色谱基础知识 课件.ppt
色谱基础知识,色谱基础知识,几个基本概念：Chromatography：色谱法，一种分离和分析的方法Chromatograph： 色谱仪，以色谱法为原理的分析仪器Chromatogram： 色谱图，色谱仪生成的分析结果,色谱基础知识,Chromatography 色谱法： 色谱法是一种分离和分析方法，又叫层析法，它利用不同物质在不同相态间的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。 色谱法最初由俄国植物学家茨维特创立。,色谱基础知识,茨维特实验：1903年，茨维特做了一个植物色素分离实验：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。 此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。,色谱基础知识,色谱法的分类：1）以流动相形式分类，可分为气相色谱法和液相色谱法。,什么是流动相？什么是固定相？ 色谱分析过程中用于携带待测组分向前移动的物质称为流动相（mobile phase）。在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的物质称为固定相（stationary phase）。,色谱基础知识,色谱法的分类：2）以固定相形式分类，可为柱色谱法、纸色谱法、薄层色谱法。3）以分离原理分类，可分为吸附色谱法、分配色谱法、离子交换色谱法、尺寸排阻色谱法、亲和色谱法等。,色谱基础知识,色谱法分离原理 色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。 在分离过程中，待分离物质中的不同组分在流动相和固定相之间的分配会不同，这使其随流动相运动速度各不相同，随着流动相的运动，混合物中的不同组分在固定相上相互分离。,色谱基础知识,色谱法分离原理示意图,色谱基础知识,一些色谱图相关的术语：1）色谱图：在分析过程中色谱仪记录下来的检测器信号随时间变化的曲线。（一般纵坐标为信号值，横坐标为时间）2）基线：在不分析状态下色谱仪检测器信号随时间变化的曲线。3）色谱峰：在分析过程中，当某一组分流过检测器时，检测器信号随之产生变化，在谱图上即表现为峰状，称之为色谱峰。,色谱基础知识,一些色谱图相关的术语：4）峰高：某一色谱峰顶点与基线的距离（信号差值）。5）峰宽：某一色谱峰底部的宽度。（即从色谱峰开始到结束的时间。）6）峰面积：某一色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。 峰面积是色谱法定量的依据。7）保留时间：某一组分从进样到该组分色谱峰到达顶点的时间。 保留时间是色谱法定性的依据。,色谱基础知识,一些色谱图相关的术语,TOP,保留时间,峰面积（阴影部分）,峰高,色谱基础知识,一些色谱图相关的术语：,以右边谱图中第一个峰为例：峰高： 284909 uV峰宽： 约15s (从0.6到0.9min)峰面积：2043631 uV*s保留时间：0.76 min,色谱基础知识,色谱法的定性,当分析条件相同时，相同的组分在相同的时间出峰。 （保留时间相同）,样品注入,标准样品(组分A和B的混合物),未知样品,成份 A,成份 B,色谱基础知识,色谱法的定量,被测组分的峰面积(峰高) 与到达检测器的被测组分的量成正例,标准样品(组分A 100ppm),成份 A,未知的样品,成份 A,峰面积：700,峰面积：1000,色谱基础知识,气相色谱仪的基本构成：1）气路系统2）进样系统3）分离系统4）检测系统5）数据处理系统,色谱基础知识,气相色谱仪的构成：,色谱基础知识,气相色谱仪的构成：1）气路系统： 气路系统主要功能是为色谱仪提供稳定可靠的载气及其它辅助气体。气相色谱仪载气及辅助气体的选择主要取决于：a）检测器类型；b）所需分析的组分；c）色谱柱类型。,色谱基础知识,气相色谱仪载气的选择： 载气 辅助气TCD： He/H2/N2/Ar 无FID： N2 H2/AirDID： He 无PED： Ar 无,色谱基础知识,气相色谱仪的构成：2）进样系统 进样系统的功能是将需要分析的样品注入到分析系统当中。 进样的方式一般有2种： a）进样针（注射器） b）阀。,色谱基础知识,注射器进样,色谱基础知识,阀进样,色谱基础知识,气相色谱仪的构成：3）分离系统 分离系统的功能是把需要分析的组分从背景组分中分离出来。 分离功能主要依赖于色谱柱来实现，但在某些特定的应用中还需要一些必要的流路系统（如中心切割或反吹等）。,色谱基础知识,色谱柱，即装填有固定相用以分离混合组分的柱管，是整个色谱分析系统的核心部分。 气相色谱柱，一般可分为填充柱和毛细管柱。,分离系统：色谱柱,色谱基础知识,分离系统：色谱柱,填充柱(Packed Column),色谱基础知识,分离系统：色谱柱,填充柱填料的种类,担体,Partition Materials在担体上涂覆固定液固定相：液体（主要用于分析液体样品）,固定液,固体,吸附材料 (吸附剂)没有涂覆固定液固定相 ： 固体 （主要用于分析气体样品）(硅胶、活性碳、分子筛、活性氧化铝, 还有多孔高分子小球),色谱基础知识,分离系统：色谱柱,多孔层开口柱PLOT(内壁为多孔性涂层，如高分子小球、氧化铝等),管壁涂渍开口柱WCOT（内壁为固定液涂层）,毛细管柱的种类,融熔石英或不锈钢,固定液,色谱基础知识,分离系统：色谱柱,填充柱,毛细管柱,色谱基础知识,Orthodyne色谱仪在工业气体行业应用中几种常用的填充柱：1）分子筛柱 （Molecular Sieve）2）Porapak Q柱3）Porapak N柱4）OPN柱5）硅胶柱（Silica Gel）6）Hayesep柱7）BTS柱 （脱氧柱）,分离系统：色谱柱,色谱基础知识,几种常用的填充柱的出峰次序,分离系统：色谱柱,色谱基础知识,几种常用的填充柱的出峰次序,分离系统：色谱柱,色谱基础知识,分子筛柱：主要用于分离分离永久气体，如He、H2、O2+Ar、N2、CH4、CO等,分离系统：色谱柱,Minutes,H2,O2,N2,CH4,CO,色谱基础知识,OPN柱：主要用于分离烃类，如C2H2、C3H8、C3H6、C4H10等（无法分离C2H4和C2H6）,分离系统：色谱柱,CH4,C2H2,C3H8,C3H6,iC4H10,nC4H10,1.3C4H10,C2H4 + C2H6,色谱基础知识,Porapak Q柱：主要用于分离CH4、CO2等,分离系统：色谱柱,O2,CH4,NMHC,色谱基础知识,Porapak N柱 和 Hayesep A柱：主要用于分离C1-C2轻烃类气体，如CH4、C2H2、C2H4、C2H6等,分离系统：色谱柱,色谱基础知识,BTS柱，主要用于脱氧。典型应用：1）常规的分子筛柱无法分离O2和Ar，当需要单独分析O2和Ar时，可以用BTS柱把O2+Ar混合组分中的O2去除，从而得到单独的Ar组分。2）当分析O2中的杂质气体时，需要用BTS柱把背景气中的O2去除，避免干扰测量。脱氧原理： Cu + O2 CuO再生原理： CuO + H2 Cu + H2O,分离系统：色谱柱,色谱基础知识,中心切割：泛指在色谱分析过程中为了将不需要的组分从分析系统中排出的阀切换动作。 典型应用：高纯气体中的杂质分析反吹：泛指在色谱分析过程中使载气在色谱柱中的流向倒置的阀切换动作。 典型应用：测量某些不需要单独分析的组分，如CH4、及NMHC（非甲烷总烃）的分析。,分离系统：流路切换,分离系统：中心切割,色谱基础知识,分离系统：反吹,正向,反向,色谱基础知识,分离系统：反吹,反吹的典型应用：8通阀进样+反吹 测O2中的CH4-NMHC,色谱基础知识,反吹的典型应用：8通阀进样+反吹 测O2中的CH4-NMHC,色谱基础知识,O2,CH4,NMHC,分离系统：反吹,反吹的典型应用：8通阀进样+反吹 测O2中的CH4-NMHC,色谱基础知识,气相色谱仪的构成：4）检测系统 检测系统的功能是对流出色谱柱的被测组分进行检测，通常包括检测器和放大器。检测系统相当于色谱仪的眼睛，它可以把被测组分从载气中分辨出来。Orthodyne色谱仪常用的检测器有：A）热导检测器，TCDB）火焰离子化检测器，FIDC）放电离子化检测器，DIDD）等离子体发光检测器，PED（DID-AR）,色谱基础知识,热导检测器Thermal Conductive Detector,A 参比气入口B 参比气出口C 测量气入口D 测量气出口E 测量室,色谱基础知识,热导检测器Thermal Conductive Detector,色谱基础知识,热导检测器的原理 - 热导检测器由4个桥臂（热敏元件）组成，组成一个惠斯登电桥。4个桥臂当中，2个是参比桥臂，2个是测量桥臂。参比桥臂只有载气流过，测量桥臂接色谱柱出口 - 每种气体都有各自的导热系数，导热系数越大越容易带走热量 - 在不分析状态，4个桥臂流过的气体都是载气，此时4个桥臂温度相等，电阻值相等，电桥处于平衡状态 - 当从色谱柱流出的被测气体组分流过测量桥臂时，因被测气体的导热系数与载气不一样，其带走的热量也不一样，从而引起测量桥臂的温度发生变化，导致测量桥臂的电阻值发生变化，引起电桥不平衡。电桥的输出即和被测组分的浓度呈比例关系,色谱基础知识,影响热导检测器灵敏度的因素：1）桥臂电流。一般来说，桥流越大灵敏度越好，但是桥流太大容易烧毁桥臂。2）桥臂材质的热敏性。桥臂热敏性越好，灵敏度越好3）检测器池体温度。池体与桥臂的温差越大，灵敏度越好4）载气种类。载气与被测气体的导热系数差越大，灵敏度越好,色谱基础知识,一些气体的导热系数，单位：J / cms,色谱基础知识,热导检测器的优缺点优点： - 通用型检测器，对所有组分均有响应 - 结构简单，稳定性好。对于常量分析可使用廉价的N2或Ar做载气 - 不破坏被测组分缺点： - 灵敏度略低，一般最小检测浓度在10ppm,色谱基础知识,火焰离子化检测器Flame Ionization Detector,A 载气/H2混合气入口B 合成空气入口C 喷嘴D 氢火焰E 极化电极F 点火线圈G 信号收集极H 顶盖,色谱基础知识,火焰离子化检测器Flame Ionization Detector,色谱基础知识,火焰离子化检测器的原理 - 有机化合物在氢火焰中燃烧的时候会产生离子 - 在氢火焰周边外加一电场，可使产生的离子定向移动，形成微弱的电流。该微电流经过高电阻放大后可转为电压信号，从而可以被工作站记录下来 - 当不分析时，只有载气流过检测器。载气在氢火焰中产生的离子很少，电流非常小，此电流称之为基流 - 当分析时，被测组分中的有机物流过检测器，产生的电流明显变大，同时该电流的大小和被测组分的浓度呈比例关系,色谱基础知识,影响火焰离子化检测器灵敏度的因素：1）气流配比。H2的最佳流量在40ml/min左右，增大或减小H2流量都会使灵敏度下降2）极化电压。一般来说，极化电压越高灵敏度越好，但是极化电压增加也会使噪音增大,色谱基础知识,火焰离子化检测器的优缺点优点： - 半通用型检测器，对大多数有机物有响应 - 灵敏度高，对某些组分的测量可低到ppb级别缺点： - 需要使用H2 - 破坏被测组分,色谱基础知识,甲烷转化炉Methaniser,A 气体入口B 气体出口C 炉箱D 加热器E PT100元件F 催化剂,色谱基础知识,甲烷转化炉Methaniser,色谱基础知识,甲烷转化炉的原理： - 在高温及催化剂作用下，CO和CO2会被H2还原成CH4 CO + H2 CH4 + H2O CO2 + H2 CH4 + H2O,Ni,Ni,甲烷转化炉的应用条件：当需要用FID来测量微量CO或CO2时。 不适用于常量CO及CO2。,色谱基础知识,放电离子化检测器Discharge Ionization Detector,A He入口B He出口C 放电电极D He plasmaE 石英管F 极化极G 测量点（收集极）H 接地,色谱基础知识,放电离子化检测器Discharge Ionization Detector,色谱基础知识,放电离子化检测器的原理 - 氦（He）在高频高压放电下会被激发，形成等离子体（He Plasma），同时产生光子 - He Plasma产生的光子带有很高的能量（24.8eV），可使包括氖在内的几乎所有气体分子电离 - 当分析时，从色谱柱分离出来的被测组分流过检测器时，被测组分被高能光子电离，产生离子 - 通过外加电场可以使被测组分离子形成微电流，再通过放大器放大即可得到电压信号，该信号和被测组分浓度呈比例关系,色谱基础知识,放电离子化检测器的优缺点优点： - 通用型检测器，几乎对所有组分有响应 - 灵敏度非常高，对某些组分的测量可低到ppb级别缺点： - 需要使用昂贵的氦气作为载气,影响放电离子化检测器灵敏度的因素： 氦气载气中的杂质含量越低，灵敏度越好。一般需要配套使用载气纯化器。,色谱基础知识,等离子体放光检测器Plasma Emission Detector （DID-AR）,A Ar入口B Ar出口C 放电电极D Ar plasmaE 光电检测器F 石英管,色谱基础知识,等离子体放光检测器Plasma Emission Detector （DID-AR）,色谱基础知识,等离子体发光检测器的原理 - 氩（Ar）在高频高压放电下会被激发，形成等离子体（Ar Plasma），同时产生一定波长的辉光（337nm） - 当不分析时，检测器中只有载气Ar流过，Ar Plasma产生的辉光维持在一定的强度 - 当分析时，从色谱柱分离出来的被测组分流过检测器时，被测组分会使辉光强度发生变化（变强或变弱） - 通过光电检测器可以检测出辉光强度的变化,色谱基础知识,等离子体发光检测器的优缺点优点： - 灵敏度高，使用于ppm级别应用（无法做到ppb级别） - 不需要使用昂贵的氦气作为载气,影响等离子体发光检测器灵敏度的因素： 氩气载气中的杂质含量越低，灵敏度越好。一般需要配套使用载气纯化器。,色谱基础知识,气相色谱仪的构成：5）数据处理系统 数据处理系统的作用是记录色谱仪检测器信号，绘制色谱图，计算分析结果等。目前大多数色谱仪都是使用色谱工作站来进行数据处理。,色谱基础知识,气相色谱仪的构成：5）数据处理系统 数据处理系统的作用是记录色谱仪检测器信号，绘制色谱图，计算分析结果等。目前大多数色谱仪都是使用色谱工作站来进行数据处理。,色谱基础知识,色谱基础知识,色谱基础知识,Orthodyne气相色谱仪在工业气体行业中的一些应用：1）高纯气体（He、H2、N2、O2、Ar、CO2）中的杂质分析 （DID色谱）2）Ar产品纯度分析 （DID-AR色谱）3）O2产品中的碳氢化合物分析 （FID色谱）4）混合气分析 （TCD色谱）,色谱基础知识,高纯气体O2的杂质分析 （DID色谱）,色谱基础知识,Ar产品中的杂质分析 （DID-AR色谱）,色谱基础知识,O2中的CnHm分析 （FID色谱）,色谱基础知识,混合气分析 （TCD色谱）,
