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气相色谱仪维修资料

 发布时间:2012-07-19 点击量:8065

 *章    气相色谱法  

     气相色谱法是以气体作为流动相对复杂样品进行分离、检测和定量的一种分析方法。它是近年来迅速发展起来的 分析技术,在不断丰富发展和提高过程中,已逐渐形成一个专门的学科——气相色谱学。由于该分析方法有分离效能高,分析速度快,样品用量少等特点,因此目前 已广泛的被用于石油化工、生物化学、医药卫生、卫生检疫、食品检疫、环境保护、劳动保护、食品发酵、临床等部门。气相色谱法在这些领域中解决了工业生产的 中间体和工业产品的质量检验、科学研究、公害检测、生产控制的分析问题。

 

1—1 气象色谱一般介绍

 

    气相色谱仪   气相色谱仪是以气相色谱法为基础而设计的仪器、气相色谱仪是以气相色谱住为分离基础,样品进入进样器后由载气传送,到达色谱柱得到分离,分离后样品由柱中溜出后到达检测器,并给出相应的电讯号,然后排空。气相色谱仪的系统方框示意图见图1—1

 

1—1 气相色谱仪的系统方框示意图

 

    在气相色谱中,分离是分析的前提,只有使样品组份能得到彼此分离才可能有正常的分析数据。 气相色谱中常用填充柱或毛细管柱对样品进行分离。用气体作为流动的传输气,称作流动相或称为载气。样品通过一定的方式导入色谱仪后,由载气把样品组份带进 色谱柱,色谱柱中填充物是涂渍了固定液的担体(称为固定相),由于固定液对不同的物质有不同的分子引力,使样品各组份在柱中与固定液分子间发生了相互作用 (主要有吸附、溶解、络合、离子交换……),于是使样品分子在载气和固定液之间进行分配,样品中各组份的物理化学性质不同,所以各自在二相间的分配的比也 不同,于是各组份在色谱中运动的速度也就不同,当经过一段距离后,各组份通过反复多次的分配,彼此间距离拉开,按先后次序从色谱柱后流出,从而获得分离。 样品组份分离示意图1—2.

 

1—2.样品组份在色谱柱中分离示意图。

 

    气相色谱仪流路原理示意图见图1—3 1—3单流路系统示意图

 

    被分析样品组份由进样器导入,由于进样器加热温度是样品的zui高沸点,使瞬时把液态的样品汽化为气态,他们在载气的携带下进入色谱柱,样品中的组份在注重哦 得到分离然后依次进入检测器。检测器将各组份的浓度变化讯号转换为电讯号(毫伏或毫安),由记录仪记录即可得到一张色谱分析图,示意图见1—4.

 

    1—4中纵坐标表示检测器所给出的讯号,横坐标为时间,所描绘的曲线称为色谱流出曲线。其中tR1tR2 tR3,分别是组份ABC的进样到的时间称作为保留时间,保留时间作为组份的定性数据,而ABC三色谱峰面积作为定量的依据。 由图1—3的流程可知,气象色谱仪载气流经的次序是:载气高压瓶减压阀净化器稳压阀柱前压力表刻度流量阀进样器色谱柱检测器放空。 1)高压瓶是载气的储存器,其内压力较高(灌满时zai 15Mpa左右),使用时需特别注意安全。切莫把出气口对准人或仪器,也不可把高压瓶靠近热源或受日晒,搬动时也要小心,应当轻拿轻放,勿在地上踢滚,勿 敲打撞击,以免发生爆炸,造成损失。有条件的实验室应把高压气瓶放到实验室外的通风条件比较好的小屋里,使用氢气瓶的实验室在室内禁止吸烟。

2)减压阀:主要起降低气压的作用,以便使用。所有减压阀必须与高压气瓶嘴紧密配合(注意:一般氢气减压阀与气瓶连接处有一尼龙密封垫圈,使用前必须用扳手上紧,国内减压阀密封螺母的六角扳手同一尺寸是30毫米),否则开启时会发生意外或漏气,使色谱仪器无法正常工作。

3)净化器:净化器系用一金属圆筒制成,内盛硅胶和分子筛,其作用是将钢瓶出来的载气中所带有的水分及杂质除 去。在使用高灵敏度检测器时,对载气的净化要求往往很高,这点必须注意。管内的硅胶和分子筛等物质,每隔一段时间后因吸附杂质太多而失效,就应当再活化才 能继续使用。

4)稳压阀:经过净化的载气进入色谱仪后,加了稳压阀,它的作用是使载气有一稳定压力输出(也有加稳流阀的,经过稳流阀使载气有一恒定的流速)。

 5)柱前压力表:习惯上气相色谱仪器有一个柱前压力表,通过柱前压力表可以了解色谱柱阻力情况,并能使用柱前压力表对载气流路系统探漏,检查流路的漏气。

6)刻度流量阀:该阀为机械刻度式,由上游稳压阀提供稳定的输入气压(出厂时调至约0.3Mpa)稳流阀的输出流量可以从相应的流量曲线查得。

 7)进样器:是把样品以一定方式导入的设备,进样器有气体、液体和固体进样器。

8)色谱柱:这是色谱仪器分离的心脏部分,色谱柱通常用玻璃、不锈钢等材料制作。内部填充有固定相(涂有固定液的 担体或吸附剂),色谱柱有U型柱或螺旋形柱。色谱柱种类有填充柱、毛细管柱等。填充柱内径在2—4毫米,长度在0.5~10米,而毛细管柱内径在 0.1~0.5毫米,柱长在10~200米。

9)检测器:其作用是将色谱柱分离后的物质浓度的变化转化为电信号,通过相应的电部件后由记录仪记录下来作为色谱分析的数据。

10)温度控制系统:由于进样器、色谱柱及检测器都必须要求在一定的温度下工作,所以气相色谱仪都有温度控制器, 色谱柱的温度对样品分离的影响较大,一般要求在恒温下进行分离,对宽沸程样品应当能进行程序升温操作,这样可以缩短分离时间,又能得到较好的分离效果。当 使用一般液体样品进样器时,其温度要根据柱温及样品的沸点来选择,使样品进入进样器后能瞬时汽化。

11)与检测器有关的电部件:热导池检测器有直流稳压电源或稳流电源供电,有的热导池检测器还配有前置放大器。氢 火焰离子化检测器,有正负极化电压和微电流放大器,电子捕获检测器有直流供电或脉冲供电和微电流放大器,有的电子捕获检测器有调频脉冲放大器。氮磷检测器 有直流低压电源供电和微电流放大器,火焰光度检测器有供光电倍增管工作的高压电源及微电流放大器,这里不作一一赘述。

 12)记录仪及数字积分仪:色谱用记录仪是一种电子电位差计,它能直观的记录色谱仪的工作状况及描绘色谱图。国内记录仪主要有大华仪表厂的XWC—100XWC—200XWT—100XWT—200LM14-Y(t)100LW’12—Y(t)200等。 色谱数据积分仪有模拟式数字积分仪和微处理机控的色谱数据系统,模拟式数字积分仪由于积分精度数据的完整性没有微处理机控制的色谱数据系统好,所以逐渐淘汰,近年来生命力zui强的是微处理机控制的数据台,该数据台能描绘出色谱图和以表格形式给出运算结果。

 

 

1—2 与气相色谱仪有关的概念

1)色谱柱:色谱工作者应当考虑色谱柱材料应不与样品起不良反应。不锈钢材料的色谱柱能承受较高的温度,且使用过 程中不易破裂,但对酸类、卤素等样品不锈钢柱管易与之反应,其中某些金属元素还具有催化作用,故在分离生化样品及某些农药残留物就会引起不良作用,因此分 析这些样品给人们多用玻璃管色谱柱。玻璃柱的优点是耐酸、碱,无催化作用,但易碎,所以使用玻璃柱前必须注意柱管不要碰撞。 色谱柱内径太粗则柱效明显下降,色谱柱太细则填充固定相就很困难,近年来应用在商品仪器上常用的色谱柱内径是Ф2~Ф3毫米,而柱长要根据被测样品及色谱柱的效能,常用的色谱柱长度是小于3米。

2)基线:通常为一水平直线,它表示只有载气通过检测器时,所得到的信号。它是检查色谱仪器工作正常与否的重要指标。 3)色谱峰:当载气中混有其他的物质一起通过检测器时,所得到的高于基线的峰形(信号——时间的曲线)。 4)载气:利用气体来输送样品流经色谱柱和检测器。常用的载气有氮、氢、氦、氩与甲烷的混合气。 5)载气速度:载气的质量流速,单位为毫升/分。 6)检测器:把柱末端溜出样品组份转换成电信号的设备。检测器能检测气体的某些物理性质的变化。 7)空气峰:与固定相无相互作用的峰(对多数检测器是空气)。 8)衰减器:电子线路的一部分,它决定放大了的检测信号传送到记录器的量值(也可以不改变电子线路的衰减而改变记录器的满量程毫伏值)。 9)拖尾峰:出峰时上升很快,而后缓慢回到基线的峰。 10)伸舌峰:出峰时上升很缓慢,而后能很快回到基线的峰。 11)怪峰:除被分析组份之外的色谱峰,这些峰出现与气相色谱仪结构,柱流失或系统污染及样品分解、沾污等有关。 12)流速:仪器中柱前流量计所读出的体积流速(Fco’,并不表示柱体积流速,需经算成指示体积流速Fo’ Fo’=Fco’?(1+P1) P1为柱前压,Fco’可以在柱出口或检测器出口用皂沫流量计来测定,Fo’系近似方法计算的柱体积流速,由于载气流经高温的色谱柱和热导池检测器,必须把计算后的柱体积流速(Fo’)经温度校正,常用的温度校正公式如下:

 

          273+TTCD Fo=Fo’?  ————          273+TA

 

式中,TTCD系热导池检测器温度,TA为环境温度。

 13)死时间:惰性物质(空气)通过色谱柱所需要的时间,即从进样开始至惰性物质峰zui高点所需的时间,用t0表示。

14)平均线速(ū):平均线速是柱长(L)除以惰性气体物质流经色谱柱所需要的时间(tO)即: ū=L/ tO 厘米/

15)保留时间(tR):样品通过色谱柱所需的时间,即从进样开始到样品通过色谱柱所需要的时间,即从进样开始到样品峰zui高点所需的时间。

 16)保留体积(VR):保留时间(分)和流速(毫升/分)的乘积。单位是毫升。

17)校正保留时间(tR):保留时间(tR)减去死时间(t0)。

18)校正保留体积(VR):保留体积(VR)减去死体积(VO)。

19)死体积:死时间(tO)和流速(毫升/分)的乘积。

20)分配系数(K):载气携带样品进入色谱柱时,在气相中的溶质分子就要溶解到固定液中去,随着固定液中溶质的 增加,从固定液挥发到气相中的溶质也逐渐增加,zui后达到动态平衡,这种物质在气液两相之间发生的溶解和挥发的过程,称为分配过程,平衡时气液两相中溶质的 浓度的定义为分配系数(K

      固定相中溶质的浓度(CS

K= ————————————

    固定相中溶质的浓度(CT

    固定相中溶质的浓度(CT (21)拖尾因子的计算:正常的色谱峰应当是对称峰,在数学上称为正太分布函数曲线,如果仪器有超线性将可能出现色谱峰的不对称,对不对称峰的计算可以用拖尾因子的表达来计算,见图1—5

 

10%峰高处量基线,分别测量前后两半宽度,前半宽度和后半宽度之比,即为拖尾因子。

22)峰的容量因子(K):又称分配比、容量比。是衡量色谱柱对被分离组份保留能力的重要参数。定义为刺组份在固定相和流动相中分配量(重量、体积或克分子)之比,用:

    校正保留时间tR

K= ———————

    死时间tO

  死时间tO K值大者,在柱内保留强,反之保留弱。

23)相对保留值:某组份的1保留值与另一组份2的保留值之比称相对保留值或溶剂效率。相对保留值用二组份校正保留时间,校正保留体积比值来计算。 r=VR2’/VR1’=tR2’/tR1 对保留值的优点是:只要柱温、固定相性质不变,即使柱径、柱长、柱填情况及流动相流速有所变化,相对保留值也即溶剂效率仍保持不变(示意图1—6)。

24)分离因子:指二组份未经校正保留值(VRtR)的比值以Sf表示: Sf=VR2/VR1=tR2/tR1 分离因子是评价色谱柱选择性的一种指标,由物质对所给定固定相中的热力学性质决定,与柱温有很大关系,在保留体积V、死体积VM时,分离因子与溶剂效率即相对保留值相一致。

 

1—3 理论概要

1)分离度(R):色谱分析中总是要求把样品中的各组份加以一一分离。在多组份样品中经常会遇到二个或更多组份相 互交叠在一块,说明色谱峰扩张影响分离度。两个相邻的实际分离度,用R来度量,分离度R既是柱效率又是溶剂效率的量度,它取决于峰的宽度和两峰峰顶之间的 间隔。

分离度表示见图1—6

分离度及其定义是:相邻两峰之间的差距之差被除以两峰宽的平均值。     2tR1-tR2 R= —————     W1+W2    tR2-tR1:两色谱峰顶间的距离 1/2W1+W2)色谱峰峰底宽总和的一半。 W1W2分别是二色谱峰的峰底宽度。 由上式可以看出: R=0时,二峰重合。 R=1时,实际仍有交锋。 R=1.5时,两个色谱峰*分开。 R1时,两个色谱峰有明显的交叠。

对于分离度还可以用图1—7多给的分离示意图表示:     2tR             tR R=———— ≈———— W1+W2       W2 由图所示分离度是峰宽和峰之间距离的函数。 2)塔片理论:典型的色谱峰见图1—8

 

a)理论塔板数(n):描述样品在色谱柱中分配行为的半径验理论——“塔板理论,把色谱柱比拟为一个分馏塔的模式,并引入理论塔板数作为描述色谱柱效能的一个指标,用n表示,n值越大则柱效率越高,n可以用下述表达式计算:

n=16?tR/W2n=5.54tR/2t1/22 式中tR是被测样品的保留时间,W是峰底宽,从峰的两侧转折点做的切线与基线相交点之间的截距。 2t1/2是半峰宽度,tR2t1/2W三者均需以同一单位表示(时间或距离)※※对伸舌峰或拖尾峰计算理论塔片数时应当用n=16?tR/W2式来表达。 理论塔板数表达了色谱峰的扩张程度和色谱峰的陡度,但不能说明色谱柱对组份的选择。

 b)有效塔板数:由于系统有死时间或死体积存在,理论塔板数与理论塔板高度不能完成反应柱效率,特别是对过早流出色谱柱的样品,而扣除死时间(死体积)后算出来的有效塔板数是不随保留值而变化的,因而它更能反映柱效率。n有效表达式如下:

n有效=16?tR’/W2n有效=5.54t’R /t1/22

式中tR’=tR-tOtR是校正保留时间

c)理论塔高度:又称理论等板高度、等度高度或板高、zui小板高,相当于一个理论塔板的高度,用HHETP表示。 H=L/n 式中L是柱长(通常用厘米或毫米表示)

d)有效塔板高度用H有效=L/n有效表示。

e)根据分离的要求确定塔板数 下述方程可用测定所需要的板数,进而确定所需要的柱长:

 

n=16?R2α/α-12(k2’+1/k2’)2 式中R为分离度,α为相对保留值,K2为峰2的容量因子。   举例说明:图1—9表示二化合物分离是在一根2米色谱柱上得到的,问为使R=1.5(即达到二峰*分开),柱长需要多少米?踏板高度(H)是多少?

 

1—9 所需要的塔板数计算

 

n=5.54tR /2t1/22  =5.54(15’30’’/30’’)2 =5324(块板

 

r=t’R2/t’R1  =(15’30’’-45’’)/(12’20’’-45’’)  =1.27

 

R2’= t’R2/to=(15’30’’-45’’)/45’’=19.66

 

n=16?R2α/α-12(R2’+1/R2’)2    =16×1.52×(1.27/1.27-1)2×(19.66+1/19.66)2=875

 

需要柱长=原来柱长×n/n原有         =2×875/5324=0.33

 

由此可见,用一根短得多的色谱柱即可提供令人满意的分离结果,因分离是在2米柱上完成的,因此可以使用更高的流速(降低柱效),以缩短分析时间。 3)速率理论: 范特姆塔(Van deemter)在1956年提出了比较柱尺寸和分析条件的非常有用的方程式。这一方程式与理论塔板数(n),理论塔板高度(H)和载气流速有关,其zui简单的形式是: H=A+(B/u)+(CG+CL)ū   这一方程可以用图1—10表示的那样,用理论塔板高度(H)作为载气线速(u)的函数而绘制曲线,曲线上有u的zui小值称为*载气线速(uopt)。在这一点的理论塔板高度位于zui低值,因而柱效能为zui高值。 上式中引入了三个与样品分子通过柱子期间的各种基本过程有关的复合项:即多路效应(A),纵向气态扩散(B)和与样品分子在气相和液相中的扩散过程有关的传质阻力(CG+CL

 

1—10 Van deemter理论塔板高度与载气线速关系图

 

其中A项是多路(涡流扩散)项,在填充柱里由于填充物的颗粒大小、形状、填充方法和柱的直径不同,流动相通过填充物会改变流动方向。在填充物的不规则空隙中其流动方向不断改变。因此样品组份分子在流动相中形成了紊乱的类似涡流的流动,多路效应示意图见图1——11.

 

1—11 填充柱多路效应示意图

 

为减少多路(涡流扩散)影响,减少A项的一个明显途径是使用较小和均匀颗粒的固定相,而填充柱子时必须使柱有一个很高的填充密度,而又不使粒子破碎。 而分子扩散项B是表示样品进入色谱柱后运动着的分子会发生各方面扩散作用而使色谱峰扩张,它与组份在柱内停留时间,载气的分子量有关。较大的载气分子量和较高的载气流速能减少分子扩散项的影响。 传质阻力项在色谱过程中溶质分子不断进出于流动相与固定相之间,但溶质在此二相之间的平衡不 是瞬间完成的。溶质进入色谱柱后,由流动相至二相界面,再由二相界面流动至相内,反复发生质量传递过程,除去纵向扩散外,所有阻碍溶质组份在二相间达到平 衡的因素都归于传质阻力。由于这些阻力的存在,使色谱峰产生区域扩张,传质阻力与流速,样品的扩散系数、液膜的厚度,载体颗粒大小,填充情况等有关。为减 少传质阻力应选择较薄的固定液涂层,涂渍要均匀,样品分子量要小(这是由于同系物中分子量大的样品比分子量小的有较小的扩散系数和较大的传质阻力。)降低 柱流速可以减小传质阻力项的影响。 为了提高色谱柱的效率,必须压缩多路(涡流扩散),分子扩散的影响,同时要加快气相和液相的传质速率,因为H越小,样品在一定长度的色谱柱上达到的分配次数越多,柱效率就越高,色谱图也越窄,分离得也就越好。 4)分离条件的选择 人们都希望能满意的取得分析结果,可对不同的样品进行分析时必须把已掌握的知识,经过几次试验后能比较准确的找到适当的操作条件,以达到分离的目的。 本节将就载气的性质、载气的流速、担体性质、固定液配比、柱温、柱径和柱长、进样技术等对塔板高度H作一简单介绍。   A)载气的性质:载气的性质对柱效率是有一定影响的。图1—12表示不同载气时平均线速度与塔板高度关系。

 

1—12 不同载气时平均线速度与理论塔板高的关系

 

由图可知分子量小的载气,*线速和塔板高度都比分子量大的载气大,这一实验表明氮气能获得较高的柱效而氢气能得到较快的分析速度,对于不同的检测器应选择不同的载气(这在第三章里要详细介绍)。 B)载气流速的选择 了获得zui高的柱效,色谱柱必须在*流速下操作,*流速可以在理论塔板高度与线速度曲线中找到。zui小的理论塔板高度决定了*载气线速所使用的流速。在 实际分析中,为了缩短分析周期,对选择略比*线速度高的载气流速,而面对理论塔板高度没有明显的影响,略高于*载气线速的一点称为*实用线速。如图 1—13图见下面。

 

1-13 *线速与*实用线速示意图

 

C)担体直径(粒度)   担体表面结构和孔径的分布决定固定液在担体上的分布以及传质阻力和纵向扩散的情况,所以不同粒度的担体,其柱效是不同的,担体直径与塔板高度的关系见图1—14

 

1—14 担体粒度与塔板高度的影响

 

使用小而均匀的担体直径能改善柱效。由图1—14可见80~100目硅藻土型担体能给出zui高的柱效。 D)固定液配比 固定液含量越低则可以减少传质阻力,从而提高柱效率缩短分析周期,但是固定液用量也不能太低,否则所用固定液不足以覆盖担体而出现担体的吸附现象,柱效反而会下降,不同固定液配比与塔板高度影响见图1—15

 

1—15 不同固定液配比载气线速与塔板高度关系

 

E)柱温影响 一般柱温选择在被分析样品的平均沸点左右或稍低一些,对于宽沸程的样品多采用程序升温方法来解决。 通常较低的柱温能改善分离,但由此造成的分析时间,对低的柱温能减少化合物的分解,但可能增加了吸附,所以平时人们都用较低的固定液配比来降低柱温。 F)柱内径和柱长 减少柱子内径,保持其他条件不变,结果柱效将会明显提高,柱内径与塔板高度关系见图1—16

 

1—16 不同柱内径时载气线速与塔板高度关系

 

当填充小内径的柱子时,可能会有些困难,近年来常用的色谱柱内径是Ф1.5~2毫米,小的柱内径使用的样品量也比较小。 如果进入柱子的样品量过大,其结果损失柱效率。正如图1—17中看到那样,当对一定规格的柱子增加样品量时,柱效差不多稳定到某一点,此后开始迅速下降。

 

1—17 不同进样量与塔板高度关系

 

若气体流速保持不变,则分析时间随柱长的增加而增加,分离度也有所改善。增加了柱长往往增加了柱前压力,因此希望在维持一定分离度时使柱长减到zui短。近年来Ф2毫米内径色谱柱常用柱长在0.5~2米左右。 5)进样技术对柱效的影响 进样速度必须很快,注射器的针尖要插到底,动作要熟练,每次动作要力求重复,让样品迅速到达进样器或色谱柱顶(柱上进样法),同时进样器要求有足够的汽化温度,进样器温度太低会引起伸舌色谱峰,而进样速度太慢会使样品指数式的汽化而出现拖尾的色谱峰。

 

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