分析化学课件-20气相色谱法

1、第19章气相色谱法19.1概述气相色谱法：以气体为相的柱色谱分离技术一、GC分类1. 按固定相分气-固色谱气-液色谱 吸附色谱分配色谱填充柱色谱色谱2. 按分离原理分3. 按柱子粗细分二、气相色谱仪的组成仪载气系统进样系统分离系统检测系统系统载气减压净化稳压 色谱柱检测器进样续前三、气相色谱法的特点和应用“三高” “一快” “一广”适于分析气体、易挥发的液体及固体占有机物20%不适合分析不易气化或不稳定性物质样品的衍生化使应用范围进一步扩大19.2气相色谱柱填充柱： 24 米柱长， 26mm 内柱管径：几十米几百米柱长0.10.5mm内径固体吸附剂气-固吸附色谱柱色谱柱组成填充剂载体+固定液气

2、-液分配色谱柱一、气液分配色谱柱二、气固吸附色谱柱19.2.1 固定液（高沸点的难挥发的有机化合物，种类繁多）气-液分配色谱柱:1要求：固定相：载体+固定液（1）操作下固定液呈液态（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(5)黏度小,凝固点低2分类：化学分类法极性分类法化学分类法A烃类：烷烃，芳烃例 角鲨烷标准的非极性固定液B硅氧烷类：（a）甲基硅氧烷：弱极性续前甲基硅油 （n400 ）甲基硅橡胶（ n400）甲基硅油2300C，OV1 3500CSE30（b）苯基硅氧烷 ：极性稍强（

3、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SE52 含苯基5%，3500COV17 含苯基50%，3500C OV25 含苯基75%，3500C低苯基硅橡胶中苯基硅橡胶高苯基硅橡胶（c）氟烷基硅氧烷：中等极性（d）基硅氧烷：强极性续前C醇类（氢键形固定液）非聚合醇聚乙二醇（PEG-20M2500C）聚合醇D酯类：中强极性固定液非聚酯类聚酯类二乙二醇聚酯（PDEGS或DEGS）极性分类法：a相对极性法人为规定:1、 ，氧二丙睛的相对极性为100角鲨烷（异三十烷）的相对极性为02、其他固定液的极性在0100之间3、相对极性分为5级，每20为1级4、+

4、1为非极性，+2、+3为中等极性，+4、+5为极性固定液b固定液常数法（特征常数法和麦氏常数法）续前3固定液的选择：按相似相溶原则选择按组分性质的主要差别选择（1）按相似相溶原则选择固定液与被测组分极性“相似相溶”，K大，选择性好分离对象非极性组分固定液非极性作用力色散力组分流出顺序按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱，沸点接近时，极性大的先流出基本按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱，沸点接近时，极性小的先流出按极性顺序出柱，极性小的组分 先流出，极性强的后出柱难形成氢键的先流出中等极性中等极性诱导力色散力强极性极性静电力氢键型氢键型氢键（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

5、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（二）载体（担体）1作用：承载固定液的作用2要求：比表面积大（多涂渍固定液）表面附性（不吸附被测组分）化学惰性（不与组分发生化学反应）热稳定性好一定的机械强度,不易破碎；颗粒大小均匀、适度 一般常用6080目、80100目续前3分类：硅藻土类：由硅藻土煅烧而成非硅藻土类：玻璃微球，石英微球，活性碳氟塑载体，含氟化合物（3）硅藻土类红色担体Fe2O3淡红色 1m大4.0m2/g白色担体Fe+Na2CO389m

6、小 1.0m2/g极性（低含量）极性物质孔径机械强度 比表面积 常用固定液分离对象非极性（高含量）非、弱极性物质续前4载体的处理方法钝化，减弱吸附性酸洗（除去碱性基团）：用于分析酸类和酯类碱洗（除去酸性基团）：用于分析胺类等碱性化合物硅烷化（消除氢键结合力）：用于具有形成氢键能力的较强的化合物表面釉化（表面玻璃化、堵微孔）续前5装柱过程：1）空柱管酸洗、碱洗、乙醚洗2）固定液（20%）溶解在3）老化载体装填好的色谱柱，连接于仪器上后，应先试压，试漏，而后在恒定的温度下用载气吹洗数小时后承受分析，一 般称此为柱子的老化过程。老化的目的是把固定相的残存溶剂，低沸点杂质，低分子量固定液等赶走，使器基

7、线平直，并在老化温度下使固定液在担体表面有一 个再分布过程，从而涂得更加均匀牢固。装填好的色谱柱，经过老化一段时间后，柱效及性能均稳定了，这样才可使用。19.2.3种类：固体固定相活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、 CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性 氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析 上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧化学键合相高分子多孔小球（GDX系列）：新型的有机用于水、醇、固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。残留的测定强度好、

8、耐腐蚀、有疏水性、峰形好等特点-型号：GDX-01、-02、-03等应用广泛吸附+分配机制19.3.1气路19.3仪器原理19.3.2气化室微量注射器进样器要求： 样品瞬时气化影响： 溶剂、浓度、体积、进样速度、温度等19.3.3箱19.3.4检测器色谱仪的关键之一，种类较多，原理和结构各异。将流出色谱柱的载气中被分离组分的浓度或量的变化,转化为电信号的装置浓度型检测器：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。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，即检测信号值与时间内进入检测器组分的质量成正比。1热导检测器通用型，应用广泛，结构简单，稳定性好

9、，线性范围宽，不破坏组分，可重新收集制 备；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）1热导检测器热导检测器的结构：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。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；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

10、阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测R参R2R测R1则：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。时间变化的峰状图形。仪下组分浓度随影响热导检测器灵敏度的桥路电流I ： I，钨丝的温度 ，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。灵敏度足够时， 桥流应尽可能小（100200mA） 先通载气，再给桥流。池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离度，以防止试样组分在检测器中冷凝。保证T检

11、T柱，以免造成检测器污染。载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高(，灵敏度)。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。 载组，出正峰载=组，不出峰载 He N2选氢气做载气灵敏度最高（性高）氢焰检测器（FID：hydrogenflameionizationdetector）(1)(2)(3)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。(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

12、点。(5)比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限达10-12gg-1。2.氢火焰离子化检测器(FID)结构(1)在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）个外加电场。(2)氢焰检测器需要用到3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。一FID的原理1. 裂解反应产生基 ：CnHm CH2.产生的基在D层火焰中与激发态原子氧或分子氧反应： CH + O CHO+ + e3.生成的正离子CHO+ 与水分子碰撞CHO+ H2O H3O+ COA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

13、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. 微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比。6.离子电流信号得到色谱流出曲线峰面积与组分质量成正比(质量型检测器)A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区影响灵敏度的各种气体流速和配比的选择：N2流速的选择主要考虑分离效能，N2 11 H2 =11.5氢气 空气=1 10。极化电压：正常极化电压选择在100300V范围内。3.电子俘获检测器(ECD)高选择性检测器，仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14

14、g/mL，对大多数烃类没有响应。较多应用于农副产品、食品及环境中残留量的测定。4.其他氮磷检测器、火焰光度检测器、 联用技术（GC-MS）5.检测器性能评价指标对检测器的性能要求:（1）稳定性好，噪音低；（2）灵敏度高；（3）线性范围宽；（4）死体积小1、噪音（noise, N）与漂移（drift, d）无样品时基线的信号基线在一定时间内对原点产生的偏离2、响应值（或灵敏度）S ：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：S = R / QR:响应值, mV Q:物质的量： m/（mg / mL） ；（浓度型检测器）m /（g / s）；（质量型检测器）3、线性与线性范围 ：定义

15、为：检测器内载气中组分浓度与响应信号成正比的关系。检测器的线性范围定义为：检测器性工作时，被测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比。4检测限（最小检测量）噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于N。检测器响应值为2倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。D=2N/S19.4 分离条件的选择一、气相色谱速率理论填充柱：H=A+B/u+Cu空心柱：H=B/u+Cu二影响分离的（计算式） 1 k2nR1 k24柱容量项柱效项柱选择项LnB / u C uH AH理理 K 2

16、 k2t R2 t K1k1R1前提定义式基础上，相邻两组分的n一致（假设）a柱效项及其影响：影响色谱峰的宽窄主要取决于色谱柱性能及载气流速因为 R n所以1，R所以 L或已知 n或H1或 R RLH续前：增加柱效是提高分离度的一个直接有效提高柱效、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）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项适宜的操作条件：）相的性质和流速，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b柱选择项及其影响影响峰的间距主要受固定相性质，以及：影响R 1 1所以 ，R因为 R ，无法分离

17、微小变化对R 的影响都很大 .11 .12 R 一倍续前：增大柱选择性是改善分离度的最有力气相色谱中，柱选择性取决于固定相性质和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，降低可以增大柱的选择性c柱容量项及其影响影响峰位主要受固定相用量、 R ：和载气流速的影响k1 kkk0，R0k R1 kk 时R对的影响 ，tR ，峰扩张5 时，kk 10 时，k R 变慢kR很少，tR续前：综合考虑分离度、分离时间控制k的最佳范围 25检测几项GC中，增加固定液用量和降低可以增加 k图示影响两峰间距n 影响峰宽窄k 影响峰位练习如何根据具体情况改进分离度？太小，两组分未分开应改变固定

18、相极性，降低k 太小，n 也太小，应增大固定液用量，降低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：色谱条件包括分离条件和操作条件分离条件是指色谱柱操作条件是指载气流速、进样条件及检测器1色谱柱的选择2的选择载气与流速的选择进样条件的选择1色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）（1）固定相的选择（2）柱长的选择固定相的选择固定液的选择：按 “相似相溶”原则：极性相似或官能团相似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）1.5选择L，一般较短(0.66m)不可以无限延长柱子练习例：两组分在1 m长柱子上的分离度为0.75，问使用 多长柱子可以

19、使它们完全分离？解： R n L1R10 71R2.15L2L2 422的选择B 2 Dg1C T DLK 原则：1） 固定液最高使用温度防止固定液流失2）在能保证R的前提下，尽量使用低，但应保证适宜的tR不拖尾，减小检测本底3）根据样品沸点情况选择合适 应 低 于 组 分 沸 点501000C宽沸程样品应采用程序升温续前程序升温好处：改善分离效果缩短分析周期改善峰形提高检测灵敏度3载气与流速的选择选择流速和载气应同时考虑对柱效和分析时间的影响uHminHBCopuopmin A u2uop uBBC分离是主要uopuu分析时间是主要uu选选气uuN 2op气CHop2选择载气应与检测器匹配T

20、CD选H2，He（u 大，粘度小）FID选N2（u 小，粘度大）4进样条件的选择气化室温度一般稍高于样品沸点检测室温度应高于30500C进样量不可过大，否则造成拖尾峰注：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%的进样量练习例：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22(17.63 16.40)解：R 1 021t R1 1 1 2126 16.40) 2n 162

21、 n 3493W11.116 17.63) 2n 339721 2(3493 3397)n 344522续前H L n300103 mm8.73445 R n L11 030R15.1R2L2L2 L2 60cm19.6 定性和定量分析一、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）3利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR3.与其他分析仪器联用的定性方法小型化的台式色质谱

22、联用仪（GC-MS；LC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪；组分的结构鉴定1.0DEG/MINHEWLETT5890Mass Spectrometer (MS)Gas Chromatograph (GC)BSleA B C DDCCADASBleSeparationIdentificationTeDHEWLET 5972A MassvSe ec v二、定量分析（一） 定量校正因子 试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：m i = fi Ai子：比例系数f i ，绝对校正面积对应的物质量：f i =m i/ Ai 相对校正因子f i ：即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。fi/miAsf ifm / AmAssssi当mi、mS以摩尔为时，所得相对校正因子称为相对摩尔校正因子，用（f M）表示；当mi、mS用质量以（f W）,表示。时,因二、定量方法（1）归一化法： mici % 100 ii100m nni1优点 归一化法简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；缺点仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。必须已知所有组分的校正因子不能用于微量杂质的测定。（2）外标法：以待测组分纯品为对照物，与试样中待测组分的响应信号相比较进行定量的方法a工作