《气相色谱》PPT课件.ppt

第十九章第十九章 气相色谱法气相色谱法 gas chromatography GC12341.定义：以气体为流动相的色谱法。2.气相色谱法的分类：固定相的物态：气气-固色谱法固色谱法 气气-液色谱法液色谱法第一节第一节 气相色谱法的分类和一般流程气相色谱法的分类和一般流程5 柱的粗细和填充情况：填冲柱色谱法 毛细管柱色谱法 分离机制：吸附色谱法 分配色谱法61-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；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统 3.气相色谱法的一般流程：7动画动画8(1)(1)载气系统载气系统 包括气源、净化干燥管和载气流速控制；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。9(2)进样系统 进样装置：进样装置：进样器+气化室；液体进样器：液体进样器：不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。气化室气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。10(3)色谱柱系统（分离柱）色谱柱：色谱柱：色谱仪的核心部件。柱材质：柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。长度可根据 需要确定。柱填料：柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。液液-固色谱：固体吸附剂固色谱：固体吸附剂 液液-液色谱：担体液色谱：担体+固定液固定液 柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将 柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。有关固定液性质及其选择见下一节。11(4)检测系统 色谱仪的眼睛，通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；检测器：检测器：广普型广普型对所有物质均有响应；对所有物质均有响应；专属型专属型对特定物质有高灵敏响应；对特定物质有高灵敏响应；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检器；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检器；12(5)温度控制系统 温度是色谱分离条件的重要选择参数；温度是色谱分离条件的重要选择参数；气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；气化室：保证液体试样瞬间气化；气化室：保证液体试样瞬间气化；检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；分离室：准确控制分分离室：准确控制分离需要的温度。当试样离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温变化，各组分在最佳温度下分离；度下分离；13 第二节第二节 气相色谱固定相和流动相气相色谱固定相和流动相 一、气液色谱固定相一、气液色谱固定相 由固定液固定液和载体组成载体组成。（一）固定液（一）固定液 高沸点难挥发的有机化合物，在操作温度下为液态，在室温时为固态或液态。1.对对固定液的固定液的要求要求 应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。14 2.固定液的分类 化学分类法：化学分类法：按化学结构分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。极性分类法极性分类法：（相对极性）相对极性）规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为0，,-氧二丙睛的相对极性为100。其它固定液的相对极性与它们比较，在0100之间。15 3.固定液的选择 “相似相溶相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。，选择与试样性质相近的固定相。164.4.固定液的最高最低使用温度固定液的最高最低使用温度 高于最高使用温度易分解，温度低呈固体。5.混合固定相混合固定相 对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上配合使用。17(二)载体（担体）solid support 1.对载体的要求：比表面积大，孔径分布均匀；比表面积大，孔径分布均匀；化化学学惰惰性性，表表面面无无吸吸附附性性或或吸吸附附性性很很弱弱，与与被被分分离离组组份份不不起反应；起反应；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；颗粒大小均匀、适度。一般常用颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、目、80100目。目。18 2.硅藻土型载体红色载体红色载体：孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。常与非极性固定液配伍。缺点是表面存有活性吸附中心点。常与非极性固定液配伍。缺点是表面存有活性吸附中心点。白色载体白色载体：煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。颗颗 粒疏粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，常与极性固定液配伍。显著减小，常与极性固定液配伍。19 3.载体的钝化 除去或减弱载体表面的吸附性能。钝化的方法：钝化的方法：酸洗：酸洗：6mol/L HCl。除去铁、铝等金属氧化物。碱洗：碱洗：5%KOH-甲醇液。除去Al2O3等酸性作用点。硅烷化：硅烷化：与硅烷化试剂反应，除去表面的硅醇基。20二、气-固色谱固定相 种类种类 (1)活性炭活性炭 有较大的比表面积，吸附性较强。(2)活性氧化铝活性氧化铝 有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。(3)硅胶硅胶 与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。21 (4)分子筛分子筛 碱及碱土金属的硅硅铝铝酸酸盐盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。(5)高分子多孔微球（高分子多孔微球（GDX系列）系列）新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水水、气体及低低级级醇醇的分析。22三、流动相（载气）氮气和氢气选择载气应与检测器匹配 TCD选H2，He FID选N223 第三节第三节 检检 测测 器器检测器（detector）：将流出色谱柱的载气中被分离组分的浓度的变化转换为电信号变化的装置。24检测器类型检测器类型浓度型检测器：浓度型检测器：测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测信号值与组分的浓度成正比。热导检测器、电子俘获检测器；质量型检测器：质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。FID；广普型检测器：广普型检测器：对所有物质有响应，热导检测器；专属型检测器：专属型检测器：对特定物质有高灵敏响应，电子俘获检测器；25一一.检测器的性能指标检测器的性能指标灵敏度（或响应值）灵敏度（或响应值）S：在一定范围内，信号E与进入检测器的物质质量m呈线性关系：E=S m S=E/m 单位：mV/（mg/cm3）；（浓度型检测器）mV/（mg/s）；（质量型检测器）S 表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。S值值越越大大，检检测测器器（也也即即色色谱谱仪仪）的的灵灵敏敏度度也也就就越越高高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（A）除以试样质量求得：S=A/m26最低检测限（最小检测量）最低检测限（最小检测量）噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。从从图图中中可可以以看看出出：如如果果要要把把信信号号从从本本底底噪噪声声中中识识别别出出来来，则组分的响应值就一定要高于则组分的响应值就一定要高于N。检检测测器器响响应应值值为为2倍倍噪噪声声水水平平时时的的试试样样浓浓度度（或或质质量量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。27二、热导检测器二、热导检测器 thermal conductivity detector,TCD 检测原理检测原理 利用被测组分与载气的热导率的差别来检测组分的浓度变化。28检测的条件：欲测物质具有与载气不同的热导率 样品 载气 敏感元件（钨丝或半导体热敏电阻）的阻值与温度之间存在着一定的关系。利用惠斯登电桥测量。29 载气的种类 检测灵敏度决定于。N2：N2小，灵敏度低。H2:H2 N2，灵敏度高，但不安全。He：价格贵。30三、氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器 flame ionization detector,FID检测原理：检测原理：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。31 氢焰检测器的结构氢焰检测器的结构 (1)在发射极和收集极之间在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。）构成一个外加电场。(2)氢焰检测器需要用到三氢焰检测器需要用到三种气体：种气体：N2：载气携带试样组分；H2：为燃气；空气：助燃气。使用时需要调整三者的比使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最例关系，检测器灵敏度达到最佳。佳。32 影响氢焰检测器灵敏度的因素影响氢焰检测器灵敏度的因素 各种气体流速和配比的选择各种气体流速和配比的选择 N2流速的选择主要考虑分离效能，N2 H2=1 11 氢气 空气=1 10。极化电压极化电压 正常极化电压选择在100300V范围内。33四、电子捕获检测器四、电子捕获检测器 electron capture detector,ECD检测原理：检测原理：电负性物质捕获电子的能力，通过测定电子流进行检测。34检测的条件：检测器内有能放射射线的放射源；载气分子能被射线电离，在电极之间形成一定的基流，常用N2或Ar作载气；样品分子中有能捕获自由电子的官能团。3536五、其他检测器五、其他检测器 other detector1.火焰光度检测器火焰光度检测器(flame photometric detector,FPD)flame photometric detector,FPD)化合物中硫硫、磷磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400、550 nm 左右的光谱，可被检测；该检测器是对含硫、磷化合物的高选择性检测器；2.热离子检测器热离子检测器(thermionic detector,TID)thermionic detector,TID)氮、磷氮、磷检测器；对氮、磷有高灵敏度；在FID检测器的喷嘴与收集极之间加一个含硅酸铷的玻璃球，含氮、磷化合物在受热分解时，受硅酸铷作用产生大量电子，信号强；37特点：结构简单，容易维护。试样传输率达100%。载气仅限于氦气和氢气 载气流速应控制在3.3.质谱检测器质谱检测器(GC-MS(GC-MS联用仪器联用仪器)（1）毛细管柱直接导入型接口：38特点：结构简单，操作方便 载气流速无限制 试样传输率低 不适于填充色谱柱（2）开口分流型接口：39（3）喷射式浓缩型接口：特点：体积小，试样在分离器内停留时间短 具有分离载气、浓缩样品的功能 适于填充色谱柱 载气流速无限制40第四节第四节 分离条件的选择分离条件的选择 固定相、柱温、载气一.气相色谱速率理论二.H=A+B/u+Cu41 R与柱效、分配系数比()、容量因子的关系：二、实验条件的选择=K2/K1=k2/k142 影响R的因素：n：峰的宽度：峰间距 k：峰位 43 色谱柱的性质色谱柱的性质 固定相粒度及厚度、柱填充均匀程度、柱长 载气流速n44固定相性质固定相性质 流动相性质 柱温45 柱温柱温 载气流速固定相用量k46 1.色谱柱的选择：固定相和柱长 固定液：极性、最高使用温度 固定相 固定液配比（涂渍量）配配比比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比，配比通常在5%25%之间。配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。47柱长和柱内径的选择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13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34厘米。(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2482.2.柱温的确定柱温的确定 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，分离度，分析时间。在分离度符合要球的前提下，尽可能采用低柱温，但以保留时间适宜及不拖尾为度。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。49 程序升温：程序升温：柱温随着操作时间有规律地升温。柱温随着操作时间有规律地升温。503.3.载气种类和流速的选择载气种类和流速的选择(1)(1)载气种类的选择载气种类的选择 选择载气应与检测器匹配 TCD选H2 FID选N251(2)(2)载气流速的选择载气流速的选择 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。52 4.4.其它操作条件的选择其它操作条件的选择(1)(1)进样方式和进样量的选择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，规格有液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L等。等。进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测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。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。气体试样应采气体进样阀进样。53(2)(2)气化温度的选择气化温度的选择 色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，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；在此瞬间气化；气化温度一般较柱温高气化温度一般较柱温高3070C 防止气化温度太高造成试样分解。防止气化温度太高造成试样分解。54(3)(3)检测室温度检测室温度：为了使色谱柱的流出物不在检测器中冷凝，污染检测器，因此，检测室温度需高于柱温。55 第五节第五节 毛细管气相色谱法毛细管气相色谱法 一、毛细管色谱的特点一、毛细管色谱的特点 柱效高。柱效高。A=0,H=B/u+Cu 传质阻抗小。柱长：2550m56 柱渗透性好。可增加柱长 可用高载气流速（快速分析）。GC-MS联用。柱容量小。进样器需分流装置。定量重复性差。57毛细管色谱具有以下优点毛细管色谱具有以下优点（1）分离效率高：比填充柱高）分离效率高：比填充柱高10100倍；倍；（2）分析速度快：用毛细管色谱分析比用填充柱色谱速度）分析速度快：用毛细管色谱分析比用填充柱色谱速度（3）色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温方式；）色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温方式；（4）灵敏度高，一般采用氢焰检测器。）灵敏度高，一般采用氢焰检测器。（5）涡流扩散为零。）涡流扩散为零。58 毛细管色谱的制备方法毛细管色谱的制备方法毛细管柱按其制备方法可分为以下几种：毛细管柱按其制备方法可分为以下几种：涂壁开管柱涂壁开管柱（wall coated opentubular，WCOT柱柱）：）：将固定液直接涂敷在管内壁上。柱制作相对简单，但柱制备的重现性差、寿命短。多孔层开管柱（多孔层开管柱（porous layer open tubular，PLOT柱）：柱）：在管壁上涂敷一层多孔性吸附剂固体微粒。构成毛细管气固色谱。载体涂渍开管柱载体涂渍开管柱（support coated open tubular，SCOT柱）：柱）：将非常细的担体微粒粘接在管壁上，再涂固定液。柱效较WCOT柱高。化学键合或交联柱：化学键合或交联柱：将固定液通过化学反应键合在管壁上或交联在一起。使柱效和柱寿命进一步提高。59二、二、结构流程结构流程具有分流和尾吹装置具有分流和尾吹装置动画60三、三、分流比调节分流比调节 毛细管柱内径很细，因而带来毛细管柱内径很细，因而带来三个问题三个问题：（1）允许通过的载气流量很小。）允许通过的载气流量很小。（2）柱容量很小，允许的进样量小。需采用分流技术，）柱容量很小，允许的进样量小。需采用分流技术，（3）分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。解决方）分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。解决方法：灵敏度高的氢焰检测器，采用尾吹技术。法：灵敏度高的氢焰检测器，采用尾吹技术。分流比：分流比：放空的试样量与进入毛细管柱的试样量之比。一般在50：1到500：1之间调节。61 第六节第六节 定性与定量分析定性与定量分析 一.定性分析方法1.1.利用纯物质定性的方法利用纯物质定性的方法 利利用用保保留留值值定定性性：通通过过对对比比试试样样中中具具有有与与纯纯物物质质相相同同保保留留值值的的色色谱谱峰峰，来来确确定定试试样样中中是是否否含含有有该该物物质质及及在在色色谱谱图图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。利利用用加加入入法法定定性性：将将纯纯物物质质加加入入到到试试样样中中，观观察察各各组组分分色谱峰的相对变化。色谱峰的相对变化。62 2.利用文献保留值定性 利用相对保留值利用相对保留值r r2121定性定性 相相对对保保留留值值r r2121仅仅与与柱柱温温和和固固定定液液性性质质有有关关。在在色色谱谱手手册册中中都都列列有有各各种种物物质质在在不不同同固固定定液液上上的的保保留留数数据据，可可以以用用来进行定性鉴定。来进行定性鉴定。3.3.保留指数保留指数 又称又称KovatsKovats指数指数()，是一种重现性较好的定性参数。，是一种重现性较好的定性参数。634.与其他分析仪器联用的定性方法 小型化的台式色质谱联用仪（小型化的台式色质谱联用仪（GC-MSGC-MS；LC-MSLC-MS）色谱色谱-红外光谱仪联用仪；红外光谱仪联用仪；组分的结构鉴定组分的结构鉴定SampleSample 589058901.0 1.0 DEG/MIDEG/MIN NHEWLETTHEWLETTPACKARDPACKARDHEWLETHEWLETT T PACKARPACKARD D5972A5972AMass Mass SelectivSelective e DetectoDetector rD DC CB BA A A AB BC CD DGas Chromatograph(GC)Mass Spectrometer(MS)SeparationIdentificationB BA AC CD D64二二.定量分析方法定量分析方法（一）定量校正因子 试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：m i=fi Ai 绝对校正因子绝对校正因子：比例系数f i，单位面积对应的物质量：f i=m i /Ai 相相对对校校正正因因子子f i：即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。65（二）常用的几种定量方法 1.归一化法：归一化法：特点及要求：特点及要求：归一化法简便、准确；归一化法简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。66 2.外标法外标法外标法也称为标准曲线法。外标法也称为标准曲线法。特点及要求：特点及要求：外标法不使用校正因子，外标法不使用校正因子，准确性较高准确性较高，操作条件变化对结果准确操作条件变化对结果准确性影响较大。性影响较大。对进样量的准确性控制要对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的求较高，适用于大批量试样的快速分析。快速分析。673.内标法内标法 内标物要满足以下要求：内标物要满足以下要求：（a）试样中不含有该物质；）试样中不含有该物质；（b）与被测组分性质比较接近；）与被测组分性质比较接近；（c）不与试样发生化学反应；）不与试样发生化学反应；（d）出峰位置应位于被测组分附近，且完全分离。）出峰位置应位于被测组分附近，且完全分离。试样配制：试样配制：准确称取一定量的试样准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物，加入一定量内标物mS计算式：计算式：68内标法特点内标法特点(a)内内标标法法的的准准确确性性较较高高，操操作作条条件件和和进进样样量量的的稍稍许许变变动动对对定量结果的影响不大。定量结果的影响不大。(b)每每个个试试样样的的分分析析，都都要要进进行行两两次次称称量量，不不适适合合大大批批量量试试样的快速分析。样的快速分析。(c)若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：69顶空气相色谱的技术与应用顶空气相色谱的技术与应用applications and technology of headspace gas chromatograph对液体或固体试样中的挥发性成分进行气相色谱分析的技术；试样置于密闭的恒温系统中，气-液（气-固）两相达到热力学平衡时，测定气相组成。两种方式：两种方式：静态法：恒温密闭系统，平衡时，测定气相组成；动态法：吹扫-捕集法，采用吸附剂吸附，加热解吸。70理论依据理论依据 当当顶顶空空瓶瓶中中样样品品上上面面的的蒸蒸气气压压相相当当低低时时，峰峰面面积积Ai的的大大小与样品上面的气相中挥发性组分小与样品上面的气相中挥发性组分 i 的蒸气压的蒸气压pi成正比：成正比：Ai=fi pifi为校正因子，在真实体系中，蒸气分压通常用下式表示：pi=poiixi poi为气相中组分i 的摩尔分数；xi为样品中组分i 的摩尔分数；i为组分i 的活度系数。Ai=fi pi=fiixi poi当系统平衡时：当系统平衡时：Ai=fi pi=ki xi 通过顶空分析，可确定试样中的含量。通过顶空分析，可确定试样中的含量。71应用1：在职业病和法庭分析中，经常要测定体液等中的苯、甲苯、二甲苯等有毒成分，采用顶空分析是一种有效、方便、快速的方法。司法部司法鉴定科学技术学院制订了分析水、尿、血中苯类化合物的静态顶空分析方法。方法：方法：5mL青霉素小瓶，取1mL试样（水、尿、血），加入内标物和约1g硫酸铵至饱和，加盖密封，置于80 C的恒温器中30min，取顶空的气样色谱分析。色谱柱：2m 2mm；80-100目；固定液 PEG 20M柱温：110 C，以10 C/min程序升温到110 C。72应用2：分析血样中的酒精是顶空气相色谱应用最广泛的方法，可检查汽车司机是否酒后驾车。方法：方法：样品平衡温度 50C；平衡时间 30min；色谱柱：；石英毛细管柱；固定液：聚二甲苯硅氧烷；73应用3：固体样品（塑料、食品等）的顶空分析。塑料食品包装袋中的甲苯残留量的测定。方法：方法：将塑料食品包装袋剪成30mm10mm装入100mL玻璃注射器，在80C预热20min，用空气稀释为100mL，恒温10min后进样分析。色谱柱：500mm 3mm，填充柱，80-100目；固定液：20%的 PEG 20M；柱 温：80 C；最小检测浓度为0.031 mg/m2.74