第二十章 气相色谱法

第二十章 气相色谱法（gas chromatography，GC） 第一节 概述 以气体为流动相的色谱法 一、分类与特点： 主要固定相不同 气-固 （GSC） 吸附 气-液 （GLC） 分配 由柱的类型分 填充柱 46mm*L24m 毛细管柱 0.10.5mm*2550m 特点： 高柱效，高选择，高灵敏度，快速，用样量少（几 l） 局限性： 样品需气化，因此能直接用气色分析的有机物约 20%，其他挥发性小的液，固 体等需预处理后再分析。 二、流程： 气源 减压阀 净化器 针型阀（压力表） 调整气路 （干燥器） 控制进入柱的气 体 中气压 净化载气除去 压力和流速 CO2，H2O 进样器 检测器 色谱柱分 离部分 （将浓度或质量 信号转为电讯号） 在恒温箱中 第二节 基本概念 一、基本概念 1、峰：由电信号强度对时间作图所绘制的曲线称为色谱流出曲线。流出曲 线上的突起部分称为色谱峰。 2、基线：在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线。 3、死时间 tm ：分配系数为 0 的组分的保留时间。 ，保留时间 tR ：从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔。 调整保留时间： tR= tR-tm 4、保留体积 VR 从进样开始到柱后某组分出现浓度极大点的时间 tR 从进样开始到柱后某组分出现浓度极大点时，所需通过色谱柱的载气体积 为该组分的 VR VR = tR * Fc 记录（得色谱图） Fc大， tR小，若 Fc小， tR大，二者乘积不变，VR与载气流速无 关。 VR = tR * Fc 死体积：Vm = tm * Fc VR ， tR 是定性参数 tm tR tR 5、区域宽度： 标准差 ： 0.607h 处峰宽的一半 半峰宽 W1/2：0.5h 处的峰宽。 峰宽 W：基线宽度为峰宽。 （经拐点做切线，与基线相切） h 0.607h 0.5h W1/2 W 6、相平衡参数：分配系数和容量因子 k 令容量因子：k=K*Vs/Vm 色谱耗一定时，tR/tm 正比于 K,Vs/Vm 为常数。 则 k= tR/tm k-容量因子 k-是调整保留时间是死时间的多少倍 tR/tm ，亦表示固定相 中某组分质量是流动相中某组分质量的倍数。 k 大的组分，固定相中相对质量大。 不同组分，有不同的 K 或 k，在柱中产生差速迁移而得以分离。 k 是重要的色谱参数之一。 tR= tm ( kA - kB ) 7、保留指数： 二、塔板理论：把色谱柱看作一个分馏塔。 （一）基本假设：P241 1、组分在柱内一小段高度中，很快达到两相间平衡。H理论塔板 2、载气以脉冲形式进入色谱柱（一次进入一个塔板体积） 3、纵向扩散可以忽略。 4、分配系数在各塔板上是常数。 在以上假设下，组分在柱中符合逆流分配，并可用二项式分布来解释这 种过程。 （二）二项式分布：P268269 假设有 A，B 两组分。KA=2 KB=0.5 Vs=Vm 见 P268 图 21-6 逆流分配过程 用二项式定理三次转移后,各漏斗中溶液含量： (p+q)3 = p3 + 3p2q +3pq2 +q3 p上层 q下层 （0.667+0.333）3=0.297+0.444+0.222+0.037=1 （三）正态分布： 用二项式计算的流出曲线图 21-7 拖尾，因塔板太少，当塔板 N50 时，可 得对称曲线，色谱柱塔板数一般在 103以上。 用正态分布来讨论流出曲线的 c 和 t 的关系。 在 t=tR 时: 则有：A=1.065*W1/2*hmax 将 代入 得： ttR 峰高两侧等比例下降，降速度取决于 。 t载 倒峰 样 柱 T （防检测器污染） 二、氢焰离子化检测器：FID 质量型 （一）原理： 氢焰中燃烧 有机物 离子流，定向流动被检测 化学电离 只能测含 C 有机化合物（热导无此限制） 离子在电场的作用下定向流动被检测。离子流强度与进入检测中的组分的量有 关， 测离子流强度可以定量。 与被测组分含量有关 微电流大小 与单位时间进入离子室的质量有关 （二）定量依据与注意点： 1、用峰高 定量时，载气流入速度要恒定。 （m 一定时，h 与 F 成正比） 用峰面积 A 定量时，取决于单位时间引入检测器的质量，与载气流速无关。 2、载气 N2 ，燃气 H2， 助燃气 Air 一般：N2 :H2:Air=1:1:10 3、长久使用时，气路要洁净。 （否则基线波动） 4、检测器 T 柱温（至少大 30-50 ，防止凝结） 三、检测器性能指标： （一）灵敏度：S Sc-浓度型检测器灵敏度。 量纲：mv*ml/mg Sm-质量型检测器灵敏度。 量纲：mv*s/g 热导： Sc = AC1C2C3/W A-峰面积 cm2,C1-记录器灵敏度(mv/cm) C2-纸速的倒数(min/cm) C3-载气流速(ml/min) W-进样量(mg) 氢焰： Sm = AC1C260/W 由此式知，用峰面积定量时，与载气流速无关。 （二）检测限： D = 2 N / S 峰高为 2 倍噪音时，单位时间载气引入检测器中改组分的质量或单位体积载 气中所含该组分的量称检测限。 D 越小，仪器性能越好。 第五节分离条件的选择 固定相，柱温，载气流速三个主要方向。 一、分离度：R 注意上下单位要一致 R=1.0 基本分离（4 分离）即 95.4% R=1.5 近完全分离（6 分离）99.7% 以后计算中，若视完全分离，即 R 1.5 分配系数比 ： = K2/K1 =k2/k1 将 ,k,n 关系代入 R 可得： K2=K1时 =1, -1/=0, R=0 无法分离 K2K1 时 ,n, ,k2越大,R 越大 n-影响峰宽窄 -影响峰间距 k2-影响峰位 二、分离条件的选择： 1、色谱柱的选择：固定相，固定液，载体等选择。 2、柱温：使难分离组分有尽可能好的分离度的前提下，尽可能采取较低柱 温，以 适宜不拖尾为宜。 柱温选择的三种情况： 沸点 固定液配比 柱温 300 5-25% 250左右 300-400 1-3% 200-250 宽沸程 程序升温 例：P258 图 21-19 3、载气： 种类 ：TCD（热导） ，选 H2气（He气好，但价格贵） FLD 选 Ne 气 载气线速度： H = A + B/U + CU 由范氏方程： U 大 小 大 应考虑如何降低 C U 小 大 小 应考虑如何降低 B 最佳线速度时，板高 H 最小，但往往使用的最佳线速度大于图中所示。 U 佳，即实际应用时 ，损失板高 10-15%。 （实践确定） 4、其他条件的选择： 气化室温度：稍高于样品沸点，一般不高于 50 检测器温度：高于柱温 30-50。 （防止样品凝固污染） 进样量：01-几 L。进样量大会使峰变形，拖尾。 讨论题： tR H R 流速加倍 1/2 tR 增大 变小 柱温加倍 变小 - 变小 柱长加倍 2tR 不变 固定液用量加倍 2 tR 记录仪纸速加倍 不变 不变 不变 柱长加倍时，n=2n tR=2 tR 第六节 定性定量方法 一、定性分析： （一）利用保留值定性 1、已知物对照法： 已知物和未知+已知物用同一色谱条件， 相同，且峰增高，则含对照物。 2 号峰增高， 同，说明样品中含对照品组分。 2、相对保留值： 与柱温，固定液，及组分的性质有关。 有手册可查，按手册条件操作，将所得 与手册对照。 3、保留指数（kovats） 把一个组分的保留行为换算为相当于含有几个碳的正构烷的保留行为， 这个相对值称为保留指数。 Ix-待测物保留指数 z.z+n-正构烷烃对的碳数。 n=1,2,.,通常 n=1 规定正己烷，正庚烷，正辛烷的 Ix 分别为 600，700，800 每增加一 个 CH2，其值增加 100。 （二）官能团分类鉴定法： 化学定性：由色谱柱流出的鉴定组分，通入官能团分类试剂中，观察 是否发生反应来判定该组分含什么官能团或何化合物。 （三）联机技术： 气-质联机 GC-MS： 同时得到色谱与光谱 气-红外联机 GC-IR ： 或：色谱与光谱联合解析。 二 定量分析： （一）面积测定： 对称因子：fs =(A+B)/2A 对称峰 拖尾峰 步沿峰 fs 0.95-1.05 1.05 0.95 1 对称峰： W1/2 =2.354 A = 1.065hW1/2 进样量一定时，可用 代替 A 进行含量计算。 2 等腰三角形锐峰 A =1/2 hW 3 不对称峰： A = 1/2 h(W0.15+W0.85) 4 记分仪积分。 （二）校正因子： 1 绝对校正因子： mA 质量与峰面积成正比。 fi =mi/Ai 绝对校正因子 测含量时： 同一台仪器，对不同组分不同。 因进样量少，很难求出准确的 现常用相对校正因子。 2 相对校正因子： 被测物质单位峰面积，所相当物质的量是基准物质单位峰面积量的几倍。 （三）定量分析： 1 归一化法： 优点：不需准确进样 操作条件不需严格控制 可用 h 代替 A 缺点：所有组分在一个分析周期内部应流出色谱柱，而且检测器对它们 均产生信号。 2 外标法：（工作曲线法，外标一点法） 工作曲线法（同光谱） 外标曲线法：同一种浓度的待测组分的标准溶液对比样品液中 相应组分的方法。 操作方法：同一条件下，各进样几次，取平均值。 优点：简单。 缺点：进样量及实验条件要恒定。 3 内标法： 将一种已知重量且不是样品中组分的纯物质，加入待测样品溶液中，由 样品组分和内标物重量及峰面积比求出组分含量。 不能保证样品所有组分均流出切出峰时用此法。 要求： 内标峰与待测组分峰既要分开又要靠近。 内标不是样品中的组分。 加入量应接近被测组分。 优点：只要被测物和内标出峰，分离度符合要求既可定量。 适用于微量组分或杂质含量测定。 缺点：内标寻找麻烦。 例 ：P297 醇中水的测定。 4 内标对比法：（用于 查不到或不知的时候） 标准品+内标 检品+内标（内标量相同） 亦可用 代替 A 计算。 例：P298 小 结 1 了解气相色谱的分类及一般流程。 2 基本理论： 差速迁移 tR,k,K, 等 要改变 K,