第十七章气相色谱法jsp.ppt

2020 3 31 气相色谱分析法 gaschromatography 以气体作为流动相的色谱分析法 气相色谱分析法是色谱分析常用的方法之一 应用对象 2020 3 31 岛津GC 2010 2020 3 31 一 气相色谱过程及色谱仪结构 GC工作过程 2020 3 31 1 载气钢瓶 2 减压阀 3 净化干燥管 4 针形阀 5 流量计 6 压力表 7 进样口 8 色谱柱 9 检测器 10 放大器 11 温度控器 虚线内 12 记录仪 载气系统 进样系统 色谱柱 检测系统 温控系统 2020 3 31 2020 3 31 2020 3 31 二 气相色谱仪主要部件及作用 1 载气系统 载气系统是载气连续运行的密闭管路系统 通过该系统 可获得纯净的 流速稳定的载气 这是气相色谱分析必需具备的条件 载气系统包括气源 钢瓶或气体发生器 净化干燥管和载气流速控制等部件 2020 3 31 常用的载气有 氢气 氮气 氦气 净化干燥管 去除载气中的水 氧 有机物等杂质 可依次通过硅胶 5A分子筛 活性炭等方法实现 载气流速控制 减压表 流量计 针形稳压阀 控制载气流速恒定 压力稳定并符合分析要求 2020 3 31 2 进样系统 温度比柱温高出10 50 2020 3 31 气体进样器 六通阀 推拉式和旋转式两种 试样首先充满定量管 逆时针旋转60 载气携带定量管中的试样气体进入分离柱 实验室气体进样器目前均是旋转式进样 取样位置试样导入色谱柱 2020 3 31 液体进样 使用不同规格的专用注射器 填充柱色谱常用10 L 毛细管色谱常用1 L 新型仪器现在还带有全自动液体进样器 清洗 润冲 取样 进样 换样等过程能够自动完成 一次可放置数十个试样 气化室 将液体试样瞬间气化的装置 它是由一金属块制成 要求体积小 热容量大 温度足够高 无催化作用 气化室温度可从室温升至350 400 2020 3 31 3 色谱柱 分离柱 色谱柱 色谱仪的核心 心脏 部件 柱材质 不锈钢管填充柱或石英玻璃毛细管柱 填充柱内径2 4毫米 长1 3m 毛细管柱内经0 2 0 5mm 长20 30m 为减少空间常作成螺旋状放置 柱填料 粒度为60 80或80 100目的色谱固定相 气 固色谱 固体吸附剂 如分子筛 GDX等气 液色谱 最常用型 担体 载体 固定液柱制备对柱效有较大影响 填料装填太紧 柱前压力大 流速慢或将柱堵死 反之空隙体积大 柱效低 2020 3 31 2020 3 31 4 检测系统 色谱仪的眼睛 通常由检测元件 放大器 显示记录三部分组成 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器 按其浓度或质量随时间的变化 将其转化成相应电信号 经放大后记录和显示出色谱图 检测器 广普型 对所有物质均有响应 如TCD专属型 对特定物质有高灵敏响应 如ECD常用的检测器 热导检测器 氢火焰离子化检测器 有关检测器原理 结构见第三节 2020 3 31 5 温度控制系统 温度是色谱分离条件的重要选择参数 它直接影响色谱柱的选择分离 检测器的灵敏度和稳定性 气化室 色谱柱 检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度 一般情况是气化室温度高于柱温50度 检测器温度高于柱温10度气化室温度 保证液体试样瞬间气化 检测器温度 保证被分离后的组分通过时不在此冷凝 2020 3 31 色谱柱温度 准确控制分离需要的温度 当试样复杂时 柱温需要按一定程序控制温度变化 各组分在最佳温度下实现气化分离 2020 3 31 第十七章气相色谱法 一 气液色谱固定相二 气固色谱固定相 第二节气相色谱固定相和流动相 2020 3 31 一 气液色谱固定相 重点掌握 固定液在常温下不一定为液体 但在使用温固定液特点度下一定呈液体状态 固定液种类繁多 选择余地大 应用范围广 2020 3 31 固定液 固定液 高沸点难挥发的有机化合物 种类繁多 1 对固定液的要求化学稳定性好 不与被测物质起任何化学反应对试样各组分有适当的溶解能力 否则组分易被载气带走而起不到分配作用挥发性小 在操作温度下有较低蒸气压 以免流失具有较高的选择性 即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力热稳定性好 在操作温度下呈液体状态且不发生分解 2020 3 31 固定液的相对极性Px 2 固定液分类方法可按化学结构 极性 应用等标准进行分类 在各种色谱手册中 一般将固定液按有机化合物的相对极性分 2020 3 31 2020 3 31 3 组分与固定液分子间的相互作用 静电力 极性分子之间的作用力 在极性固定液柱上分离极性试样时 分子间作用力主要是静电力 被分离组分极性越大 与固定液作用力越强 在柱内滞留时间越长 诱导力 极性与非极性分子之间的作用力 极性分子和非极性分子共存时 在极性分子偶极电场诱导下非极性分子会产生诱导偶极 在分离非极性分子和可极化分子混合物时 可用极性固定液诱导效应来分离 如苯和环己烷沸点很近 80 10 和80 81 若用非极性固定液很难将它们分离 但苯比环己烷易极化 用中等极性的固定液使苯产生诱导偶极 苯的保留时间是环己烷的1 5倍 2020 3 31 c 色散力 非极性分子之间的作用力 色散力与组分的沸点成正比 沸点高低与分子量成正比 组分基本按沸点高低顺序分离 沸点低的组分由于色散力小先流出色谱柱 d 氢键力 氢原子与电负性很大的原子 如F O N等 之间的作用力 2020 3 31 4 固定液的选择原则 相似相溶 非极性物质 非极性固定液 沸点越低的组分越早出峰 b 极性物质 极性固定液 极性越小组分越早出峰 c 极性与非极性混合物 极性固定液 极性越小的组分越早出峰 d 易形成氢键物质 极性或氢键型固定液 不易形成氢键的组分先出峰 易形成氢键的组分后出峰 e 复杂难分离样品 多种固定液混合 2020 3 31 常用毛细管色谱柱固定液 2020 3 31 担体 载体 载体是一种具有化学惰性 多孔的固体颗粒 能提供一个大的表面 承担固定液使之成薄膜状分布在载体上 要求如下 a比表面积大 孔径分布均匀 使固定液与试样接触面大b化学惰性 表面无吸附性或吸附性很弱 与被分离组分不起反应 c具有较高热稳定性和机械强度 不易破碎d颗粒大小均匀 适当 有利于提高柱效 一般常用40 60目 60 80目 80 100目 2020 3 31 担体类型 红色担体 孔径小 孔穴密集 表面积大 结构紧密 机械强度好 缺点是表面存有活性吸附中心较多 吸附性较大 适用与非极性固定液配合来分离非极性或弱极性组分的试样 白色担体 煅烧前原料中加入少量助溶剂 碳酸钠 表面积小 孔径粗 结构疏松 机械强度差 表面吸附中心少 吸附性小 适宜与极性固定液配合来分离极性组分的试样 氟载体玻璃微球高分子多孔微球 红色 如6201 201 白色 如101 102 2020 3 31 单体的表面处理 a 酸洗 浓盐酸浸泡 除去碱性作用基团b 碱洗 氢氧化钾和甲醇溶液浸泡 除去酸性作用基团c 硅烷化 除去载体表面的氢键作用力 屏蔽活性中心 改进载体的性能 二甲基二氯硅烷 载体表面 载体表面二甲基环氧硅醚 2020 3 31 2020 3 31 选择单体的大致原则A 当固定液质量分数 涂渍比 大于5 时 可选用普通硅藻土型 白色或红色 载体B 当固定液质量分数小于5 时 应选用处理过的载体C 对于高沸点组分 可选用玻璃微球载体 固定液质量分数应控制在0 05 0 5 之间D 对于强腐蚀性组分 可选用氟载体 2020 3 31 分离测定有机物中的痕量水 高分子多孔微球 二 气固色谱固定相 2020 3 31 气固色谱固定相的特点 1 性能与制备和活化条件有关 2 同一种固定相 不同厂家或不同活化条件 分离效果差异较大 3 种类有限 能分离的对象不多 4 使用方便 2020 3 31 第十七章气相色谱法 第三节检测器 一 检测器特性二 热导检测器TCD三 氢火焰离子化检测器四 电子捕获检测器 2020 3 31 一 检测器的性能指标 1 检测器类型浓度型检测器 测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化 即检测信号值与组分的浓度成正比 热导检测器 TCD 和ECD 质量型检测器 测量的是载气中某组分进入检测器的质量瞬间变化 即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比 FID和FPD 2020 3 31 对检测器的要求是 结构简单 灵敏度高 线性范围宽 响应速度快 通用性强 稳定性好 检测限低 检测器性能的好坏通过色谱图来衡量 基线平直的说明仪器工作稳定 检测器性能好 广普型检测器 对所有物质有响应 热导检测器 专属型检测器 对特定物质有高灵敏响应 电子俘获检测器 2020 3 31 响应值 或灵敏度 S 在一定范围内 电信号E与进入检测器的物质浓度或质量 m 呈线性关系 E Sc C或E Sm m单位 mV mg cm3 浓度型检测器 mV mg s 质量型检测器 S表示单位浓度或质量的物质通过检测器时 产生的响应信号的大小 S值越大 检测器 也即色谱仪 的灵敏度也就越高 2020 3 31 噪音和飘移无样品通过检测器时 基线在短暂时间内的起伏 波动 叫噪音 N 其大小用基线波动的最大宽度来衡量 单位是mv基线在一段较长时间 30min 内单方向缓慢变化的幅值叫飘移 d 噪音和漂移是仪器本身所固有的 仪器越好 噪音越小 噪声水平决定着能被检测到的浓度 或质量 2020 3 31 从图中可以看出 如果要把信号从本底噪音中识别出来 则组分的响应值就一定要高于N 检测限检测器响应值为2倍噪音水平时的试样浓度 或质量 被定义为最低检测限 或该物质的最小检测量 D 2N S低于此限时组分峰将被噪音所淹没而检测不出 检测限越低检测器性能越好 2020 3 31 二 热导池检测器 TCD 利用载气与组分热导系数的差异来检测组分浓度变化 样品不破坏 灵敏度低 适用范围测量对象 通用色谱柱 填充柱 2020 3 31 1 热导检测器的结构池体 一般用不锈钢制成 热敏元件 电阻率高 电阻温度系数大 且价廉易加工的钨丝制成 参考臂 仅允许纯载气通过 通常连接在进样装置之前 测量臂 需要携带被分离组分的载气流过 则连接在紧靠近分离柱出口处 2020 3 31 2 检测原理 惠斯顿平衡电桥 右下图 不同的气体有不同的热导系数 在只通载气的情况的前提下 给钨丝通电 钨丝升温所产生的热量被载气带走 并以热导方式传给池体 加热与散热达到平衡后 两臂电阻值 R参 R测 R1 R2则 R参 R2 R测 R1电桥处于平衡 无电压信号输出 记录仪走直线 基线 2020 3 31 当进样后载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气 由于组分与载气导热系数不同使测量臂的温度改变 引起电阻的变化 测量臂和参考臂的电阻值不等 产生电阻差 R参 R测则 R参 R2 R测 R1 这时电桥失去平衡 桥两端存在着电位差 有电压信号输出 信号的大小与组分浓度相关 记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形 2020 3 31 3 影响热导检测器灵敏度的因素 桥路电流I I 钨丝的温度 钨丝与池体之间的温差 有利于热传导 检测器灵敏度提高 检测器的响应值S I3 但稳定性下降 基线不稳 桥路电流太高时 还可能造成钨丝烧坏 池体温度 池体温度与钨丝温度相差越大 越有利于热传导 检测器的灵敏度也就越高 但池体温度不能低于分离柱温度 以防止试样组分在检测器中冷凝 热丝工作电流 热丝与池体温度差载气种类 2020 3 31 载气种类 载气与试样的热导系数相差越大 在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大 检测灵敏度越高 载气的热导系数大 传热好 通过桥路电流也可适当加大 则检测器灵敏度进一步提高 氦气也具有较大的热导系数 但价格较高 表17 3某些气体与蒸气的热导系数 单位 J cm s 2020 3 31 三 氢火焰离子化检测器 FID 利用有机物在氢火焰作用下化学电离而成离子流 借测定离子流强度进行分析 样品破坏 灵敏度高 2020 3 31 氢焰检测器的结构 1 由离子化室 火焰喷嘴 发射极 负极 和收集极 正极 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压 150 300V 构成一个外加电场 氢焰检测器需要用到三种气体N2 载气携带试样组分 H2 为燃气 空气 助燃气 使用时需要调整三者的比例关系 检测器灵敏度达到最佳 2020 3 31 氢焰检测器的原理 1 当含有机物CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时 2100 在C层发生裂解反应产生自由基 CnHm CH 2 产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应 CH O CHO e 3 生成的正离子CHO 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子的离子反应 CHO H2O H3O CO A区 预热区B层 点燃火焰C层 热裂解区 温度最高D层 反应区 2020 3 31 4 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流 约10 6 10 14A 5 在一定范围内 微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比 所以氢焰检测器是质量型检测器 6 组分在氢焰中的电离效率很低 大约五十万分之一的碳原子被电离 7 离子电流信号输出到记录仪 得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线 A区 预热区B层 点燃火焰C层 热裂解区 温度最高D层 反应区 2020 3 31 实例 2020 3 31 特点 1 典型的质量型检测器 2 对有机化合物具有很高的灵敏度 3 无机气体 水 四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应 4 氢焰检测器具有结构简单 稳定性好 灵敏度高 响应迅速等特点 5 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级 检测下限可达10 12g g 1 2020 3 31 4 影响氢焰检测器灵敏度的因素 各种气体流速和配比的选择N2流速的选择主要考虑分离效能 N2 H2 1 1 1 1 5氢气 空气 1 10 极化电压正常极化电压选择在150 300V范围内 2020 3 31 四 电子捕获检测器 ECD 选择性高 灵敏度高 含有电负性大的元素其检测的灵敏度越高 样品被破坏 2020 3 31 1 结构由 放射源 负极 不锈钢棒 正极 两极之间施加一脉冲电压 2020 3 31 2 电子捕获机理 当载气进入检测器是 在放射源的作用下发生电离 产生正离子和低能量电子 生成的正离子和电子在电场作用下分别向两极运动 形成恒定基流 当含强电负性元素的物质进入检测器时 就会捕获这些低能量电子 产生带负电荷离子并释放能量 带负电荷离子和载气电离生成的正离子碰撞成中性化合物 结果使基流降低 产生负信号 形成倒峰 组分浓度越高 倒峰越强 3 适用范围卤素 硝基 羰基 氰基及亲电子有机化合质 2020 3 31 第十七章气相色谱法 一 色谱柱及使用条件选择二 色谱分离方程三 载气种类和流速选择四 其它操作条件的选择 第四节分离条件的选择 2020 3 31 固定相的选择 气 液色谱应根据 相似相溶 的原则 分离非极性组分时 通常选用非极性固定相 各组分按沸点顺序出峰 低沸点组分先出峰 分离极性组分时 一般选用极性固定液 各组分按极性大小顺序流出色谱柱 极性小的先出峰 一 色谱柱及使用条件的选择 固定相 固定液液膜厚度 柱长等 2020 3 31 分离非极性和极性的 或易被极化的 混合物 一般选用极性固定液 此时 非极性组分先出峰 极性的 或易被极化的 组分后出峰 醇 胺 水等强极性和能形成氢键的化合物的分离 通常选择极性或氢键性的固定液 组成复杂 较难分离的试样 通常使用特殊固定液 或混合固定相 2020 3 31 2 固定液配比 涂渍量 的选择 配比 固定液在担体上的涂渍量 一般指的是固定液与担体的百分比 配比通常在5 25 之间 配比越低 担体上形成的液膜越薄 传质阻力越小 柱效越高 分析速度也越快 配比较低时 固定相的负载量低 允许的进样量较小 分析工作中通常倾向于使用较低的配比 2020 3 31 二 色谱分离关系式 分离方程 设两相邻峰的峰宽相等 即W1 W2 则 又知 2020 3 31 另 称为柱效项 称为柱选择项 容量因子项 相对保留值 2020 3 31 令Wb 2 Wb 1 Wb 相邻两峰的峰底宽近似相等 引入相对保留值和塔板数 可导出下式 2020 3 31 与柱效的关系 柱效因子 与容量因子的关系 R n1 2 L1 2 增加柱长 减小塔板高度 限制 L过长 保留时间延长 分析时间延长 色谱峰扩展 使用性能优良的色谱柱 并选择最佳分离条件 k值增大 有利于分离 但k 10时 对R的增加不明显 反而会显著增加分析时间 k的最佳范围 1 10 2020 3 31 与柱选择性的关系 r2 1越大 柱选择性越好 分离效果越好 如果两个相邻峰的选择因子足够大 则即使色谱柱的理论塔板数较小 也可以实现分离 研究证明r2 1微小的变化 就能引起分离度的显著变化 增大r2 1是提高分离度的最有效方法 计算可知 在相同分离度下 当r2 1增加一倍 需要的n有效增加10000倍 增大r2 1的最有效方法是选择合适的固定液 2020 3 31 分离度与k n及的关系 k从1增加到3 R增加到原来的1 5倍 k 2 7 n增加到原来的3倍 R增加到原来的1 7倍 从1 01增加到1 10 增加约9 R增加到原来的9倍 结论 选择合适的固定相 流动相 以增加是改善分离度最有效的方法 2020 3 31 k影响峰位 n影响峰宽窄 影响两峰间距 2020 3 31 如何根据具体情况改进分离度 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 2020 3 31 1 各组分的分配系数必须不同 这一条件通过选择合适的固定相来实现 2 区域扩宽的速度应小于区域分离的速度 即色谱柱的柱效要高 3 在保证快速分离的前提条件下 色谱柱应足够短 1 使试样中的不同组分分离需要满足的条件 2020 3 31 例 在一定条件下 两个组分的调整保留时间分别为85秒和100秒 要达到完全分离 即R 1 5 计算需要多少块有效塔板 若填充柱的塔板高度为0 1cm 柱长是多少 解 r21 100 85 1 18n有效 16R2 r21 r21 1 2 16 1 52 1 18 0 18 2 1547 块 L有效 n有效 H有效 1547 0 1 155cm即柱长为1 55米时 两组分可以得到完全分离 2020 3 31 例 在一定条件下 两个组分在1米的色谱柱中保留时间分别为12 2s和12 8s 若塔板数为3600 计算分离度 要达到完全分离 即R 1 5 所需要的柱长 解 分离度 塔板数增加一倍 分离度增加多少 2020 3 31 例 已知物质A和B在一根30 00cm的色谱柱中保留时间分别为16 40min和17 63min 不被保留的组分通过该柱的时间为1 30min 峰底宽度分别为1 11min和1 21min 计算 1 分离度 2 柱的平均塔板数 3 要达到完全分离 即R 1 5 所需要的柱长 解 1 分离度 2 柱的平均塔板数 2020 3 31 3 达到1 5分离度所需柱长度由 2020 3 31 柱温应控制在固定液的最高使用温度和最低使用温度范围之内 使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下 采取适当低的柱温 但以保留时间适宜 峰形不拖尾为度 柱温一般选择在组分平均沸点左右 组分复杂 沸程宽的试样 采用程序升温 2 柱温选择原则 2020 3 31 程序升温 指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线形或非线性变化 以达到用最短时间获得最佳分离的目的升温方式 2020 3 31 程序升温 2020 3 31 程序升温50 250 8 min 恒温150 正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较 程序升温不仅可以改善分离 而且可以缩短分析时间 2020 3 31 三 载气种类和流速的选择 1 载气种类的选择载气种类的选择应考虑三个方面 载气对柱效的影响 检测器要求及载气性质 载气摩尔质量大 可抑制试样的纵向扩散 提高柱效 载气流速较大时 传质阻力项起主要作用 采用较小摩尔质量的载气 如H2 He 可减小传质阻力 提高柱效 热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度 在氢焰检测器中 氮气仍是首选目标 在载气选择时 还应综合考虑载气的安全性 经济性及来源是否广泛等因素 2020 3 31 检测器 载气 柱效 u较小时 选择分子量较大的载气 N2 Ar u较大时 选择分子量较小的载气 H2 He u的选择 2020 3 31 四 其它条件选择 进样量 气化温度 进样量 柱效 进样量过大 使色谱柱超载 柱效急剧下降 峰形变宽 检测器 进样量过大 峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内 2020 3 31 色谱仪进样口下端有一气化器 液体试样进样后 在此瞬间气化 气化温度一般较柱温高30 70 防止气化温度太高造成试样分解 2020 3 31 第十七章色谱分析法概论 第五节色谱定性和定量分析 一 色谱定性方法二 色谱定量方法三 应用实例 2020 3 31 一 色谱定性方法 1 利用纯物质对照定性在一定色谱条件下 通过对比试样中与纯物质具有相同保留值 保留时间 保留体积等 的色谱峰 来确定试样中是否含有该物质 适用于对组分性质有所了解 组成简单且有纯物质的未知物 不适用于在不同仪器上获得的数据之间的对比 2 利用加入已知纯物质增加峰高定性将纯物质加入到试样中 观察各组分色谱峰相对变化 如果加入纯物质后使某峰增高而半峰宽并不增加 则表示两者可能是同一物质 2020 3 31 2020 3 31 利用相对保留值定性 相对保留值 is仅与柱温和固定液性质有关 在相同条件下 分别测出组分i和基准物质s的调整保留值 再计算出相对保留值 用求出的相对保留值与文献相应值比较定性 4 利用保留指数 定性保留指数 I 是一种重现性和准确度较其他保留数据都好的定性参数 相对误差小于1 欲求某物质的保留指数 只要与相邻正构烷烃混合在一起 在给定条件下进行色谱实验 然后通过公式计算保留指数 2020 3 31 例 某未知物选择正庚烷和正辛烷两个正构烷烃 未知物的峰在两正构烷烃峰中间 相应的调整保留时间分别为 正庚烷170 4s 未知物310 0s 正辛烷374 4s计算得I 775 63查文献确定为乙酸正丁酯 2020 3 31 5 与其他分析仪器联用的定性方法 小型化的台式色质谱联用仪 GC MS 色谱 红外光谱仪联用仪 组分的结构鉴定 2020 3 31 二 定