气相色谱分析

气相色谱法GasChromatography,GCSP-6000气相色谱仪（美国Varian公司）气相色谱的创建人ArcherJohnPorterMartinb.1910d.2002RichardLaurenceMillingtonSyngeb.1914d.19941944年马丁和辛格共同发明分配色谱法，共获1952年诺贝尔化学奖。1953年马丁和A.T.James发明气相色谱法。气体为流动相，待测样品被蒸发为气体，注入到色谱柱顶，以惰性气体(载气)将待测物样品蒸汽带入柱内分离。第一节概述一、气相色谱法GC按固定相分气-固色谱气-液色谱按分离原理分吸附色谱分配色谱按柱粗细分填充柱色谱毛细管柱色谱二、GC分类三、GC的特点及应用范围分离效能高，选择性好复杂混合物、有机同系物、异构体及手性异构体填充柱理论塔板数可达数千，毛细管柱可达一百多万检测灵敏度高（10-11~10-13g)，样品用量少操作简单，分析速度快适于分析沸点500以下，分子量400以下，热稳定性好的气、液、固态物质，约占全部有机物的20％四、气相色谱法的一般流程载气系统(Carriergassupply)进样系统（sampleinjectionsystem）色谱柱系统（columnsystem）温控系统（Temp.Contr.system）检测系统（detectionsystem）记录系统（datasystem）获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体净化装置。一、载气系统气体净化装置：去水、去氧、去总烃载气：要求化学惰性，不与有关物质反应载气——N2气、H2气等燃气——H2气助燃气——空气二、进样系统包括进样器、气化室等。手动进校常以微量注射器进样柱材料：金属、玻璃、融熔石英、Teflon等填充柱：多为U形或螺旋形，内填固定相；开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。通常弯成螺旋状。三、色谱柱系统色谱分析的心脏，包括色谱柱和柱温箱四、温控系统温度控制是否准确、升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。控温系统包括对气化室、柱箱和检测器控温控温方式：恒温和程序升温。五、检测系统包括检测器和放大器等，有浓度型检测和质量型检测六、记录控制系统色谱工作站在线显示自动采集处理储存自动控制第二节气相色谱固定相和流动相色谱柱系统——色谱仪器的心脏1）气固色谱固定相：固体吸附剂；2）气液色谱固定相：固定液+载体。1.吸附剂硅胶(强极性)氧化铝(弱极性)活性炭(非极性)分子筛(极性)一、气固色谱固定相——固体吸附剂利用固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体（H2、O2、CO等）及低分子量化合物。2.高分子多孔微球(GDX)：人工合成的多孔聚合物，孔径大小可人为控制。可在活化后直接用于分离。一、气固色谱固定相——固体吸附剂非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（国产）极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团GDX-3和4型（国产）吸附剂性质、分离对象吸附剂性质分离对象活性炭非极性永久气体、非极性烃硅胶氢键型永久气体、非极性烃氧化铝弱极性烃+有机异构物分子筛极性永久气体+惰性气体GDX不同极性水+气体氧化物+CH4+低级醇载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。二、气液色谱固定相固定液+载体1.载体(担体)：化学惰性的多孔性微粒二、气液色谱固定相——载体+固定液要求：比表面积大（多涂渍固定液）无吸附性（不吸附被测组分）化学惰性（不与固定液发生化学反应）热稳定性好,一定的机械强度载体类型类型制备应用硅藻土红色担体天然硅藻土900℃煅烧与非极性固定液配伍，用于非极性或弱极性物质分离硅藻土白色担体天然硅藻土+20%Na2CO3煅烧)与极性固定液配伍、用于极性物质分离非硅藻土有机聚合物：有机玻璃球特定组分分析酸洗：HCl浸泡除去金属氧化物用于分析酸类和酯类碱洗：NaOH-甲醇浸泡除去酸性作用点用于分析胺类等碱性化合物硅烷化：载体与硅烷化试剂反应除去硅醇基用于具有形成氢键能力的较强的化合物载体的处理钝化，减弱或消除载体表面的吸附活性操作柱温下固定液呈液态（易于形成均匀液膜）固定液热稳定性和化学稳定性好固定液蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低）固定液对样品应有较好溶解度及选择性2.固定液要求：二、气液色谱固定相——载体+固定液高沸点难挥发有机化合物，种类繁多。固定液类型——化学分类法固定液极性例子分离对象烃类非极性角鲨烷非极性物质硅氧烷类弱极性甲基硅氧烷苯基硅氧烷不同极性物质中极性氟基硅氧烷强极性氰基硅氧烷醇类强极性聚乙二醇强极性物质酯类中强极性邻苯二甲酸酯各类物质烃类、醇、酯、聚酯、胺、硅氧烷类等。固定液类型——极性分类法0、1级：非极性固定液2、3级：中等极性固定液4、5级：极性固定液相对极性分为五级，每20为一级规定β,β′-氧二丙腈的相对极性为100，角鲨烷为0其他固定液的相对极性与它们比较，在0~100之间相对极性（P）测定方法苯与环己烷为样品——对照柱β,β‘-氧二丙腈及角鲨烷柱——分别测定相对保留值的对数q1及q2——在待测固定液柱上测得qx——代入下式计算待测固定液的相对极性Px：1Xx121001qqPqq（）''lg环已烷苯RRttq固定液P级别固定液P级别角鲨烷0+1PEG-20M68+3SE-30,OV-113+1DEGA72+4已二酸二辛酯21+2PEG-60074+4DNP25+2双甘油89+5DOP，QF-128+2β,β‘-氧二丙腈100+5XE-6052+33.固定液的选择•原则：相似性原则即按被分离组分的极性或基团与固定液相似的原则来选择为了利用“相似性原则”原则选择固定液，必须了解样品种各组分按极性分类的情况。二、气液色谱固定相——载体+固定液第一组最强极性氢键型第二组强极性氢键接受原子及活泼H第三组中等极性氢键接受原子第四组弱极性活泼氢第五组非极性水脂肪酸类酮类二氯甲烷饱和CH物二醇,甘油酚类醛类氯仿CS2氨基酸类伯与肿胺类酯类氯乙烷硫醇羧酸类肟类叔胺类芳香烃硫化物类多酚类含αH硝基物、腈化物、氨、HF、肼、HCN不含αH硝基物、腈化物烯烃类不含在第四级的卤化碳化合物极性分组a．按极性相似原则选择：非极性组分——选非极性固定液，按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱。中等极性组分——选中等极性固定液基本按沸点顺序出柱。强极性组分——选极性固定液，按极性顺序出柱，极性强的后出柱。固定液的选择固定液与被测组分化学官能团相似，作用力强，选择性高酯类——选酯或聚酯固定液醇类——选醇类或聚乙二醇固定液b．按化学官能团相似选择：固定液的选择c.按组分性质的主要差别选择组分沸点差别为主——选非极性固定液按沸点顺序出柱，沸点低的先出柱组分极性差别为主——选极性固定液按极性强弱出柱，极性弱的先出柱固定液的选择例：苯（80.10C）环己烷（80.70C）选非极性柱——分不开选强极性柱——较好分离环己烷先出柱。三、气相色谱流动相——载气氢气分子量小，热导系数大，粘度小热导检测器、氢焰离子化检测器选用，提高载气线速时可用氮气扩散系数小、热导系数小、柱效高。第三节气相色谱检测器热导检测器(TCD);氢火焰离子化检测器(FID);电子捕获检测器(ECD);火焰光度检测器(FPD);氮磷检测器（NPD）;硫荧光检测器（SCD）浓度型检测器：TCD、ECD质量型检测器：FID、FPD气相色谱检测器的类型通用型检测器：TCD、FID选择型检测器：ECD、FPD一、热导检测器(TCD)特点：对任何气体均可产生响应，通用性好，线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。通常选择热导系数大的H2和He作载气利用被检测组分与载气的热导率的差别来检测组分的浓度变化。通用型浓度检测器利用含碳有机物在氢焰的作用下化学电离而形成离子流，借测定离子流强度进行检测。二、氢焰离子化检测器（FID）特点：灵敏度高、响应快、线性范围宽，目前最常用的检测器之一。通用型质量检测器载气——N2气燃气——H2气助燃气——空气63Ni或3HU利用含有强电负性元素的物质捕获电子的能力，通过测定电子流进行检测三、电子捕获检测器(ECD)特点：灵敏度高、选择性好。目前分析痕量强电负性化合物最有效的检测器。但对无电负性的物质如烷烃无响应。选择型浓度检测器利用含S、P的化合物在富氢火焰中燃烧时产生的发射光谱进行定量检测。四、火焰光度检测器(FPD)特点：高灵敏度、高选择性，对含磷、硫的有机化合物和气体硫化物特别敏感。选择型质量检测器常用气相色谱检测器的性能TCDFIDECDFPD类型浓度质量浓度质量适用范围各类气相物质含碳有机物含电负性物质含S、P有机物通用性选择性通用型通用型选择型选择型灵敏度S10mVcm/g10-2mVs/g800AmL/g400mVs/g检测限DL210-9g/mL10-12g/s10-14g/mL10-11(S)~10-12(P)最小检测浓度100ng/g1ng/g0.1ng/g10ng/g线性范围104107102~104102(S),102~103(P)kknRCuuBAH114;第五节气相色谱分离分析条件根据vanDeemter方程和色谱分离方程式选择分析条件)1)(1(4kknR柱效项柱选择项柱容量项理理HLn'1'21212RRttkkKKCuuBAH一、影响分离的因素k影响峰位n影响峰宽窄α影响两峰间距a．柱效项影响因素影响色谱峰宽窄，主要取决于色谱柱性能及载气流速HnLn1或HRLR1或采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项↓）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项↓）适宜的操作条件：流动相性质和流速，柱温等(B项↓))1)(1(4kknR增加柱长降低板高改善分离•选用分子量较大、线速度较小的载气——N2气•控制较低的柱温b．柱选择项影响因素影响峰的间距，主要受固定相性质及柱温影响R，1一倍R2.11.1)1)(1(4kknR选择合适的固定相使与不同组分的作用产生差别一般说，降低柱温可以增大柱的选择性改善分离增大柱选择性c．柱容量项影响因素影响峰位，主要受固定相用量、柱温和载气流速影响00RkRkkk，1变慢时，Rkk5)1)(1(4kknR控制k的最佳范围2~5GC中，增加固定液用量和降低柱温可以增加k如何根据具体情况改进分离度？α太小，两组分未分开应改变固定相极性，降低柱温k太小，n也太小，应增大固定液用量，降低柱温n太小，许多组分未分开应设法降低板高，提高柱效二、实验条件的选择：色谱柱的选择柱温的选择载气与流速的选择进样条件的选择分离条件操作条件1．色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）（1）固定相的选择按“相似性”原则：极性相似或官能团相似按组分性质主要差别选择采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项↓）分配色谱应控制（C项↓）固定液液膜厚度过小，柱容量小，峰拖尾过大，t延长、C增大，峰展宽1．色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）（2）柱长的选择柱越长，理论塔坂数越高，分离越好柱过长，分析时间、峰宽增加，总分离效能下降柱长L要根据R的要求(R=1.5)，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。例：两组分在1m长柱子上的分离度为0.75，问使用多长柱子可以使它们完全分离？解：LRnR2121LLRR215.175.0LmL42使用4m的柱子可以使它们完全分离2．柱温的选择保证R的前提下使用低柱温，但应保证适宜tR及峰不拖尾根据样品沸点情况选择合适柱温柱温降低升高传质阻力变小，纵向扩散增强分配系数变小，保留时间缩短，低沸点峰易重叠分配系数变大，分离度增加，分析时间长，峰宽增加过高则易造成峰拖尾，固定液流失2．柱温的选择恒温程序升温——宽沸程混合物（沸程100℃）柱温可低于沸点100~150℃选择低于平均沸点5