五 毛细管气相色谱A.ppt

1、五 毛细管气相色谱 （Capillary Gas Chromatography）,气相色谱按色谱柱形式分为： 填充柱气相色谱 毛细管气相色谱 按特殊分析技术还可分为： 顶空气相色谱 裂解色谱,气相色谱的特点及其应用,气相色谱是一种相当成熟且应用广泛的复杂混合物的分离分析方法。GC主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。GC所能直接分离的样品应是可挥发、热稳定的，沸点一般不超过500。据资料统计，在目前已知的混合物中，有20%到25%混合物可用GC直接分析，其余原则上可用LC分析。, 流动相：载气的主要作用是将样品带入色谱系统进行分离，对分离结果的影响相当有限 分离条件：选

2、定载气后，改变色谱柱、柱温和载气流速等控制分离 检测器：FID对大部分有机化合物均有灵敏响，最小检测限可达ng级 技术难度：GC的条件参数优化相对比LC简单，分析成本更低 特殊应用：气固色谱在永久性气体和低分子碳氢化合物的分离分析方面仍是不可缺少的手段。,与LC相比GC的主要特点,气相色谱原理,在气相色谱中，样品各组分能否在色谱柱分离，主要是基于它们在固定液中溶解度和蒸气压不同。 在色谱柱内，样品组分溶解在固定液中，构成以固定液为溶剂和以样品组分为溶质的溶液。由于样品量很小。此溶液可看成是稀溶液（即溶质分子间没有作用力）。 气液色谱热力学主要是根据溶液理论来考察组分在气相中的行为、组分与固定液

3、形成的性质及溶质和溶剂的相互作用。,（1）溶液理论Henry定律,式中为活度系数，它与溶质的性质及存在的环境有关，是溶质和溶剂分子间作用力的量度，在气液色谱中组分与固定液分子间作用力的量度。而载气是永久性气体，溶质在气相浓度很低，它们之间的相互作用力可以忽略，故气相接近于理想气体。溶质在气相中的分压为：,溶液中溶质的蒸气压：,则,得,溶质在载气和固定液中的摩尔分数之比与分配系数有关：,Nm和Ns分别为单位体积内气体和固定液的摩尔数。根据气体定律：,整理得，,上式说明色谱过程中，溶质的分配系数与温度有关，同时决定于组分与固定液相互作用力、组分蒸气压以及固定液的量。 对于两个不同组分，它们的相对保

4、留值为：,填充气液色谱柱,固定液是气相色谱柱的核心，一个混合物样品是否能够分离，主要决定于固定液。固定液的分类原则可以是固定液的化学结构和所含官能团，极性或形成氢键的能力。 如以氢键将气液色谱固定液分为四类： 强氢键固定相，如聚乙二醇 弱氢键固定液，如，-氧二丙氰 极弱氢键固定液，如苯基（50%）甲基硅酮 非氢键固定液，如甲基硅酮、角鲨烷,气相色谱条件的选择,气相色谱条件指色谱分析时所用的色谱柱（固定液、柱尺寸）、柱温、载气和流速、检测器及其温度、进样方法及其温度。通常在色谱图要注明这些条件。色谱条件的选择和优化可参考有关色谱理论解释。,（1）色谱柱 不锈钢柱；但分析较为活泼的物质时多用玻璃柱

5、。 内径2-3 mm的色谱柱；长度1-3 m。 固定相的选择：相似相溶；固定液与溶质分子间的特殊作用力 载体粒度 涂渍量,填充气相色谱操作条件,（2）载气和流速 载气选择应考虑分离和检测两方面。重载气（氮气、氩气）有利于降低纵向扩散；轻载气（氢气、氦气）有利于降低气相的传质阻力。TCD应用轻载气，而FID也多用轻载气。 流速对柱效、保留时间和检测器响应均有一定影响，压力或流量控制质量（即稳定性）在GC分析中非常重要。,GC中的流速表示： 柱前流量：阀、表 柱后流量：泡沫流量计 柱中平均线速度,（3）柱温 柱温的选择是GC分析的一个最重要因素之一。 柱温的选择： 样品的沸程 固定液的使用温度,柱

6、温对分离的影响： 保留时间 相对保留值 柱效、峰高和峰面积,（4）进样方式和汽化室温度 进样方式：直接柱头进样；六通阀进样 汽化室大小及温度：汽化室温度应足够高，保证样品瞬间气化。,（5）检测器和检测器温度 热导检测器（TCD）：基于各种物质有不同的导热系数原理而设计。它是浓度型的总体性质，即通用检测器。 氢火焰离子化检测器（FID）：是一种高灵敏度、线性范围广、适用于含碳有机物分析的质量型检测器（准通用型检测器）。FID的工作原理是：当有机物进入氢火焰时发生离解，生成正负离子；然后对在电场作用下的定向离子流进行检测。 检测器温度：不应低于柱温,2 毛细管气相色谱（高分辨气相色谱）,毛细管气相

7、色谱，是指采用高分辨毛细管色谱柱来分离复杂组分的气相色谱法。它的出现是气相色谱发展史上的一个重要里程碑, 它使传统填充柱在分离效率和分析速度两方面都提高到一个新的水平。 1957年戈雷(Golay)发表“涂壁毛细管气液分配色谱理论和实践”论文，首先提出毛细管速率方程，并第一次实现了毛细管气相色谱分离。 1979年弹性石英毛细管开始应用, 将毛细管气相色谱推上高潮。八十年代将固定液固载化是毛细管色谱技术的又一个重要发展。它大大提高了色谱柱的稳定性, 延长了柱寿命, 并使液膜进一步增厚, 提高了色谱性能 (如可在高温下使用)。,毛细管柱 (capillary column), 又称为开管柱或空心柱

8、。大量实验证实这类色谱柱的最大特点在于它的“空心性”， 而不是它的“细小性”。尽管色谱学家们曾多次强调采用这类色谱柱时，应使用正确的名称“开管柱”，但人们还是习惯把它称作毛细管柱。,1） 毛细管色谱柱的类型, 常规毛细管柱 内径为0.10.3mm, 一般为0.25mm左右。按内壁的状态又可分为： A、物理涂渍形式 l壁涂层毛细管柱(wall coated open tubular column, WCOT)：把固定液涂在毛细管内壁上， 现在大部分毛细管柱是这种类型的。 l多孔层毛细管柱(porous layer open tubular column, PLOT)：先在毛细管内壁上附着或沉积一

9、层多孔固体， 然后再在多孔固体上涂以固定液。该技术增大了表面积，在不增加液膜厚度的情况下，加大涂渍量。这样，可提高进样量，有利于痕量分析。,载体涂渍毛细管柱(support coated open tubular column, SCOT)：先在毛细管内壁上粘附一层载体， 如硅藻土载体， 在此载体上涂以固定液。应该说，SCOT是PLOT中的一种特殊形式。 虽然涂渍型毛细管柱的柱效较高， 但热稳定性和耐溶剂性较差。于是发展了固载化技术。,B 固载化形式,l键合毛细管柱：将固定液用化学键合的方法键合到涂敷硅胶的柱表面或经表面处理的毛细管内壁上。 l交联毛细管柱：采用交联引发剂，在高温或辐射处理下，

10、把固定液交联到毛细管内壁。 l键合交联柱：既交联固定液，又把它键合在管壁上。, 小内径毛细管柱 (Microbore column) 内径小于100m，一般为50m的弹性石英毛细管。在气相色谱中用这种毛细管进行快速分析。在毛细管超临界色谱中多用这类色谱柱。, 大内径厚膜毛细管柱 (Megabore Column) 83年HP推出 内径一般为0.53 mm，是弹性石英管，有时也用0.75mm内径的玻璃毛细管柱。 其固定液膜可以是1m，或高达5m的厚液膜。它可以直接进样分析，用于代替填充柱使用。 这种柱以牺牲部分柱效来增加柱容量、提高流量，以便适应代替填充柱的要求。,表1 填充柱和毛细管柱的比较,

11、2） 速率方程,Golay推导出毛细管速率方程：,式中，第一项为分子扩散项；第二项为流型扩散项或气相传质项；第三项为液相传质项。 与Van Deemter- Golay方程：,通过比较, 可得出如下结论： 开管柱只有一个气体流路，没有涡流扩散项, 即A = 0； 分子扩散项与填充柱相似, 开管柱没有扩散路径弯曲，故路径弯曲因子 = 1；, 传质项与填充柱相当, 而在Cm项则以r代替dp，且Cm一般比填充柱小。 除u外的实验参数都视为常数, 则： H = B/u (CsCm)u 最佳线速 : uopt =B/( CsCm)1/2 = (B/Cm)1/2 = CDm/ r 最小塔板高度： Hmin

12、 = 2 (BCm)1/2 = r(16k11k2) / (3(1k)2)1/2 = Cr 总之，细半径毛细管柱有利于提高单位柱长和单位时间的柱效，是实现毛细管色谱高效和快速的重要手段。 这里仅说明单位柱长柱效的提高，还不是最重要的原因。,为什么填充柱不能像开管柱那样使用长柱子？,压力校正因子 ：, 气体与液体的重要差别 “压缩性” 气相色谱柱压力与流量或线流速的关系 色谱柱阻力参数 “比渗透率”,色谱柱柱压和流动相线速度的讨论,通常色谱柱具有较高的柱前压，柱出口压力低，压力沿色谱柱轴向流动方向减少。由于在实验压力下，液体是不可压缩的，液相色谱柱内压力沿色谱柱轴向流动方向减少，流动相的线速度的

13、不变的。在气相色谱中，由于气体是可压缩的，柱内轴向各点的载气压力不同，使得对应的载气线速度不同。因此在气相色谱中，通常采用压力校正因子和平均线速度讨论问题。 理论分析和实验结果表明：气相色谱的柱内压降是非线性变化的，pi / po比值越大，则非线性越严重，在入口处变化较慢，越接近出口时，则变化越快。,柱前压 Pi,柱中压 P,柱后压 P0,当Pi/Po过大时，曲线在x/L0.5后陡峭，产生一个极高的线速度。,3）毛细管色谱柱的特点, 渗透性好 ：一般毛细管的比渗透率约为填充柱的100倍, 在同样的柱前压下, 可使用更长的毛细管柱(如100米以上), 而载气的线速可保持不变。例如2.4m填充柱的

14、柱压降是2.5E6 Pa ，在同样的柱压降下，可使用0.27mm内径WCOT柱192m ，0.5mm内径SCOT柱250m。这就是毛细管柱高柱效的主要原因。,相比（）大：相比大，传质快，有利于提高柱效；k值小实现有利于快速分析。毛细管柱的液膜厚度小, 柱效高，加上柱渗透性大，可采用较高线流速缩短分析时间。, 总柱效高 从单位柱长的柱效看, 毛细管柱和填充柱处于同一数量级, 但毛细管柱的长度比填充柱可长12个数量级, 因此其总柱效远高于填充柱，这样就大大提高分离复杂混合物的能力。 总之，毛细管柱渗透性大, 可采用长柱子和高载气流速缩分析技术，使其保持高柱效和快速分离。, 柱容量小 毛细管柱允许的

15、进样量小。这样对进样和检测技术要求更高。进样量取决于柱内固定液含量，由于毛细管柱涂渍的固定液仅几十mg， 液膜厚度为0.351.5m，柱容量小， 一般进样量为103105L， 故需要采用分流进样技术。,4） 毛细管色谱柱的制备,由于柱制备技术较复杂, 一般用户通常使用商品柱。如OV-101, PEG-20, SE-54等。 固定液的固载化：一是固定液分子中的功能基团和柱内表面产生化学结合，形成一个稳定的液膜，称固定液的键合；另一是固定液分子之间化学结合，交联生成一个网状的大分子覆盖在毛细管内表面，成为一个不可抽取的液膜，称固定液的交联（Cross-linking)；最后一种情况是固定液分子既和

16、内表面形成化学键合，其自身又交联成网状大分子，即键合交联法。,毛细管气相色谱仪流程,载气源压力调节流量调节分流器进样器色谱柱 检测器流量计 数据处理系统, 温度效应, 流速控制,压力-流量调节系统：电子压力控制（EPC） 恒流模式 恒压模式,压力-流量调节系统,压力-流量调节系统：对高压气体减压，稳定流量和压力，使色谱系统具有优异精度和重现性。现代高档气相色谱仪均采用高精度的电压力控制（Electromic pneumatic control, EPC）或电子流量控制（EPC）技术，使得系统的稳定性和重现性达到新的高度。 电子压力控制（EPC） ：采用电子压力传感器和电子流量控制器，通过计算机

17、来实现压力和流量的自动控制。,1）毛细管气相色谱仪,毛细管气相色谱系统基本上和普通气相色谱一样。但毛细管色谱柱并不是随意地装在普通的填充柱色谱仪上。由于毛细管柱的体积流量小、柱容量小和出峰快等特殊性，毛细管气相色谱仪对气路、进样、检测和记录等方面也有一些特殊的要求。,（1） 气路系统,GC进样系统,载气,吹扫气,分流气,分流进样作用：毛细管柱的载气体积流量比填充柱低得多，将样品从气化室冲洗到色谱柱需要较长的时间，导致进样器内色谱区带严重扩张。此外，柱容量小，采用常规的进样方式，无法控制这样小的进样量。,尾吹气路作用：由于毛细管柱的载气体积流量很小，进入检测器后发生突然减速，引起色谱峰扩张。为了

18、减少谱带扩展，同时也是调节氢火焰检测器灵敏度，使氢氮比达到1左右，必须在色谱柱出口增加辅助尾吹气。,（2）进样技术 “Achilles heel”（阿基里德的脚后跟） 毛细管柱的柱容量很小，要使柱子不超载，进入柱中的样品量不应超过0.01 - 0.001 L。实验证明用一般微量注射器准确注入这样小的样品是不大可能的。为此，毛细管气相色谱要采取特殊的进样技术。, 分流进样 所谓的分流进样就是使样品瞬间气化并与载气混合，使小部分样品进入色谱柱，大部分放空。一般仪器是在气化室的出口将载气分成两路, 绝大部分载气放空, 而极小部分载气流入色谱柱。,所谓不分流进样是当进样时把分流阀关闭，样品在气化室中蒸

19、发成蒸气， 并被载气送入毛细管柱。不分流进样系统与分流进样系统不同之处在于分流管和分流阀之间有一个缓冲空间。在进样时分流电磁阀关闭，但注射隔膜吹洗气（2mL/min)一直保持，经过一段时间（3090s），大部分溶剂和溶质蒸气进入色谱柱，电磁阀打开。气化室中剩余的溶剂和溶质通过分流阀吹走。, 不分流进样,大部分样品入柱，避免分离歧视，尽可能消除溶剂脱尾。 特点：汽化室采用较低的温度。,（3）检测器与补充气,要求采用高灵敏度的检测器, 如FID、小池体积的TCD(HP单丝微型TCD的检测池仅有3.5l)等；响应快的记录仪, 如时间常数 50 ms。 在使用毛细管柱时必须用补充气。这是因为毛细管柱出

20、口处只有0.5 2.0 mL/min的流量，以这样的流量进入检测器会造成色谱峰的加宽；另一方面如使用FID或ECD，检测器也要求一定的氢氮比（对FID），或一定的载气流量（ECD），而毛细管柱出口的流量远不能满足其要求，必须通入一定量的补充气，这样既可保持柱效又可提高检测器的灵敏度。,5）应用举例,据统计, 1986年60 %的气相色谱柱为弹性毛细管柱, 应用占整个气相色谱分析的73 %。 1）环境分析：三苯、乙醛、农药残余 2）有机分析：脂肪酸甲酯、香精香料等 3）芳香酮不对称催化氢化反应过程的手性毛细管气相色谱分析,（4）柱箱温度控制和程序升温 要求保留值精度优于0.5%，控温精度应在0.

21、1。HP-5890GC仪的控温精度在0.01。 *程序升速：增加柱前压力，缩短分析时间。,3 程序升温气相色谱,程序升温气相色谱 (Programmed temperature gas chromatography) 是指在一个分析周期里，色谱柱温连续地随时间由低到高线性（或非线性）变化。它的主要优点是改善宽沸程样品的分离度和缩短分析周期。,1）程序升温与等温气相色谱操作的比较 对于一个分析样品, 各组分都有一个最佳柱温, 在填充柱上, 大约在组分的沸点左右；在毛细管柱上, 大约比沸点低50左右为最佳柱温。如果样品组分较少, 沸点范围不大, 一般采用恒温操作。,一般样品沸点范围 (样品中组分的

22、最高沸点与最低沸点之差) 大于80100, 就需要程序升温操作。使用程序升温，较低的初始温度很好地解决了低沸点组分的重叠问题，随着柱温的提高，每个较高沸点的组分就在它最佳柱温下流出色谱柱。当温度进一步提高，达到高沸点组分沸点，从而使高沸点组分也能较快地流出而且获得良好分离的尖峰峰形。故对于多组分、宽沸程样品，采用程序升温气相色谱方法，所有组分都将在其最佳柱温（也称保留温度）下流出色谱柱。目前, 在气相色谱各类操作方式中, 程序升温占70%以上。,升温方式： l线性升温； l非线性升温：如抛物线形升温等； l多阶组合升温。,2）升温气相色谱的基本原理,在程序升温气相色谱中，所谓保留温度是指某组分

23、的浓度极大值流出色谱柱时的柱温，用Tr表示。它与等温气相色谱中的tr和Vr 一样，是一个重要的基本参数。在确定的固定液前提下，Tr是组分的定性依据。即使在加热速度、载气流速、起始温度以及柱长等变化不大的情况下，Tr也无显著改变。 （1）Tr与其它保留值之间的关系 对于线性升温：,在程序升温过程中, 温度在不断变化, 温度系数不同的组分在柱中的相对位置也会发生变化, 因此会出现峰顺序随程序升温条件而变化的情况。,（2）Tr与同系化合物递增因数的关系 等温气相色谱中，保留值的对数与同系化合物某递增因素（碳原子数、沸点等）成线性关系。而在程序升温气相色谱中，保留温度与同系化合物递增因素成线性关系。即

24、,式中，N为递增因素，a为斜率，b为截距。 2）程序升温气相色谱法的操作条件选择 程序升温色谱对载气流速的控制, 固定液的选择, 色谱炉加热器、气化室、检测室的温度控制都有其特殊的要求。,主要操作条件有： l 初温及初温保持时间：初温主要根据低沸点组分而定。实际上初温往往比低沸点组分沸点高，而且低沸物大都在初温下等温分离。 l升温速度：升温速度要兼顾分离度和分析速度两个方面。(36)(23)m的填充柱为(38)/min；毛细管柱则为(0.52)/min。 l终温及终温保持时间：终温主要由固定液的最高使用温度和高沸点组分的保留温度（实际为沸点）确定。 广泛使用的SE-30, Apiezon L通

25、常为300。,4）程序升温过程中的定性分析,保留时间的重现性与仪器控温精度和稳定性有关，简单用对照保留时间定性有时可能不大可靠。应将标准物加入样品液中，观察对应色谱峰增高进行定性。 值得注意的是，在程序升温过程中, 温度在不断变化, 温度系数不同的组分在柱中的相对位置也会发生变化, 因此会出现峰顺序随程序升温条件而变化的情况。,4 衍生气相色谱和顶空气相色谱,1）衍生气相色谱法（自学） （1）衍生的目的 增加样品挥发度和稳定性，扩大气相色谱的应用范围 改善分离，改进组分的吸附特性 帮助未知物定性，提高检测灵敏度和增加定量分析可靠性 （2）衍生方法 气相色谱分析的衍生方法有硅氧烷法、酯化法、酰化

26、法和卤化法等。如食品或肥皂中有机酸采用硫酸丁醇法酯化：,2）顶空气相色谱法,顶空气相色谱（GC headspace Analysis）是指对液体或固体中的挥发性成分进行气相色谱分析的一种间接测定法，它是在热力学平衡的蒸气相与被分析样品同时存在于一个密闭系统中进行的。实际上，这是一种特殊的样品采集方法，即“顶空进样技术”。它主要用于复杂基体中挥发性残留物的分析。其做法是：对与液体或固体试样达成热力学平衡的气相组分进行取样分析，从而测定待测样品中的分析组分。该法选择性高、灵敏度高、基体干扰小、不需要样品前处理。,3）吹扫-捕集（Purge & Trap) 进样技术,动态顶空：用流动的气体将样品中的

27、挥发成分“吹扫”出来，再用一个“捕集器”将吹扫出来的物质吸附下来，然后经热解吸将样品进入GC进行分析。 过程：氦气鼓泡吹扫-捕集器：Tenax，硅胶或活性碳 六通阀进样 （反方向气流）+ 快速热解吸（200-800 ） 应用：废水中挥发性芳烃分析（EPA方法602） 药物中残留溶剂的分析,应用举例,顶空法分析咖啡的色谱峰，70min内共有450个峰。对于挥发性样品的分析，CGC是当今通用的最好分离技术。 l水体中苯系物的测定（0.005mg/L） l水体中挥发性卤带烃的测定,用于检测血、尿、水质、动植物组织、食品、天然产物及药物样品中残余挥发组分的分析，测定血液中的乙醇浓度。顶空气相色谱分析的

28、关键是“温度的一致”： l试样的温度重现性0.1，平衡时间 30 min l注射器的预热温度应稍大于样品的恒温水浴 l改为自动进样 l行定量校正,5 裂解气相色谱,高聚物的色谱分析： l原料、单体的纯度分析，即所谓的痕量分析 l聚合物中的挥发性物质的测定，如残余溶剂、单体助剂等 l高聚物的组成、结构分析 可见，气相色谱对天然和合成大分子等难以直接进行分析。,为什么烧烤过的食品好吃？,食物在烧烤过程中发生裂解而产生具有芳香味的挥发性的小分子化合物。,裂解气相色谱（Pyrolysis-Gas Chromatography, PGC)是用一个裂解器作为进样器，待分析高聚物样品在裂解器中被裂解成低分子

29、碎片，再由载气带入色谱仪进行分离分析的方法。 *离线裂解：分解 + 吸收；重现性 裂解气相色谱是一种反应气相色谱，是在热裂解和气相色谱两种技术上发展起来的。它对大分子热裂解（即化学降解）后的产物直接进行气相色谱分析。 理论包括裂解理论和气相色谱两部分 仪器的主要差别在于裂解器 分析技术在于裂解谱图的解释，类似于红外光谱的解释。,一、裂解气相色谱基本原理,使分子量较大的物质在一定的条件下迅速热解成易挥发的小分子碎片，然后对其进行色谱分析，即裂解气相色谱法。大量研究已表明，在一定的条件下，高聚物的裂解是有一定规律的。因此碎片的组成和相对含量与被测物大分子结构和组成有一定的对应关系，得到其特征图谱（称指纹热解图谱）可作定性分析依据。,PGC的特点,l色谱柱具有高分离效能，对于结构相似或同类高分子间的微小差异，材料中的微量组分，都能在色谱图上反映出来，找到相应的特性。 l各种类型、状态的样品，包括不溶解、不熔化材料，无需分离可直接进样 l裂解色谱图可提供材料的组成、结构方面的信息，可以研究高分子的分解机理、热稳定性及动力学 l仪器设备简单、分析速度快、易于普及推广 l但裂解反应复杂，影响因素很多。同一样品在不同实验室间所得的结果和重现性较差。在实际应用中通常采用参照物进行对比。,2 影响裂解反应的因素,l裂解温度：400900；温度不同，裂解