气相色谱法第八章

气相色谱法88.1气相色谱法简介8.2气相色谱仪8.3气相色谱的实验技术8.4毛细管气相色谱8.5顶空气相色谱8.6裂解气相色谱8.7气相色谱法应用8.1气相色谱法简介1.定义：以气体作为流动相的色谱法。2.原理及适用范围：利用物质的沸点、极性及吸附性的差异来实现混合物的分离，广泛应用于气体和易挥发物质的分析。3.特点高选择性高分离效能高灵敏度4.发展1941年Martin和Synge发明液-液（分配）色谱法，阐述了气-固吸附色谱原理，提出气-液色谱法设想；(1952年诺贝尔化学奖)色谱学成为分析化学的重要分支学科，是以气相色谱的产生、发展为标志。1952年Martin成功研究出气-液色谱法，解决了脂肪酸、脂肪胺的分析，并对其理论和实践作出论述；（起点）1954年，Ray把热导池检测器用于气相色谱仪，并对仪器作了重大改进，扩大应用范围；1956年，荷兰学者VanDeemter提出气相色谱速率理论，奠定了理论基础；1957年美国工程师Golay发明效能极高的毛细管色谱柱；1958年澳大利亚学者Mcwilliam发明氢焰离子化检测器，使分离效能和检测器的灵敏度大大提高。5.气相色谱法分类分类方式很多气相色谱:（1）按固定相的状态分--气固色谱和气液色谱（2）按使用的色谱柱分--填充柱气相色谱和毛细管柱气相色谱如按进样方式不同分类：顶空气相色谱和裂解气相色谱等，其体系及仪器构成类似。8.2气相色谱仪8.2.1结构框图放空8.2.2载气系统1.作用：提供流量稳定的、持续的、纯净的载气。2.组成：（1）载气：常用有氮气、氢气、氦气载气钢瓶：（2）净化器：除载气中水和有机杂质等（依次通过活性炭、分子筛、氧化铝、硅胶等)（3）载气流速、压力控制：控制载气流速恒定。（包括压力表、流量计、稳压阀等）3.流量计：（1）转子流量计（2）电子压力流量计4.钢瓶与减压阀钢瓶样色对应气体种类：H2绿色，He暗灰色，O2蓝色，N2黑色、CO2银灰色8.2.3进样系统1.要求气密性好2.气化室：将液体试样瞬间气化的装置3.进样方式：（1）液体直接进样（2）顶空进样利用被测样品（气-液和气-固）加热平衡后，取其挥发气体部分进入气相色谱仪分析。固相微萃取进样固相微萃取技术是20世纪90年代兴起的一项新颖的样品前处理与富集技术。DetectorW载气系统进样系统分离系统检测系统数据处理及控制系统温度控制系统8.2.4分离系统1.作用：使样品中各组分有效的分离。2.组成：（1）柱箱：可控温度（2）色谱柱：色谱柱管和固定相3.色谱柱分类材料长内径固定相特点填充柱不锈钢或玻璃1～5m3～6mm固定相填充其内进样量多，灵敏度高，柱效低。适于含量低，组分少样品测定。毛细管柱石英或玻璃几十米0.1～0.5mm内壁涂渍固定相，管中空柱效高，适于多组分样品分离分析，灵敏度低（20分钟分几十个组分）。8.2.5检测系统1.作用：把色谱柱中分离开的各试样组分流经检测器时的浓度或质量变化转变成易于测量的电信号，经放大器放大后输送给记录仪。2.组成：检测器和信号放大器气相色谱检测器1.根据检测原理不同分为：（1）浓度型检测器：响应值与组分浓度变化成正比。TCD、ECD（2）质量型检测器：响应值与组分进入检测器的质量变化成正比。FID、2.根据应用范围不同分为：（1）通用性检测器：对大多数物质都有响应。TCD、FID（2）选择性检测器：仅对某些物质有响应。ECD、FPD检测器种类：热导检测器--TCDthermalconductivitydetector火焰光度检测器--FPDflamephotometricdetector氢火焰离子检测器--FIDhydrogenflameionizationdetector电子捕获检测器--ECDelectroncapturedetector质谱检测器--MSDmassspectrumdetector热导池检测器-TCD结构简单，灵敏度适宜，稳定性较好对所有的物质都有响应应用最广泛、最成熟氢火焰离子化检测器-FID（1）对多数有机化合物有很高灵敏度（2）线性范围宽：106以上（3）结构简单、响应快、稳定性好（4）不能测在火焰中不解离的物质（如：水、永久性气体、氮氧化物、碳氧化物、硫化物）工作原理以苯为例，在氢火焰中的化学电离反应如下：C6H6裂解6CH3O2+6CH+6e6CHO+6CHO+6H2O6CO+6H3O++热敏电阻丝R参热敏电阻丝R测载气+组份参比池测量池纯载气构造电子捕获检测器-ECD（1）线性范围窄：103（2）对含电负性元素物质灵敏度极高工作原理1.载气在β射线作用下发生电离：N2→N2＋＋e形成恒定的电流–基流。2.电负性的组分B随载气进入检测器后，捕获电子产生带负电荷的分子离子：AB（电负性物质）＋e-→AB-AB-＋N2＋→AB+N23.基流降低，产生负信号而形成倒峰，电路反转，显示正峰色谱图。火焰光度检测器-FPD对含S、P物质高灵敏度选择性检测器检出限：S：10-11g/SP:10-12g/S线性范围：S105P106工作原理当含硫（S）的化合物进入富氢火焰中时，有下述反应。RS+2O2→SO2+CO2SO2+4H2→2S+4H2OS+S→S2*（化学发光物质）S2*→S2+hγ(λmax=394nm)8.2.6数据处理及控制系统作用：将检测器输出的模拟信号随时间的变化曲线即色谱图画出来。8.2.7温度控制系统作用：设置，控制和测量气化室，柱箱和检测室等处的温度。8.3气相色谱实验技术理想的色谱分析目标：1.最佳的分离度2.最短的分析时间3.最高的分析灵敏度8.3.1固定相的选择GC中组分分离取决于色谱柱的分离效能和选择性，而色谱柱中的固定相对于组分的分离起着关键性作用。GC的固定相分为固体和液体状态。气-固色谱固定相：1.具有多孔性及较大表面积的吸附剂颗粒。2.分离永久性气体和低分子量、低沸点烃类。3.常用：见下表。另有高分子多孔微球4.活化：易吸潮而失活，使用前需活化名称化学组成性质比表面（m2/g）最高使用温度应用活化方法活性炭石墨化碳黑无定形炭石墨状结晶非极性300～500100300℃永久性气体、低沸点烃类，不适合分离极性化合物苯浸泡几次，350℃用水蒸气洗至无浑浊，180℃烘干硅胶SiO2·H2O氢键型500～700500℃永久性气体；低级烃，极性随活化温度而异6mol/L盐酸浸泡2h，水洗至无氯离子，烘干氧化铝Al2O3弱极性100～300500℃烃类及有机异构体400～600℃烘烤活化4h分子筛MO·Al2O3·SiO2极性700～800400℃适于永久性气体、惰性气体的分离400℃烘烤活化4h。气-液色谱固定相：由固定液+担体组成；在担体颗粒表面涂渍上薄层固定液。固定液的选择：原则：一般根据“相似相溶”的原则。分离非极性物质一般选用非极性固定液试样中各组分按沸点次序先后流出色谱柱，沸点低先流出。分离极性物质一般选用极性固定液按极性顺序分离，极性差异大先流出。分离极性和非极性混合物极性固定液非极性组分先出峰非极性固定液极性组分先出峰能形成氢键的物质选用极性或氢键固定液按形成氢键的能力大小分离，不易形成氢键的组分先流出。几种常见固定液：8.3.2载气种类及其流速选择（1）载气种类：依据分析速度、检测器的种类及费用FID：氮气和氩气的灵敏度高TCD：氢气和氦气可以改善灵敏度ECD：氮气和氩气的灵敏度高FPD：氮气（氮气价格最为便宜，为GC首选！）（2）载气流速范第姆特方程（在实际工作中，为了缩短分析时间，往往使流速稍高于理论最佳流速。）8.3.3温度的选择（1）气化室温度选择汽化室温度应高于样品中沸点最高组分的沸点10-50℃。汽化室温度不能高于组分稳定温度，否则会导致其分解。（2）柱温的选择分离度的要求：低柱温温度升高，相对保留值下降，分离度变坏柱温太低，扩散速率减小，分配不能迅速达到平衡，峰形变宽，柱效下降。分析速度的要求：高柱温温度升高，保留时间减小，分析速度加快。色谱柱的要求：在色谱柱固定液允许使用温度范围内使用，否则不仅会导致柱流失增大，而且会损坏色谱柱。柱温提高，色谱柱的柱效一般会下降。定量的要求：峰高与柱温成正比，峰面积与柱温无关。样品的要求：温度过高样品分解。柱温的选择原则在使最难分离的组分有尽可能好的分离的前提下，尽可能采取较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。程序升温:指在一个分析周期内，色谱柱温度随时间由低温到高温呈线性或非线性地变化，以使沸点不同的各组分在其最佳温度处流出，从而改善分离效果，缩短分析时间。沸点范围很宽样品：采用程序升温分离（3）检测器温度的选择恒温操作时一般高于柱温10-25℃。程序升温时，应使检测器的温度比样品中沸点最高组分的沸点高10～20℃。TCD：高于柱温，温度升高灵敏度下降，温度应稳定。FID：120℃以上，对温度要求不高。ECD：250℃以上，温度对基流和峰高影响很大，但应具体样品具体分析。8.3.4进样条件选择（1）进样速度快：进样时间小于1秒，因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之变宽，有时甚至使峰变形。（2）进样量适当：进样量太多，峰重叠，峰形不对称，分离效果差。进样量太少，使含量少的组分因检测器灵敏度不够而检测不出来。液体：0.1-5l，气体：0.1-10ml最大允许的进样量：应控制在峰面积（峰高）与进样量呈线性关系的范围内。8.4毛细管柱气相色谱1957年创始人高雷（M.J.E.Golay），发表第一篇毛细管气相色谱的报告。制成91米长的毛细管色谱柱，理论塔板数达到12000。1958年，高雷方程，阐述各种参数对柱效的影响。我国在上世纪50年代后期开始毛细管气相研究，在石油工业的研究和生产中起很大作用。1979年高弹性石英毛细管出现。1983年HP公司推出大孔径毛细管柱。90年代后期，Alltech公司推出“集束毛细管柱”1987年，荷兰科学家制成世界上最长，理论塔板数最多的毛细管柱，其理论塔板数达到3000000.毛细管色谱柱的特点主要为开管柱opentubularcolumn管内壁涂渍固定液，无载体空心管主要特点：分离能力强、分析时间快、柱容量小、适用更复杂对象、相比大、进样量小/分流分流技术：毛细管柱进样量必须极小（一般液样10-2～10-3微升，气样约1微升）分流比常为20:1或更高尾吹气装置：毛细管柱柱内载气流量太低，不能满足检测器的最佳条件（一般要求20mL/min的载气流量）。一般在柱后加一路载气进入检测器。保证检测器在高灵敏度状态下工作。带尾吹装置的ECD毛细管柱色谱与填充柱色谱的区别系统填充柱色谱毛细管柱色谱载气系统————————进样系统无分流分流装置分离系统填充柱毛细管柱检测系统无尾吹气前加尾吹气装置记录系统————————温控系统————————8.5顶空气相色谱（GC-headspaceanalysis）一种对液体或固体中的挥发性成分进行气相色谱分析的间接测定方法。其实质就是GC进样系统部分为：顶空进样系统一般分为两种形式：静态及动态顶空动态顶空气相也称：吹扫-捕集分析法静态顶空与动态顶空顶空气相色谱仪顶空气相的应用1.食品中挥发性物质的测定。黑莓、香蕉、梨、胡萝卜、洋葱、薄荷油、咖啡白兰地酒、威士忌酒等蜂蜜中挥发物质2.生理样品中的挥发物血液中的酒精（酒驾）血、尿、水中的苯、甲苯、二甲苯3.固体样品中挥发性物质塑料包装袋中甲苯残留8.6裂解气相色谱（PyGC）在热裂解和气相色谱两种技术基础上发展起来的。1954年，Davison首先对高聚物的裂解产物进行气相色谱分离；1959年，Martin等把高聚物裂解装置与气相色谱仪联机分析聚合物成功；1966年，Sinnmon等实现了PyGC-MS鉴定了氨基酸裂解碎片。上世纪80年代，联用成熟。PyGC特点及应用特点：分离效率高；灵