第11章 气相色谱法

第19章气相色谱法 GasChromatography GC 本章主要内容 气相色谱仪 仪器的结构 各部件的作用和组成 GC中常用检测器的种类 特点及其应用 气相色谱固定相及其选择 固定液与组分的相互作用 固定液的选择原则及出峰情况 气相色谱条件的选择 气相色谱分析方法及应用 一 气相色谱的定义 以气体为流动相的色谱模型 二 气相色谱的分类 1 按固定相的不同 多孔性固体 永久性气体 O2 N2 CO2等 和低沸点化合物 气固色谱 气液色谱 惰性载体涂渍高沸点固定液 适合450oC以下能气化热稳定性好的组分 2 按柱子的不同 填充柱气相色谱毛细管柱气相色谱 开管气相色谱 19 1概述 三 气相色谱的特点 三高一快一广 分离微量 痕量组分 样品用量少 1 优点 能分离性质极为接近的物质 如 同位素 异构体等 在短时间内就能分离测定性质极为复杂的混合物 GC可测粮食 蔬菜中农药残留量 动植物体内药残留量 样品准备好后 几分钟 几十分钟即可 广泛应于环保 临床 药物 农药 食品等方面的测定 联用技术成熟 2 缺点 对不宜汽化的高分子 热稳定性差 化学性质极为活泼或强腐蚀性物质不能用GC测定 19 2气相色谱仪 一 气相色谱法的基本工作过程 选择一定的载气 净化 稳压稳流 气化室气化 样品 色谱柱分离 检测器检测 放大输出 恒温 载气系统 进样系统 色谱柱 检测系统 数据处理与计算机控制系统 二 填充柱气相色谱仪 H2 N2或Ar 1 气路系统 气路系统的作用 提供纯净 稳压 恒流的载气 流动相 气路系统的结构 气密性好 载气要纯净 且稳定 对气路系统的要求 二 填充柱气相色谱仪 补偿式双气路结构 单气路结构 适合恒温分析 适合程序升温 优点 能补偿升温过程中因固定液流失及载气流量不稳等使检测器产生的噪音及基线漂移 二 填充柱气相色谱仪 气路系统 气路系统的类型 2 进样系统 进样系统的作用 将样品引入色谱仪并使之在进入色谱柱前气化 进样系统的结构 液体试样用微量注射器 气体试样用六通阀 保证样品瞬间气化而不分解 要求温度高 热容量大 体积小 进样系统对GC的影响 进样量及时间和气化速度影响色谱柱效和重现性 二 填充柱气相色谱仪 分离系统的作用 将混合组分得以分离 柱的种类 分离系统对GC的影响 柱长度 形状 柱径 种类 柱填充情况等影响色谱柱效和分离度等 填充柱 由不锈钢 玻璃或聚四氟乙烯等材料制成 多为U形或螺旋形 内径2 4mm 长1 3m 柱内填固定相 柱容量大 二 填充柱气相色谱仪 3 分离系统 色谱柱 仪器的核心部件 气 固色谱为固体吸附剂 气 液色谱为涂固定液的担体 3 温控系统 温控系统的作用与要求 设定 控制和测量气化室 色谱柱和检测器三处的温度 温控方式 温控系统对GC的影响 1 影响扩散系数 影响色谱柱效和分离度等 2 影响检测器灵敏度和稳定性 1 恒温 2 程序升温 适用于沸点范围很宽的混合物分离 指在一个分析周期内 柱温随时间由低向高作线性或非线性变化 使各组分在最佳温度下用最短时间获得最佳分离的目的 二 填充柱气相色谱仪 4 检测系统 检测器 色谱仪的眼睛 5 数据处理与计算机控制系统 三 毛细管气相色谱仪 1 与填充柱气相色谱仪的区别 三 毛细管气相色谱仪 1 与填充柱气相色谱仪的区别 1 色谱柱不同 填充柱气相色谱仪用填充柱 柱容量大 毛细管气相色谱仪用毛细管柱 柱容量小 2 进样器和进样方式不同 毛细管气相色谱仪的柱前增加了一个分流 不分离进样器 毛细管气相色谱仪的柱后增加了尾吹气路 不锈钢或石英等材料制成 内径0 1 0 5mm 长达几十至100m 通常弯成直径10 30cm的螺旋状 离效率高 n可达106 分析速度快 样品用量小 但柱容量小 要求检测器灵敏 而且柱外效应明显 三 毛细管气相色谱仪 2 毛细管气相色谱仪的进样器与进样方式 1 分流进样 3 直接进样 5 程序升温气化进样 2 不分流进样 4 冷柱头进样 把被分离组分的质量 浓度 转化为易于检测的信号 一 检测器的分类 色谱仪的眼睛 按信号形状分 响应值与浓度相关 S C 如热导池 电子捕获检测器 响应值与质量相关 S m 如氢火焰离子 火焰光度检测器 19 3气相色谱检测器 按检测特性分 对所有物质都有响应 如热导池检测器 只对部分物质有响应 如氢火焰离子 电子捕获检测器 火焰光度检测器等 按选择性分 二 检测器的性能指标 1 灵敏度 S 1 定义 2 测量计算方法 对于浓度型 对于质量型 2 检出限 D 产生3倍于噪音的信号时 在单位时间所需要引入检测器的样品量 质量型 或单位体积载气中所含物质量 二 检测器的性能指标 3 最小检测量或最小检测浓度 4 线性范围 GC对检测器的要求 响应快 死体积小 噪音低 检测限低 响应线性范围宽 稳定性好 三 GC中几种典型的检测器 1 热导检测器 Thermalconductivitydetector TCD 通用型检测器 2 结构 载气参考臂 样品臂 池体 热敏元件 电阻率高 电阻温度系数大 且价廉易加工的钨丝或铂丝 构成参比池和测量池 并由其和另外两个热敏元件组成Wheatstone电桥 一般用不锈钢制成 三 GC中几种典型的检测器 1 类别 分双臂和四臂两种 3 TCD的工作原理 进样前 R1 R3 R2 R4 AB两端无电压信号输出 得到基线 进样后 参考臂流过的是纯载气 测量臂流过的是载气加试样组分 因为样品与载气具有不同的导热系数 使测量臂的温度改变 热平衡破坏 引起电阻变化 测量臂和参考臂的电阻值不等 产生电阻差 参比臂和样品臂中都只有载气通过 两臂处于热平衡 电桥处于平衡 R1 R3 R2 R4 AB两端有电压信号输出 得色谱峰 组分浓度随时间变化的峰形图 TCD的工作原理是依据不同物质具有不同的导热系数 三 GC中几种典型的检测器 热导检测器 4 影响TCD灵敏度的因素 桥电流 I 桥电流增加 灵敏度就提高 S I3 电流太大会影响钨丝寿命 并导致噪音加大 基线不稳 精密度下降 一般桥电流控制在1OO 200mA左右 N2作载气时为100 150mA H2作载气时150 200mA为宜 凡有利于加大池体和热敏元件 W丝 温差的因素 有利于加大载气和检测组分导热系数差异的因素 可提高TCD灵敏度 池体温度 池体温度下降 灵敏度增加 池体温度不能低于分离柱温度 三 GC中几种典型的检测器 热导检测器 载气种类 载气与试样的导热系数相差愈大 则灵敏度愈高 一般组分导热系数小 所以应该选择导热系数大的载气 H2 He 空气 N2 Ar 常见载气的导热系数 单位 J cm s 在使用TCD检测器时 一般使用H2作载气 4 影响TCD灵敏度的因素 三 GC中几种典型的检测器 热导检测器 5 TCD的特点 优点 结构简单 性能稳定 线性范围宽 价格低廉 对所有组分都有响应 是通用型和浓度型检测器 应用最为广泛 缺点 灵敏度低 三 GC中几种典型的检测器 热导检测器 2 氢火焰离子化检测器 flameionizationdetector FID 选择型检测器 1 结构 含样品 助燃气 燃气 2 原理 主体为离子室 内有石英喷嘴 发射极 极化极 和收集极 气体通道 含碳有机物在H2火焰 提供电离能 中燃烧产生正负离子和电子 在电场作用下向两极迁移 形成离子流 电流 经放大后检测得到色谱峰 组分质量随时间变化的峰形图 三 GC中几种典型的检测器 如苯在氢火焰中的化学电离 氢火焰离子化检测器 3 影响FID灵敏度的因素 4 FID的特点 结构简单 响应快 死体积小 灵敏度高 比TCD的灵敏度高103倍 适用于所有含碳有机化合物 是选择型检测器和质量型检测器 是目前常用检测器 三 GC中几种典型的检测器 离子室的结构 FID操作条件 3 电子捕获检测器 electroncapturedetector ECD 1 结构 2 原理 电极内腔有两个电极 以不锈钢棒作正极 和筒状的 放射源 作为负极 3H或63Ni 外电场 加在两极间 形成恒定基流 基流降低而产生负信号 载气 电离 样品组分 选择型检测器 t 三 GC中几种典型的检测器 电子捕获检测器 ECD 4 ECD特点与应用 较多应用于农副产品 食品及环境中农药残留量 大气和水中微量污染物等的测定 仅对含有卤素 S P O等电负性元素的化合物响应 检测的线性范围窄 重现性差 三 GC中几种典型的检测器 3 影响ECD灵敏度的因素 是GC中灵敏度最高的检测器 检测下限达10 14g mL以下 4 火焰光度检测器 flamephotometricdetector FPD 选择型检测器 又称为硫磷检测器 SPD 1 结构 组分在富氢火焰中燃烧 产物 SO2或P的氧化物 被H2还原后被激发 激发态回到基态时 发射光谱 RS O2 CO2 SO2 H2O S S S hv 394nm 如 三 GC中几种典型的检测器 由氢火焰和光度计组成 2 响应原理 3 特点 5 热离子检测器 thermionicdetector TID 选择型检测器 又称为氮磷检测器 NPD 结构与响应原理与FID相似 只对含N及含P的化合物响应 特点 不同点在于在H2焰中燃烧的低温热气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 三 GC中几种典型的检测器 19 4气相色谱固定相 气相色谱中的固定相有固体固定相和液体固定相两类 一 固体固定相 2 固体固定相种类 分离永久性气体 低沸点碳氢化合物 几何异构体和强吸附性物质 1 固体固定相的主要应用 1 固体吸附剂 一 固体固定相 特点 比表面积大 吸附活性点多 色谱峰拖尾 柱容量小 一般要进行涂去尾剂处理 2 高分子多孔微球 GDX GDX种类 由苯乙烯 二乙烯苯共聚得到 由苯乙烯 二乙烯苯共聚物中引入极性基团得到 人工合成的多孔聚合物 固体固定相种类 特点 选择性好 热稳定性好 颗粒均匀 机械强度大 耐腐蚀 分离效果好 应用最广泛 3 化学键合固定相 硅胶 强极性 氧化铝 弱极性氢键型 活性炭 非极性 分子筛 极性 筛孔大小 种类 液体固定相的组成 固定液的支持骨架 具有高沸点的有机物 均匀涂抹在载体上 起分离作用 1 对固定液的基本要求 二 液体固定相 1 组分在气液两相中的分配系数 在GC中 载气为惰性气体 试样为稀溶液 与组分和固定液之间的相互作用强度有关 组分与固定液间作用越强 越小 K越大 保留时间长 P 与组分的沸点有关 组分沸点越低 P 越大 K越小 保留时间短 二 液体固定相 2 固定液与试样分子之间的相互作用 2 GC中的相对保留值 组分在GC中能否得到分离 取决于组分的沸点及组分与固定相之间的相互作用力大小差别 3 组分与固定液间的结合力 组分在固定相中溶解度越好 结合力越强 主要结合力包括 发生在具有氢键供体和受体的分子间 发生在极性分子间 为永久偶极与瞬时偶极间的静电吸引 发生在极性与非极性分子间 为瞬时偶极间的静电吸引 发生在非极性分子间 二 液体固定相 固定液与试样分子之间的相互作用 3 固定液的分类 1 固定液的相对极性 Px 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 其它物质的相对极性 Px 为 其中q为 其它物质的相对极性Px在0 100间 二 液体固定相 2 固定液的分类 按相对极性大小分 固定液的分类 二 液体固定相 按化学结构分 按麦氏常数分 见书p533表19 4 固定液的分类 二 液体固定相 2 固定液的分类 4 载体 担体 二 液体固定相 1 作用 固定液的支持骨架 2 对载体的要求 3 常用载体 载体 担体 4 硅藻土载体的预处理 覆盖硅藻土表面含有的硅醇基 SiOH 具有吸附活性 除去含有的金属及其氧化物杂质 如Al2O3 Fe等 具有催化作用 处理的目的 处理的方法 除去碱性活性基团 除去酸性活性基团 消除氢键结合力 二 液体固定相 19 5毛细管气相色谱 一 毛细管柱的特点与类型 不锈钢或石英等材料制成 内径0 1 0 5mm 长达几十至100m 通常弯成直径10 30cm的螺旋状 内壁涂有固定液 或柱内填充液体固定相 1 毛细管柱的特点 柱的渗透性好柱效高 理论塔板数可达105 传质快柱容量小 石英涂层毛细管的结构 2 毛细管柱的类型 涂层开管柱 wallcoatedopentubularcolumn WCOT 壁处理开管柱 walltreatedopentubularcolumn WTOT 多孔层开管柱 porouslayeropentubularcolumn PLOT 载体涂层开管柱 supportcoatedopentubularcolumn SCOT 填充开管柱 packedcapillarycolumn 按涂层与柱结构分 二 毛细管柱气相色谱的速率理论方程 三 毛细管柱的制备与评价 毛细管气相色谱 19 6气相色谱条件的选择 一 固定液及其含量的选择 相似相溶 原理 1 固定液选择的一般原则 选择条件的依据 一般选用非极性固定液 1 分离非极性物质 2 分离弱或中等极性物质 试样中各组分按沸点次序流出 沸点低的先流出 沸点相同时 非极性分子先出峰 组分与固定相以色散力结合 Ki取决于组分的P0 试样中各组分按沸点次序流出 沸点低的先流出 沸点相同时 极性分子先出峰 选用中等极性固定液 组分与固定相以色散力及诱导力结合 Ki取决于P0 一 固定液及其含量的选择 选用强极性固定液 3 分离强极性物质 组分与固定相以静电力结合 K取决于 试样中各组分按极性次序分离 极性小的先流出 4 分离酸性或碱性的极性化合物 选用带酸性或碱性基团的高分子多孔微球或在强极性固定液中加入少量酸或碱总 组分与固定相以静电力结合 Ki取决于 与水合离子半径成正比 与离子半径成反比 试样中各组分按分子量大小流出 分子量小先出峰 1 固定液选择的一般原则 一 固定液及其含量的选择 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 5 分离能形成氢键的试样 一般选用极性或氢键型固定液 组分与固定相以氢键力结合 6 复杂未知组分的分离 一般用最常用的几种固定液做试验 1 固定液选择的一般原则 2 用量的选择 1 载体量固定时 固定液增加 柱容量增加 但固定液涂层厚度增加 柱效下降 2 固定液用量与柱温 组分的极性及沸点有关 柱温增加 用量下降 高沸点试样 使用低液载比柱 低沸点试样 使用高液载比柱 二 载气及其流速的选择 1 流速的选择 实际流速通常稍大于最佳流速 以缩短分析时间 由检测器和流速决定 2 种类的选择 选用H2或He 选用H2 He或N2 选用N2或Ar 1 按检测器 2 按