复旦仪器分析课件02气相色谱法

第十七章气相色谱法GasChromatography2015/5/251一、气相色谱法的特点2015/5/252高分离效能高选择性高灵敏度简单、快速应用范围广样品应易于气化第一节气相色谱法的分类和一般流程•按固定相的物态•按柱的情况•按分离机制2015/5/253二、气相色谱法的分类GSCGLC填充柱毛细管柱吸附色谱法分配色谱法三、GC的一般流程2015/5/254气路系统检测系统色谱柱进样系统控制和数据处理系统第二节气相色谱固定相和流动相•固定液•载体2015/5/255载体固定液对固定液的要求固定液的分类固定液的选择一、气液色谱固定相（一）固定液1.对固定液的要求2015/5/2562.分类（1）化学分类烃类、聚硅氧烷类、聚乙二醇、酯类等（2）极性分类相对极性P在操作温度下蒸气压低热稳定性好选择性能高溶解能力强，分配系数较大相对极性2015/5/257,′-氧二丙腈100鲨鱼烷02111100qqqqPxx相对极性P值，0到+5级极性依次增大测定方法物质对：苯/环己烷''lg环己烷苯RRttq,′－氧二丙腈q1鲨鱼烷q2待测固定液柱qx2015/5/2583.固定液的选择相似性原则极性相似官能团相似•相似时，相互作用力最强，选择性最高。•注意混合物中组分性质的主要差别相似性原则按极性相似原则选择样品（组分）固定液作用力出柱顺序非（弱）极性非极性（OV-101）色散力低沸点先出柱中等极性中等极性（OV－17）诱导力和色散力低沸点先出柱极性（强）极性极性（OV－225）静电力极性强后出柱形成氢键氢键型（PEG20M）氢键力不易形成氢键的化合物先出柱2015/5/259（二）载体1.对载体的要求2015/5/2510•比表面积大孔穴结构好•表面无（或很弱）吸附•热稳定性好，化学稳定性好•粒度均匀，有一定的机械强度等2.载体的分类•非硅藻土型•硅藻土型红色载体—配非极性固定液白色载体—配极性固定液3.载体的钝化除去或减弱载体表面的活性中心•碱洗法•酸洗法•硅烷化法二、气固色谱固定相氢气氮气氦气2015/5/2511•吸附剂•分子筛•高分子多孔微球•化学键合相固定相三、载气（流动相）耐高温峰形对称柱寿命长第三节气相色谱检测器•热导检测器（thermalconductivitydetectorTCD）•氢火焰离子化检测器（hydrogenflameionizationdetectorFID）•电子捕获检测器（electroncapaturedetectorECD）•其他2015/5/2512一、检测器的性能指标•灵敏度•噪音和漂移•检测限2015/5/2513mVD=2N/S浓度型ScmV·ml/mg质量型SmmV·s/g二、热导检测器（TCD）•检测原理热导率差异2015/5/2514R1R2mAR3R4R1/R2≠R3/R4结构简单、不破坏样品、通用性强，灵敏度较低注意事项•浓度型，进样量一定时，峰面积与载气流速成反比•不通载气不能加桥电流，避免损坏热敏元件•载气与组分热导率相差越大，检测器越灵敏•增加桥电流可增加灵敏度，但噪音也会增大•降低检测器温度可提高灵敏度，但不得低于柱温2015/5/2515三、氢焰离子化检测器（FID）检测原理有机物在氢焰的作用下，电化学电离产生离子流，借助离子流强度进行检测。2015/5/2516收集极发射极燃气载气•响应快、灵敏度高、线性范围宽，破坏样品、测定含碳化合物150～300V注意事项•氢氮比•空气流量•质量型检测器2015/5/2517N2:H21:1~1:1.5H2:空气1:1~1:10峰高与载气流速成正比，一般以峰面积定量四、电子捕获检测器（ECD）检测原理2015/5/2518放射源载气入口载气出口载气（如N2）N2++e射线激发电负性强的物质AB+e→(AB)-或AB+e→A-+B•灵敏度高、选择性好，测定含有强电负性的物质注意事项•载气纯度可用氩气或氮气，高纯氮的纯度99.99%•载气流速由实验条件选择最佳流速，通常为40～100ml/min•含放射源，应注意安全，不得随意拆卸2015/5/2519第四节分离条件的选择H=A+B/u+Cu•涡流扩散项A•纵向扩散系数B•传质阻抗项C2015/5/2520一、气相色谱速率理论1.涡流扩散项A•A=2dp2015/5/2521—填充不规则因子dp—填料（固定相）颗粒的直径要使A填充均匀，粒径较细粒度60～80目/80～100目H=A+B/u+Cu2.纵向扩散项B/uDg扩散系数组分分子量Dg柱温Dg2015/5/2522与填充物有关填充柱1(0.5~0.7)毛细管柱=1无阻碍要使B/u增大u（u最佳）降低柱温选用分子量大的载气•B=2DgH=A+B/u+Cu3.传质阻抗项Cu气液溶解Cg—气相传质阻抗系数液气挥发Cl—液相传质阻抗系数2015/5/2523Cl=23k(1+k)2df2Dl要使Cl降低df（液膜厚度）增大Dl（组分在固定液中扩散系数）•C=Cg+ClClCgCCl综合考虑各种影响因素2015/5/2524互相制约综合考虑载体载气固定液柱温二、实验条件的选择•分离方程式2015/5/2525abca柱效项b选择性项c柱容量项)1)(1(422kknR1.固定相=K2/K1=k2/k1•＝1时，R＝0•越大，R越大2015/5/2526=1时，无论柱效有多高，两组分均无法分离！反映了固定液的选择性增加，分离选择性增加，分离度提高)1)(1(422kknRkR2015/5/25271kk+1k与固定相用量、流动相流速和柱温有关在前两者确定的情况下，主要受柱温的影响。增加固定液用量，可增大k，分离度提高，但分析时间延长k135791113k/(k+1)0.50.750.830.880.900.920.931.00)1)(1(422kknRn影响峰的宽度2015/5/2528n主要受色谱柱的性能、载气流速和种类等的影响载气的流速和种类柱温柱长其他条件)1)(1(422kknR2.载气的流速和种类两个方面考虑：低流速时u小B/u为主N2高流速时u大Cu为主H22015/5/2529•种类最佳流速附近uuopt•流速3.柱温•不能超过固定液最高使用温度•尽可能好的分离度前提下较低柱温试样沸点柱温固定液配比300~4000C沸点100~1500C1~3％3000C平均沸点500C5~25％2015/5/2530在一个分析周期内，按一定程序不断改变色谱柱温度，称为程序升温。•宽沸程样品采用程序升温法宽沸程样品的恒温与程序升温色谱分离效果比较2015/5/25315.其它条件的选择气化室温度等于/稍高于样品沸点检测室温度高于柱温进样量需控制2015/5/25324.柱长R1R2=n1n22L1L2=达到一定分离度的前提下，尽可能使用短柱时间进样量三、样品的预处理•分解法•衍生化法2015/5/2533水解法热裂解法酯化法硅烷化法酰化法羧基酯基有机沸点高热不稳定等羟基、氨基TMS取代活泼氢酰化产物挥发性/热稳定性差第五节毛细管气相色谱法CGC•毛细管柱的出现1957年Golay，发明了空心毛细管柱（capillarycolumn），又称为开管柱（opentubularcolumn）•上世纪60年代不锈钢毛细管涂渍固定液1970年代用玻璃材料做毛细管柱1979年石英毛细管柱问世，开创了毛细管色谱的新纪元2015/5/2534一、CGC的特点和分类2015/5/2535特点分离效能高柱效可达104～106柱渗透性好较高载气流速，分析速度快柱容量小上样量少，需分流进样易实现气质易维持质谱仪的真空度应用范围广体液分析、药动学研究等，有机溶剂残留、兴奋剂检测等分类填充型填充毛细管柱微型填充柱开管型2015/5/2536涂壁多孔层载体涂层交联和键合常规0.1~0.35mm小内径0.1mm大内径0.53mm•Golay方程：H=B/u+Cgu+CluuDkkdukDkkruDHlfgg22222)1(32)1(24)1161(22015/5/2537二、毛细管色谱速率理论和实验条件的选择（一）毛细管气相色谱速率方程A=０B=2DgCu=(Cg+Cl)u（二）毛细管色谱操作条件的选择1.毛细管柱的直径uDkkdukDkkruDHlfgg22222)1(32)1(24)1161(22015/5/2538H与r2成正比，即内径越细，柱效越高目前主要采用内径100~300m的毛细管柱2.载气的选择•He•H2•N22015/5/2539载气效应的Golay曲线3.液膜厚度•液膜厚度增加，H增加，n下降•液膜厚度需按分析要求决定：2015/5/2540挥发性高保留值小快速分析１m挥发性低热稳定性差薄液膜柱可低至0.05m（一）毛细管柱的制备2015/5/2541三、毛细管气相色谱系统涂渍交联化学键合相固定液液膜涂渍毛细管柱拉制柱表面处理固定液涂渍色谱柱的粗糙化石英毛细管柱的去活（钝化）固定液涂渍2015/5/2542氯化氢刻蚀法沉积颗粒法硅烷化动态法静态法（二）进样系统2015/5/2543•分流进样要求：由进样系统带来的谱带加宽越小越好进样方式：•分流/无分流进样•柱头进样•程序升温气化进样分流进样/不分流进样2015/5/2544分流比进柱的试样组分的摩尔数与放空的试样组分摩尔数的相对值。分流比＝Fc/Fv例如：柱出口流速1ml/min，分流器放空流速99ml/min，则分流比为1:99或99:1。分流进样的特点优点•操作简单•柱外效应小，柱效高•不污染色谱柱缺点•非线性分流•载气消耗大2015/5/2545无分流进样时注意•样品较稀时•程序升温时起始温度低于溶剂沸点•易使用交联毛细管柱（三）顶空气相色谱法原理装置注意事项2015/5/2546易挥发性的微量组分特点：避免分析柱污染避免污染取样针溶剂的选择平衡时间考虑基质影响一、定性分析方法已知物对照定性利用相对保留值利用保留指数定性官能团分类测定法与其它方法结合2015/5/2547第六节定性与定量分析1.已知物对照法2.相对保留值2015/5/2548最常用的定性方法与组分的性质、固定液的性质、柱温有关与固定液的用量、柱长、流速及填充情况等无关可查手册或文献重复性和准确度好时定性的重要手段3.保留指数''1,212RRttr')(')(')(')(lglglglg100100NRnNRNRARAttttnNI4.官能团分类测定法5.两谱联用2015/5/2549粗略定性有效的定性方法应用越来越多气相色谱—质谱联用（GC-MS）气相色谱—傅立叶红外（GC-FTIR）二、定量分析方法2015/5/2550（一）系统适用性试验1.理论塔板数n2.分离度R3.重复性RSD4.拖尾因子T•色谱定量分析的依据是被测组分量与检测器的响应信号成正比，即2015/5/2551绝对校正因子相对校正因子（二）定量校正因子mi=fi'Ai绝对校正因子fi'2015/5/2552fi=———mi/Aifi'fs'=ms/AsmiAs=msAiFID时，常用正庚烷作标准物质TCD时，常用苯作标准物质绝对校正因子相对校正因子相对重量校正因子相对校正因子的测定2015/5/2553•查手册•自己测定精称待测物质和标准物质混合后进样得出峰面积求出校正因子fmiAs=msAi（三）定量方法•归一化法•外标法•内标法•内标对比法（已知浓度样品对照法）2015/5/25541.归一化法简便、准确、定量结果与进样量无关必须所有组分在一个分析周期内都出峰2015/5/2555ci%=—————————100%AifiA1f1+A2f2+…+Anfn2.外标法操作简单，计算方便，不需用校正因子操作条件和进样量要求严格控制2015/5/2556Ai(Ai)s=ci(ci)sAi