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技术文章
农药残留测试仪方法
2011-11-16
农药残留测试仪方法主要是应用色谱法和质谱法。色谱法有很强的分离不同化合物组分的能力。色谱法分离混合组分的机制,主要是通过具有很大表面积的固定相和流动相实现的。各种组分在流动相的推动下,以不同的路线和分离方式,通过固定相向前运动。

4.1 气相色谱法
4.1.1 概述
气相色谱法(Gas Liquid Chromatography, GLC)是一种简易、快速、高效和灵敏的现代分离分析技术,广泛用于环境保护、医药卫生、化学化工、外贸、司法等系统的生产、科研和检验部门,也是农药残留量测定不可或缺的手段。
1. 气相色谱法的特点
分析速度快 分析一个农药样品通常仅需数分钟,即使复杂的样品也只要几十分钟,并且分析所需样品量很少,通常只需12μL甚至更少;
分离效率高 高效色谱柱(特别是毛细管柱)可以分离非常复杂的多组份样品,为农药多残留分析提供了有效的途径;
灵敏度高 高灵敏的检测器可以检出1×10-10~1×10-12g的组分,适合于农药残留的微量和痕量分析;
选择性高 气相色谱固定相对性质相似的组分具有较强的分辨能力。通过选用高选择性的固定液,使各组分间的分配系数有较大的差异而实现分离。此外,不同类型的检测器对某类农药有较高的响应,如电子捕获检测器适合对有机氯农药的分析、火焰光度检测器适合对有机磷和含硫农药的分析、碱焰离子化检测器适合对氨基甲酸酯类农药的分析;
适用范围广 大多数农药的分子量在400以内,其沸点在气相色谱工作温度范围内,大多数农药可用气相色谱法测定。
2. 气相色谱仪基本流程
气相色谱仪由七个部分组成,其流程如图4-2。
供气系统 包括高压钢瓶、减压阀、净化管、稳压阀、压力表、流量计等部件。
进样系统 包括进样器和气化室。气化室是一个加热器,它将液体样品瞬时气化并预热载气,载气将样品带入色谱柱。
分离系统 包括色谱柱和恒温箱。色谱柱是气相色谱仪的核心部分,样品的分离过程在色谱柱内进行,经分离的组分随载气进入检测器。恒温箱保持色谱柱的温度恒定或按一定程序升温。
检测器室 包括检测器和恒温室。检测器对从色谱柱流出的组分及其量的变化作出响应,并把这个变化转变成电信号送到放大器,记录成色谱图,它是气相色谱仪的关键部件。恒温室使检测器温度保持恒定。
温度控制部件 主要给气化室、柱恒温箱、检测器室加热,并控制柱恒温箱和检测器保持所需的温度,一般要求控温精度在±0.1~0.5℃。
放大器 它把检测器输出的信号进行放大。
记录和数据处理 将放大器放大了的信号记录成色谱图或通过数据处理进行自动记录峰数、保留时间、峰面积并计算出结果。

4.1.2 气相色谱的基本原理
1. 气相色谱法基本术语
色谱柱流出的组分通过检测器所产生的响应信号对时间或载气流出体积的曲线图(图4-3),称为色谱图。
基线 正常操作条件下,仅有载气通过时检测器所产生的响应信号曲线;
色谱峰 色谱柱流出组分通过检测器时所产生的响应信号曲线;
峰底 峰的起点与终点之间连接的直线;
峰高 色谱峰*高点到峰底的距离;
峰宽(Wb) 在峰两侧拐点处所作切线与峰底相交两点间的距离;
半高峰宽(Wh) 峰高的中点作平行于峰底的直线,此直线与峰两侧相交两点之间的距离;
峰面积(A) 峰与峰底之间的面积;
死时间 不被固定相吸附或溶解的组分从进样到出现峰*大值之间的时间;
保留时间 组分从进样到出现峰*大值时所经过的时间;
调整保留时间 某组分的保留时间扣除死时间,即
…………………………………(4.1)
相对保留值 两组分调整保留时间的比值,即
…………………………………(4.2)
相对保留值通常作为衡量固定相选择性的指标,又称选择因子。

 2. 分配原理
气相色谱主要利用各组分在流动相(气相)和固定相之间的分配系数的不同以达到分离的目的,这与色谱过程的热力学性质有关。同时,两组分的分离效能还与其在色谱柱中传质和扩散行为即色谱动力学有关。
⑴.分配系数K
气液分配色谱分离是样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程,可以用组分在两相间的分配来描述。分配系数是在一定温度和压力下组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的浓度之比值,即
……………………(4.3)
分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的,它是每一组分的特征值,只随柱温和柱压变化,与气相和液相体积无关。分配系数是气-液分配色谱中的重要参数,如果两个组分的分配系数相同,则它们的色谱峰重合;反之,分配系数差别越大,则相应色谱蜂分离得越好。
⑵.分配比k
 分配比又称容量因子,指在一定温度和压力下,组分在两相间分配达平衡时,固定相和流动相中的组分的质量比,即

……………………(4.4)
k值大小取决于组分本身和固定相的热力学性质,它不仅随柱温、柱压变化,也与流动相及固定相的体积有关。k值是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数,k值越大,组分在固定相中的量越多,柱的容量越大,保留时间越长;k为零时,则表示该组份在固定液中不溶解。
⑶.分配系数K及分配比k与相对保留值α的关系
两组分的相对保留值α决定于分配系数K或分配比k,三者之间的关系如下:
…………………………………(4.5)
式(4.5)表明:如果两组分的K或k值相等,则α=1,两个组分的色谱峰重合;两组分的K或k值相差越大,则分离得越好。
3. 塔板理论
⑴.塔板理论的假设
塔板理论假设色谱柱由若干小段组成,在每一小段内,一部分空间为涂在载体上的液相占据,另一部分空间充满着载气,载气占据的空间称为板体积。组分随载气进入色谱柱后,流动相在不停的移动,而固定相保持不动,组分在固定相和流动相之间反复进行分配,塔板理论假设:
①. 在柱内一小段长度H内,组分可以在两相间迅速达到平衡,这一小段柱长称为理论塔板高度H。
②. 载气进入色谱柱不是连续进行的,而是脉动式,每次进气为一个塔板体积;
③. 所有组分开始时都集中于第零块塔板上,而且组分的纵向扩散可忽略;
④. 分配系数在所有塔板上是常数,与组分在某一塔板上的量无关。
假设色谱柱由5块塔板组成,以r表示塔板的编号(r=0, 1, 2, ..., n-1),某组分的分配比k=1。根据塔板理论假设,在色谱分离过程中,该组分的分布可计算如下:
开始时,若有单位质量,即m=1(例1mg或1μg)的该组分加到第0号塔板上,分配平衡后,由于k=1,即ms=mm,故ms=mm=0.5。当一个板体积(1V)的载气以脉动形式进入0号板时,就将气相中含有mm部分组分的载气顶到1号板上,此时0号板液相(或固相)中ms部分组分及1号板气相中的mm部分组分,将各自在两相间重新分配。 故0号板上所含组分总量为0.5,其中气液(或气固)两相各为0.25;而1号板上所含总量同样为0.5,气液(或气固)两相亦各为0.25。以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时,上述过程就重复一次(见表4-1)。
按上述分配过程,对于n=5,k=1,m=1的体系,随着脉动进入柱中板体积载气的增加组分分布在柱内任一板上的总量(气液两相中的总质量)见表4-2。
表中数据说明,对于5个塔板组成的柱子在N=5时,即5个板体积载气进入柱子后,组分就开始在柱出口出现,进入检测器产生信号。表4-2 组分在n=5,k=1,m=1柱内任一板上分配表
载气板
体积数 R=0 1 2 3 4 柱出口
0 1 0 0 0 0 0
1 0.5 0.5 0 0 0 0
2 0.25 0.5 0.25 0 0 0
3 0.125 0.375 0.375 0.125 0 0
4 0.063 0.25 0.375 0.25 0.063 0
5 0.032 0.157 0.313 0.313 0.157 0.032
6 0.016 0.095 0.235 0.313 0.235 0.079
7 0.008 0.056 0.165 0.274 0.274 0.118
8 0.004 0.032 0.111 0.22 0.274 0.138
9 0.002 0.018 0.072 0.166 0.247 0.138
10 0.001 0.010 0.045 0.094 0.207 0.124
11 0 0.005 0.028 0.070 0.150 0.104
12 0 0.002 0.016 0.049 0.110 0.076
13 0 0.001 0.010 0.033 0.08 0.056
14 0 0 0.005 0.022 0.057 0.040
15 0 0 0.002 0.014 0.040 0.028
16 0 0 0.001 0.008 0.027 0.020

组分从具有5块塔板的柱中冲洗出来的*大浓度是N为8和9。流出曲线呈峰形,由于柱子的塔板数太少,峰形不对称。当n>50时,就可以得到对称的峰形曲线。在气相色谱中,一般n值很大,约103-106,因而这时的流出曲线可趋于正态分布。

⑵.理论塔板数
如上所述,进入色谱柱的组分在载气中呈“正态分布”,相应的色谱峰为高斯曲线。理论塔板数可用下式计算:

……………………(4.6)

理论塔板数可以计算出理论塔板高度:

………………………………(4.7)

在实际工作中,常常是 很大,但分离效能却不理想。这是因为理论塔板数只能说明色谱带扩展的程度,不能完全说明分离情况,因而人们进一步提出有效塔板数 作为色谱柱分离效能的指标:
……………………(4.8)

相应的有效塔板高度为:
…………………………………(4.9)

理论塔板数 和有效塔板数 之间的关系:
………………………(4.10)

⑶.理论塔板数与选择因子、分离度的关系
理论塔板数或理论塔板高度可衡量柱效率,n越大或H越小,则柱效越高,因此n或H可作为评价柱效率的指标。但n、H只是根据单一组分的 和w计算出来,以说明其柱效,而对于一个多组分的混合物在柱中的分离情况,却不能加以判断。因为混合物中的各组分在同一柱上具有不同的 和w,分离它们所需的n就不相同。在这种情况下,需选择适当的固定液与色谱条件,将各组分进行分离,为了测定所达到的分离程度,需引用选择性与分离度两个概念。
选择因子是固定液对两个相邻组分的调整保留值之比(式4.2、4.5)。α越大,两组分越容易分离。α也与柱温有关,柱温升高,α变小;柱温降低,α增大,则有利于分离和柱效率提高。
分离度定义为两个相邻组分的保留值之差与其平均峰宽值之比
………………………………… (4.11)
计算表明,R小于0.8时,两组分不能完全分离;R=1时,两峰重叠约2%;R=1.5时可达完全分离。因此,R值越大,分离越好。通常可降低柱温,增加柱长,使( )值增大,R提高。但降低柱温、增加柱长又会使峰加宽,因此需进行*优化选择。
理论塔板与选择性、分离度有如下的关系:

…………………………… (4.12)

…………………………(4.13)

4. 农药残留测定仪速率理论及影响柱效率的因素
塔板理论的某些假设与实际的色谱过程不完全相符,如组分的纵向扩散可以忽赂(实际上不能忽略),分配系数与浓度无关(实际上只在一定范围内无关)等,因此它无法很好地解释色谱峰扩展而使理论塔板数降低等现象。
范弟姆特(Van Deemter)等的速率理论认为色谱峰扩展的原因是受涡流扩散、分子扩散、气液两相间传质阻力的影响:
…………………………………(4.14)
式中A为涡流扩散项, 为分子扩散项, 为传质阻力项,u为载气线速度。
涡流扩散项与载气流速无关,与色谱柱内填充物颗粒大小及其均匀性有关,填充越不均匀,颗粒直径越大,则峰扩展严重(图4-5),柱效率降低。
图4-5 色谱中的涡流扩散对柱效的影响
分子扩散项是由于组分在气相中的浓度差扩散所引起的,它与组分的性质、柱温、柱压和载气性质有关。载气线速较大时,分子扩散项变化很小,色谱峰扩展与载气线速成反比。
传质阻力项包括液相传质阻力和气相传质阻力。气相传质阻力就是组分分子从气相到两相界面间进行交换时的传质阻力,这个阻力会使柱子的横断面上的浓度分配不均匀。这种传质阻力越大,所需的时间就越长,浓度分配就越不均匀,峰扩展就越严重。液相传质阻力是组分从气液界面扩散到液相内部发生质量交换,达平衡后又返回气液界面的传质阻力,在整个传质过程期间受到的阻力越大,需要的时间就越长,与未进入液相的分子间的距离就越远,色谱峰扩展就越严重。
5. 操作条件的选择
气相色谱分离条件的选择应在综合考虑分离效能、分离度等指标,参照范弟姆特速率理论选择适当的操作条件。
柱长 增加柱长可以增加理论塔板数,但会使峰宽加大,分析时间延长。因此,填充柱的柱长要选择适当,柱长的选择以使组分分离度达到所期望的值为准。
柱径 柱径小有利于减少组分在柱内的分子扩散,提高柱效,但柱径太小不利于操作,填充柱的柱内径一般以23mm为宜。
载气及其流速 载气的选择首先要适应所用检测器的要求,同时应考虑载气对柱效的影响。根据范弟姆特速率理论,当 较小时,分子扩散项 是影响等板高度的主要因素,宜选择分子质量相对较大的载气(N2,Ar),以减小组分在载气中的扩散系数。当 较大时,传质阻力项 起主导作用,宜选择相对分子质量小的载气(H2,He),使组分有较大的扩散系数,减小传质阻力。载气流速的选择可依据范弟姆特方程,等板高度随载气流速的变化如图4-6,曲线*低点等板高度*小,此时载气流速为*佳值。在填充柱色谱中,载气流速一般以N2 3~4cm/s、He 6~7cm/s较为合适。实际分析中载气流速一般大于*佳值。
柱温 柱温是非常重要的色谱参数,直接影响到分离效能和分析速度。提高柱温可以加速传质速率,改善柱效;同时,又加剧纵向扩散,导致柱效下降。因此,在确定柱温时,除考虑柱效外,应从组分的稳定性、分离度、固定液的使用温度以及分析时间等多方面综合考虑。农药多残留等多组分的分析通常采用程序升温的办法解决。
担体 粒度细小、装填均匀有利于减小涡流扩散、提高柱效。一般粒度直径为柱内径的1/20~1/25为宜。
气化温度 气化的温度应高于各组分*高沸点,保证所有组分瞬间气化,否则高沸点组分逐步气化而造成色谱峰变宽或拖尾,降低柱效能。
样品进样量 样品进样量不宜过大,如果进样量超过色谱柱负荷量,则降低柱效,色谱峰变宽。加大进样量时,要增加色谱柱的内径或提高固定液的涂渍量,以提高柱子的负荷能力,但固定液的增加会降低柱效。适当降低柱温也可提高柱的负荷能力。
4.1.3 色谱柱
气相色谱柱分为填充柱和毛细管柱两类。色谱柱内填充的固体物质称为固定相,根据固定相的不同,可把气相色谱法分为气固色谱和气液色谱。农药残留分析常用的是气液色谱柱,以下简要介绍农药残留分析常用的气液色谱柱。
1. 填充柱
⑴. 色谱柱的材料和形状
色谱柱可用玻璃管、不锈钢管等材料制成。常用的色谱柱形状有U形和螺旋形两种,内径一般在2~4mm,柱长0.5~2m。
⑵. 气液色谱固定液
气液色谱填充柱内是惰性固体载体上涂渍一薄层固定液的固定相,固定液的不同直接影响到待测组分的分离效能,固定液的选择是气相色谱分析中的关键环节。
① 对固定液的要求
固定液在操作温度下必须是液态物质,且应具备以下条件:
对组分的选择性好 固定液对组分应有不同的溶解性(良好的选择性),在操作条件下,固定液能使欲分离的两组分有较大的相对保留值;
蒸气压低 蒸气压低,固定液不易流失,可以保持柱效,也不影响高灵敏度检测器的使用;
热稳定好 在操作温度(柱温)下,固定液不发生分解或聚合反应,保持原有特性;
化学惰性好 固定液不与待测组分、载体、载气发生化学反应;
凝固点低、粘度适当 凝固点低则在低温可以使用,粘度适当则可减少因柱温下降粘度变大而造成柱效降低的弊端;
溶解力好 对样品组分有足够的溶解力。
② 固定液的分类
气液色谱固定液很多,它们具有不同的组成、性质、用途,通常按固定液的极性和化学类型分类。化学类型分类是将有相同官能团的固定液排列在一起,然后按官能团的类型分类。这样就便于按组分与固定液结构相似原则选择固定液。
表4-3 常用固定液的化学结构分类
固 定 液 极 性 固 定 液 举 例 分 离 对 象
烃 类
硅氧烷类
强极性
醇类和醚类
酯类和聚酯
腊和脂醚
有机皂土 *弱极性
从弱极性到
强极性
强极性
中极性
强极性 角鲨烷、石蜡油、真空脂
甲基硅氧烷、苯基硅氧烷、
氟烷基硅氧烷、氰基硅氧烷
聚乙二醇
苯甲酸二壬酯
氧二丙腈、苯乙腈 非极性化合物
不同极性化合物
强极性
强极性化合物
应用较广
极性化合物
分离芳香异构体

表4-4 农药残留测定常用固定液的性质
国外商品名称或缩写 化 学 名 称 极性 *高使用温度(℃) 常用溶剂
Apiezon L 饱和烃润滑脂  非 250-300 ①②⑤
Carbowax 20M 聚乙二醇-20000 Polyethylene glycol 20000 极 225-250 ①②
DEGA 己二酸二乙二醇聚酯 Diethylene glycol adipate 中 190-200 ③①②
DEGS 丁二酸二乙二醇聚酯 Ditheylene glycol succinate 极 190-200 ③①②
DC-11 甲基硅酮 Methyl silicone 非 300 ⑤④
DC-200 甲基硅酮 Methyl silicon 非 250 ⑥①②
DC-710 苯基甲基硅酮 Phenyl(50%)methyl
Silicone 中 225-240 ③①②
Epon 1001 环氧树脂 Epoxy resin 极 225 ①②
QF-1 三氟丙基甲基硅酮 Trifluoropropyl(50%)
Methyl silicone 中 250 ①②③
NPGA 己二酸新戊二醇聚酯 Neophentyl glyool adipate 中 225-240 ③①②
NPGS 丁二酸新戊二醇聚酯 Neopentyl glycol succinate 中 225-240 ①②
Reoplex 400 己二酸丙二醇聚酯 Polypropylene glycol
Adipate 中 190-200 ③①②
OV-1 甲基硅酮 Methyl silicone 非 350 ①⑥
(续表4-4)
OV-17 苯基甲基硅酮 Phenyl(50%)methyl
Silicone 中 300-375 ①⑥
OV-101 甲基硅酮 Methyl silicone 非 300-350 ①
OV-210 三氟丙基甲基硅酮 trifluoropropyl(50%)
mehyl silicone 中 275 ①
OV-225 氰丙基苯基甲基硅酮 Cyanopropyl phenyl
Methyl silicone 中 275 ①
SF-96 甲基硅酮 Methyl silicone 非 250-300 ①②
SE-30 甲基硅酮 Methyl silicone 非 300-375 ⑥①②
SE-52 苯基甲基硅酮 Phenyl(50%)methyl
Silicone 中 300 ⑥①②
XE-60 氰乙基甲基硅酮 Cyanoethyl(25%)
Methyl silicone 中 250-275 ①②③
Tween 80 聚氧乙撑山梨糖 Polyoxyethylene sorbitan monooleate  极 150 ⑤①②
Versamid 900 聚胺树脂 Polyamide resin 极 250-275 ①/⑦(1:1)
⑦/⑧(1:1)
⑧/⑨(87:13)
极性:非=非极性,极=强极性,中=中等极性;
常用溶剂:①三氯甲烷,②二氯甲烷,③丙酮,④乙酸乙酯,⑤苯,⑥甲苯,⑦丁醇,⑧酚,⑨甲醇
③ 固定液的选择 总的来说,固定液选择的基本原则是 “相似相溶”原理,即:
A.非极性物质:一般选用非极性固定液,这时试样中各组分按沸点次序流出,沸点低的先流出,沸点高的后流出;
B.极性物质:选用极性固定液,试样中各组分按极性次序分离,极性小的先流出、极性大的后流出;
C.非极性和极性混合物:一般选用极性固定液,这时非极性组分先流出,极性组分后流出;
D.能形成氢键的样品:一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出,不易形成氢键的先流出,*易形成氢键的*后流出;
E.复杂的难分离物质:可选用两种或两种以上混合固定液;
F.对于样品极性情况未知的,一般用*常用的几种固定液做试验。
此外,固定液的选择还需要考虑固定液的使用温度,每一种固定液都有一*高使用温度极限,超过这一温度,固定液会流失或发生化学变化,使色谱柱寿命缩短、沾污检测器。部分高温固定液在较低温度下会结晶或变得特别粘稠,使柱效大幅下降,因此有些固定液有*低使用温度。
⑶. 担体
担体 (也称载体)为固定液提供一个大的惰性表面,以支撑固定液并使其能在表面均匀铺展形成液膜。
①.对担体的要求
比表面积大、孔径分布均匀;表面对溶质无吸附或吸附性很弱;化学惰性、热稳定性好;具有足够的机械强度。
②.担体种类 色谱担体分为硅藻土和非硅藻土担体两大类,硅藻土担体是气相色谱中常用的担体,它是由硅藻的单细胞海藻骨架组成,主要成分是二氧化硅和少量无机盐,根据制造方法不同,又分为红色载体和白色载体。表4-5为农药残留分析中常用的担体。
③.担体表面的预处理
载体表面并非完全惰性,具有一定的活性中心,如硅醇基(—Si—OH)、或含有矿物杂质(如氧化铝、铁等),这些催化活性和吸附活性中心,使色谱峰产生拖尾。为消除这些现象,担体应进行预处理,处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化法等。
酸洗法: 用3~6 mol/L的盐酸浸煮载体,过滤,水洗至中性,甲醇淋洗,脱水烘干。酸洗担体适用于分析酸类、酯类的分析;
碱洗法: 用5%~10% NaOH—甲醇溶液浸泡,然后依次用水、甲醇洗至中性,除去氧化铝等酸性作用点,用于分析碱性物质;
硅烷化: 用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应,使生成硅烷醚,以除去表面氢键作用力。常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷(DMCS),六甲基二硅烷胺(HMDS)等;
化学键合: 白色(未硅烷化)的担体以盐酸回流酸洗后,用蒸馏水洗至中性、烘干,涂6~8%PEG 20 M,在260~280ºC通氮处理,用甲醇洗去未结合的PEG 20 M。
⑷.色谱柱的制备
①.色谱柱管的清洗 玻璃管柱可用洗液浸泡,然后用自来水冲至中性,再用蒸馏水清洗,烘干。不锈钢柱管先用5~10%热碱(NaOH或KOH)洗去管内油污,自来水洗净,再用10%盐酸溶液洗去管内氧化物,*后用自来水、蒸馏水、无水乙醇依次冲洗数次,吹干备用。
②.担体的预处理 担体在涂渍固定液前要进行预处理,即先经分样筛筛去不合规格的担体,用水漂洗除去粉末,烘干待用。
③.固定液的涂渍 为了在担体表面得到一层薄而均匀的液膜,根据配比称取一定量的固定液,溶于适当的有机溶剂中,溶剂应将担体全部浸没。固定液在有机溶剂中全部溶解后,加入一定量经预处理的担体,轻轻搅拌,用红外灯照射或用水浴使溶剂挥发后即涂渍完毕。对于溶解性较差的高温固定液,可用回流法回流使其溶解,然后将担体倒入,继续回流1.5~2h后取下,让溶剂挥发。低浓度固定液的涂渍可考虑采用过滤法,将已知量的载体装入烧结玻璃漏斗中,将涂渍溶液加入,测定过滤前后涂渍溶液量(以其计量载体中固定液的含量),*后抽除溶剂。
表4-5 国内外常见的硅藻土担体
名称 性质 名称 性质
6201担体 红色 Anakrom AB 白色,酸碱洗的Anakrom U
6201釉化担体 6201担体以釉化处理 Anakrom AS 白色,酸洗后DMCS处理的Anakrom U
405担体 白色 Anakrom Q 白色,改进的Anakrom AS
405硅烷化担体 405担体经硅烷化处理 Anakrom ABS 白色,酸碱洗后DMCS处理的Anakrom U
101担体 白色与Celite545相近 Anakrom SD 白色,酸洗及DMCS
101硅烷化担体 101担体经HMDS处理 Chromosorb P N AW 红色,未经酸洗
102担体 白色与Chromosorb W及Gas Chrom P相近 Chromosorb P AW-DMCS 红色,酸洗后DMCS处理
102硅烷化担体 102担体经HMDS处理 Chromosorb P AW 红色,酸洗
201担体 红色 Chromosorb P AW-HMDS 红色,酸洗后HMDS处理
201硅烷化担体 201担体经HMDS处理 Chromosorb G  白色,高比重
202担体 浅红色 Chromosorb G AW 白色,酸洗的Chromosorb G
Gas Chrom R 红色,Sil-O-Cel C-22保温砖担体 Chromosorb G AW-DMCS 白色,酸洗后DMCS处理的Chromosorb G
Gas Chrom RA 红色,酸洗的Gas ChromR Chromosorb W 白色,低比重
Gas Chrom RP 红色,酸碱洗的Gas Chrom R Chromosorb W AW 白色,酸洗的Chromosorb W
Gas Chrom RZ 红色,酸洗后DMCS处理的Gas Chrom R Chromosorb W AW-DMCS 白色,酸洗后DMCS处理的Chromosorb G
Gas Chrom S 白色,未处理,原料为Celatom Chromosorb W AW-DMCS-HP 白色,酸洗和DMCS处理的高效担体
Gas Chrom CL 白色,未处理,原料为Celite Chromosorb W HMDS 白色,HMDS处理的Chromosorb W
Gas Chrom CLS 白色,酸洗后DMCS处理的Celite Gas Chrom CLH 白色,酸洗后HMDS处理的Celite
Gas Chrom CLA 白色,酸洗的Celite Celite 545 白色,未处理
Gas Chrom P  白色,酸碱洗的Celatom Aeropak 白色,高效,惰性
Gas Chrom CLP 白色,酸碱洗的Celite C-22(Sil-O-Cel) 红色,保温砖
Gas Chrom Z 白色,酸洗后DMCS处理的Celatom Diatomite C 白色,酸碱洗
Gas Chrom Q 白色,酸碱洗后DMCS处理的Celatom Diatomite(Pink) 红色
Shimalite W 白色 Diatomite(White) 白色
Gas Chrom A 白色,酸洗的Celatom Diatoport P 红色
Anakrom P 红色,未处理硅藻土 Diatoport S 红色,酸洗及DMCS处理
Anakrom PA 红色,酸洗的Anakrom P Diatoport W 白色
Anakrom U 白色,未处理硅藻土 Embacel 白色
④.装柱 色谱柱装填质量的好坏直接影响到柱效能,要求装填紧密、均匀、不留空隙。通常在色谱柱末端塞上硅烷化玻璃棉,连接真空泵,另一端接漏斗。在真空泵的抽吸下,使固定相慢慢经漏斗倒入,边抽气边轻轻敲打柱管,使固定相均匀装紧在色谱柱管中,填满后将漏斗一端填充好硅烷化玻璃棉。
⑤.色谱柱的老化 装填好的色谱柱要进行老化处理后,才能接检测器使用。老化的目的在于:彻底除去固定相中残余溶剂和某些挥发性物质,确保检测器不受污染;促进固定液均匀地、牢固地分布在载体表面上,以提高柱效能。老化的方法一般是将把色谱柱正常接在气化室上,另一端放空(不接检测器),用与操作时相近的载气流速,略高于操作温度10~20℃(但低于固定液的*高使用温度)的条件下,通气24~48h,再降温至使用温度,接上检测器,基线稳定后即可使用。
2. 毛细管色谱柱
毛细管柱的内径一般小于1mm,它可分为填充型和开管型两大类。目前使用的大多是开管型毛细管柱。开管型毛细管柱按其固定液的涂渍方法不同,可分以下几种:涂壁开管柱(WCOT)—内壁预处理后再把固定液直接涂在毛细管内壁上,目前使用的毛细管柱大部分属于这种类型;多孔层开管柱(PLOT)—在管壁上涂一层多孔性吸附剂固体微粒,不再涂固定液,属于气固色谱开管柱;载体涂渍开管柱(SCOT)—毛细管内壁涂一层载体,载体上再涂固定液,这种毛细管柱液膜较厚,柱容量较WCOT柱大;交联型开管柱—采用交联引发剂,在高温处理下,把固定液交联到毛细管内壁。热稳定性和耐溶剂性能均优于WCOT、SCOT毛细管柱。键合型开管柱:将固定液用化学键合的方式键合到涂敷硅胶的柱表面或经表面处理的毛细管内壁上,由于固定液是化学键合上去的,大大提高了热稳定性。农药分析中常用的毛细管柱如表4-6。
毛细管柱显著的特点是柱效能高、柱渗透率大、柱容量小。分辨能力、灵敏度、分析速度以及色谱柱的相对惰性都优于填充柱。弹性石英毛细管柱使得操作更方便易行,进样系统的不断完善,提高了毛细管气相色谱分析的精密度和准确性,而且大大增加了进样量,进一步提高了灵敏度。农药残留分析已由过去以填充柱为主转变成目前(尤其是对多残留分析)以毛细管柱为主,对多类型多残留或同一类型多残留农药分析毛细管气相色谱是*有力的工具。
4.1.4 检测器
检测器是测量柱后流出物质成分和浓度变化的装置,通过化学和物理作用,将流出物质成分和浓度的变化转换为电信号。检测器可分为积分型和微分型两大类,积分型检测器测量的是柱后流出组分的总量,其响应值与组分总量成正比,所记录的是台阶形曲线,每一台阶的高度正比于某组分的含量;微分型检测器检测的是流出组分及其浓度的瞬间变化,记录的是近似于高斯曲线的峰,峰面积与组分含量成正比。
微分型检测器又分为浓度型和质量型两类。浓度型检测器响应信号的大小取决于组分在载气中的浓度,这类检测器有热导检测器及电子俘获检测器等。质量型检测器响应信号的大小取决于组分在单位时间内进入检测器的量,这类型的检测器有氢火焰离子化检测器、火焰光度检测器和氮磷检测器。
表4-6 常用毛细管及其相应固定液
固定液 毛细管 填充柱
基本结构 取代基  
聚硅氧烷 100%甲基 DB-1(ht), HP-1, HP-101,
007-1(MS), SP-2100
SPB-1, BP-1, CP-Sil 5CB,
Ultra 1, RSL-150, RSL-160,
Rtx-1, SP-2100, CB-1, OV-1,
PE-1, SE-30, AT-1 OV-101, OV-1,
SP-2100, DC 200,
CP-Sil 5, SE-30

聚硅氧烷 50%甲基,
50%苯基 DB-17 (ht), HP-17, PE-17,
007-17(MPS-50), AT-50,
SP-2250, Rtx-50, RSL-300 OV-17, OV-11,
SP-2250, OV-22,
DC-710
聚硅氧烷 50%甲基,
50%氰丙基苯基 DB-225, HP-225, OV-225,
SP-2330, CP-Sil 43CB, RSL-500,
Rtx-225, BP-225, CB-225,
PE-225, 007-225, AT-225 OV-225

聚硅氧烷 86%甲基,
14%氰丙基苯基 DB-1701, SPB-7, CP-Sil 19CB,
Rtx-1701, BP-10, CB-1701,
OV-1701, PE-1701, 007-1701 OV-1701

聚硅氧烷 95%甲基,
5%苯基 DB-5 (ht), HP-5, Ultra-2,
OV-5, SPB-5, Rtx-5,
CP-Sil 8CB, RSL-2000,
BP-5, CB-5, PE-5, SE-52,
007-2(MPS-5), SE-54 OV-3, OV-73, CP-Sil 8

聚硅氧烷 50%甲基,
50%三氟丙基 DB-210, RSL-400, SP-2401
 OV-210, SP-2401,
OV-202, OV-215
聚乙二醇  DB-WAX, HP-20M, Carbowax,
Supelcowax 10, CP-WAX 52CB,
SUPEROX II, Stabilwax, BP-20,
CB-WAX, PE-CW Carbowax 20M,
Supelcowax 10

1.检测器的性能指标
噪声 在没有样品进入检测器的情况下,检测器或放大器本身以及其它操作条件(如柱内固定液流失、气化室硅橡胶隔垫漏气,载气、温度、电压的波动;气路漏气等)引起基线在短时间内的起伏,称为噪声。基线在一定时间对原点产生的偏离,称为飘移。
灵敏度 单位时间或单位体积载气内一定量的物质通过检测器时所产生的信号的大小,就是检测器对该组分的灵敏度。浓度型和质量型检测器灵敏度计算公式如下:
………………………………(4.15)
……………………………(4.16)
式中Ai为色谱峰的面积(cm2),μ1为记录纸移动的速度(cm/min),μ2为记录器的灵敏度(mV/cm),F为载气流速(mL/min), mi为进入检测器的组分i的量。
检测限 检测器能产生二倍于噪声的信号时,组分随载气进入检测器的量为检测器的检测限(亦称敏感度),其定义用下式表示,
………………………………………(4.17)

*小检测量和*小检测浓度 产生二倍噪声信号的组分的量称为检测器的*小检测量。计算公式如下:
……………………………(4.18)
…………………………(4.19)
*小检测量与检出限是两个不同的概念,检测限只用来衡量检测器的性能,而*小检测量不仅与检测器性能有关,还与色谱柱效及操作条件有关。
根据*小检测量和进样体积可以计算*小检测浓度。
线性范围 指被测组分的量与检测器响应信号成线性关系的范围,通常用保持线性的*大进样量与*小检出量的比值表示。
响应时间 进入检测器的组分输出信号达到其真值的63%所需的时间。检测器的死体积小,电路系统的滞后现象小,响应速度就快。
2. 常用检测器
⑴. 火焰离子化检测器(FID)
火焰离子化检测器是使含碳有机物在火焰中燃烧产生离子,在外加电场作用下,形成离子流,根据离子流产生的电信号强度,检测组分。火焰离子化检测器能检测大多数含碳有机化合物,其结构简单、性能稳定、灵敏度高、响应快、线性范围宽,是目前应用广泛的色谱检测器。
①.结构 火焰离子化检测器的主体是离子室,内有石英喷嘴,喷嘴上方有一加高压直流电压的极化极(或称发射极)和收集极等部件。组分随载气进入火焰,发生离子化反应,燃烧生成的电子、正离子,在电场作用下向收集电极和发射电极作定向移动从而形成电流,记录得色谱图。

 ②.工作原理 关于火焰离子化检测器离子生成的机理至今还不十分清楚。一般认为是一个化学电离过程,有机物在火焰中燃烧生成自由基,然后与氧产生正离子,再同水反应生成H3O+离子。化学电离产生的正离子(H3O+)及电子在电场作用下形成微电流,经放大后记录下色谱峰。
③.影响灵敏度的因素
检测器的结构(喷嘴、电极形状与距离、电极电压)对火焰离子化检测器的灵敏度产生直接影响,操作条件(氢气、载气、空气流速及其比例和检测室的温度)也影响灵敏度,其中气流流量是影响灵敏度的主要操作参数。以氮气等惰性气体作载气、氢气作燃气时,H2/N2对灵敏度影响很大,氮气流量不变的情况下,氢气流量对灵敏度的影响如图4-9,氢气有一*佳流量,空气流量超过一定值后对灵敏度无影响(图4-10)。一般氢气为20-30毫升/分,载气与氢气的比大约为1:1,空气为氢气的10-15倍,检测器温度略高于柱温。

 氢气流量对灵敏度的影响 图4-10 空气流量对灵敏度的影响
⑵.火焰光度检测器(FPD)
火焰光度检测器,也称硫、磷检测器,对含磷、硫化合物具有较高的选择性和灵敏度,检出限可达10-12g•s-1(对P)或10-11g•s-1(对S),广泛用于有机磷和有机硫农药残留量测定。
①.结构 常用的火焰光度检测器为单火焰,其构成主要包括氢火焰和光度测定两个部分。氢火焰与火焰离子化检测器类似,光学测定系统包括石英窗、滤光片和光电倍增管。石英窗作用是保护滤光片不受水气和燃烧产物的侵蚀。

 火焰光度检测器结构示意图
②.工作原理 从色谱柱进入检测器的含硫或含磷化合物在富氢火焰中燃烧时,生成化学发光物质,并能发射出特征波长的光,记录这些特征光谱,就能检测硫和磷。如:


(化学发光)

激发态 分子回到基态时发射出350—430nm的特征光谱,max为394nm。含磷化合物燃烧时生成磷的氧化物,在富氢火焰中被氢还原成化学发光的HPO碎片,HPO碎片回到基态发射出max为526nm的特征光谱。因此,火焰光度检测器滤光片分硫型和磷型。
火焰光度检测器(FPD)的*大进展是脉冲式火焰光度检测器(PFPD)的发明与应用。PFPD在灵敏度和燃烧气消耗等方面都超过了FPD的性能。PFPD对S、P、N化合物具有很高的灵敏度和选择性,并可用于其他二十多种元素的检测。

 图4-12是PFPD的示意图。PFPD包括点火室和燃烧室。PFPD以“脉冲”方式工作:点火室内点火器持续通电,一直处于灼烧状态,但无火焰。柱流出物随富氢/空气混合气进入燃烧室,并与从旁路进入的富空气/氢气混合气一道流入点火室点燃,接着又自动引燃燃烧室中的混合气,使被测组分在富氢/空气焰中燃烧、发光。燃烧后由于瞬间缺氧.火焰熄灭。连续的气流继续进入燃烧室,排掉燃烧产物,重复上过程进行第二次点火;如此反复进行.一秒钟断续燃烧1~10次,即火焰脉冲频率为1~10Hz。当组分从柱后流入燃烧室,在脉冲氢焰中发光。
⑶.电子捕获检测器(ECD)
电子捕获检测器是一种选择性检测器,对具有电负性的物质(如含有卤素、硫、磷、氮、氧、氰的物质)具有很高的灵敏度。电负性越强,检测器的灵敏度越高;对电中性的物质(如烷烃等)则无讯号。电子捕获检测器已广泛地用于农药残留分析。
①.结构 电子捕获检测器(ECD)的结构示意图见图4-13。在检测器池体内,装有一个圆筒状β-放射源(H-3,或Ni-63)作为负极,一个不锈钢棒作为正极,两者之间以聚四氟乙烯或陶瓷绝缘。在检测室内,放射源的β-射线,将载气N2或Ar及其杂质电离,产生正离子和低能量的电子,这些电子在恒定或脉冲电场作用下,向正极运动,形成恒定的电流即基流。当有电负性组份进入检测器池,就能捕获这些低能电子,从而使基流降低,产生负讯号-倒峰(即色谱峰)。

 电子捕获检测器结构示意图
②.捕获原理 电负性物质捕获电子的机理可以下列反应式表示:

被测组分浓度愈大,捕获电子几率愈大,结果使基流下降越快,倒峰愈大。
传统的电子俘获检测器采用放射源且检测池体积大,近些年非放射性ECD和缩小检测池体积等方面取得重要进展,如:1)脉冲放电电子俘获检测器(PDECD) PDECD内有放电区和反应区。在放电区通过氦气流中脉冲放电产生大量亚稳态He。它跃迁到基态,发射出波长为60~ll0nm的光,提供11.3~20.7eV的能量。当它遇到掺杂气中的甲烷时,即将其电离,产生大量自由电子。这些电子进而通过非弹性碰撞,动能下降成低能热电子,被收集即为ECD的基流。当柱流出物的电负性组分进入检测池反应区,就俘获这些热电子,使基流下降产生信号。PDECD与放射性ECD的差别在于生成电子方式的不同。PDECD的检测电路有恒电压方式(CP-型)和恒电流方式(CC-型),两种方式的性能如相对响应、温度和掺杂气的影响等均相似;但CC-型的灵敏度和线性范围均优于CP-型;另外,CC-型还有易操作、响应快速和电路简单等优点。PDECD较好地克服了放射源表面易污染,使灵敏度下降,池体积大,不易与毛细管柱连用等弊端。2)池体积缩小 为使毛细管柱可直接与ECD连接,ECD池体积由早期的800~1500μL逐渐缩小,如安捷伦公司的6890 Micro-ECD池体积仅为150μL,瓦里安3500型气相色谱仪中的ECD为l00μL。
⑷.氮磷检测器
氮磷检测器是由热离子检测器发展而来,热离子检测器用氢火焰将样品离子化并加热碱源,碱源是可挥发性的碱金属(如钠盐),使用寿命短,检测器的灵敏度难以保持稳定。Kolb与Bischoff于1974年首先研制出可测定氮或磷化合物的碱源(铷珠),由碳酸铷和二氧化硅按一定比例烧结而成,以白金丝作支架并与铷珠加热器相连,采用电流加热,使用寿命长。
①.结构 氮磷检测器的结构(如图4-14)与火焰离子化检测器类似,在火焰喷嘴与收集极之间,装有铷珠。

②.工作原理 氮磷检测器的机理尚未十分清楚,一般认为铷珠被加热后,铷珠的周围有挥发的铷原子,处于热激发状态。无样品时,气化的铷原子与火焰中的各种基团反应生成Rb+,被负极的铷珠吸引返回表面,中和后又再次挥发;而火焰中产生的各种基团获得电子成为负离子,负离子与电子被正极的收集极吸引和收集,形成本底基流。含氮和磷化合物进入铷珠周围完全燃烧游离基,这些游离基团从气化的铷原子获得电子,向收集极迁移形成电流。
⑸. 原子发射检测器
原于发射检测器是90年代新型的一种检测器,其原理是使待测组分流出色谱柱而进入氦或氩等离子体,等离子区的高温使组分分子断裂化学键,微波等离子体是一种强有力的原子、分子激发源,其中存在的大量高能电子和亚稳态中性原子或分子能激发待测组分原子进入较高的电子激发状态。当被激发的原子转变到较低的电子能级时即发射出特征频率的光谱线,经分光后,含有光谱信息的全部波长聚焦到二极管阵列。用电子学方法及计算机技术对二极管阵列快速扫描,采集数据,*后可得三维色谱光谱图。
4.1.5 定性与定量分析
1. 定性分析
气相色谱法是一种高效、快速的分离分析技术,可以在较短时间内分离多种甚至几十种、上百种组分的混合物,这是其他方法无法比拟的。但是,气相色谱本身不具备鉴定功能,定性分析的主要依据是保留值,这给定性分析带来一定难度。气相色谱与质谱、光谱等联用,既充分利用色谱的高效分离能力,又利用了质谱、光谱的高鉴别能力,加上运用计算机对数据的快速处理和检索,为未知物的定性分析开辟了一个广阔的前景。
⑴. 利用保留值的定性分析
①.利用已知纯物质对照定性 在一定操作条件下,任何组分都有一个确定的保留值,基于这一特征,样品和纯物质保留值的直接比对可以作为定性的依据。如果样品较复杂,可在未知混合物中加入已知纯物质,通过未知物中峰的变化,来确定未知物中成分。
②.利用保留值的经验规律定性 实验证明,在一定柱温下,同系物的保留值对数与分子中的碳数成线性关系,即为碳数规律;在同一族的具有相同碳数的异构体的保留值对数与其沸点成线性关系,即为沸点规律。
③.利用相对保留值定性 利用保留值定性,样品和纯物质的分析条件必须一致。只要保持柱温、固定液不变,即使载气流速等条件有所变化,也不会影响相对保留值。因此,利用相对保留值定性比直接用保留值定性更为方便、可靠。
④.利用保留指数定性 保留指数又称Kovats 指数,是一种重现性较其他保留数据都好的定性参数,可根据所用固定相和柱温直接与文献值对照,而不需标准样品。保留指数的计算式如下:
………………(4.20)
、 、 分别为组分、n碳原子和n+1碳原子的正构烷烃。
保留指数的一个重要特性是同一物质在同一柱上保留指数的关系通常是线性的,利用这一规律可以用内插法求得不同温度下的指数,便于与文献值比较。
⑤.双柱、多柱定性 不同物质在同一色谱柱上可能具有相同的保留值,用两根或多根不同极性的色谱柱进行分析,考察样品的纯物质保留值的变化作为定性依据。
⑵.与其它方法结合定性
气相色谱与质谱、光谱、核磁共振等仪器,以及利用化学方法配合进行未知组分定性,在确定未知化合物结构时是非常有效的途径。
2. 定量分析
在气相色谱法中的定量分析就是根据色谱峰的峰高或峰面积来计算样品中各组分的含量。常用的定量方法有标准曲线法、外标法、面积归一化法和内标法。
⑴ 外标法 已知浓度的标准样品与待测样品在完全相同的条件下进行色谱分析,以两者的峰高或峰面积的比较计算样品的含量,有直接对比法和标准曲线法。直接对比法是待测样品与标准样品的峰值直接比较计算样品含量;标准曲线法以标准样品作浓度与峰值关系图,然后根据测得的待测样品峰值从峰值—浓度关系曲线图查浓度。
外标法较为简便,不需要校正因子,但进样量要求十分准确,操作条件也需严格控制。
⑵ 内标法 在试样中加入能与所有组分完全分离的已知量的内标物质,用相应的校正因子校正待测组分的峰值并与内标物质的峰值进行比较,求出待测组分含量的方法。计算公式如下
校正因子 …………………………………(4.21)
式中mis:标准样品量;m0:内标物量;Ais:标准样品峰面积(或峰高);A0:内标物峰面积(或峰高)
式中 :样品质量; :测定样品时内标物的质量; :样品峰面积(或峰高); :内标物峰面积(或峰高)。
内标法中内标物的选择:内标物色谱峰的位置在各待测组分之间或与之相近;稳定性好、与样品不发生化学反应;在样品中具有很好的溶解性;内标物浓度适当、峰值与待测组分相近。
⑶ 归一化法 样品中所有组分全部流出色谱柱,并在色谱图上都出现色谱峰。

 

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