气相色谱分析...ppt

第16章气相色谱分析16 1气相色谱仪器气路系统 进样系统 柱分离系统 温控系统 各类检测器16 2气相色谱固定相气固色谱固定相 吸附剂 气液色谱固定相 载体 固定液 16 3气相色谱分离分析条件柱长 载气及其流速 填充颗粒 柱温 进样量及进样方式16 4定性分析保留时间 经验规律 保留指数 双柱定性 仪器联用定性16 5定量分析校正因子 归一化法 外标法 内标法16 6毛细管色谱简介毛细管分类及特点 气相色谱过程 待测物样品被被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶 以惰性气体 指不与待测物反应的气体 只起运载蒸汽样品的作用 也称载气 将待测物样品蒸汽带入柱内分离 其分离原理是基于待测物在气相和固定相之间的吸附 脱附 气固色谱 和分配 气液色谱 来实现的 因此可将气相色谱分为气固色谱和气液色谱 气固色谱 利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附 解吸能力不同实现物质的分离 由于活性 或极性 分子在这些吸附剂上的半永久性滞留 吸附 脱附过程为非线性的 导致色谱峰严重拖尾 因此气固色谱应用十分有限 只适于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析 对此方法 本章只作简单介绍 气液色谱 通常直接称之为气相色谱 它是利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离 1941年 Martin和Synge 对液 液分配色谱也做了巨大贡献 提出气液分配色谱的概念 11年后 即1952年 Jones和Martin通过实验展示了该方法 3年后 即1955年 首台气相色谱仪问世 1985年 估计有10万台仪器投入使用 如今呢 说不清了 一 气路系统 Carriergassupply 气路系统 获得纯净 流速稳定的载气 包括压力计 流量计及气体净化装置 载气 要求化学惰性 不与有关物质反应 载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外 还要与分析对象和所用的检测器相配 净化器 多为分子筛和活性碳管的串联 可除去水 氧气以及其它杂质 压力表 多为两级压力指示 第一级 钢瓶压力 总是高于常压 对填充柱 10 50psi 对开口毛细柱 1 25psi 第二级 柱头压力指示 流量计 在柱头前使用转子流量计 Rotometer 但不太准确 通常在柱后 以皂膜流量计 Soap bubblemeter 测流速 许多现代仪器装置有电子流量计 并以计算机控制其流速保持不变 三 柱分离系统柱分离系统是色谱分析的心脏部分 分离柱包括填充柱和开管柱 或毛细管柱 柱材料 金属 玻璃 融熔石英 Teflon等填充柱 多为U形或螺旋形 内径2 4mm 长1 3m 内填固定相 开管柱 分为涂壁 多孔层和涂载体开管柱 内径0 1 0 5mm 长达几十至100m 通常弯成直径10 30cm的螺旋状 开管柱因渗透性好 传质快 因而分离效率高 n可达106 分析速度快 样品用量小 过去是填充柱占主要 但现在 这种情况正在迅速发生变化 除了一些特定的分析之外 填充柱将会被更高效 更快速的开管柱所取代 柱温 是影响分离的最重要的因素 其变化应小 0 xoC 选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求 柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点 分析时间20 30min 对宽沸程的样品 应使用程序升温方法 四 温控系统温度控制是否准确 升 降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一 控温系统包括对三个部分的控温 即 气化室 柱箱和检测器 控温方式 恒温和程序升温 温度选择 在介绍仪器组成时给出 此处略 五 检测器气相色谱检测器种类繁多 本节将介绍最为常用的几种检测器 1 热导检测器 Thermalconductivitydetector TCD 2 氢火焰离子化检测器 Flameionizeddetector FID 3 电子捕获检测器 Electroncapturedetector ECD 4 火焰光度检测器 Flamephotometricdetector FPD 5 氮磷检测器 NPD 也称热离子检测器 Thermionicdetector TID 6 原子发射检测器 AtomicemissionDetector AED 7 硫荧光检测器 SulfurchemiluminescenceDetector SCD 根据检测器的响应原理 可将其分为浓度型和质量型检测器 浓度型 检测的是载气中组分浓度的瞬间变化 即响应值与浓度成正比质量型 检测的是载气中组分进入检测器中速度变化 即响应值与单位时间进入检测器的量成正比 工作过程 1 在只有载气通过时 四个臂的温度都保持不变 电阻值也不变 此时 调节电路电阻使电桥平衡 AB两端无电压信号输出 2 当有样品随载气进入两个样品臂时 此时热导系数发生变化 或者说 测量臂的温度发生变化 其电阻亦发生变化 电桥失去平衡 AB两端有电压信号输出 当载气和样品的混合气体与纯载气的热导系数相差越大 则输出信号越强 特点 对任何气体均可产生响应 因而通用性好 而且线性范围宽 价格便宜 应用范围广 但灵敏度较低 1979年 出现了一种高灵敏度 基线漂移小 平衡时间短的 调制式单丝热导检测器 将参比气 载气 和样品 载气混合气交替 10Hz 导入微型陶瓷热导池 5 L 中 从而产生10Hz的交变信号 该信号正比于热导系数的差 因为放大器只检测频率为10Hz的信号 因此可克服热噪声的干扰 影响TCD灵敏度的因素 1 桥电流i i增加 热敏元件温度增加 元件与池体间温差增加 气体热传导增加 灵敏度增加 但i过大 热敏元件寿命下降 电流通常选择在100 200mA之间 N2作载气 100 150mA H2作载气 150 200mA 2 池体温度 池体温度低 与热敏元件间温差大 灵敏度提高 但温度过低 可使试样凝结于检测器中 通常池体温度应高于柱温 3 载气种类 载气与试样的热导系数相差越大 则灵敏度越高 通常选择热导系数大的H2和Ar作载气 用N2作载气 热导系数较大的试样 如甲烷 可出现倒峰 4 热敏元件阻值 阻值高 电阻温度系数 大 随温度改变 阻值改变大 或者说热敏性好 的热敏元件 其灵敏度高 综述 较大的桥电流 较低的池体温度 低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度 2 火焰离子化检测器 FID 又称氢焰离子化检测器 主要用于可在H2 Air火焰中燃烧的有机化合物 如烃类物质 的检测 原理 含碳有机物在H2 Air火焰中燃烧产生碎片离子 在电场作用下形成离子流 根据离子流产生的电信号强度 检测被色谱柱分离的给分 结构 主体为离子室 内有石英喷嘴 发射极 极化极 此图中为火焰顶端 和收集极 工作过程 来自色谱柱的有机物与H2 Air混合并燃烧 产生电子和离子碎片 这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下 几百伏 形成电流 经放大后测量电流信号 10 12A FID特点 1 灵敏度高 10 13g s 2 线性范围宽 107数量级 3 噪声低 4 耐用且易于使用 5 为质量型检测器 色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量 在样品量一定时 峰高与载气流速成正比 因此在用峰高定量时 应控制流速恒定 6 对无机物 永久性气体和水基本无响应 不足 因此FID特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水 N和S的氧化物污染的有机物分析 7 对含羰基 羟基 卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应 8 样品受到破坏 ECD特点 1 响应电流i与浓度c是非线性的 即 该式类似于比尔定律 其中 i0为基流 K为电子吸收系数 不同物质K值不同 2 对如卤素基 过氧基 醌基 硝基等含电负性的功能团的分子具有极高的选择性和灵敏度 但对含酰胺基和羟基的化合物以及烃类物质不灵敏 3 与FID相比 ECD对样的破坏不大 4 线性范围为两个数量级 相对FID来说 这不算大 5 要求载气纯度要高 99 99 否则杂质会降低基流 通常将载气通入480oC的紫铜屑除O2 4 火焰光度检测器 FPD FPD对含S P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器 因此 也称硫磷检测器 主要用于SO2 H2S 石油精馏物的含硫量 有机硫 有机磷的农药残留物分析等 FPD结构 喷嘴 滤光片 光电管 原理 待测物在低温H2 Air焰中燃烧产生S P化合物的分解产物并发射特征分子光谱 测量光谱的强度则可进行定量分析 FPD特点 1 对含S P化合物有较高灵敏度和一定的选择性 2 对卤素气X2 N2 Sn Cr Se和Ge等也有响应 3 相对其它检测器如ECD和FID FPD价格较贵 4 对测S的灵敏度比硫荧光检测器 SCD 低 硫荧光检测器 SCD FPD检测器中含硫化合物燃烧产物可与O3反应并产生与S含量成正比的荧光 通过测定荧光强度来分析含S化合物 SCD的灵敏度极高 含S P化合物在氢焰中的变化过程如下 5 氮磷检测器 NPD 热离子检测器也叫热离子检测器 TID NPD的结构与FID类似 只是在H2 Air焰中燃烧的低温热气再被一硅酸铷电热头加热至600 800oC 从而使含有N或P的化合物产生更多的离子 产生离子的机理目前仍不清楚 NPD的特点 1 对含N P化合物的具有选择性 对P的响应是对N的响应的10倍 是对C原子的104 106倍 2 灵敏度高 与FID对P N的检测灵敏度相比 NPD分别是FID的500倍 对P 50倍 对N 6 原子发射检测器 AED Microwave He 化合物分解 原子化 激发 元素特征谱线 同时监测15种甚至更多元素谱线 一个化合物的扫描光谱图 170 770nm 六 检测器的性能指标 理想的检测器应具有的条件 1 适合的灵敏度 对一些组分十分灵敏 而对其它则不 其间应相差达107倍 2 稳定 重现性好 3 线性范围宽 可达几个数量级 4 可在室温到400oC下使用 5 响应时间短 且不受流速影响 6 可靠性好 使用方便 对无经验者来说足够安全 7 对所有待测物的响应相似或可以预测这种响应 8 选择性好 9 不破坏样品 但任何检测器都不可能同时满足上述所有要求 1 灵敏度S以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号作图 得到校正曲线 该曲线的斜率k即为灵敏度S 实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度 对于浓度型 Sc 灵敏度 mVmL mg Ai 峰面积 cm2 Fco 检测器入口流速 mL min wi 进样量 mg C1 记录仪纸速 cm min C2 记录仪灵敏度 mV cm 对于质量型 Sm 灵敏度 mVs g wi 进入检测器的样品量 g 2 检测限 DL与通用的检测限表示方法相同 即实际工作中 色谱检测限表示为浓度型 质量型 注意 检测限不仅决定于灵敏度 而且受限于噪声 即检测限是衡量检测器或仪器性能的综合指标 3 线性范围和响应时间 略 16 2气相色谱固定相在介绍色谱仪器时 我们提到色谱分离系统是色谱仪器中最为灵魂的部分 而其中分离柱中固定相组成与性质更是直接与分离效能有关 气相色谱柱可分为两类 1 用于气固色谱的固定相 固体吸附剂 2 用于气液色谱的固定相 固定液 载体 介绍如下 一 气固色谱固定相 固体吸附剂该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离 主要用于分离小分子量的永久气体及烃类 1 常用固体吸附剂硅胶 强极性 氧化铝 弱极性 活性炭 非极性 分子筛 极性 筛孔大小 2 人工合成固体吸附剂高分子多孔微球 GDX 人工合成的多孔聚合物 其孔径大小可以人为控制 可在活化后直接用于分离 高分子多孔微球可分为两类 非极性 苯乙烯 二乙烯苯共聚 GDX 1和2型 国产 Chromosorb系列 国外 极性 苯乙烯 二乙烯苯共聚物中引入极性基团 GDX 3和4型 国产 PorapakN等 国外 二 气液色谱固定相 载体 固定液气液色谱固定相由载体 Solidsupportmaterial 和固定液 Liquidstationaryphase 构成 载体为固定液提供大的惰性表面 以承担固定液 使其形成薄而匀的液膜 1 载体 也称担体 对载体的要求 粒度均匀 高强度的球形小颗粒 至少1m2 g的比表面 过大可造成峰形拖尾 高温下呈惰性 不与待测物反应 并可被固定液完全浸润 载体类型 分为硅藻土型和非硅藻土型 后者又分为白色和红色担体 载体表面处理 硅藻土含有硅醇基 SiOH Al2O3 Fe等 也就是说 它具有活性而不完全化学惰性 需进行化学处理 其处理过程如下 前图为气固气谱图 2m长 填充分子筛 5 后图为气液色谱图 30m 0 53WCOT开管柱 2 固定液及其选择对固定液的要求 a 热稳定性好 蒸汽压低 流失少 b 化学稳定性好 不与其它物质反应 c 对试样各组分有合适的溶解能力 分配系数K适当 d 对各组分具有良好的选择性 固定液与组分的作用力 a 色散力 非极性分子之间 瞬时偶极之间静电吸引 b 诱导力 极性与非极性分子之间 偶极与瞬时偶极之间静电吸引 c 取向力 极性与极性分子之间 偶极与偶极之间静电吸引 d 氢键力 强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引 亦属取向力 前三种统属范德华力 后者属特殊范德华力 3 固定液的选择固定液的特性是指其极性和选择性 极性的表示方法 i 相对极性P 规定非极性固定液角鲨烷的极性为0 强极性固定液 氧二丙腈的极性为100 以物质对正丁烷 丁二烯或环已烷 苯在角鲨烷 氧二丙腈及待测固定液上分离得到相对保留值 并取对数 从下列公式求得待测固定液的相对极性Px 其中q1 q2 qx分别表示物质对在角鲨烷 氧二丙腈和待测固定液的相对保留值 Px在0 100之间 每20单位为一级 即将极性分为5级 0 1 非极性 1 2 弱极性 3 中等极性 4 5 强极性 ii 固定液特性常数 I 包括罗氏常数麦氏常数 此处介绍略 固定液分类及选择 固定液选择 按 相似相溶 原理选择固定液 非极性组分 非极性固定液 沸点低的物质先流出 极性物质 极性固定液 极性小的物质先流出 各类极性混合物 极性固定液 极性小的物质先流出 氢键型物质 氢键型固定液 不易形成氢键的物质先流出 复杂混合物 两种或以上混合固定液 16 3气相色谱分离分析条件根据vanDeemter方程和色谱分离方程式 分析条件的选择在上一章已有论述 此处针对气相色谱方法作一简单小结 1 柱长L由分离度R的定义可得 R1 R2 2 n1 n2 L1 L2即柱越长 理论塔坂数越高 分离越好 但柱过长 分析时间增加且峰宽也会增加 导致总分离效能下降 因此柱长L要根据R的要求 R 1 5 选择刚好使各组分得到有效分离为宜 2 载气及流速u对vanDeemter方程求导得到在流速为 柱效最高 当u较小时 B u占主要 此时选择分子量大的载气 使组分的扩散系数小 当u较大时 Cu点主要 此时选择分子量小的载气 使组分的扩散系数小 减小传质阻力项Cu 3 柱温4 载体粒度及筛分范围载体粒度越小 柱效越高 但粒度过小 则阻力及柱压增加 通常 对填充柱而言 粒度大小为柱内径的1 20 1 25为宜 5 进样方式及进样量要以 塞子 的方式进样 以防峰形扩张 进样量 也要以峰形不拖尾为宜 16 4定性分析一 样品预处理 GC分析对象是在气化室温度下能生气态的物质 为保护色谱柱 降低噪声 防止生成新物质 杂峰 需要在进样前 对样品进行处理 水 乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质 柱效下降 需除去 非挥发份 会产生噪声 同时慢慢分解 产生杂峰 稳定性差的组分 生成新物质 杂峰 二 定性方法1 用已知物对照定性该法是基于在一定操作条件下 各组分保留时间是一定值的原理 具体做法 1 分别以试样和标准物进样分析 各自的色谱图 2 对照 如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合 则可初步确定试样中含有该物质 3 也可通过在样品中加入标准物 看试样中哪个峰增加来确定 2 据经验式定性1 碳数规律 在一定温度下 同系物的调整保留时间tr 的对数与分子中碳数n成正比 lgtr An C n 3 如果知道两种或以上同系物的调整保留值 则可求出常数A和C 未知物的碳数则可从色谱图查出tr 后 以上式求出 2 沸点规律 同族具相同碳数的异构物 其调整保留时间tr 的对数与分子中沸点n成正比 lgtr ATb C3 据相对保留值ri s定性 用保留值定性要求两次进样条件完全一致 这是比较困难的 而用ri s定性 则只要温度一定即可 具体做法 在样品和标准中分别加入同一种基准物s 将样品的ri s和标准物的ri s相比较来确定样品中是否含有i组分 4 保留指数 Kovats指数 定性该指数定性的重现性最佳 当固定液和柱温一定时 定性可不需要标准物 设正构烷烃的Kovats指数为碳数 100 测定时 将碳数为n和n 1的正构烷烃加入到样品x中进行色谱分析 此时测得这三个物质的调整保留值分别为 tr Cn tr x 和tr Cn 1 且待测物x的调整保留值介于两个烷烃之间 利用此式求出未知物Kovats指数Ix 然后与文献值对照 5 双柱或多柱定性可克服在一根柱上 不同物质可能出现相同的保留时间的情况 6 与其它方法结合定性如GC MS GC IR GC MS MS Kovats指数的计算图示 Squalane 60oC 16 5定量分析GC分析是根据检测器对待测物的响应 峰高或峰面积 与待测物的量成正比的原理进行定量的 因此必须准确测定峰高h或峰面积A 1 峰面积A的测量 对称峰 峰高h与半峰宽的积 A 1 065 h W1 2不对称峰 峰高与平均峰宽的积 A 1 2 h W0 15 W0 85 2 定量校正因子由于检测器对不同物质的响应不同 因而两个相同的峰面积并不一定说明两个物质的量相等 因此 在计算组分的量时 必须将峰面积A进行 校正 1 绝对校正因子wi fi Ai或fi wi Ai通过此式可得到待测物单位峰面积对应的该物质的量 2 相对校正因子fi由于绝对校正因子fi 与检测器灵敏度有关 它即不易准确测得 为什么 因此定量分析中常用相对校正因子表示 即用一个物质作标准 用相对校正因子将所有待测物的峰面积校正成相对于这个标准物质的峰面积 使各组分的峰面积与其质量的关系有一个统一的标准进行折算 采用的标准物因检测器不同而不同 TCD 苯 FID 正庚烷 fi w fi w fs w Aswi Aiws 通式当w分别为质量m 摩尔M 和气体体积V时 上式分别表示为 3 相对校正因子的测量准确称取被测物与标准物 混合后进样 从所得色谱图分别求出它们的峰面积 然后通过前述公式计算校正因子 省去 相对 二字 必须注意 校正因子只与试样 标准物和检测器类型有关 与其它所有条件无关 可以查表得到 4 定量校正方法1 归一化法 要求试样中所有n个组分全部流出色谱柱 并全部出峰 则其中组分i的含量为 fi为i物质的相对定量校正因子 Ai为其峰面积 此法简单 准确 操作条件影响小 但应用不多 因为谁知道试样有多少组分 应该出多少峰才叫全部出峰 2 外标法 或标准曲线法 以Ai对xi作图得标准曲线 该法不需校正因子 但进样量和操作条件必须严格控制 外标法适于日常分析和大批量同类样品分析 3 内标法 在配制的每个标准溶液中以及待测试样中加一固定量为ms的内标物 以Ai As对xi作图 得内标法校正曲线 对内标物的要求 样品中不含内标物 无反应 与各待测物保留时间和浓度相差不大 16 6毛细管柱气相色谱 CapillaryGC 毛细管柱的发明使得气相色谱分析发生了革命性的变化 50年代初 主要进行填充柱的理论和应用研究 并开始进行非填充柱 内径为十分之几毫米 的理论可行性研究 1956年Golay正式提出了非填充柱 空心柱 的理论并制作出效率极高毛细管柱 次年发表了该研究论文 50年代后期 一些研究人员都制成了各类毛细管柱 经测定 一些毛细管的理论塔板数可达到300 000 然而 自毛细管柱发明以来 20多年都没有广泛应用 主要是因为 1 柱容量小 2 柱强度小 3 样品引入及管与检测器的连结问题 3 固定液涂渍的重现性不好 4 寿命短 5 柱易堵塞 6