第十二章(2)概要.ppt

1,第十二章（2）气相色谱法GasChromatography,2,教学重点：气相色谱的分离系统载体和固定液的选择，分离条件的选择检测系统各种检测器的检测原理气相色谱的应用教学难点：运用气相色谱解决实际分离、分析问题,3,气相色谱法,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。,流动相：气体,固定相,气液色谱,气固色谱,是用固体吸附剂为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物.,4,h、W1/2、Wb、A、K、k,有关术语t0、tR、tR、V0、VR、VR、r2.1,色谱分析法导论,tR=t0(1+k),5,速率理论,H理n理,色谱分析导论,塔板理论,H有效n有效,6,分离度,定量方法:归一化法,内标法,外标法,7,12(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，它可分离和分析复杂的多组分混合物。气相色谱法使用了高效的固定相和高灵敏度的检测器，是一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。,8,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10-1110-13g组分样品用量少：,液体0.几L,气体几mL,固体几g,可测粮食、蔬菜中农药残留量，动物体内药残留量,4.分析速度快样品准备好后，几分钟几十分钟即可,18,9,5.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450以下有1.510kPa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。,10,对不易气化的高分子，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。,11,12(2)-2气相色谱仪,12,图GC-9A气相色谱仪,日本东京Shimadzu,13,14,图76890气相色谱仪,图毛细管柱色谱（美国安捷伦科技公司Agilent),15,16,17,18,19,一、气路系统,20,气路系统载气连续运行的密闭管路系统,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,2.气路结构,3.流速的测定和校正,载气流速采用,1.对气路的要求：,21,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,22,Tc：柱温；Tr：柱后温度,载气平均流速：,FC=FOTij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,23,二、进样系统进样装置和气化室,气化室：可控温度为50400，一般比柱温高3070,进样装置液体：常用1、5、10、25、50L(一般进样0.110L）气体：0.255mL注射器或六通阀(一般进样0.110mL）,2.气化室样品在气化室气化，并很快被带入色谱柱。,24,三、分离系统把混合物样品中各组分进行分离的装置,（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24mm，长15m。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，分离效率较高，n在102103之间，应用普遍。,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。,25,（2）毛细管柱,毛细管柱又叫空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢或石英。柱子可以做到几十米长。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。,26,四、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。控制温度主要指对气化室，色谱柱室，检测器三处的温度控制。,27,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。,恒温150,程序升温50-250，8/min,28,五、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。,29,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：,30,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,31,二、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。,32,三、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。,33,（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,34,红色载体和白色载体,35,常见的载体,36,常见的载体,37,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。,38,（i）酸洗（除去碱性作用基团）：用3-6molL-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（除去酸性作用基团）：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。,39,(iii)硅烷化（除去表面氢键作用力）：用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚。,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。,40,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。,41,2固定液高沸点有机物,（1）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保留值2.1来衡量。对于填充柱一般要求2.11.15；对于毛细管柱，2.11.08；D对试样各组分有适当的溶解能力，有合适的K,42,（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,43,（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。,44,2固定液,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。,（3）固定液的分类,45,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，-氧二丙腈的极性为100。然后，选择一对物质（如丁二烯正丁烷或环己烷苯）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,46,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。,式中:下标1，2和X分别表示氧二丙腈，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0100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。,47,48,（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。,49,（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。,50,例：苯环己烷沸点80.180.7易极化不易极化,若选非极性固定液，沸点相差小，很难分开，苯先出峰,由于苯比环己烷易极化，若选固定液极性越大，保留时间相差越多，环己烷先出峰,19,51,常见的固定液,52,常见的固定液,53,常见的固定液,54,12(2)-4气相色谱检测器,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）质量型检测器检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的质量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。,55,一、检测器的主要性能指标,常用灵敏度、检出限、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。,56,1灵敏度,单位浓度或质量的组分通过检测器时所产生的响应信号R的大小叫灵敏度。,响应信号的变化量,通过检测器待测物浓度或质量的变化量,S越大，检测器越灵敏,57,2检出限,当检测器信号放大时，噪声同时也被放大，使基线波动。取基线起伏的平均值为噪声的平均值，用符号RN表示。,58,检出限检测器能确证物质存在的最低试样含量。某组分色谱峰恰好等于二倍噪声时，单位时间（单位：S）或单位体积（单位：mL）通过检测器的量。检出限D表示为D=2RN/SD越小，检测器越敏感，检测器的检测能力越强，所需样品量越少。,59,3线性范围检测器的线性范围是指其信号与被测物质浓度呈线性关系的范围。以样品浓度上下限的比值来表示。（例：某样品浓度的上下限分别为10710，检测器的线性范围为106。线性范围越大，定量范围越宽，不同的检测器线性范围不同。,19,60,对于组分A进样浓度在CA至CA之间为线性，线性范围为CACA。对于组分B则在CB至CB之间为线性，线性范围为CB/CB。不同的组分的线性范围不同。,61,选择,四种常用检测器的性能指标。,62,二、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。其主要缺点是灵敏度较低。,63,1.热导池结构,结构：热导池由池体和热敏元件构成池体内装两根电阻完全相等的钨丝或铂丝热敏元件。构成参比池测量池,测量池,参比池,64,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)R参=R测R参R2R测R1R参=R测,65,66,参比池和测量池与固定电阻组成惠斯登电桥。,载气+组分,进样后:（输出信号）R参R测,67,3影响热导检测器灵敏度的因素（l）桥电流SI3响应值与工作电流的三次方成正比。提高桥电流迅速提高灵敏度，但电流太大会影响钨丝寿命，噪音加大，一般桥电流控制在100200mA左右。,68,（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。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。,69,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,70,三、氢火焰离子化检测器（FID）,氢火焰离子化检测器属选择性检测器，只对碳氢化合物产生信号，应用较广泛。,71,1.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；响应速度快，线性范围也宽,可达106以上；适合于痕量有机物的分析，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。破坏样品，无法收集。,19,72,离子室：包括气体入口、火焰喷嘴、发射极和收集极等部件。,2.装置主要部件是离子室,73,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负离子，在极化电场作用下向两极定向移动，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,3.工作原理,74,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:H21:11.5:1H2:Air1:10极化电压100300V,75,四、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（如含卤素物质）的检测有很高灵敏度（检出限约1O-14gmL-1）。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。,76,1ECD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。,77,检测器内腔有两个电极和筒状的放射源,78,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，产生自由电子和正离子N2+，在电场作用下，电子向正极方向移动，形成恒定基流。,射线,形成恒定基流,79,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,基流降低而产生负信号,形成恒定基流,80,五、火焰光度检测器(FPD),火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含硫、磷有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器。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。,81,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。这些光由光电倍增管转换成电信号，经放大后由记录仪记录。,2火焰光度检测器的工作原理,82,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,83,2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Hu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,84,二、载体和固定液含量的选择,1.载体的选择载体颗粒度适当小，可提高柱效常用6080目或80100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载体质量之比来表示，简称液载比，常用液载比为320%，现在倾向于低配比,85,柱温是色谱分析的重要操作变量，柱温改变，影响分离效果和分析速度提高柱温，有利于提高柱效，缩短tR，但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，降低柱温具体见下面表格：,三、分离温度柱温的选择,86,表柱温对分离效果的影响及选择,87,进样量太小，不易检测，太大，柱效下降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。一般地，液体试样量为0.110L，气体试样量为0.110mL。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（气化室温度）：应能使样品迅速气化，但不能分解。一般比柱温高3070oC,四、进样条件的选择,88,五、色谱柱柱长、柱径的选择,内径通常为26mm长度为15m。柱长长可提高分离度，但分离时间长，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。,89,定性分析定量分析气相色谱分析法的应用实例,12(2)-6气相色谱分析方法及应用,90,一、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利用峰高增量定性利用双色谱系统定性,12(2)-6气相色谱分析方法及应用,91,2.利用保留值经验规律定性,(1)碳数规律推知同系物调整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(n3)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。,92,(2)沸点规律推知相同碳数的其它异构体的调整保留值（自学）,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。,93,3.根据文献保留值数据定性不需标样,（1）用相对保留值：ri,s