气相色谱法

1第十九章气相色谱法gaschromatography，GC分析化学教研室李发美教授2发展英国Martin等人于1941年首次提出了用气体作流动相；1952年第一次用气相色谱法分离测定复杂混合物；1955年第一台商品气相色谱仪；近年电子计算机技术。3第一节气相色谱法的分类和一般流程一、分类按固定相的聚集状态:GSC、GLC按分离原理：GSC属于吸附色谱，GLC属于分配色谱。按色谱操作形式：柱色谱（分填充柱色谱毛细管柱色谱）4二、特点：–高效能：neff可达103—106–高选择性：特别复杂试样–高灵敏度：可以检测1011~1013g物质–分析速度快、操作简单：色谱操作及数据处理自动化–应用广泛：气体和易挥发或可衍生化为气体–弱点：受试样蒸气压限制和定性困难。5三、气相色谱法的一般流程67载气系统（carriergassystem）色谱柱系统（columnsystem）检测系统（detectionsystem）记录系统（datasystem）进样系统（sampleinjectionsystem）8第二节气相色谱固定相和流动相一、气液色谱固定相对固定液的要求在操作温度下蒸气压要低；稳定性好；对被分离组分的选择性要高；对试样中各组分有足够的溶解能力。9固定液的分类化学分类：依据结构分类烃类：烷烃与芳烃，角鲨烷（异卅烷、C30H62)，标准非极性固定液。硅氧烷类：甲基、苯基、氰基、氟硅氧烷等，最通用聚醇：如聚乙二醇PEG20M，氢键型聚酯：丁二酸二乙二醇聚酯(PDEGS或DEGS)10极性分类用相对极性P来表示）（21X1x1100qqqqPq1(lgr1):苯与环己烷在β,β'-氧二丙腈柱上的相对保留值的对数。q2(lgr2):角鲨烷柱上的相对保留值的对数。qx(lgrx):在待测柱上的相对保留值的对数。11相对极性Px分类：β,β'-氧二丙腈：P=100角鲨烷：P=0其余：Px=0---100分为5级0—200或1非和弱极性角鲨烷、甲基硅橡胶21—402中等极性DNP、OV-1741—603中等极性氰基硅橡胶61—804极性聚乙二醇81—1005极性β,β'-氧二丙腈12麦氏常数分类法:以物质m在待测固定液和非极性固定液(通常是沙鱼烷)中的保留指数之差值作为该固定液相对极性强弱的度量13保留指数(I)：]lglglglgn+100[Z='R(z)'n)R(z'R(z)'R(x)xttttI用保留时间紧邻待测组分的两个正构烷烃来标定组分的相对保留值，又称Kovats指数Ix为待测组分的保留指数，z与z+n为正构烷烃对的碳原子数。规定正己烷、正庚烷及正辛烷为600、700及80014例在ApiezonL柱上，柱温100℃，用正庚烷及正辛烷为参考物质对，测得t0=30.0，正庚烷的tR=204.0，乙酸正丁酯的tR=340.0及正辛烷的tR=403.4。说明乙酸正丁酯在ApiezonL柱上的保留行为相当于7.756个碳原子的正构烷烃的保留行为。0.174lg4.373lg0.174lg0.310lg17Ix=100（）=775.615麦氏常数苯、丁醇、戊酮-2、硝基丙烷、吡啶五种物质在被测固定液与角鲨烷柱上保留指数的差值,分别以x’，y’，z’，u’，s’表示.苯:ΔI=I被测－I角鲨烷=x'代表不同类型的作用力，这五个ΔI以及它们的平均值，可以作为固定液极性的标度。其值越大，极性越强。16固定液的选择——相似性原则被分离物质固定液主要作用力出峰顺序非极性非极性色散力按沸点顺序，沸点低者先出柱。相同沸点的极性组分先出。中等极性中等极性诱导力和色散力按沸点顺序。相同沸点的极性组分后出柱。极性极性静电力按极性顺序出柱。非极性组分先出柱。能形成氢键的试样氢键型氢键力按形成氢键的能力大小出柱。17固定液的选择——主要差别组分极性差别较大：选用极性固定液。沸点差别较大：选用非极性固定液。例：苯与环己烷(苯80.1℃，环己烷80.7℃)。苯为弱极性，环己烷为非极性，极性差别是主要矛盾。非极性固定液很难分开。中等极性的固定液，如用邻苯二甲酸二壬酯，则苯的保留时间是环己烷的1.5倍。18固定液的选择——麦氏常数根据作用力例正丁基乙基醚中杂质正丙醇的检查。希望正丙醇先出。醚是质子受体，醇是质子给体，z’值越大，固定液对质子受体（戊酮-2）的作用力越强，y’值越小，固定液对质子给体（丁醇）作用力越弱。应选择z’值大于y’值，即具有高z’/y’值的固定液。19载体（担体）要求：表面积大，孔径分布均匀；表面吸附性很弱；热稳定性、化学稳定性好；粒度均匀，有一定的机械强度。硅藻土型载体红色载体常与非极性固定液配伍白色载体常与极性固定液配伍20除去载体表面的铁等金属氧化物。用于分析酸性化合物。将载体与硅烷化试剂反应，除去载体表面的硅醇基。分析形成氢键能力较强的化合物。酸洗法碱洗法硅烷化法除去载体表面的Al2O3等酸性作用点。用于分析胺类等碱性化合物。载体的钝化21二、气固色谱固定相吸附剂、分子筛、高分子多孔微球及化学键合相等高分子多孔微球（GDX）--具有吸附、分配及分子筛三种作用–耐高温，最高使用温度为200℃~300℃；–峰形好，一般不拖尾；–无柱流失现象，柱寿命长；–一般按分子量顺序分离的特点22三、流动相（载气）氢气氮气分子量小，热导系数大，粘度小。常用于热导检测器。要求：纯度在99.99%以上、净化选择：主要取决于检测器、色谱柱及分析要求。扩散系数小，柱效比较高。除热导检测器以外的其它几种检测器中，多采用氮气作载气。23第三节检测器将流动相中组分的浓度或量信号转变成电信号。CSdvdmSdtdmS浓度型检测器：测量载气中组分浓度的变化热导检测器、电子捕获检测器等。质量型检测器：测量组分进入检测器的质量流速变化。火焰离子化检测器、火焰光度检测器等。或24一、检测器的性能指标灵敏度（sensitivity）–浓度型检测器Sc：为1ml载气携带1mg的某组分通过检测器时，产生的电压，V∙ml/mg；–质量型检测器Sm：每秒有1g的某组分被载气携带通过检测器，产生的电压或电流值，mV∙s/g或A∙s/g。25噪音（noise；N）和漂移（drift；d）26检测器的性能指标检测限（detectability；D）–某组分的峰高恰为噪音的两倍（2N）时，单位时间内载气引入检测器中该组分的质量（g/s），或单位体积载气中所含该组分的量（mg/ml）。D=2N/S–检测限越小，检测器的性能越好。27常用检测器–热导检测器（thermalconductivitydetector；TCD）–氢焰离子化检测器（hydrogenflameionizationdetector；FID）–电子捕获检测器（electroncapturedetector；ECD）–火焰光度检测器(flamephotometricdetector；FPD)–热离子化检测器(thermionicionizationdetector；TID)28二、热导检测器（thermalconductivitydetector；TCD）测定原理：利用组分与载气的热导率之差构造：2930热导检测器有组分进入测量臂cgs21TT21RR0ABV0GI若则IG取决C31热导检测器热导率：(x102)H222.36He17.42N23.14甲烷4.56乙醇2.2232热导检测器注意–常用氢气作载气，–不能载气勿加桥电流；–尽量采用低电流；–浓度型检测器，峰面积定量时，需保持流速恒定。33热导检测器优点:–结构简单、适用范围广（无机物，有机物），不破坏样品。缺点:–灵敏度低，噪音大。34三、氢焰离子化检测器（hydrogenflameionizationdetector；FID）测定原理–测定有机物在氢火焰的作用下，化学电离形成的离子流的强度。3536氢焰离子化检测器在高温火焰作用下，有机物组分电离成正负离子，在收集极（正极）和极化极（负极）外电场作用下定向运动而形成离子流（电流）。放大后被检测。离子流强度决定于：–电离的程度---被测组分的性质，–进入离子室的被测组分的量37氢焰离子化检测器注意–气体及流量：燃气用氢气，空气作为助燃气，载气用氮气。流量关系一般为，N2::H2:Air为1:1~1.5:10。–质量型检测器：用峰高定量时，需保持载气流速恒定。38氢焰离子化检测器优点：灵敏度高，噪音小，死体积小等缺点：破坏样品，一般只能测定含碳化合物。39四、电子捕获检测器结构测定原理–N2→+e–AB+e→AB+E2N4041第四节分离条件的选择一、气相色谱速率理论H=A+B/u+Cu42气相色谱速率理论涡流扩散项（eddydiffusion）AA=2λdp–粒度较细，颗粒均匀，一般为60~80目或80~100目的填料。–填充均匀。–空心毛细管柱无多径项，A=0。43气相色谱速率理论分子扩散项（moleculardiffusion）B/uB=2γDg1、γ–填充柱γ1，硅藻土为0.5—0.7–空心毛细管柱γ＝144气相色谱速率理论2、Dg与组分的性质有关。与载气的分子量（M）的平方根成反比，随柱温（T）升高而增大，随柱压（P）增大而减小。–因此采用载气线速度较低时用氮气，较高时宜用氦气或氢气。较低的柱温。–3、u用较高的载气流速。45气相色谱速率理论传质阻抗项（masstransferresistance）Cu=(Cg+Cl)u填充柱：Cg很小，忽略不计，故CCll2f2l)1(32DdkkC46气相色谱速率理论df，固定相的液膜厚度要薄D1，组分在液相中的扩散系数要大U：l2f2l)1(32DdkkC47气相色谱中影响柱效的因素：–柱填充的均匀程度–载体的粒度，表面无深孔–固定液的液膜厚度（气液）–载气的流速和种类–柱温气相色谱速率理论48二、实验条件的选择分离方程式：22114kknRa为柱效项：柱性能b为柱选择性项：α=K2/K1=k2/k1，固定液c为柱容量因子项：柱温、固定液量、Kabc49实验条件的选择n、α、k对分离度的影响5051（一）提高α和适当k固定液的选择：–分配系数比α（选择性）及容量因子：固定液种类。原则？极性、最高使用温度。–容量因子k：固定液的用量、分配系数、柱温，k要适当。52（二）提高n载气流速和种类的选择流速0~u最佳：选用分子量较大的载气，如N2、Aruu最佳：选用分子量较小的气体，如H2、He线速度：稍高于最佳流速。53提高n柱温的选择：TC：K，不利Dg，不利Dl，Cl有利54提高n柱温的选择：–选择原则：不超过固定液最高使用温度；在良好分离，分析时间适宜，不拖尾的前提下，尽可能采用低柱温。–高沸点混合物：低于沸点100℃~150℃，低固定液配比（1%~3%）–沸点300℃的试样：比平均沸点低50℃至平均沸点55宽沸程试样：程序升温，改善分离效果，缩短分析时间，提高灵敏度。56提高n柱长和内径的选择：–在达到一定分离度的条件下，应使用尽可能短的柱。2121221)(LLnnRR57其他条件的选择：–气化室温度：等于或稍高于试样的沸点，不超过沸点50℃以上，高于柱温30℃~50℃。–检测室温度：高于至少等于柱温。–进样时间和进样量：进样速度快，在1s以内。试样不超载。58第六节定性与定量分析一、定性分析方法已知物对照法–保留值、加样、双柱定性利用相对保留值定性利用保留指数定性官能团分类测定法两谱联用定性59二、定量分析方法定量分析的依据：在恒定的实验条件下，峰面积（或峰高）与组分的（含）量成正比。但，同一检测器对不同物质具有不同的响应灵敏度。60二、定量分析方法（一）定量校正因子绝对（重量）校正因子单位峰面积（或峰高）所代表的物质的质量。其值随实验条件而变化。ii'iAmf61相对（重量）校正因子：fi物质i和标准物