第十四章气相色谱法.

第十四章气相色谱法第十四章气相色谱法一、概述二、气相色谱法的基本理论三、色谱柱四、检测器五、分离条件的选择六、定性与定量分析方法概述气相色谱法：以气体为流动相的柱色谱分离技术一、GC分类1.按固定相分气-固色谱气-液色谱2.按分离原理分吸附色谱分配色谱3.按柱子粗细分填充柱色谱毛细管柱色谱概述二、气相色谱法的特点“三高”“一快”“一广”适于分析气体、易挥发的液体及固体不适合分析不易气化或不稳定性物质样品的衍生化使应用范围进一步扩大占有机物20%概述三、气相色谱仪的组成载气系统进样系统分离系统检测系统记录系统气相色谱法的基本理论-基本概念1、流出曲线流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线色谱峰：流出曲线上突起部分正常峰（对称）fs=0.95～1.05非正常峰前沿峰fs＜0.95拖尾峰fs＞1.05色谱峰不对称因子ABAAWfhs2)(205.0气相色谱法的基本理论-基本概念2、定性参数：保留值保留时间tR：从进样开始到组分出现浓度极大点时所需时间，即组分通过色谱柱所需要的时间死时间tm：不被固定相溶解或吸附的组分的保留时间（即组分在流动相中的所消耗的时间），或流动相充满柱内空隙体积占据的空间所需要的时间，又称流动相保留时间调整保留时间tR’：组分的保留时间与死时间之差值，即组分在固定相中滞留的时间气相色谱法的基本理论-基本概念气相色谱法的基本理论-基本概念2、定性参数保留体积（VR）：从进样开始到某个组分的色谱峰峰顶的保留时间内通过色谱柱的载气体积。VR=tR.×FcFc为载气流速，Fc大，tR就小。所以VR与载气流速无关死体积（VM）：有进样器至检测器的流路中，未被固定相占有的空间。包括导管的容积、色谱柱中固定相颗粒的间隙等。VM=tR×Fc死体积是定值，死体积大，色谱峰扩张，柱效降低。调整保留体积（VR’）：VR’=VR-VMVR’与载气流速无关,是定值气相色谱法的基本理论-基本概念2、定性参数相对保留值（ris):：选择性系数，调整保留值之比。气相色谱法的基本理论-基本概念2、定性参数保留指数I：在气相色谱中，常把组分的保留行为换算为相当于正构烷烃的保留行为/)(/)(/)(/)(lglglglg100zRnzRzRxRxttttnzI气相色谱法的基本理论-基本概念3、定量参数峰高：色谱峰的峰顶至基线的垂直距离（h）峰面积：色谱峰与基线所包围的面积（A）气相色谱法的基本理论-基本概念4、色谱峰的区域宽度，柱效参数标准差σ：正态分布色谱曲线两拐点距离的一半σ→对应0.607h处峰宽的一半注：σ↓小，峰↓窄，柱效↑高半峰宽W1/2：峰高一半处所对应的峰宽峰宽W：正态分布色谱曲线两拐点切线与基线相交的截距除了用于衡量柱效，还可以计算峰面积气相色谱法的基本理论-基本概念容量因子：指组分在固定相与流动相中的质量比msmmk保留因子不仅与温度和压力有关，还与固定相和流动相的体积有关mmSsmsVCVCmmk分配系数与容量因子的关系mSVVKk气相色谱法的基本理论-基本概念5、分配系数气相色谱法的基本理论-基本概念/1/21212RRttkkKK分配系数比色谱分离的前提是'2'1RRtt21kk12KK气相色谱法的基本理论-基本理论一、塔板理论二、速率理论气相色谱法的基本理论-基本理论-塔板理论基本假设：色谱柱每个H高度内有一块塔板，共有若干块塔板组分在每块塔板两相间分配达平衡，K小的先出柱多次分配平衡，K有微小差异组分仍可获较好分离气相色谱法的基本理论-基本理论-塔板理论四个理论假定：1．在柱内一小段高度内组分分配瞬间达平衡（H→理论塔板高度）2．载气非连续而是间歇式（脉动式）进入色谱柱，每次进气一个塔板体积3．样品和载气均加在第0号塔板上，且忽略样品沿柱方向的纵向扩散4．分配系数在各塔板上是常数气相色谱法的基本理论-基本理论-塔板理论理论塔板数和塔板高度的计算理论塔板高度H——为使组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需要的柱长理论塔板数N——组分流过色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数气相色谱法的基本理论-基本理论-塔板理论例：在2m，5%的阿皮松柱，柱温为100℃，记录纸速为2.0cm/min的实验条件下，测得苯的保留时间为1.5分，半峰宽为0.20cm，求理论塔板高度mmHn7.1102.12000102.1)0.2/20.050.1(54.5332气相色谱法的基本理论-基本理论-塔板理论范第姆特（VanDeemter）方程吸收了塔板理论的有效成果——H，并从动力学角度较好地解释了影响柱效的因素CuuBAH涡流扩散项纵向扩散系数传质阻力系数高，峰越尖锐，柱效，，一定，三个常数注：nHu气相色谱法的基本理论-基本理论-速率理论1、涡流扩散项（A）产生原因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒的阻力→路径不同→涡流扩散填充不规则因子—填充颗粒直径—dp影响因素：固体颗粒越小，填充越实，A项越小注：颗粒太小，柱压过高不易填均匀填充柱60～100目毛细管柱A=0，n理较高气相色谱法的基本理论-基本理论-速率理论气相色谱法的基本理论-基本理论-速率理论2、纵向扩散项（分子扩散系数）B产生原因：峰在固定相中被流动相推动向前、展开→两边浓度差）弯曲因子（—111空心毛细管柱填充柱数（常数）组分在载气中的扩散系—gD影响因素：Dg与载气分子量的平方根成反比，和温度成正比gRggRDMTtMTDDBtB或,,柱效nHB,气相色谱法的基本理论-基本理论-速率理论3、传质阻力项Cu产生原因：样品在气液两相分配，样品未及溶解就被带走，从而造成峰扩张固定液液膜厚度—df系数组分在固定液中的扩散—lD影响因素气相色谱法的基本理论-基本理论-速率理论注：固定液应完全覆盖载体表面，不可以太薄，否则柱子寿命短，k太小；T不可以超过固定液最佳使用温度小结：范氏方程说明了在色谱分离条件的选择中，填充均匀程度、填充物的粒度、流动相的种类及流速、固定相的液膜厚度等对柱效和峰展宽的影响气相色谱法的基本理论-基本理论-速率理论色谱柱组成一、气液分配色谱柱二、气固吸附色谱柱柱管填充剂填充柱：2~4米柱长，2~6mm内径毛细管柱：几十米~几百米柱长0.1~0.5mm内径固体吸附剂——气-固吸附色谱柱载体+固定液——气-液分配色谱柱色谱柱（二）固定液1．要求：（1）操作柱温下固定液呈液态（易于形成均匀液膜）（2）操作条件下固定液热稳定性和化学稳定性好（3）固定液的蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低）（4）固定液对样品应有较好的溶解度及选择性2．分类：化学分类法极性分类法化学分类法A．烃类：烷烃，芳烃例角鲨烷——标准的非极性固定液B．硅氧烷类：（a）甲基硅氧烷：弱极性甲基硅油（n﹤400）甲基硅油Ⅰ——2300C甲基硅橡胶（n﹥400）SE30，OV1——3500C（b）苯基硅氧烷：极性稍强（随苯基↑，极性↑）甲基苯基硅油（n﹤400）甲基苯基硅橡胶（n﹥400）：按苯基含量不同分低苯基硅橡胶SE52——含苯基5%，3500C中苯基硅橡胶OV17——含苯基50%，3500C高苯基硅橡胶OV25——含苯基75%，3500C（c）氟烷基硅氧烷：中等极性（d）氰基硅氧烷：强极性C．醇类（氢键形固定液）非聚合醇聚合醇聚乙二醇（PEG-20M——2500C）D．酯类：中强极性固定液非聚酯类聚酯类丁二酸二乙二醇聚酯（PDEGS或DEGS）极性分类法：a．相对极性法b．固定液常数法（罗氏特征常数法和麦氏常数法）罗氏特征常数法：β，β/-氧二丙腈的相对极性为100，非极性的鲨鱼烷为0，其他固定液的相对极性在0～100之间，每20为一级。0，+1为非极性，+2，+3为中等极性；+4，+5为极性（1）按相似相溶原则选择a．按极性相似原则选择：固定液与被测组分极性“相似相溶”，K大，选择性好非极性组分——选非极性固定液，按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱中等极性组分——选中等极性固定液，基本按沸点顺序出柱强极性组分——选极性固定液按极性顺序出柱，极性强的后出柱注：对于中等极性组分，若沸点相同，则按极性顺序出柱，极性较强的后出柱b．按化学官能团相似选择：固定液与被测组分化学官能团相似，作用力强，选择性高酯类——选酯或聚酯固定液醇类——选醇类或聚乙二醇固定液（2）按组分性质的主要差别选择组分的沸点差别为主——选非极性固定液按沸点顺序出柱沸点低的先出柱组分的极性差别为主——选极性固定液按极性强弱出柱极性弱的先出柱例：苯（80.10C），环己烷（80.70C）选非极性柱——分不开；选中强极性柱——较好分离，环己烷先出柱（一）载体1．作用：承载固定液的作用2．要求：比表面积大（多涂渍固定液）无吸附性（不吸附被测组分）化学惰性（不与固定液发生化学反应）热稳定性好一定的机械强度3．分类：（1）硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒红色：吸附力强，与非极性物质配伍白色：吸附力弱，与极性物质配伍（2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球，氟塑载体，含氟化合物4．载体的处理方法——钝化，减弱吸附性酸洗：用于分析酸类和酯类碱洗：用于分析胺类等碱性化合物硅烷化：用于具有形成氢键能力的较强的化合物表面釉化二、气-固吸附色谱柱固定相：1）吸附剂——硅胶，AL2O3（极性，吸附力强）活性炭（非极性）2）分子筛：吸附+分子筛3）高分子多孔微球——GDX有机合成高分子聚合物吸附+分配机制装柱过程：1）空柱管→酸洗，碱洗，乙醚洗2）固定液（20%）→溶解在有机溶剂→载体3）静态老化4）动态老化第四节检测器检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为电信号的装置一、检测器的性能指标二、常用检测器的特点和检测一、检测器的性能指标（一）噪声与漂移（二）灵敏度（三）检测限（一）噪声与漂移1．噪声：无样品通过时，由仪器本身和工作条件等偶然因素引起基线的起伏称为~（以噪声带衡量）2．漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为~（以一小时内的基线水平变化来表示）（二）灵敏度（响应值，应答值）1．浓度型检测器的灵敏度（Sc）灵敏度越高，噪音越大2．质量型检测器的灵敏度（Sm）（三）检测限（敏感度）：组分峰高为噪音二倍时的灵敏度检测限↓小，仪器性能↑好检测限检查时，一般要求信噪比为3或2:1质量型检测器浓度型检测器二、气相色谱检测器分类：按检测原理分浓度型检测器：测量组分浓度的变化响应值与组分的浓度成正比（TCD）质量型检测器：测量组分质量流速的变化响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比（FID）二、常用检测器的特点和检测原理（一）热导检测器（TCD）（二）氢焰检测器（FID）（三）其他检测器（一）热导检测器（TCD）1．特点2．结构3．检测原理4．影响因素及注意事项1．特点：浓度型检测器优点：1）通用型，应用广泛2）结构简单3）稳定性好4）线性范围宽5）不破坏组分，可重新收集制备缺点：与其他检测器比灵敏度稍低（因大多数组分与载气热导率差别不大）2．结构及检测原理：依据组分与载气的热导率差别进行检测1）进样前：两臂均通载气时2）进样后：测量臂通样品气体+载气参比臂通载气时基线，，，，0043212121GABIVRRRRRR色谱峰，，，，0043212121GABIVRRRRRR3．影响因素及注意事项（1）桥流↑，灵敏度↑灵敏度足够时，桥流应尽可能小（100～200mA）先通载气，再给桥流（2）⊿λ↑，灵敏度↑，选λ大的做载气λ载λ组，出正峰λ载=λ组，不出峰λ载λ组，出倒峰λH2λHeλN2——选氢气做载气（3）T池↓，池体与热丝温差↑，灵敏度↑保证T检T柱，以免造成检测器污染（4）浓度型检测器，A∝1/u，以A定量，应保持u一定（峰面积定量依据）（二）氢焰检测器（FID）1．特点2．检测原理和离子化机理3．操作条件选择和注意事项1．特点：质量型检测器优点：专属型检测器（只能测含C有机物）灵敏度高（TCD）响应快线性范围宽缺点：燃烧会破坏离子原形，