气相色谱法-河北医科大学分析化学.ppt

气相色谱法,河北医科大学分析化学樊淑彦,气相色谱法（gaschromatography;GC),简介：1.定义:是以气体为流动相的柱色谱法。2.气相色谱的发展：由英国生物学家Martin等人创建，1941年首次提出用气体作流动相，1952年第一次分离复杂混合物，1955年第一台商用仪器问世，1956年速率理论出现，1957年诞生了毛细管色谱法，1959年Martin等人创建了裂解气相色谱法，60年代产生了气质联用法。,简介,3.气相色谱法的特点：“三高”“一快”“一广”高效能一般填充色谱柱n为几千，毛细管为105106高灵敏度可以检出10111013g的物质；高选择性可以分离异构体、同位素等；分析速度快分析一个样品一般只需几分钟几十分钟应用广气体及易挥发物,简介,气相色谱法缺点：1.样品必须气化；2.定性困难；3.遇热易分解的物质不能应用；4.高腐蚀样品，不如化学方法简便。,第一节气相色谱法的分类和一般流程,一、气相色谱法可按不同方式来分类：1.按固定相分气-固色谱(GSC)气-液色谱(GLC)2.按分离原理分吸附色谱分配色谱3.按柱子粗细分填充柱色谱(内经4mm6mm)毛细管柱色谱(内经0.1mm0.5mm),气相色谱法的一般流程,二、气相色谱法的一般流程,载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量进样系统：包括进样器、气化室、加热系统色谱柱系统：包括恒温控制系统、色谱柱检测系统：包括检测器、控温装置记录系统：包括放大器、记录器、数据处理装置,第二节气相色谱固定相和流动相,一、气液色谱固定相固定相组成：载体+固定液（一）载体1作用：承载固定液的作用2要求：比表面积大，孔径分布均匀（多涂渍固定液）无吸附性（不吸附被测组分）化学惰性（不与固定液发生化学反应）热稳定性好有一定的机械强度,（一）载体,3分类：（1）硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒；将天然硅藻土压成砖形，在900锻烧，然后粉碎，过筛而成。红色：吸附力强，与非极性物质配伍白色：吸附力弱，与极性物质配伍（2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球，氟塑载体，含氟化合物,红色担体：锻烧后天然硅藻土中所含的铁形成氧化铁，呈淡红色白色担体：加助溶剂Na2CO3，氧化铁转化为无色硅酸钠铁盐，呈白色,（一）载体,4载体的处理方法钝化，减弱吸附性酸洗：除铁、铝等金属氧化物，用于分析酸类和酯类碱洗：除表面Al2O3等酸性用于分析胺类等碱性化合物硅烷化：除表面的硅醇基，用于具有形成氢键能力的较强的化合物分析表面釉化：屏蔽或惰化载体的吸附活性中心，在载体表面产生一玻璃状的“釉层”,载体的选择,（二）固定液,1固定液的要求：（1）操作柱温下固定液呈液态（易于形成均匀液膜）（2）操作条件下固定液热稳定性和化学稳定性好（3）固定液的蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低）（4）固定液对样品应有较好的溶解度及选择性,2.化学分类法,（1）.烃类：烷烃，芳烃例角鲨烷标准的非极性固定液，用于分离非极性物质（2）硅氧烷类（使用最广泛，通用型固定液）（a）甲基硅氧烷：弱极性甲基硅油（n400）最高使用温度为220270甲基硅橡胶（n400）最高使用温度为220270（b）苯基硅氧烷：极性稍强（随苯基，极性）甲基苯基硅油（n400）甲基苯基硅橡胶（n400）：按苯基含量不同分低苯基硅橡胶苯基含量在20以下中苯基硅橡胶苯基含量在2050高苯基硅橡胶苯基含量在50以上（c）氟烷基硅氧烷：中等极性（d）氰基硅氧烷：强极性,续前,（3）醇类（氢键型固定液）非聚合醇长链脂肪醇和多元醇聚合醇聚乙二醇（PEG-20M2500C）固定液分子量不同，分子中羟基与醚基比例不同，分子量越小，羟基的比例越大，极性越强。聚乙二醇平均分子量从30020000，随分子量增大，羟基比例减小，极性减弱。（4）酯类：中强极性固定液非聚酯类邻苯二甲酸二壬酯（DNP）聚酯类丁二酸二乙二醇聚酯（PDEGS或DEGS）注意：高温下，酸性或碱性物质使聚酯水解，200以上水蒸汽也使其水解，因此限制了聚酯在分析有机化合物的水溶液方面的应用。,3.极性分类法,（1）相对极性法P：规定：非极性固定液角鲨烷相对极性为0强极性固定液，氧二丙睛相对极性为100,续前,测定方法：选取一对物质：苯与环己烷或正丁烷与丁二烯，分别测定它们在以上选定的两种固定液和被测固定液上的相对保留值的对数，注：相对极性分为五级P=020“1”P=2140“2”P=4160“3”P=6180“4”P=81100“5”,即,式中q1、q2和qx分别为苯和环己烷在，氧二丙睛、角鲨烷和待测固定液上的q值。,（2）.罗氏固定液特征常数：,选取五种物质来表征一种固定液的特性苯电子给与体；乙醇质子给予体；甲乙酮定向偶极力；硝基甲烷电子接受体；吡啶质子接受体。,续前,式中Ip与Is分别代表组分m在某固定液和参比固定液角鲨烷上的保留指数。根据分子间作用力具有加和性，固定液总极性为：,续前,五种组分的质常数,（3）麦氏固定液特征常数,麦氏常数对固定液的表征表,（三）固定液的选择,（1）按相似相溶原则选择a按极性相似原则选择：固定液与被测组分极性“相似相溶”，K大，选择性好非极性组分选非极性固定液，按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱中等极性组分选中等极性固定液，基本按沸点顺序出柱强极性组分选极性固定液按极性顺序出柱，极性强的后出柱注：对于中等极性组分，若沸点相同，则按极性顺序出柱，极性较强的后出柱,续前,b按化学官能团相似选择：固定液与被测组分化学官能团相似，作用力强，选择性高酯类选酯或聚酯固定液醇类选醇类或聚乙二醇固定液,（2）按组分性质的主要差别选择,组分的沸点差别为主选非极性固定液按沸点顺序出柱沸点低的先出柱组分的极性差别为主选极性固定液按极性强弱出柱极性弱的先出柱使用混合固定液分离复杂样品和异构体例：苯（80.10C），环己烷（80.70C）选非极性柱分不开；选中强极性柱较好分离，环己烷先出柱,（3）按麦氏常数选择固定液,由于麦氏常数比较全面的描述了固定液的分离特性，可以依据其常数区分、比较固定液的分离特性。例如:正丁基乙基醚中杂质正丙醇的检查沸点分别为91和97，应让正丙醇先出柱，因此选择固定液对正丁基乙基醚作用力强，对正丙醇作用力弱，即选Z值大于Y值的固定液，因为醚是质子受体，醇是质子给体，因此只有选择具有高Z/y值的固定液，才能将其分开。,二、气-固色谱固定液,固定相：（1）吸附剂：硅胶、AL2O3（极性，吸附力强）、活性炭（非极性）（2）分子筛：吸附+分子筛（3）高分子多孔微球GDX有机合成高分子聚合物吸附+分配机制,三流动相,（一）氢气纯度大于99.99，由于它的分子量小，热导系数大，粘度小，使用热导检测器时，常用它作载气；氢气易燃、易爆，应注意安全。（二）氮气纯度大于99.99，由于它的扩散系数小，热导系数小，除热导检测器外，常用它作载气；,第三节检测器,检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为电信号的装置一、气相色谱检测器分类：按检测原理分浓度型检测器：测量组分浓度的变化响应值与组分的浓度成正比（TCD）质量型检测器：测量组分质量流速的变化响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比（FID）,二、常用检测器的特点和检测原理,（一）热导检测器（TCD）1特点：浓度型检测器优点：1）通用型，应用广泛2）结构简单3）稳定性好4）线性范围宽5）不破坏组分，可重新收集制备缺点：与其他检测器比灵敏度稍低（因大多数组分与载气热导率差别不大）,2结构,测量臂接在色谱柱后，通样品气体+载气，电阻为R1惠斯通电桥参比臂接在色谱柱前，只通载气，电阻R2两个等阻值电阻R3=R4,3检测原理：依据组分与载气的热导率差别进行检测,1）进样前：两臂均通载气时,2）进样后：测量臂通样品气体+载气参比臂通载气时,4影响因素及注意事项,(1）桥流，灵敏度灵敏度足够时，桥流应尽可能小（100200mA）先通载气，再给桥流,否则热敏元件易烧坏（2），灵敏度，选大的做载气载组，出正峰载=组，不出峰载HeN2选氢气做载气（3）T池，池体与热丝温差，灵敏度保证T检T柱，以免造成检测器污染（4）浓度型检测器，在进样量一定时，A1/u，以A定量，应保持u一定（峰面积定量依据）,（二）氢焰检测器（FID）,1特点：质量型检测器优点：专属型检测器（只能测含C有机物）灵敏度高（TCD）响应快线性范围宽缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回收（制备纯物质，不采用）,2结构,3检测原理和离子化机理,检测原理：利用组分在氢焰中产生离子流进行检测有机化合物离子对离子流流向阴、阳极放大记录离子流强度与进入检测器中组分的量及分子中的含碳量有关，含量越大，产生的微电流就越大离子化机理：化学电离理论氢焰自由基正离子,4操作条件选择和注意事项,1）载气的选择：载气N2气燃气H2气助燃气空气通常N2:H2(燃气）1：11：1.5H2:空气（助燃气）1：51：102）使用温度：高于柱温501000C,续前,3）注意问题：质量型检测器，hu，以h定量，应保持u恒定（峰高与载气流速成正比，峰面积定量与载气流速无关）极化电压150300v用硅油作固定相，需选用分子量较大的，并在较低的柱温下使用，否则硅油流失，在收集极表面形成一层绝缘层，不产生信号。,（三）电子捕获检测器,1特点：浓度型检测器优点：高选择性检测器（只能测含电负性强的元素的物质）灵敏度高（1014g/ml）缺点：线性范围窄响应易受操作条件影响，分析重现性差,2结构,3检测原理,检测原理：电子捕获检测器实际上是一种放射性离子化检测器。放射源不断放出粒子，即初级电子。当载气（Ar或N2)分子进入内腔时，不断受到粒子轰击而离子化，形成次级电子和正离子。在电场作用下，次级和初级电子一齐向阳极运动，并为阳极收集，产生约109108A的基流，在记录器上产生一条平直的基线。当电负性组分进入检测器时，立即捕获这些自由电子，使基流下降，产生信号。Ar+Ar+eAB+e=AB-AB+e=A+B（或A-+B)Ie=I0e-KAC,4注意事项,1）载气的选择：载气N2气（纯度大于99.999），不应含有O2、H2o及其它电负性杂质。2）使用温度：高于柱温，但不能过高，否则，加速放射源的放射，寿命缩短。3）一般使用低于饱和基流所对应的极化电压，因极化电压低，电子能量小，分子捕获电子的可能性大，检测灵敏度高。4）检测器出口必须连接几米长金属或塑料管道后，再与大气相通，以防止氧化反扩散进入检测器，使检测器污染。5)载气流速通常为40100ml.min-1,三、检测器的性能指标,（一）噪声与漂移1噪声：无样品通过时，由仪器本身和工作条件等偶然因素引起基线的起伏称为噪声（以噪声带衡量）2漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为（以一小时内的基线水平变化来表示）,（二）灵敏度（响应值，应答值）,1浓度型检测器的灵敏度（Sc）,（二）灵敏度（响应值，应答值）,2质量型检测器的灵敏度（Sm）,（三）检测限（敏感度）：,定义：组分峰高为噪音二倍时，单位时间内载气引入检测器中该组分的量（g/s)或单位体积载气中所含该组分的量(mg/ml)。检测限小，仪器性能好,质量型检测器,浓度型检测器,第五节分离条件的选择,一、分离度（分辨率）及影响因素1分离度定义式分离度：相邻两组分间峰顶间距离是峰底宽平均值的几倍（衡量色谱分离条件优劣的参数）,续前,a,b,c,柱效项,柱选择项,容量因子项,k影响峰位,n影响峰宽窄,影响两峰间距,a柱效项及其影响因素：,影响色谱峰的宽窄主要取决于色谱柱性能及载气流速,讨论,增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段提高柱效、改善分离的途径：增加柱长；降低板高根据速率理论，降低板高、提高柱效的方法是：1）采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项）2）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项）3）适宜的操作条件：流动相的性质和流速，柱温等等（B项）选用分子量较大、线速度较小的载气N2气，控制较低的柱温,b柱选择项及其影响因素：,影响峰的间距主要受固定相性质，以及柱温影响,讨论,增大柱选择性是改善分离度的最有力手段气相色谱中，柱选择性取决于固定相性质和柱温选择合适的固定相使与不同组分的作用产生差别才能实现分离一般说，降低柱温可以增大柱的选择性,c柱容量项及其影响因素：,影响峰位主要受固定相用量、柱温和载气流速的影响,控制k的最佳范围25,GC中，增加固定液用量和降低柱温可以增加k,例子,太小，两组分未分开应改变固定相极性，降低柱温,k太小，n也太小，应增大固定液用量，降低柱温,n太小，许多组分未分开应设法降低板高，提高柱效,二、实验条件的选择：,1色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）（1）固定液的选择：1）按“相似相溶”原则：极性相似或官能团相似2）按组分性质主要差别：沸点相差大的选非极性固定液沸点相差小的选极性固定液3）柱温1.5选择L，一般较短(0.66m)，不可以无限延长柱子,例：两组分在1m长柱子上的分离度为0.75，问使用多长柱子可以使它们完全分离？,解,例题,例：已知物质A和B在一根30.0cm长的柱上的保留时间分别为16.40和17.63min，不被保留组分通过该柱的时间为1.30min，峰底宽为1.11和1.21min，试计算（1）柱的分离度（2）柱的平均塔板数（3）塔板高度（4）达1.5分离所需柱长,解：,续前,板高：,2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离度,原则：1）在能保证R的前提下，尽量使用低柱温，但应保证适宜的tR及峰不拖尾，减小检测本底2）根据样品沸点情况选择合适柱温柱温应低于组分沸点501000C,高沸点混合物（300400）：低于沸点100150，低配比（13），高灵敏度检测器沸点300的试样：比平均沸点低50至平均沸点的温度范围内选择，固定液配比525宽沸程样品应采用程序升温,例子,程序升温好处：改善分离效果、缩短分析周期改善峰形、提高检测灵敏度,3载气与流速的选择,对峰展宽、柱压降和检测器灵敏度的影响根据H=A+B/u+Cu可知U,B/U,CU低流速时（0u最佳），B/U起主导作用，选分子量大的载气高流速时（uu最佳），CU起主导作用，选分子量小的载气对于较长的色谱柱，柱压大，宜用H2作载气，粘度小，柱压降低。低分子量的载气，有利于提高线速，实现快速分析。用热导检测器，应选H2或氦气；对氢焰检测器，一般用N2。载气流速影响分离效率和分析时间。为获得高柱效，应选用最佳流速，但在此流速下，分析时间较长。为缩短分析时间，一般载气流速要高于最佳流速，这样柱效下降很少，节省很多时间。常用载气流速为2080ml/min。,4进样条件的选择,1）气化室温度一般稍高于样品沸点2）检测室温度应高于柱温30500C3）进样量不可过大，否则造成拖尾峰气体样品为0.11ml，液体样品为0.11l注：检测器灵敏度足够进样量尽量小最大允许进样量使理论塔板数降低10%的进样量进样速度要快，进样时间要短，有利于分析,第六节定性定量分析,一、定性分析1利用保留值定性1）已知对照物定性：定性专属性差注：不同组分如在某一色谱条件下保留值相同，应更改色谱柱再检测，粗步推算是否为一个纯物质峰2）相对保留值定性3）利用保留指数定性：唯一可靠、准确、重复性好2利用化学反应定性：收集柱后组分，官能团反应定性鉴别（非在线）3利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR,二、定量分析：,（一）峰面积的测量,1对于正常峰,注：当色谱操作条件一定时，在一定进样量范围内（不超载），W1/2与进样量无关,2非正常峰（不对称峰）,3自动求和（自动积分仪或色谱工作站）：直接给出A，h，W1/2,（二）定量校正因子,前提：相同量的两种物质对于不同检测器响应不同，不可以直接用mi(ci)AI定量1两种表示方法,续前,2相对校正因子的测定,3注意事项：