《气相色谱法-河北医科大学分析化学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气相色谱法-河北医科大学分析化学.ppt（72页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、气相色谱法,河北医科大学分析化学 樊淑彦,气相色谱法 （gas chromatography;GC),简介： 1.定义:是以气体为流动相的柱色谱法。 2.气相色谱的发展： 由英国生物学家Martin等人创建，1941年首次提出用气体作流动相，1952年第一次分离复杂混合物，1955年第一台商用仪器问世，1956年速率理论出现，1957年诞生了毛细管色谱法，1959年Martin等人创建了裂解气相色谱法，60年代产生了气质联用法。,简介,3.气相色谱法的特点： “三高” “一快” “一广” 高效能一般填充色谱柱n为几千，毛细管 为105106 高灵敏度可以检出10111013 g的物质； 高选择
2、性可以分离异构体、同位素等； 分析速度快分析一个样品一般只需几分钟几十 分钟 应用广气体及易挥发物,简介,气相色谱法缺点： 1.样品必须气化； 2.定性困难； 3.遇热易分解的物质不能应用； 4.高腐蚀样品，不如化学方法简便。,第一节 气相色谱法的分类和一般流程,一、气相色谱法可按不同方式来分类： 1. 按固定相分 气-固色谱(GSC) 气-液色谱(GLC) 2. 按分离原理分 吸附色谱 分配色谱 3. 按柱子粗细分 填充柱色谱(内经4mm6mm) 毛细管柱色谱(内经0.1mm0.5mm),气相色谱法的一般流程,二、气相色谱法的一般流程,载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量 进样系
3、统：包括进样器、气化室、加热系统 色谱柱系统：包括恒温控制系统、色谱柱 检测系统：包括检测器、控温装置 记录系统：包括放大器、记录器、数据处理装置,第二节气相色谱固定相和流动相,一、气液色谱固定相 固定相组成：载体+固定液 （一）载体 1作用：承载固定液的作用 2要求： 比表面积大，孔径分布均匀（多涂渍固定液） 无吸附性（不吸附被测组分） 化学惰性（不与固定液发生化学反应） 热稳定性好 有一定的机械强度,（一）载体,3分类： （1）硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒；将天然硅藻土压成砖形，在900锻烧，然后粉碎，过筛而成。 红色：吸附力强，与非极性物质配伍 白色：吸附力弱，与极性物质配伍
4、（2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球， 氟塑载体，含氟化合物,红色担体：锻烧后天然硅藻土中所含的铁形成氧化铁，呈淡红色 白色担体：加助溶剂Na2CO3，氧化铁转化为无色硅酸钠铁盐，呈白色,（一）载体,4载体的处理方法钝化，减弱吸附性 酸洗：除铁、铝等金属氧化物，用于分析酸类和酯类 碱洗：除表面Al2O3等酸性用于分析胺类等碱性化合物 硅烷化：除表面的硅醇基，用于具有形成氢键能力的较强的化合物分析 表面釉化：屏蔽或惰化载体的吸附活性中心，在载体表面产生一玻璃状的“釉层”,载体的选择,（二）固定液,1固定液的要求： （1）操作柱温下固定液呈液态（易于形成均匀液膜） （2）操作条件下固定液热稳定性和
5、化学稳定性好 （3）固定液的蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低） （4）固定液对样品应有较好的溶解度及选择性,2.化学分类法,（1）.烃类：烷烃，芳烃 例 角鲨烷标准的非极性固定液，用于分离非极性物质 （2）硅氧烷类（使用最广泛，通用型固定液） （a）甲基硅氧烷：弱极性 甲基硅油 （n400 ） 最高使用温度为220270 甲基硅橡胶（ n400） 最高使用温度为220270 （b）苯基硅氧烷 ：极性稍强（随苯基，极性） 甲基苯基硅油 （n400 ） 甲基苯基硅橡胶（ n400） ：按苯基含量不同分 低苯基硅橡胶 苯基含量在20以下 中苯基硅橡胶 苯基含量在2050 高苯基硅橡胶 苯基含量在50
6、以上 （c）氟烷基硅氧烷：中等极性 （d）氰基硅氧烷：强极性,续前,（3）醇类（氢键型固定液） 非聚合醇 长链脂肪醇和多元醇 聚合醇 聚乙二醇（PEG-20M2500C） 固定液分子量不同，分子中羟基与醚基比例不同，分子量越小，羟基的比例越大，极性越强。聚乙二醇平均分子量从30020000，随分子量增大，羟基比例减小，极性减弱。 （4）酯类：中强极性固定液 非聚酯类 邻苯二甲酸二壬酯（DNP） 聚酯类 丁二酸二乙二醇聚酯 （PDEGS或DEGS） 注意：高温下，酸性或碱性物质使聚酯水解，200以上水蒸汽也使其水解，因此限制了聚酯在分析有机化合物的水溶液方面的应用。,3.极性分类法,（1）相对极
7、性法P： 规定： 非极性固定液角鲨烷相对极性为0 强极性固定液，氧二丙睛相对极性为100,续前,测定方法： 选取一对物质：苯与环己烷或正丁烷与丁二烯，分别测定它们在以上选定的两种固定液和被测固定液上的相对保留值的对数， 注：相对极性分为五级 P=020 “1” P=2140 “2” P=4160 “3” P=6180 “4” P=81100 “5”,即,式中q1 、q2和qx分别为苯和环己烷在，氧二丙睛、角鲨烷和待测固定液上的q值。,（2）.罗氏固定液特征常数：,选取五种物质来表征一种固定液的特性 苯电子给与体； 乙醇质子给予体； 甲乙酮定向偶极力； 硝基甲烷电子接受体； 吡啶质子接受体。,续
8、前,式中Ip与Is分别代表组分m在某固定液和参比固定液角鲨烷上的保留指数。 根据分子间作用力具有加和性，固定液总极性为：,续前,五种组分的质常数,（3）麦氏固定液特征常数,麦氏常数对固定液的表征表,（三）固定液的选择,（1）按相似相溶原则选择 a按极性相似原则选择： 固定液与被测组分极性“相似相溶”，K大，选择性好 非极性组分选非极性固定液， 按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱 中等极性组分选中等极性固定液， 基本按沸点顺序出柱 强极性组分选极性固定液 按极性顺序出柱，极性强的后出柱 注：对于中等极性组分，若沸点相同， 则按极性顺序出柱，极性较强的后出柱,续前,b按化学官能团相似选择： 固定液与被
9、测组分化学官能团相似，作用 力强，选择性高 酯类选酯或聚酯固定液 醇类选醇类或聚乙二醇固定液,（2）按组分性质的主要差别选择,组分的沸点差别为主 选非极性固定液 按沸点顺序出柱 沸点低的先出柱 组分的极性差别为主 选极性固定液 按极性强弱出柱 极性弱的先出柱 使用混合固定液分离复杂样品和异构体 例：苯（80.10C），环己烷（80.70C） 选非极性柱 分不开； 选中强极性柱 较好分离，环己烷先出柱,（3）按麦氏常数选择固定液,由于麦氏常数比较全面的描述了固定液的分离特性，可以依据其常数区分、比较固定液的分离特性。 例如:正丁基乙基醚中杂质正丙醇的检查 沸点分别为91和97，应让正丙醇先出柱，
10、因此选择固定液对正丁基乙基醚作用力强，对正丙醇作用力弱，即选Z值大于Y值的固定液，因为醚是质子受体，醇是质子给体，因此只有选择具有高Z/y值的固定液，才能将其分开。,二、气-固色谱固定液,固定相： （1）吸附剂：硅胶、AL2O3（极性，吸附力 强）、活性炭（非极性） （2）分子筛：吸附+分子筛 （3）高分子多孔微球GDX 有机合成高分子聚合物 吸附+分配机制,三 流动相,（一）氢气 纯度大于99.99，由于它的分子量小，热导系数大，粘度小，使用热导检测器时，常用它作载气；氢气易燃、易爆，应注意安全。 （二）氮气 纯度大于99.99，由于它的扩散系数小，热导系数小，除热导检测器外，常用它作载气；
11、,第三节 检测器,检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为电信号的装置 一、气相色谱检测器分类：按检测原理分 浓度型检测器：测量组分浓度的变化响应值与组分 的浓度成正比（TCD） 质量型检测器：测量组分质量流速的变化响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比（FID）,二、常用检测器的特点和检测原理,（一）热导检测器（TCD） 1特点：浓度型检测器 优点： 1）通用型，应用广泛 2）结构简单 3）稳定性好 4）线性范围宽 5）不破坏组分，可重新收集制备 缺点：与其他检测器比灵敏度稍低 （因大多数组分与载气热导率差别不大）,2结构,测量臂接在色谱柱后， 通样品气体+载气，电阻为R1 惠斯通电
12、桥 参比臂接在色谱柱前，只通载气，电阻R2 两个等阻值电阻R3 = R4,3检测原理： 依据组分与载气的热导率差别进行检测,1）进样前：两臂均通载气时,2）进样后：测量臂通样品气体+载气 参比臂通载气时,4影响因素及注意事项,(1）桥流，灵敏度 灵敏度足够时，桥流应尽可能小（100200mA） 先通载气，再给桥流 ,否则热敏元件易烧坏 （2），灵敏度，选大的做载气 载 组，出正峰 载 = 组，不出峰 载 He N2选氢气做载气 （3） T池，池体与热丝温差，灵敏度 保证T检 T柱，以免造成检测器污染 （4）浓度型检测器， 在进样量一定时，A 1/u， 以A定量，应保持u一定 （峰面积定量依据）
13、,（二）氢焰检测器（FID）,1特点：质量型检测器 优点：专属型检测器（只能测含C有机物） 灵敏度高（ TCD） 响应快 线性范围宽 缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回收 （制备纯物质，不采用）,2结构,3检测原理和离子化机理,检测原理：利用组分在氢焰中产生离子流进行检测 有机化合物离子对离子流流向阴、阳极放大记录 离子流强度与进入检测器中组分的量及分子中的含碳量有关，含量越大，产生的微电流就越大 离子化机理：化学电离理论 氢焰自由基正离子,4操作条件选择和注意事项,1）载气的选择： 载气N2气 燃气H2气 助燃气空气 通常N2:H2(燃气）1：11：1.5 H2:空气（助燃气）1：51：10
14、2）使用温度：高于柱温501000C,续前,3）注意问题： 质量型检测器，h u， 以h定量，应保持u恒定（峰高与载气流速 成正比，峰面积定量与载气流速无关） 极化电压150300v 用硅油作固定相，需选用分子量较大的，并在较低的柱温下使用，否则硅油流失，在收集极表面形成一层绝缘层，不产生信号。,（三）电子捕获检测器,1特点：浓度型检测器 优点：高选择性检测器（只能测含电负性强的元素的物质） 灵敏度高（1014g/ml） 缺点：线性范围窄 响应易受操作条件影响，分析重现性差,2结构,3检测原理,检测原理：电子捕获检测器实际上是一种放射性离子化检测器。 放射源不断放出粒子，即初级电子。当载气（A
15、r或N2)分子进入内腔时，不断受到粒子轰击而离子化，形成次级电子和正离子。在电场作用下，次级和初级电子一齐向阳极运动，并为阳极收集，产生约109108A的基流，在记录器上产生一条平直的基线。当电负性组分进入检测器时，立即捕获这些自由电子，使基流下降，产生信号。 Ar+ Ar+ +e AB + e =AB- AB + e=A + B（或 A- + B) Ie= I0 e-KAC,4注意事项,1）载气的选择： 载气N2气（纯度大于99.999），不应含有O2 、H2o 及其它电负性杂质。 2）使用温度：高于柱温，但不能过高，否则，加速放射源的放射，寿命缩短。 3）一般使用低于饱和基流所对应的极化电
16、压，因极化电压低，电子能量小，分子捕获电子的可能性大，检测灵敏度高。 4）检测器出口必须连接几米长金属或塑料管道后，再与大气相通，以防止氧化反扩散进入检测器，使检测器污染。 5) 载气流速通常为40100ml.min-1,三、检测器的性能指标,（一）噪声与漂移 1噪声：无样品通过时，由仪器本身和工作条件等 偶然因素引起基线的起伏称为噪声（以噪声带衡量） 2漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为 （以一小时内的基线水平变化来表示）,（二）灵敏度（响应值，应答值）,1浓度型检测器的灵敏度（Sc）,（二）灵敏度（响应值，应答值）,2质量型检测器的灵敏度（Sm）,（三）检测限（敏感度）：,定义：组分
17、峰高为噪音二倍时，单位时间内载气引入检测器中该组分的量（g/s)或单位体积载气中所含该组分的量(mg/ml)。 检测限小，仪器性能好,质量型检测器,浓度型检测器,第五节 分离条件的选择,一、分离度（分辨率）及影响因素 1分离度定义式 分离度：相邻两组分间峰顶间距离是峰底宽平均值的几倍（衡量色谱分离条件优劣的参数）,续前,a,b,c,柱效项,柱选择项,容量因子项,k 影响峰位,n 影响峰宽窄,影响两峰间距,a柱效项及其影响因素：,影响色谱峰的宽窄 主要取决于色谱柱性能及载气流速,讨论,增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段 提高柱效、改善分离的途径：增加柱长；降低板高 根据速率理论，降低板高、提
18、高柱效的方法是： 1）采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项 ） 2）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项 ） 3）适宜的操作条件： 流动相的性质和流速，柱温等等（B项 ） 选用分子量较大、线速度较小的载气N2气， 控制较低的柱温,b柱选择项及其影响因素：,影响峰的间距 主要受固定相性质，以及柱温影响,讨论,增大柱选择性是改善分离度的最有力手段 气相色谱中，柱选择性取决于固定相性质和柱温 选择合适的固定相使与不同组分的作用产生差别才能实现分离 一般说，降低柱温可以增大柱的选择性,c柱容量项及其影响因素：,影响峰位 主要受固定相用量、柱温和载气流速的影响,控制k的最佳范围 25,GC中，增加固定液用
19、量和降低柱温可以增加 k,例子,太小，两组分未分开 应改变固定相极性，降低柱温,k 太小，n 也太小， 应增大固定液用量，降低柱温,n 太小，许多组分未分开 应设法降低板高，提高柱效,二、实验条件的选择：,1色谱柱的选择（以气液分配色谱为主） （1）固定液的选择： 1）按 “相似相溶”原则：极性相似或官能团相似 2）按组分性质主要差别： 沸点相差大的选非极性固定液 沸点相差小的选极性固定液 3）柱温 固定液最高使用温度防止固定液流失 （2）固定液配比的选择： 高沸点组分比表面积小的载体， 低固定液配比（1%3%），低柱温 低沸点组分高固定液配比（5%25%） 加大k值，达到良好分离 难分离组分
20、毛细管柱,续前,（2）柱长的选择,注：根据R1.5选择L，一般较短(0.66m)，不可以无限延长柱子,例：两组分在1 m长柱子上的分离度为0.75，问使用多长柱子可以使它们完全分离？,解,例题,例：已知物质A和B在一根30.0cm长的柱上的保留时间分别为16.40和17.63min，不被保留组分通过该柱的时间为1.30min，峰底宽为1.11和1.21min，试计算（1）柱的分离度（2）柱的平均塔板数（3）塔板高度（4）达1.5分离所需柱长,解：,续前,板高：,2柱温的选择,柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分离度,原则： 1）在能保证R的前提下，尽量使用低柱温，但应保证适宜的tR及
21、峰不拖尾，减小检测本底 2）根据样品沸点情况选择合适柱温 柱温应低于组分沸点501000C,高沸点混合物（300400）：低于沸点100150，低配比（13），高灵敏度检测器 沸点300的试样：比平均沸点低50至平均沸点的温度范围内选择，固定液配比525 宽沸程样品应采用程序升温,例子,程序升温好处：改善分离效果、缩短分析周期 改善峰形、提高检测灵敏度,3载气与流速的选择,对峰展宽、柱压降和检测器灵敏度的影响 根据H=A+B/u+Cu 可知U,B/U,CU 低流速时（0u 最佳），B/U起主导作用，选分子量大的载气 高流速时（uu 最佳），CU起主导作用，选分子量小的载气 对于较长的色谱柱，柱
22、压大，宜用H2作载气，粘度小，柱压降低。低分子量的载气，有利于提高线速，实现快速分析。用热导检测器，应选H2或氦气；对氢焰检测器，一般用N2 。 载气流速影响分离效率和分析时间。为获得高柱效，应选用最佳流速，但在此流速下，分析时间较长。为缩短分析时间，一般载气流速要高于最佳流速，这样柱效下降很少，节省很多时间。常用载气流速为2080ml/min。,4进样条件的选择,1）气化室温度一般稍高于样品沸点 2）检测室温度应高于柱温30500C 3）进样量不可过大，否则造成拖尾峰 气体样品为0.11ml，液体样品为0.11l 注： 检测器灵敏度足够进样量尽量小 最大允许进样量使理论塔板数降低10%的进样
23、量 进样速度要快，进样时间要短，有利于分析,第六节 定性定量分析,一、定性分析 1利用保留值定性 1）已知对照物定性：定性专属性差 注：不同组分如在某一色谱条件下保留值相同，应 更改色谱柱再检测，粗步推算是否为一个纯物质峰 2）相对保留值定性 3）利用保留指数定性：唯一可靠、 准确、重复性好 2利用化学反应定性：收集柱后组分，官能团反应 定性鉴别（非在线） 3利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR,二、定量分析：,（一）峰面积的测量,1对于正常峰,注：当色谱操作条件一定时，在一定进样量范围内（不超载），W1/2与进样量无关,2非正常峰（不对称峰）,3自动求和（自动积分仪或色谱工作站）：
24、直接给出A，h，W1/2,（二）定量校正因子,前提：相同量的两种物质对于不同检测器响应不同，不可以直接用m i(c i) A I 定量 1两种表示方法,续前,2相对校正因子的测定,3注意事项： 相对校正因子与待测物、基准物和检测器类型有关，与操作条件（进样量）无关 基准物：TCD苯；FID丁庚烷 以氢气和氦气作载气测的校正因子可通用 以氮气作载气测的校正因子与两者差别大,（三）定量方法,1归一化法 前提：试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰 依据：组分含量与峰面积成正比,优点： 简便，准确 定量结果与进样量、重复性无关（前提柱子不超载） 色谱条件略有变化对结果几乎无影响 缺点： 所有组分必须
25、在一定时间内都出峰 必须已知所有组分的校正因子 不适合微量组分的测定,2外标法：以待测组分纯品为对照物，与试样中待测 组分的响应信号相比较进行定量的方法,a工作曲线法：i纯品工作曲线，同体积样品与之比较 c 前提：进入检测器样品量与峰面积成正比 b外标一点法：一种浓度对照物对比样品中待测组分含量 前提：截距为0，对照品浓度与待测组分浓度接近,c外标两点法： 前提：选 取两点对照品的浓度，需涵盖待测浓度 外标法特点： 1）不需要校正因子，不需要所有组分出峰 2）结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大每次进样量应一致，否则 产生误差,3内标法：无待测物纯品，加入样品中不含对照物， 以待测组分和对照物的响应信号对比定量,对内标物要求： a内标物须为原样品中不含组分 b内标物与待测物保留时间应接近且R1.5 c内标物为高纯度标准物质，或含量已知物质 内标法优点： 进样量不超量时，重复性及操作条件对结果无影响 只需待测组分和内标物出峰，与其他组分是否出峰无关 适合测定微量组分 内标法缺点： 制样要求高；找合适内标物困难；已知校正因子,内标法,4内标对比法（已知浓度样品对照法） 配制等量加入内标物的样品溶液和对照品溶液,内标对比法特点 不需要校正因子 进样量对结果影响不大 注：对于正常峰，可以h代替A计算含量,