第二章-气相色谱法.pptx

2024/8/12 周一12.1 2.1 2.1 2.1 气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪色谱仪包括：a.气路系统,b.进样系统,c.分离系统,d.检测系统,e.记录系统，f.温度控制系统 2024/8/12 周一22.2 2.2 2.2 2.2 气路系统气路系统气路系统气路系统 载气 气路结构 净化器 稳压恒流装置2024/8/12 周一31所用气体：N2，H2，He，Ar，CO2，空气等，常用 N2，H2，He，Ar 2稳压恒流 3净化：有机物用活性碳、分子筛除去 H2中的O2用钯做催化剂除去 N2中的O2用Cu除去 H2O用硅胶、分子筛除去2024/8/12 周一42.3 2.3 2.3 2.3 进样系统进样系统进样系统进样系统样品环样品样品样品样品取样 进样 气体进样量：0.110 mL1.气体样品，六通阀2024/8/12 周一52.液体样品(也可用于气体)微量注射器：液体进样量0.15L规格：1L，5L，10L，50L气化室温度一般比柱温高10502024/8/12 周一6分流/不分流进样的结构示意图2024/8/12 周一7 在介绍色谱仪器时，我们提到色谱分离系统是色谱仪器中最为灵魂的部分，而其中分离柱中固定相组成与性质更是直接与分离效能有关。色谱柱是气相色谱的心脏。由柱管和其中的固定相组成,气相色谱柱可分为两类：1 1 1 1）用于气固色谱的固定相：固体吸附剂；）用于气固色谱的固定相：固体吸附剂；）用于气固色谱的固定相：固体吸附剂；）用于气固色谱的固定相：固体吸附剂；2 2 2 2）用于气液色谱的固定相：固定液）用于气液色谱的固定相：固定液）用于气液色谱的固定相：固定液）用于气液色谱的固定相：固定液+载体载体载体载体 小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。2.4 2.4 2.4 2.4 分离系统分离系统分离系统分离系统2024/8/12 周一82.4.1 2.4.1 色谱柱色谱柱填充柱填充柱填充柱填充柱材料：不锈钢，铜，玻璃，聚四氟乙烯大小：内径26 mm，长16 m形状：U型，螺旋型2024/8/12 周一9毛细管柱毛细管柱毛细管柱毛细管柱WCOT-WCOT-内表面涂有很薄的固定相内表面涂有很薄的固定相.PLOT PLOT 内表面涂有多孔的固体层或吸附剂内表面涂有多孔的固体层或吸附剂SCOT SCOT 内表面先涂固态载体，然后再涂上固定相内表面先涂固态载体，然后再涂上固定相。2024/8/12 周一10毛细管柱毛细管柱毛细管柱毛细管柱材料：石英玻璃大小：内径0.10.5 mm，长10100 m形状：螺旋型2024/8/12 周一11 主要有强极性的硅胶、弱极性的氧化铝、非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。使用时，可根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最合适的吸附剂。2.4.1 2.4.1 气固色谱固定相气固色谱固定相1.固体吸附剂2024/8/12 周一12 2.2.高分子多孔微球 高分子多孔微球是一类人工合成的多孔共聚物，它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔径大小及表面性质。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类、胶类的分析。3.化学键合固定相 硅胶为基质,有机试剂与硅羟基键合而成。2024/8/12 周一13吸附剂吸附剂吸附剂吸附剂使用温度使用温度使用温度使用温度/测定对象测定对象测定对象测定对象使用前活化处理使用前活化处理使用前活化处理使用前活化处理活性炭活性炭活性炭活性炭200200惰性气体、惰性气体、惰性气体、惰性气体、NN2 2、COCO2 2和低沸点和低沸点和低沸点和低沸点碳氢化合物碳氢化合物碳氢化合物碳氢化合物装柱，在装柱，在装柱，在装柱，在NN2 2保护下加热到保护下加热到保护下加热到保护下加热到140140180 180，活化，活化，活化，活化2-4h2-4h硅胶硅胶硅胶硅胶400400C C1 1C C4 4烃类，烃类，烃类，烃类，NN2 2OO、SO SO2 2、HH2 2S S、SF SF6 6、CFCF2 2ClCl2 2等气体等气体等气体等气体装柱，在装柱，在装柱，在装柱，在20200 0 下通载气下通载气下通载气下通载气活化活化活化活化2-4h2-4h氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝400400C C1 1C C4 4烃类异构体烃类异构体烃类异构体烃类异构体粉碎过筛，粉碎过筛，粉碎过筛，粉碎过筛，600600 下烘烤下烘烤下烘烤下烘烤4h4h。装柱，高于柱温。装柱，高于柱温。装柱，高于柱温。装柱，高于柱温20 20 下活化下活化下活化下活化分子筛分子筛分子筛分子筛400400惰性气体。惰性气体。惰性气体。惰性气体。HH2 2、OO2 2、NN2 2、COCO、CHCH4 4、NONO、NN2 2OO等等等等粉碎过筛在粉碎过筛在粉碎过筛在粉碎过筛在5050600600 下下下下烘烤烘烤烘烤烘烤4h4h。气相色谱常用的固体吸附剂2024/8/12 周一142.4.2 2.4.2 2.4.2 2.4.2 气液色谱的固定相气液色谱的固定相气液色谱的固定相气液色谱的固定相2024/8/12 周一152.4.2.1 2.4.2.1 2.4.2.1 2.4.2.1 载体载体载体载体作作用用：提提供供一一个个大大的的惰惰性性表表面面，以以承承担担固固定定液液，使使其其以以薄薄膜膜状态分布在载体表面上，构成固定相。状态分布在载体表面上，构成固定相。气相色谱用的载体种类气相色谱用的载体种类气相色谱用的载体种类气相色谱用的载体种类(1)(1)(1)(1)硅藻土型载体硅藻土型载体硅藻土型载体硅藻土型载体硅硅硅硅藻藻藻藻土土土土：单单单单细细细细胞胞胞胞海海海海藻藻藻藻(植植植植物物物物)骨骨骨骨架架架架，由由由由无无无无定定定定形形形形SiOSiOSiOSiO2 2 2 2与与与与少少少少量量量量无无无无机机机机盐组成。盐组成。盐组成。盐组成。a.a.a.a.红色担体红色担体红色担体红色担体 (天然硅藻土天然硅藻土天然硅藻土天然硅藻土900 900 900 900 以上烧以上烧以上烧以上烧)b b b b白色担体白色担体白色担体白色担体 (天然硅藻土天然硅藻土天然硅藻土天然硅藻土+Na+Na+Na+Na2 2 2 2COCOCOCO3 3 3 3，大于，大于，大于，大于900900900900烧烧烧烧)2024/8/12 周一16c c c c硅藻土型载体处理硅藻土型载体处理硅藻土型载体处理硅藻土型载体处理 a.酸洗法酸洗法 b.碱洗法碱洗法 c.硅烷化硅烷化2024/8/12 周一17(2)(2)非硅藻土型载体非硅藻土型载体a氟担体，用聚四氟乙烯制成的多孔性载体;b玻璃微球担体，一种有规则的颗粒小球;c高分子多孔微球担体，苯乙烯与二乙烯苯的共聚物，既能直接作为气相色谱的固定相，又可作为担体涂上固定液后再使用。2024/8/12 周一183选择载体的大致原则a.当固定液的含量大于5%时，可选用硅藻土型(白色或红色)载体。b当固定液含量小于5%时，应选用处理过的载体，如仍拖尾可加减尾剂。c对于高沸点组分，可选用玻璃微球载体。d对于强腐蚀性组分，可选用氟载体。2024/8/12 周一192.4.2.2 2.4.2.2 固定液固定液 气相色谱固定液主要是由高沸点有机物组成，在操作温度下呈液态，有特定的使用温度范围(最高使用温度)。1对固定液的要求:a.蒸气压低，不流失。b.热稳定性好，在操作柱温下呈液态，不分解，不聚合,通常固定液的最高值用温度决定了色谱柱的最高使用温度。c.化学稳定性好，不与待测组分起化学反应。d.对载体有好的浸润性，能形成均匀的膜，对待测物2024/8/12 周一20质各组分有适当的溶解能力。e.选择性好，对两个沸点相同或相近但属于不同类 型的组分有尽可能高的分离能力。2组分与固定液分子间的作用力 在GC中，载气为惰性分子，组分与载气作用很小，组分间作用可忽略，因浓度低。主要作用力源于组分与固定液相互作用。2024/8/12 周一21组分分子与固定液的作用力组分分子与固定液的作用力组分分子与固定液的作用力组分分子与固定液的作用力 范德华力范德华力 键合力键合力范德华力范德华力 定向力-+-+Mobile Phase Flow2024/8/12 周一22 诱导力 极性分子的永久偶极 非极性分子的诱导偶极 利用极性固定液来分离非极性组分(分子)和可极化组分(分 子)的混合物b.p.80.81 80.102024/8/12 周一23 色散力 非极性分子的“瞬间”偶极矩同步电场极化周围的分子非极性固定液分离非极性组分(分子)混合物2024/8/12 周一24 氢键 F H F O H F O H N N H N NC N N键合力键合力 与固定相分子之间形成化合物或配合物2024/8/12 周一253固定液的极性分类 根据固定液的相对极性来分类(1959,Rohrschneider)规定:固定液角鲨烷的相对极性为0，,-氧二丙腈的相对极性为100。以苯和环己烷为被测物，分别测定它们在角鲨烷、氧二丙腈以及被测固定液的色谱柱柱上，得到相对保留体积(或时间)，然后取对数，则：被测固定液的相对极性 Px=100100(q1qx)/(q1q2)q=lg(VR(环己烷)/VR(苯)2024/8/12 周一26q1：环己烷和苯在,-氧二丙腈上的相对保留体积比的对数；q2：环己烷和苯在角鲨烷上的相对保留体积比的对数；qx：环己烷和苯在待测固定液上的相对保留体积比的对数。测定结果从0到100分为六级，每20为一级。如,-氧二丙腈为+5，聚乙二醇为+4，属于极性固定液；相对极性在+2+3之间属于中等极性固定液；相对极性在0+1之间属于非极性固定液。2024/8/12 周一27固定液的相对极性分为五级固定液的相对极性分为五级,每每2020单位为一级单位为一级 非极性固定液非极性固定液 0-+1 0-+1 “-”弱极性固定液弱极性固定液 +1-+2 +1-+2 中等极性固定液中等极性固定液 +3 +3 强极性固定液强极性固定液 +4-+5 +4-+5252024/8/12 周一28Px120214041606180811000极性+1+2+3+4+5非极性固定相名称固定相名称型号型号相对极性相对极性最高使用温度最高使用温度角鲨烷角鲨烷SQSQ0 0150150二甲基聚硅烷二甲基聚硅烷OV-1,SE-3OV-1,SE-3+1+1350350苯基苯基(10%)(10%)甲基聚硅氧烷甲基聚硅氧烷OV-3OV-3+1+1350350苯基苯基(20%)(20%)甲基聚硅氧烷甲基聚硅氧烷OV-7OV-7+2+2350350苯基苯基(50%)(50%)甲基聚硅氧烷甲基聚硅氧烷DC-710,OV-17,SP-DC-710,OV-17,SP-22502250+2+2375375三氟丙基三氟丙基(50%)(50%)甲基聚硅氧烷甲基聚硅氧烷QF-1,OV-201QF-1,OV-201+3+3250250聚乙二醇聚乙二醇-2000-2000Carbowax-2308Carbowax-2308+4+4250250聚丁二酸二乙二醇酯聚丁二酸二乙二醇酯DEGSDEGS+4+4200200表3.3 一些常用的固定液2024/8/12 周一29 罗氏常数和麦氏常数 Rohrschneider constant/McReynolds constant （北京大学化学系仪器分析教学组编 仪器分析教程 北京大学出版社 1997）固定液的化学结构 官能团的结构272024/8/12 周一30 一般可按“相似相溶相似相溶”原则来选择。在应用时，应按实际情况而定。分分离离非非极极性性组组分分时时，通常选用非极性固定液（色散力）。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。同沸点，极性化合物先流出。294固定液选择固定液选择2024/8/12 周一31分分离离中中等等极极性性组组分分时时，通常选用中等极性固定液（色散力、诱导力）。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。同沸点，非极性化合物先流出。分离极性组分时分离极性组分时，一般选用极性固定液（静电力）。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。302024/8/12 周一32醇醇、胺胺、水水等等强强极极性性和和能能形形成成氢氢键键的的化化合合物物的的分分离离，通常选择极性或氢键性的固定液。试样中各组分，不易与固定液形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。组组成成复复杂杂、较较难难分分离离的的试试样样，通常使用特殊固定液，或混合固定相312024/8/12 周一33被测物被测物固定液固定液先流出色谱柱先流出色谱柱后流出色谱柱后流出色谱柱非极性非极性非极性非极性沸点低沸点低沸点高沸点高极性极性极性极性极性小极性小极性大极性大极性极性+非极性非极性极性极性非极性非极性极性极性氢键氢键极性或氢键极性或氢键不易形成氢键不易形成氢键易形成氢键易形成氢键表 固定液的选择原则2024/8/12 周一342.4.3 2.4.3 色谱柱的制备和老化色谱柱的制备和老化制备：制备：a.根据样品选择固定液和载体b.涂渍方法c.预处理老化：a.载气510mL/min，不接检测器，放空；b.高于操作温度1020；c.低于固定液最高使用温度；d.老化48小时。目的：除去残余溶剂、挥发性杂质等。2024/8/12 周一352.5 2.5 检测器检测器1.1.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；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；广谱型检测器：广谱型检测器：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；2024/8/12 周一362.5.1 检测器的性能指标检测器的性能指标1灵敏度S 所谓检测器灵敏度，是指一定浓度或一定质量的物质通过检测器时所给出信号的大小，用符号S表示。广义灵敏度直线的斜率是检测器的灵敏度，响应信号R对进样量Q的变化率，即S=R/Q。直线过原点时，SR/Q检测器的RQ关系图2024/8/12 周一37可求出浓度型检测器灵敏度计算公式：Sc的单位 浓度型检测器 2024/8/12 周一38Sm的单位 表示每秒钟有1g物质进入检测器时所能产生得信号mV值。进样量与峰面积成正比。当进样量一定时,峰面积与流量无关。质量型检测器 对于质量型则检测器，其灵敏度与单位时间内通过检测器的某组分的量有关，2024/8/12 周一392检测限检测限D 检测器的灵敏度只能表示检测器对某物质产生信号得大小，由于响应值大时基线波动也会随着成比例增大。所以只用灵敏度S不能很好地评价一个检测器的质量。定义：产生两倍噪音信号时进入检测器单位体积载气中被测物的量(Dc,mg/ml)或单位时间进入检测器的量(Dm,g/s)。2024/8/12 周一40 D=2RN/S 或 D=3RN/SN：检测器的噪声，指基线在短时间内上下偏差的数值(单位为mV)S：检测器的灵敏度2024/8/12 周一41当S为Sc时，Dc=2RN/Sc 单位为mg/mL(或mL/mL)当S为Sm时，Dm=2RN/Sm 单位为g/s，一般来说D值越小，则说明仪器越敏感。3最小检测量最小检测量 定义：产生两倍噪声信号时所需进入色谱柱的该物质的质 量。m0=m2RN/h根据A=1.065Y1/2 h，则对于浓度型检测器2024/8/12 周一42 当h2RN时，则对于质量型检测器 当h2RN时，2024/8/12 周一43 检测限检测限D和最小检测量和最小检测量m0是不同的。是不同的。检测限D只是用来表征检测器性能的指标，与检测器的质量有关。最小检测量m0是产生色谱峰高等于两倍噪声时引入色谱仪的被测物的量。m0不仅与检测器的性能有关，而且还和柱效率和操作条件有关。色谱峰的半宽度越窄，则m0就越小。2024/8/12 周一444线性范围 所谓检测器的线性范围，是指信号与被测物质浓度或绝对量的关系成线性的范围，通常以线形范围内被测物最大Cmax(或dm/dt)与最小C min(或dm/dt)的比值来表示。它表示检测器对样品中不同浓度的适应性，此范围越宽越好。5响应时间 以一个恒定浓度(或质量)的样品连续通过检测器，可得到一个信号强度，当样品浓度(或质量)突然变到另一值时，信号达到新平衡条件下信号强度的63%时所需的时间，就是响应时间。2024/8/12 周一45 平衡电桥，右图。不同的气体有不同的热导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：R参参=R测测 ;R2=R3 则：则：R参参R2=R测测R3 无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。2.5.2 2.5.2 典型的气相色谱检测器典型的气相色谱检测器1热导池检测器(TCD)2024/8/12 周一46进样后进样后:载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参参R测测 则：R参参R2R测测R3 这时电桥失去平衡，A、B两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。122024/8/12 周一47影响热导检测器灵敏度的因素影响热导检测器灵敏度的因素 桥桥路路电电流流I：I，钨丝的温度，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。池池体体温温度度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。132024/8/12 周一48 载载气气种种类类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。表表 某些气体与蒸气的热导系数（某些气体与蒸气的热导系数（），），单位：单位：J/cms142024/8/12 周一492.2.氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器(FID)(FID)原理原理原理原理：含碳有机物在H H2 2-Air-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。2024/8/12 周一503.3.电子捕获检测器电子捕获检测器(ECD)(ECD)高选择性检测器，高选择性检测器，仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏 度，检测下限度，检测下限1010-14-14 g/mLg/mL，对大多数烃类没有响应。对大多数烃类没有响应。2024/8/12 周一514.火焰光度检测火焰光度检测器(FPD)394 nm 526 nm/nmS2*HPO*质量型检测器质量型检测器2024/8/12 周一522.6 记录系统2.7 温度控制系统 气化室 色谱柱箱 检测器(特别是TCD)一般情况下，气化室的温度比色谱柱温高10-50检测器的温度也比色谱柱温略高 2024/8/12 周一532.8.1 2.8.1 载气的种类及其流速的选择载气的种类及其流速的选择载气的种类及其流速的选择载气的种类及其流速的选择2.8 2.8 色谱操作条件的选择色谱操作条件的选择2024/8/12 周一542.8.22.8.22.8.22.8.2 柱温的选择柱温的选择柱温的选择柱温的选择 柱温应高于固定液的熔点，低于固定液的最高使用温度 柱温低，选择性好；柱温高，分离时间短 程序升温恒温：恒温：45oC程序升温：程序升温：30180oC恒温：恒温：145oC温度低，分离效果较好，但分析时间长温度低，分离效果较好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，分析时间短，但分离效果差温度高，分析时间短，但分离效果差2024/8/12 周一552.8.3 2.8.3 2.8.3 2.8.3 柱长和内径的选择柱长和内径的选择柱长和内径的选择柱长和内径的选择)1(4aa-=effsnR2212)(54.5)(16YtYtnRReff=effeffnLH=填充柱：Length,2-6 m I.D.,3-6 mm毛细柱：Length,20-200 m I.D.,0.1-0.5 mm2024/8/12 周一56 1.单柱比较法2.双柱比较法“相同的色谱条件”2.9 2.9 色谱定性分析色谱定性分析2.9.1 2.9.1 利用色谱保留值进行定性分析利用色谱保留值进行定性分析2024/8/12 周一573.峰高加入法进样量“低”2024/8/12 周一58缺点：缺点：高效能高效能 反复多次利用组分性质的差异产生很好分 离效果 高灵敏度高灵敏度10-1110-13g，适于痕量分析分析速度快分析速度快分析速度快分析速度快几几十分钟完成分离可以测多种样品应用范围广应用范围广应用范围广应用范围广气体，液体、固体物质化学衍生化再色谱 分离、分析对未知物分析的定性专属性差对未知物分析的定性专属性差对未知物分析的定性专属性差对未知物分析的定性专属性差无法测对沸点太高、相对分子质量太大或热不稳定的有机物。无法测对沸点太高、相对分子质量太大或热不稳定的有机物。无法测对沸点太高、相对分子质量太大或热不稳定的有机物。无法测对沸点太高、相对分子质量太大或热不稳定的有机物。2.10 2.10 气相色谱法的特点和局限性气相色谱法的特点和局限性