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1 第十八章气相色谱法 Gas Chromatography 2017/4/6 1

2 第一节气相色谱法的分类和一般流程 一 气相色谱法的特点 高分离效能高选择性高灵敏度简单 快速应用范围广样品应易于气化 2017/4/6 2

3 二 气相色谱法的分类 按固定相的物态 按柱的情况 按分离机制 GSC GLC 填充柱毛细管柱吸附色谱法分配色谱法 2017/4/6 3

4 三 GC 的一般流程 气路系统 进样系统 色谱柱 检测系统 控制和数据处理系统 2017/4/6 4

5 第二节气相色谱固定相和流动相 一 气液色谱固定相 固定液 载体 固定液 对固定液的要求固定液的分类固定液的选择载体 2017/4/6 5

6 ( 一 ) 固定液 1. 对固定液的要求 2. 分类 在操作温度下蒸气压低热稳定性好选择性能高溶解能力强, 分配系数较大 (1) 化学分类 (2) 极性分类 烃类 聚硅氧烷类 聚乙二醇 酯类等 相对极性 P 2017/4/6 6

7 相对极性, - 氧二丙腈 100 鲨鱼烷 0 测定方法 物质对 : 苯 / 环己烷 q lg t t ' R苯 ' R环己烷, - 氧二丙腈 q 1 鲨鱼烷 q 2 P x q q 1 1 q q x 2 待测固定液柱 q x 2017/4/6 相对极性 P 值,0 到 +5 级极性依次增大 7

8 3. 固定液的选择 相似性原则 极性相似 官能团相似 相似时, 相互作用力最强, 选择性最高 注意混合物中组分性质的主要差别 2017/4/6 8

9 相似性原则 按极性相似原则选择 样品 ( 组分 ) 固定液作用力出柱顺序 非 ( 弱 ) 极性 非极性 (OV-101) 色散力 低沸点先出柱 中等极性 中等极性 (OV-17) 诱导力和色散力 低沸点先出柱 极性 ( 强 ) 极性 极性 (OV-225) 静电力 极性强后出柱 形成氢键 氢键型 (PEG20M) 氢键力 不易形成氢键的化合物先出柱 2017/4/6 9

10 ( 二 ) 载体 1. 对载体的要求 比表面积大孔穴结构好 表面无 ( 或很弱 ) 吸附 热稳定性好, 化学稳定性好 粒度均匀, 有一定的机械强度等 2. 载体的分类 非硅藻土型 硅藻土型 红色载体 配非极性固定液 白色载体 配极性固定液 3. 载体的钝化 除去或减弱载体表面的活性中心 碱洗法 酸洗法 硅烷化法 2017/4/6 10

11 二 气固色谱固定相 固定相 吸附剂 分子筛 高分子多孔微球 化学键合相 耐高温 峰形对称 柱寿命长 三 载气 ( 流动相 ) 氢气 氮气 氦气 2017/4/6 11

12 第三节气相色谱检测器 热导检测器 (thermal conductivity detector TCD) 氢火焰离子化检测器 (hydrogen flame ionization detector FID) 电子捕获检测器 (electron capature detector ECD) 其他 2017/4/6 12

13 一 检测器的性能指标 灵敏度 噪音和漂移 检测限 浓度型 S c mv ml/mg 质量型 S m mv s/g D = 2N/S mv 2017/4/6 13

14 二 热导检测器 (TCD ) 检测原理热导率差异 R 1 R 2 R 1 /R 2 R 3 /R 4 R 3 R 4 ma 结构简单 不破坏样品 通用性强, 灵敏度较低 2017/4/6 14

15 注意事项 浓度型, 进样量一定时, 峰面积与载气流速成反比 不通载气不能加桥电流, 避免损坏热敏元件 载气与组分热导率相差越大, 检测器越灵敏 增加桥电流可增加灵敏度, 但噪音也会增大 降低检测器温度可提高灵敏度, 但不得低于柱温 2017/4/6 15

16 三 氢焰离子化检测器 (FID) 收集极 发射极 150~300V 燃气 检测原理有机物在氢焰的作用下, 电化学电离产生离子流, 借助离子流强度进行检测 载气 响应快 灵敏度高 线性范围宽, 破坏样品 测定含碳化合物 2017/4/6 16

17 注意事项 氢氮比 空气流量 N 2 :H 2 1:1~1:1.5 H 2 : 空气 1:1~1:10 质量型检测器 峰高与载气流速成正比, 一般以峰面积定量 2017/4/6 17

18 四 电子捕获检测器 (ECD) 检测原理 射线激发 载气 ( 如 N 2 ) N e 电负性强的物质 或 AB + e (AB) - AB + e A - + B 载气入口 放射源 灵敏度高 选择性好, 测定含有强电负性的物质 2017/4/6 18 载气出口

19 注意事项 载气纯度可用氩气或氮气, 高纯氮的纯度 >99.99% 载气流速由实验条件选择最佳流速, 通常为 40~100ml/min 含放射源, 应注意安全, 不得随意拆卸 2017/4/6 19

20 第四节分离条件的选择 一 气相色谱速率理论 H=A + B/u + Cu 涡流扩散项 A 纵向扩散系数 B 传质阻抗项 C 2017/4/6 20

21 1. 涡流扩散项 A H=A + B/u + Cu A = 2d p 填充不规则因子 d p 填料 ( 固定相 ) 颗粒的直径 要使 A 填充均匀, 粒径较细 粒度 60~80 目 /80~100 目 2017/4/6 21

22 2. 纵向扩散项 B/u H=A + B/u + Cu B = 2D g 与填充物有关 填充柱 < 1 (0.5~0.7) 毛细管柱 = 1 无阻碍 D g 扩散系数 组分分子量 D g 柱温 D g 要使 B/u 增大 u(u 最佳 ) 降低柱温 选用分子量大的载气 2017/4/6 22

23 3. 传质阻抗项 Cu 气 液溶解 液 气挥发 C g 气相传质阻抗系数 C l 液相传质阻抗系数 C=C g +C l C l >>C g C C l C l = 2 3 k (1+k) 2 d f 2 D l 要使 C l 降低 d f ( 液膜厚度 ) 增大 D l ( 组分在固定液中扩散系数 ) 2017/4/6 23

24 综合考虑各种影响因素 载体 柱温 互相制约 综合考虑 载气 固定液 2017/4/6 24

25 二 实验条件的选择 分离方程式 R n ( 1 )( k 4 2 a b c k2 ) 1 a 柱效项 b 选择性项 c 柱容量项 2017/4/6 25

26 1. 固定相 R n ( 1 )( k 4 2 k2 ) 1 反映了固定液的选择性 =1 时, 无论柱效有多高, 两组分均无法分离! =K 2 /K 1 = k 2 /k 1 =1 时,R=0 越大,R 越大 增加, 分离选择性增加, 分离度提高 2017/4/6 26

27 k R R n ( 1 )( k 4 2 k2 ) 1 k k+1 1 k k/(k+1) k 与固定相用量 流动相流速和柱温有关 在前两者确定的情况下, 主要受柱温的影响 增加固定液用量, 可增大 k, 分离度提高, 但分析时间延长 2017/4/6 27

28 R n ( 1 )( k 4 2 k2 ) 1 n 影响峰的宽度 n 主要受色谱柱的性能 载气流速和种类等的影响 载气的流速和种类 柱温 柱长 其他条件 2017/4/6 28

29 2. 载气的流速和种类 种类两个方面考虑 : 低流速时 u 小 B/u 为主 N 2 高流速时 u 大 Cu 为主 H 2 流速 最佳流速附近 u > u opt 2017/4/6 29

30 3. 柱温 不能超过固定液最高使用温度 尽可能好的分离度前提下较低柱温 试样沸点柱温固定液配比 300~400 0 C < 沸点 100~150 0 C 1~3% <300 0 C < 平均沸点 50 0 C 5~25% 宽沸程样品采用程序升温法 在一个分析周期内, 按一定程序不断改变色谱柱温度, 称为程序升温 2017/4/6 30

31 宽沸程样品的恒温与程序升温色谱分离效果比较 2017/4/6 31

32 4. 柱长 R 1 R 2 = 2 n 1 L 1 n 2 = L 2 达到一定分离度的前提下, 尽可能使用短柱 5. 其它条件的选择 气化室温度等于 / 稍高于样品沸点 检测室温度高于柱温进样量需控制 时间 进样量 2017/4/6 32

33 三 样品的预处理 挥发性 / 热稳定性差 分解法 衍生化法 水解法 热裂解法 酯化法 硅烷化法 酰化法 羧基 有机沸点高热不稳定等 羟基 氨基 酯基 TMS 取代活泼氢 酰化产物 2017/4/6 33

34 第五节毛细管气相色谱法 CGC 毛细管柱的出现 1957 年 Golay, 发明了空心毛细管柱 (capillary column), 又称为开管柱 (open tubular column) 上世纪 60 年代不锈钢毛细管涂渍固定液 1970 年代用玻璃材料做毛细管柱 1979 年石英毛细管柱问世, 开创了毛细管色谱的新纪元 2017/4/6 34

35 一 CGC 的特点和分类 特点 分离效能高柱效可达 10 4 ~10 6 柱渗透性好柱容量小易实现气质应用范围广 较高载气流速, 分析速度快 上样量少, 需分流进样 易维持质谱仪的真空度 体液分析 药动学研究等, 有机溶剂残留 兴奋剂检测等 2017/4/6 35

36 分类 填充型填充毛细管柱微型填充柱开管型 常规 0.1~0.35mm 小内径 <0.1mm 大内径 <0.53mm 涂壁多孔层载体涂层交联和键合 2017/4/6 36

37 二 毛细管色谱速率理论和实验条件的选择 ( 一 ) 毛细管气相色谱速率方程 Golay 方程 : H=B/u+Cgu+C l u A=0 B=2D g Cu=(C g +C l )u H 2D u g r 2 (1 6k 11k 2 24D (1 k) g 2 ) u 2 3 kdf (1 k) 2017/4/6 2 2 D l u 37

38 ( 二 ) 毛细管色谱操作条件的选择 1. 毛细管柱的直径 H 与 r 2 成正比, 即内径 越细, 柱效越高 目前主要采用内径 100~300 m 的毛细管柱 H 2D u g r 2 (1 6k 11k 2 24D (1 k) g 2 ) u 2 3 kdf (1 k) 2 2 D l u 2017/4/6 38

39 2. 载气的选择 H e H 2 N 2 载气效应的 Golay 曲线 2017/4/6 39

40 3. 液膜厚度 液膜厚度增加,H 增加,n 下降 液膜厚度需按分析要求决定 : 挥发性高保留值小 挥发性低热稳定性差 快速分析 >1m 薄液膜柱 可低至 0.05 m 2017/4/6 40

41 三 毛细管气相色谱系统 ( 一 ) 毛细管柱的制备 涂渍 交联 固定液液膜 化学键合相 2017/4/6 41

42 涂渍毛细管柱 拉制 柱表面处理 固定液涂渍 色谱柱的粗糙化 氯化氢刻蚀法 沉积颗粒法 石英毛细管柱的去活 ( 钝化 ) 硅烷化 固定液涂渍 动态法 静态法 2017/4/6 42

43 ( 二 ) 进样系统 要求 : 由进样系统带来的谱带加宽越小越好进样方式 : 分流进样 分流 / 无分流进样 柱头进样 程序升温气化进样 2017/4/6 43

44 分流进样 / 不分流进样 分流比进柱的试样组分的摩尔数与放空的试样组分摩尔数的相对值 分流比 =F c / F v 例如 : 柱出口流速 1ml/min, 分流器放空流速 99ml/min, 则分流比为 1:99 或 99:1 2017/4/6 44

45 分流进样的特点 优点 操作简单 柱外效应小, 柱效高 不污染色谱柱 缺点 非线性分流 载气消耗大 无分流进样时 注意 样品较稀时 程序升温时起始温度低于溶剂沸点 易使用交联毛细管柱 2017/4/6 45

46 ( 三 ) 顶空气相色谱法 原理 装置 注意事项 避免污染取样针 溶剂的选择 平衡时间 易挥发性的微量组分 特点 : 避免分析柱污染 考虑基质影响 2017/4/6 46

47 第六节定性与定量分析一 定性分析方法 已知物对照定性利用相对保留值利用保留指数定性官能团分类测定法与其它方法结合 2017/4/6 47

48 1. 已知物对照法 2. 相对保留值 2017/4/6 48 最常用的定性方法与组分的性质 固定液的性质 柱温有关与固定液的用量 柱长 流速及填充情况等无关可查手册或文献重复性和准确度好时定性的重要手段 3. 保留指数 ' ' 2,1 1 2 R R t t r ' ) ( ' ) ( ' ) ( ' ) ( lg lg lg lg N R n N R N R A R A t t t t n N I

49 4. 官能团分类测定法 粗略定性 5. 两谱联用 气相色谱 质谱联用 (GC-MS) 气相色谱 傅立叶红外 (GC-FTIR) 有效的定性方法应用越来越多 2017/4/6 49

50 二 定量分析方法 ( 一 ) 系统适用性试验 1. 理论塔板数 n 2. 分离度 R 3. 重复性 RSD 4. 拖尾因子 T 2017/4/6 50

51 ( 一 ) 定量校正因子 绝对校正因子 相对校正因子 色谱定量分析的依据是被测组分量与检测器的响应信号成正比, 即 m i = f i 'A i 绝对校正因子 f i ' 2017/4/6 51

52 绝对校正因子 相对校正因子 相对重量校正因子 f i ' f i = f s ' = m i /A i m s /A s = m i A s m s A i FID 时, 常用正庚烷作标准物质 TCD 时, 常用苯作标准物质 2017/4/6 52

53 相对校正因子的测定 查手册 自己测定 f = m i A s m s A i 精称待测物质和标准物质 混合后进样 得出峰面积 求出校正因子 2017/4/6 53

54 ( 二 ) 定量方法 归一化法 外标法 内标法 内标对比法 ( 已知浓度样品对照法 ) 2017/4/6 54

55 1. 归一化法 c i %= 100 % A i f i A 1 f 1 +A 2 f 2 + +A n f n 简便 准确 定量结果与进样量无关 必须所有组分在一个分析周期内都出峰 2017/4/6 55

56 2. 外标法 标准曲线法 外标一点法 m i = A i (A i ) s ( m i ) s 若进样体积相等 c i = A i (A i ) s ( c i ) s 操作简单, 计算方便, 不需用校正因子 操作条件和进样量要求严格控制 2017/4/6 56

57 3. 内标法 在样品 (m) 内加入一定量内标物 (m i s ) m i A i m A is is f i f is mi m is A A i is f f i is 内标 试样中不存在的纯物质, 溶于样品且与各组分分离, 保留时间合适 w i mi % 100% m w i % mi 100% m Ai A is f f i is m m is 可消除操作条件变化所引起的误差, 定量较准确 每次分析都要准确称取试样和内标物的质量 2017/4/6 57

58 4. 内标校正曲线法 不必测出校正因子, 不需严格进样体积 2017/4/6 58 A i /A is C 标样标样 ) ( i i is i is i c c A A A A / ) / ( 标标样样 ) ( i / ) / ( c A A A A c is i is i i 内标对比法

59 例 : 无水乙醇中微量水的测定 ( 内标法 ) 样品 : 无水乙醇 100ml 79.39g 内标 : 无水甲醇 g 色谱条件 : 固定相 :401 有机载体 /GDX-203 柱长 : 2m 载气 :N 2 柱温 :120C, 气化室温度 :160C 检测器 TCD, 无水乙醇中微量水分测定 2017/4/6 59

60 测得数据 : 组分 水 甲醇 (is) 峰面积 校正因子 结果计算 : Ai fi ms wi % 100% A f m is is O% H 2 A A 水 甲醇 f f 水 甲醇 m m 甲醇 样 100% % % 2017/4/6 60

61 5. 标准加入法 在待测样品中加入一定量待测组分的对照品, 测 定峰面积的增量 m i A i A s m i m i A ' i / A A i ' r / A r A i / A r m i 难以找到合适内标物时可采用 2017/4/6 61

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