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GC气相色谱



作者:新2直营现金网    发布时间:2020-03-08 02:03


  Chromatographic Analysis chapter 3 气相色谱 Gas Chromatography 2019/7/31 1 1941, British scientists, A.J.P. Martin and R.L.M. Synge (Biochem. J., 1941, 35, 1358) * Liquid-liquid partition chromatography * A theoretical framework for the basic chromatographic process * A predication, “ a gas might be used instead of a liquid in chromatography” 1952, A.T. James and A.J.P. Martin Gas-liquid chromatography, Biochem. J., 1952, 50, 679 (volatile fatty acids) 2019/7/31 2 GC特点:高选择性、高效、高灵敏度、分析速度快 GC应用: ? 生物化学分析:GC开始是用于生物化学领域,Martin首 先进行了脂肪酸和脂肪胺的分析。 ? 石油化工分析:用200m的毛细管GC法一次可以分析200 个化合物。 ? 环境分析:如水中有机物分析。 ? 食品分析:如粮食中残留农药的分析。 ? 药物临床分析:氨基酸、兴奋剂的分析。 ? 法庭分析:各种物证鉴定。 ? 空间分析:如飞船中气氛分析。 ? 军工分析:如火药、炸药分析。 2019/7/31 3 内容 第一节 气相色谱仪的结构 第二节 气相色谱固定相 第三节 气相色谱分离条件的选择 第四节 毛细管气相色谱 第五节 顶空气相色谱 第六节 色谱定性与定量分析 2019/7/31 4 第一节 气相色谱仪的结构 一、 GC 仪结构框图 载气系统 进样系统 分离系统 检测系统 记录及数据 处理系统 温控系统 2019/7/31 5 GC流程示意图 1-载气钢瓶; 2-减压阀; 3-净化器; 4-稳流阀; 5-流量计; 6-压力表; 7-进样口; 8-色谱柱;9-检测 器;10-放大器; 11-温度控制器; 12-记录仪; 2019/7/31 6 第一节 气相色谱仪的结构 二、 GC仪各部件及作用 1. 载气系统:传送样品通过整个系统。 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; 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、稳流阀,控制载气流速 恒定。 2019/7/31 7 2. 进样系统:将样品蒸汽引入载气。 进样装置:进样器+气化室; 气体进样器(六通阀):推拉式和旋转式两种。 气化室:将液体试样瞬间气化的装置。 2019/7/31 8 3. 分离系统:实现混合样品的组分分离 色谱柱:色谱仪的核心部件。 毛细管柱 2019/7/31 9 4. 检测系统:对流出柱的样品组分进行识别与响应 色谱仪的眼睛。由检测元件、放大器、显示记录组成; 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:通用型——对所有物质均有响应; 专属型——对特定物质有高灵敏响应; 2019/7/31 浓度型——检测器的响应值和组分的浓度 成正比。 质量型——检测器的响应值和单位时间内进入 检测器某组分的质量成正比。 10 5. 温控系统 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; 检测器:保证被分离后的组分通过时不在此冷凝; 分离室:准确控制分离需要的温度。 程序升温 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 2019/7/31 11 三、常用检测器 ? 检测器的一般要求 检测器一般都要求灵敏度高、检测限低、死体积小、 响应快、线性范围宽、稳定性好。 线性范围:FID 的线. 稳定性:用基线噪音和漂移来表示. 响应时间、时间常数:由信号测量的电子系统和检测 器本身的时间常数组成 . 2019/7/31 12 三、常用检测器 表 3-1 常用 GC 检测器的性能比较 检测器 响应特性 敏感度, g/s 响应时间, s 最 小 检 测 量 , TCD FID ECD FPD TID PID 浓度型 10-6-10-10g/ml ? 1 质量型 2×10-12 浓度型 10-14g/ml P, 质 量 ;S, 浓 度 平方 P: 10-12; S:10-11 质量型 N:10-13;P:10-14 质量型 10-13 ? 0.1 ?1 ? 0.1 ?1 ? 0.1 g 10-6 ? 5×10-13 10-14 ? 10-10 10-13 10-11 热导检测器(TCD);氢火焰离子化检测器(FID);电子捕获检测器(ECD); 火 焰光度检测器(FPD);热离子检测器(TID):光离子化检测器(PID)。 2019/7/31 13 1. 热导池检测器(TCD) ( thermal conductivity detector) 1).TCD的结构 浓度型检测器 池体:一般用不锈钢制成 热敏元件:电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加 工的钨丝制成。 参考臂:仅允许纯载气通过,通常连接在进样装置之前 测量臂:携 带被分离组分 的载气流过, 连接在紧靠近 分离柱出口处。 2019/7/31 14 2).TCD工作原理 不同的物质有不同的热导系数。 用来测量气体热导的热导池一般 是由热的良导体不锈钢制成。当 流经热导池的气体的热导率发生 ??变化时, 热导池池体发生?Q的热量变化, 引起热敏元件?T的温度变化, 从而使热敏丝的阻值变化?R,这 种变化由惠斯顿电桥测定,最后 反映出组分的浓度变化?C。 2019/7/31 15 3). 影响热导检测器灵敏度的因素 ①桥路电流I : 检测器的响应值S ∝ I3,但I太高时, 基线不稳, 还可能造成钨丝烧坏。 ②池体温度:池体温度低,越有利于热传导,检测器 的灵敏度越高,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。 ③载气种类:载气与试样的热导系数相差越大,产 生的温差和电阻差也就越大,检测灵敏度越高。 ④热敏元件的阻值:阻值高,电阻温度系数大的,灵敏 度高。 2019/7/31 16 2.氢火焰离子化检测器 flame ionization detector, FID 1).FID的结构 质量型检测器 a. FID需用到三种气体: N2 :载气携带试样组分; H2 :为燃气; 空气:助燃气。 b. 在发射极和收集极之间加有 一定的直流电压(100—300V) 构成一个外加电场。 极化极 2019/7/31 17 2). FID离子化的原理 (1) CnHm ──→ ·CH (2) ·CH + O ──→CHO+ + e (3) CHO+ + H2O ──→H3O+ + CO 3). 特点 (1) 典型的质量型检测器; (2) 对含碳有机化合物具有很高的灵敏度; (3) 结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应 迅速等特点; (4) 比TCD灵敏度高出近3个数量级,检测 下限可达10-12g·s-1。 (5) 对水、空气、惰性气体、不电离的物质 201则9/7/几31 乎没有响应。CS2作为常用溶剂。 A区:预热区 B层:点燃火焰 C层:热裂解区: 温度最高 D层:反应区 18 Some compounds not detected by the FID H2O NO CO2 NO2 CO N2O N2 NH3 O2 SO2 H2S, CS2 He COS Ar SiCl4 Kr SiHCl3 Ne SiF4 Xe 水、永久性气体、氮氧化物、碳氧化物、 部分硫化物 2019/7/31 19 3. 电子捕获检测器(ECD) electron capture detector, ECD 1).ECD的结构和工作原理 63Ni 浓度型检测器 sample e- + - N2 ???射?线 ? e AB ? e ? AB? AB ? ? N ? 2 ? AB ? N2 2019/7/31 20 2).ECD的适用范围及特点 对具有电负性物质(如含卤素、硫、磷、氰、氧、 硝基、羧基、共轭双键体系、有机金属化合物等)的 检测有很高灵敏度(检出限约1O-14g·cm-3)。它是目 前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。 线.火焰光度检测器(FPD) flame photometric detector 质量型检测器 S2* 394 nm HPO* 526 nm * ?/nm Air + O2 H2 sample 含硫、磷化合物的高选择性检测器。 2019/7/31 22 内容 第一节 气相色谱仪的结构 第二节 气相色谱固定相 第三节 气相色谱分离条件的选择 第四节 毛细管气相色谱 第五节 顶空气相色谱 第六节 色谱定性与定量分析 2019/7/31 23 第二节 气相色谱固定相 (1).液体固定相 (2).固体吸附剂 (3). 新型合成固定相 一、气液色谱固定相 载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相。 1. 载体(担体) (l)对载体的要求 ? ?具有足够大的表面积和良好的孔穴结构; ? 表面呈化学惰性; ? 热稳定性好; ? 形状规则,粒度均匀,具有一定机械强度。 2019/7/31 24 用色谱理论解释对于气相色谱载体要求: ? 表面积小:液膜厚,传质阻力大,柱效低, 表面积大:液膜极薄,裸露载体活性中心,峰拖尾 过深和过浅孔穴同时存在:同一组分不同分子差速移行, 谱带扩散严重,应使载体表面液膜分布成均一厚度。 ? 化学惰性:对组分产生吸附,破坏正常气液分配过程, 使峰展宽; ? 粒度均匀:使涡流扩散与分子扩散减小,提高柱效;机 械强度好:不易破碎,粒度始终均匀。 ? 对固定液有良好浸润性:液膜厚度不均,同一组分的不 同分子差速移型,柱效低。 2019/7/31 25 (2)载体类型: 硅藻土和非硅藻土。 硅藻土载体常用,主要成分是二氧化硅和少量无机盐。 硅藻土类载体 红色硅藻土 孔径约2mm, 比表面积约4 m2/g 表面吸附性较强且有一定的催化活性 适于涂渍高含量固定液,分离非极性化合物 白色硅藻土 孔径8-9mm, 比表面积约1 m2/g 催化活性小 适于涂渍低含量固定液,分离极性化合物 2019/7/31 26 (3)载体的表面处理 硅藻土载体表面不是完全惰性的, 具有活性中心。如硅醇基 OH Si 或含有矿物杂质,如氧化铝、铁等,使色谱峰产生拖尾。 因此,使用前要进行化学处理,以改进孔隙结构,屏蔽活性中 心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。 2019/7/31 27 (i)酸洗:用3--6mol·L-1盐酸浸煮载体、过滤,水洗至 中性。甲醇淋洗,脱水烘干。可除去无机盐,Fe,Al等 金属氧化物。适用于分析酸性物质。 (ii)碱洗:用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡, 然后用水、甲醇洗至中性,除去氧化铝,用于分析碱 性物质。 (iii)硅烷化:用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应,使 生成硅烷醚,以除去表面氢键作用力。如: 常用硅烷化试剂有 二甲基二氯硅烷 (DMCS), 六甲基二硅烷胺 (HMDS)。 2019/7/31 Si OH O + Cl Si OH CH 2 Si CH2 Cl Si O CH 2 O Si + 2HCl Si O CH2 28 2.固定液 (l)对固定液要求: ? 选择性好; ? 有良好的热稳定性和化学稳定性; ? 在操作温度下有较低蒸气压; ? 对载体有良好的浸渍能力。 2019/7/31 29 用色谱理论解释对于气相色谱固定液要求: ? 对组分有高的选择性:ΔK大; ?良好热、化学稳定性:若固定液挥发,使基线噪音 增加,影响痕量组分检测;膜厚下降,柱效改变,保 留值不重现性。 ? 在操作温度下有较低蒸气压:承受较高柱温,故一 般为聚合物,以免流失太快。 ? 对载体有良好浸润性:液膜均匀,传质阻力均匀 ,不存在裸露的载体表面,柱效高。 2019/7/31 30 (2)组分分子与固定液间的作用力 在气相色谱中,载气是情性的,主要存在的作用力 是组分与固定液分子间的作用力,这种作用力反映 了组分在固定液中的热力学性质。 作用力大的组分,由于溶解度大,分配系数大。 这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力,包 括定向力、诱导力、色散力和氢键作用力4种。此外, 还可能存在形成化合物或配合物等的键合力。 2019/7/31 31 范德华力 ① 定向力 - +- + Mobile Phase Flow 2019/7/31 32 ② 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℃ 80.10℃ 2019/7/31 33 ③ 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 2019/7/31 34 ④ 氢键 F—H…F O—H…F O—H…N N—H…N N≡C —N … N 键合力 与固定相分子之间形成化合物或配合物 2019/7/31 35 (3)固定液的特性 固定液的特性主要是指它的极性或选择性,用它可 描述和区别固定液的分离特征。目前大都采用相对极 性和固定液特征常数表示。 2019/7/31 36 ? (3)固定液的特性 – 1)相对极性 P ?规定?,?’-氧二丙腈 P=100,角鲨烷 P=0 ?被测固定液: px ? 100 ? 100 q1 q1 ? qx ? q2 q ? log t?R(丁二烯) 或 log t?R(苯) t ?R(正 丁 烷) t ?R( 环 己 烷) q1—?,?’-氧二丙腈柱上测定值, q2—角鲨烷柱上的测定值, qx—被测固定液柱上测定值 每20个相对极性为一级,0?100分为五级,用+1,+2,…+5 表示,非极性为“-”,共6级 2019/7/31 37 ? (3)固定液的特性 – 2)固定液的特征常数 ? ① 罗胥耐得常数(罗氏常数) 保留指数 I ? ? 100?n ?? ? n log t?R( X ) ? log t?R( n ) log t?R( n?1 ) ? log t?R( n ) ? ? ?? I ? ?I M P ? IP ? IS X ? ?I苯P Y ? ?I乙P 醇 Z ? ?I甲P 乙酮 U ? ?I 硝基甲烷 P S ? ?I吡P 啶 X,Y,Z,U,S分别为固定液对应于苯、乙醇、甲乙酮、硝基甲烷、吡啶 等各种作用力的极性因子,称为固定液的特征常数,即罗氏常数。 把前5种的?I之和叫总极性。 2019/7/31 38 – 2)固定液的特征常数 ? ② 麦克雷诺固定相特征常数 ? 麦氏对罗胥耐德常数改进,选苯、正丁醇、戊酮-2、 硝基丙烷、吡啶、2-甲基戊醇-2、1-碘代丁烷、辛炔-2、 1,4-二噁烷、顺式茚满十种标准物质。 2019/7/31 39 3. 常用的气液色谱固定液 ? 固定液名称 型号 麦氏平均极性 – 角鲨烷 SQ 0 – 阿皮松L APL 29 – 聚二甲基硅氧烷(甲基硅橡胶) SE-30,OV-101 43 – 苯基(10%)甲基聚硅氧烷 OV-3 85 – 苯基(20%)甲基聚硅氧烷 OV-7 118 – 苯基(50%)甲基聚硅氧烷 OV-17 177 – 苯基(60%)甲基聚硅氧烷 OV-22 219 – 三氟丙基(50%)甲基聚硅氧烷 QF-1,OV-210 300 – ?-氰已基(25%)甲基聚硅氧烷 XE-60 357 – 聚乙二醇-20000 PEG-20M 462 – 己二酸二乙二醇酯 DEGA 552 – 丁二酸二乙二醇酯 DEGS 686 – 1,2,3-三(2-氰乙氧基)丙烷 TCEP 829 2019/7/31 40 4.选择性气液色谱固定液 ? 选择性分离手性异构体和位置异构体,主要是手性氨基酸的 衍生物,手性金属配合物,环糊精衍生物,液晶,冠醚类固 定液 ? 1)液晶和高分子液晶固定相:主要分离位置异构体 ? 2)冠醚和高分子冠醚:主要分离位置异构体 ? 3)含手性氨基酸的衍生物聚硅氧烷固定相:分离对映异构体 ? 4)环糊精及其衍生物类手性固定相:分离对映异构体 ? - CD 6个葡萄糖 单元 1.37nm 0.57nm ? - CD 7个葡萄糖 单元 1.53nm 0.78nm ? - CD 1.69nm 0.95nm 8个葡萄糖 单元 次要羟基边 主要羟基边 2019/7/31 41 二、气固色谱固定相 ? 实际上是吸附GC,它的固定相是吸附剂,常用的吸 附剂有碳黑、硅胶、氧化铝等; ? 碳黑:将碳黑在2000-3000度高温煅烧, 对烷烃、脂 肪酸、胺、酚的分离效果很好。; ? 分子筛:比表面积大,对永久性和烃类气体有很好的 分离效果; ? 高分子小球: ? 硅胶:峰易拖尾; ? 氧化铝:主要用于气体和低级烃类的分离。 2019/7/31 42 三、色谱柱的制备 ? 对气固色谱来说,可将担体直接装入色谱柱,对气液色 谱而言,还需将固定液涂布后才能装柱。 ? 固定液涂布:担体颗粒均匀,选好溶剂,按固定液的配 比溶解,溶剂以刚好没过担体为度,为涂布均匀可先用 真空泵将载体抽空,将气体排除,涂布后再脱气。干燥 已涂布的固定液时,给热量要小,速度要慢。 ? 色谱柱的装填:采用手工操作,抽空或轻微震动方可装 填致密均匀。 ? 色谱柱的老化:色谱柱装入GC仪后,在高于色谱操作温 度下,通入载气,空载运行数小时,除去溶剂和杂质, 使固定液液膜进一步均匀化。 2019/7/31 43 抽气 N2 2019/7/31 44 内容 第一节 气相色谱仪的结构 第二节 气相色谱固定相 第三节 气相色谱分离条件的选择 第四节 毛细管气相色谱 第五节 顶空气相色谱 第六节 色谱定性与定量分析 2019/7/31 45 第三节 气相色谱分离条件的选择 分离度 灵敏度 分析速度 气相色谱条件指色谱分析时所用的色谱柱(固定液、柱尺 寸)、柱温、载气和流速、检测器及其温度、进样方法及其 温度。通常在色谱图要注明这些条件。色谱条件的选择和优 化可参考有关色谱理论解释。 2019/7/31 46 一、色谱柱 不锈钢柱;但分析较为活泼的物质时多用玻璃柱。 内径2-3 mm的色谱柱;长度1-3 m。 二、载气和流速 载气选择应考虑分离和检测两方面。 重载气(氮气、氩气)有利于降低纵向扩散; 轻载气(氢气、氦气)有利于降低气相的传质阻力。 TCD应用轻载气,而FID也多用轻载气。 流速对柱效、保留时间和检测器响应均有一定影响,压力或 流量控制质量(即稳定性)在GC分析中非常重要。 GC中的流速表示: 柱前流量:阀、表 柱后流量:泡沫流量计 柱中平均线 三、柱温 柱温的选择是GC分析的一个最重要因素之一。 ? 柱温的选择: ● 样品的沸程 ● 固定液的使用温度 柱温对分离的影响: ● 保留时间:lgtR = A + RT-1 ● 相对保留值:lg? = aT-1 + b ● 柱效:呈双曲线变化 ● 峰高和峰面积:峰高有影响,峰面积无 2019/7/31 48 ⑴ 样品含多个k值差别很大组分。在这种情况下, 若 设计等温, 不能达到最佳分离。 ⑵ 在色谱图上所确定的空间里, 要分离的组分太多而 容纳不下, 超过色谱图的峰容量。 ? 程序升温:在分离过程中, 柱温按预定速率, 随时间呈 线性或非线性增加, 以使各组分在最佳柱温下流出色谱柱。 程序升温用于气相色谱。 2019/7/31 49 12 S 34 56 (a)较低柱温 (b)中等柱温 (c)较高柱温 T t 不同色谱条件的分离图 分离度增加,峰变窄, 有利于痕量组 分的检测, 而且使分析时间减少。 2019/7/31 t 50 对于宽沸程的多组分混合物,可采用程序升温法。柱温较低,低沸点的 组分得到分离,中等沸点的组分移动很慢,高沸点的组分还停留于柱口附 近;随着温度上升,组分由低沸点到高沸点依次分离出来。 2019/7/31 51 ? 怎样理解色谱柱温度在色谱分离中的作用? ? 柱温是热力学因素: lnK=? ?rGm RTc GC中,组分从气相转移至液相(吸附至固体的吸附中心), 相转移焓值大, d lnK d Tc 大,K对柱温变化敏感。GC柱需置于 恒温箱中。HPLC中,组分从一种液相转移到另一种液相, 焓值小,K对柱温变化不敏感,可在室温下操作。 ? 柱温是动力学因素 柱温变化引起分子扩散速率,两相传质速率变化。 ? 所以,选择合适的柱温。提高分离选择性,柱温宜低;为减 小传质阻力,提高柱效,柱温应适当高些。 2019/7/31 52 三、固定液的选择 1. 选择固定液前对样品的了解 2. 选择固定液的基本原则: (1)“相似相溶”原则 (2)特殊作用力:如诱导力,氢键力,受质 子力,给质子力,形成超分子 (3)混合固定液 (4)协同效应:如杯环芳烃和环糊精,液晶 和冠醚 2019/7/31 53 问题:分别用SE-30、邻苯二甲酸二壬酯和聚乙二醇-20M作 固定液,分离①二氯甲烷(40℃) 、②三氯甲烷(62℃)和 ③四氯化碳(77℃) ,预测出峰顺序? SE-30: 非极性固定液,色散力,沸点顺序出峰即①②③ , 邻苯二甲酸二壬酯: 中等极性固定液,色散力和诱导力,①③② 聚乙二醇-20M作固定液:强极性固定液, ①③② 2019/7/31 54 四、进样方式和汽化室温度 ? 进样方式:直接柱头进样;六通阀进样 ? 汽化室温度:汽化室温度应足够高,保证样品瞬间气化。 五、检测器和检测器温度 ? 热导检测器(TCD):基于各种物质有不同的导热系数原 理而设计。它是浓度型的总体性质,即通用检测器。 ? 氢火焰离子化检测器(FID):是一种高灵敏度、线性范 围广、适用于含碳有机物分析的质量型检测器(准通用型检 测器)。 ? 检测器温度:不应低于柱温 2019/7/31 55 内容 第一节 气相色谱仪的结构 第二节 气相色谱固定相 第三节 气相色谱分离条件的选择 第四节 毛细管气相色谱 第五节 顶空气相色谱 第六节 色谱定性与定量分析 2019/7/31 56 第四节 毛细管气相色谱(高分辨气相色谱) 毛细管气相色谱,是指采用高分辨毛细管色谱柱来分离复 杂组分的气相色谱法。它的出现是气相色谱发展史上的一个 重要里程碑。 ●1957年戈雷(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。 ●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载化是毛细管色谱技术的又一个重 要发展。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)。 2019/7/31 57 一、毛细管色谱柱的特点 ① 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。 例如:2.4 m填充柱的柱压降是2.5×10-6 Pa ,在同样的柱压降 下,可使用0.27 mm内径WCOT柱192m ,0.5 mm内径SCOT 柱250m。这就是毛细管柱高柱效的主要原因。 ② 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。可采用较高线 ③ 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1~2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。 ④ 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0.35~1.5?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。 2019/7/31 59 二、毛细管气相色谱柱的类型 毛细管柱 (capillary column), 又称开管柱或空心柱。大 量实验证实它的最大特点在于它的“空心性”, 而不是它的 “细小性”。正确的名称“开管柱”,但习惯称作毛细管柱。 毛细管色谱柱的类型 填充柱 2019/7/31 薄膜毛细管 薄层毛细管 60 1. 常规毛细管柱 内径0.1~0.3mm, 一般0.25mm左右。按内壁的状态可分为: ① 物理涂渍形式 a. 壁涂层毛细管柱(wall coated open tubular column, WCOT): 把固定液涂在毛细管内壁上, 现在大部分毛细管柱是这种类型 的。 b. 多孔层毛细管柱(porous layer open tubular column, PLOT): 先在毛细管内壁上附着或沉积一层多孔固体, 然后再在多孔固 体上涂以固定液。该技术增大了表面积,在不增加液膜厚度的 情况下,加大涂渍量。这样,可提高进样量,有利于痕量分析。 2019/7/31 61 载体涂渍毛细管柱(support coated open tubular column, SCOT):先在毛细管内壁上粘附一层载 体, 如硅藻土载体, 在此载体上涂以固定液。 应该说,SCOT是PLOT中的一种特殊形式。 虽然涂渍型毛细管柱的柱效较高, 但热稳定性 和耐溶剂性较差。于是发展了固载化技术。 2019/7/31 62 ② 固载化形式 a. 键合毛细管柱:将固定液分子中的功能基团通过反应键合 至柱表面,形成一稳定的液膜。。 b. 交联(cross-linking)毛细管柱:采用交联引发剂,在高 温或辐射处理下,将固定液分子化学结合,交联生成一网状 的大分子覆盖在毛细管内壁。 c. 键合交联柱:固定液分子既和内表面键合,其自身又交联 成网状大分子。 2019/7/31 63 2. 小内径毛细管柱 (Microbore column) 内径小于100?m,一般为50?m的弹性石英毛细管。进 行快速分析。在毛细管超临界色谱中多用这类色谱柱。 3. 大内径厚膜毛细管柱 (Megabore Column) 83年HP推出 内径一般为0.53 mm,是弹性石英管,有时也用0.75mm内 径的玻璃毛细管柱。 其固定液膜可以是1?m,或高达5?m的 厚液膜。它可以直接进样分析,用于代替填充柱使用。 这种柱以牺牲部分柱效来增加柱容量、提高流量,以便适 应代替填充柱的要求。 2019/7/31 64 填充柱和毛细管柱的比较 色谱参数 柱长度,m 渗透性×10-7,cm 柱内径,mm 液膜厚度,?m 相比 每个峰的容量,ng 柱效,N/m 最小板高,mm 分离能力 相对压力 最佳线~10E6 500~1000 0.5~2 低 高 5~20 WCOT 10~100 50~800 0.1~0.8 0.1~1 100~1500 100 1000~4000 0.1~2 高 低 10~100 SCOT 10~50 200~1000 0.5~0.8 0.8~2 50~300 50~300 600~1200 0.2~2 中等 低 20~160 65 ? 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 2019/7/31 66 三、 毛细管气相色谱仪 由于毛细管柱的体积流量小、柱容量小和出峰快等特殊性, 毛细管气相色谱仪对气路、进样、检测和记录等方面也有一 些特殊的要求。 ( 1 ) 气 路 系 统 2019/7/31 载气+样品 毛细管柱 补充气 Fc 分流放空 柱后 FID L 67 2019/7/31 68 ? 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),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。 2019/7/31 69 ? 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,要使柱 子不超载,进入柱中的样品量不应超过0.01 - 0.001 ?L。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。 2019/7/31 70 不分流模式 比例阀1 流量传感器 压力传感器 隔垫吹扫调节器 气源 毛细管进样 口 捕集器 开关阀 隔垫出口 分流出口 比例阀2 分流模式 比例阀1 流量传感器 压力传感器 至检测器 隔垫吹扫调节器 气源 毛细管进样口 低速流 高速流 2019/7/31 捕集器 开关阀 隔垫出口 分流出口 比例阀2 至检测器 71 四、 速率方程 Golay推导出毛细管速率方程(p120): H ? 2D M ? (k ? 6k ?11k 2 ) r2 u? 2kd 2 f u u 24(1? k)2 D 3(1? k)2 D M s 分子扩散项;流型扩散项或气相传质项;液相传质项。 与Van Deemter- Golay方程比较: H ? 2?d ? 2?D M ?? k d2 P u? qkd 2 f u P u (1? k)2 D (1? k)2 D M s ① 开管柱只有一个气体流路,没有涡流扩散项, 即A = 0; ② 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; 2019/7/31 72 ③ 传质项与填充柱相当, 而在Cm项则以r代替dp,且Cm一般 比填充柱小。 ④ 除u外的实验参数都视为常数, 则: H = B/u +(Cs+Cm)u ⑤ 最佳线速 : uopt =[B/( Cs+Cm)]1/2 = (B/Cm)1/2 ⑥ 最小塔板高度: Hmin = 2 (BCm)1/2 = r[(1+6k+11k2) / (3(1+k)2)]1/2 = C’’r 细半径毛细管柱有利于提高单位柱长的柱效,是实现毛细 管色谱高效和快速的重要手段。 2019/7/31 73 五、 毛细管色谱柱的制备(P108) 1. 毛细管气相色谱柱的材料 塑料、铜、镍、金、银、不锈钢、石英。 现在使用石英、不锈钢。 2. 毛细管气相色谱柱的拉制 用光导纤维拉制弹性石英毛细管柱,外面涂覆 一层聚酰亚胺或镀铝。 2019/7/31 74 – 3. 毛细管气相色谱柱的预处理 ? (1)粗糙化(易涂渍成均匀的液膜) – 1)沉积石墨化碳黑 – 2)沉积氯化钠,350℃下加热1h – 3)沉积硅烷化二氧化硅,加粘接剂一起涂渍。 ? (2)去活(去活性基团如硅醇基、硅氧桥) – 1)石英毛细管柱的水热处理 – 使石英表面水化,把表面上的硅醇基和硅氧桥转化为 自由硅醇基。 – 2)石英毛细管柱的去活: – PEG20M去活;硅烷化去活;聚硅氧烷高温裂解去活; 含氢硅油裂解去活;全硅烷化去活 2019/7/31 75 – 4. 毛细管气相色谱柱的涂渍 ? (1)毛细管气相色谱柱用的固定液 – 常用聚二甲基硅氧烷(OV-1,SE-30GC) – 含苯基的聚硅氧烷(OV-17硅生胶,OV-25) – 含氰基的聚硅氧烷(OV-225,0V-275,OV-1701) – 含氟聚硅氧烷(OV-210,OV-215) – 聚乙二醇类(Superox20M,Superox4) – 便于交联的聚硅氧烷固定相:引入乙烯基; – 使用端羟基聚硅氧烷;引入间隔基 – 特殊选择性固定相:手性固定相 2019/7/31 76 – 4. 毛细管气相色谱柱的涂渍 ? (2)毛细管气相色谱柱的涂渍 – 1)静态涂渍法 – 2)动态涂渍法 ? (3)毛细管气相色谱柱的交联 – 通过高温缩合或加入引发剂(过氧化物,偶 氮化合物,臭氧等),分子间形成Si—O—Si 键或Si—C—C—Si键,使线型分子为网状结 构,提高固定相的稳定性和耐热性。 2019/7/31 77 毛细管柱常用固定相 ? BSL-110(聚烃) 320℃ ? BSL-210(聚不饱和烃) 275 ? SE-30(甲基硅橡胶) 20~350 ? SE-52(键合5%苯基、甲基硅橡胶或二甲基硅氧烷) 20~350 ? SE-54(1%乙烯基,5%苯基甲基硅橡胶) 20~320 ? SPB-50(键合50:50二苯基:二甲基硅氧烷) 50~300 ? SPB-1701(键合14%氰丙基,86%二甲基硅氧烷) 50~300 ? SP-2125(2%氰丙基,5%苯基硅橡胶) 20~350 ? Superrex-0.1(聚乙二醇,分子量105 50~280 ? Superrex-4 (聚乙二醇,分子量4×106 50~300 ? OV351 (改性聚乙二醇)(极性柱) 50~300 2019/7/31 78 内容 第一节 气相色谱仪的结构 第二节 气相色谱固定相 第三节 气相色谱分离条件的选择 第四节 毛细管气相色谱 第五节 顶空气相色谱 第六节 色谱定性与定量分析 2019/7/31 79 第五节 顶空气相色谱 ? 一、概述 1. 顶空气相色谱的概念 液体或固体中的挥发性成分进行GC分析的一种间接 测定法,它是在热力学平衡的蒸气相与被分析样品同时 存在于一个密闭系统中进行的。实际上,这是一种特殊 的样品采集方法,即“顶空进样技术”。 ? GC headspace Analysis, GC-HS analysis 2. 顶空气相色谱的类别 静态和动态(吹扫-捕集)顶空气相色谱 2019/7/31 80 注射器 密封垫 螺帽 容器 样品 恒温浴 静态顶空气相色谱仪的典型装置 检测器 样品瓶 色谱柱 捕集管 冷却水 N2 样品管 洗 气 水 瓶 浴 动态顶空气相色谱仪的典型装置 阱 样品瓶 检测器 色谱柱 动态(吹扫-捕集)顶空气相色谱原理 静态顶空气相色谱原理 2019/7/31 81 一、概述 3. 静态和动态顶空气相色谱分析的比较 静态顶空气相色谱分析 两相间存在平衡问题 不需要用气体吹扫 样品存在于平衡的气相中 样品用气密性注射器进样 动态顶空气相色谱分析 没有两相间平衡问题 需要用气体吹扫液相或气相 用吸附剂吸附样品并浓缩(或 用冷肼富集) 样品从吸附剂上脱附进入色谱 柱 2019/7/31 82 第五节 顶空气相色谱 ? 二、顶空气相色谱法的原理 1. 色谱峰面积和样品蒸汽分压的关系 ? Ai ? pi Ai = bi pi ? pi = p0i xi ?I Ai = bi p0i xi ?I 2. 顶空气相色谱分析中的校正因子 ? xi = Ai / bi p0i ?I = fi Ai ? ?I = 1 理想溶液 ? ?I = 常数 理想稀溶液 ? ?I = f(x) 线 第五节 顶空气相色谱 ? 三、顶空气相色谱装置 1. 静态顶空气相色谱分析装置 2. 动态顶空气相色谱分析装置 3. 固相萃取、膜渗透萃取与顶空气相色谱结合 载气 渗透膜 加热器 毛细管GC 吸附阱 样品 2019/7/31 84 第五节 顶空气相色谱 ? 四、顶空气相色谱法的应用 1. 浸出液残留溶剂的测定 2. 血样中酒精含量的测定 3. 固体样品中的挥发性有机物 例1:血样中的酒精 ? 30m × 0.53 mm i . d. 涂渍1.5?m聚二甲基硅氧烷 ? 标准样品:0.1%乙醇100ml和正丙醇100ml配制成 1000ml水溶液。 ? 样品50℃,阀温150 ℃,连接管温200 ℃,温度平衡 30min ? He,27ml/min,22ml样品安瓶,加压0.2min,平衡 0.25min,样品管中平衡0.2min,进样0.3min 2019/7/31 85 例2. 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: 5mL青霉素小瓶,取1mL试样(水、尿、血),加入 0.4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0.6mL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。 2019/7/31 86 内容 第一节 气相色谱仪的结构 第二节 气相色谱固定相 第三节 气相色谱分离条件的选择 第四节 毛细管气相色谱 第五节 顶空气相色谱 第六节 色谱定性与定量分析 2019/7/31 87 第六节 色谱定性与定量分析 ? 一、定性方法 1. 利用保留值定性 (1) GC中利用保留值定性的方法 1)已知物对照法 在一定条件下与已知物的保留值对 照,进行定性。 为了避免载气流速和温度微小变化 的影响,可采用: A. 用相对保留值定性 B. 用已知物增加峰高法定性 定性结果往往需用其它方法再加以 确认。 2019/7/31 乙醇 正丙醇 正丁醇 甲醇 正戊醇 88 1.利用保留值定性 (1)气相色谱中利用保留值定性的方法 2)利用文献保留数据定性 ? 保留指数(I)又叫柯瓦茨指数,它仅与柱温和固定相性质 有关,与其它色谱条件无关,不同实验室测定的重现性较好, 精度可达?0.03个指数单位。可以利用保留指数定性。 ? 利用同一物质在同一柱上的保留指数与柱温通常是线性的, 进行内插得到不同柱温的保留指数。可用两三个不同温度时 的保留指数进行对照。 ? 定性结果往往需用其它方法再加以确认。 2019/7/31 89 3)利用保留值的经验规律定性 A.双柱定性 在两根不同极性的柱子上,将未知物与已知物的保留 值或者文献上的保留值(保留指数)进行对比,可以 大大提高定性分析结果的准确度。使用柱子越多,可 信度越高。 实验证明:各类同系物在两根极性不同的色谱柱上的 比保留体积(Vg)的对数成线性。 lg VgII 正构烷烃 酮 伯醇 lgVgI ? A1 lgVgII ? C1 叔醇 仲醇 2019/7/31 lg VgI 90 3)利用保留值的经验规律定性 B.碳数规律定性 同系物间,在一定的温度下,调整保留值(或比 保留值、相对保留值)的对数与该分子的碳数成 线性关系,即: lgVR? 醇类 乙酸酯类 烷烃 甲酸酯类 甲基酮类 碳数 lgVR? ? A2n ? C2 注意:碳原子数为1或2时,以及碳数 较大时,可能与线)利用保留值的经验规律定性 C.沸点规律定性 同族具有相同碳原子数目的碳链异构体的调整 保留值(或比保留值、相对保留值)的对数 与沸点成线性关系,即: Tb/℃ CH2X2 2019/7/31 CX4 CHX3 X代表F,Cl或Br lgVR? lgVR? ? A3Tb ? C3 92 一、定性方法 1.利用保留值定性 (2)LC中利用保留值定性的方法 ? 在LC中,组分的保留行为不仅与固定相有关,还与 流动相的种类、组成有关。在气相色谱中的保留值规 律在液相色谱中就不适用了,也不能直接用保留指数 定性。 ? 在LC中主要是用与已知物对照的方法定性,改变条 件进一步判断。 ? 利用文献数据只能作为参考。 ? 利用三维图谱进行定性,可靠性大大增加。 2019/7/31 93 一、定性方法 2. 收集洗脱物后进行定性 ? 收集分离后组分,分别进行仪器分析、化学分 析或者物理测定方法进行定性。 ?使用中需要注意: ? 使用非破坏性检测器; ? 排除前后组分的干扰; ? 收集时的时间差; ? 溶剂中的杂质,做试剂空白等 2019/7/31 94 一、定性方法 3. 化学衍生法定性 这一方法特别适用于官能团的定性 (1) 柱前预处理法 如:a.含羟基的化合物:与乙酸酐反应,生成乙酸酯,色谱峰提 前的组分是含羟基的化合物。 b. 卤代烷:与乙醇-硝酸银反应,生成白色沉淀色谱峰消失。 c. 伯胺,仲胺:与三氟乙酸酐反应,生成胺类乙酰物,叔胺不 反应,色谱峰消失的为伯胺或仲胺。 d. 石油中烷烯芳烃:与HBr加成,峰后移。 e. 酮类:与2,4-二硝基苯肼反应,生成黄色沉淀,色谱峰消失。 f. 对气体可以使用注射器反应法等 2019/7/31 95 3. 化学衍生法定性 (2) 柱上选择性除去法 ? 预柱反应,利用吸附或化学反应除去某些组分,由 组分的消失来判断组分类别。 (3) 柱后流出物化学反应定性法 ? 将色谱流出物直接通入某些特征试剂中,观察反应 后的变化,如颜色、沉淀、气体等,进行官能团鉴 别。 2019/7/31 96 一、定性方法 4.利用检测器的选择性定性 ? 不同检测器对组分的响应情况不同,可以利用检测 器的选择性进行定性,如FPD,ECD。使用双检测器 进行定性更为准确,可靠。 ? 双检测器并联方式如GC中的FID-FPD,AFID-FID。 双检测器串联方式如ECD-FID,TCD-FPD。 1:1:二二甲甲基基三三硫硫醚醚 2:2:二二烯烯丙丙基基三三硫硫醚醚 3:3:甲甲基基烯烯丙丙基基三三硫硫醚醚 2019/7/31 含有硫化物的混合物的FID-ECD同时记录的色谱图 97 一、定性方法 5.多种方法配合定性 (1)GC-MS和保留指数配合定性 ? GC-MS是色谱定性的强有力工具,但是对有的同分异构 体定性困难。进一步利用保留指数可以提高鉴别的准确性。 ? 如分子式为C10H16的?-蒎烯、莰烯、?-蒎烯的质谱图十 分相似,但保留时间不同,可以利用保留指数确认。 2019/7/31 (2)GC-MS和GC-FTIR配合定性 ? 如叶醇是6个碳原子的不饱和醇,双键位置不同及 顺式和反式结构差异,在GC-MS的总离子流色谱 图上有二组峰,每组峰有一大一小两个峰,这四个 峰质谱图几乎没有差别,结合FTIR可以鉴别这四 个异构体。 98 第六节 色谱定性与定量分析 二、定量分析 1. 色谱定量分析基础 (1)定量分析的基本公式 W = fi Ai ( hi ) 色谱定量需要准确测定峰面积(Ai)或 峰高(hi)和校正因子(fi),选择合适的定 量方法。 2019/7/31 99 (2) A与h的测定: 1)基线)A = h ? W 4)A = h ? (W0.15+W0.85)/2 5)对同系物 A = h ? tR 6)应用积分仪 7)剪纸称重法 7)曲线)绝对校正因子 fi ? mi (ci ) Ai (hi ) (2)相对校正因子 fi? ? fi fs ? mi (ci ) ? As (hs ) ? mi (ci ) ? As (hs ) Ai (hi ) ms (cs ) ms (cs ) ? Ai (hi ) 2019/7/31 101 (4) 响应值与校正因子的关系 1)绝对响应值(si) si ? Ai (hi ) mi (ci ) ? 1 fi 2)相对响应值(s) s ? Ai (hi ) ? ms (cs ) ? fs ? 1 mi (ci ) ? As (hs ) fi fi? 2019/7/31 102 (5) 校正因子f的计算 1)质量相对校正因子 f m? ? As ? mi Ai ? ms 2) 摩尔校正因子 f M? ? As ? mi ? M s Ai ? ms ? Mi ? As ? mi Ai ? ms ? f m? Ms Mi 3) 体积校正因子 fV? ? As ?Vi Ai ?Vs 2019/7/31 103 二、定量分析 2.定量方法 (1) 峰高法和峰面积法的选择 ? 主要决定于检测器的线性范围、峰高和峰面积测量的 准确性和重复性。归一化法最好用峰面积法,其余方法 峰高和峰面积都可使用。 ? 分离度较好,色谱峰形较好,峰面积可以准确测量时, 用峰面积定量为好,特别是GC程序升温和HPLC使用 多元梯度时,最好用峰面积定量。 ? 分离度不好、色谱峰形不好时,用峰高法为好。 ? 保留时间短的用峰高法,长的用峰面积法。 2019/7/31 104 (2) 归一化法 ? Ci ?%? ? fi Ai ? SF?%? fi Ai SF=100 或 =100减不出峰的组分含量 ? 优点是简便、准确,进样量变化及其它操作条件 变化影响小。适合于组分都出峰或确定了不出峰 组分含量的情况。 ? 校正因子的测定较为麻烦。HPLC中很少使用。 2019/7/31 105 (3) 内标法 ? ? ? ? Ci % ? fi Ai ? mis fis Ais m ? f i? Ai Ais ? mis m ? 100 % ? 内标组分:人为加入测定样品的物质。要求样品中没 有,响应情况与待测组分近似,出峰位置与待测组分 接近的物质。 内标峰:内标组分所出的峰。 ? 也可以Ai/Ais ~ Ci/Cis(或mi/mis) 作图,计算组分含量。 ? 在标准溶液与样品中均加入相同体积内标溶液时: Ai/Ais ~ Ci 作图,计算组分含量。 2019/7/31 106 (4) 标准曲线法 Ci ?%? ? fi Ai ?100?%? m 这是最常用的方法。使用中要 Ai 注意,要正确制作标准曲线, 进样量必须一致。对于FPD的 硫型测定时,使用指数的形式 定量。 Ci 2019/7/31 107 (5)内加法 加入一定量的某一组分,由 比较加入前后的峰面积计算 各组分含量。 2 1 A2 A1 1a 2 A’1 A’2 a’ C1 ?%? ? ams a?m ?100?%? a ? A1 A2? A2 2019/7/31 C2 ?%? ? A2? f2ams a?f1m ? 100?%? a? ? A1? ? A1 A2? A2 108 2019/7/31 109 2019/7/31 110

gc气相色谱




 
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