第16章-气相色谱法.ppt

1,一、气相色谱仪器gaschromatographicinstruments,2,3,4,气相色谱仪由气路系统、进样系统、分离系统（色谱柱）、控温系统、检测和记录系统五个部分组成,16.1气相色谱仪,5,气相色谱结构流程,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-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；,6,一、气路系统,气路系统由高压气瓶、减压阀、气流调节阀和有关连接管道组成它提供载气和气体通路，所用的载气由高压气瓶经减压提供载气常用氢气、氮气、氦气或氩气，一般使用氮气或氢气,7,二、进样系统,1进样器液体样品的进样器采用微量注射器进样，将样品吸入0.5至50L的注射器中，刺入进样口的硅橡胶垫，经汽化室汽化后，进入色谱柱气体样品的进样可以采用0.55mL的注射器，由进样口注入汽化室进入色谱柱；也可用旋转式六通阀进样，其工作原理如图16.2所示左图为取样，右图为进样,8,六通阀工作原理示意图,9,固体样品的进样一般是溶于液体溶剂中，依液体样品进样法进样2汽化室由电热金属块构成，上面具有硅橡胶封闭的进样口，其作用是将液体样品或溶液样品瞬间汽化为气态,10,色谱柱是气相色谱仪的核心部件，柱子一般是用不锈钢或玻璃管制成U型或螺旋形它分为填充柱和空心毛细管柱增加柱长可提高分离效能，但延长分析时间；加大柱内径可增大进样量，但会降低柱的分离效能分析时应根据具体情况选择合适的色谱柱,三、分离系统（色谱柱）,11,四、控制温度系统,在气相色谱测定中，温度是重要的指标，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,12,五、检测器(检测和数据处理系统),检测器也是色谱仪的重要部件，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,13,一、固体固定相固体固定相一般是指活性吸附剂，这种色谱叫做气固色谱或吸附色谱它一般用于分析永久性气体（H2，O2，CO，CH4等）和C1C4烃类气体等这些气体在固定液中溶解度都很小，不易分离而在固体吸附剂上，它们的吸附能力却各有差别，可获得较好的分离,16.2气相色谱固定相,14,1常用的固体吸附剂常用的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.,15,2人工合成的固定相作为有机固定相的高分子多孔微球是一类人工合成的多孔共聚物它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于分离，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,16,二、液体固定相固定液,在气液色谱中，固定相是液体，称为固定液它是一种高沸点有机物，很薄地均匀涂在惰性固体支持物担体上面载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相,17,1.载体(担体)（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,18,（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，它是由称为硅藻的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,19,红色载体含氧化铁呈红色，故称红色载体。其特点是表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大适宜于分析非极性或弱极性物质白色载体适宜于分析各种极性化合物,20,（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,21,2固定液,（l）对固定液要求首先是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另外还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快,22,是分子间作用力：较弱，包括定向力、诱导力、色散力和氢键作用力4种此外，固定液与被分离组分间还可能存在形成化合物或配合物等的键合力,（2）组分分子与固定液间的作用力,23,（3）固定液的特性,固定液的特性主要是指它的极性或选择性，用它可描述和区别固定液的分离特征目前大都采用相对极性和固定液特征常数（罗氏常数或麦氏常数）表示,24,按固定液极性分类：用固定液的极性和特征常数（罗氏常数和麦氏常数）表示按化学类型分类，即按官能团的类型分类：如烃类、酯类、醇类等，极性有差异，分离的对象也就不同。,（4）固定液的分类,25,(5)固定液选择的一般原则和方法,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,26,（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，最易形成氢键的最后流出,27,（v）分离复杂的难分离物质：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,28,29,（6）固定液的涂布,通常是将固定液溶于适当溶剂中，然后倒入担体，使二者混匀，在适当温度下，蒸发掉溶剂而制得固定相但用这种方法制得的固定相往往存在表面不均匀性、吸附效应及升温时固定液流失等缺点，可在装柱后进行适当的老化处理,30,三、新型合成固定相,近年来出现了新型合成固定相，它是一种较理想的固定相，主要有高分子聚合物小球及化学键合相高分子聚合物小球是由苯乙烯与交联剂二乙烯苯共聚而得既可作为担体又可作为固定相,31,16.3气相色谱检测器,把由色谱柱分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。,32,1.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，检测信号值与组分的浓度成正比。如热导检测器质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。如火焰离子化检测器通用型检测器：对所有物质有响应，如热导检测器专属型检测器：对特定物质有高灵敏响应，如电子俘获检测器,33,热导检测器是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的热导检测器由于结构简单，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,一、热导检测器TCDthermalconductivitydetector,34,1.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。,35,2.检测原理,平衡电桥，右图。不同的气体有不同的热导系数。,钨丝通电，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无电压信号输出；记录仪走直线（基线）,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，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，则：R参R2R测R1,这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。,37,二、氢火焰离子化检测器flameionizationdetector,FID,1.氢焰检测器的特点(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)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;(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10-12gs-1。,38,2.氢焰检测器的结构,(1)在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V），构成一个外加电场。(2)氢焰检测器需要用到三种气体：N2：携带试样组分；H2：为燃气；空气：助燃气。,3.氢焰检测器的原理,火焰离子化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，在外加电场的作用下，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,40,三、电子捕获检测器electroncapturedetector,ECD,高选择性检测器，仅对具有电负性的物质（如卤素、磷、硫、氰）有很高的灵敏度，检测下限10-14g/mL。是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。对大多数烃类没有响应。较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。,41,四.火焰光度检测器(flamephotometricdetector,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，检出限可达10-12gS-1（对P）或10-11gS-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，水中的纳克级有机磷和有机硫农药残留量的测定,42,检测器的性能指标一个优良的检测器应具以下几个性能指标：灵敏度高，噪声小，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其衡量指标主要有灵敏度和检出限（敏感度）与AAS定义类似,43,线性范围检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或叫最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比,44,不同类型检测器的线性范围差别也很大如氢焰检测器的线性范围可达107，热导检测器则在105左右由于线性范围很宽，在实际检测时一般采用双对数坐标纸,45,常用检测器的性能,46,操作条件的选择,根据基本色谱分离方程式及范氏理论，可指导选择色谱分离的操作条件1.柱长的选择虽然增加柱长可使理论塔板数增大，但同时使峰宽加大，分析时间延长,47,填充柱的柱长要选择适当过长的柱子，总分离效能也不一定高一般情况下，柱长选择以使组分能完全分离，分离度达到所期望的值为准具体方法是选择一根极性适宜，任意长度的色谱柱，测定两组分的分离度，然后根据基本色谱分离方程式，确定柱长是否适宜,48,2.载气及其流速的选择,流速对柱效的影响,49,3柱温的选择,柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板高度，改善柱效；但增加柱温同时又加剧纵向扩散，从而导致柱效下降,50,选择柱温要兼顾几方面的因素一般原则是：在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，峰形不拖尾为度具体操作条件的选择应根据实际情况而定柱温的选择还应考虑固定液的使用温度，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定派挥发流失，对分离不利,51,对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中按一定速度提高柱温正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较：,52,采用程序升温后不仅改善分离，而且可以缩短分析时间，得到的峰形也很理想,53,4载体粒度及筛分范围的选择,载体的粒度愈小，填装愈均匀，柱效就愈高但粒度也不能太小否则，阻力压也急剧增大一般粒度直径为柱内径的1/201/25为宜在高压液相色谱中，可采用极细粒度，直径在m数量级,54,5进样量的选择,最大允许进样量：使半峰宽基本不变，而峰高与进样量成线性关系一般说来，色谱柱越粗、越长，固定液含量越高，容许进样量越大一般说来，气体样品进样量为0.110mL，液体样品进样量为0.110L,55,16.5色谱定性分析,色谱定性分析即确定各色谱峰所代表的化合物由于色谱分析的物质很多，不同组分在同一固定相上色谱峰的位置可能相同因此只凭色谱峰的位置来定性有一定困难，故对于一个未知样品，首先要了解它的来源、性质，作一初步估计，再结合下列方法确定各色谱峰所代表的化合物,56,一、保留值定性法,保留值定性法是最简便最常用的色谱定性方法它是以固定相及操作条件恒定时，每种组分都有恒定的保留值作为依据的,57,1绝对保留值法,当有纯已知物时，可在适当操作条件下，测出各纯已知物的保留值(tr或tr)然后在相同的条件下，测定未知样品的各组分保留值，与纯已知物保留值比较，相同者即为同一化合物,58,59,2.用经验规律和文献值进行定性分析,当没有待测组分的纯标准样时，可用文献值定性，或用气相色谱中的经验规律定性（l）碳数规律（2）沸点规律,60,3根据相对保留值定性,利用相对保留值定性比用保留值定性更为方便、可靠用相对保留值定性时，只要保持柱温不变即可这种方法要求找一个基准物质，一般选用苯、正丁烷、环己烷等作为基准物所选用的基准物的保留值尽量接近待测样品组分的保留值,61,4.根据保留指数定性保留指数又称科瓦茨（Kovats）指数，是一种重现性较其他保留数据都好的定性参数，可根据所用固定相和柱温直接与文献值对照，而不需标准样品,62,5.双柱、多柱定性,6.与其他方法结合如与MS、FTIR、AES等联用.,63,1.峰面积测量方法峰面积是色谱图提供的基本定量数据，对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法：（l）对称形峰面积的测量峰高乘半峰宽法A=1.065hW12,16.6定量分析,64,（2）不对称峰面积的测量-峰高乘平均峰宽法：A=h(W0.15W0.85)/2式中W0.15和W0.85分别为峰高0.15倍和0.85倍处的峰宽,65,2定量校正因子,（l）定量校正因子色谱定量分析是基于峰面积与组分的量成正比关系但由于同一检测器对不同物质具有不同的响应值，即对不同物质，检测器的灵敏度不同，所以两个相等量的物质得不出相等峰面积或者说，相同的峰面积并不意味着相等物质的量,66,因此，在计算时需将面积乘上一个换算系数，使组分的面积转换成相应物质的量，即Wi=fiAi式中Wi为组分i的量，它可以是质量，也可以是摩尔或体积（对气体）；Ai为峰面积，fi为换算系数，称为定量校正因子它可表示为fi=Wi/Ai定量校正因子定义为：单位峰面积的组分的量,67,（2）相对定量校正因子由于物质量wi不易准确测量，要准确测定定量校正因子fi不易达到在实际工作中，以相对定量校正因子fi代替定量校正因子fi,68,相对定量校正因子fi定义为：样品中各组分的定量校正因子与标准物的定量校正因子之比用下式表示,一般来说，热导池检测器标准物用苯，火焰离