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气相色谱分析小课堂:色谱分析方法及其应用

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1 引言
气相色谱法是利用气体作流动相的色层分离分析方法。汽化的试样被载气(流动相)带入色谱柱中,柱中的固定相与试样中各组份分子作用力不同,因此从色谱柱中流出时间不同,组份因而彼此分离。根据该原理,采用适当的鉴别和记录系统,就可以绘制出各组份流出色谱柱的时间和浓度对应的色谱图。再根据图中表明的出峰时间和顺序,可对化合物进行定性分析;根据峰的高低和面积大小,可对化合物进行定量分析。气相色谱分析具有效能高、灵敏度高、选择性强、分析速度快、应用广泛、操作简便等特点,适用于易挥发有机化合物的定性、定量分析。对非挥发性的液体和固体物质,可通过高温裂解,气化后进行分析,且其可与红光及收光谱法或质谱法配合使用。以色谱法做为分离复杂样品的手段,可以达到较高的准确度,故而也是司法鉴定中检测有机化合物的重要分析手段之一。

此前,我们已经对气相色谱仪进行了一个较为全面的说明,接下来,笔者将对重点对色谱分析方法及其应用进行阐述。

2 基本原理
气相色谱主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离,其气相分析流程如图1所示。
待分析样品在汽化室汽化后被惰性气体(即载气,也叫流动相)带入色谱柱,柱内含有液体或固体固定相,由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能不同,每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但由于载气是流动的,这种平衡实际上很难建立起来。正是由于载气的流动,使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解吸附,结果是在载气中浓度大的组分先流出色谱柱,而在固定相中分配浓度大的组分后流出。当组分流出色谱柱后,立即进入检测器。检测器能够将样品组分转变为电信号,而电信号的大小与被测组分的量或浓度成正比。当将这些信号放大并记录下来时,就是气相色谱图了。它包含了色谱的全部原始信息。在没有组分流出时,色谱图记录的是检测器的本底信号,即色谱图的基线。

3 色谱分析
从常见色谱图中,我们可以看到,色谱峰是组分在色谱柱运行的结果,它是判断组分是什么物质及其含量的依据,色谱法就是依据色谱峰的移动速度和大小来取得组分的定性和定量分析结果的。

一、定性分析
在给定的条件下,表示组分在色谱柱内移动速度的保留时间是判断组分是什么物质的指标,即某组分在给定条件下的t值必定是某一数值。

为了尽量免除载气流速、柱长、固定液用量等操作条件的改变对使用t值作定性分析指标时产生的不方便,可进一步用组分相对保留值α或组分的保留指数来进行定性分析。

将样品进行色谱分析后,按同样的实验条件用纯物质作实验,或者查阅文献,把两者所得的定性指标(α值、t值或I值)相比较如果样品和纯物质都有定性指标数值一致的色谱峰,则此样品中有此物质。

由于只能说相同物质具有相同保留值的色谱峰,而不能说相同保留值的色谱峰都是一种物质,所以为了更好地对色谱峰进行定性分析,还常采用其他手段来直接定性,例如采用气相色谱和质谱或光谱联用,使用选择性的色谱检测器,用化学试剂检测和利用化学反应等。

二、定量分析
色谱峰的大小由峰的高度或峰的面积确定。可用手工的方法测量峰高,再以峰高h与峰高一半处的峰宽w的乘积表示峰面积A。

A=ℎw……………(1)

目前,新型的色谱仪都有积分仪或微处理机给出更精确的色谱峰高或面积。

应该注意,组分进入检测器产生的相应的色谱信号大小(峰高或峰面积)随所用检测器类别和载气的不同而异,有时甚至受到物质浓度和仪器结构的影响。故而,须将所得的不同色谱信号予以校正以避免产生较大的实验误差,即需要用下式校正组分的重量:

w=f′A……………(2)

式中,f^′为该组分的定量校正因子。依上式从色谱峰面积(或峰高)可得到相应组分的重量,进一步用下述方法之一,即可计算出组分i在样品中的含量Wi。

(1)归一化法:如果试样中所有组分均能流出色谱柱,并在检测器上都有响应信号,都能出现色谱峰,可用此法计算各待测组分的含量。此法的优点是简便,进样量与载气流速的影响不大;缺点是样品中的组分必须在色谱图中都能给出各自的峰面积,还必须知道各组分的校正因子。

(2)内标法:在试样中加入一定量的纯物质作为内标物来测定组分的含量。内标物应选用试样中不存在的纯物质,其色谱峰应位于待测组分色谱峰附近或几个待测组分色谱峰的中间,并与待测组分全分离,内标物的加入量也应接近试样中待测组分的含量。 此方法没有归一化法的缺点,不足之处是要求准确称取样品和内标物的重量,选择合适的内标物。

(3)外标法:取待测试样的纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液,分别取一定体积,进样分析。从色谱图上测出峰面积(或峰高),以峰面积(或峰高)对含量作图即为标准曲线。然后在相同的色谱操作条件,分析待测试样,从色谱图上测出试样的峰面积(或峰高),由上述标准曲线查出待测组分的含量。 此法适用于工厂控制分析,特别是对各类气体的准确分析;缺点是难以做到进样量固定和操作条件稳定,因而在一定程度上会有无法避免的误差出现。

三、分析方法
分析方法实际上是在某一特定的气相色谱分析中使用的一系列条件。建立分析方法实际上是一个过程,即确定对于某一物质进行分析的最佳条件。

为了满足某一特定的分析要求,可以改变的条件包括进样口温度,检测器温度,色谱柱温度及其控温程序,载气种类及载气流速,固定相,柱径,柱长,进样口类型及进样口流速,样品量,进样方式等。检测器还可能有其它可供调节的参数,这取决于所使用的检测器类型。有一些气相色谱仪还有可以控制样品与载气流向的阀门,这些阀门开启与关闭的时间也可能对分析的效果有重要影响。

(1)载气选择与载气流速

典型的载气包括氦气、氮气、氩气、氢气和空气。通常,选用何种载气取决于检测器的类型。例如,放电离子化检测器(DID)需要氦气作为载气。不过,当对气体样品进行分析的时候,载气有时是根据样品的母体选择的,例如,当对氩气中的混合物进行分析时,最好用氩气作载气,因为这样做可以避免色谱图中出现氩的峰。

安全性与可获得性也会影响载气的选择,比如说,氢气可燃,而高纯度的氦气某些地区难以获得。很多时候,检测器不仅仅决定了载气的种类,还决定了载气的纯度(虽然对灵敏度的要求也在很大程度上影响载气纯度的要求)。通常来说,气相色谱中所用的载气,纯度应该在99.995%以上。载气流速对分析速度的影响在方式上与温度类似:载气流速越高,分析速度越快,但是分离度越差。因此,最佳载气流速的选择与柱温的选择一样,都需要在分析速度与分离度之间取得平衡。

二十世纪九十年代之前生产的气相色谱仪的载气流速往往通过载气入口的压力(柱前压)进行控制,实际的载气流速则在柱的出口端通过电子流量计或皂膜流量计进行测定。这样的一个过程常常很复杂,很耗时间,而且结果往往不尽如意。

在整个运行过程中,柱前压不能再改变,气流必须稳定。气体流速与柱前压的关系可以通过可压缩流体的Poiseuille方程来计算。 不过,很多现代的气相色谱仪已经能用电路自动测定气体流速,并通过自动控制柱前压来控制流速。因此,载气压强与流速可以在运行过程中调整。

(2)进样口类型与流速

进样口类型和进样技术通常与样品存在的形态(液态、气态、被吸附、固态)以及是否存在需要气化的溶剂有关。如果样品分散良好,并且性质已知,那么它就可以通过冷柱头进样口直接进样;如果需要蒸发除去部分溶剂,就使用分流/不分流进样口(通常用注射器进样);气体样品(如来自气缸)通常用气体阀进样器进样。被吸附的样品(如在吸附管上)可以通过外部的(在线或离线)解吸装置(如捕集-吹扫系统)或者在分流/不分流进样器中解吸(使用固相微萃取技术)。

(3)样品量与进样技术

进样技术在气相色谱分析中不可忽视,真正的气相色谱分析过程从样品进入色谱柱开始。毛细管气相色谱法的发展使得进样技术面临着很多实践中的问题。柱上进样技术多用于填充柱而不适用于毛细管柱。在毛细管气相色谱仪中的进样技术应该满足以下两个条件:进样量不得超过柱的容量;与展开过程引起的样品展宽相比,进样后的塞式流宽度应该很小。如果不能满足这一要求,色谱柱的分离能力将会下降。

一个普遍的规则是,注入的体积,Vinj,和检测器的体积,Vdet,应该只有样品中包含被分析物的部分出柱时的体积的十分之一。以下是一些优秀进样技术应当满足的一般要求:应该能使色谱柱达到它的最佳分离效率;对于小量的有代表性的(典型)样品,进样应具有准确性和可重现性;不能改变样品组成(对于具有不同的沸点、极性、浓度与热力学稳定性的物质,进样过程中不应有所差异);应该既适用于痕量分析,也适用于浓度相对较大的样品。

(4)柱温的选择与控制

柱温与温度控制程序的设定也是特定分析中需要重点考虑的对象之一,气相色谱仪中的色谱柱通常放置于温度由电子电路精确控制的恒温箱内。(当分析者说“柱温”时,实际上指的是恒温箱的温度。不过这种区别并不重要,因此在下文中对这两者并不作区分。)样品通过色谱柱的速率与温度正相关。柱温越高,样品越快通过色谱柱。但是,样品越快通过色谱柱,它与固定相之间的相互作用就越少,因此分离效果越差。

通常来说,柱温的选择是综合考虑分离时间与分离度的结果。柱温在整个分析过程中不变的方法称为恒温方法。不过,在大部分的分析方法中,柱温随着分析过程的进行逐渐上升。初温,升温速率(温度“斜率”)与末温统称为控温程序。控温程序使得较早被洗脱的被分析物能够得到充分的分离,同时又缩短了较晚被洗脱的被分析物通过色谱柱的时间。

4 误差分析
对于气相色谱仪的分析过程来说,其中的每一个步骤,即从样品采集、样品制备、上机进样、色谱分离、检测,以及峰面积定量等一系列过程都可能会产生实验误差,从而影响最终实验分析的结果。

因此,导致气相色谱仪分析过程中出现误差的主要因素有以下几点,需要格外注意。

(1)样品的采集与制备

检验中所取样品的代表性是得到准确定量分析结果的前提,对于具有挥发性的液体样品,采集时要尽量避免样品组分的挥发损失;对于液体或固体样品,要注意样品的代表性和均一性。在样品制备过程中,要尽量避免或减少待测组分的损失,以及防止样品污染。

(2)进样系统

进样的重复性会影响定量结果的准确度和精密度,不仅包括进样量是否准确,还包括样品在气化室是否瞬间全气化,在气化和色谱分离过程中有无分解和吸附现象,以及分流时是否有歧视效应等。可以根据样品性质的不同,选择不同的进样器和进样方式以降低误差。

(3)色谱柱条件

色谱分析中,色谱柱长短、柱温高低、载气流速、气体分流比等都会影响样品中化合物各组分的分离程度,只有在组分全分离且峰形良好的情况下,色谱峰面积或峰高的测量准确度才会更好。所以在分析组分复杂的样品时,一般选用毛细管色谱柱程序升温的方法以获得较好的色谱柱分离效果,进而提升实验结果的精确度。

(4)检测器

气相色谱检测器的种类选择、灵敏度、线性范围、稳定性等都将影响定量结果的准确性,而色谱定量基于检测器响应值与待测组分含量的线性关系,任何检测器的响应都有一定的线性范围,如超出这一范围,响应值与含量的关系就将偏离线性。因此,要获得准确的定量结果,绝不能使进入检测器的待测组分含量超出线性范围。

(5)峰面积或峰高的测量

色谱定量的基础是色谱峰面积或峰高,所以色谱峰面积或峰高判断和测量的准确性将直接影响定量的结果。相对而言,用峰高作定量对分离度的要求低于用峰面积定量。所以,在分离度较低的情况下,宜用峰高定量,保留时间短、半峰宽窄的峰,其半峰宽测定误差相对较大,影响峰面积的测量,也宜用峰高定量。分离度较好的化合物,一般采用保留时间作定性,以峰面积为定量,由于积分区间合理,故而色谱峰面积准确。

综上所述,只有熟练掌握了气相色谱的这些注意因素,才能提高气相色谱的操作要领,实验分析数据才能更加精密准确。

5 应用实例
目前,气体吸附分析技术作为多孔材料比表面和孔径分布分析的不可少的手段,得到了广泛应用。

只要在气相色谱仪允许的条件下可以气化而不分解的物质,都可以用气相色谱法测定。对部分热不稳定物质,或难以气化的物质,通过化学衍生化的方法,仍可用气相色谱法分析。故而,气相色谱目前在材料化学、石油化工、医药卫生、环境监测、食品检测等领域都得到了广泛的应用。

实例1:

乙炔是简单的炔烃,是有机合成化学工业基本原料,可用于制取乙醛、醋酸、1,4-丁炔二醇、1,4-丁二醇、丙酮、氯乙烯、乙烯基乙炔、乙烯基、丙烯酸及其酯类等,在有机化学合成领域具有重要作用。乙炔气一般由电石与水反应制得,由于电石中含有少量的硫磷化合物杂质,产生的乙炔气中会有硫化氢和磷化氢生成。

相关专业人员采用火焰光度检测器,通过光电倍增管进行信号放大,并在其出口处分别设置有硫滤光片和磷滤光片,用于完成乙炔气中硫化氢与磷化氢的检测。该方法属于气相色谱法,准确度高、重现性好、分析速度快,能够表征乙炔气中微量硫磷化合物的基本情况。如图2所示,试样中硫化氢和磷化氢的保留时间分别为3.585 min和3.147 min。本方法在测定乙炔气中微量硫化氢/磷化氢含量方面效果好,方法准确、简便和分析速度快,适用于化工工业生产过程中乙炔气中硫化氢/磷化氢含量的分析,能满足生产过程中的检测分析要求。

  实例2:

二乙二醇又称二甘醇,是无色、无臭、透明、吸湿性的粘稠液体,易溶于水、丙酮、乙二醇等极性溶剂,化学性质与乙二醇相似。主要可用作各种用途的溶剂、天然气脱水干燥剂、芳烃分离萃取剂、纺织品润滑剂、软化剂、整理剂以及硝酸纤维素、树脂、油脂和印刷油墨等溶剂,也用作刹车液、压缩机润滑油中的防冻剂组份,还可用于配制清洗剂,在油墨等其它日用化学品中作分散性溶剂等。二乙二醇中的杂质含量是划分二乙二醇质量的重要标准。

等人以HP-INNOWAX 色谱柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)为分析柱,校正面积归一化法为定量方法,采取直接进样的方式,建立了工业用二乙二醇中有机杂质的气相色谱快速分析法。该法可检测二乙二醇中含有的乙二醇、三乙二醇和四乙二醇等杂质。结果表明,该法具有良好的重复性和精密度,回收率在92.6%~105.5%之间(表1),表明气相色谱法在二乙二醇产品检测、市场贸易等过程中具有良好的应用前景。

校正面积归一化法的加标回收率

 

 

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