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气相色谱分析气体样品攻略（新手上路教材之一）

无理走遍天下

2011/11/28

私聊

综合仪器采购

气相色谱分析气体样品攻略（新手上路教材之一）

对于新手来说，到现在为止还没有一本专门针对新手使用气相色谱仪的实用教材。我们过去在学习中使用的教材无非就是，从头到尾叙述一遍理论，连基本的操作都很少涉及，因次我想把我学习色谱的一些经验通过自己的方式讲述出来，让大家特别是新手能够很快的独立操作气相色谱仪器。如果能达到这样的效果那我就心满意足拉！
在这篇文章中我用以分析气体样品中杂质含量为典型例子讲述色谱的理论和操作，让新手在今后的工作中能根据我的叙述能自己编写操作规程和进行简单的色谱维护。我想应该能到达这样的目的吧，因为为了这个目的我作出了不少努力。
气相色谱顾名思义就是首先将要分析的样品完全转化为气体，但是有一个极限就是样品只能是汽化而不能分解，汽化和分解是两个完全不同的变化，前者是物理变化而后者是化学变化。因此在气相色谱分析整个过程中要使分析的样品必须一直保持汽化状态，这是我们在色谱仪操作过程中必须把握的原则和基础，所有的温度设定都是必须满足这个条件。其次我们引进了载气这一名词，简单的说就是使用载气作为工具或者载体使要分析的各种气体流动或者说运动起来。只有运动才能看出个组分的不同，才能区分开每个组分。这就好比在候车室里一大堆人，我们很难分辨出每个人的特点，如果让他们一个一个从你面前经过，那么你就可以大概的辨别出他们的特点拉。怎么能够辨别出他们的的细节特征，那我们可以通过合适的手段，比如看身份证，查DNA等方法。在色谱仪分析过程常听说的各种检测器就是为了达到这个目的。好了，总体解释就说这些，下面用例子慢慢描述气相色谱的理论和操作。

首先抛出分析项目标题：氢气中氧气和甲烷含量的测定。
对于学分析的人来说，我们应该知道这样一个简单的道理，要想得到某一组分的含量，我们首先考虑的是直接或间接的将某组分与其他组分分离开来，包括容量分析和仪器分析，然后通过一定的检测手段将分离出来的某组分再检测出来。比如要分析水中的铁含量，通过创造条件使铁跟邻菲络啉的特征反应发生，生成有颜色的物质，再使用分光光度计检测该颜色的深浅（吸光度）。
气相色谱更是这个原理，而且这中理论是色谱分析的基础，根据我在这里设定的题目要分析氢气中氧气和甲烷含量的，那首先就是要将氢气中的氧气和甲烷这两个组分同其他组分分离开来，然后才能通过合适的检测手段检测他们的各自含量。因此我觉得色谱理论基础中最重要、最难的理论也就是分离理论。怎样将样品各组分在一定条件下完全分离是我们的终极目标！
第一步：进样操作
要想分析一样品中各组分的含量，首先要确定进样量的多少，这跟我们在所有其他检测方法是一样的，它的功能与天平差不多的。由于我们在气相色谱中要使用的样品量非常少，所以只能通过样品的容积来确定进样量的多少！
针对液体样品可以使用不同规格的专用注射器，包括气密和一般的两种！气密进样器用在挥发性较强的液体样品。填充柱色谱常用10μL；毛细管色谱常用1μL；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。（这里不就液体样品展开讨论）
如果我们分析的样品是气体，常压气体样品采用医用注射器（1毫升~5毫升）通过注射隔垫注射进样，简单、灵活。但是如果使用注射器进样的话，在进样过程中由于会跟大气接触难免就会把空气带到样品中，同时有样品反冲和渗漏，定量误差大，重复性一般在2.5%以上，这是因为柱前压高于环境大气压力，样品气会沿注射管内壁渗漏造成的。因此现在这种方法一般不用拉。现在一般使用六通阀定体积进样，不但操作方便、迅速切结果也较准确。只要操作合理又掌握一定的技巧，重现性可小于0.5%。即使环境温度、压力变化或不同校正起来也很容易方便。另外，六通阀还可以直接用于高压气体进样。六通阀的原理我简单的上图，靠各位新手自己慢慢体会吧。提醒以下新手，在六通阀上有一根定量管，它就是用来准确量取气体进样量的。

下面就是常用的气体六通进样阀：

第二步：汽化。

刚开始我说过气相色谱的本质就是将各种样品转化为气体。将刚才的样品通过六通阀定量的注入到汽化室。在汽化室中使样品能够瞬间汽化这就是我们的目的，因为汽化室需要设定一定的高温，它在整个色谱系统中设定的温度一般是最高的。具体到每一个样品，我们要考虑所分析样品的物理性质，一般情况下该温度设置到高于各组分沸点的平均温度，同时样品各组分还不能分解。汽化室中有一个很重要的部件就是内衬管，内衬管按材质可分两种一种是金属的，用于分析气体样品，一种是石英玻璃的，用于分析液体样品。按结构可分为分流的和不分流的，分流型内衬管连接在毛细柱上，不分流的主要连接填充柱上。汽化室内的玻璃衬套主要有下列作用：提供一个温度均匀的汽化室，防止局部过热；、玻璃的惰性不如不锈钢好，减少了在汽化期间样品分解的可能性；易于拆换清洗，以保持清洁的汽化室表面，一些痕量非挥发性组分会逐渐积累残存于汽化室，高温下会慢慢分解，使基流增加，噪声增大，通过清洗玻璃衬套可以消除这种影响。可根据需要选择管壁厚度及内径适宜的玻璃衬套，以改变汽化室的体积，而不用更换整个进样加热块。
其实我们所说的汽化室就是跟进样口连接在一起的，有时侯也可以简单的理解为一个意思。

值得提醒新手的几个重要地方是：

1、是在进样口的下面是进样垫，如果使用注射器进样的话都是通过扎透进样垫后才能进样。进样垫的材质是硅橡胶，颜色可以有白色、淡黄色、红色等，一面帖耐高温的惰性白色薄膜,可耐受温度为350度，形状不一。当出现以下情况是要考虑到更换进样垫：进样次数达到100次以上；保留时间、峰面积的重现性差；检测出出现鬼峰；正常情况进样量进样结果发现峰面积很少；柱头压明显下降。

进样垫的图片如下：

2、在进样垫的下面现在大部分仪器都增加了隔膜吹扫部件。隔垫吹扫是在衬管的上方，流量不宜大，大了对准确取样有干扰，也不宜小，小了外层污染类处理不好。流量设置为1~5ml/min，一般为1~3ml/min。隔垫吹扫就是有一股气流在进样口隔垫下横向吹，其目的就是把高温下隔垫的挥发物尽可能从隔垫吹扫出口吹出，以避免这些隔垫挥发物质进入色谱柱；同时用来清除玻璃衬管内由于进样时进样针带入硅胶垫的碎沫。隔垫吹扫功能,大大减少了隔垫上的吸附物和隔垫流失物所产生的干扰。有隔膜吹扫（又称隔垫吹扫）功能的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱仪[/url]，实际上将载气在汽化室内分为了三部分，一部分通过吹扫出口流出，二部分通过分流口流出，三部分通过进入毛细管色谱柱
3、分流跟不分流的设计原理；分流主要用在毛细色谱柱上，由于毛细管柱的载气体积流量比填充柱低得多，将样品从气化室冲洗到色谱柱需要较长的时间，导致进样器内色谱区带严重扩张。此外，柱容量小，采用常规的进样方式，无法控制这样小的进样量。因此毛细管气相色谱要采取特殊的分流进样技术。所谓的分流进样就是使样品瞬间气化并与载气混合，使小部分样品进入色谱柱，大部分放空。一般仪器是在气化室的出口将载气分成两路, 绝大部分载气放空, 而极小部分载气流入色谱柱。
我们使用比较多的一个概念就是分流比。毛细管柱分流比一般为1：50到1：500，对大口径厚液膜毛细管柱一般在1：5到1：500，对50μm－100μm小口经毛细管柱，其分流比超过 1：1000，求分流比的计算公式如下：
分流比＝（分流流速+柱体积流速）/柱体积流速
4、尾吹的概念：

尾吹气是从色谱柱出口再引进一路直接进入检测器的气体，又叫补充气或辅助气。填充柱不用尾吹气，而毛细管大多采用尾吹气。这是因为毛细管柱内载气流量太低（常规为1~3ml/min），不能满足检测器的最佳操作条件（一般检测器要求20ml/min的载气流量）。在色谱柱后增加一路载气直接进入检测器，就可保证检测器在高灵敏度状态下工作。尾吹气的另一个重要作用是消除检测器的死体积的柱外效应。经分离的化合物流出色谱柱后，可能由于管道体积的增大而出现体积膨胀，导致流速缓慢，从而引起谱带展宽。加入尾吹气后就消除了这一现象。

那么，尾吹气流量究竟多少合适呢？这要看所用检测器和色谱柱的尺寸而定。比如，用0.53mm大口径柱时，柱内流量可达15ml/min，这对微型TCD和单丝TCD来说已经够大了，就没有必要再加尾吹气了。而对于FID、NPD、FPD则需要至少10ml/min的尾吹气的流量，对于ECD就需要20ml/min的尾吹气（ECD一般需要载气总流量大于25ml/min）。使用常规或微径柱时，尾吹气流量应相应加大。经验参考值为：FID、NPD、FPD需要柱内载气和尾吹气的流量之和为30ml/min左右，ECD则需要40~60ml/min。当需要在最高灵敏度状态下工作时，应针对具体样品优化尾吹气流量以及其他气体流量。一般情况下尾吹气所用气体类型应与载气相同。

尾吹气流量是在安装好色谱柱后，在检测器出口处用皂膜流量计测定的。注意，测定尾吹气流量时要关闭其他气体（如使用FID时要关闭空气和氢气），用0.32以下内径的色谱柱时，可不关闭柱内载气，这时测得的流量为柱内载气和尾吹气流量之和。
第三步：组分的分离
组分的分离是通过色谱柱完成的。色谱柱的分离原理是色谱理论的难点，其中一个最重要的依据就是“相似相溶”原理。相似相溶原理是指由于极性分子间的电性作用，使得极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，难溶于非极性分子组成的溶剂；非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂，难溶于极性分子组成的溶剂。根据这个原理我将我的理解跟大家交流，也许我的理解是错误的，但是毕竟是我的生活话语言，大家可以用来理解和解析色谱柱的作用。当样品通过进样口定量进入汽化室后瞬间被汽化，汽化后在载气的带动或者吹扫下经过一定温度的色谱柱。这个温度就是我们在色谱仪操作中必须要设定的。它的设定依据是是样品仍然保持汽化状态，这样的话才能使样品各组分更好的跟单体表面的固定液发生相互作用力。这种作用力的强弱就是我们要根据“相似相溶”原理来判断。如果样品中某组分性质跟固定液越相近，那他们之间的作用力越强，那该组分在色谱柱停留的时间就越长，而性质和结构跟固定液越相差大，那他们之间的作用力越弱，那该组分在色谱柱停留的时间就越短。这样由于样品中各组分的性质不同，那么他们在色谱柱中停留的时间产生了差别，所以流出色谱柱的时间就产生了长短不一拉，这样我们就把样品中各组分分离开拉！当然我们在工作中到底选择什么样的色谱柱分析样品，才能达到较好的分离效果，这是非常难做的工作，它非常专业和深奥，我们一般的实验人员很难掌握和理解，只能通过实验或者查找资料来找到合适的色谱柱。所以我认为作为新手只要理解其中简单的道理就可以拉，不必要做非常深刻的研究！在分离系统中有许多基本概念，下面我与大家共同学习一下几个重要的概念，便于我们在色谱交流和沟通过程能够更加专业和顺利。

1、色谱图：组分从色谱柱流出并通过检测器时所产生的响应信号的微分曲线。

2、基线：常情况下，仅有流动相通过检测线时所产生的响应信号的曲线。

3、峰高（h）：峰最大值到峰底的距离

4、峰宽（W）：峰两侧拐点处所做切线与峰底相交两点间的距离。峰高一半处的峰宽叫半高峰宽（W ½h）

5、死时间（t0）：实际上就是流动相流经色谱柱所需要的时间

6、保留时间（tR）：从进样开始到出现某组分色谱峰的顶点时为止所经历的时间,称为此组分的保留时间

7、调整保留时间 (t'R)：扣除死时间后的保留时间 t'R= tR-t0

8、柱效：柱效简而言之就是色谱柱对色谱中物质分离能力的大小。柱效越高，分离效果越好，峰形越好。色谱柱的柱效和填料、柱长、柱内径均有关系，一般来说，填料越细密、柱长径比越大，柱效越高。柱校的衡量用理论塔板数来表示。
9、分离度（R) R= 2（tR2-tR1）/（W1+W2)，相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰宽总和一半的比值。

R<1时,两峰有部分重叠

R=1时,分离程度可达98%

R=1.5时,分离程度达99.7%，可认为两组分完全分离

增加柱长可以提高分离度，但延长了分析时间

10、色谱图的峰位置用于定性，色谱峰的峰高和峰面积用于定量，峰位置和峰宽用于色谱柱分离性能的评价和色谱条件的优劣。

11、程序升温是指色谱柱的温度，按照适宜的程序连续地随时间呈线性或非线性升高。在程序升温中，采用较低的初始温度，使低沸点组分得到良好分离，然后随着温度不断升高，沸点较高的组分就逐一流出。通过程序升温可使高沸点组分能较快地流出，因而峰形尖锐，与低沸点组分类似。

组分的分离要注意的地方：1、柱温越低，分离效果好，但是容易拖尾；柱温越高，分离效果差，但是谱图好；一般情况下不能高于固定液的最高使用温度。
2、新柱子使用前必须要老化，老化的目的和过程在这里不介绍拉。一般不使用氢气做载气，因为老化时柱子末端不能接到检测器上，只能放空在柱温箱里。
3、使用氢气作载气时一定好注意柱子两端的连接处千万不要出现泄露，否则容易发生安全事故。

新手教材一就写这些吧。
请专家们评定一下，如果大家能接受，我再继续写新手教材二，讲讲检测器和计算的原理和过程。如果大家都反感的话，那我就只能停笔拉！谢谢大家。

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