《儀器分析-色譜》課件第2節(jié) 氣相色譜法-2010

1、第二節(jié)氣相色譜法(gas chromatography, GC)2.1、氣相色譜儀2.2、氣相色譜固定相2.3、氣相色譜檢測器2.4、氣相色譜方法開發(fā)2.5、氣相色譜新技術(shù)前言氣相色譜的出現(xiàn)實際上較液相色譜(1903 Tswett) 晚50年。1952年英國人馬丁和辛格發(fā)表第一篇GC論文。1955年推出第一臺商品化儀器。1958年毛細管GC柱問世。1979年出現(xiàn)彈性石英毛細管氣相色譜。氣相色譜已經(jīng)是一門成熟的分析化學(xué)分支。氣相色譜發(fā)展過程氣相色譜基本原理GC是以氣體為流動相。GC主要是利用物質(zhì)的沸點、極性及吸附性質(zhì)的差異來實現(xiàn)混合物的分離。氣相色譜分類按色譜柱分：填充柱、開管柱按固定相狀態(tài)分：

2、氣固色譜、氣液色譜按分離機理分：分配色譜、吸附色譜按進樣方式分：常規(guī)色譜、頂空色譜、裂解色譜氣相色譜法的特點分離效率高 對性質(zhì)極為相似的同分異構(gòu)體、同位素等有很強的分離能力，能分析沸點十分接近的復(fù)雜混合物。例如用毛細管柱可分析汽油中50100 多個組分。靈敏度高使用高靈敏度檢測器可檢測出10 -11 10 -13 g 的痕量物質(zhì)。分析速度快一般完成一個樣品的分析，僅需幾分鐘。樣品用量很少 通常氣體樣品僅需要1mL，液體樣品僅需1L。氣相色譜法的應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍：沸點在450以下，能氣化氣相色譜法的不足之處色譜峰不能直接給出定性的結(jié)果分析無機物和高沸點有機物時比較困難1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3

3、-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計；6-壓力表；4-針形閥；5-流量計；6-壓力表；9-熱導(dǎo)檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；載氣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)2.1、氣相色譜儀2.1.1、氣相色譜結(jié)構(gòu)流程2.2.2 氣路系統(tǒng)常用的氣路連接圖 主供氣體氦氣色譜儀脫氧管脫水管開關(guān)閥二級減壓閥主供氣開關(guān)閥要求：載氣純凈(99.999%)、密閉性好、流速穩(wěn)定及流速測量準確. 載氣：是載送樣品進行分離的惰性氣體。常用的載氣為氮氣、氫氣（在使用氫火焰離子化檢測器時作燃氣，在使用熱導(dǎo)檢測器時常作為載氣）、氦氣、氬氣（由于價格高，應(yīng)用較少） 氣體鋼瓶和減壓閥：載氣一般可由高壓氣體鋼

4、瓶或氣體發(fā)生器來提供。由于氣相色譜儀使用的各種氣體壓力為0.20.4 Mpa，因此需要通過減壓閥使鋼瓶氣源的輸出壓力下降。氣體凈化器 雜質(zhì)：永久氣體、低分子有機化合物、水蒸氣 分子篩：除有機雜質(zhì) 活化：400-600,活化4-6 h 硅膠：除水蒸氣 活化：140 ,活化4-6 h 氧氣捕集器：ECD檢測器和極性強的毛細管柱，容易因氧化而變壞載氣流量的測定 柱前：轉(zhuǎn)子流量計柱后：皂膜流量計 流量穩(wěn)定性直接影響分析重現(xiàn)性一般早期或國產(chǎn)儀器由開關(guān)閥、穩(wěn)壓閥、穩(wěn)流閥、針閥、阻尼管控制EPC氣路控制技術(shù)20 世紀90年代初出現(xiàn)HP公司采用電子壓力傳感器和電子流量控制器，通過計算機實現(xiàn)壓力和流量的自動控制

5、氣路控制系統(tǒng)2.1.3、進樣裝置 進樣裝置：進樣器+氣化室； 液體進樣器： 氣體進樣器（六通閥）：推拉式和旋轉(zhuǎn)式兩種。 試樣首先充滿定量管，切入后，載氣攜帶定量管中的試樣氣體進入分離柱； 氣化室：將液體試樣瞬間氣化的裝置。熱容量要大，溫度要足夠高，氣化室體積盡量小，無死角，以防止樣品擴散，減小死體積，提高柱效。無催化作用石英玻璃襯管襯管填充柱進樣口汽化室溫度分布毛細管柱進樣口（分流）不分流與分流進樣色譜圖比較氣相色譜其他進樣方式冷柱頭進樣程序升溫汽化進樣大體積進樣閥進樣頂空進樣裂解進樣2.1.3、色譜柱色譜柱是色譜系統(tǒng)的心臟！色譜柱類型填充柱柱管：玻璃管柱、不銹鋼柱、聚四氟乙烯柱內(nèi)徑一般為2-

6、4 mm，長 0.5-3 m；形狀為U形或螺旋形；柱填料：粒度為60-80或80-100目的色譜固定相。 液-固色譜：固體吸附劑 液-液色譜：擔體+固定液 柱制備對柱效有較大影響，填料裝填太緊，柱前壓力大，流速慢或?qū)?柱堵死，反之空隙體積大，柱效低。 有關(guān)固定相性質(zhì)及其選擇見下一節(jié)。1958年Golay提出,1979年彈性石英毛細管產(chǎn)生材料：彈性石英尺寸：內(nèi)徑 0.1-0.8 mm 長度一般在25100 m 毛細管柱（開管柱）開管柱特點滲透率高， 柱阻抗小。適合于快速分析柱效高。A=0，且柱長為填充柱的10-100倍。柱容量小。開管柱固定液含量一般只有幾十毫克，有效分離樣品量小。類型： (1)

7、壁涂開管柱(WCOT) (2)多孔層開管柱(PLOT)內(nèi)壁上有多孔層的空心柱 (3)載體涂層開管柱(SCOT) 用二氧化硅、氧化鋁、分子篩、硅藻土等很細顆粒粘附在柱內(nèi)壁，再涂固定液。毛細管氣相色譜與填充柱氣相色譜操作不同之處1 進樣量少，常分流進樣 進樣小了沒有代表性，進樣大了色譜柱超載，影響分離效果。2 安裝尾吹裝置 加速柱末端載氣的流速，減少由于死體積大造成的峰展寬2.1.4、溫度控制系統(tǒng)氣化室、分離室、檢測器三部分在色譜儀操作時均需控制溫度； 氣化室：保證液體試樣瞬間氣化；一般儀器的最高汽化溫度為350420 檢測器：保證被分離后的組分通過時不在此冷凝； 分離室：對分離產(chǎn)生重大影響。 程

8、序升溫為什么要進行程序升溫？通過程序升溫，可以使沸點相差較大的混合物在適合的溫度下獲得好的分離度，并提高分析速度2.1.5、檢測器檢測器是色譜儀的“眼睛”！檢測器的作用是將經(jīng)色譜柱分離后順序流出的化學(xué)組分的信息轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谟涗浀碾娦盘?，然后對被分離物質(zhì)的組成和含量進行鑒定和測量。通常由檢測元件、放大器、顯示記錄三部分組成；2.2、氣相色譜固定相2.2.1、氣固色譜固定相1. 種類 (1) 活性炭 非極性，有較大的比表面積，吸附性較強。 (2) 活性氧化鋁中等極性，適用于常溫下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等氣體的相互分離。CO2能被活性氧化鋁強烈吸附而不能用這種固定相進行分析。 (

9、3) 硅膠 強極性，與活性氧化鋁大致相同的分離性能，除能分析上述物質(zhì)外，還能分析CO2、N2O、NO、NO2等。 (4)分子篩 堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性。除了廣泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分離外，還能夠測定He、Ne、Ar、NO、N2O等。 (5)高分子多孔微球 新型的有機合成固定相（苯乙烯與二乙烯苯共聚）。 適用于水、氣體及低級醇的分析。2、氣固色譜固定相的特點（1）性能與制備和活化條件有很大關(guān)系；（2）同一種固定相，不同廠家或不同活化條件，分離效果差異較大；（3）種類有限，能分離的對象不多；（4）使用方便。2.2.2、氣液色譜固定相 氣液色譜固定相 填充柱： 固定

10、液+擔體（載體） ： 開管柱：固定液直接涂在毛細管內(nèi)壁固定液特點： 固定液在常溫下不一定為液體，但在使用溫度下一定呈液體狀態(tài)。 固定液的種類繁多，選擇余地大，應(yīng)用范圍不斷擴大。 擔體：化學(xué)惰性的多孔性固體顆粒，具有較大比表面積。（1）擔體 a. 硅藻土紅色擔體： 孔徑較小，表孔密集，比表面積較大，機械強度好。適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。缺點是表面存有活性吸附中心點。白色擔體： 煅燒前原料中加入了少量助溶劑（碳酸鈉）。 顆 粒疏松，孔徑較大。比表面積較小，機械強度較差。但吸附性顯著減小，適宜分離極性組分的試樣。b.玻璃微球 具有很小的表面積，非孔性、表面惰性的載體。主要優(yōu)點是能在較低的柱溫

11、下分析高沸點物質(zhì)，使某些熱穩(wěn)定性差但選擇性好的固定液獲得應(yīng)用。缺點是柱負荷量小，只能用于涂漬低配比固定液。c氟載體 耐腐蝕性強，適合于強極性物質(zhì)和腐蝕性氣體的分析。缺點是表面積較小， 機械強度低， 對極性固定液的浸潤性差。 擔體的預(yù)處理 酸洗法 酸洗可除去擔體表面的鐵等金屬氧化物雜質(zhì)。酸洗后的載體可用于分析酸性物和酯類樣品。b堿洗法 堿洗可以除去載體表面的 Al2O3 等酸性作用點。c硅烷化處理 硅烷化處理是指利用硅烷化試劑處理載體，使載體表面的硅醇和硅醚基團失去氫鍵力，消除了色譜峰拖尾現(xiàn)象。（2）固定液 高沸點難揮發(fā)的有機化合物，種類繁多。 對固定液的要求 應(yīng)對被分離試樣中的各組分具有不同的

12、溶解能力，較好的熱穩(wěn)定性，并且不與被分離組分發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，較低蒸氣壓，以免流失。載氣是惰性的，主要作用是：組分和固定液的作用如何選擇固定液？1 相似相溶原則 這一原則是人們研究物質(zhì)溶解過程時總結(jié)出來的規(guī)律，即溶質(zhì)和溶劑在極性、官能團和化學(xué)性質(zhì)等相似時，可以相互溶解。 氣相色譜中，被分離物質(zhì)和固定液的極性、結(jié)構(gòu)、官能團相似時，二者的作用力強，保留時間就長?！皹O性混合物用極性固定液進行分離(定向力），非極性混合物用非極性固定液進行分離(色散力）” 該原則不是在任何情況下都有效的。例如分離苯和環(huán)己烷時使用非極性固定液反而不好，而使用極性固定液就可以把二者分開。同系物或相同官能團的混合物組分在

13、沸點上有差別時，使用相似相溶原則有效。 2 固定液和被分離物分子間的特殊作用力 所謂特殊作用力是指除色散以外的幾種作用力（1） 誘導(dǎo)力 強極性固定液可以使易極化的非極性化合物產(chǎn)生誘導(dǎo)力。例：苯和環(huán)己烷在，-氧二丙腈上十分容易分離。思考：分子結(jié)構(gòu)？ （2） 氫鍵力 例如：二甲胺和三甲胺在甘油固定液上可得到很好的分離。（3） 利用形成超分子的固定液 超分子化學(xué)（supramolecular chemistry）的概念是：“超出單個分子的化學(xué)”，“按照需要形狀設(shè)計出的分子進行分子間相互作用的化學(xué)”。冠醚環(huán)糊精杯芳烴超分子化學(xué)對研究色譜的分離的機理以及設(shè)計特殊選擇性分離介質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。 (4)

14、 混合固定相 對于復(fù)雜的難分離組分通常采用特殊固定液或?qū)煞N甚至兩種以上配合使用；例如：用全戊基-環(huán)糊精（pp-CD）與AgNO3（聚乙二醇400作溶劑）組成混合固定液，分離二甲苯異構(gòu)體。沸點：o-144.4 ; m-139 ; p-138.37 (1)固定液的相對極性規(guī)定：角鯊?fù)椋ó惾椋┑南鄬O性為零，,-氧二丙睛的相對極性為100。固定液的特性固定液的相對極性：不同極性GC柱分離舉例(2) 固定液特征常數(shù) 羅氏常數(shù)和麥氏常數(shù)羅氏常數(shù)：I=Ip(待測固定液）-Is（角鯊?fù)椋┍?優(yōu)選固定液麥氏常數(shù)：x、y、z、u、s表示，分別代表了極性分子間存在著的靜電力（偶極定向力）；極性與非極性分子間

15、存在著的誘導(dǎo)力；非極性分子間的色散力；氫鍵等。也可以用五個數(shù)的總和來表示固定相的極性大小，如：，氧二丙睛五個常數(shù)的總和為4427，是強極性固定相。固定液的一般選擇規(guī)律非極性組分非極性固定液沸點低的物質(zhì)先流出；極性物質(zhì)極性固定液極性小的物質(zhì)先流出；各類極性混合物極性固定液極性小的物質(zhì)先流出；氫鍵型物質(zhì)氫鍵型固定液不易形成氫鍵的物質(zhì)先流出；復(fù)雜混合物兩種或以上混合固定液毛細管柱商品化常用固定液毛細管色譜柱最常用的是聚硅氧烷和聚乙二醇 聚硅氧烷 標準的聚硅氧烷是由許多單個的硅氧烷鏈接而成。每個硅原子與兩個功能基團相連，最常見的功能基團為甲基和苯基，此外還有氰丙基和三氟丙基。非極性：由100甲基取代的

16、，相應(yīng)的柱子牌號有：HP-1、BP-1、DB-1、SE-30等。弱極性：例如：5二苯基-95二甲基聚硅氧烷表示其包含有5的苯基基團和95的甲基基團，相應(yīng)的柱子牌號有：HP-5、BP-5、DB-5、SE-54等。中等極性：如50苯基-甲基聚硅氧烷表示甲基的含量為50)。相應(yīng)的柱子牌號有：HP-50+、BPX-200、DB-17等。 2. 聚乙二醇 聚乙二醇的穩(wěn)定性、使用溫度范圍都比聚硅氧烷要差一些。但由于它的極性比較強，對極性物質(zhì)有特殊的分離效能，所以仍是我們常用的固定相之一。 2.3、氣相色譜檢測器理想的檢測器：2.3.1、檢測器性質(zhì)、分類 濃度型檢測器： 測量的是載氣中通過檢測器組分濃度瞬間

17、的變化，檢測 信號值與組分的濃度成正比。熱導(dǎo)檢測器、電子捕獲檢測器； 質(zhì)量型檢測器： 測量的是載氣中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測信號值與單位時間內(nèi)進入檢測器組分的質(zhì)量成正比。氫火焰離子化檢測器和火焰光度檢測器 廣普型檢測器： 對所有物質(zhì)有響應(yīng)，熱導(dǎo)檢測器； 專屬型檢測器： 對特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)，電子俘獲檢測器；2.3.2、檢測器種類（1）熱導(dǎo)檢測器 thermal conductivity detector, TCDa. 熱導(dǎo)檢測器的結(jié)構(gòu) 池體（一般用不銹鋼制成） 熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、且價廉易加工的鎢絲制成。 參考臂：僅允許純載氣通過，通常連接在進樣裝置之前。 測量臂：

18、需要攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。b、檢測原理 不同的氣體有不同的熱導(dǎo)系數(shù)。鎢絲通電，加熱與散熱達到平衡后，兩臂電阻值： R參=R測 ; R1=R2 則： R參R2=R測R1 無電壓信號輸出；進樣后：測量臂和參考臂的電阻值不等，產(chǎn)生電阻差，R參R測 ，則： R參R2R測R1（2） 氫火焰離子化檢測器 flame ionization detector, FIDa、特點 (1) 典型的質(zhì)量型檢測器; (2) 對有機化合物具有很高的靈敏度; (3) 無機氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng); (4) 氫焰檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速等

19、特點; (5) 比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高出近3個數(shù)量級。b、 氫焰檢測器的結(jié)構(gòu) (1) 在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100300V）構(gòu)成一個外加電場。 (2) 氫焰檢測器需要用到三種氣體： N2 ：載氣攜帶試樣組分； H2 ：為燃氣； 空氣：助燃氣。 使用時需要調(diào)整三者的比例關(guān)系，檢測器靈敏度達到最佳。c、 氫焰檢測器的原理 (1)當含有機物 CnHm的載氣由噴嘴噴出進入火焰時，在C層發(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)生自由基 ： CnHm CH(2)產(chǎn)生的自由基在D層火焰中與外面擴散進來的激發(fā)態(tài)原子氧或分子氧發(fā)生如下反應(yīng)： CH + O CHO+ + e(3)生成的正離子CHO+ 與火焰中大量水分子碰

20、撞而發(fā)生分子離子反應(yīng)： CHO+ + H2O H3O+ + CO(4)化學(xué)電離產(chǎn)生的正離子和電子在外加恒定直流電場的作用下分別向兩極定向運動而產(chǎn)生微電流（約10-610-14A）；(5) 在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進入離子室的被測組分質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測器是質(zhì)量型檢測器。(6)離子電流信號輸出到記錄儀，得到峰面積與組分質(zhì)量成正比的色譜流出曲線（3）電子捕獲檢測器 electron capture detector, ECD 高選擇性檢測器， 僅對含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的靈敏度，檢測下限10-14 g /mL， 對大多數(shù)烴類沒有響應(yīng)。 較多應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品、食品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留量的測定。（4）其他檢測器 火焰光度檢測器(flame photometric detector,FPD) 化合物中硫、磷在富氫火焰中被還原，激發(fā)后，輻射出400、550 nm 左右的光譜，可被檢測； 該檢測器是對含硫、磷化合物的高選擇性檢測器； 熱離子檢測器(thermionic detector, TID) 氮、磷檢測器；對氮