第3章 气相色谱分析

1第三章气相色谱分析第一节气相色谱仪的流程气相色谱仪是一种多组分样品的分离分析工具，它采用气体为流动相。其简化的工作流程见下图。载气由高压钢瓶或氮气发生器供给，经减压阀、流量表控制计量后，以稳定的压力、恒定的流速，连续流过气化室、色谱柱、检测器，最后放空。样品进样后在气化室高温气化，被栽气带入色谱柱进行分离，被分离后的样品组分再被栽气带入检测器进行检测，最后检测信号由工作站采集并记录。1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪。填充柱气路：毛细管柱气路：气化室检测器工作站载气进样（以FID为检测器时）AirH2分流补气气化室色谱柱检测器工作站载气进样（以FID为检测器时）AirH22毛细管柱气相色谱系统与填充柱气相色谱系统的气路显著不同，毛细管柱的载样量小，所需载气流速也小0.2~5ml/min，使用常规微量注射器进样时，柱子必然超负荷，得不到毛细管柱的高效分离能力。因此常用间接进样法，即分流进样法。分流进样法进入柱子的样品量只是进样量的极小部分，因此不会超载。此外，毛细管柱气路在柱后有补气（make-upgas，又称尾吹气），即从柱尾向检测器吹气，使柱中的组分一出来便被送到检测器，补气的目的是防止峰展宽。色谱柱是色谱仪的“心脏”，样品中各组分的分离是在色谱柱中完成的。气相色谱法中所采用的柱子分二类：一类为填充柱，另一类为毛细管柱。图3-1填充柱3色谱柱填充柱分析柱制备柱：内径6~500mm，长2~6m气—固（吸附）气—液（分配）内径2~6mm，柱长0.5~6m，填料60~80目，80~100目，100~120目毛细管柱：内径0.1~0.5mm，固定液膜厚0.1~1.5μm,长10~100m图3-2毛细管柱填充柱：内径2—6mm，柱长0.5—6m，柱内填充一定粒度的填料，填料的粒度一般有三种规格，即60—80目，80—100目、或100—120目。目为粒度单位，指一英吋长度上可排列的颗粒的数目。在填充柱色谱中，填料如用固体吸附剂则为气固填充柱色谱（GSC），如用涂了固定液的担体，则为气液填充柱色谱（GLC）。毛细管柱（又称Golay柱或空心柱），内径0.1—0.5mm，柱长10—100m，中空，内壁涂布或键合有固定液。4第二节填充柱一．固定液固定液是GLC的固定相，一般是高沸点有机物，有许多商品化的固定液可供用户选择，以适应不同样品的分析要求，柱中固定液的用量也可以根据不同的情况进行选择，因此，固定液具有广泛的适用性。（一）对固定液的要求：1．热稳定性好，化学稳定性好，在柱温下不热解，不应与样品组分、担体、柱材料及载气发生不可逆反应。2．蒸气压低，在操作温度下一般应低于0.1mmHg，否则固定液易流失，影响柱使用寿命、保留时间及检测器。3．对样品组分有一定的溶解度，否则样品组分不被保留而得不到分离。4．对样品组分具有选择性，不同的组分有不同的分配系数，以利分离。5．对担体有湿润性，以利于在担体表面形成均匀液膜，以增加柱效。（二）固定液的使用温度固定液有最高使用温度及最低使用温度。最高——由固定液的热稳定性及蒸气压决定。最低——由固定液的熔点或软化点及粘度决定。（三）样品组分与固定液之间的分子作用力组分分配系数的大小是GC中的关键问题，这取决于样品组分与固定液之间的相互作用力。有关GC分离的相互作用力有四种：1．定向力由极性分子的永久偶极间的静电作用形成的。如极性组分与强极性固定液PEG-20M等的作用力。2．诱导力在极性分子的永久偶极的电场作用下，邻近的可极化的非极性分子可产生诱导偶极，因而两分子间产生相互作用力，这种作用力通常较小。3．色散力5非极性分子由于原子核和电子的运动，产生瞬间偶极，因而产生相互作用，这种力普遍存在，但非极性分子间的作用力仅此一种。此作用力更弱。4．特殊作用力主要来源于组分与固定液形成络合物。例如含有Ag+的固定液与烯烃可形成络合物。（四）固定液及其选择选择固定液一般以“相似相容”为原则，即组分的结构、性质与固定液相似时，在固定相中的溶解度大，因而保留时间长；反之，溶解度小，保留时间短。如烃类化合物最好用烃类固定液（角鲨烷、阿皮松L）。而极性化合物用极性固定液，如醇类可选用聚乙二醇为固定液。为此，固定液常以相对极性分类。1．RohrsChneider常数（罗氏常数）PRohrsChneider（罗氏）提出了一种固定相极性的分类法：以角鲨烷的极性为零，β，β＇—氧二丙腈的极性为100，其它固定液的极性按下式计算：式中，q为丁二烯和正丁烷在固定液上的相对保留值之比的对数，即：q1、q2、qx分别为待测物在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液上的q值。按这一方法测出的相对极性，从0至100分为五级，每20为一级，用“＋”表示。固定液的相对极性P=100－100×q1－qxq1－q2q=log×tR'丁二烯tR'正丁烷固定液相对极性分级表级别+++++++++++++++相对极性P0~2020~4040~6060~8080~1006按上述方法不能反映出样品组分与固定液之间的全部相互作用力，只是反映了色散力和诱导力。2．McReynolds常数（麦氏常数）McReynolds改进了罗氏的方法，采用下列十种化合物作为检测物：1．苯2.丁醇3.戊酮[2]4.硝基丙烷5.吡啶6.2－甲基－戊醇7.1－碘丁烷8.辛炔[2]9.1，4－二氧六环10.顺－四氢化茚麦氏常数△I的计算公式如下：△I=Ip—Ia式中，Ip为某组分在待测固定液上的保留指数，Ia为同一组分在角鲨烷上的保留指数，一种固定液在规定的十种组分上测得的各个△I值，体现了组分与固定液间的色散力、诱导力、定向力与氢键力。因而比较全面地反映了该固定液的分离特性。由△I值可得出如下结论：当固定液品种不同，但△I值均几乎相同时，它们的分离特性也几乎相同，如SE-30，OV-1，OV-101，DC-410，SE-96。当固定液之间的△I值接近时，它们的分离特性也接近，如DC710与OV-17。当固定液间的△I值差别大时，它们的分离特性也有很大差别。3．固定液的种类（1）按极性分类非极性固定液如：角鲨烷0弱极性固定液如：SE-30，OV-1，OV-17+或++中极性固定液如：QF-1，OV-225+++强极性固定液如：聚乙二醇类，聚酯类++++或+++++（2）按使用温度分类低温固定液50℃以下如：β，β＇—氧二丙腈中温固定液50~200℃如：角鲨烷（125℃）PEG6000（200℃）高温固定液200~300℃如：PEG-20M（250℃）7（3）按化学结构分类烃类如阿皮松L（混合烃），角鲨烷甲基硅酮类如SE-30，OV-17等聚乙二醇类如Carbowax20M（即PEG-20M）等聚酯类如DEGA，DEGS等在实际工作中选择固定液时，除了应用“极性”这一概念外，还应仔细分析各组分的化学结构，充分利用组分与固定液分子间的各种相互作用力。以下对药物分析中常用的几种固定液简介如下：甲基硅酮（又称甲基聚硅氧烷）：各种硅酮类是目前最广泛使用的固定液，其可使用的温度范围大，对一般的有机化合物有较好的溶解能力。这类固定液在高温下，强酸、强碱和氧气能使硅氧键断裂，所以最好使用中性担体并除去载气中的微量氧气。①甲基硅酮：CH3SiCH3CH3OSiCH3CH3OnSiCH3CH3CH3SE-30最高使用温度300℃极性+溶剂：氯仿OV-1最高使用温度350℃极性+溶剂：氯仿甲基硅酮SE-30，OV-1是最常用的固定液，极性很弱，与组分的相互作用力主要是色散力，对含氧化合物有一定的选择性。对于烃类等非极性化合物基本上按沸点顺序分离。②苯基甲基硅酮：CH3SiCH3CH3OSiCH3OnSiCH3CH3CH3OV-17最高使用温度300℃极性++溶剂：氯仿由于硅原子上引入苯基，与甲基硅酮相比较，芳香化合物的溶解度升高，极性组分的保留8值增大。按苯基含量的不同，有低苯基（含苯基25%），中苯基（含苯基50%）及高苯基硅酮之分。OV-17属中苯基硅酮。此类固定液适合于分离甾体化合物、生物碱、醇类、糖类等化合物。③氰烷基硅酮：CH3SiCH3CH3OSiC2H4CNCH3OnSiCH3CH3CH3CH3SiCH3CH3OSiC3H6CNCH3OnSiCH3CH3CH3这类固定液含有电负性的氰基，对极性组分有较强的定向力，对易极化组分可使之产生诱导偶极。氰基中氮原子未用电子对，能与醇类、酸类等形成氢键。是极性较强、选择性高、热稳定性好的少数固定液之一。适用于分离糖类、醇类、酚类、甾体化合物、脂肪酸等。④氟烷基硅酮：CH3SiCH3CH3OSiCH3CH3CH3SiC2H4CF3CH3OnQF-1含三氟丙基，对硝基化合物和酮类有显著的选择性保留。而对芳烃和醇类则否。对于酮-芳烃，酮-醇能很好地分离。⑤聚乙二醇：XE-60+++275℃丙酮OOV-225+++275℃氯仿QF-1+++200℃丙酮9HOCH2CH2OnHPEG20M++++250℃氯仿PEG6000++++200℃氯仿PEG400++++125℃氯仿这类固定液含有醚基及羟基，是氢键型固定液。在氢键的形成中，既是氢键的质子接受体又是质子给予体。它们能与羟基化合物、碱性含氮化合物、酮类等形成氢键。组分在这类固定液上的保留主要取决于氢键力的大小。适合于分离醇类、醛类、脂肪酸类、酚类、生物碱、酯类等化合物。⑥聚酯：CH2CH2CH2OCH2CH2OCOCH2CH2CH2CH2COOnDEGA++++200℃氯仿CH2CH2OCH2CH2OCOCH2CH2COOnDEGS++++200℃丙酮DEGA、DEGS等为线性脂肪族聚酯，酯基中的氧原子有未用电子对，有亲核性，能与带部分正电荷的氢形成氢键。另外，由于诱导效应（酯基的），存在着α活泼氢原子，所以有亲电性，对烯烃、芳烃、杂环化合物有较大的作用力。适用于分离醇类、酚类、脂肪酸类、酯类、胺类等化合物。4．固定液的选择10固定液的选择在很大程度上是经验过程。最好参考已发表的分离相同或相似结构化合物的文献。选择固定液时一般可遵循的原则是：（1）“相似相容”分离极性大的组分，则选用极性大的固定液。分离非极性的组分，则可选用非极性或弱极性固定液。无论采用非极性或极性固定液，一般沸点小的先出峰（对同系物而言）。（2）若样品中的待测成分一个是极性组分，另一个是非极性组分，则采用极性固定液比非极性固定液有利。（3）若样品中的待测组分容易形成氢键，则采用氢键型固定液（如PEG-20M）较为有利。（4）混合固定液对于复杂混合物样品，如无适当的单一固定液时，则可考虑选择混合固定液。实践证明，混合固定液的保留值具有加和性。因此，在同一条件下分别测出被分离组分在单一固定液柱上的调整保留时间（tR＇）后，可用图解法求出混合固定液的最佳配比。其具体操作如下：设有1，2，3三个样品组分，在固定液A上1，2分不开，在固定液B上1，3分不开。以混合固定液的配比为横坐标，以tR＇为纵坐标，将相同组分的tR＇以直线相连。从上图可以看出在70%A+30%B，以及25%A+75%B时均能使1，2，3三个组分得到最佳分离，他们三者的出峰顺序分别为1→3→2和1→2→3。组分在A，B两种混合固定液上的保留值具有如下关系：若组分在纯A固定液柱上的保留值为tR＇A，固定液重WA；若组分在纯B固定液柱上的保留值为tR＇B，固定液重WB；tR＇A31，20255075100BA10075502501，323075321231BtR＇11在混合柱（含A的重量为WA＇，B的重量为WB＇）上为tR＇X则：（混合固定液的保留值具有加和性）制备混合固定液柱的方式：二．担体担体的作用是支持固定液，使成均匀薄膜，以利气液平衡。（一）要求颗粒均匀，比表面积大，机械强度好，热稳定性好，化学惰性等。（二）常用担体药物分析中常用担体为硅藻土担体。1．分类红色担体：天然硅藻土烧结而成，含氧化铁而成红色，结构紧密，机械强度好，表面有氢