61气相色谱法

第十三章气相色谱法GasChromatography气相色谱法（GC）是英国生物化学家MartinAJP等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复杂的多组分混合物。目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处理器，使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。如气相色谱与质谱（GC－MS）联用、气相色谱与Fourier红外光谱(GC－FTIR）联用、气相色谱与原子发射光谱（GC－AES）联用等。气相色谱也有一定的局限：在没有纯标样条件下，对样品中未知物的定性和定量较为困难，往往需要与红外光谱、质谱等结构分析仪器联用；沸点高、热稳定性差、腐蚀性和反应活性较强的物质，气相色谱分析比较困难。概述2分离依据：主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质差异来实现混合物的分离分类•按色谱柱分填充柱GC开管柱GC•按固定相状态分固定相应用范围气固色谱多孔氧化铝或高分子小球等永久性气体和较低相对分子质量的有机化合物气液色谱高沸点的液体有机物涂渍在惰性载体上应用广泛GC是以气体作为流动相的一种色谱法气相色谱流程1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样口；8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-记录仪；12-温度控制器；载气系统进样系统分离系统检测和放大记录系统温控系统1-6789-1112气相色谱仪42.进样系统包括进样器和气化室进样器注射器——1L、5L、10L等，一般用于液体样品。（现已有全自动液体进样器）六通阀：推拉式和旋转式两种。气化室——使样品瞬间气化而不分解。(进样时间要短，气化速度要快)旋转式六通阀1.气路系统载气连续运行的密闭管路系统。气相色谱仪的结构53.分离系统色谱柱，是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。填充柱：由不锈钢或玻璃材料制成，一般直径2~4mm，长1~10m，内装固定相。有U型和螺旋型两种形状。毛细管柱：内径0.1~0.5mm的不锈钢、玻璃或石英毛细管空心柱，长度30~300m，呈螺旋形，具有分离效率高，速度快，需样品量少，要求检测器的灵敏度高，并且制备较难的特点。6程序升温：指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到最短时间获得最佳分离的目的。4.控制温度系统用于设定、控制、测量色谱柱炉、气化室和检测器三处的温度。恒温程序升温：沸点范围很宽的混合物温度控制75.检测和放大记录系统浓度型检测器——测量组分浓度的瞬间变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。如热导池检测器和电子捕获检测器。质量型检测器——测量组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器的组分的质量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器。根据检测原理不同，检测器分为两类：样品经色谱柱分离后，各成分按照保留时间不同，顺序地随载气进入检测器，检测器把进入的组分按时间及浓度或质量的变化，转化成易于测量的响应信号，经过必要的放大传递给记录仪，最后记录得到该混合样品的色谱流出曲线。8气相色谱固定相气液色谱：液体固定相(包括载体和固定液）气固色谱：固体吸附剂9气液色谱固定相气液色谱固定相是在多孔性的固体小颗粒（担体或载体）表面涂渍上一薄层固定液。与样品发生作用的是固定液而不是载体。10气相色谱载体又称担体，为多孔性颗粒材料。其作用是提供一个大的惰性表面，使固定液能在表面上形成一层薄而均匀的液膜。（l）对载体的要求具有足够大的表面积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应；热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。1.载体气液色谱固定相11（2）载体类型大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体，它是由称为硅藻的单细胞海藻骨架组成，主要成分是二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法不同，又分为:红色载体和白色载体。红色载体是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色，故称红色载体，其特点是表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，如烃类、醇、胺、酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。白色载体是将硅藻土与20％的碳酸钠（助熔剂）混合煅烧而成，它呈白色、比表面积较小、吸附性和催化性弱，适宜于分析各种极性化合物。101，102系列，英国的Celite系列，英国和美国的Chromosorb系列，美国的Gas－ChromA，CL，P，Q，S，Z系列等，都属这一类。非硅藻土载体有有机玻璃微球载体，氟载体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分析，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2。等分析。但由于表面非浸润性，其柱效低。12（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。13（i）酸洗：用3--6mol·cm-3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）等。（3）载体的表面处理14（1）对固定液的基本要求首先是选择性好。固定液的选择性可用相对调整保留值2.1，来衡量。对于填充柱一般要求2.1＞1.15；对于毛细管柱，2.1＞1.08.另外还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。2.固定液15在气相色谱中，载气是惰性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略。在液相中，由于组分浓度低，组分间的作用力也可忽略。液相里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，它不像分子内的化学键那么强。它包括有定向力、诱导力、色散力和氢键作用力4种。前三种统称范德华力，都是由电场作用而引起的。而氢键力则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。此外，固定液与被分离组分间还可能存在形成化合物或配合物等的键合力。（2）组分分子与固定液间的作用力16（3）固定液的特性相对极性112100()100xxqqPqq氧二丙腈角鲨烷被测固定液(lgrrtqt丁二烯）（正丁烷）固定液特征常数罗什耐德(Rohrschneider)常数麦克雷诺(McReynolds)常数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。式中下标1，2和X分别表示氧二丙腈，角鲨烷及被测固定液。由此测得的各种固定液构相对极性均在0～100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。相对极性在0～+l之间的叫非极性固定液，+2级为弱极性固定液，+3级为中等极性，+4～+5为强极性。非极性亦可用“－”表示。112100()100xxqqPqq氧二丙腈角鲨烷被测固定液固定液的相对极性18常用固定液的相对极性19固定液特征常数Rohrschneider常数1966年Rohrschneider提出用保留指数差值ΔI表示固定液的相对极性：ΔI=Ip-Is式中ΔI为任一标准物质保留指数差值，Ip和Is分别为任一标准物质在被测固定液和参比固定液的保留指数。ΔI越大，表示固定液和分子间作用力越大，固定液的选择性越高。McRevnolds常数麦氏常数是在罗氏方法的基础上，1970年由McReynolds提出的改进方案。选用苯、正丁醇、2一戊酮、l一硝基丙烷、吡啶、2一甲基一2一戊醇、碘丁烷、2一辛炔、二氧六环、顺八氢化茚10种物质，在柱温120℃下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的ΔI值。归纳后发现前5种物质已足以表达固定液的相对极性，把该五项之和称为总极性。20固定液的McReynolds常数21（4）固定液的分类固定液的结构类型极性固定液举例分离对象烃类最弱极性角鲨烷、石蜡油分离非极性化合物硅氧烷类极性范围广从弱极性到强极性甲基硅氧烷、苯基硅氧烷、氟基硅氧烷氰基硅氧烷不同极性化合物醇类和醚类强极性聚乙二醇强极性化合物酯类和聚酯中强极性苯甲酸二壬酯应用较广腈和腈醚强极性氧二丙腈、苯乙腈极性化合物有机皂土分离芳香异构体按化学结构分类按相对极性分类22（5）固定液的选择“相似相溶原理”，选择与试样性质（极性）相近的固定相。非极性物质：非极性固定液，按沸点从低到高顺序流出极性物质：极性固定液，按极性从小到大顺序流出非极性和极性混合物：极性固定液，先非极性组分后极性组分能形成氢键的试样：极性或氢键型固定液。不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出复杂的难分离物质：两种或两种以上混合固定液型号名称极性使用温度(C)麦克雷诺常数x’y’z’u’x’角鲨烷2,6,10,15,19,23-六甲基二十四烷非极性20-150000000OV-101聚甲基硅氧烷非极性20-3501757456743234OV-1,SE-30聚甲基硅氧烷非极性100-3501655446542227SE-541%乙烯基,5%苯基,聚甲基硅氧烷弱极性50-3001974649362312OV-1750%苯基,聚甲基硅氧烷中极性0-375119158162243202884OV-210，50%三氟丙基,聚甲基硅氧烷极性0-2751462383584683101520OV-22525%氰丙基,25%苯基,聚甲基硅氧烷极性0-2652283693384923861813PEG-20M聚乙二醇强极性25-2753225363685725102308FFAP聚乙二醇衍生物强极性50-2503405803976026272546OV-275聚二氰烷基硅氧烷强极性25-2506298727631108494219常见固定液的结构和性质24（5）手性选择剂色谱分析法可以通过采用手性选择剂实现对外消旋体的手性拆分。手性选择剂包括手性固定相和手性流动相添加剂两个内容。手性固定相（chiralstationaryphase,CSP）由于具有可以成千上万次使用以及对分离机理的解决和确定分子构型的优越性，得到了广泛的应用。常用的CSP:(i)氢键型手性固定相；(ii)含肽或蛋白质的手性固定相；(iii)金属配体交换手性固定相；(iv)含碳水化合物的手性固定相；(v)形成饱和物的手性固定相。25气固色谱固定相1．常用的固体吸附剂强极性的硅胶；弱极性的氧化铝；非极性的活性炭；特殊作用的分子筛。在气相色谱分析中，气液色谱法固然应用范围广，但它在分离和分析永久性气体及气态烃类时效果并不好。若采用吸附剂作固定相，常利用其对气体的吸附性能差别，可得到较满意的效果。262．人工合成的固定相作为有机固定相的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。气固色谱固定相高分子多孔微球分为极性和非极性两种：（i）非极性的由苯乙烯、二乙烯苯共聚而成；（ii）极性的是在苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入了极性官能团。27气固色谱固定相固定相特性主要用途硅胶氢键型强极性固体吸附剂，多用粗孔硅胶，组成为SiO2nH2O分析N2O，SO2，H2S，SF6，CF2Cl2，以及C1~C4烷烃氧化铝中等极性吸附剂，多用型晶体，热稳定性和机械强度好分析C1-C4烷烃，低温也可分离氢的同位