第三章-气相色谱.ppt

气相色谱过程：待测物样品被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶，以惰性气体（不与待测物反应的气体，只起运载蒸汽样品作用，称载气）将待测物样品蒸汽带入柱内分离。分离原理是基于待测物在气相和固定相之间的吸附-脱附（气固色谱）和分配（气液色谱）来实现的。分气固色谱和气液色谱。气固色谱：利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附-解吸能力不同实现物质的分离。由于活性（或极性）分子在这些吸附剂上的半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性的)，导致色谱峰严重拖尾，因此应用有限。适用于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析。气液色谱：是利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。,3.1气相色谱仪,随着这些技术的发展，仪器性价比大幅提高。其中，GC最重要的发展是开管柱的引入，使含有数百种混合物样品得以分离！,3.1气相色谱仪,气路系统：获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体净化装置。载气：要求化学惰性，不与有关物质反应。载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配，有H2，N2，He，Ar等净化器：多为分子筛和活性碳管的串联，可除水、氧气以及其它杂质。压力表：多为两级压力指示：第一级，钢瓶压力(总是高于常压。对填充柱：10-50psi；对开口毛细柱：1-25psi)；第二级，柱头压力指示；流量计：在柱头前使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确。通常在柱后，以皂膜流量计(Soap-bubblemeter)测流速。许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。,一、气路系统(Carriergassupply),二、进样系统,进样器具有五种进样器供选择填充柱进样器六通阀气体进样器毛细管不分流进样器毛细管分流进样器毛细管分流/不分流进样器,一般包括进样器和气化室,二、进样系统,常见GC进样口和进样技术,三、柱分离系统是色谱分析的心脏部分。包括填充柱和开管柱(或称毛细管柱)。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、Teflon等填充柱：多为U形或螺旋形，内径24mm，长13m，内填固定相；开管柱：分涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径0.10.5mm，长几十至100m。常弯成直径1030cm的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质快，因而分离效率高(n可达106)、分析速度快、样品用量小。过去填充柱占主要，现除一些特定分析外，填充柱被更高效、更快速的开管柱取代！柱温：影响分离的最重要的因素。其变化应小0.xoC。选择主要考虑样品待测物沸点和对分离的要求。柱温通常等于或略高于样品的平均沸点(分析时间20-30min)；宽沸程的样品，应使用程序升温方法。,三、柱分离系统,填充柱和开管柱(亦称毛细管柱),三、柱分离系统,填充柱与开管柱的比较,程序升温与恒温对分离的影响比较,四、温控系统,色谱柱、气化室、检测室三处温度控制气化室温度应使试样瞬间气化但又不分解；检测器除氢火焰外都对温度敏感；柱温的变化影响柱的选择性和柱效，因此柱室的温度控制要求精确，温控反复根据需要可以恒温，也可以程序升温。,气相色谱中温度的影响,五、检测器,把柱后流出的组分信号转变为可测量的信号,五、检测器,火焰离子化检测器FID：flameionizationdetector热导检测器TCD：thermalconductivitydetector电子俘获检测器ECD：electroncapturedetector氮磷检测器NPD：nitrogenphosphordetector火焰光度检测器FPD：flamephotometricdetector质谱检测器MSD：massspectrometrydetector原子发射检测器(AtomicemissionDetector,AED)硫荧光检测器（SulfurchemiluminescenceDetector,SCD）,原理：基于不同物质具有不同的导热系数,适用范围：所有可挥发的有机和无机物,桥电流在允许的工作电流范围内，工作电流越大，灵敏度越高，一般控制在100-200mA左右池体温度钨丝与池体温差越大，灵敏度越高,但避免冷凝样品，一般不低于柱温载气热导系数大的载气，灵敏度高，常用载气热导系数大小顺序：H2HeN2热敏元件阻值阻值高、电阻温度系数大的热敏元件，灵敏度高,还取决于池体的体积和载气的纯度,火焰离子化检测器示意图,原理：有机物在氢火焰中发生化学电离；火焰中的正离子以H3O+最多，约占90%；其他还有CHO+，CH3O+，C3H+等。特点：灵敏度比热导池检测器高出三个数量级，具有结构简单、灵敏度高、响应速度快、应用广泛，适宜于痕量分析。对在氢火焰中不电离的无机化合物，例如CO，CO2，SO2，N2等，不能进行检测。适用范围：可挥发的有机化合物,火焰离子化检测器的特点,可用于检测绝大多数有机化合物，并可检测ng/mL级痕量物质，易于进行痕量有机物的分析。它具有结构简单、灵敏度高、响应快、线性范围宽、选择性好、低干扰性、坚固易于使用等优点。但检测时样品被破坏，不能检测惰性气体、空气、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2、H2S,操作条件的选择,气体流量：载气流量：一般用氮气作载气，对一定的色谱柱和试样，要找到一个最佳载气流速。氢气流量：氢气流量与载气流量之比影响氢火焰的温度及火焰中的电离过程。一般氢气与氮气流量之比是1:11:1.5空气流量：一般氢气与空气流量之比为1:10极化电压极化电压较低时，响应值随极化电压的增加成正比增加，然后趋于一个饱和值，极化电压高于饱和值时与检测器的响应值几乎无关。一般选100V300V使用温度温度不是主要影响因素，从80200，灵敏度几乎相同。80以下，灵敏度显著下降(水蒸气冷凝),电子捕获检测器(Electrom-captureDetector,ECD),原理：使载气分子在63Ni或3H辐射源中所产生的粒子的作用下离子化，在电场中形成稳定的基流，当含电负性基团的组分通过时，俘获电子使基流减小而产生电信号。,电子捕获检测器(Electrom-captureDetector,ECD),优点：是最灵敏的GC检测器之一，也是一种选择性很强的检测器，对于含卤素有机化合物、过氧化物、醌、邻苯二甲酸酯和硝基化合物的检测有很高灵敏度，特别适合于环境中微量有机氯农药的检测。,ECD原理示意图,缺点：线性范围较窄，一般为103，且检测器的性能受操作条件的影响较大，载气中痕量的氧气会使背景噪声明显增大。,ECD检测器气体使用要求,注意：ECD检测器所使用的载气必须充分干燥，脱氧，不能使用发生器，必须用高纯气。如使用氮气作载气（N2：99.999%)。检测器的温度对响应值影响也较大。进样量不可超载。,原理燃烧着的氢焰中，当有样品进入时，则氢焰的谱线和发光强度均发生变化，然后由光电倍增管将光度变化转变为电信号特点对磷、硫化合物有很高的选择性，适当选择光电倍增管前的滤光片将有助于提高选择性，排除干扰。适用范围含磷、硫化合物的分析,火焰光度检测器(FlamePhotometricDetector,FPD),火焰光度检测器(FlamePhotometricDetector,FPD),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,PFPD结构示意图,氮磷检测器(NPD),原理在FID中加入一个用碱金属盐制成的玻璃珠当样品分子含有在燃烧时能与碱盐起反应的元素时，则将使碱盐的挥发度增大，这些碱盐蒸气在火焰中将被激发电离，而产生新的离子流，从而输出信号。,氮磷检测器(NPD),特点这是一种有选择性的检测器，对含有能增加碱盐挥发性的化合物特别敏感。对含氮、磷有机物有很高的灵敏度。属破坏性检测器。适用范围含氮、磷化合物的分析,原子发射检测器(AtomEmissionDetector,AED),检测器的性能指标：理想的检测器应具有的条件：1）适合的灵敏度：对一些组分十分灵敏，而对其它则不，其间应相差达107倍；2）稳定、重现性好；3）线性范围宽，可达几个数量级；4）可在室温到400oC下使用；5）响应时间短，且不受流速影响；6）可靠性好、使用方便、对无经验者来说足够安全；7）对所有待测物的响应相似或可以预测这种响应；8）选择性好；9）不破坏样品。但任何检测器都不可能同时满足上述所有要求。,常用GC检测器的性能,以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号作图，得到校正曲线，该曲线的斜率k即为灵敏度S。实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度。对于浓度型：Sc灵敏度(mVmL/mg);Ai峰面积(cm2);Fco检测器入口流速(mL/min);wi进样量(mg);C1记录仪纸速(cm/min);C2记录仪灵敏度(mV/cm);对于质量型：Sm灵敏度(mVs/g);wi进入检测器的样品量(g),灵敏度S,与通用的检测限表示方法相同，即实际工作中，色谱检测限表示为浓度型：质量型：注意：检测限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声，即检测限是衡量检测器或仪器性能的综合指标。线性范围和响应时间（略）,检测限，DL,3.2气相色谱固定相色谱分离系统是色谱仪器中最为灵魂的部分，而分离柱中固定相组成与性质更是直接与分离效能有关。气相色谱柱分为两类：1）用于气固色谱的固定相：固体吸附剂；2）用于气液色谱的固定相：固定液+载体。一、气固色谱固定相固体吸附剂该类色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。1.常用固体吸附剂硅胶(强极性)、氧化铝(弱极性)、活性炭(非极性)、分子筛(极性，筛孔大小)2.人工合成固体吸附剂高分子多孔微球(GDX)：人工合成的多孔聚合物，其孔径大小可以人为控制。可在活化后直接用于分离。,高分子多孔微球可分为两类：非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（国产）；Chromosorb系列（国外）；极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团：GDX-3和4型（国产）；PorapakN等（国外）。,3.3气液色谱固定相载体+固定液气液色谱固定相由载体(Solidsupportmaterial)和固定液(Liquidstationaryphase)构成：载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。1.载体(也称担体)对载体的要求：粒度均匀、强度高的球形小颗粒；至少1m2/g的比表面(过大可造成峰形拖尾)；高温下呈惰性(不与待测物反应)并可被固定液完全浸润。载体类型：分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色和红色担体。,载体表面处理：硅藻土含有硅醇基(SiOH)、Al2O3、Fe等，也就是说，它具有活性而不完全化学惰性，需进行化学处理。其处理过程如下：,3.4固定液及其选择对固定液的要求：a)热稳定性好、蒸汽压低流失少；b)化学稳定性好不与其它物质反应；c)对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数K适当）；d)对各组分具有良好的选择性。固定液与组分的作用力：a)色散力非极性分子之间（瞬时偶极之间静电吸引）；b)诱导力极性与非极性分子之间（偶极与瞬时偶极之间静电吸引）；c)取向力极性与极性分子之间（偶极与偶极之间静电吸引）d)氢键力强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引，亦属取向力。前三种统属范德华力，后者属特殊范德华力。,3.4固定液及其选择：固定液的特性是指其极性和选择性。极性的表示方法(i)相对极性P：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，以物质对正丁烷-丁二烯或环已烷-苯在角鲨烷、,-氧二丙腈及待测固定液上分离得到相对保留值，并取对数：从下列公式求得待测固定液的相对极性Px：其中q1,q2,qx分别表示物质对在角鲨烷、,-氧二丙腈和待测固定液的相对保留值。Px在0100之间，每20单位为一级，即将极性分为5级：0,+1(非极性)；+1,+2(弱极性)；+3(中等极性；+4,+5(强极性)(ii)固定液特性常数I：包括罗氏常数麦氏常数。此处不作介绍。,3.4固定液分类及选择：,固定液选择：按“相似相溶”原理选择固定液。非极性组分非极性固定液沸点低的物质先流出；极性物质极性固定液极性小的物质先流出；各类极性混合物极性固定液极性小的物质先流出；氢键型物质氢键型固定液不易形成氢键的物质先流出；复杂混合物两种或以上混合固定液,3.5气相色谱分离分析条件根据vanDeemter方程和色谱分离方程式，分析条件的选择在上一章已有论述，此处针对气相色谱方法作一简单小结。1.柱长L由分离度R的定义可得(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2即柱越长，理论塔坂数越高，分离越好。但柱过长，分析时间增加且峰宽也会增加，导致总分离效能下降，因此柱长L要根据R的要求(R=1.5)，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。2.载气及流速u对vanDeemter方程求导得到在流速为，柱效最高，当u较小时，B/u占主要，此时选择分子量大的载气，使组分的扩散系数小；当u较大时，Cu占主要，此时选择分子量小的载气，使组分的扩散系数小，减小传质阻力项Cu。,3.柱温4.载体粒度及筛分范围载体粒度越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。通常，对填充柱而言，粒度大小为柱内径的1/201/25为宜。5.进样方式及进样量要以“塞子”的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不拖尾为宜。,3.6定性分析一、样品预处理GC分析对象是在气化室温度下能生成气态的物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在进样前对样品进行处理。1）水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质柱效下降，需除去。2）非挥发份会产生噪声，同时慢慢分解产生杂峰。3）稳定性差的组分生成新物质杂峰。二、定性方法1、用已知物对照定性该法是基于在一定操作条件下，各组分保留时间是一定值的原理。具体做法：1）分别以试样和标准物进样分析各自的色谱图；2）对照：如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合，则可初步确定试样中含有该物质。3）也可通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰增加来确定。,2.据经验式定性1）碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留时间tr的对数与分子中碳数n成正比：lgtr=An+C(n3)如果知道两种或以上同系物的调整保留值，则可求出常数A和C。未知物的碳数则可从色谱图查出tr后，以上式求出n。2）沸点规律：同族具相同碳数的异构物，其调整保留时间tr的对数与分子中沸点n成正比：lgtr=ATb+C3.据相对保留值ri,s定性：用保留值定性要求两次进样条件完全一致，这是比较困难的。而用ri,s定性，则只要温度一定即可。具体做法：在样品和标准中分别加入同一种基准物s，将样品的ri,s和标准物的ri,s相比较来确定样品中是否含有i组分。,4.保留指数(Kovats指数)定性该指数定性的重现性最佳。当固定液和柱温一定时，定性可不需要标准物。设正构烷烃的Kovats指数为碳数100。测定时，将碳数为n和n+1的正构烷烃加入到样品x中进行色谱分析，此时测得这三个物质的调整保留值分别为：tr(Cn)，tr(x)和tr(Cn+1)，且待测物x的调整保留值介于两个烷烃之间。利用此式求出未知物Kovats指数Ix，然后与文献值对照。5.双柱或多柱定性可克服在一根柱上，不同物质可能出现相同的保留时间的情况。6.与其它方法结合定性如GC-MS，GC-IR，GC-MS-MS,3.7定量分析GC分析是根据检测器对待测物的响应（峰高或峰面积）与待测物的量成正比的原理进行定量的。因此必须准确测定峰高h或峰面积A。1.峰面积A的测量：对称峰：峰高h与半峰宽的积：A=1.065hW1/2不对称峰：峰高与平均峰宽的积：A=1/2h(W0.15+W0.85)此外，可以以保留时间或距离代替峰宽或峰高的测量。A=1.065htR(或dR),2.定量校正因子由于检测器对不同物质的响应不同，因而两个相同的峰面积并不一定说明两个物质的量相等！因此，在计算组分的量时，必须将峰面积A进行“校正”。1）绝对校正因子wi=fiAi或fi=wi/Ai通过此式可得到待测物单位峰面积对应的该物质的量。2）相对校正因子fi由于绝对校正因子fi与检测器灵敏度有关，它不易准确测得(为什么?)，因此定量分析中常用相对校正因子表示：即用一个物质作标准，用相对校正因子将所有待测物的峰面积校正成相对于这个标准物质的峰面积，使各组分的峰面积与其质量的关系有一个统一的标准进行折算。采用的标准物因检测器不同而不同：TCD苯；FID正庚烷。fi(w)=fi(w)/fs(w)=(Aswi/Aiws).（通式）当w分别为质量m、摩尔M、和气体体积V时，上式分别表示为,3.相对校正因子的测量准确称取被测物与标准物，混合后进样。从所得色谱图分别求出它们的峰面积，然后通过前述公式计算校正因子（省去“相对”二字）。必须注意：校正因子只与试样、标准物和检测器类型有关，与其它所有条件无关！可以查表得到。,4.定量分析方法1）归一化法：要求试样中所有n个组分全部流出色谱柱，并全部出峰！则其中组分i的含量为：fi为i物质的相对定量校正因子；Ai为其峰面积。此法简单、准确，操作条件影响小。但应用不多。因为谁知道试样有多少组分？应该出多少峰才叫全部出峰？2）外标法：或标准曲线法。以Ai对xi作图得标准曲线。该法不需校正因子。但进样量和操作条件必须严格控制！外标法适于日常分析和大批量同类样品分析。3）内标法：在配制的每个标准溶液中以及待测试样中加一固定量为ms的内标物，以Ai/As对xi作图，得内标法校正曲线。对内标物的要求：样品中不含内标物；无反应；与各待测物保留时间和浓度相差不大；,3.8毛细管柱气相色谱(CapillaryGC)毛细管柱的发明使得气相色谱分析发生了革命性的变化！50年代初，主要进行填充柱的理论和应用研究，并开始进行非填充柱(内径为十分之几毫米)的理论可行性研究。1956年Golay正式提出了非填充柱（空心柱）的理论并制作出效率极高毛细管柱；次年发表了该研究论文。50年代后期，一些研究人员都制成了各类毛细管柱，经测定，一些毛细管的理论塔板数可达到300,000！然而，自毛细管柱发明以来，20多年都没有广泛应用，主要是因为：1）柱容量小；2）柱强度小；3）样品引入及管与检测器的连结问题；3）固定液涂渍的重现性不好；4）寿命短；5）柱易堵塞；6）专利1977年才过期。70年代后期，以上问题大多得到解决，毛细管柱的应用越来越多。1987年，荷兰ChrompackInter.Coporation制成了世界最长、理论塔板数最多的熔融石英毛细管柱(2100m长，内径0.32mm，内壁固定液厚度0.1m，理论塔板数超过3,000,000)并被载入吉力斯世界记录。,一、毛细管气相色谱仪器毛细管气相色谱仪器与填充柱色谱仪类似。只是:在进样口增加了分流/不分流装置解决了柱容量小的问题；以及在柱后增加了一个尾气吹扫气路减少了柱