气相色谱法GC

气相色谱法（gaschromatography，GC）§1.概述§2.基本概念§3.色谱柱§4.检测器§5.分离条件的选择§6.定性定量方法§7.小结2第一节概述定义: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。3二.流程：气源减压阀净化器调整气路中气压（干燥器）净化载气除去CO2，H2O针型阀（压力表）进样器控制进入柱的气体压力和流速色谱柱分离部分检测器记录(得色谱图)在恒温箱中（将浓度或质量信号转为电讯号）4GC仪器示意图5几种填充柱白色：玻璃柱灰色：不锈钢柱66.毛细管柱柱长由几十到几百米。77.毛细管柱与填充柱8气相色谱仪流程图910进样系统1112第二节基本概念一.基本概念1.峰(peak)：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(baseline)：在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线。3.死时间(deadtimet0):分配系数为0的组分的保留时间。保留时间(retentiontimetR)：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-t0134.保留体积（retentionvolumnVR)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∴∵Fc大，tR小，若Fc小，tR大，二者乘积不变，∴VR与载气流速无关。死体积：VR，tR是定性参数cRRFtVcRRFtV''cmmFtV14155.区域宽度：①标准差σ：0.607h处峰宽的一半②半峰宽(peakwidthathalfheightW1/2)：0.5h处的峰宽。峰宽(peakwidthW)：基线宽度为峰宽。（经拐点做切线，与基线相切）h0.607h0.5hW1/2Wσ166.相平衡参数：分配系数和容量因子k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。k是重要的色谱参数之一。△tR’=tm(kA-kB)7.保留指数：oRsttVVKk'017二、塔板理论假定(把色谱柱看作一个分馏塔)（i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。（ii）载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（ΔVm）。（iii）试样沿轴（纵）向扩散可忽略。（iv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。18(二).二项式分布：假设有A，B两组分。KA=2KB=0.5Vs=Vm看做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。19①在t=tR时:e的指数为零,此时浓度最大②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。22202Rttecc20maxcc222maxRttecc20塔板理论最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标。n越大，柱效越高。（H越小，柱效越高）21由流出曲线方程可推出：而理论塔板高度（H）即：2222/1)()(16)(54.5RRtWtWtnRnLHn就越大，而H就越小，柱效能越高。因此，n和H是描述柱效能的指标。22由于死时tm包括在tR中,而实际的tm不参与柱内分配,所计算的n值大,H很小,但与实际柱效能相差甚远.所以,提出把tm扣除,采用有效理论塔板数neff和有效塔板高Heff评价柱效能。2'22/1')(16)(54.5wtwtnRReffeffeffnLH231956年荷兰学者vanDeemter等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论——速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。vanDeemter方程的数学简化式为三.范氏方程：——速率理论CuuBAH式中μ为流动相的线速度；A，B，C为常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。0tL241．涡流扩散项A在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似“涡流”的流动，故称涡流扩散，形象地如图所示。25A＝2λdρ上式表明，A与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子λ有关，与流动相的性质、线速变和组分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。对于空心毛细管，不存在涡流扩散。因此A＝0。262.分子扩散项B/µ（纵向扩散项）纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分从柱人口加入，其浓度分布的构型呈“塞子”状。它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子”必然自发地向前和向后扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为27①γ--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μ成反比μ大，B/μ可忽略μ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纵向扩散项B＝2γDg283．传质阻力项Cμ对于气液色谱，传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl两项，即C＝Cg＋Cl因Cg很小，故：df---固定液液膜厚度DL—组分在固定液中扩散系数∴固定液η要小lflDdkkC22)1(3229载气流速与柱效-最佳流速载气流速高时：传质阻力项是影响柱效的主要因素，随着流速的提高，柱效下降。载气流速低时：分子扩散项成为影响柱效的主要因素，随着流速的增加，柱效提高。H-µ曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。以塔板高度H对应载气流速µ作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。30速率理论的要点：1.被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。2.通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。3.速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。4.各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。31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322.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)3RxCH3y33n---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：--氢键型大非聚合醇—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。34④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PEGDNPββ’-氧二丙腈极性分类法：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。常用固定液的相对级别0-20+1弱极；21-40+2；41-60+3；61-80+4；81-100+5强极。353.固定液的选择：相似性溶原则：被分离组分的极性或官能团与固定液相似来选择固定液。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3637角鲨烷（异三十烷）squalane2，6，10，15，19，23-六甲基二十四烷硅油siliconeβ，β′-氧二丙晴β，β′-oxydipropionitrleSiOSiOSiCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3nO(CH22(CH))22CNCN38b、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。例样品中含苯，环己烷极性弱极非极沸点80.1℃80.7℃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)39b、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）40硅藻土型：红色担体白色担体Fe2O3淡红色Fe+Na2CO3孔径1μm8-9μm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413.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42(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432.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，略高污染检测器。静态老化于实验使用T，低于固定液最后可装柱。高T，24小时后，基线平稳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。44二.气-固色谱填充柱：固定相—吸附剂，分子筛，高分子多孔小球