教学PPT17-气相色谱

1、1,第十七章 气相色谱法 Gas Chromatography (GC),2,气相色谱法：以气体为流动相的柱色谱方法。,2. 按柱子粗细分,17.1 概述,17.1.1 气相色谱分类,1. 按固定相分,气-固色谱(GSC) 气-液色谱(GLC),填充柱色谱（内径2mm6mm） 毛细管柱色谱（内径0.1mm0.53mm）,吸附色谱 分配色谱,3,17.1.2 气相色谱仪的一般流程,4,载气系统,进样系统,色谱柱,检测系统,温控系统,记录系统,气相色谱法的一般流程简略图,5,17.1.3 气相色谱法的特点和应用,流动相为气体（载气），主要起携带组分作用，对分离的影响很小。 分离效率高 分析速度快

2、样品用量少 检测灵敏度高,6,色谱柱：色谱仪的核心部件，由柱管和固定相组成。 柱管：不锈钢管或玻璃管，内径2-6毫米。长度可根据需要确定。 固定相： 气-固色谱：固体吸附剂 气-液色谱：载体+固定液,17.2 色谱柱,7,17.2.1 固定液,1要求： （1）固定液的蒸气压要低（柱寿命长，噪音低） （2）对样品中各组分有较好的溶解能力，K较大 （3）对被分离组分的选择性要高 （4）操作条件下固定液热稳定性和化学稳定性好 （5）黏度小，凝固点低,2分类： （1）化学分类法 （2）极性分类法,固定液一般是高沸点的液体，操作温度下为液态，在室温为固态或液态。,8,化学分类法,A烃类：烷烃，芳烃 例

3、角鲨烷标准的非极性固定液 B硅氧烷类：应用最广的通用型固定液 可分为甲基、苯基、氟烷基、氰基硅氧烷 C醇类（氢键型固定液） D酯类：中强极性固定液,9,极性分类法：,按固定液的相对极性或特征常数分类,常用麦氏(McReynolds)特征常数分类法： 以标准物质m在某一固定液和标准固定液（通常是非极性的角鲨烷）中的保留指数之差作为该固定液相对极性强弱的度量,p=Im = Ip - Is,Ip、Is物质m在被测固定液（P）和角鲨烷（S）上的保留指数,10,3特种固定液,（1）高温固定液,一般固定液最高使用温度不超过350 碳硼烷-硅氧烷聚合物最高使用温度可达450 ,（2）手性固定液,一般固定液不

4、能将手性对映体分离 手性固定液可直接分离手性化合物 手性固定液本身有光学活性,11,4固定液的选择：,固定液的极性直接影响组分与固定液分子间的作用力的类型和大小，固定液的选择很重要,（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 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,12,（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,例

5、：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,13,（3）对于兼有酸性或碱性的极性样品 应选用带有酸性或碱性的高分子多孔微球或 加入少量酸性或碱性添加剂,（4）对于能形成氢键的样品，应选用氢键型固定液 按氢键能力大小顺序流出色谱柱,（5） 对于多组分的特点，多采用高效毛细管气相 色谱法进行,14,17.2.2 载体,1作用：承载固定液的作用,2要求： 比表面积大，孔径均匀（多涂渍固定液） 化学惰性（不与样品发生化学反应） 热稳定性好 一定的机械强度 有合适的孔隙结构，最好是球状颗粒 无吸附性（不吸附被测组分）,又称为担体，一般是化学惰

6、性的多孔性微粒,15,载体类型 大致可分为硅藻土（常用） 非硅藻土,3分类：,红色载体 白色载体,4载体的处理方法钝化，减弱吸附性 酸洗、碱洗：去除无机杂质，调整表面pH 硅烷化：除去表面的硅醇基，极性表面变成非极性表面，达到表面惰性化。,硅藻土载体 由硅藻土煅烧而成,16,17.2.3 固体固定相,1常用的固体吸附剂 主要有硅胶，石墨化炭黑等吸附剂 ，化学键合相和高分子多孔微球等.,2高分子多孔微球（GDX系列） 高分子多孔微球由苯乙烯与二乙烯苯共聚而成。 常用于乙醇、水分和残留溶剂的测定,大多可在高温下使用,17,17.3.1 气路 包括气源、净化干燥管和气体流速控制；,常用的载气有：氢气

7、、氮气、氦气； 净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）； 气体的纯度要求在99.9% 以上,17.3 仪器原理,18,17.3.2 进样器,进样装置：进样器+气化室；,19,液体进样器：,不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。,气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。,20,17.3.2 柱温箱,柱温是气相色谱操作的最重要的参数之一，与柱效和分离度直接相关。 最高柱温应低于固定液最高使用温度2050。,恒温操作 常用于一个或几个组分的分析

8、，尽量设定较高温度，缩短分析时间 。 程序升温 用于组分沸点范围很宽的试样。,程序升温是指每一个分析周期内柱温连续由低温向高温有规律变化。,21,检测器：是检测色谱柱流出气体组分及其含量变化的测量部件,1、热导池检测器（TCD） 2、氢火焰离子化检测器（FID） 3、电子俘获检测器（ECD） 4、氮磷检测器（NPD） 5、火焰光度检测器（FPD）,17.3.4 检测器,常见的检测器,22,（1） 热导池检测器的结构 池体（一般用不锈钢或玻璃制成） 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

9、过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,1 热导池检测器（TCD）,23,（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 ; R2=R3 则： R参R2=R测R3 无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）。,24,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，R参R测 则： R参R2R测R3,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。,25,（3） 影响热导

10、检测器灵敏度的因素,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。 热敏元件电阻值及电阻温度系数：正比于灵敏度 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柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。,26,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。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。,

11、表 某些气体与蒸气的热导系数（），单位：J / cms,27,1）能测定所有与载气热传导率不同的组分，是通用型检测器 2）响应值与热导池中组分浓度成正比，是浓度型检测器 3）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） 4）不破坏组分，可重新收集制备,特点：,28,（1） FID的结构,(1) 在极化极和收集极之间加有一定的直流电压（150300V）构成一个外加电场。 (2) FID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。,2. 氢火焰离子化检测器（FID）,29,（2） 离子化机理,

12、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 ： CnHm CH 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 + O CHO+ + e 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+ + H2O H3O+ + 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,30,离子化机理,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）； 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

13、测器。 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,31,（3） 影响氢焰检测器灵敏度的因素,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， H2 N2 = 1 1 1.5 1 氢气 空气=1 10。 极化电压 正常极化电压选择在50300V范围内。,32,常简称为氢焰检测器（FID） 典型的质量型检测器; 对含碳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; 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，

14、检测下限可达10-12gg-1。,特点：,33,（1）ECD的结构,3. 电子俘获检测器（ECD）,34,（2）电子俘获检测器的原理,放射源的射线将载气（N2或Ar）电离，产生次级电子和正离子，在电场作用下，电子向正极走向移动，形成恒定基流。 当载气带有电负性溶质进入检测器时，电负性溶质就能捕获这些低能量电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气电离生成的正离子复合成中性化合物，使基流降低而产生负信号倒峰 。,35,高选择性检测器（只对含电负性基团的化合物） 仅对含有卤素、磷、硫、氮等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g /mL， 对大多数烃类没有响应。,较多应用于天然药物、食品中农

15、药残留量的分析。大气、水中痕量污染物的分析。,特点：,36,4. 氮磷检测器（NPD）,在FID检测器的喷嘴与收集极之间装有铷珠硅酸铷的玻璃球。,（1） NPD的结构,铷珠用铂丝作支架并通电加热，置于氢火焰上方,37,铷珠被加热后，挥发出激发态铷原子，铷原子与火焰中各基团反应生成Rb+，Rb+被负极电离源吸收还原； 火焰中各基团获得电子成为负离子，形成基流。 当含N、P化合物进入电离源的冷焰区，生成稳定的电负性活泼基团(CN和PO或PO2)。 电负性基团从气化的铷原子上获得电子生成Rb+与负离子CN-或PO-,、PO2-。 负离子在正电位的收集极释放出一个电子，同时产生信号。Rb+又回到负电极

16、，被吸收还原。以维持电离源的长期使用。,（2）NPD的原理,38,特点：,NPD对含氮、磷有机化合物有很高的灵敏度和选择性，是测定含氮、磷化合物的专用型检测器 浓度型检测器 常用于环保、食品检验、农药分析等，在药物分析中常用于含氮杂环药物测定。,39,5. 火焰光度检测器（FPD）,（1） FPD的结构,氢火焰,光度计,40,当含S、P化合物进入氢焰离子室时，在富氢焰中燃烧，激发后发射出特征分子光谱，有机硫为394nm。有机磷为526nm。,（2）FPD的原理,特点：,硫、磷的专用检测器 质量型检测器,41,6. 检测器的主要性能指标,四个指标：A.稳定性好，噪音低；B.灵敏度高； C. 线性

17、范围宽；D. 死体积小，响应快,(1) 噪音和漂移,42,（2）灵敏度（S）,Sc （浓度型检测器） 1ml载气携带1mg的某组分通过检测器时产生的电压。mVml/mg Sm （质量型检测器）每秒中有1g的某组分进入检测器所产生的电压值。 mVs/g,灵敏度是物质通过检测器时，物质量变化对响应信号的变化率。,43,（3）线性范围,检测器的线性范围：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,（4）检测限,检测器响应值为2倍或3倍于噪声的信号时，单位体积或单位时间进入检测器的样品量，被定义为检测限（或该物质的最小检测量）。,45,17.3.6

18、 实验条件的选择,1色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）,(1). 固定相的选择,要注意：极性和最高使用温度 气液色谱，应根据“相似相溶”的原则 使不同组分的分配系数不同,46,气液色谱，应根据“相似相溶”的原则,分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。, 分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。,分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。,47,(2). 固定液配比（涂渍量）的选择,配比：固定液在载体上的涂渍量，一般指的是固定液与载体

19、的百分比，配比通常在5%25%之间。 高沸点样品使用低固定液配比（1% 3% ），以防保留时间过长，峰扩散严重。 低沸点样品使用高固定液配比（5% 25% ），增加k值，达到良好分离。,48,（3）.柱长的选择,柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。 可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长或实验确定。要根据R1.5选择L,49,2.柱温的确定,首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。,柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。

20、,柱温， K ，分离度，分析时间。减少固定液损失，延长柱寿命。,柱温一般选择在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。,50,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,51,程序升温,52,3.载气的选择,低流速时，载气宜用氮气（扩散系数Dg小） 高流速时，宜用氢气（黏度小），以降低压力降 H2最佳流速为1012cm/s；N2 710cm/s 选择载气应与检测器匹配 TCD选H2，He；FID选N2,53,气化室温度一般稍高于样品沸点 检测室温度应高于柱温 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

21、进样量使理论塔板数降低10%的进样量,4.其他条件的选择,54,毛细管气相色谱法简介,特点： 1、柱渗透性好 2、柱效高 3、使用温度高，固定相流失少 4、柱容量小 5、利于实现色谱-质谱联用,55,仪器简介,1、进样器：分流不分流 2、毛细管柱：弹性熔融石英毛细管 3、检测器 尾吹：在检测器中近毛细管柱出口增加一个气体流路，以帮助色谱柱流出的气体快速流经检测器。 左右：保证进入电离室氮气量与氢气量的比例，减少检测器的死体积对组分分离度的影响。,56,衍生化气相色谱法,优点： 1、扩大应用范围 2、改善分离 3、改善定量 4、除杂质 硅烷化反应 酰化反应,57,17.5 定性与定量分析方法,1

22、7.5.1 定性分析,1. 保留值对比定性,1）利用保留时间定性：最常用 2）利用保留指数定性：在药物分析中使用很少 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,58,59,1）离线定性：收集柱后组分，官能团反应 IR、MS、NMR 定性鉴别（非在线） 2）利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR,2. 与其他仪器联用定性,60,17.5.2 定量分析法,被测组分的色谱峰面积或峰高是色谱法定量的依据。,1. 定量校正因子,同一检测器对不同物质具有不同的响应值。,相同量的不同组分产生不同值的峰面积。不能用峰面积来直接计算物质的含量。,引入定量校

23、正因子。校正后的峰面积可以定量地代表物质的量。,61,（1）定量校正因子的定义,W：进入检测器的组分的量,-比例常数，称为该组分绝对定量校正因子,绝对质量校正因子,绝对物质的量校正因子,绝对体积校正因子,绝对定量校正因子不易测定，随实验条件而变化。 实际工作中常采用相对校正因子。,62,相对校正因子与待测物、基准物和检测器类型有关，与操作条件（进样量）无关 基准物：苯或正庚烷, 相对质量因子, 相对物质的量因子,（2）相对定量因子的测定,63,2. 定量计算方法,主要有：归一化法、外标法、内标法,(1) 面积归一化法,若各组分的相对校正因子大约相等时,64,前提：试样中所有组分都产生信号并能检

24、出色谱峰 依据：组分含量与峰面积成正比,：优点 简便，准确 定量结果与进样量、重复性无关（前提柱子不超载） 色谱条件略有变化对结果几乎无影响 缺点： 所有组分必须在一定时间内都出峰 必须已知所有组分的校正因子 不适合微量组分的测定,65,P484 习题3,66,（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工作曲线法：i纯品工作曲线，同体积样品与之比较 c 前提：进入检测器样品量与峰面积成正比 b外标一点法：一种浓度对照物对比样品中待测组分含量 前提：截距为0，对照品浓度与待测组分浓度接近,外标法特点： 1）不需要校正因子，不需要所有组分出峰 2）结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大 每次进样量应一致，否则产生误差,图例,67,以一定量的纯物质作为内标物，加入到准确称量的试样中，根据试样和内标物的重量及其在色谱图上相应的峰面积比，求出某组分的量,对内标物要求： a内标物为高纯度标准物质，或含量已知物质 b内标物须为原样品中不含组分 c内标物与待测物保留时间应接近且R1.5,（3）内标法,68,内标法优点： 进样量不超量时，重复性及操作条件对结果无影响 只需待测组分和内标