第六章 毛细管气相色谱法（capillary gas Chromatography）.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 毛细管气相色谱法（,capillary gas Chromatography,）,概述,毛细管气相色谱与填充柱色谱的比较,毛细管气相色谱柱的制备,毛细管气相色谱柱的评价,常用毛细管气相色谱柱,毛细管柱的选择,一、概述,（一）发展历史,1957,年高雷,(Golay,),发表,“,涂壁毛细管气液分配色谱理论和实践,”,论文，首先提出毛细管速率方程，并第一次实现了毛细管气相色谱分离。,1958,年戈雷在阿姆斯特丹的国际气相色谱会议上发表了著名的高雷方程，阐述了各种参数对柱性能的影响。,1979,年弹性石英毛细管开始应用,将毛细管气相色谱推上高潮。,八十年代将固定液固定化。它大大提高了色谱柱的稳定性,延长了柱寿命,并使液膜进一步增厚,提高了色谱性能,(,如可在高温下使用,),。,1983,年 惠普公司推出 大孔径毛细管柱，可直接代替填充柱,20,世纪,90,年代,Alltech,公司推出“集束毛细管柱”，,919,只内径为,40um,的毛细管柱,20,世纪,90,年代后期耐高温色谱柱、手性色谱柱,（二）毛细管气相色谱柱的类型,高雷：开管柱（,open tubular column,）,习惯称毛细管柱（,Capillary column,）,1.,填充型毛细管柱（,1,）填充毛细管柱：近年很少使用。,(2),微填充柱：目前应用不多。,Packed Capillary,2.,开管型毛细管柱,a.,壁涂毛细管柱：简称,WCOT,柱。目前多数为该种类型。,b.,多孔层毛细管柱,(Porous-Layer Open Tubular Column),简称,PLOT,柱，这一类使用最多的是,“,载体涂层毛细管柱,”,(Support Coated Open Tubular Column),简称,SCOT,柱。,（,1,）常规毛细管柱：内径为,0.1,0.3mm,，一般为,0.25mm,左右,P,orous,L,ayer,O,pen,T,ubular,W,all,C,oated,O,pen,T,ubular,（,2,）小内径毛细管柱,(Microbore,Column),：内径是小于,100m,的弹性石英毛细管柱，多用来进行快速分析。,(3),大内径毛细管柱,(Megaobore,Column),：,内径为,320m,和,530m,，为了用这种色谱柱代替填充柱，常做成厚液膜柱，如液膜厚度为,5,8m,。,（,4,）集束毛细管柱（,multicapillary,column,）：,容量高，分析速度快，适用于工业分析。,（四）毛细管色谱柱的特点,渗透性,好：一般毛细管的比渗透率约为填充柱的,100,倍,在同样的柱前压下,可使用更长的毛细管柱,(,如,100,米以上,),而载气的线速可保持不变。这就是毛细管柱高柱效的主要原因。,相比,（,）大：相比大，传质快，有利于提高柱效；,k,值小实现有利于快速分析。毛细管柱的液膜厚度小,柱效高，加上柱渗透性大，可采用较高线流速缩短分析时间。,总柱效高,从单位柱长的柱效看,毛细管柱和填充柱处于同一数量级,但毛细管柱的长度比填充柱可长,12,个数量级,因此其总柱效远高于填充柱，这样就大大提高分离复杂混合物的能力。,总之，毛细管柱渗透性大,可采用长柱子和高载气流速缩分析技术，使其保持高柱效和快速分离。,柱容量小,毛细管柱允许的进样量小。这样对进样和检测技术要求更高。进样量取决于柱内固定液含量，由于毛细管柱涂渍的固定液仅几十,mg,，液膜厚度为,0.351.5,m,，柱容量小，一般进样量为,10,3,10,5,L,，故需要采用分流进样技术。,二、毛细管气相色谱与填充柱的比较,（一）比渗透率（,B,0,),L,：柱长,：柱温下载气的粘度；,U,：平均载气线流速；,P,：柱出口和进口压力降,j,：压力校正因子,填充柱：,B0,d,p,2,/1012,毛细管柱：,B0,r,2,/8,B,0,=(L,u)/(,pj,),2.4m,填充柱的柱压降是,2.510,6,Pa,，在同样的柱压降下，可使用,0.27mm,内径,WCOT,柱,192m,，,0.5mm,内径,SCOT,柱,250m,。,色谱柱类型,柱内径,/mm,B,o,/10,-7,cm,2,填充柱,2.2,2,3,壁涂毛细管柱（,WCOT,）,0.250.270.50,200230780,载体涂层毛细管柱（,SCOT,）,0.50,250,350,（二）,.,填充柱和毛细管柱性能的比较,色谱参数,填充柱,WCOT,SCOT,柱长度，,m,15,10100,1050,渗透性,10,-7,，,cm,110,50800,2001000,柱内径，,mm,24,0.10.8,0.50.8,液膜厚度，,m,10,0.11,0.82,相比,4200,1001500,50300,每个峰的容量，,ng,1010,6,100,50300,柱效，,N/m,5001000,10004000,6001200,最小板高，,mm,0.52,0.12,0.22,分离能力,低,高,中等,相对压力,高,低,低,最佳线速，,cm/s,520,10100,20160,毛细管柱与填充柱分离一些硝基化合物的比较（,a,）填充柱,1.5m,，涂,QF-1,，恒温；,（,b,）毛细管柱，,21m,，涂,OV-101,（三）毛细管气相色谱仪与填充柱气相色谱仪比较,分流进样作用：,毛细管柱的载气体积流量比填充柱低得多，将样品从气化室冲洗到色谱柱需要较长的时间，导致进样器内色谱区带严重扩张。此外，柱容量小，采用常规的进样方式，无法控制这样小的进样量。,尾吹气路作用,：由于毛细管柱的载气体积流量很小，进入检测器后发生突然减速，引起色谱峰扩张。为了减少谱带扩展，同时也是调节氢火焰检测器灵敏度，使氢氮比达到,1,左右，必须在色谱柱出口增加辅助尾吹气。,1.,气源和流量控制系统,压力,-,流量调节系统：,对高压气体减压，稳定流量和压力，使色谱系统具有优异精度和重现性。现代高档气相色谱仪均采用高精度的电子压力控制（,Electromic,pneumatic control,EPC,）或电子流量控制（,EFC,）技术，使得系统的稳定性和重现性达到新的高度。,电子压力控制（,EPC,）,：采用电子压力传感器和电子流量控制器，通过计算机来实现压力和流量的自动控制。,载气控制,方式,的选择,填充柱分析采用恒流方式,毛细柱分析采用恒压方式，恒线速度方式,6kg/cm,2,SPL/Splitless,INJ 1,INJ2,毛细柱,填充柱,1,填充柱,2,返回,电子压力控制系统示意图,2.,进样系统一般采用分流,/,不分流进样器,进样技术：“,Achilles heel”,。,毛细管柱的柱容量很小，要使柱子不超载，进入柱中的样品量不应超过,0.01-0.001,L,。,填充柱的进样系统,毛细管分流,/,不分流进样系统,分流进样,使样品瞬间气化并与载气混合，使小部分样品进入色谱柱，大部分放空。一般仪器是在气化室的出口将载气分成两路,绝大部分载气放空,而极小部分载气流入色谱柱。,当,进样时把分流阀关闭,，但注射隔膜吹洗气（,2mL/min),一直保持，经过一段时间（,30,90s,），大部分溶剂和溶质蒸气进入色谱柱，电磁阀打开。气化室中剩余的溶剂和溶质通过分流阀吹走。,不分流进样,优点：大部分样品入柱，避免分离歧视，尽可能消除溶剂脱尾。,3.,色谱柱系统,4.,检测系统,5.,记录系统：响应速度要快。,响应快的记录仪,如时间常数,50 ms,。,要求采用高灵敏度的检测器,如,FID,、小池体积的,TCD(HP,单丝微型,TCD,的检测池仅有,3.5l),等；在使用毛细管柱时必须用补充气。,三、毛细管色谱柱的制备,由于柱制备技术较复杂,一般用户通常使用商品柱。如,OV-101,PEG-20,SE-54,等。,固定液的固载化,：,一是固定液分子中的功能基团和柱内表面产生化学结合，形成一个稳定的液膜，称,固定液的键合,；另一是固定液分子之间化学结合，交联生成一个网状的大分子覆盖在毛细管内表面，成为一个不可抽取的液膜，称,固定液的交联,（,Cross-linking),；最后一种情况是固定液分子既和内表面形成化学键合，其自身又交联成网状大分子，即,键合交联法。,四、毛细管色谱柱性能评价,（一）、评价色谱柱的指标和测试物,评定三项重要指标：柱效、表面惰性和热稳定性。,一般评价色谱柱的方法是在一定的色谱条件下分离一组测试混合物考核色谱柱的各种性能。测试混合物包含：烷烃、芳烃、醇、二元醇、醛、酮、酚、胺、酯和游离酸，普遍实用的是所谓,Grob,试剂,Grob,试剂的组成和浓度,组 成,浓度,/mg,mL,-1,组 成,浓度,/mg,mL,-1,十二酸甲酯,41.3,壬醛,40,十一酸甲酯,41.8,2.3-,丁二醇,53,癸酸甲酯,42.3,2,6-,二甲基苯胺,32,癸烷,28.3,2,6-,二甲基苯酚,32,十一烷,28.7,二环己胺,31.3,1-,辛醇,35.5,2-,乙基己酸,38,图 用,Grob,试剂测试,SE-52,柱（,5,苯基,95,聚二甲基硅氧烷）的色谱图,Diol,2,3-,丁二醇；,C10,正癸烷；,C8-OH,正辛醇；,C11,正,11,烷；,C9-OH,正壬醇；,DMP,2,6-,二甲基苯酚；,DMA,2,6-,二甲基苯胺；,E10,癸酸甲酯；,E11,十一酸甲酯；,E12,十二酸甲酯,（二,),评价色谱柱的柱效,1.,柱分离能力的测量,每米柱长理论塔板,=5.54(t,R,/W,h,),2,/L,2,、涂渍效率：,CE=(h,min,/h)100%,式中,CE,涂渍效率；,h,min,最小理论塔板高度；,h,实际测定的理论塔高度。,四、其它类型毛细管柱色谱法,（一）大内径厚液膜毛细管气相色谱柱,大内径毛细管柱主要是指内径为,0.53mm,的弹性石英毛细管柱,1.,大内径厚液膜毛细管柱的特点（,1,）可直接取代填充柱，即无须分流进样；,（,2,）分析速度快，比填充柱分析速度快；,（,3,）吸附性小；（,4,）在较低载气流速下柱效大大优于填充柱；（,5,）多为交联型固定相，所以化学稳定性和热稳定性优于填充柱；,2.,大内径厚液膜毛细管柱的主要柱参数,（,1,）柱内径；（,2,）液膜厚度。,柱内径,/mm,每米理论板数,/,（,TP/m,）,达,10,万理论塔板数所需柱长,/m,0.53,0.32,0.25,0.10,2100,3400,4500,11000,48,29,22,9,（二）细内径毛细管气相色谱柱,细内径毛细管气相色谱柱的特点,长度为,25,30m,，内径为,0.25,0.32mm,的毛细管柱来进行常规分析，可以提供高的柱效,(1000000,理论塔板数,),和足够的样品容量和负载量。,10m,0.1mm i.d,.,的毛细管柱可提供柱效等同于一支,25m,0.25mm i.d,.,柱的柱效,（三）气,-,固毛细管柱,五、毛细管柱常用固定液及各商品毛细管柱的对应牌号,聚硅氧烷类：聚硅氧烷有优良的稳定性,用途广，是目前最为常用的固定相,聚乙二醇：聚乙二醇是另外一类广泛应用的固定相。有时我们称之为“,WAX”,或“,FFAP”,（硝基对苯二甲酸改性的聚二醇固定相）。,毛细管色谱柱常用固定液,固定液,极性,对照牌号,最高使用温度,OV-101,，,SE-30,聚甲基硅氧烷,非极性,DL-1 AT-1 HP-1 DB-1 BP-1 RTX-1,320,SE-52,，,54,5%,聚苯基甲基硅氧烷,弱极性,DL-5 AT-5 HP-5 DB-5 BP-5 RTX-5,320,OV-17,氰基硅油,中极性,DL-17 AT-50 HP-50 DB-17 RTX-50,240,PEG-20,聚乙二醇,强极性,AT-WAX HP-WAX DB-WAX BP-20,250,固定液,名称,Restex,J&W,HP,Supelco,100%,聚甲基硅氧烷,OV-1,OV-101,Rtx-1,DB1,HP1,SPB-1,95,甲基,5,苯基,SE-54,Rtx-5,DB5,HP5,SPB-5,50,甲基,50,苯基,OV-17,Rtx-50,DB17,HP17,SPB-50,聚乙二醇,PEG20M,Stabilwax,DBWAX,HPWAX,SUPELCO-WAX,六、毛细管柱的选择,1.,柱长的选择,15m,的短柱用于快速分离较简单的样品，也适于扫描分析；,30m,的色谱柱是最常用的柱长，大多数分析在此长度的柱子上完成；,50m,、,60m,或更长的色谱柱用于分离比较复杂的样品。,2.,柱内径的选择,0.25mm,：具有较高的柱效，柱容量较低。分离复杂样品较好。,0.32mm,：柱效稍低于,0.25mm,的色谱柱，但柱容量约高,60%,。,0.53mm,：具有类似于填充柱的柱容量，可用于分流进样，也可用于不分流进样，当柱容量是主要考虑因素时（如痕量分析），选择大口径毛细管柱较为合适。,3.,液膜厚度的选择,0.1-0.2,m,m,：薄液膜厚度的毛细管柱比厚液膜的毛细管柱洗脱组分快，所需柱温度低，且高温下柱流失较小，适用高沸点的化合物的分,0.250.5,m,m,：常用的液膜厚度。,厚液膜：对分析低沸点的化合物较为有利。,4.,固定相的选择,1.,二甲基硅氧烷,非极性毛细管柱,SE-30,、,OV-1,、,OV-101DB-1,、,HP-1,、,CP-Sil,5CB,、,SPB-1,、,007-1,、,Rtx-1,、,BP-1,烃类、胺类、酚类、农药、,PCBs,、挥发油、硫化物等,2.5%,苯基，,1%,乙烯基甲基硅氧烷,非极性柱,色谱柱型号：,SE-54,、,SE-52DB-5,、,HP-5,、,CPSil,8CB,、,SPB-5,、,Rtx-5,、,BP-5,分析物质：药物、芳烃类、酚、酯、生物碱、卤代烃,3.7%,氰甲基，,7%,苯基甲基硅氧烷,中等极性,色谱柱型号：,OV-1701,、,DB-1701,、,HP-1701,、,BP-10,、,CPSil,19CB,、,Rtx-1701,、,SPB-1701,应用范围：,药物、农药、除草剂、,TMS,糖,4.,聚乙二醇,20M,极性,色谱柱型号：,PEG-20MDB-WAX,、,HP-Wax,、,Carbowax,SUPELCOWAX 10,、,CPWAX 52CB,应用范围：,醇类、酯、醛类、溶剂、单芳、精油等,七、毛细管气相色谱 速率方程,Golay,推导出毛细管速率方程：,式中，第一项为分子扩散项；第二项为流型扩散项或气相传质项；第三项为液相传质项。,与,Van Deemter-Golay,方程：,开管柱只有一个气体流路，没有涡流扩散项,即,A=0,；,分子扩散项与填充柱相似,开管柱没有扩散路径弯曲，故路径弯曲因子,=1,；,