第十一章 气相色谱法

第十一章气相色谱法 GasChromatography 气相色谱法 GC 是英国生物化学家MartinATP等人在研究液液分配色谱的基础上 于1952年创立的一种极有效的分离方法 它可分析和分离复杂的多组分混合物 目前由于使用了高效能的色谱柱 高灵敏度的检测器及微处理机 使得气相色谱法成为一种分析速度快 灵敏度高 应用范围广的分析方法 气固色谱 GSC 多孔性固体为固定相 分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物 气液色谱 GLC 固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上 由于可供选择的固定液种类多 故选择性较好 应用亦广泛 第一节气相色谱仪 一结构流程 气路系统 进样系统 分离系统 检测和记录系统 温控系统 一结构流程 GC工作过程 一 气路系统1 气相色谱对载气的基本要求 1 纯净通过装有活性炭 硅胶或分子筛等的净化器 除去载气中的烃类物质 水分 氧等有害杂质 2 稳定采用稳压阀和针形阀调节气体的压力和流量 3 常用的载气氮气氢气氦气氩气 2 气路结构 单柱单气路 适用于恒温分析 双柱双气路 可以补偿气流不稳定及固定液流失对检测器的干扰 特别适合于程序升温 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性或非线性变化 以达到用最短时间获得最佳分离的目的 二 进样系统包括进样装置和气化室 1 进样器 微量注射器 液体 六通阀 气体 2 气化室 液体样品引入后需要瞬间气化而不分解温度比柱温高出10 50 对气化室的要求是 1 体积小 2 热容量大 3 对样品无催化作用 载气入口 接色谱柱 散热片 加热块 气化室示意图 取样位置试样导入色谱柱 旋转式六通阀进样器 三 分离系统 色谱柱 分离系统即色谱柱 是色谱仪的心脏 主要有两类 填充柱和毛细管柱 1 填充柱填充柱由不锈钢或玻璃材料制成 内装固定相 一般内径为2 4mm 长1 10m 填充柱的形状有U型和螺旋型二种 螺旋形直径与柱内径比一般为15 1 25 1 2 毛细管柱毛细管柱又叫空心柱 可以是不锈钢 玻璃或石英 内径0 l 0 5mm 柱长30 300m 毛细管色谱柱渗透性好 分离效率高 理论塔板数可达106 分析速度块 但柱容量低 进样量小 要求检测器的灵敏度高 并且制备较难 四 控制温度系统 在气相色谱测定中 温度是重要的指标 它直接影响色谱柱的选择分离 检测器的灵敏度和稳定性 控制温度主要指对色谱柱炉 气化室 检测器三处的温度控制 色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种 对于沸点范围很宽的混合物 往往采用程序升温法进行分析 k是热力学常数 随温度变化 温度越高 K值越小 因此保留时间越短 据此 可通过柱温调节分离程度 恒温和程序升温分析烃类化合物 五 检测系统作用 将色谱分离后的各组分的量转变成可测量的电信号 然后记录下来 要求 灵敏度高 噪音低 线性范围宽 死体积小 响应速度快 结构简单 通用性强 常用检测器 热导池检测器 氢火焰离子化检测器 电子捕获检测器 火焰光度检测器等 1检测器的分类 l 浓度型检测器测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化 即检测器的响应值和组分的浓度成正比 如热导检测器和电子捕获检测器 2 质量型检测器测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化 即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比 如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等 1 灵敏度单位浓度 或质量 的组分通过检测器时所产生信号的大小称为检测器对该组分的灵敏度 2 检测器的性能指标 浓度型检测器灵敏度 1ml载气中含有1mg ml 试样时 检测器给出的mV数 单位为 A 峰面积 cm2F0 载气体积流速 ml min 1C1 记录仪灵敏度 mV cm 1C2 记录纸转速 cm min 1m 进样量 ml mg 质量型检测器灵敏度 1s内有1g试样进入检测器时产生的毫伏或安培数 单位 2 检测限 敏感度 D指检测器恰能产生相当于3倍噪音 3RN 的信号时 单位体积或单位时间需向检测器送入的试样质量或体积 RN mVD mg ml 1或g s 1 如何降低D 3 常用检测系统 1 热导池检测器 TCD 测量依据 利用载气与组分热导系数的差异进行测量 a 测量电路 惠斯顿电桥 b 影响热导检测器灵敏度的因素 桥路电流 但I大 RN大 基线不稳 精密度降低 且金属丝易氧化烧坏 载气 导热系数大小 H2 He N2一般选H2 因被测组份导热系数一般比较小 载气对热导检测器灵敏度的影响 某些气体与蒸气的热导系数 10 4J cm s 1 c TCD特点结构简单 性能稳定 几乎对所有物质都有响应 通用性好 而且线性范围宽 价格便宜 因此是应用最广 最成熟的一种检测器 其主要缺点是灵敏度较低 多用于常量到10 g ml 1以上组分的测定 2 氢火焰离子化检测器 FID 火焰离子化机理 依据 气体的导电率与该气体中所含带电离子的浓度成正比 不是热电离而是化学电离 适用范围含碳有机化合物 特点结构简单 灵敏度高 死体积小 响应快 线性范围宽 稳定性好 是目前常用检测器之一 3 电子捕获检测器 ECD 电子捕获机理 适用范围卤素及亲电子物质常分析痕量具有电负性元素组分 如食品 农副产品中的农药残留量 大气 水中痕量污染物等 基流 基流下降 倒峰 特点高灵敏 高选择性 线性范围较窄 102 104 4 火焰光度检测器 FPD 硫磷检测器 响应机理 适用范围含硫 磷化合物 含磷化合物 含硫化合物 第二节气相色谱固定相的选择 固定相 固定液担体 载体 液体固定相 固体固定相 1 固定液 高沸点的有机化合物 对固定液的要求 热稳定性好 在操作温度下不发生聚合 分解等反应 具有较低的蒸气压 以免流失 化学稳定性好 不与样品或载气发生不可逆的化学反应 粘度和凝固点低 以便在载体表面能均匀分布 对样品中的各组分有适当的溶解度 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极性固定液与极性试样分子间作用力主要是静电力 静电力与绝对温度成反比 b 诱导力 极性与非极性分子之间的作用力试样具有非极性分子和可极化组分时 可用极性固定液的诱导效应分离 如苯 B P 80 1 和环已烷 B P 80 8 固定液极性越强 两者分离得越远 c 色散力 非极性分子之间的作用力 非极性和弱极性分子间主要是色散力 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 COOR NH2 NH等官能团时 对含F O N化合物常有显著的氢键作用力 按固定液的相对极性P分类 P380表14 3 常用固定液极性数据 固定相的选择气体和低沸点烃类试样 选固体固定相 大多有机物试样 用液体固定相完成分离 1 固定液的选择 1 相似相溶 原理 i 分离非极性物质 如烃类 一般选用非极性固定液 如角鲨烷 阿皮松等 分离时试样中各组分按沸点从低到高顺序流出 若有同沸点烃类和非烃类化合物 则极性化合物先流出 ii 分离中等极性试样 应选中等极性固定液 如邻苯二甲酸二壬酯 聚乙二醇已二酸酯等 组分和固定液分子间作用力主要是色散力和诱导力 组分基本上按沸点顺序流出 同沸点的极性组分后流出 iii 分离强极性组分试样 选择强极性固定液 如 氧二丙腈 聚丙二醇已二酸酯等 组分与固定液间的作用力主要是静电力 组分主要按极性顺序分离 非极性组分首先流出 极性强的后流出 vi 分离非极性和极性混合物时 一般选用极性固定液 这时非极性组分先流出 极性组分或易被极化的组分后流出 分离比较复杂的试样时 当试样各组分的沸点差别很大时 可选非极性固定液 当各组分之间极性差别很显著时 则可选择极性固定液分离 对载体的要求 具有多孔性 即比表面积大 化学惰性 表面没有活性 有较好的浸润性 热稳定性好 有一定的机械强度 使固定相在制备和填充过程中不易粉碎 2载体 担体 硅藻土 红色白色 非硅藻土 担体 载体 红色载体 含少量氧化铁 特点 强度大 比表面积大 有一定的催化活性 适用于涂渍高含量固定液 分离非极性 白色载体 含助熔剂碳酸钠 呈白色 特点 比表面积小 孔径较大 催化活性小 适用于涂渍低含量固定液 分离极性化合物 非硅藻土载体有有机玻璃微球载体 氟载体 高分子多孔微球等 这类载体常用于特殊分析 如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF Cl2等分析 硅藻土载体的预处理 a 酸洗 浓盐酸浸泡 除去碱性作用基团b 碱洗 氢氧化钾甲醇溶液浸泡 除去酸性作用基团c 硅烷化 除去担体表面的氢键作用力 二甲基二氯硅烷 3气固色谱固定相 a 高分子多孔微球 适用 特别适于分离测定有机物中的痕量水 也可用于多元醇 脂肪酸 腈类 胺类的分析 4 合成固定相 极性 苯乙烯 二乙烯苯共聚物中引入极性官能团非极性 苯乙烯 二乙烯苯共聚物 特点 颗粒均匀 填充均匀 数据重现性好 无液膜存在 即无流失问题 适于程序升温 b 键合固定相 第三节气相色谱分离条件的选择 1 载气及其线速的选择 选择分离时最佳操作条件 能提高柱效 增大分离度 最低点 最佳传质阻力项 C 是影响板高的主要因素 应采用相对分子量较小的载气 如H2 He 若分离是主要矛盾 宜采用 最佳但分析时间往往过长 若分析速度是主要矛盾 流速稍高于最佳流速 选择载气时 还应考虑与所用检测器相适应 2 柱温的选择 改变柱温产生的影响 柱效 增加柱温可加快气相 液相的传质速率 有利于降低塔板高度 改善柱效 但同时又会加剧纵向扩散 从而导致柱效下降 分离度 柱温升高 K减小 分离度下降 分析时间 降低柱温 分析时间增加 柱温不能高于固定液的最高使用温度 否则造成固定液大量挥发流失 必须高于其熔点 以有效发挥其作用 宽沸程混合物 宜采用程序升温法进行分析 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 3 柱长和内径的选择 柱径 增加柱内径 可增加分离的样品量 但纵向扩散路径增加 会使柱效降低 一般内径为3 6mm 柱长 在其它条件相同情况下 增加柱长 可增大分离度 但延长分析时间 在满足一定分离度条件下 尽可能使用短柱子 一般2 6m 4 载体粒度 粒度 涡流扩散 传质阻力 粒度减小 柱效明显提高 载体的直径约为柱内径的1 20 1 25为宜 如4mm内径柱 选用60 80目载体为好 粒度过细时 阻力明显增加 操作不便 A中 的影响 载体粒度均匀 形状规则 可降低 提高柱效 5 进样量和进样时间的选择 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 进样时间 进样速度必须很快 否则试样原始宽度变大 峰易变形 1s以内 第四节气相色谱法应用 一定性分析 1用已知纯物质对照定性 单柱比较法双柱比较法峰高增加法定性 单柱比较法是在相同的色谱条件下 分别对已知纯样及待测试样进行色谱分析 得到两张色谱图 然后比较其保留参数 当两者的数值相同时 即可认为待测试样中有纯样组分存在 双柱比较法是在两个极性完全不同的色谱住上 在各自确定的操作条件下 测定纯样和待测组分在其上的保留参数 如果都相同 则可准确地判断试样中有与此纯样相同的物质存在 由于有些不同的化合物会在某一固定相上表现出相同的热力学性质 故双柱法定性比单柱法更为可靠 2 相对保留值 3 保留指数 科瓦茨指数 I 规定 正构烷烃的保留指数I为其碳数乘100 测定其它物质I 将n和n 1的正构烷烃加于试样X中分析 3联机定性 GC MS 气相色谱 质谱 例 川桂皮挥发油的化学成分分析 色谱柱 SE 54 30m 0 25mm 0 25 m 色谱操作条件 载气 氦气 流速1mL min 柱温 初温60 保持1min 8 min升温至150 6 min升温至190 8 min升温至250 保持1min 总离子流色谱图 6号峰的质谱图 GC FTIR 气相色谱 傅里叶红外 等 二定量分析 定量基础 或 严格控制操作条件下 Er为1 3 三应用 一 分离分析中的应用 气体 易挥发的物质及可转化为易挥发化合物的液体