第二十章气相色谱法

第二十章气相色谱法（gaschromatography，GC）第一节概述以气体为流动相的色谱法一、分类与特点：主要固定相不同气-固（GSC）吸附气-液（GLC）分配由柱的类型分填充柱Ф4~6mm*L2~4m毛细管柱Ф0.1~0.5mm*25~50m特点：高柱效，高选择，高灵敏度，快速，用样量少（几μl）局限性：样品需气化，因此能直接用气色分析的有机物约20%，其他挥发性小的液，固体等需预处理后再分析。二、流程：气源减压阀净化器针型阀（压力表）调整气路（干燥器）控制进入柱的气体中气压净化载气除去压力和流速CO2，H2O进样器检测器色谱柱分离部分（将浓度或质量信号转为电讯号）在恒温箱中第二节基本概念一、基本概念1、峰：由电信号强度对时间作图所绘制的曲线称为色谱流出曲线。流出曲线上的突起部分称为色谱峰。2、基线：在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线。3、死时间tm：分配系数为0的组分的保留时间。，保留时间tR：从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔。调整保留时间：tR’=tR-tm4、保留体积VR从进样开始到柱后某组分出现浓度极大点的时间tR从进样开始到柱后某组分出现浓度极大点时，所需通过色谱柱的载气体积为该组分的VR∴VR=tR*Fc∵Fc大，tR小，若Fc小，tR大，二者乘积不变，∴VR与载气流速无关。记录（得色谱图）V‘R=t‘R*Fc死体积：Vm=tm*FcVR，tR是定性参数5、区域宽度：①标准差σ：0.607h处峰宽的一半②半峰宽W1/2：0.5h处的峰宽。峰宽W：基线宽度为峰宽。（经拐点做切线，与基线相切）h0.607h0.5hW1/2WσtmtRtR6、相平衡参数：分配系数和容量因子k令容量因子：k=K*Vs/Vm色谱耗一定时，tR’/tm正比于K,Vs/Vm为常数。则k=tR’/tmk--容量因子∴k----是调整保留时间是死时间的多少倍tR’/tm，亦表示固定相中某组分质量是流动相中某组分质量的倍数。∴k大的组分，固定相中相对质量大。不同组分，有不同的K或k，在柱中产生差速迁移而得以分离。∴k是重要的色谱参数之一。△tR’=tm(kA-kB)7、保留指数：二、塔板理论：——把色谱柱看作一个分馏塔。（一）基本假设：P2411、组分在柱内一小段高度中，很快达到两相间平衡。H—理论塔板2、载气以脉冲形式进入色谱柱（一次进入一个塔板体积）3、纵向扩散可以忽略。4、分配系数在各塔板上是常数。在以上假设下，组分在柱中符合逆流分配，并可用二项式分布来解释这种过程。（二）二项式分布：P268~269假设有A，B两组分。KA=2KB=0.5Vs=Vm见P268图21-6逆流分配过程用二项式定理三次转移后,各漏斗中溶液含量：(p+q)3=p3+3p2q+3pq2+q3p—上层q—下层（0.667+0.333）3=0.297+0.444+0.222+0.037=1（三）正态分布：用二项式计算的流出曲线图21-7拖尾，因塔板太少，当塔板N50时，可得对称曲线，色谱柱塔板数一般在103以上。用正态分布来讨论流出曲线的c和t的关系。在t=tR时:则有：A=1.065*W1/2*hmax将②代入①得：ttR峰高两侧等比例下降，降速度取决于σ。ttR柱效高，下降快，σ小，峰锐。（四）理论塔板数H=L/nn越大，柱效越高。（H越小，柱效越高）P272例，注意式中W1/2需用纸速校正。三、范氏方程：——速率理论H=A+B/U+CU----一般用mm板高H,A,B,C常数,U载气线速度cm/s讨论：1、涡流扩散项：A相--填充不均匀引起峰扩散A=2λdpλ--填充不规则因子dp--填料直径希望：填充要均匀，粒度要小，一般GC80目。空心毛细管柱，无径向扩散，A=02、B/U：纵向扩散项（分子扩散）B=2γDg①γ--与填充物有关的因子（有书称弯曲因子）空心柱γ=1填充柱γ1②纵向扩散与U成反比U大，B/U可忽略U小，不可忽略③Dg-----组分在气相中的扩散系数M载气大，Dg小，如：N2M载气小，Dg大，如：H2，He此外Dg与有一定关系3、CU相：传质阻抗项C=Cl+Cg=Cl=df---固定液液膜厚度DL—组分在固定液中扩散系数①df↓k↓c↓,即要降低C，就要降低采用低液担比②DL与固定液粘度η有关η↑DL↓CL↑∴固定液η要小第三节色谱柱吸附剂气-固吸附色谱柱固定相担体-固定液气-液分配色谱柱一、气-液色谱填充柱：（一）固定液：高沸点的液体，操作温度下应是液体1、要求：①操作温度下是液体，且蒸气压低（否则易流失，也出峰）②有一定的选择性（对混合液组分溶解能力不同）③与试样组分不发生化学反应2、分类：有化学分类，极性分类化学分类：①烃类：常用鲨鱼烷----标准的非极性固定液阿皮松等②硅氧烷类：温度系数小，蒸气压低，不易流失，用处多。骨架：CH3CH3||（CH3）3Si—O—Si—-------O—Si—--O—Si(CH3)3||RxCH3yn---链节数(n=x+y)由R基团不同，其性由弱极性到极性可分四类：极性a.甲基硅氧烷R-甲基b.苯基硅氧烷R-苯基c.氟烷基硅氧烷R-三氟丙基d.氰基硅氧烷R-氰乙基③醇类：--氢键型非聚合醇—长链脂肪醇（如十六碳醇等）聚合醇—聚乙二醇（PEG）PEG-20M平均分子量20000（250℃），常用的中等极性固定液。④酯类：非聚合酯邻苯二甲酸二壬酯（DNP）聚合酯丁二酸二乙二醇聚酯（PDEGS）--极性固定液（应用广）常用固定液：鲨鱼烷甲基硅油PEGDNP极性分类法：按相对极性分类，以极性最小的鲨鱼烷极性规定为0，极性最大的ββ’-氧二丙腈极性为100，其余固定液与之比较，定出相对极性。方法：测出相对保留值P276P277常用固定液的相对级别（表21-25种需记固定液）0-20+1弱极；21-40+2；41-60+3；61-80+4；81-100+5强极。3、固定液的选择：相似性原则：被分离组分的极性或官能团与固定液相似来选择固定液。①化合物分组P277②选择方法：a、极性相似：分离对象固定液作用力组分流出顺序非极性物质非极性色散力低沸点组分先流出，沸点接近时，极性较大的先流出中等极性中等极性诱导力低沸点组分先流出，沸点接近时，极性较小的先流出极性物质极性静电力极性小的组分先流出能形成氢键氢键型氢键力难形成氢键的先流出例1形成氢键能力大中小tR大中小例2样品中含苯，环己烷极性弱极非极沸点801℃807℃相近选固定液。解：①非极性液体石蜡tR苯/tR环=0.73（未分开）②中极DNPtR苯/tR环=1.5（分得较好）③极性氧二丙腈tR苯/tR环=6.3（分得更开）b、由主要差别选固定液：由上例若以极性为主要差别，选极性固定液若以沸点为主要差别，选非极性固定液。c、以官能团相似选择：被分离物是酯，选酯类固定液。被分离物是醇，选醇类固定液。此外，为达到分离目的，常用混合固定液。（二）载体（担体）1、要求：比表面积大，表面无吸附，不与组分反应，热稳定性好。2、分类：非硅藻土型（活性炭，高分子小球等）硅藻土型（由天然硅藻土煅烧而成）硅藻土型：红色担体白色担体Fe2O3淡红色Fe+NaCO3孔径1μm8-9μm粘结剂有无机械强度大小比表面积4.0m2/g1.0m2/g化学活性较强较弱常用固定液非极性极性分离对象弱极性物质极性物质3、钝化：除去载体表面的吸附能，使表面结构钝化。酸洗：AW除去表面等金属化合物用于分析酸性化合物和酯碱洗：BW除去等用于分析胺类等碱性化合物硅烷化：除去表面硅醇基用于分析氢键能力较强的化合物（三）气-液柱的制备：一般程序：固定液涂渍----固定相老化----装柱（老化）1、涂渍：称固定液溶于有机溶剂，将担体倒入，均匀搅拌，通风挥溶剂。注意：涂渍过程溶剂不宜挥发过快，以防不均匀，不能用力搅拌。液担比：固定液与担体重量有一定的比例。红色担体，比表面积大，液担比大白色担体，比表面积小，液担比小样沸点低，液担比要大些，不至于太小样沸点高，液担比要小些，不至于太大2、老化：目的：除去残余溶剂，促进固定液涂渍均匀。静态老化动态老化烘箱中，防止溶剂挥发联上机，低载气流速，略高于实验污染检测器。静态老化使用T，低于固定液最高T，24小时可装柱。后，基线平稳后即可使用。3、柱的清洗与填充：不锈钢管处理：5%NaOH清洗，再用水洗至中性。或NaOH洗，水洗，酸洗，再水洗至中性，醇洗，醚洗，烘干待装。填充：抽气减压填充。二、气-固色谱填充柱：固定相—吸附剂，分子筛，高分子多孔小球及化学键和相。1、吸附剂：石墨化碳黑，硅胶，氧化铝等。2、分子筛：2A，5A，13X（4，5，13表示筛平均孔径；A，X表示类型）3、GDX：人工合成的新型固定相。可做反吸附剂，也可做担体GDX特点：①具较大比表面，峰形正常峰②柱寿命长，无流失。③疏水性强，耐腐蚀，热稳定性好（200-300℃）④分离性能好其柱只能用动态老化（因在空气中加热易变质）4、化学键合相：将固定液的官能团用化学键结合在载体表面，具分配吸附两种性能，新型的气相色谱固定相，具分配，吸附两种作用，柱效高，分离效果好。但价格贵。二、毛细管色谱柱简介：（自学）第四节检测器将流出色谱柱的载气中被分离组分的浓度或量变化，转化为电信号的变化装置。分：浓度型：信号强度与进入检测器的载气中的组分的浓度成正比。质量型：信号强度与单位时间进入检测器的组分的质量成正比。一、热导检测器：TCD浓度型利用被测组分与载气热导率的不同来检测组分的浓度变化。λ样λ载倒峰λ样λ载正峰λ样=λ载无信号优点：通用型，样品不破坏。缺点：灵敏度低，噪音大。由于噪音大，信号不能放大，只能衰减。（一）结构原理：P253图21-1321-14金属块两个完全相同的孔穴，各吊一根金属丝，一极参比臂，只通载气，另一根工作臂，使样品和载气同时通过。原理：惠斯登电桥当R1=R2R3=R4R1/R2=R3/R4热敏元件和阻值与温度无关。电桥平衡时走基线，（因两臂载气流速一样，λ一样）进样后，两臂不平衡，则有电信号被检测。组分与载气△λ有关△λ大，s大记录电位变化值，其大小与△λ小，s小组分浓度有关---浓度型检测器（二）载气：H2—一般可得较好结果，但危险。He气较为理想，但价格贵。（三）操作注意点：P2851、进样量一定时，峰面积A与载气流速F成正比。用峰面积定量时，载气流速应恒定。2、不通载气，不能加桥流（否则热敏元件烧坏）3、灵敏度够用时，尽量选用低桥流（保护热敏元件）4、检测器T柱T（防检测器污染）二、氢焰离子化检测器：FID质量型（一）原理：氢焰中燃烧有机物离子流，定向流动被检测化学电离只能测含C有机化合物（热导无此限制）离子在电场的作用下定向流动被检测。离子流强度与进入检测中的组分的量有关，测离子流强度可以定量。与被测组分含量有关微电流大小与单位时间进入离子室的质量有关（二）定量依据与注意点：1、用峰高定量时，载气流入速度要恒定。（m一定时，h与F成正比）用峰面积A定量时，取决于单位时间引入检测器的质量，与载气流速无关。2、载气N2，燃气H2，助燃气Air一般：N2:H2:Air=1:1:103、长久使用时，气路要洁净。（否则基线波动）4、检测器T柱温（至少大30-50℃，防止凝结）三、检测器性能指标：（一）灵敏度：SSc----浓度型检测器灵敏度。量纲：mv*ml/mgSm----质量型检测器灵敏度。量纲：mv*s/g热导：Sc=AC1C2C3/WA---峰面积cm2,C1---记录器灵敏度(mv/cm)C2---纸速的倒数(min/cm)C3---载气流速(ml/min)W---进样量(mg)氢焰：Sm=AC1C260/W由此式知，用峰面积定量时，与载气流速无关。（二）检测限：D=2N/S峰高为2倍噪音时，单位时间载气引入检测器中改组分的质量或单位体积载气中所含该组分的量称检测限。D越小，仪器性能越好。第五节分离条件的选择固定相，柱温，载气流速————三个主要方向。一、分离度：R注意上下单位要一致R=1.0基本分离（4σ分离）即95.4%R=1.5近完全分离（6σ分离）9