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气相技能提升,快速掌握13个必备知识点!



1、气相色谱原理


色谱法,又称层析法或色层法,是利用物质溶解性和吸附性等特性的物理化学分离方法,分离原理是根据混合物中各组分在流动相和固定相之间作用的差异作为分离依据。


以气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法(Gas Chromatography,简称GC),气相色谱是机械化程度很高的色谱方法,广泛应用于小分子量复杂组分物质的定量分析。


流动相:携带样品流过整个系统的流体,也称作载气。


固定相:静止不动的相,色谱柱中的担体、固定液、填料。


2、气相色谱仪的组成


气相色谱仪主要由气路系统、进样系统、检测及温控系统、分离系统、记录系统组成,如下图所示。


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气相色谱仪结构简图 


气路系统:包括气源、气体净化、气体流速控制和测量。


进样系统:包括进样器、汽化室(将液体样品瞬间汽化为蒸气)。


检测系统:包括检测器。检测系统是将色谱柱中分离后的组分按照浓度的变化转化为电信号,经放大器后,将电信号传送至记录仪,由记录仪绘出色谱流出曲线。


温控系统:温度是色谱分离条件的重要选择参数。气化室、色谱柱恒温箱、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度。气化室:保证液体试样瞬间气化;检测器:保证被分离后的组分通过时不在此冷凝;色谱柱恒温箱:准确控制分离需要的温度。


分离系统:是气相色谱仪的核心部分,作用是将待测样品中的各个组分进行分离,包括柱箱、色谱柱、温控部件组成。


记录系统:包括记录仪、或数据处理装置、工作站。


3、气相色谱仪分析原理


气相色谱仪的载气由高压钢瓶中流出,经减压阀降到气相色谱仪所需压力后,通过净化干燥管使载气净化,再经稳压阀和流量计后,以稳定的压力、恒定的速度流经气化室后与已完成气化的样品进行混合,将样品气体输送至色谱柱中进行分离。分离后的各组分先后流入检测器中进行检测。


检测器将待测组分的浓度或质量变化转化为电信号,经放大后在记录仪上记录下来,便可得到色谱流出曲线。根据色谱流出曲线上的保留时间,可以进行定性分析,根据峰面积或峰高的大小,可以进行定量分析。具体分析流程如下图所示。


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气相色谱仪的分析流程


4、分析基础术语


基线:色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线。基线在稳定的条件下应是一条水平的直线。它的平直与否可反映出实验条件的稳定情况。


保留时间:样品中某种组分在固定相中的通过时间。


死时间:不被固定相滞留的组份,从进样到出峰最大值所需要的时间。


色谱图:进样后色谱柱流出物通过检测器系统时,所产生的响应信号时间或载气流出气体积的曲线图。


色谱峰:色谱柱流出组分通过检测器系统时所产生的响应信号的微分曲线。


峰高:从峰最大值到峰底的距离。


峰面积:峰与峰底之间的面积。


5、气相色谱仪分析常用的进样方式?


手动进样:这是最基本的进样方法,主要适用于微量或小分子的液体或气体样品。使用微量注射器抽取一定量的样品注入气相色谱仪进行分析。


自动进样:这种进样方法可以通过进样器或样品输送系统将样品自动送入气相色谱柱。自动进样可以减少人为误差,提高效率,适用于批量样品的分析。


顶空进样:这种方法先将液体样品放入顶空瓶中并加压,使样品挥发,然后用顶空自动进样器将挥发物吸入气相色谱仪进行分析。


固相微萃取进样:将固相微萃取柱置于进样器中,通过吸附和洗脱操作将样品净化后再进入气相色谱柱进行分析。


液相进样:这可以通过多种方式实现,如气溶胶进样法和毛细管进样法等。


气体自动进样:这是一种使用定量阀进样的方法,重复性好,并且可以自动操作,尤其适用于气体样品的分析。


注射器进样:这是另一种常用的手动进样方法,优点是使用灵活,方法简便,但进样量重复性较差。


6、怎样测定载气流速?


气相色谱仪上均安装有自动测试装置,无自动测试装置可用皂膜流量计测,将皂膜流量计连接在测检测出口,测试每分钟的流速。也可将色谱柱与检测器断开,皂膜流量计测接在色谱柱一端,来测试载气流速。


测完后色谱升温压力表指示会升高,原因是温度升高色谱柱对气体的阻力增加,不要把压力调下来,当色谱温度升高稳流指示不会改变。测试载气流速在室温下测试。


7、怎样控制载气流速?


为了保持气相色谱分析的准确度,载气的流量要求恒定,其变化小于1%,通常使用减压阀来控制气流的稳定性。其主要靠气路上高压钢瓶上的减压阀减压,然后经仪器的稳压阀稳压,再经稳流阀以达到控制载气流量稳定,减压阀给出的压力要高出稳压后的压力。非程序升温色谱一般没有稳流阀,只靠稳压阀控制流速。


8、气相色谱分析中如何选择载气?


气相色谱中常用的载气有氢气、氮气、氩气,纯度要求99.99%以上,且化学惰性好,不与相关物质反应。


载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外,还要根据分析对象、色谱柱系统及色谱仪的检测器等条件来确定的。


氢气(H2):具有相对分子质量小、热导系数大、黏度小等特点,是热导检测器常用的载气、氢火焰离子化检测器中必用的燃气,但氢气易燃、易爆,使用时要特别注意安全。


氮气(N2):相对分子质量较大、扩散系数小、柱效相对较高、安全、价格便宜,因此,氮气是最为常用的载气,在氢火焰离子化检测器中常用。


氦气(He):相对分子量小、热导系数大、黏度小、使用时线速度大,与氢气相比,更安全,但成本高,常用于气一质联用分析。


氩气(Ar):相对分子量大、热导系数小,但由于成本高,因而应用较少。


9、气相色谱分析中如何选择载气的最佳操作条件?


根据不同的载气类型进行选择,设定流量过高或者过低,都会损失柱效。


但是一般情况下,并不选择曲线的最低点作为工作点,因为此状态下,分析效率较低,保留时间长。一般选择曲线最低点偏右的部分,选择工作点。


氮气做载气,线速度可以设定在20-30cm/s。


氦气做载气,可以使用更高的线速度,不至于显著损失柱效。


10、气相色谱分析中如何选择气化室温度的最佳操作条件?


气化室温度控制在使样品瞬间气化而不造成样品分解为最佳。一般规律是气化室温度高于样品的沸点温度并要求保持气化温度恒定就可用峰高定量。


11、气相色谱分析中如何选择柱温的最佳操作条件?


(1)一般采用柱温为被分析物的平均沸点左右或稍低一点;

(2)柱温不能高于固定液最高使用温度,低于样品分解温度;

(3)特殊情况下柱温也可以低于柱温很多(例如:环己酮中环己基过氧化氢色谱分析中环己酮沸点160多摄氏度,设置55℃柱温,峰型和出峰速度都很好)。


12、气相色谱分析中如何选择柱形、柱径和柱长的最佳操作条件?


(1)缩小柱子的直径对提高柱效率,提高分离度是有利的,但直径太小,对分析速度不利;

(2)柱子直径与柱曲率半径相差越大越好;

(3)一般填充柱柱长多用两米左右,毛细管柱十几、几十米左右。


13、气相色谱仪选择检测器的性能指标?


(1)灵敏度;

(2)敏感度;

(3)线性范围;

(4)稳定性。




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