第7章+气相色谱法(2)

1、在介绍色谱仪器时，我们提到在介绍色谱仪器时，我们提到色谱分离系统色谱分离系统是色谱是色谱仪器中最为灵魂的部分，而其中分离柱中固定相组仪器中最为灵魂的部分，而其中分离柱中固定相组成与性质更是直接与分离效能有关。成与性质更是直接与分离效能有关。 气相色谱柱可分为两类：气相色谱柱可分为两类：1）用于气固色谱的固定相：固体吸附剂；）用于气固色谱的固定相：固体吸附剂；2）用于气液色谱的固定相：固定液）用于气液色谱的固定相：固定液+载体。载体。介绍如下：介绍如下：7.2 气相色谱固定相气相色谱固定相 非极性：苯乙烯非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：二乙烯苯共聚：GDX-1和和2型（国产）；型（国产）；Chro

2、mosorb系列（国外）；系列（国外）； 极性：苯乙烯极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团：二乙烯苯共聚物中引入极性基团：GDX-3和和4型（国产）；型（国产）； Porapak N等（国外）。等（国外）。吸附剂吸附剂 主要成份主要成份 Tmax/oC 性质性质 活化方法简述活化方法简述 分离对象分离对象 活性炭活性炭 C 500 非极性非极性 同上同上 同上同上+高沸点有高沸点有机机物物 硅胶硅胶 SiO2 xH2O 400 氢键型氢键型 HCl 浸浸+水洗水洗+180oC 烘烘干干+200oC 活化活化(使用前使用前) 永久气体、非极性烃永久气体、非极性烃 氧化铝氧化铝 Al2O3

3、400 弱极性弱极性 2001000oC 活化活化 烃烃+有有机机异异构构物物+H 同同位位素素 分子筛分子筛 XMO yAl2O3 zSiO2 nH2O 400 极性极性 350550oC 活化活化 永久气体永久气体+惰惰性性气体气体 GDX 多多孔孔聚聚合合物物 200 不同极不同极性性 170oC 除水、通气活化除水、通气活化 水水 + 气气 体体 氧氧 化化 物物+CH4+低低级级醇醇 高分子多孔微球可分为两类：高分子多孔微球可分为两类：气液色谱固定相由载体气液色谱固定相由载体(Solid support material)和固和固定液定液(Liquid stationary phas

4、e) 构成：载体为固定液构成：载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。匀的液膜。1. 载体载体(也称担体也称担体)对载体的要求对载体的要求：粒度均匀、强度高的球形小颗粒；：粒度均匀、强度高的球形小颗粒；至少至少1m2/g的比表面的比表面(过大可造成峰形拖尾过大可造成峰形拖尾)；高温下；高温下呈惰性呈惰性(不与待测物反应不与待测物反应)并可被固定液完全浸润。并可被固定液完全浸润。载体类型：载体类型：分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色和红色担体。为白色和红色担体。二、气液色谱固定相二、气液

5、色谱固定相载体载体+固定液固定液类型类型 组成组成 制备制备 特点及应用特点及应用 红色担体红色担体： ： 硅藻土硅藻土+粘合粘合剂 剂900oC煅烧煅烧 孔穴密集、孔径小、比表面大。对强极性孔穴密集、孔径小、比表面大。对强极性化合物吸附化合物吸附和催化性较强，可使和催化性较强，可使它们它们因吸因吸附而附而拖尾。只适于非极性或弱极性物质。拖尾。只适于非极性或弱极性物质。 硅藻土硅藻土 单细胞海藻骨单细胞海藻骨(SiO2+小量盐小量盐) 白 色 担 体白 色 担 体 ： ： 硅 藻 土硅 藻 土+20%Na2CO3煅烧煅烧 与红色担体性质和特点不同。与红色担体性质和特点不同。白色担体适白色担体适

6、于极性物质。于极性物质。 非硅藻土非硅藻土 有机聚合物有机聚合物 人工合成人工合成： ：有机玻璃球有机玻璃球,氟 氟,GDX载体载体 由于表面难以浸润，只用于一些特定组分由于表面难以浸润，只用于一些特定组分分析。分析。 载体组成、制备及特点载体组成、制备及特点载体表面处理：载体表面处理：硅藻土含有硅醇基硅藻土含有硅醇基(SiOH)、Al2O3、Fe等，也就是说等，也就是说，它具有活性而不完全化学惰性，需进行化学处理。，它具有活性而不完全化学惰性，需进行化学处理。其处理过程如下其处理过程如下：方法方法 处理过程处理过程 说明说明 酸洗酸洗 3-6M HCl 浸煮过滤，水、浸煮过滤，水、甲醇淋洗、

7、烘干甲醇淋洗、烘干 除除去去 Al 和和 Fe 铁等的氧化物。铁等的氧化物。用于分析有机酯和用于分析有机酯和酸。酸。一些拖尾，可加一些拖尾，可加 H3PO4或或 KOH 添加剂添加剂解决解决。 碱洗碱洗 5-10%NaOH 甲醇液回流，甲醇液回流，水、甲醇淋洗、烘干水、甲醇淋洗、烘干 除除 Al2O3酸性作用点。酸性作用点。用于胺用于胺类类等碱性物质。等碱性物质。 硅烷化硅烷化 加入加入 DMCS 或或 HMDS 等硅等硅烷化试剂，使与烷化试剂，使与-SiOH 反应反应 除去表面氢键活性中心。适于分析易生成氢键的组除去表面氢键活性中心。适于分析易生成氢键的组分，如水、醇和胺。分，如水、醇和胺。

8、 釉化釉化 2%Na2CO3浸泡担体，过滤浸泡担体，过滤得滤液再水稀得滤液再水稀 3 倍，用稀滤倍，用稀滤液淋洗担体，烘干后再高温液淋洗担体，烘干后再高温处理处理 表面形成釉层：屏蔽、惰化表表面形成釉层：屏蔽、惰化表面活性中心，并堵塞面活性中心，并堵塞一些微孔，其孔隙更均匀，可减小峰形拖尾，提高一些微孔，其孔隙更均匀，可减小峰形拖尾，提高柱效。柱效。 前图为气固气谱图：前图为气固气谱图：2m长，填充分子筛长，填充分子筛(5)后图为气液色谱图，后图为气液色谱图，30m, 0.53mm i.d. WCOT开管柱开管柱TCD 检测器检测器对固定液的要求：对固定液的要求：a) 热稳定性好、蒸汽压低热稳

9、定性好、蒸汽压低流失少；流失少；b) 化学稳定性好化学稳定性好不与其它物质反应；不与其它物质反应；c) 对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数K 适适当）；当）；d) 对各组分具有良好的选择性。对各组分具有良好的选择性。2. 固定液及其选择固定液及其选择(i) 相对极性相对极性P：规定非极性固定液角鲨烷的极性为：规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液，强极性固定液 , -氧二丙腈的极性为氧二丙腈的极性为100，以物质对正丁烷，以物质对正丁烷-丁二烯或环已烷丁二烯或环已烷-苯在苯在角鲨角鲨烷、烷、 , -氧二丙腈及待测固定液上分离得到相对保留值，并取

10、对数：氧二丙腈及待测固定液上分离得到相对保留值，并取对数：从下列公式求得待测固定液的相对极性从下列公式求得待测固定液的相对极性Px：其中其中q1, q2, qx分别表示物质对在分别表示物质对在角鲨烷、角鲨烷、 , -氧二丙腈和待测固定液的氧二丙腈和待测固定液的相对保留值。相对保留值。Px在在0100之间，每之间，每20单位为一级，即将极性分为单位为一级，即将极性分为5级：级：0, +1(非极性非极性)；+1, +2(弱极性弱极性)；+3(中等极性；中等极性；+4, +5(强极性强极性)(ii) 固定液特性常数固定液特性常数 I：包括罗氏常数麦氏常数。此处不作介绍。包括罗氏常数麦氏常数。此处不作

11、介绍。)(t）(tlgqrr正已烷正已烷丁二烯丁二烯 12x2xqq)qq(100100P 固定液的极性表示方法固定液的极性表示方法角鲨烷角鲨烷待测固定液待测固定液x氧二丙腈氧二丙腈角鲨烷角鲨烷氧二丙腈氧二丙腈正丁烷正丁烷+丁二烯丁二烯待测固定液待测固定液)(t）(tlgqrr1正正已已烷烷丁丁二二烯烯 )(t）(tlgqrrx正正已已烷烷丁丁二二烯烯 )(t）(tlgqrr2正正已已烷烷丁丁二二烯烯 q1P1=0qxq2P2=10012x2xqq)qq(100100P 相对极性的表示（计算）方法相对极性的表示（计算）方法柱柱固定相固定相固定液类型固定液类型 极性极性 例子例子 分离对象分离对

12、象 烃类烃类 非极性非极性 角鲨烷、石蜡烷角鲨烷、石蜡烷 非极性物质分离非极性物质分离 弱极性弱极性 甲基硅氧烷、苯基硅甲基硅氧烷、苯基硅 中极性中极性 氧烷、氟基硅氧烷氧烷、氟基硅氧烷 硅氧烷类硅氧烷类 强极性强极性 氰基硅氧烷氰基硅氧烷 不同极性物质分离不同极性物质分离 醇和醚类醇和醚类 强极性强极性 聚乙二醇聚乙二醇 强极性物质强极性物质 酯和聚脂类酯和聚脂类 中强极性中强极性 苯甲酸二壬酯苯甲酸二壬酯 各类物质各类物质 腈和腈醚类腈和腈醚类 强极性强极性 氧二丙腈氧二丙腈 极性物质极性物质 有机皂土有机皂土 弱极性弱极性 芳香异构体芳香异构体 固定液分类固定液分类 根据根据van De

13、emter方程和色谱分离方程式，分析条件的选择方程和色谱分离方程式，分析条件的选择在上一章已有论述，此处针对气相色谱方法作一简单小结。在上一章已有论述，此处针对气相色谱方法作一简单小结。1. 柱长柱长L 由分离度由分离度R的定义可得的定义可得(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2 即柱越长，理论塔坂数越高，分离越好。但柱过长，分析即柱越长，理论塔坂数越高，分离越好。但柱过长，分析时间增加且峰宽也会增加，导致总分离效能下降，因此柱长时间增加且峰宽也会增加，导致总分离效能下降，因此柱长L要根据要根据R的要求的要求(R=1.5)，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。，选择刚好使各组分得到有效分离为宜

14、。2. 载气及流速载气及流速u 对对van Deemter方程求导得到在流速为方程求导得到在流速为 ，柱效最，柱效最高，高，当当u较小时，较小时，B/u占主要，此时选择分子量大的载气，使组分的占主要，此时选择分子量大的载气，使组分的扩散系数小；如氩气或氮气。扩散系数小；如氩气或氮气。当当u较大时，较大时，Cu占主要，此时选择分子量小的载气，使组分的占主要，此时选择分子量小的载气，使组分的扩散系数小，减小传质阻力项扩散系数小，减小传质阻力项Cu。如氢气和氦气。如氢气和氦气。7.3 气相色谱分离分析条件气相色谱分离分析条件CBuopt/BCAH2min3. 柱温柱温4. 载体粒度及筛分范围载体粒度

15、及筛分范围 载体粒度越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。通常载体粒度越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。通常，对填充柱而言，粒度大小为柱内径的，对填充柱而言，粒度大小为柱内径的1/201/25为宜。为宜。5. 进样方式及进样量进样方式及进样量 要以要以“塞子塞子”的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不拖尾为宜。拖尾为宜。柱温柱温降低降低升高升高传质快、柱效高传质快、柱效高纵向扩散强、峰拖尾纵向扩散强、峰拖尾过高造成固定液流失过高造成固定液流失分析时间长分析时间长恒温恒温程序升温程序升温(宽沸程混合物宽沸程混合物)实验确定

16、实验确定一、样品预处理一、样品预处理 GC分析对象是在气化室温度下能生成气态的分析对象是在气化室温度下能生成气态的物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在进样前对样品进行处理。（杂峰），需要在进样前对样品进行处理。 1）水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质）水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质柱效下降，需除去。柱效下降，需除去。 2）非挥发份）非挥发份会产生噪声，同时慢慢分解会产生噪声，同时慢慢分解产生杂峰。产生杂峰。 3）稳定性差的组分）稳定性差的组分生成新物质生成新物质杂峰杂峰。7.4 定性分析定性分析2. 据经验式定性据经验

17、式定性1）碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留）碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留时间时间tr的对数与分子中碳数的对数与分子中碳数n成正比：成正比：lgtr=An+C (n 3) 如果知道两种或以上同系物的调整保留值，则如果知道两种或以上同系物的调整保留值，则可求出常数可求出常数A和和C。未知物的碳数则可从色谱图查。未知物的碳数则可从色谱图查出出tr后，以上式求出后，以上式求出n。2）沸点规律：同族具相同碳数的异构物，其调整）沸点规律：同族具相同碳数的异构物，其调整保留时间保留时间tr的对数与分子中沸点的对数与分子中沸点n成正比：成正比：lgtr=ATb+C 设正构烷烃的设正构烷烃的

18、Kovats指数为碳数指数为碳数 100。测定时，将碳数为。测定时，将碳数为n 和和n+1的正构烷烃加入到样品的正构烷烃加入到样品 x 中进行色谱分析，此时测中进行色谱分析，此时测得这三个物质的调整保留值分别为：得这三个物质的调整保留值分别为：tr(Cn)，tr(x)和和tr(Cn+1)，且待测物且待测物x的调整保留值介于两个烷烃之间。的调整保留值介于两个烷烃之间。利用下式求出未知物利用下式求出未知物 Kovats 指数指数 Ix，然后与文献值对照。，然后与文献值对照。)C(tlg)C(tlg)C(tlg)x(tlgn100Inr1nrnrrx 4. 保留指数保留指数(Kovats指数指数)定

19、性定性 采用该指数定性的重现性最佳。当固定液和柱温一定时，定性可不需采用该指数定性的重现性最佳。当固定液和柱温一定时，定性可不需要标准物。要标准物。正构烷烃碳数正构烷烃碳数调整保留时间调整保留时间 tr, min2,2-二甲基丁烷苯甲苯Kovats指数的计算图示指数的计算图示(Squalane, 60oC)5. 双柱或多柱定性双柱或多柱定性 可克服在一根柱上，不同物质可能出现可克服在一根柱上，不同物质可能出现相同的保留时间的情况。相同的保留时间的情况。6. 与其它方法结合定性与其它方法结合定性 如如GC-MS，GC-IR，GC-MS-MS GC分析是根据检测器对待测物的响应（峰高或峰面积）分析

20、是根据检测器对待测物的响应（峰高或峰面积）与待测物的量成正比的原理进行定量的。因此必须准确测与待测物的量成正比的原理进行定量的。因此必须准确测定峰高定峰高h或峰面积或峰面积A。1. 峰面积峰面积A的测量：的测量：对称峰：峰高对称峰：峰高h与半峰宽的积：与半峰宽的积：A=1.065 h W1/2不对称峰：峰高与平均峰宽的积：不对称峰：峰高与平均峰宽的积： A=1/2 h (W0.15+W0.85)hh7.5 定量分析定量分析2）相对校正因子）相对校正因子fi 由于绝对校正因子由于绝对校正因子fi与检测器灵敏度有关，它不易准确测与检测器灵敏度有关，它不易准确测得得(为什么为什么?)，因此定量分析中

21、常用相对校正因子表示：，因此定量分析中常用相对校正因子表示：即用即用一个物质作标准，用相对校正因子将所有待测物的峰面积校一个物质作标准，用相对校正因子将所有待测物的峰面积校正成相对于这个标准物质的峰面积，使各组分的峰面积与其正成相对于这个标准物质的峰面积，使各组分的峰面积与其质量的关系有一个统一的标准进行折算质量的关系有一个统一的标准进行折算。 采用的标准物因检测器不同而不同：采用的标准物因检测器不同而不同：TCD苯；苯；FID正庚烷。正庚烷。 fi(w)=fi(w)/fs(w)=(Aswi/Aiws) .（通式）（通式）当当w分别为质量分别为质量m、摩尔、摩尔M、和气体体积、和气体体积V时，

22、上式分别表示时，上式分别表示为为)M(f)V(f)V(f)V(f;MM)m(f)M(f)M(f)M(f;mAmA)m(f)m(f)m(fisiiisisiisiissii 3. 相对校正因子的测量相对校正因子的测量 准确称取被测物纯品与标准物，混合后进样。准确称取被测物纯品与标准物，混合后进样。从所得色谱图分别求出它们的峰面积，然后通过前从所得色谱图分别求出它们的峰面积，然后通过前述公式计算校正因子（省去述公式计算校正因子（省去“相对相对”二字）。二字）。必须注意必须注意： 校正因子只与试样、标准物和检测器类型有关校正因子只与试样、标准物和检测器类型有关，与其它所有条件无关！当无法得到被测物纯

23、品时，与其它所有条件无关！当无法得到被测物纯品时，可以利用文献值查表得到。，可以利用文献值查表得到。3. 相对校正因子的测量相对校正因子的测量 准确称取被测物纯品与标准物，混合后进样。准确称取被测物纯品与标准物，混合后进样。从所得色谱图分别求出它们的峰面积，然后通过前从所得色谱图分别求出它们的峰面积，然后通过前述公式计算校正因子（省去述公式计算校正因子（省去“相对相对”二字）。二字）。必须注意必须注意： 校正因子只与试样、标准物和检测器类型有关校正因子只与试样、标准物和检测器类型有关，与其它所有条件无关！当无法得到被测物纯品时，与其它所有条件无关！当无法得到被测物纯品时，可以利用文献值查表得到

24、。，可以利用文献值查表得到。1）归一化法：要求试样中所有）归一化法：要求试样中所有n个组分全部流出色个组分全部流出色谱柱，并全部出峰！则其中组分谱柱，并全部出峰！则其中组分 i 的含量为：的含量为：fi 为为i 物质的相对定量校正因子；物质的相对定量校正因子；Ai为其峰面积。为其峰面积。 此法简单、准确，操作条件影响小。但应用此法简单、准确，操作条件影响小。但应用不多。因为谁知道试样有多少组分？应该出多少峰不多。因为谁知道试样有多少组分？应该出多少峰才叫全部出峰？才叫全部出峰？nn2211iiiAf.AfAfAfx 4. 定量分析方法定量分析方法 简简 介介毛细管柱的发明使得气相色谱分析发生了

25、革命性的变化！毛细管柱的发明使得气相色谱分析发生了革命性的变化！ 50 年代初，主要进行填充柱的理论和应用研究，并开始年代初，主要进行填充柱的理论和应用研究，并开始进行非填充柱进行非填充柱(内径为十分之几毫米内径为十分之几毫米)的理论可行性研究。的理论可行性研究。 1956 年年Golay正式提出了非填充柱（空心柱）的理论并正式提出了非填充柱（空心柱）的理论并制作出效率极高毛细管柱；次年发表了该研究论文。制作出效率极高毛细管柱；次年发表了该研究论文。 50 年代后期，一些研究人员都制成了各类毛细管柱，年代后期，一些研究人员都制成了各类毛细管柱，经测定，一些毛细管的理论塔板数可达到经测定，一些毛

26、细管的理论塔板数可达到300,000！ 7.6 毛细管柱气相色谱毛细管柱气相色谱 (Capillary GC)毛细管气相色谱仪器与填充柱色谱仪类似。只毛细管气相色谱仪器与填充柱色谱仪类似。只是是:1) 在进样口增加了分流在进样口增加了分流/不分流装置不分流装置解决了解决了柱容量小的问题；柱容量小的问题；2) 以及在柱后增加了一个尾气吹扫气路以及在柱后增加了一个尾气吹扫气路减减少了柱与检测器连结处的死体积过大的问题；少了柱与检测器连结处的死体积过大的问题；3) 通常采用程序升温技术。通常采用程序升温技术。一、毛细管气相色谱仪器一、毛细管气相色谱仪器二、毛细管柱二、毛细管柱1. 分类分类填充型：先

27、在玻璃管内填充疏松载体，再拉制成毛细管，填充型：先在玻璃管内填充疏松载体，再拉制成毛细管，最后再涂渍固定液。最后再涂渍固定液。开管型：按固定液涂渍方法不同，可分为开管型：按固定液涂渍方法不同，可分为(i) 涂壁开管柱涂壁开管柱(Wall-coated open tubular, WCOT) 管内壁经处理后，直接涂渍固定液；管内壁经处理后，直接涂渍固定液； 管内壁经处理后，将固定液引入到管壁，再经高温处理管内壁经处理后，将固定液引入到管壁，再经高温处理，使其交联，使其交联(Cross-lined)至管壁至管壁高效、耐高温、抗溶剂高效、耐高温、抗溶剂冲刷。冲刷。 管内壁经处理后，将固定液以化学键合管内壁经处理后，将固定液以化学键合(Bonded)的方式的方式引入到管壁或预先涂渍的硅胶上引入到管壁或预先涂渍的硅胶上高热稳定性。高热稳定性。毛细管气相色谱图毛细管气相色谱图(分别涂渍不同的固定相分别涂渍不同的固定相, 温度为最高使用温度）温度为最高使用温度）聚乙烯醇聚乙烯醇(Carbonwax 20M, 250oC)50%聚氰丙基聚氰丙基-二甲基硅氧烷二甲基硅氧烷(OV-275, 240oC)聚二甲基硅烷聚二甲基硅烷(OV-1, SE-30, 350oC)5%苯甲基二甲基硅氧烷苯甲基二甲基硅氧烷(O