-氣相色譜分析課件

1、現(xiàn)代色譜分析Modern chromatographic analysis主講：李 輝 第 2 章 氣相色譜法Gas Chromatography,GC時(shí)間：周二9-11節(jié)地點(diǎn)：2328室 10/10/20221 Modern chromatographic analysis現(xiàn)代色譜分析Modern chromatographic a本章講授內(nèi)容2.1 氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)2.2 氣相色譜固定相2.3 氣相色譜流動(dòng)性2.4 氣相色譜檢測器2.5 氣相色譜操作條件的選擇10/10/20222 Modern chromatographic analysis本章講授內(nèi)容2.1 氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)2.2 氣

2、相色譜固定相2 氣相色譜法（GC）是英國生物化學(xué)家 Martin 等人于1952年創(chuàng)立的一種極有效的分離方法，它可分離和分析復(fù)雜的多組分混合物。 目前由于使用了高效能的色譜柱，高靈敏度的檢測器及微處理機(jī)，使得氣相色譜法成為一種分析速度快、靈敏度高、應(yīng)用范圍廣的分析方法。如氣相色譜與質(zhì)譜（GCMS）聯(lián)用、氣相色譜與Fourier紅外光譜(GCFTIR）聯(lián)用、氣相色譜與原子發(fā)射光譜（GCAES）聯(lián)用等。 氣相色譜法又可分為氣固色譜（GSC）和氣液色譜（GLC）：前者是用多孔性固體為固定相，分離的對象主要是一些永久性的氣體和低沸點(diǎn)的化合物；而后者的固定相是用高沸點(diǎn)的有機(jī)物涂漬在惰性載體上由于可供選擇

3、的固定液種類多，故選擇性較好，應(yīng)用亦廣泛。第 2 章 氣相色譜法10/10/20223 Modern chromatographic analysis 氣相色譜法（GC）是英國生物化學(xué)家 Mart2.1 氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)10/10/20224 Modern chromatographic analysis2.1 氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)10/9/20224 Modern 氣相色譜儀立體結(jié)構(gòu)10/10/20225 Modern chromatographic analysis氣相色譜儀立體結(jié)構(gòu)10/9/20225 Modern chr1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計(jì);6-

4、壓力表；7-進(jìn)樣閥;8-分離柱;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(jìn)樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)氣相色譜儀平面結(jié)構(gòu)(五大系統(tǒng))10/10/20226 Modern chromatographic analysis1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；載氣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)色 包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制；常用的載氣有：氫氣、氮?dú)?、氦氣；凈化干燥管：去除載氣中的水、有機(jī)物等雜質(zhì)（依次通過分子篩、活性炭等）；載氣流速控制：壓力表、流量計(jì)、針形穩(wěn)壓閥，控制載氣流速恒定。1.載氣系統(tǒng)10/10/20227 Modern chromatographic analy

5、sis 包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制；常用的載氣有：氫氣 進(jìn)樣系統(tǒng)：進(jìn)樣器+氣化室； 氣體進(jìn)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(jìn)入分離柱；2.進(jìn)樣系統(tǒng)10/10/20228 Modern chromatographic analysis 進(jìn)樣系統(tǒng)：進(jìn)樣器+氣化室；2.進(jìn)樣系統(tǒng)10/9/20 不同規(guī)格的專用注射器，填充柱色譜常用10L；毛細(xì)管色譜常用1L。 新型儀器帶有全自動(dòng)液體進(jìn)樣器，清洗、潤沖、取樣、進(jìn)樣、換樣等過程自動(dòng)完成，一次可放置數(shù)十個(gè)試樣。 氣化室：將液體試樣瞬間氣化的裝置，無催化作用。液體進(jìn)樣器10/10/20229

6、Modern chromatographic analysis 不同規(guī)格的專用注射器，填充柱色譜常用10L3.分離系統(tǒng) 分離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是分離樣品。色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細(xì)管柱。（1）填充柱 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)⒅滤?，反之空隙體積大，柱效低。柱材質(zhì)：不銹鋼管或玻璃管，內(nèi)徑為24 mm，長13m。 填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。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(dān)體+固定液10/10/202210 Modern chromatographic analys

7、is3.分離系統(tǒng) 分離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的 毛細(xì)管柱又叫空心柱，分為涂壁，多孔層和涂載體空心柱。涂壁空心柱是將固定液均勻地涂在內(nèi)徑0.l0.5mm的毛細(xì)管內(nèi)壁而成，毛細(xì)管材料可以是不銹鋼，玻璃或石英。 （2）毛細(xì)管柱 毛細(xì)管色譜柱滲透性好，傳質(zhì)阻力小，而柱子可以做到長幾十米。與填充往相比，其分離效率高（理論塔板數(shù)可達(dá)106）、分析速度塊、樣品用量小，但柱容量低、要求檢測器的靈敏度高，并且制備較難。 10/10/202211 Modern chromatographic analysis 毛細(xì)管柱又叫空心柱，分為涂壁，多孔層和涂載4. 檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 檢測器是色譜儀的眼睛，通常由檢

8、測元件、放大器、顯示記錄三部分組成。 被色譜柱分離后的組分依次進(jìn)入檢測器，按其濃度或質(zhì)量隨時(shí)間的變化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖；或輸入計(jì)算機(jī)，最后得到該混合樣品的色譜流出曲線及定性和定量信息。檢測器：廣普型對所有物質(zhì)均有響應(yīng)， 專屬型對特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)。常用的檢測器：熱導(dǎo)檢測器、氫火焰離子化檢測器。10/10/202212 Modern chromatographic analysis4. 檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 檢測器是色譜儀的眼睛， 溫度是色譜分離條件的重要選擇參數(shù)； 氣化室、分離室、檢測器三部分在色譜儀操作時(shí)均需控制溫度； 氣化室：保證液體試樣瞬間氣化； 檢測器：

9、保證被分離后的組分通過時(shí)不在此冷凝； 分離室：準(zhǔn)確控制分離需要的溫度。當(dāng)試樣復(fù)雜時(shí)，分離室溫度需要按一定程序控制溫度變化，各組分在最佳溫度下分離；5. 溫度控制系統(tǒng)控制溫度以達(dá)到用最短時(shí)間獲得最佳分離效果的目的。10/10/202213 Modern chromatographic analysis 溫度是色譜分離條件的重要選擇參數(shù)； 分離室：準(zhǔn)2.2 氣相色譜固定相Stationary Phases in Gas Chromatography載體 + 固定液固體吸附劑新型合成固定相氣固色譜氣液色譜10/10/202214 Modern chromatographic analysis2.2

10、氣相色譜固定相Stationary Phases i1.種類 (1)活性炭 有較大的比表面積，吸附性較強(qiáng)。 (2)活性氧化鋁 有較大的極性。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(qiáng)烈吸附而不能用這種固定相進(jìn)行分析。 (3)硅膠 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，且能夠分離臭氧。一、氣固色譜固定相 stationary phases in Gas-solid chromatograph10/10/202215 Modern chromatographic analysis1.種類一、

11、氣固色譜固定相 stationary (5)高分子多孔微球（GDX系列） 新型的有機(jī)合成固定相是人工合成的多孔共聚物（苯乙烯與二乙烯苯共聚） 。由于是人工合成的，可控制其孔徑大小及表面性質(zhì)。圓球型顆粒容易填充均勻，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。 型號：GDX-01、-02、-03等。這類高分子多孔微球特別適用于有機(jī)物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂類、膠類的分析。(4)分子篩 堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子篩等。 常用5A和13X，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。10/10/202216

12、 Modern chromatographic analysis (5)高分子多孔微球（GDX系列）(4)分子篩10/9/表2-110/10/202217 Modern chromatographic analysis表2-110/9/202217 Modern chromat（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. 氣固色譜固定相的特點(diǎn)10/10/202218 Modern chromatographic analysis（1）性能與制備和活化條件有很大關(guān)系；2. 氣固色譜固定相

13、的 氣液色譜固定相 ：載體（支持體）+固定液 ，即在小顆粒表面涂漬上一薄層固定液。 固定液特點(diǎn)： （1） 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)。 （2）固定液的種類繁多，選擇余地大，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 載體（擔(dān)體）：化學(xué)惰性的多孔性固體顆粒，具有較大的比表面積。二、氣液色譜固定相 stationary phases in gas-liquid chromatograph10/10/202219 Modern chromatographic analysis 氣液色譜固定相 ：載體（支持體）+固定液a.具有足夠大的表面積和良好的孔穴結(jié)構(gòu)，使固定液與試樣的接觸面較大，能均勻地分

14、布成一薄膜，但載體表面積不宜太大，否則猶如吸附劑，易造成峰拖尾；b.化學(xué)惰性，表面無吸附性或吸附性很弱，與被分離組份不起反應(yīng)；c.具有較高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，不易破碎；d.顆粒大小均勻、適度。一般常用6080目、80100目。1. 載體（l）對載體的要求10/10/202220 Modern chromatographic analysisa.具有足夠大的表面積和良好的孔穴結(jié)構(gòu)，使固定液與試樣的接觸（2）載體類型大致可分為硅藻土和非硅藻土兩類。 硅藻土載體 是目前氣相色譜中常用的一種載體，它是由稱為硅藻的單細(xì)胞海藻骨架組成，主要成分是二氧化硅和少量無機(jī)鹽，根據(jù)制造方法不同，又分為:紅色載體

15、是將硅藻土與粘合劑在900煅燒后，破碎過篩而得，因鐵生成氧化鐵呈紅色，故稱紅色載體，其特點(diǎn)是表面孔穴密集、孔徑較小、比表面積較大。 對強(qiáng)極性化合物吸附性和催化性較強(qiáng)，如烴類、醇、胺、酸等極性化合物會(huì)因吸附而產(chǎn)生嚴(yán)重拖尾。因此它適宜于分析非極性或弱極性物質(zhì)。紅色載體和白色載體10/10/202221 Modern chromatographic analysis（2）載體類型大致可分為硅藻土和非硅藻土兩類。 硅藻土白色載體 是將硅藻土與20的碳酸鈉（助熔劑）混合煅燒而成，它呈白色、比表面積較小、吸附性和催化性弱，適宜于分析各種極性化合物。 101，102系列，英國的Celite系列，英國和美國的

16、Chromosorb系列，美國的GasChrom A， CL， P， Q， S， Z系列等，都屬這一類。 10/10/202222 Modern chromatographic analysis白色載體 是將硅藻土與20的碳酸鈉（助熔劑）混合煅燒而紅色載體白色載體孔徑1um89um粘合劑有無機(jī)械強(qiáng)度高差表面積大（4.0 m2/g)?。?.0 m2/g)化學(xué)活性有吸附中心很弱常用固定液非極性極性分離對象非極性物質(zhì)極性物質(zhì)產(chǎn)品大連6201擔(dān)體上試201上試101、102紅色載體：鍛燒后天然硅藻土中所含的鐵形成氧化鐵，呈淡紅色。白色載體：加助溶劑Na2CO3，氧化鐵轉(zhuǎn)化為無色硅酸鈉鐵鹽，呈白色。10

17、/10/202223 Modern chromatographic analysis紅色載體白色載體孔徑1um89um粘合劑有無機(jī)械強(qiáng)度高非硅藻土載體 包括有機(jī)玻璃微球載體，氟載體，高分子多孔微球等。 這類載體常用于特殊分析，如氟載體用于極性樣品和強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)HF、Cl2等分析。但由于表面非浸潤性，其柱效低。10/10/202224 Modern chromatographic analysis非硅藻土載體 包括有機(jī)玻璃微球載體，氟載體，高分子多孔微球 （3）載體的表面處理硅藻土載體表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基SiOH 或含有礦物雜質(zhì)，如氧化鋁、鐵等，使色譜峰產(chǎn)生拖尾。因此，使用

18、前要進(jìn)行化學(xué)處理，以改進(jìn)孔隙結(jié)構(gòu)，屏蔽活性中心。處理方法有酸洗、堿洗、硅烷化及添加減尾劑等。 （i）酸洗：用36molL-1鹽酸浸煮載體、過濾，水洗至中性。甲醇淋洗，脫水烘干。可除去無機(jī)鹽，F(xiàn)e，Al等金屬氧化物。適用于分析酸性物質(zhì)。10/10/202225 Modern chromatographic analysis （3）載體的表面處理硅藻土載體表面不是完全SiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OCH2+2HClSiSiO（ii）堿洗：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，除去氧化鋁，用于分析堿性物質(zhì)。(iii)硅烷化：用硅烷化試劑與載體表

19、面硅醇基反應(yīng)，使生成硅烷醚，以除去表面氫鍵作用力。如：常用硅烷化試劑有二甲基二氯硅烷（DMCS）,六甲基二硅烷胺（HMDS）等 ()表面釉化：屏蔽或惰化載體的吸附活性中心，在載體表面產(chǎn)生一玻璃狀的“釉層”10/10/202226 Modern chromatographic analysisSiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OC氣液色譜載體10/10/202227 Modern chromatographic analysis氣液色譜載體10/9/202227 Modern chrom樣品固定液推薦用載體注解非極性非極性未經(jīng)處理的硅藻土型載體極性極性酸、堿洗或硅烷化硅藻土

20、載體酸樣用酸洗堿樣用堿洗極性和非極性弱極性或極性酸洗硅藻土載體弱極性、極性或非極性硅烷化載體高沸點(diǎn)玻璃微球強(qiáng)腐蝕性樣品聚四氟乙烯等特殊載體表 2-3 載體的選擇10/10/202228 Modern chromatographic analysis樣品固定液推薦用載體注解非極性非極性未經(jīng)處理的硅藻土型載體極 固定液：高沸點(diǎn)難揮發(fā)的有機(jī)化合物，種類繁多。(1)對固定液的要求 2.固定液 首先是選擇性好。固定液的選擇性可用相對調(diào)整保留值2.1，來衡量。對于填充柱一般要求2.11.15；對于毛細(xì)管柱，2.11.08. 另外還要求固定液有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；對試樣各組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰?；在操?/p>

21、溫度下有較低蒸氣壓，以免流失太快。10/10/202229 Modern chromatographic analysis 固定液：高沸點(diǎn)難揮發(fā)的有機(jī)化合物，種類繁多。2.固（2）固定液的特性 固定液的特性主要是指它的極性或選擇性，用它可描述和區(qū)別固定液的分離特征。目前大都采用相對極性和固定液特征常數(shù)表示。（i）相對極性 1959年由Rohrschneider(羅爾斯耐德)提出用相對極性P來表示固定液的分離特征。此法規(guī)定非極性固定液角鯊?fù)榈臉O性為0，強(qiáng)極性固定液，-氧二丙睛的極性為100。然后，選擇一對物質(zhì)（如正丁烷一丁二烯或環(huán)乙烷一苯），來進(jìn)行試驗(yàn)。分別測定它們在氧二丙腈、角鯊?fù)榧坝麥y固定液

22、的色譜柱上的相對保留值，將其取對數(shù)后，得到:10/10/202230 Modern chromatographic analysis（2）固定液的特性 固定液的特性主要是指它的極性 式中下標(biāo)1，2和X分別表示氧二丙睛，角鯊?fù)榧氨粶y固定液。由此測得的各種固定液的相對極性均在0100之間。一般將其分為五級，每20單位為一級：固定液的相對極性分為五級, 每20單位為一級 非極性固定液 0 +1 （非極性亦可用“”表示） 弱極性固定液 +1 +2 中等極性固定液 +3 強(qiáng)極性固定液 +4 +510/10/202231 Modern chromatographic analysis 式中下標(biāo)1，2和X分

23、別表示氧二丙睛表2-410/10/202232 Modern chromatographic analysis表2-410/9/202232 Modern chromat保留指數(shù)I 人為規(guī)定正構(gòu)燒烴的保留指數(shù)為其碳數(shù)乘100,如正己烷和正辛烷的保留指數(shù)分別為600和800。至于其他物質(zhì)的保留指數(shù)，則可采用兩個(gè)相鄰正構(gòu)烷烴保留指數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。 測定時(shí)，將碳數(shù)為n和n+1的正構(gòu)烷烴加于樣品x中進(jìn)行分析，若測得它們的調(diào)整保留時(shí)間分別為tR（Cn），tR（Cn+1；）和tR（x）且tR（Cn）tR（x）tR（Cn+1）時(shí)，則組分X的保留指數(shù)可按下式計(jì)算，即（ii）固定液特征常數(shù)10/10/202233

24、Modern chromatographic analysis保留指數(shù)I 人為規(guī)定正構(gòu)燒烴的保留指數(shù)為其碳數(shù)乘10 1970年由McReynolds（麥克雷諾茲）在羅氏方法的基礎(chǔ)上，提出的改進(jìn)方案。 為了全面地反映固定液的分離特征，麥?zhǔn)线x用性質(zhì)不同的一組物質(zhì)：苯、丁醇、戊酮-2、硝基丙烷和吡啶作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，在柱溫120下分別測定它們在226種固定液和角鯊?fù)樯系谋Ａ糁笖?shù)之差值(I) 。I=IpIs 式中I為任一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)保留指數(shù)差值，Ip和Is分別為任一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在被測固定液和參比固定液（角鯊?fù)椋┑谋Ａ糁笖?shù)。固定液特征常數(shù)麥?zhǔn)铣?shù) McReynolds constant10/10/202234 Mo

25、dern chromatographic analysis 1970年由McReynolds（麥克雷諾茲 這五種物質(zhì)與固定液的作用方式不同，因而可表示固定液的各種作用力即特征常數(shù)(麥?zhǔn)铣?shù))： 根據(jù)分子間作用力的加合性，把這五種I值之和稱為總極性，其平均值稱為平均極性，這樣，固定液的總極性越大，則極性越強(qiáng)。常用固定液的極性見表 25。 麥?zhǔn)铣?shù)：x、y、z、u、s ，反應(yīng)了分子間的作用力，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存在著的誘導(dǎo)力；非極性分子間的色散力；氫鍵；固定液與被分離組分間還可能存在形成化合物或配合物等的鍵合力。10/10/202235 Modern chr

26、omatographic analysis 這五種物質(zhì)與固定液的作用方式不同，因而可表示固定液的表 25T* 為最高使用溫度/。10/10/202236 Modern chromatographic analysis表 25T* 為最高使用溫度/。10/9/202236常數(shù)代表性化合物結(jié)構(gòu)特征代表化合物X易極化，電子給予體化合物芳烴、烯烴Y含羥基、質(zhì)子給予體、形成氫鍵化合物醇、睛、酸、氯化物、氟化物Z含羥基、定向偶極力、接受氫鍵化合物酮、醚、醛、酯、環(huán)氧化合物U含強(qiáng)極性基團(tuán)的電子給予體化合物硝基化合物、睛類衍生物S質(zhì)子接受體化合物含喹啉、吡啶、氧、氮雜環(huán)化合物表 2-6 麥?zhǔn)铣?shù)對固定液的表征

27、10/10/202237 Modern chromatographic analysis常數(shù)代表性化合物結(jié)構(gòu)特征代表化合物X易極化，電子給予體化合 （3）固定液的分類 氣液色譜可選擇的固定液有幾百種，它們具有不同的組成、性質(zhì)、用途。如何將這許多類型不同的固定液做一科學(xué)分類，對于使用和選擇固定液是十分重要的。 現(xiàn)在大都按固定液的極性和化學(xué)類型分類。按固定液極性分類就是如前所述，可用固定液的極性和特征常數(shù)（羅氏常數(shù)和麥?zhǔn)铣?shù)）表示。 此外，還有化學(xué)分類。這種分類方法是將有相同官能團(tuán)的固定液排列在一起，按官能團(tuán)的類型分類。這樣就便于按組分與固定液結(jié)構(gòu)相似原則選擇固定液。10/10/202238 Mo

28、dern chromatographic analysis （3）固定液的分類 氣液色譜可選擇的固定液有 固定液的化學(xué)分類方法（A）烴類：烷烴，芳烴例：角鯊?fù)闃?biāo)準(zhǔn)的非極性固定液，用于分離非極性物質(zhì)。（B）硅氧烷類（使用最廣泛，通用型固定液）（a）甲基硅氧烷：弱極性甲基硅油 （n400 ） 最高使用溫度為220270甲基硅橡膠（ n400） 最高使用溫度為220270（b）苯基硅氧烷 ：極性稍強(qiáng)（隨苯基，極性） 甲基苯基硅油 （n400 ） 甲基苯基硅橡膠（ n400） ：按苯基含量不同分 低苯基硅橡膠 苯基含量在20以下 中苯基硅橡膠 苯基含量在2050 高苯基硅橡膠 苯基含量在50以上10/10/202239 Modern chromatographic analysis 固定液的化學(xué)分類方法（A）烴類：烷烴，芳烴例：角鯊?fù)闃?biāo)準(zhǔn)（c）氟烷基硅氧烷：中等極性（d）氰基硅氧烷：強(qiáng)極性（3）醇類（氫鍵型固定液）非聚合醇 長鏈脂肪醇和多元醇 聚合醇 聚乙二醇 固定液分子量不同，分子中羥基與醚基比例不同，分子量越小，羥基的比例越大，極性越強(qiáng)。聚乙二醇平均分子量從30020000，隨分子量增大，羥基比例減小，極性減弱。（4）酯類：中強(qiáng)極性固定液 非聚酯類 鄰苯二甲酸二壬酯（DNP） 聚酯類 丁二酸二乙