气相色谱法2011用2.ppt

概述色谱柱检测器分离条件的选择气相色谱的定性和定量方法,气相色谱法,发展.英国Martin等人于1941年首次提出了用气体作流动相；.1952年他们发表了第一篇关于气相色谱法分离测定复杂混合物的论文；.1955年第一台商品气相色谱仪；.近年随着电子计算机技术和各种联用技术出现，GC的性能和应用不断拓展。,气相色谱法(gaschromatography,GC),定义以气体为流动相,携带被汽化的混合组分在色谱柱中通过,利用各组分在分配或吸附性质上的差异实现分离的一种色谱方法。,1.1气相色谱的分类,第一节概述,1.2气相色谱法的特点,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：,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,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196450温度范围内有271330Pa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,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1520%能用GC进行分离分析。,弱点：受试样蒸气压限制和定性困难,1.3气相色谱仪的结构,仪器流程,仪器流程,1.4气相色谱中的基本概念(回顾),1流出曲线和色谱峰,流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线色谱峰：流出曲线上突起部分,不对称因子,fs小于0.95,fs大于1.05,2.基线、噪音和漂移,基线：当没有待测组分进入检测器时，反映检测器噪音随时间变化的曲线（稳定平直直线）。,噪音：仪器本身所固有的，以噪音带表示（仪器越好，噪音越小）漂移：基线向某个方向稳定移动（仪器未稳定造成）,1)死时间tM,从进样开始到惰性组分从柱中流出，呈现浓度极大值所需要的时间。,2)保留时间tR,从进样到待测组分信号极大值所需要的时间。,3.保留值：定性参数,3)调整保留时间tR,tR=tRtM,气相色谱定性分析的基本参数,4)死体积VM、保留体积VR、调整保留体积VR,VM=tMFc,VR=tRFc,VR=tRFc,VM、tM与被测组分无关，因而VR.tR更合理地反映了物质在柱中的保留情况。,5)相对保留值ris,在一定实验条件下，组分i与另一标准组分s的调整保留时间之比。,ris与柱温及固定相性质有关，与操作条件（柱长、柱填充情况、载气速率等）无关。,6)选择性因子,1）峰高(h),2）峰面积(A),h,4.色谱峰高和峰面积（定量分析的主要依据）,对于对称的色谱峰A=1.065hW1/2对于非对称的色谱峰A=1.065h(W0.15+W0.85)/2,5.区域宽度（柱效参数）,1）标准偏差(),2）半峰宽(W1/2),3）峰底宽(Wb),2,W1/2,h/2,W1/2=2.354W1/2=0.589Wb,6、分离度R(分辨率),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。反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。,()1.相对保留值不仅与柱温和固定液有关，且与操作条件有关。,()2.只要柱温、固定相不变，即使柱长、柱填充情况及流动相速流有所变化，衡量色谱柱对被分离组分保留能力的参数可保持不变的是A.保留值B.调整保留值C.分配系数D.相对保留值,D,()3.从进样开始到惰性组分从柱中流出，呈现浓度极大值时所需的时间tM称为A.保留时间B.死时间C.调整保留时间D.死体积,B,()4.在一定实验条件下，组分i与另一标准组分s的调整保留时间之比ris称为A.相对保留值B.选择性因子C.相对保留体积D.死体积,A,()5.在气相色谱中，直接表征组分在固定相中停留时间长短的参数是A.保留时间B.死时间C.调整保留时间D.保留体积,C,()6.在气相色谱分析中，定性的参数是A.保留值B.峰高C.峰面积D.半峰宽,A,()7.在气相色谱法中，进行定性试验时，实验室之间可以通用的定性参数是A.相对保留值B.调整保留时间C.调整保留体积D.保留时间,A,()8.气相色谱中与含量成正比的是A.保留体积B.保留时间C.峰面积D.峰高,CD,1.5气相色谱的基本理论,1.塔板理论,理论塔板数,色谱柱长,理论塔板高度,理论塔板数越多，柱效能越高。,色谱柱每个H高度内有一块塔板，共有若干块塔板组分在每块塔板两相间分配达平衡，K小的先出柱多次分配平衡，K有微小差异组分仍可获较好分离,有效理论塔板数,续前,练习,例：在柱长为2m的5%的阿皮松柱、柱温为1000C，记录纸速度为2.0cm/min的色谱条件下，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.20cm，求理论塔板数。,解：,()1.色谱柱的柱效率可以用下列何种参数表示A.保留值B.分配系数C.理论塔板数D.载气流速,C,()2.衡量色谱柱效能的指标是塔板数或理论塔板数，其数值大小与下列因素有关的是A.色谱峰位置B.色谱峰形状C.色谱峰面积D.色谱峰高度,AB,在一根40m长的空心柱上，测得正辛醇的保留时间tR=8.56min，半峰宽W1/2=0.036min，死时间tM=2.12min。试计算容量因子和每米的理论塔板数n=?,2.速率理论,范第姆特方程式(VanDeemter),H=A+B/v+Cv,H塔板高度v载气的线速度,H=A+B/v+Cv,A涡流扩散项,组分在色谱柱中迁移，碰到固定相颗粒的阻碍形成“涡流”，使色谱峰变宽。,：固定相的填充不均匀因子,A=2dp,dp：固定相的平均颗粒直径,固定相颗粒越小，填充的越均匀，A，H，柱效n。表现在色谱峰变窄。,H=A+B/v+Cv,B/v分子扩散项,组分在色谱柱中分离过程中，自发由高浓度向低浓度扩散，使色谱峰变宽。,B=2rDg,r：弯曲因子，反映固定相对分子扩散的阻碍程度Dg：组分在气相中的扩散系数（cm2s-1）,(1)分子扩散项与流速有关，流速，分子扩散项(2)扩散系数：随载气和组分的性质、温度、压力变化,H=A+B/v+Cv,B/v分子扩散项,H=A+B/v+Cv,Cv传质阻力项,Cv=Cgv+CLv,Cgv(dp2/Dg)v,CLv(df2/DL)v,df：固定相液膜厚度DL：组分在液相中的扩散系数,采用液膜薄的固定液有利于液相传质。,气相液相,第二节色谱柱2.1气相色谱固定相的选择和制备固体固定相液体固定相色谱柱的制备2.2流动相,2.1气相色谱固定相的选择和制备,2.1.1固体固定相,固体吸附剂：活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛。,主要用于分析惰性气体、H2、O2、CH4等一般气体及低沸点有机物。,2.1.2液体固定相,将固定液均匀地涂到担体上。,1.固定液,(1)对固定液的要求,1)在使用温度下为液体，蒸气压低，稳定性好。,2)能溶解被分离混合物中的各组分，使各组分有足够的分离能力。,3)粘度低，能在担体表面形成均匀的薄膜。,(2)固定液的种类(见p31,表4-1）,固定液分类方法：一般按“极性”大小分类。,相对极性(P)表示：,0+1非极性固定液+2、+3中等极性固定液+4、+5强极性固定液,(3)固定液选择的原则,根据“相似相溶”规律选择。,1)分离非极性物质选用非极性固定液。组分按沸点从低到高的顺序出峰。,2)分离极性物质选用极性固定液。组分按极性从小到大的顺序出峰。,3)分离非极性和极性混合物时选用极性固定液。非极性组分先出峰，极性组分后出峰。,2.担体（载体）,作用：提供一个具有较大表面积的惰性表面，使固定液在它的表面上形成一层薄而均匀的液膜。,要求：无吸附性、无催化性、热稳定性好、比表面积大、孔径分布均匀，机械强度好。,4)氢键型试样选用氢键型固定液。,5)复杂组分可选用两种或两种以上固定液。,6)含有异构体试样可选用有机皂土或液晶固定液。,红色载体：涂非极性(弱极性)固定液。,白色载体：涂极性固定液。,2)非硅藻土型载体,玻璃微球：分析高沸点组分。,氟载体：分析高强极性和强腐蚀性组分。,1)硅藻土型载体,(1)担体的分类,(2)担体的预处理,1）酸洗法,2）碱洗法,3）硅烷化处理,4）釉化处理,(3)担体的选择原则,固定液用量大于5%时，选用硅藻土白色或红色载体。,固定液用量小于5%时，选用表面处理过的载体。,2.1.3气液色谱柱的制备,1.色谱柱柱管的选择与清洗,1）柱管的选择,2）柱管的试漏和清洗,2.固定液的涂渍,1）固定液用量的选择,液载比：固定液与载体的质量比。,常用液载比：5%20%。,2）固定液的涂渍,3.色谱柱的装填,4.色谱柱的老化,目的：1)除去固定相中残存的溶剂和挥发性杂质。2)使固定液更均匀、牢固地涂在载体表面。,方法：1)色谱柱接入色谱仪，柱出口直接通大气。2)稍高于操作温度，以较低载气流速通入一段时间。3)柱出口接检测器，继续老化，待基线平直、稳定、无干扰峰时，结束老化。,()1.担体也称载体，它的作用是提供一个具有较大表面积的惰性表面，使固定液在它的表面上形成一层薄而均匀的液膜。,()2.气相色谱常用担体分为红色担体和白色担体两种。,()3.玻璃微球和氟载体属于非硅藻土型载体。,()4.作为气相色谱使用的载体，其主要要求是：无吸附性、无催化性、热稳定性好、比表面积大、孔径分布均匀，机械强度好。,分子量小，热导系数大，粘度小。常用于热导检测器。,要求：纯度在99.99%以上、净化选择：主要取决于检测器、色谱柱及分析要求。,扩散系数小，柱效比较高。除热导检测器以外的其它几种检测器中，多采用氮气作载气。,2.2流动相(载气),氢气,氮气,第三节检测器,将流动相中组分的浓度(或量)信号转变成电信号。,浓度型检测器：测量载气中组分浓度的变化。包括：热导检测器、电子捕获检测器等。,质量型检测器：测量组分进入检测器的质量流速变化。包括：火焰离子化检测器、火焰光度检测器等。,或,检测器类型:,3.1检测器的性能指标,要求：灵敏度高；稳定性好，噪声低；线性范围广；响应快，死体积小,在一定范围内，信号E与进入检测器的物质质量m呈线性关系：,E=SmS=E/m,1.灵敏度（sensitivity）,浓度型检测器Sc：为1ml载气携带1mg的某组分通过检测器时，产生的电压;单位：mVml/mg；质量型检测器Sm：每秒有1g的某组分被载气携带通过检测器，产生的电压或电流值，mVs/g；或As/g。,S表示单位质量物质通过检测器时，产生响应信号的大小。,S值，检测器（也即色谱仪）的S值越高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（A）除以试样质量求得：S=A/m,2.噪声（noise；N）和漂移（drift；d）噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。,仪器噪声、热噪声、散粒噪声、散变噪声环境噪声,3.检测限（detectability；D）,即：某组分的峰高恰为噪音的三倍（3N）时，单位时间内载气引入检测器中该组分的质量：Dm=3N/Sm（g/s）或单位体积载气中所含该组分的量Dc=3N/Sc（mg/ml）。,检测限越小，检测器的性能越好,检测到的待测物的最小质量或浓度。,意义：确定进样量,常用检测器热导检测器（thermalconductivitydetector；TCD）氢焰离子化检测器（hydrogenflameionizationdetector；FID）电子捕获检测器（electroncapturedetector；ECD）火焰光度检测器(flamephotometricdetector；FPD)热离子化检测器(thermionicionizationdetector；TID),3.2热导检测器,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。,2.结构,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,影响TCD灵敏度的因素：1）桥电流I：I热敏元件温度元件与池体间温差（T热元）气体热传导灵敏度（S）。选择在100200mA之间2）池体温度：池体温度低，T热元大，S；T过低试样凝结。池体温度应高于柱温3）载气种类：选择热导系数()大的H2和Ar作载气。如:N2，较大的试样(如甲烷)，则出现倒峰。4）热敏元件阻值：阻值高、热敏元件好，灵敏度高。综述：较大的桥I、较低的池体T、低分子量的载气、高热敏元件可得较高的灵敏度。特点：不破坏样品、对任何样品有响应、线性范围宽、价格便宜、应用范围广。灵敏度较低。,3.3氢焰离子化检测器（hydrogenflameionizationdetector,FID）利用碳有机物在H2-Air火焰中燃烧化学电离产生离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。,特点典型的质量型检测器;对有机化合物具有很高的灵敏度;无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应;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;比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12gg-1。,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：载气携带试样组分；H2：为燃气；空气：助燃气。使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。,(1)当含有机物CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基：CnHmCH(2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：CH+OCHO+e(3)生成的正离子CHO+与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：CHO+H2OH3O+CO,A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区,氢焰检测器的原理,(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）；(5)在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。(6)组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离。(7)离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线,A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区,以苯为例：,1）载气和氢气流速:通常以N2为载气,N2:H2=1:11:1.5He为载气时，则氢气流速=1/3H2+10mL。2）空气流速：流速越大，灵敏度越大；通常H2:Air=1:10。3）极化电压：50V以上，电压大，灵敏度大；选择100300V。4）操作温度：比柱允许使用最高温度低约50oC,99.7%,98%,89%,4.1分离度,第四节分离条件的选择,4.2色谱分离方程R与柱效n、分配系数比和容量因子k之间的关系。,a为柱效项：柱性能b为柱选择性项：=K2/K1=k2/k1，固定液c为柱容量因子项：柱温、固定液量、K,n、k对分离度的影响,有关色谱方程的讨论：1）R与柱效n的关系由色谱方程可得：增加柱长提高分离度，但分析时间也增加，且峰宽也展宽！用减小塔板高度H的方法比增加柱长更有效。,2）R与的关系越大，柱选择性越好，对分离有利。增大：降低柱温、改变流动相及固定相的性质和组成。,3）分离度R分配比k的关系k增加，分离度R增加，但当k10，则R的增加不明显。通常k在210之间。1前提下，k和n越大则分离效果越好；,4.3实验条件的选择,固定相：极性及最高使用温度柱长：满足分离度的前提下，尽可能选短柱长,尽可能选择较低温度。,2.柱温的选择:,高沸点样品(300400),柱温比沸点低(100150)低沸点样品(300),柱温比沸点低(50),柱温通常选择：接近或略低于组分平均沸点时的温度。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。（柱温，R,峰窄；柱温，R,分析时间）,色谱分离中的问题复杂的分析物，某流动相可使部分待测物得到好的分离，但对其它待测物的分离效果不好；为此采用程序升温（GC）和梯度淋洗（LC）来解决。,3.程序升温:,混合沸点样品,柱温需程序升温。,4.载气的选择:低流速，N2；高流速，H2；选择比最佳流速高的流速.,5.其他条件气化室温度：低于沸点50检测室温度：高于柱温3050宽沸程样品常采用,填充柱进样量：气体样品（0.11ml）液体样品41l毛细管柱：用分流装置,第五节定性与定量分析样品预处理：GC分析对象是在气化室温度下能生气态的物质。需除去稳定性差的组分：水、乙醇、非挥发组份等。5.1定性方法利用保留值定性利用化学性质定性利用两谱联用