气相色谱法教学

气相色谱法gaschromatography,GC主讲人邹其超一概述“色谱法”名称的由来石油醚(流动相)碳酸钙(固定相)}色谱带是利用混合物不同组分在固定相和流动相中分配系数(或吸附系数、渗透性等)的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。色谱法用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。它是由惰性气体将气化后的试样带入加热的色谱柱，并携带分子渗透通过固定相，达到分离目的。气固色谱:用多孔性固体为固定相，通过物理吸附保留试样分子。分离的主要对象是一些在常温常压下为气体和低沸点的化合物。气液色谱:用高沸点的有机化合物涂渍在载体上作为固定相，利用分子在两项的分配系数不同分离试样。一般只要在450C以下有1.5kPa10kPa的蒸气压且热稳定性能好的有机及无机化合物都可用来分离。在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，是一种有实用价值的分离方法。气相色谱仪的工作过程二气相色谱仪的构成•气路系统•进样系统•分离系统•温控系统•检测和记录系统Filters/TrapsAirHydrogenGasCarrierColumnDatasystemSyringe/SamplerInletsDetectorsRegulatorsHRESET气路系统•载气:气相色谱中常用的载气有氢气，氮气，氦气和氩气。•气路结构:主要有两种气路形式单柱单气路，适用于恒温分析双柱双气路，适用于程序升温，并能补偿固定液的流失使其基线稳定。•净化器:主要用来提高载气纯度。•稳压恒流装置:稳定载气流速。Carriergas•NeverforgetLEAKTESTSoap-bubbleflowmeteranddigitalflowmeter进样系统进样装置和气化室Sampleinlet•Dissolvedinanorganicsolvent.•Injectedintothecarriergasflowbysyringeorvalve.分离系统气相色谱的分离系统是色谱柱，它由柱管和装填在其中的固定相等所组成。由于混合物各组分的分离在这里完成，所以它是色谱仪中最重要的部件之一。目前填充柱应用较为普遍。柱材可由金属或玻璃管制成。其内径一般为24mm,长度110m。柱形多为螺旋形，其螺旋直径与柱内径之比一般为15:1到25:1。ColumnsGCCOLUMNSCapillaryColumnsPackedColumnsWall-CoatedOpenTubularColumns(WCOT)Porous-LayerOpenTubularColumns(PLOT)ColumnsCOLUMNPHASECOMPOSITION:SiOCH3CH3100%polydimethylsiloxane(PDMS)SiOCH3CH3SiO50%PDMS50%phenylIncreasingpolarityCCOHHHHnOHhighpolaritypolyethyleneglycolSiO(CH2)3(CH2)3CNCNn100%cyanopropylsiloxane温控系统温控系统是用来设定，控制，测量色谱柱炉，气化室，检测室三处的温度。气化室的温度应使试样瞬时气化而又不分解。在一般情况下，气化室的温度比柱温高1050C。•热导池检测器thermalconductivitydetector,TCD•氢火焰离子化检测器flameionizationdetector,FID•电子捕获检测器electron-capturedetector,ECD•热离子化检测器thermionicdetector,TID•火焰光度检测器flamephotometricdetector,FPD检测系统1热导池检测器(TCD)参比测量R1R2ABR1*R参比=R2*R测量只有载气通过时载气+组分R1*R参比≠R2*R测量利用载气与组分热导系数的差异进行测量载气对热导检测器灵敏度的影响某些气体与蒸气的热导系数/10-4J·(cm·s·℃)-1气体热导系数气体热导系数氢气22.4甲烷4.56氦气17.41乙烷3.06氮气3.14丙烷2.64氧气3.18甲醇2.30空气3.14乙醇2.22氩气2.18丙酮1.76影响热导检测器灵敏度的因素载气种类；热丝工作电流；热丝与池体温度差。适用范围测量对象：通用色谱柱：填充柱是一种结构简单，性能稳定，线性范围宽，对有机和无机物质都有响应，灵敏度适宜的检测器。2氢火焰离子化检测器(FID)CH6HC66裂解CHO6e6O3CH62OH6CO6OH6CHO632火焰离子化机理具有结构简单，灵敏度高，死体积小，响应快，线性范围宽，稳定性好等优点，但是它仅对含碳有机化合物有响应，对某些物质如永久性气体，水，一氧化碳，二氧化碳，氮的氧化物，硫化物等不产生信号或者信号很弱。适用范围含碳有机化合物影响检测灵敏度的因素氢氮比；空气流量；极化电压。3电子捕获检测器(ECD)eNN22ABeABABNNAB22电子捕获机理适用范围卤素及亲电子物质饮用水中三卤甲烷色谱图水氯氯仿二氯溴甲烷二溴氯甲烷溴仿4火焰光度检测器(FPD)222SOCOO2RSS2OH4H4SO222*2C390SSS)nm394(hSSmax*2)nm526(hHPOHPOmax*响应机理适用范围含硫、磷化合物含磷化合物含硫化合物三九一一乙拌磷地亚农倍硫磷对硫磷丙硫磷乙硫磷乙丙硫磷谷硫磷壤虫磷丰索磷蝇毒磷马拉硫磷一0五九5质谱检测器毛细管柱接口离子源离子检测器加热器温度传感器6原子发射光谱检测器性能比较基本参数及公式三基本理论色谱图：若干物质的流出曲线，即在不同时间上的浓度或者响应的大小。保留时间retentiontime（tR）：样品注入到色谱峰顶出现的时间。保留体积retentionvolume（VR）：从注射样品到色谱峰值出现时，通过色谱系统的流动相的体积。一般可以用保留时间乘流动相线速度得到。死时间deadtime（tM）：不被保留的样品通过色谱柱的时间。调整保留时间adjustedretentiontime（tR’）：保留时间减去死时间等于调整保留时间。色谱峰底宽W：由色谱峰的两边拐点做切线，与基线交点的距离。半峰高宽度W½：色谱峰高一半处的峰宽。也称为色谱峰半高宽度。理论塔板数和有效塔板数•理论塔板数和有效塔板数的区别是用保留值和调整保留值的关系，由于死体积中的保留时间与分配平衡无关，因此有效塔板数描述的更加准确一些。2212'54.5'16WtWtNeffRRNeffLHeff221254.516WtWtNRR2221'''RMRRRtttttNeffN理论塔板数或者有效塔板数是衡量色谱柱分离能力高低的重要指标，买来一个色谱柱，一定先看它给出的柱效指标，就是指N的大小，只有N比较大，对难分离的物质才能够给出满意的结果。分离度R•峰底分离度：等于相邻组分色谱峰保留值之差与色谱峰平均峰底之比。12121212221ttRRttRRWWttWWttR分离度R等于1时两个色谱峰得到基本分离，R等于1.5时，两峰得到完全分离。在定量分析中，要对色谱峰进行积分时，最少要达到R为1，如果达到R1.5，保证积分中基本没有误差。色谱柱及使用条件的选择载气种类和流速的选择其它操作条件的选择分离条件的优化气相色谱固定相及其选择气相色谱固定相固体固定相液体固定相固定液载体对固定液的要求:•热稳定性好，在操作温度下，不发生聚合，分解或交链等现象，且有较低的蒸气压，以免固定液流失。•化学稳定性好，固定液与试样或载气不能发生不可逆的化学反应。•固定液的粘度和凝固点要低，以便在载体表面能均匀分布。•各组分必须在固定液中有一定的溶解度，否则试样会迅速通过柱子，难以使组分分离。固定液的分类•1按固定液的极性分类2按固定液的化学结构分类固定液的选择•非极性的试样一般选用非极性的固定液。•中等极性的试样应首选中等极性固定液。•强极性试样应选用强极性固定液。•具有酸性或碱性的极性试样，可选用带有酸性或碱性基团的高分子多孔微球。•能形成氢键的试样，应选择氢键型固定液，如腈醚和多元醇固定液等。•对于复杂组分性质不明的未知式样，一般首先在最常用的五种固定液上进行试验，观察未知物色谱图的分离情况，然后在12种常用固定液中，选择合适极性的固定液。相似相容载体载体是固定液的支持骨架，固定液可在其表面上形成一层薄而匀的液膜，以加大与流动相接触的表面积。特点:具有多孔性，即比表面积大。化学惰性，即不与试样组分发生化学反应。表面没有活性，但有较好的浸润性。热稳定性好。载体大致可分为两大类，即硅藻土类和非硅藻土类。固体吸附剂用气相色谱分析永久性气体时，常用固体吸附剂作固定相，因为气体在一般固定液里的溶解度甚小，目前还没有一种满意的固定液能用于它们的分离。合成固定相•高分子多孔微球既是载体又起固定液作用，可以在活化后直接分离，也可以作为载体在其表面上涂渍固定液后再用于分离。非极性的是由苯乙烯，二乙烯苯共聚而成的。极性的是在苯乙烯，二乙烯苯共聚物中引入了极性官能团。柱长和柱内径的选择增加柱长对提高分离度有利（分离度R正比于柱长L2），但组分的保留时间tR↑，且柱阻力↑，不便操作。柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。填充色谱柱的柱长通常为1~3米。可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长或实验确定。柱内径一般为3~4厘米。柱温的确定首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温↑，被测组分的挥发度↑，即被测组分在气相中的浓度↑，K↓，tR↓，低沸点组份峰易产生重叠。柱温↓，分离度↑，分析时间↑。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。程序升温50~250℃，8℃/min恒温150℃正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。载气种类和流速的选择1.载气种类的选择载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。2.载气流速的选择由图可见存在最佳流速（uopt）。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。CBuCuBuHuCuBAHopt20dd其它操作条件的选择1.进样方式和进样量的选择液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1μL，5μL，10μL等。进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。进样要求动作快、时间短。气体试样应采气体进样阀进样。2.气化温度的选择色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化；气化温度一般较柱温高10~50°C防止气化温度太高造成试样分解。四气相色谱分析方法及应用1定性分析（1）用已知纯物质对照定性保留值定性峰高增加法定性（2）用经验规律和文献值定性a经验规律碳数规律在一定温度下，同系物的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系)3(lg'