第十二章 色谱分析法(2)ppt课件

1 第十二 2 章气相色谱法GasChromatography 2 3 4 5 12 2 1概述 气相色谱法 GC 是英国生物化学家马丁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 气相色谱与质谱 GC MS 联用 气相色谱与Fourier红外光谱 GC FTIR 联用 气相色谱与原子发射光谱 GC AES 联用 6 气相色谱法的特点 三高一快一广 1 高选择性 能分离性质极为接近的物质如 同位素 异构体等2 高效能 在很短的时间内就能分离测定性质极为复杂的混合物3 高灵敏度 分离微量 痕量组分用高灵敏度的检测器可测出样品中10 11 10 13g组分样品用量少 液体0 几 L 气体1mL 固体几 g 可测粮食 蔬菜中农药残留量 动植物体内药残留量4 分析速度快 样品准备好后 几分钟 几十分钟即可 7 5 应用范围广 在柱温条件下有一定蒸气压且稳定性好的样品都能测定 只要在 196 450 温度范围内有27 1330Pa蒸气压且不分解的物质原则上都能测定 不论它是气体 液体和固体对于挥发性低和受热易分解的物质 若能通过化学衍生方法使其转化为挥发性大 热稳定性好的衍生物 同样可用气相色谱分离和分析GC专长 同系物 其它方法无法测定 GC主要用于分离和定量 可广泛应用在环保 临床 药物 农药 食品 污染物等方面的测定 8 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 应用范围受到限制 在所有的有机物分析中只有15 20 能用GC进行分离分析 9 气相色谱法又可分为 气固色谱 GSC 气液色谱 GLC 气固色谱 是用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 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 10 12 2 2气相色谱仪 1 11 图4102G型气相色谱仪 102型气相色谱仪 常用于学生实验 12 图5GC 7890气相色谱仪 带色谱工作站 13 图6GC 7890气相色谱仪 外观 内部结构 14 图7GC 9A气相色谱仪 日本东京Shimadzu 15 图76890气相色谱仪 图8毛细管柱色谱 美国安捷伦科技公司Agilent 16 一 气路系统 17 气路系统 载气连续运行的密闭管路系统1 对气路的要求 2 气路结构3 流速的测定和校正载气流速采用 气密性好 载气要纯净 且稳定 单柱单气路 简单适于恒温分析 双柱双气路适于程序升温 转子流量计 给出载气流速的相对值不能反映柱内真实流速皂膜流量计 测柱后的流速 进行校正后得到柱温下的流速 18 校正载气流速 载气在柱后的真实流速 皂膜流量计测得载气流速 出口载气流速经过水蒸气校正的流速 室温时水的饱和蒸气压 柱出口压力 即大气压力 19 Tc 柱温 Tr 柱后温度 载气平均流速 FC FO Ti j温度校正因子Ti TC Tr 柱温 柱压 柱内载气的平均流速 压力校正因子 20 三 进样系统 进样装置和汽化室 汽化室 可控温度为50 400 一般比柱温高30 70 进样装置液体 0 5 1 5 10 25 50 L 一般进样0 1 10 L 气体 0 25 5mL注射器或六通阀 一般进样0 1 10mL 2 汽化室样品在汽化室汽化 并很快被带入色谱柱 21 四 分离系统 把混合物样品中各组分进行分离的装置 分离系统由色谱柱组成 它是色谱仪的核心部件 其作用是分离样品 色谱柱主要有两类 填充柱和毛细管柱 1 填充柱填充柱由不锈钢 玻璃或聚四氟乙烯等材料制成 内装固定相 一般内径为2 6mm 长1 5m 填充柱的形状有U型和螺旋型二种 柱内填充固定相 制作简单 柱容量大 操作方便 分离效果足够高 n在102 103之间 应用普遍 22 2 毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱 分为涂壁 多孔层和涂载体空心柱 涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0 l 0 5mm的毛细管内壁而成 毛细管材料可以是不锈钢或石英 毛细管色谱柱渗透性好 传质阻力小 而柱子可以做到长几十米 与填充柱相比 其分离效率高 理论塔板数可达106 分析速度快 样品用量小 但柱容量低 要求检测器的灵敏度高 并且制备较难 23 五 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 汽化室 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 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 24 25 六 检测和数据处理系统 样品经色谱柱分离后 各成分按保留时间不同 顺序地随载气进入检测器 把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化 转化成易于测量的电信号 经过必要的放大传递给记录仪或计算机 最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息 26 固体固定相聚合物固定相液体固定相 12 2 3气相色谱的固定相 混合组分在色谱柱上能否分离 主要取决于所用固定相 选择固定相是GC的关键问题固定相主要分三大类 27 常用固体吸附剂主要有强极性的硅胶 弱极性的氧化铝 非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等 使用时 可根据它们对各种气体的吸附能力不同 选择最合适的吸附剂 主要用来分析永久性气体和一些低沸点物质 一 气固色谱固定相 28 二 聚合物固定相 它既起固定液作用直接用于分离 也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用 由于是人工合成的 可控制其孔径大小及表面性质 圆球型颗粒容易填充均匀 数据重现性好 在无液膜存在时 没有 流失 问题 有利于大幅度程序升温 这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析 也可用于多元醇 脂肪酸 脂类等的分析 29 三 气液色谱固定相 载体 担体 和固定液组成气液色谱固定相1 载体 担体 承担固定液的惰性物质 l 对载体的要求 具有足够大的表面积和良好的孔穴结构 使固定液与试样的接触面较大 能均匀地分布成一薄膜 但载体表面积不宜太大 否则犹如吸附剂 易造成峰拖尾 表面呈化学惰性 没有吸附性或吸附性很弱 更不能与被测物起反应 热稳定性好 形状规则 粒度均匀 具有一定机械强度 30 2 载体类型大致可分为硅藻土和非硅藻土两类 硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体 它是由单细胞海藻骨架组成 主要成分是二氧化硅和少量无机盐 根据制造方法不同 又分为 红色载体和白色载体 31 红色载体和白色载体 红色载体 是将硅藻土与粘合剂在900 煅烧后 破碎过筛而得 因铁生成氧化铁呈红色 故称红色载体 其特点是表面孔穴密集 孔径较小 比表面积较大 对强极性化合物吸附性和催化性较强 如醇 胺 酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾 因此它适宜于分析非极性或弱极性物质 国产 6201 201 301等白色载体 是将硅藻土与20 的碳酸钠 助熔剂 混合煅烧而成 它呈白色 比表面积较小 吸附性和催化性弱 适宜于分析各种极性化合物 国产 101 102系列 英国和美国的Chromosorb系列等 32 比较两种载体的优缺点 红色载体白色载体柱效较高较低强度高低比表面大 3 10m2 g 小 1 3m2 g 活性中心有少适宜涂渍非极性固定液极性固定液适于分离非极性 弱极性化合物极性化合物 33 常见的载体 34 表常见的载体 35 非硅藻土载体有有机玻璃微球 聚四氟乙烯 高分子多孔微球载体等 这类载体常用于特殊分析 用于极性样品和强腐蚀性物质HF Cl2等分析 但由于表面非浸润性 其柱效低 3 载体的表面处理硅藻土载体表面不是完全惰性的 具有活性中心 如硅醇基 或含有矿物杂质 如氧化铝 铁等 使色谱峰产生拖尾 因此 使用前要进行化学处理 以改进孔隙结构 屏蔽活性中心 处理方法有酸洗 碱洗 硅烷化及添加减尾剂等 36 i 酸洗 用3 6mol L 1盐酸浸煮载体 过滤 水洗至中性 甲醇淋洗 脱水烘干 可除去无机盐 Fe Al等金属氧化物 适用于分析酸性物质 ii 碱洗 用5 或10 NaOH的甲醇溶液回流或浸泡 然后用水 甲醇洗至中性 除去氧化铝 用于分析碱性物质 37 iii 硅烷化 用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应 使生成硅烷醚 以除去表面氢键作用力 如 常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷 DMCS 六甲基二硅烷胺 HMDS 等 38 2 固定液 高沸点有机物 l 对固定液要求 A在操作温度下固定液应是液体 不易挥发 不易流失 有较低蒸气压 B良好的热稳定性和化学稳定性C选择性好 固定液的选择性可用相对调整保留值 2 1来衡量 对于填充柱一般要求 2 1 1 15 对于毛细管柱 2 1 1 08 D对试样各组分有适当的溶解能力 有合适的K 39 2 组分分子与固定液间的作用力 在气相色谱中 载气是情性的 且组分在气相中浓度很低 组分分子间作用力很小 可忽略 在液相中 由于组分浓度低 组分之间的作用力也可忽略 液相里主要存在的作用力是组分与固定液分子间的作用力 这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质 作用力大的组分 由于溶解度大 分配系数大 2 固定液 40 2 组分分子与固定液间的作用力 这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力 它不像分子内的化学键那么强 它包括取向力 诱导力 色散力和氢键4种作用力 前三种统称范德华力 而氢键力则与它们有所不同 是一种特殊的范德华力 41 2 固定液 3 固定液的分类 固定液有几百种 根据固定液的化学结构 官能团性质 固定液相对极性及分析对象有几种分类方法 目前最常用的是用相对极性表示 42 相对极性 1959年提出用相对极性P来表示固定液的分离特征 此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0 强极性固定液 氧二丙睛的极性为100 然后 选择一对物质 如丁二烯 正丁烷或环乙烷 苯 来进行试验 分别测定它们在氧二丙腈 角鲨烷及待测固定液的色谱柱上的相对保留值 将其取对数后 得到 3 固定液的分类 43 式中 下标1 2和X分别表示氧二丙睛 角鲨烷及被测固定液中丁二烯与正丁烷相对保留值的对数由此测得的各种固定液的相对极性均在0 100之间 一般将其分为五级 每20单位为一级 相对极性在0 l之间的叫非极性固定液 2为弱极性固定液 3为中等极性 4 5为强极性 非极性亦可用 表示 表中列出了一些常用固定液的相对极性数据 44 45 4 固定液的选择 对固定液的选择并没有规律性可循 一般可按 相似相溶 原则来选择 在应用时 应按实际情况而定 i 分离非极性物质 一般选用非极性固定液 这时试样中各组分按沸点次序流出 沸点低的先流出 沸点高的后流出 ii 分离极性物质 选用极性固定液 试样中各组分按极性次序分离 极性小的先流出 极性大的后流出 46 iii 分离非极性和极性混合物 一般选用极性固定液 这时非极性组分先流出 极性组分后流出 vi 分离能形成氢键的试样 一般选用极性或氢键型固定液 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 最易形成氢键的后流出 v 复杂的难分离物质 可选用两种或两种以上混合固定液 对于样品极性情况未知的 一般用最常用的几种固定液做试验 47 常见的固定液 48 常见的固定液 49 常见的固定液 50 12 2 4 气相色谱检测器 气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置 目前检测器的种类多达数十种 根据检测原理的不同 可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种 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 51 检测器的主要性能指标 常用灵敏度 敏感度 线性范围等性能指标来描述一个优良的检测器应具以下几个性能指标 灵敏度高 检出限低 死体积小 响应迅速 线性范围宽 稳定性好 通用性检测器要求适用范围广 选择性检测器要求选择性好 52 一 热导检测器TCD热导检测器是通用型检测器 几乎对所有物质都有响应 由于结构简单 性能稳定 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 53 1 热导池结构 结构 热导池由池体和热敏元件构成池体用不锈钢制成 池体内装两根电阻完全相等的钨丝或铂丝热敏元件 构成参比池和测量池 热导池检测器结构图 54 热导池检测器检测原理是基于不同的物质有不同的导热系数 参比池和测量池与固定电阻组成惠斯登电桥 热导检测器电桥线路示意图 2 热导池检测原理 未进样时 无信号输出 R1 R2R参 R测R参 R1 R测 R2 R参 R测 进样后 输出信号 R参 R测 55 3 影响热导检测器灵敏度的因素 l 桥电流桥电流增加 使钨丝温度提高 钨丝和热导池体的温差加大 气体就容易将热量传出去 灵敏度就提高 响应值与工作电流的三次方成正比 所以 增大电流有利于提高灵敏度 但电流太大会影响钨丝寿命 一般桥电流控制在1OO 20OmA左右 N2作载气时为100 150mA H2作载气时150 200mA为宜 56 2 池体温度池体温度一般等于或高于柱温 3 载气种类载气与试样的导热系数相差愈大 则灵敏度愈高 一般物质导热系数较小 故选择导热系数大的H2或Ne作载气有利于灵敏度提高 如用N2作载气时 有些试样 如甲烷 的导热系数比它大就会出现倒峰 P222列出某些气体与蒸气的导热系数 同一种物质 峰面积越大 浓度越大不同物质 与载气的导热系数相差越大 峰面积越大 灵敏度越大 57 例 苯和甲醇 同质量的苯和甲醇 在热导检测器上峰面积不同 用峰面积求物质含量时 用相对校正因子校正峰面积 58 二 火焰离子化检测器 FID 火焰离子化检测器属选择性检测器 是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源 利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子 在外加的电场作用下 使离子形成离子流 根据离子流产生的电信号强度 检测被色谱柱分离出的组分 59 1 特点 灵敏度很高 比热导检测器的灵敏度高约103倍 检出限低 可达10 12g S 1 火焰离子化检测器能检测大多数含碳有机化合物 死体积小 响应速度快 线性范围也宽 可达106以上 而且结构不复杂 操作简单 是目前应用最广泛的色谱检测器之一 其主要缺点是不能检测永久性气体 水 一氧化碳 二氧化碳 氮的氧化物 硫化氢等物质 60 2 装置 主要部件是离子室 离子室 包括气体入口 火焰喷嘴 发射极和收集极等部件 61 3 工作原理 通过在发射极和收集极之间施加极化电压 形成直流电场 有机组分在高温下电离成许多正离子和电子 在极化电场作用下向两极定向移动 正离子移向负极 电子移向正极 形成微电流 微电流放大后由记录仪记录下来 微电流大小与被测组分含量成正比 含量越大 产生微电流越大 因此可进行定量分析 62 氢火焰离子化检测器的操作条件选择时应注意气体流量和工作电压N2 H21 1 1 5 1H2 Air1 10极化电压100 300V 63 四 电子捕获检测器 ECD 电子捕获检测器是一种选择性很强的检测器 对具有电负性物质 如含卤素 硫 磷 氰等的物质 的检测有很高灵敏度 检出限约1O 14g cm 3 它是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器 电子捕获检测器已广泛应用于农药残留量 大气及水质污染分析 以及生物化学 医学 药物学和环境监测等领域中 它的缺点是线性范围窄 只有103左右 且响应易受操作条件的影响 重现性较差 64 1 电于捕获检测器的结构与工作原理实际上它是一种放射性离子化检测器 与火焰离子化检测器相似 也需要一个能源和一个电场 能源多数用63Ni或3H放射源 其结构如下图 65 66 检测器内腔有两个电极和筒状的 放射源 放射源贴在阴极壁上 以不锈钢棒作正极 在两极施加直流或脉冲电压 放射源的 射线将载气 N2或Ar 电离 产生次级电子和正离子 在电场作用下 电子向正极方向移动 形成恒定基流 当载气带有电负性溶质进入检测器时 电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子 形成稳定的负离子 负离子再与载气正离子复合成中性化合物 使基流降低而产生负信号 倒峰 67 2 捕获机理捕获机理可用以下反应式表示 形成恒定基流 基流降低而产生负信号 68 四 火焰光度检测器 FPD 火焰光度检测器 又称硫 磷检测器 它是一种对含磷 硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器 检出限可达10 12g S 1 对P 或10 11g S 11 对S 这种检测器可用于大气中痕量硫化物以及农副产品 水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定 69 1 火焰光度检测器的结构 70 根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时 被打成有机碎片 并能发射出特征波长的光进行检测含硫化合物发射394nm特征波长 含磷化合物发射出 max为526nm的特征光谱 这些光由光电信增管转换成信号 经放大后由记录仪记录 2 火焰光度检测器的工作原理 71 操作条件一般靠理论 经验和参考文献进行选择一 载气及其流速的选择1 载气的选择常见的载气有N2 H2 He Ar等惰性气体选用何种载气 从以下两方面考虑 检测器 热导检测器常用N2 H2 He作载气 火焰离子化 电子捕获 火焰光度检测器常用N2作载气流速大小 若需用流速大的载气可用分子量小 扩散系数大的H2或He 减小气相传质阻力 相反若需载气流速小的载气 则可用分子量大 扩散系数小的N2或Ar为载气 12 2 5气相色谱操作条件的选择 72 2载气流速的选择 流速严重影响分离效果和分析时间可以通过H u曲线来选择 为缩短分析时间 可选比u最佳稍大的载气流速 一般为2u最佳 73 二 载体和固定液含量的选择 1 载体的选择载体的比表面积大 孔径分布均匀载体颗粒度适当小 可提高柱效常用60 80目或80 100目 筛分范围窄 颗粒均匀2 固定液及其配比的选择常采用固定液与固定液和载体总重量之比来表示 简称液载比 常用液载比为3 20 现在倾向于低配比 74 柱温是色谱分析的重要操作变量 柱温改变 会影响K k Dg Dm 直接影响分离效果和分析速度提高柱温 改善气相 液相传质阻力 有利于提高柱效 缩短tR 但降低了k 和选择性 不利于分离降低柱温 改善分离 但tR长一般在低液载比的情况下 降低柱温 得满意结果具体见下面表格 三 分离温度 柱温的选择 75 表柱温对分离效果的影响及选择 一般在低液载比的情况下 降低柱温 得满意结果 76 进样量应控制在色谱柱负载范围和检测器的线性范围之内 进样量太小 不易检测 太大 柱效下降一般地 液体试样量为0 1 10 L 气体试样量为0 1 10mL 进样器具 一般采用微量注射器或气体进样阀 进样速度 应该快速 一般一秒以内 以免原始区带过宽 进样温度 汽化室温度 应能使样品迅速气化 但不能分解 一般比柱温高30 70oC 四 进样量 进样方式和进样温度的选择 77 五 色谱柱柱长 柱径的选择 色谱柱 填充柱 的材质一般采用不锈钢或玻璃 内径通常为2 6mm长度为1 5m 柱长长可提高分离度 前面已知分离度与柱长的平方根成正比 而柱长又与分离时间成正比 因此在满足分离度要求的前提下 尽量采用短柱 以提高工作效率 78 定性分析定量分析气相色谱分析法的应用实例永久性气体分析合成顺丁橡胶污水的分析农药残留量分析农药残留量分析 图 12 2 6气相色谱分析方法及应用 79 一 定性分析1 利用保留值与已知物对照定性利用保留时间定性在相同色谱条件下 将标准物和样品分别进样 两者保留值相同 可能为同一物质 此方法要求操作条件稳定 一致 必须严格控制操作条件 尤其是流速 12 2 6气相色谱分析方法及应用 80 2 利用保留值经验规律定性 1 碳数规律 推知同系物保留值在一定温度下 同系物的调整保留时间的对数值与其分子中碳原子数呈线性关系lgtR A1n C1tR 调整保留时间A1 C1 对给定的色谱系统和固定液为常数n 分子中碳原子数 n 3 根据同系物中几个已知组分的调整保留值可推知同系物其它组分的调整保留值 可用于定性鉴定 81 2 沸点规律 相同碳数的其它异构体 在一定色谱条件下 同族具有相同碳数的碳链异构体 其调整保留时间的对数与其沸点呈线性关系lgtR A2Tb C2A2 C2均为常数 Tb为组分的沸点 K 根据同族同碳数碳链异构体中几个已知组分的调整保留值及其沸点 可推知同族中具有相同碳数的其它异构体的调整保留值 82 3 根据文献保留值数据定性 1 用相对保留值 ri s用组分i对标准物s的相对保留值作为定性指标 只与两组分的分配系数有关 不受操作条件的影响 可选苯 正已烷 环已烷作标准物 手册上列出许多ri s样品 标准物 色谱柱 求得ri s 与手册上对比 只要固定相性质与柱温确定 ri s是个定值 83 2 保留指数定性法是一种重现性较好的定性参数 规定正构烷烃保留指数为分子中碳原子个数乘以100 如正己烷 正庚烷的保留指数分别为600和700 被测物质的保留指数IX可采用两个相邻正构烷烃的保留指数进行测定将碳数为n和n 1的正构烷烃加到被测物质x中进行色谱分析 测得它们的保留值 84 保留指数计算方法 利用上式求出未知物的保留指数与文献值对照 n tR n 1 85 12 2 6气相色谱分析方法及应用 二 定量分析 三 气相色谱法应用 86 永久性气体分析 色谱柱 60cm 5A分子筛柱温 先室温 3min后以10 程序升温 载气 He检测器 热导池 1 H2 2 O2 3 N2 4 CH4 5 CO 6 CO2 永久性气体色谱图 87 合成顺丁橡胶污水的分析 色谱柱 4m 聚乙二醇2万 釉化6201 60 80目 20 100柱温 72 载气 N2 61mL min检测器 氢焰检测器 合成顺丁橡胶污水色谱图 1 丁二烯 2 乙醚 3 乙醛 4 呋喃 5 丙酮 6 丙烯醛 7 叔丁醇 8 甲基丙烯醇 9 丁醇 10 苯 11 乙晴 12 丁烯醛 13 异丁醇 88 农药残留量分析 色谱柱 3mm 2m玻璃柱固定相 0 23 OV 17 2 8 OV 210 ChromosorbWAW DMCS 80 100目 20 100柱温 200 气化温度 210 检测温度 230 载气 N2 99 99 60 70mL min检测器 电子捕获检测器 六六六 DDT配样色谱图见下页 89 农药残留量分析 图 六六六 DDT配样色谱图 1 溶剂 2 六六六 3 六六六 4 六六六 5 六六六 6 p p DDE 7 O p DDT 8 p p DDD 9 p p DDT 90