)沙:主要用于分离金属。


08

常用担体选择

各种担体,名目繁多。在常用硅藻土担体中:

1、红色担体(如6201、201),可用于非极性或弱极性物质的分离。

2、白色担体(如101)可用于极性物质或碱性物质。

3、釉化红色担体(如301)可用于中等极性物质。

4、硅烷化白色担体可用于强极性氢键型物质如废水测定。

5、分离酸性物质,如酚类,要用酸洗处理的担体。

6、分离碱性物质,如乙醇胺,要用碱洗处理的担体。

有些特殊的情况下要用特殊的担体,如氟担体分离异氰酸酯类


但是在普通的常量分析中,对担体可以不必过份讲究,甚至如耐火砖粉粒,玻璃珠砂和海沙也可以使用。



09

固体固定相分类

指直接装填到色谱柱中作为固定相的具有活性的多孔性固体物质。固体固定相大体可分为三类:

1、吸附剂。如:分子筛、硅胶、活性炭、氧化铝等;

2、高分子聚合物。如国内的GDX型高分子多孔微球,国外Porapak系列等;

3、化学键合固定相。在气相色谱中,通常是将固定液涂敷在载体表面上。

*采用化学键合固定相分析极性或非极性物质通常都能够得到对称峰,柱效很高,固定相的热稳定性也有所改善。


10

对固定液的要求

固定液一般是一种高沸点的有机物的液膜,通过对不同组份的不同分子间的作用,使组份在色谱柱中得到分离。


对气相色谱用的固定液,一般有如下几点要求:

1、在操作温度下蒸气压低,热稳定性好,与被分析物理或载气不产生不可逆反应;

2、在操作温度下呈液态,而且粘度愈低愈好。物质在高粘度的固定液中传质速度慢,柱效率因而降低。这决定固定液的最低使用温度;

3、能牢固地附着在载体上,并形成均匀和结构稳定的薄层;

4、被分离的物质必须在其中有一定的溶解度,不然就会很快地被载气带走而不能在两相之间进行分配;

5、对沸点相近而类型不同的物质有分离能力,即保留一种类型化合物的能力大于另一种类型。这种分离能力即是固定液的选择性。


11

固定液选择原则

根据被分离组分和固定液分子间的相互作用关系,固定液的选择一般根据所谓的“相似性原则”。

即固定液的性质与被分离组分之间的某些相似性,如官能团、化学键、极性、某些化学性质等,性质相似时,两种分子间的作用力就强,被分离组分在固定液中的溶解度就大,分配系数大,因而保留时间就长;反之溶解度小,分配系数小,因而能很快流出色谱柱。


下面就不同情况进行讨论:

1、分离极性化合物,采用极性固定液

这时样品各组分与固定液分子间作用力主要是定向力和诱导力,各组分出峰次序按极性顺序,极性小的先出峰,极性越大,出峰越慢。


2、分离非极性化合物,应用非极性固定液

样品各组分与固定液分子间作用力是色散力,没有特殊选择性,这时各组分按沸点顺序出峰,沸点低的先出峰。对于沸点相近的异构物的分离,效率很低。


3、分离非极性和极性化合物的混合物时,

可用极性固定液,这时非极性组分先馏出,固定液极性越强,非极性组分越易流出。


4、对于能形成氢键的样品。

如醇、酚、胺和水的分离,一般选择极性或氢键型的固定液,这时依组分和固定液分子间形成氢键能力大小进行分离。

“相似相容性原则”是选择固定液的一般原则。


有时利用现有的固定液不能达到满意的分离结果时,往往采用“混合固定液”,应用两种或两种以上性质各不相同的,按适合比例混合的固定液,使分离有比较满意的选择性,又不致使分析时间延长。


12

色谱柱失效原因

色谱柱失效主要表现为色谱分离不好和组分保留时间显著变短。


色谱柱失效的主要原因是:

对气固色谱来说是固定相的活性或吸附性能降低了,对气液色谱来说,是使用过程中固定液逐渐流失所致。


13

毛细管柱的老化操作

老化的目的:

气相色谱柱的固定相通常是以涂覆的形式分布在柱管管壁内侧(毛细管柱)或载体表面(填充柱)上的。


对于一根新的气相色谱柱,外层固定相与载体的结合往往较弱,在高温下使用会缓慢流失,造成基线起伏和噪声升高,为了避免这一现象发生,可以预先在较高温度下(一般为色谱柱的耐受温度)加热一段时间,使结合较弱的固定相挥发出去,从而使后面的分析不受干扰。


此外,对使用时间较长的气相色谱柱可进行老化操作,可以除去色谱柱中残留的污染物。

1、将色谱柱柱温升至一恒定温度,通常为其温度上限。

特殊情况下,可加热至高于操作温度10-20℃左右,但是一定不能超过色谱柱的温度上限,那样极易损坏色谱柱,此外不要将程序升温的速度设定的太慢。


2、当达到老化温度后,记录并观察基线。

比例放大基线,以便容易观察。初始阶段,基线应持续上升,在到达老化温度后5-10 分钟开始下降,并且会持续30-90 分钟。当达到一个固定的值后,基线就会稳定下来。如果在2-3 小时后基线仍无法稳定或在15-20 分钟后仍无明显的下降趋势,那么有可能系统装置有泄漏或污染。


3、遇到这样的情况,应立即将柱温降至40℃以下,尽快地检查系统并解决相相关的问题。如果还是继续地老化,不仅对色谱柱有损害,而且始终得不到正常稳定的基线。另外,老化的时间也不宜过长,不然会降低色谱柱的使用寿命。

一般来说,涂有极性固定相和较厚涂层的色谱柱老化时间较长,而弱极性固定相和较薄涂层的色谱柱所需时间较短。而PLOT 色谱柱的老化方法又各不相同,具体步骤请参阅随柱子的操作说明书。


如果在色谱柱没有与检测器连接就进行老化,那么老化后,谱柱末端部分可能已被破坏。需要进行如下操作:

1、把柱末端10-20cm 部分截去

2、将色谱柱连接到检测器上

温度限定是指色谱柱能够正常使用的应用温度范围。如果操作温度低于色谱柱的温度下限,那么分离效果和峰形都不会很理想。但这样对色谱柱本身并无什么损害。


温度上限通常有两个数值。数值较低的是恒温极限。


在此温度下,色谱柱可以正常使用,而且无具体的持续时间限制。较高的数值是程序升温的升温极限。该温度的持续时间通常不多于十分钟。高于温度上限的操作则会降低色谱柱的使用寿命。



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气相色谱仪故障的检查


通常气相色谱仪故障的检查,采用排除法。现从气相色谱仪的六个单元入手,详细介绍常见故障的检查方法。

1.气路

气路的检查在故障的排除中往往十分有效,主要检查:

(1)气源是否充足(一般要求钢瓶压力必须不小于2MPa,以防瓶底残留物对气路的污染);

(2)气路是否有泄漏(采用分段憋压试漏或用皂液试漏);

(3)净化器是否失效(观察净化剂的颜色及色谱基流稳定情况);

(4)阀件是否失效或堵塞(观察压力表及阀出口流量);

(5)气化室内衬管是否有样品残留物及隔垫和密封圈的颗粒物(观察色谱基流稳定情况);

(6)喷嘴是否堵塞(观察点火是否正常);

(7)对敏感化合物的分析,汽化室的衬管和石英玻璃毛必须经过失活处理。

2.色谱柱系统

色谱柱是分析的心脏部分,往往色谱图上的许多问题都与色谱柱系统密切相关,为此必须按以下步骤检查系统:

(1)色谱柱的连接是否正确;

(2)色谱柱的柱容量与进样量是否匹配;

(3)色谱柱固定液是否流失;

(4)分流比选择是否正确。

如何正确操作在以上其他各节中都已说明。

3.各系统的加热控制

各系统加热控制的检查更多属于仪器上的问题,检查各系统的加热控制是否正常,有问题先看加热元件和测温元件是否正常,然后检查温控板。常见故障为加热元件和测温元件出问题,可以更换相应元件;检查温控板是否有问题,可以采用更换温控板后重新测试的办法。

4.放大器

正常情况为放大器输出与采集系统已经连接好,检查放大器时可先将放大器输入端与检测器断开,此时开放大器,采集系统反映出来是基线跳到一个新水平,此时基线应平稳为一直线,且基流高低与放大器衰减和增益都成正比,极性倒向时基线有很大跳跃,调零功能也应正常反映到基流上,否则放大系统就有问题需检修。若基线抖动噪声大,可能是放大器受潮,输入极绝缘性能下降所致,可以将放大器的绝缘盒打开,用红外灯烘烤,或将放大器放入干燥器中1~2天。

5.检测器

将色谱柱、检测器、放大器与采集系统都连接好,通载气并启动检测器(FID升温后点火,TCD加工作电流),则采集系统反映出来的是基流跳到一个新的水平。改变工作电流或氢气流量基流都会明显改变,这说明检测器信号已经到达采集系统,在汽化室和柱温维持常温条件下,基流若平稳,则说明检测器没问题,若基线不满足要求,可能是检测器污染或检测器有问题,必须加以排除。在汽化室和柱箱升温条件下,若基线不满足要求,可能是汽化室内衬管或硅胶垫污染,也可能是色谱柱未老化好或色谱柱污染,必须逐一进行排除。

气相色谱仪中的不同检测器机理各不相同,为了保证检测器的正常运行,在使用时提出不同的注意事项。

6.采集系统

数据采集与处理系统目前多用计算机或微处理机,无论是工作站,微处理机还是记录器,可将其输入端短路,基线一定回零,而且平稳走直线,松开后基线跳到一个新水平,用手触输入端,基线明显跳跃,则为正常,如果无此现象,就是采集系统出现问题,必须找相关维修人员解决。


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常见故障原因分析及排除方法


一般检查故障的步骤是根据色谱图上的故障现象,找出可能导致这种故障的所有原因,再从其中找出主要原因,然后逐一检验。通过检验确认了引起故障的原因之后,就应当针对这种原因采取适当的措施来排除故障,使仪器恢复正常运转。

色谱图及色谱仪的常见故障原因分析及排除方法见


表1 基线噪声

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表2 基线抖动

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表3 基线不能调零

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