儀器分析課件第15章氣相色譜法

1、 第15章 氣相色譜法Gas Chromatography主講教師：朱祥兵主講教師：朱祥兵目目 錄錄15-1 概述概述15-2氣相色譜儀氣相色譜儀15-3 氣相色譜固定相氣相色譜固定相15-4 氣相色譜條件的選擇氣相色譜條件的選擇15-5毛細(xì)管柱氣相色譜法毛細(xì)管柱氣相色譜法15-1 概述概述氣相色譜法氣相色譜法：以氣體為流動(dòng)相的柱色譜分離技術(shù)二、氣相色譜法的特點(diǎn)和應(yīng)用二、氣相色譜法的特點(diǎn)和應(yīng)用分離效能高、靈敏度高，分析速度快，應(yīng)用范圍廣 適于分析氣體、易揮發(fā)的液體及固體 不適合分析不易氣化或不穩(wěn)定性物質(zhì) 樣品的衍生化使應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大不足之處： 不適用于高沸點(diǎn)、難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定物質(zhì)的分析。被

2、分離組分的定性較為困難。一、氣相色譜流程：一、氣相色譜流程： 1、高壓鋼瓶 2、減壓閥 3、載氣凈化干燥管 4、針形閥 5、流量劑 6、壓力表7、進(jìn)樣器 8、色譜柱 9、檢測(cè)器 10、記錄儀圖圖2.1 氣相色譜流程圖氣相色譜流程圖15-2 氣相色譜儀氣相色譜儀二、氣相色譜儀的組成及各部分的作用：1、載氣系統(tǒng)載氣系統(tǒng)（包括氣源、氣體凈化、氣體流速（包括氣源、氣體凈化、氣體流速 控制和控制和測(cè)測(cè) 量）量） 常用的載氣，氨氣、氮?dú)獬Ｓ玫妮d氣，氨氣、氮?dú)?、進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng) 包括進(jìn)樣器和汽化室包括進(jìn)樣器和汽化室 微量注射器：微量注射器：0.1，1，5，10，50L 汽化室可控制溫度為汽化室可控制溫度為

3、20400 汽化室的作用是將液體或固體樣品瞬間氣化為蒸氣，汽化室的作用是將液體或固體樣品瞬間氣化為蒸氣， 并很快被載氣帶入色譜柱。并很快被載氣帶入色譜柱。3、分離系統(tǒng)、分離系統(tǒng) 色譜柱（心臟部分）、柱箱和恒溫控制裝置色譜柱（心臟部分）、柱箱和恒溫控制裝置 色譜柱：填充柱、空心毛細(xì)管柱色譜柱：填充柱、空心毛細(xì)管柱填充柱：填充柱： 制備簡(jiǎn)單，可供使用的單體，固定液，吸附劑繁多，制備簡(jiǎn)單，可供使用的單體，固定液，吸附劑繁多，可解決各種分離分析問題?？山鉀Q各種分離分析問題。 填充柱外形有填充柱外形有U型，型，W型和螺旋型三種，內(nèi)徑均為型和螺旋型三種，內(nèi)徑均為26mm，長(zhǎng)度在，長(zhǎng)度在110m之間，通常之

4、間，通常24m。不銹鋼，。不銹鋼，玻璃，聚四氟乙烯。玻璃，聚四氟乙烯?？招拿?xì)管：空心毛細(xì)管： 分析速度快，內(nèi)徑為分析速度快，內(nèi)徑為0.10.5mm，長(zhǎng)為，長(zhǎng)為50300m，其，其 外形多為螺旋型，材料，玻璃尼龍，外形多為螺旋型，材料，玻璃尼龍，不銹鋼。不銹鋼。 色譜柱放在恒溫箱中：色譜柱放在恒溫箱中： 柱恒溫箱控溫范圍一般為柱恒溫箱控溫范圍一般為15至至350程序升程序升溫，溫， 溫度自動(dòng)控制溫度自動(dòng)控制4、檢測(cè)系統(tǒng)：、檢測(cè)系統(tǒng)： 檢測(cè)器，控溫裝置檢測(cè)器，控溫裝置 檢測(cè)恒溫箱中的溫度，一般選擇與柱溫相同或檢測(cè)恒溫箱中的溫度，一般選擇與柱溫相同或略高于柱溫。略高于柱溫。5、記錄系統(tǒng)：、記錄系統(tǒng)

5、： 放大器和記錄器，數(shù)據(jù)處理裝置。放大器和記錄器，數(shù)據(jù)處理裝置。三、氣相色譜檢測(cè)器三、氣相色譜檢測(cè)器 檢測(cè)器：將色譜柱分離后的各組分按其特性及含量轉(zhuǎn)換為檢測(cè)器：將色譜柱分離后的各組分按其特性及含量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)相應(yīng) 的電訊號(hào)。的電訊號(hào)。 檢測(cè)器分為：檢測(cè)器分為：濃度型檢測(cè)器（concentration sensitive detector）測(cè)量的是載氣中某組分濃度瞬間的變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和組分濃度成正比。 質(zhì)量型檢測(cè)器（mass flow rate sensitive detector）測(cè)量的是載氣中某組分進(jìn)入檢測(cè)器的速度變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器某組分的質(zhì)量成正比 。 優(yōu)點(diǎn)

6、：優(yōu)點(diǎn)： 1）通用型，應(yīng)用廣泛，對(duì)無(wú)機(jī)和有機(jī)物都有響應(yīng)。 2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 3）穩(wěn)定性好 4）線性范圍寬 5）不破壞組分，可重新收集制備 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：與其他檢測(cè)器比，靈敏度稍低。 （因大多數(shù)組分與載氣熱導(dǎo)率差別不大）、熱導(dǎo)池檢測(cè)器（thermal conductivity detector）TCD表示2、熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu) 測(cè)量臂接在色譜柱后 通樣品氣體+載氣，電阻為R1惠斯通電橋 參比臂接在色譜柱前 只通載氣，電阻R2（R2=R1） 兩個(gè)等阻值電阻R3 = R43熱導(dǎo)池檢測(cè)的基本原理：熱導(dǎo)池檢測(cè)的基本原理： 依據(jù)組分與載氣的導(dǎo)熱系數(shù)（ ）的差別，用熱敏元件進(jìn)行檢測(cè)。 1）進(jìn)樣前：兩臂均通

7、載氣時(shí)）進(jìn)樣前：兩臂均通載氣時(shí) 2）進(jìn)樣后：測(cè)量臂通樣品氣體）進(jìn)樣后：測(cè)量臂通樣品氣體+載氣參比臂通載氣時(shí)載氣參比臂通載氣時(shí)基線，0043212121GABIVRRRRRR色譜峰，0043212121GABIVRRRRRR（1）橋流，靈敏度 靈敏度足夠時(shí)，橋流應(yīng)盡可能小（100200mA） 先通載氣，再給橋流 （2），靈敏度，選大的做載氣 載 組，出正峰 載 = 組，不出峰 載 He N2選氫氣做載氣（ 為導(dǎo)熱系數(shù)）（3）T池，池體與熱絲溫差，靈敏度 (T太低試樣冷凝) 保證T檢 T柱，以免造成檢測(cè)器污染 （4）濃度型檢測(cè)器， A 1/u， 以A定量，應(yīng)保持u一定 （峰面積定量依據(jù)） 、氫火焰

8、離子化檢測(cè)器、氫火焰離子化檢測(cè)器（flame ionization detector）FID 對(duì)含碳有機(jī)化合物有很高的靈敏度。適用于痕量有機(jī)物的分析。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)塊、穩(wěn)定性好、死體積小、線性范圍寬。1特點(diǎn)：質(zhì)量型檢測(cè)器特點(diǎn)：質(zhì)量型檢測(cè)器2、氫火焰檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)、氫火焰檢測(cè)器的結(jié)構(gòu) 氫火焰檢測(cè)器主要部分是離子化室，其他部分還包括火焰噴嘴、一對(duì)電極、外罩。3、氫焰檢測(cè)器作用原機(jī)理、氫焰檢測(cè)器作用原機(jī)理A區(qū)：預(yù)熱區(qū)區(qū)：預(yù)熱區(qū)B層：點(diǎn)燃火焰層：點(diǎn)燃火焰C層：熱裂解區(qū)：層：熱裂解區(qū)：溫度最高溫度最高D層：反應(yīng)區(qū)層：反應(yīng)區(qū)(1)當(dāng)含有機(jī)物 CnHm的載氣由噴嘴噴出進(jìn)入火焰時(shí)，在C層發(fā)生裂解

9、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(kuò)散進(jìn)來的激發(fā)態(tài)原子氧或分子氧發(fā)生如下反應(yīng)： 6 CH + 3O2 6CHO+ +6 e(3)生成的正離子CHO+ 與火焰中大量水分子碰撞而發(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(chǎng)的作用下分別向兩極定向運(yùn)動(dòng)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(jìn)入離子室的被測(cè)組分質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測(cè)器是質(zhì)量型檢測(cè)器。 (6) 組分在氫焰中的電離效率很低，大約五十萬(wàn)分之一的碳原子被電離。 (7)離子電流信號(hào)輸出到記錄儀，得到峰面積

10、與組分質(zhì)量成正比的色譜流出曲線。（1）氣體流量 載氣流量 一般用氮?dú)庾鬏d氣，最佳載氣流速 氫氣流量 氫氣流量與載氣流量之比影響氫火焰的 溫度及火焰中的電離過程。 H2：N21：11：1.5（最佳氫氮比） 空氣流量 空氣是助燃?xì)?空氣流量高于某一數(shù)值（400mLmin-1）對(duì)影響值 幾乎沒有影響。 一般 H2：空氣1：10 4、操作條件選擇、操作條件選擇（3）極化電極 極化電壓的大小直接影響響應(yīng)值。 一般選100V300V（4）使用溫度 氫焰檢測(cè)器的溫度不是主要影響因素 80200靈敏度幾乎相同。 80以下靈敏度顯著下降。（水蒸氣冷凝所致）、電子捕獲檢測(cè)器、電子捕獲檢測(cè)器（electron ca

11、pture detector）ECD它是一種具有選擇性，高靈敏度的濃度型檢測(cè)器。它對(duì)具有電負(fù)性的物質(zhì)（鹵素、硫、磷、氮、氧）有響應(yīng)，電負(fù)性越強(qiáng)，靈敏度越高。能檢測(cè)10-14gmL-1物質(zhì)。、火焰光度檢測(cè)器、火焰光度檢測(cè)器（ Flame Photometric Detector ）FPD 一種對(duì)含磷、含硫化合物有高選擇型、高靈敏度的質(zhì)量型檢測(cè)器，最小檢測(cè)量可達(dá)10-11g。同時(shí)，這種檢測(cè)器對(duì)有機(jī)磷、有機(jī)硫的響應(yīng)值與碳?xì)浠衔锏捻憫?yīng)值之比可達(dá)104，因此可排除大量溶劑峰及烴類的干擾，非常有利于痕量磷、硫的分析，是檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥和含硫污染物的主要工具。、檢測(cè)器的性能指標(biāo)、檢測(cè)器的性能指標(biāo)要求：響應(yīng)快

12、、靈敏度高、穩(wěn)定性好、線性范圍寬。1、靈敏度（響應(yīng)值）、靈敏度（響應(yīng)值） 一定濃度或一定質(zhì)量的試樣進(jìn)入檢測(cè)器后，就產(chǎn)生一定的相應(yīng)信號(hào)R。如果以進(jìn)樣量Q對(duì)檢測(cè)器作圖，就可得到一直線。圖中直線的斜率就是檢測(cè)器的靈敏度。QRSS為靈敏度； R為記錄儀信號(hào)變化率； Q為通過檢測(cè)器的進(jìn)樣量（濃度或者質(zhì)量）的變化率。2、檢出限、檢出限D(zhuǎn)（detection limit） 檢出限也稱敏感度。是指檢測(cè)器恰能產(chǎn)生和噪聲相鑒別的信號(hào)時(shí)，在單位體積或時(shí)間需向檢測(cè)器進(jìn)入的物質(zhì)質(zhì)量（單位為g） 通常認(rèn)為恰能鑒別的響應(yīng)信號(hào)至少應(yīng)等于檢測(cè)器噪聲的3倍。檢出限以D表示，則可定義為N為檢測(cè)器噪聲，指由于各種因素所引起的基線在段

13、時(shí)間內(nèi)左右偏差值（單位mv），S為檢測(cè)器的靈敏度。一般；D值越小說明儀器越敏感。SND33、最小檢出量、最小檢出量m （minimum detectable quantity） 常用來表示色譜儀器的靈敏程度。最小檢測(cè)量m 是指產(chǎn)生3倍噪聲峰高時(shí)，色譜體系（即色譜儀）所需的進(jìn)樣量。即檢測(cè)器恰能產(chǎn)生和噪聲相鑒別的信號(hào)時(shí)所需進(jìn)入色譜柱的最小物質(zhì)量（或最小濃度）。 指試樣量與信號(hào)之間保持線性關(guān)系的范圍，用最大進(jìn)樣量與最小檢出量的比值來表示，這個(gè)范圍越大，越有利于準(zhǔn)確定量。4、線性范圍（、線性范圍（linear range）5、響應(yīng)時(shí)間（、響應(yīng)時(shí)間（response time） 要求檢測(cè)器能夠迅速的和真

14、實(shí)的反應(yīng)通過它的物質(zhì)的濃度變化情況，即要求相應(yīng)速度快。 檢測(cè)器體積要小，電路系統(tǒng)的滯后現(xiàn)象盡可能小，一般小于1s，記錄儀的全行程時(shí)間要（1s）。15-3 氣相色譜固定相氣相色譜固定相固定相：在色譜柱內(nèi)不移動(dòng)、起分離作用的物質(zhì)。固定相分為：固體固定相和液體固定相。液體固定相載體(擔(dān)體)和固定液組成氣液色譜固定相。（一）、固定液1.對(duì)固定液的要求：（1）操作柱溫下固定液呈液態(tài)（易于形成均勻液膜）（2）操作條件下固定液熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好（3）固定液的蒸氣壓要低（柱壽命長(zhǎng)，檢測(cè)本底低）（4）固定液對(duì)樣品應(yīng)有較好的溶解度及選擇性2、固定液的極性 目前大都采用相對(duì)極性（pX）和固定液特征常數(shù)（麥?zhǔn)铣?shù)

15、）表示。規(guī)定：角鯊?fù)椋ó惾?SQ）的相對(duì)極 性為零， ，氧二丙腈（ODPN）的相對(duì)極性為100。環(huán)環(huán)己己烷烷苯苯RRSQODPNxODPNXttlgqqqqq100100P 3分類： 如按化學(xué)結(jié)構(gòu)、極性、應(yīng)用等的分類方法。在各種色譜手冊(cè)中，一般將固定液按有機(jī)化合物的分類方法分為：脂肪烴、芳烴、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。4固定液的選擇：固定液的選擇： （1）按相似相溶原則選擇 （2）按組分性質(zhì)的主要差別選擇（1）按相似相溶原則選擇a按極性相似原則選擇：按極性相似原則選擇： 固定液與被測(cè)組分極性“相似相溶”，K大，選擇性好 非極性組分選非極性固定液， 按沸點(diǎn)順序出柱，低沸點(diǎn)的先出柱 中等極

16、性組分選中等極性固定液， 基本按沸點(diǎn)順序出柱 強(qiáng)極性組分選極性固定液 按極性順序出柱，極性強(qiáng)的后出柱注：對(duì)于中等極性組分，若沸點(diǎn)相同， 則按極性順序出柱，極性較強(qiáng)的后出柱b按化學(xué)官能團(tuán)相似選擇：按化學(xué)官能團(tuán)相似選擇： 固定液與被測(cè)組分化學(xué)官能團(tuán)相似，作用力強(qiáng)， 選擇性高 酯類選酯或聚酯固定液 醇類選醇類或聚乙二醇固定液 （2）按組分性質(zhì)的主要差別選擇 組分的沸點(diǎn)差別為主 選非極性固定液 按沸點(diǎn)順序出柱 沸點(diǎn)低的先出柱 組分的極性差別為主 選極性固定液 按極性強(qiáng)弱出柱 極性弱的先出柱例：苯（80.10C），環(huán)己烷（80.70C）(利用誘導(dǎo)力分開)選非極性柱 分不開；（極性差別不大）選中強(qiáng)極性柱

17、較好分離，環(huán)己烷先出柱（二）載體載體：起承載固定液的作用。1、對(duì)載體的要求：、比表面積大（多涂漬固定液）；、無(wú)吸附性（不吸附被測(cè)組分）；、化學(xué)惰性（不與固定液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）；、熱穩(wěn)定性好； 、一定的機(jī)械強(qiáng)度。2分類：（1）硅藻土類：具有一定粒度的多孔性固體微粒 紅色：吸附力強(qiáng)，與非極性物質(zhì)配伍 白色：吸附力弱，與極性物質(zhì)配伍（2）非硅藻土類：玻璃微球，石英微球， 氟塑載體，含氟化合物3載體的處理方法鈍化，減弱吸附性 酸洗：用于分析酸類和酯類 堿洗：用于分析胺類等堿性化合物 硅烷化：用于具有形成氫鍵能力的較強(qiáng)的化合物 表面釉化15-4、氣相色譜條件的選擇、氣相色譜條件的選擇 色譜條件包括分離條件

18、和操作條件 分離條件是指色譜柱 操作條件是指載氣流速、進(jìn)樣條件及檢測(cè)器1色譜柱的選擇2柱溫的選擇3載氣與流速的選擇4進(jìn)樣條件的選擇1色譜柱的選擇（以氣液分配色譜為主）色譜柱的選擇（以氣液分配色譜為主）（1）固定相的選擇（見15-3）（2）柱長(zhǎng)的選擇 ，柱壓，峰寬，RnLLnHk不變不變不變，21221)(LLRR注：根據(jù)R1.5選擇L，一般較短(0.66m) 不可以無(wú)限延長(zhǎng)柱子練習(xí)例：兩組分在1 m長(zhǎng)柱子上的分離度為0.75，問使用 多長(zhǎng)柱子可以使它們完全分離？解：LRnR2121LLRR215 . 175. 0LmL422載氣與流速的選擇載氣與流速的選擇選擇載氣應(yīng)與檢測(cè)器匹配選擇載氣應(yīng)與檢測(cè)

19、器匹配TCD選H2，He（u 大，粘度小）FID選N2（u 小，粘度大）minHuopCBuopBCAH2minopopuuuu分析時(shí)間是主要矛盾分離是主要矛盾 選擇流速和載氣應(yīng)同時(shí)考慮對(duì)柱效和分析時(shí)間的影響選擇流速和載氣應(yīng)同時(shí)考慮對(duì)柱效和分析時(shí)間的影響uCHuuuBNuuopop氣選氣選223柱溫的選擇柱溫的選擇 原則： 1）在能保證R的前提下，盡量使用低柱溫， 但應(yīng)保證適宜的tR及峰不拖尾，減小檢測(cè)本底 2）根據(jù)樣品沸點(diǎn)情況選擇合適柱溫 柱溫應(yīng)低于組分沸點(diǎn)501000C 寬沸程樣品應(yīng)采用程序升溫T固定相檢測(cè)本底KDCDBLg12 程序升溫程序升溫好處：好處： 1 、 改 善分離效果 2 、

20、 縮 短分析周期 3 、 改 善峰形 4 、 提 高檢測(cè)靈敏度 4進(jìn)樣條件的選擇進(jìn)樣條件的選擇 氣化室溫度一般稍高于樣品沸點(diǎn)，一般僅比柱溫高10500C 檢測(cè)室溫度應(yīng)高于柱溫30500C 進(jìn)樣量不可過大，否則造成拖尾峰 注：檢測(cè)器靈敏度足夠進(jìn)樣量盡量小最大允許進(jìn)樣量使理論塔板數(shù)降低10%的進(jìn)樣量15-5 毛細(xì)管柱氣相色譜法毛細(xì)管柱氣相色譜法 毛細(xì)管柱氣相色譜法是用毛細(xì)管柱作為氣相色譜柱的一種高效、快速、高靈敏的分離分析法。 用內(nèi)壁涂漬一層極薄而均勻的固定液膜的毛細(xì)管代替填充柱，解決組分在填充柱中由于受到大小不均勻載體顆粒的阻礙而造成的色譜峰擴(kuò)展，柱效降低的問題。 這種色譜柱的固定液涂在內(nèi)壁上，中心是空的，故稱開管柱，可慣稱毛細(xì)管柱。 由于毛細(xì)管柱具有相比大，滲透性好，分析速度快，總柱效高等優(yōu)點(diǎn)，因此可以解決原來填充柱色譜法不能解決或很難解決的問題。 毛細(xì)管