第二章气相色谱2.ppt

1、1,第五节 分离条件的选择,5.1 总分离效能指标,一个混合物能否为色谱柱所分离，取决于固定相与混合物中各组分子间的相互作用大小是否有区别，但各种操作条件的选择是否合适，对于实现分离的可能也有很大影响。 （分离度）分辨率作为色谱柱的总分离效能指标。,两组分怎样才达到完全分离？,1.色谱峰之距离相差足够大；,2.峰窄。,分离度,分离度,分离方程,由上式可得,例3.,解：（1）从图中可以看出，tR2=17min, Y2=1min, 所以； n = 16(tR2/Y2)2 =16172 = 4624 (2) tR1= tR1- tM =14-1=13min t”R2=tR2 tM = 17-1 =

2、16min,相对保留值 a = tR2/tR1=16/13=1.231 根据公式：L=16R2(1.231/(1.231-1)2 Heff 通常对于填充柱，有效塔板高度约为0.1cm, 代入上式， 得： L=102.2cm 1m,例4：设有一对物质，其r2,1 =1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？,使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm, 故所需柱长应为：,解：要实现完全分离，R1.5,故所需有效理论塔板数为：,固定相对于组分的分离起着关键性作用。 气-固色谱的固定相: 1.具有吸附活性的多孔固体（吸附剂） 2.具有特殊吸附活性的分子筛

3、 3.高分子多孔聚合物,5.2 固定相及其选择,气-液色谱固定相,由担体+固定液组成； 在担体小颗粒表面涂渍上一薄层固定液,色谱柱,填充柱的固定相1,担体(如硅藻土),固定液525%,+,(1)固定液,固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态，固定液种类繁多，一般为高沸点难挥发的有机化合物。 固定液分类 a. 按化学结构和官能团分： 烃类、醇和聚醇、酯和聚酯、聚硅氧烷、腈类等。 b. 按照固定液相对极性分： 非极性、弱极性、中等极性、强极性,对固定液的要求： 挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。 热稳定性好，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。 对试样各组

4、分有适当的溶解能力，否则易被载气带走而起不到分配作用。 具有高的选择性，即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力。 化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。,(2) 固定液的选择,首先选择合适使用温度范围的固定液; 一般根据“结构相似”和“相似相溶”的原则，即选择固定液要与被分离组分结构相似。,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

5、（或易被极化的）组分后出峰。,醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。,组成复杂、较难分离的试样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。,固定液配比（涂渍量）的选择,配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的质量百分比，配比通常在5%25%。 配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。 配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。,5.3 柱长和柱内径的选择,增加柱长对提高分离度有利（ 柱长L与分离度R2成正比）。 例如，当柱长由1m增加到4.87m，分离度由0.68增加到1.50

6、。 但组分的保留时间tR，且柱阻力，不便操作。,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。 填充色谱柱的柱长通常为13米。 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。 柱内径一般为24毫米。,5.4 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。,柱温升高，分子扩散作用加剧，柱效下降，分离度下降。,柱温，分离度，分析时间。,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。,24,(3) 担体,对担体的基本要求： 载体表

7、面孔径分布均匀，比表面积大； 载体表面呈现化学、物理惰性； 热稳定性好,有一定的机械强度，不易破碎； 粒度均匀。40-60，60-80，80-100目 担体分类： 按化学成分分为：硅藻土载体、非硅藻土载体两大类。,选择担体的大致原则为： 当固定液含量大于5时，可选用硅藻土型(白色或红色)担体； 当固定液含量小于5%时，应选用处理过的担体； 对于高沸点组分，可选用玻璃微球担体； 对于强腐蚀性组分，可选用氟担体。,沸点范围较宽的试样，宜采用程序升温。,29,(4) 色谱柱的制备,三个步骤: 固定液涂渍 色谱柱填充 色谱柱老化,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

8、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。,进样时间和进样量：小于1秒 液体：0.12l，气体：0.53ml 进样要求动作快、时间短。,5.5 其它操作条件的选择,3.气化温度： 使液体试样迅速气化。在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度，有利于分离和定量，一般比柱温高3070。,检测器温度 为了使色谱柱的流出物不在检测器中冷凝而产生污染，一般检测器温度高于柱温2050 。,34,第六节 定性定量方法,定性，即确定每个色谱峰代表什么物

9、质。 定量，即测定出已知组分的含量。,色谱定性分析方法,色谱定性分析通常采用两大类方法： 1. 色谱方法定性 2. 与其它分析仪器联用定性,色谱自身定性保留值,1.利用纯物质定性的方法（链接） 利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。 利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。,2.利用文献保留值定性P46,利用相对保留值r21定性 保留时间受柱长、固定液含量、载气流速等操作条件的影响较大，重现性差。 相对保留值r21仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各

10、种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。,色谱自身定性保留值,与其它分析仪器联用定性,气相色谱-质谱(GC-MS) 、NMR联用； 气相色谱-傅里叶变换红外光谱(GC-FTIR)联用； 与化学方法配合进行定性鉴定；,仪器联用定性,小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS） 色谱-红外光谱仪联用仪； 组分的结构鉴定,在一定的操作条件下，分析组分i的质量mi或其在载气中的浓度与检测器的响应信号（Ai或hi)成正比:,1）准确测量峰面积； 2）求出比例常数； 3）正确选用定量计算方法，将测得组分的峰面积换算为质量分数。,色谱定量分析方法,峰高和峰面积测量,1. 峰高h,(1)

11、峰高（h）乘半峰宽法： A = 1.065 hY1/2 适用范围：对称峰。简单快速。 (2)峰高（h）乘峰底宽度法：A = hY 适用范围：矮而宽的峰 (3)峰高（h）乘平均峰宽法：,适用范围：不对称色谱峰,2. 峰面积测量,(4) 峰高乘保留时间法：,适用范围：狭窄峰。,(5)数字积分仪求峰面积 应用范围广，精度一般可达0.22%。,定量校正因子,物质量和峰面积（峰高）成正比关系。 同一检测器对不同物质具有不同响应值，2个相等量的物质得到的峰面积往往不相等。 因此，引入定量校正因子。,色谱定量校正因子有两种表示方法： 1. 绝对定量校正因子fi， fi， = m i/Ai 单位峰面积所代表物

12、质的质量。 fi，主要由仪器的灵敏度所决定。 既不易准确测定，也无法直接应用。,2. 相对定量校正因子f i ： 定量分析都用相对校正因子，即某物质与标准物质绝对校正因子之比值。 标准物：TCD-苯，FID-正庚烷 按被测组分使用的计量单位不同，可分为质量、摩尔、体积校正因子。,质量校正因子,下标i，s分别代表被测物和标准物质,31.在测定苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯的峰高校正因子时，称取的各组分的纯物质质量，以及在一定色谱条件下所得色谱图上各组分色谱峰的峰高分别如下：求各组分的峰高校正因子，以苯为标准。,解：对甲苯：f甲苯(hs/hi) (mi/ms)=180.1 0.5478/(84.4 0.

13、5967)=1.9590 同理得： 乙苯：4.087; 邻二甲苯：4.115,校正因子的测定（链接）,准确称量被测组分和标准物质，混合后，在实验条件下进样分析，分别测量相应的峰面积，可数次测量，求其平均值。 代入公式，计算校正因子。,见书P51表2-8,定量校正因子,原因:不同检测器对不同组分的灵敏度不同,测量f i常用标准物:苯(TCD), 正庚烷（FID),某水样，其中含有微量的甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇与正戊醇，现欲分别测定其中五种醇的质量分数。实验室的配制为一台 HP6890 气相色谱仪（含 FID、TCD、ECD）和五根不锈钢填充色谱柱（SE-30、OV-101、SE-54、OV-1

14、701 与 PEG-20M，其规格均为 2m3mm，80100 目）。试根据上述条件选择合适的色谱柱、检测器、柱温、汽化室温度、检测器温度、载气种类与流速等色谱分离条件及合适的定量方法。（已知甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇与正戊醇的沸点分别为65、78、98、118和138。）,1.检测器 TCD 热导检测器 FID氢火焰离子化检测器 ECD 电子俘获检测器,ECD 电子俘获检测器 高选择性 对具有电负性的物质（如含有卤素、硫、磷、氮、氧的物质）有响应。 农药残留量分析，大气、水中痕量污染物的分析,所以选择FID检测器,2.固定液 PEG-20M 3.柱温 平均沸点99.4，其2/3约66 实例：

15、柱子初始温度 60 ，保持 4 min，然后按 4 /min 的速率升至 150 ，保持 3 min,4. 汽化室温度：140-150 5. 检测器温度：140-150 6. 载气：N2 7. 载气流速:40 ml /min 8. 气流条件:氢气40 ml /min 空气500 ml /min 9. 定量方法：内标法（乙酸正戊酯）,实例,气相色谱可直接进行分析成品中甲醇、 杂醇油（异丁醇、异戊醇）的含量 ,同时使白酒中已酸乙酯、 丙醇、 异丁醇、 正丁醇、 异戊醇、 正戊醇等高级醇得到单独测定。 已酸乙酯沸点228 ,气化室温度 230 ; 检测器温度250; 载气 (N2 ) 流速: 40

16、mL /min; 氢气 (H2 ) 流速: 40 mL /min; 空气流速: 450 mL /min; 进样量: 1L; 柱温:采用程序升温方式 ,起始温度 50,保持 5 . 0 min,然后以 8 . 0 /min的升温速率升至120 ,然后再以 20 . 0/min的升温速率升至200 ,保持 5 min。,3.常用的几种定量方法 （1）归一化法,特点及要求： 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； 仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。,测得石油裂解气的气相色谱图（前面四个组分为经过衰减1/4而得到），经测定各组分的f 值并从色谱图量出各组分峰面积为：

17、,用归一法定量，求各组分的质量分数各为多少？,解：根据公式：,故：CH4, CO2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8的质量分数分别为： wCH4 =(2140.74 4/2471.168 )100%=25.63% wCO2 =(4.5 1.00 4/2471.168 )100% =0.73% wC2H4 =(278 4 1.00/2471.168) 100% =45.00% wC2H6 =(77 4 1.05/2471.168 )100% =13.09% wC3H6 = (250 1.28 /2471.168) 100%=12.95% wC3H8 =(47.3 1.36/2471

18、.68 )100%=2.60%,32.,解：先利用峰高乘以半峰宽计算各峰面积，然后利用归一化法求各组分质量分数。 根据公式A=hY1/2, 求得各组分峰面积分别为： 124.16; 249.84; 254.22; 225.4,从而求得各组分质量分数分别为： 苯酚：12.71%; 邻甲酚：28.58%; 间甲酚：31.54%; 对甲酚：27.15%,（2）外标法,外标法也称为标准曲线法。,特点及要求： 外标法不使用校正因子，准确性较高， 操作条件变化对结果准确性影响较大。 对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。,（3）内标法,试样配制：准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物

19、mS 计算式：,其中，fs=1,内标物要满足以下要求： （a）试样中不含有该物质； （b）与被测组分性质比较接近； （c）不与试样发生化学反应； （d）出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。,内标法特点,(a) 内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍许变动对定量结果的影响不大。 (b) 每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合大批量试样的快速分析。 (c) 若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：,校正因子的测定,准确称量被测组分和标准物质，混合后，在实验条件下进样分析，分别测量相应的峰面积，可数次测量，求其平均值。 代入公式，计算校正因子。,见书P51表2-8,有一试样含甲酸

20、、乙酸、丙酸及不少水、苯等物质，称取此试样1.055g。以环己酮作内标，称取环己酮0.1907g，加到试样中，混合均匀后，吸取此试液3mL进样，得到色谱图。从色谱图上测得各组分峰面积及已知的S值如下表所示：,求甲酸、乙酸、丙酸的质量分数。,解：根据公式： 求得各组分的校正因子分别为： 3.831; 1.779; 1.00; 1.07 代入质量分数的表达式中得到各组分的质量分数分别为： w甲酸(14.8/133)(0.1907/1.055) 3.831 100% = 7.71% w乙酸 = (72.6/133) (0.1907/1.055) 1.779 100% = 17.55% w丙酸(42.

21、4/133) (0.1907/1.055) 1.07 100% = 6.17%,第七节 GC的特点及应用,高效能,高灵敏度,气相色谱法的特点,可以分析难以分离的物质,可检出10-1110-13g物质，农副产品、水果、食品、水中的农药残留量,高选择性,能分离性质极为相似的组分，如同位素、异构体,快速,应用广泛,气相色谱法的特点,几分几十分钟可完成分析,气体、易挥发或可转化为易挥发的液体、固体；沸点在500以下，热稳定性好，分子量在400以下的物质；占有机物20%,样品用量小,液体：0.15l， 气体：0.1 10ml,优点：三高一快一广一小,缺点： 1.不适用于分离沸点高、热稳定性差的化合物，应

22、用范围受温度限制； 2.定量时需要被测物的标准样品作对照。,食品、饮料和化妆品,石油化工,医药和制药,气相色谱法应用领域,石油和石油化工分析： 原油分析、油料分析、单质烃分析、含硫/含氮/含氧化合物分析、汽油添加剂分析、脂肪烃分析、芳烃分析。,环境分析： 大气污染物分析、水分析、土壤分析、固体废弃物分析。,食品分析： 白酒酒精风味物质分析、香精香料分析、添加剂分析、食品包装材料分析。,药物和临床分析： 冰片、薄荷油、雌三醇分析、儿茶酚胺代谢产物分析、尿中孕二醇和孕三醇分析、血液中麻醉剂及氨基酸衍生物分析。,农药残留物分析： 有机氯农药残留分析、有机磷农药残留分析、杀虫剂残留分析、除草剂残留分析等。,精细化工分析： 添加剂分析、催化剂分析、原材料分析、产品质量控制。,表 GC 在各领域应用的比例 应用领域 所占的比例/ % 药物分析 28. 9 环境分析 25. 4 农业和食品分析 12. 9 有机化学品分析 10. 3 法庭和毒品分析 6. 0 医学和生物分析 6. 0 塑料和聚合物分析 5. 2 无机化学品分析 1. 9 能源和石油分析 1. 7 仪器设计和开发 1. 7,GC 在各领域应用的比例,表2 GC 应用于在各类的比例A - 2 Tab. 2 GC application ratio between different substances 化合物所占的比