第十四章气相色谱分析法

第十四章气相色谱分析法第十四章气相色谱分析法色谱法

一种高效得、应用范围广得分离分析技术,可用于从小分子到大分子各种不同性质物质得分离,包括少量样品得分析及大量样品成分分离制备等。由于仪器进步及各个学科分离分析复杂物质得需要,近几十年来发展很快,就是最有效得分离手段,涉及各个学科领域,就是现代化学发展得基础之一。

叶绿素得石油醚溶液流经装有CaCO3得柱子,然后用石油醚淋洗。

CaCO3对叶绿素各成分吸附能力不同,而分离成为不同得色带。

固定相－CaCO3

流动相－石油醚叶绿素b叶绿素a叶黄素胡萝卜素茨维特色谱图(1906,俄)色谱法得起源色谱法发展得历史1906茨维特创立(色谱名称来源)1941马丁/辛格液液分配色谱1944康斯登/马丁纸色谱1952马丁/辛格气相色谱、塔板理论1956斯塔尔薄层色谱1957戈雷毛细管柱(里程碑)1957霍梅斯GC-MS(提高鉴定能力)1966LOWGC-FTIR70年代HPLC80年代SPC、CCE90年代CEC与色谱技术相关得Nobel奖项年代获奖学科获奖研究工作1937化学类胡萝卜素化学、维生素A与B1938化学类胡萝卜素化学1938化学聚甲烯与高萜烯化学1950生理学、医学性激素化学及其分离、肾皮质化学及其分离1950化学超铀元素得发现1951化学脑下腺激素得研究与第一次合成聚肽激素1958化学胰岛素得结构1961化学光合作用时化学反应得确认1970生理学、医学关于神经元触处迁移物质得研究1970化学糖核苷得发现及其在生物合成碳水化合物中得作用1972化学核糖核酸化学酶结构得研究1972生理学、医学抗体结构得研究色谱分离基本原理

利用外力使含有样品得流动相通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶得固定相表面。样品中各组份在两相中进行不同程度得作用。与固定相作用强得组份随流动相流出得速度慢;反之,与固定相作用弱得组份随流动相流出得速度快。由于流出得速度得差异,使得混合组份最终形成各个单组份得“带(band)”或“区(zone)”,对依次流出得各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。色谱法分类色谱法填充柱色谱毛细管柱色谱柱色谱毛细管电泳经典高压平板薄层色谱纸色谱固体吸附剂 吸附液体(固体) 分配键合相 分配气相色谱液相色谱超临界色谱固体吸附剂吸附离子交换树脂静电聚合物间隙筛分液体（固体）分配键合相分配 分配/亲和吸附色谱离子色谱排阻色谱分配色谱亲和色谱色谱柱:起分离作用得柱。固定相:固定在柱内得填充物。固定相可以就是固体,也可以就是附载在惰性固体物质(担体)上得液体(固定液)。流动相:沿着柱流动得流体。色谱法得几个基本概念液相色谱:用液体作为流动相得色谱法。气相色谱:用气体作为流动相得色谱法。气相色谱过程待测物样品被蒸发为气体并注入到色谱分离柱得柱顶,以惰性气体(指不与待测物反应得气体,只起运载蒸气样品得作用,也称载气)将待测物样品得蒸气带入柱内分离。其分离原理就是基于待测物在气相与固定相之间得相互作用来实现。按固定相得不同可分为气液色谱与气固色谱。气固色谱(GSC)利用不同物质在固体吸附剂上得物理吸附-解吸能力不同来实现物质得分离。由于活性(或极性)分子在这些吸附剂上得半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性得),导致色谱峰严重拖尾,因此,气固色谱应用十分有限,只适于较低分子量与低沸点气体组分得分离分析。气液色谱(GLC)通常直接称之为气相色谱。它就是利用待测物在气体流动相与固定在惰性固体表面得液体固定相之间得分配原理实现分离。1941年,Martin与Synge提出气液分配色谱得概念。11年后,即1952年,Jones与

Martin通过实验展示了该方法;3年后,即1955年,首台气相色谱仪问世。1985年,估计有10万台仪器投入使用！如今呢？说不清！大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静气相色谱法特点选择性好,分离效能高:能分析分离很复杂得混合物(几十或几百个组分)或性质相近得物质(如同系物与异构体等)。样品用量少,灵敏度高:10-11-10-13g(高灵敏度得检测器)。分析速度快:几或几十分钟。应用范围广:b、P、<400

C。不足之处:不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质及蛋白质、核酸等生物样品得分析。GC在各领域得主要应用应用领域分析对象举例环境水样中芳香烃,杀虫剂、除草剂与锑形态等。石油原油成分、汽油中各种烷烃与芳香烃。化工喷气发动机燃料中烃类,石蜡中高分子烃。食品、水果、蔬菜植物精炼油中各种烯烃、醇与酯、亚硝胺,香料中香味成分,人造黄油中得不饱与十八酸,牛奶中饱与与不饱与脂肪酸等。生物植物中萜类,微生物中胺类、脂肪酸(酯)类等。医药血液中汞形态,中药中挥发油。法医学血液中酒精,尿中可卡因、安非它命,奎宁及其代谢物,火药成分,纵火样品中得汽油等。气相色谱仪气相色谱仪流程图H2N2或Ar气路系统进样系统分离系统检测系统温控系统气相色谱仪结构示意图色谱柱流量控制器稳压器空气氢气载气分子筛脱水管固定限流器进样口检测器电子部件PC气源:高压钢瓶或气体发生器。常用载气有氮气、氢气、氦气、氩气等,要求纯度高。作用(提供动力):

驱动样品在色谱柱中流动,并把分离后得各组分推进检测器。载气得选择:气路系统检测器种类载气净化方式热导检测器H2/He分子筛、硅胶、活性炭氢火焰H2/N2去含碳有机物电子捕获N2去H2O、O2１、进样器:将样品快速、准确地加到色谱柱头。

气样:六通阀或注射器(0、25、1、2、5、10mL)。

液样:注射器(0、5、1、2、10

L)。

固样:溶解或闪蒸。２、气化室:将液(固)体样品瞬间气化。

热容大;死体积小;无催化效应。

温度得选择:样品瞬间气化而不分解;通常选在样品沸点附近,高于柱温10

50

C即可。进样气化系统温控系统包括对三个部分得控温,即气化室、色谱柱与检测器。温度控制就是否准确、升、降温速度就是否快速就是市售色谱仪器得最重要指标之一。控温方式:恒温与程序升温。温度选择:温控系统§14-2气相色谱固定相气－固色谱固定相:表面具有活性得吸附剂(活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛等);吸附剂得性能与制备、活化条件有很大关系,重现性较差。气－液色谱固定相:担体表面涂固定液。(1)担体:一种化学惰性得多孔性固体颗粒。担体得作用:提供惰性表面,使固定液以液膜状态均匀地分布在其表面。

担体的要求①表面积大，孔径分布均匀。

②化学惰性好。③热稳定性好，有一定的机械强度。④颗粒均匀、细小。担体的种类非硅藻土担体：玻璃球、聚乙烯……硅藻土担体红色担体(非极性固定液)白色担体(极性固定液)(2)固定液:高沸点得有机化合物,常温下就是固体或液体,可用作固定液得化合物有1000多种。固定液的要求：①挥发性小，热稳定性高②在操作温度下呈液态③对试样有适当的溶解能力固定液的分类：①按化学类型②按极性大小极性得规定:角鲨烷(异三十烷)极性

P＝0

β,β’－氧二丙腈极性

P＝100分离物质对正丁烷丁二烯

测定分离物质对在上述两种固定液和被测固定液上的保留值，计算相对极性。角鲨烷：

q烷＝lgtR׳(丁二烯）tR׳(正丁烷）氧二丙腈：

q腈＝lgtR׳(丁二烯）tR׳(正丁烷）被测固定液：

qx＝lgtR׳(丁二烯)tR׳(正丁烷)被测固定液的相对极性：Px＝100－100(q腈－qx)q腈－q烷

不同固定液得极性落在0~100之间,每20个相对极性单位为一级,用“＋”表示。强极性:P＝＋4,＋5中等极性:P＝＋3弱极性:P＝＋1,＋2§14-3气相色谱分析理论基础基线:只有载气通过检测器时响应信号得记录§14-3-1色谱流出曲线及相关术语色谱带:组分在柱内得浓度分布构型。色谱峰:检测器产生得信号记录在纸上。基线稳定基线漂移基线(低频)噪声基线(高频)噪声色谱流出曲线进样基线(噪音)h/峰高(定量)A/峰面积(定量)保留值:试样得各组份在色谱柱内停留时间得数值、常用时间或相应得载气体积表示。保留时间(retentiontime,tR):待测组份从进样到柱后出现浓度最大值所需要得时间。死时间(deadtime,tM):不与固定相作用得气体(如空气与甲烷)得保留时间。调整保留时间(adjustedretentiontime,tR‘):扣除死时间得保留时间。tR’=tR–tM固定相一定,在确定得实验条件下,任何物质都有一定得保留值,它就是色谱定性得基本参数。保留体积(retentionvolume,VR):从进样到柱后出现待测组份浓度最大值所通过得载气体积。

VR=tR、F0死体积(deadvolume,VM):色谱柱内除了填充物固定相以外得空隙体积,色谱仪中管路与连接头间得空间,进样系统及检测器得空间总与。VM=tM、F0调整保留体积(adjustedretentionvolume,VR‘):扣除死体积后得保留体积。

VR'=VR-VM或VR'=tR'、F0相对保留值(relativeretentionvalue,r21):组份2与组份1调整保留值之比。1212'1'2'1'2RRRRRRRR1,2VVttVVttr¹¹==

相对保留值只与柱温及固定相性质有关,与其它色谱操作条件无关,它表示色谱柱对这两种组份得选择性。越大,越容易分离,=1,分离不能实现。用于衡量柱效及反映色谱操作条件下得动力学因素区域宽度(peakwidth):色谱峰宽度。从色谱流出曲线上可以得到什么信息？根据色谱峰个数可以判断样品中所含组分得最小个数。根据色谱峰得保留值可以进行定性分析。根据色谱峰高或者峰面积可以进行定量分析。根据色谱峰保留值与区域宽度可以评价色谱柱分离效率。可以通过两个色谱峰得距离评价固定相(流动相)得选择就是否合适。

两组份峰间距足够远

由各组份在两相间得分配系数决定,即色谱过程得热力学性质决定。

每个组份峰宽足够小

由组份在色谱柱中得传质与扩散决定,即色谱过程动力学性质决定。因此研究、解释色谱分离行为应从热力学与动力学两方面进行。§14-3-2色谱柱效能完全分离得条件1、分配系数(Distributionconstant,K):描述组份在固定相与流动相间得分配过程或吸附-脱附过程得参数。组分一定时,只与两相与温度有关!描述分配过程得参数msccK==溶质在流动相中的浓度溶质在固定相中的浓度2、分配比(Retentionfactororcapacityfactor/k)反映了组分在柱中得迁移速率,又称保留因子mmssmsVcVcmmk===组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量填充柱:=6~35毛细管柱:=60~6003、

K与k得关系VVsm=b—詹姆斯/马丁(1941)小室1小室2小室3小室4小室1小室2小室3小室4

塔板理论(Platetheory)---柱效能指标理论塔板数理论板高有效塔板数有效板高1、塔板数(n)()板高H说明柱效时,必须注明该柱效就是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等。应定期对柱效进行评价,以防柱效下降、延长柱寿命。2、塔板理论贡献用热力学得观点阐明了溶质在色谱柱中得分配平衡与分离过程。解释了流出曲线得形状及浓度极大值得位置。提出了计算与评价柱效得参数。3、塔板理论不足不能解释造成谱带扩张得原因与影响板高得各种因素。不能说明同一溶质为什么在不同得流速下,可以测得不同得理论塔板数。—VanDeemter/1956吸收了塔板理论中得板高H概念,考虑了组分在两相间得扩散与传质过程,从动力学角度很好地解释了影响板高(柱效)得各种因素！速率理论(Ratetheory)---影响柱效能得因素H：单位柱长色谱峰形展宽的程度A：涡流扩散项B：分子扩散项系数C：传质阻力项系数流动相平均线速:uuCuBAH++=1、涡流扩散项(多途路径项,A)减小A得途径:使用粒度小并且均匀得柱料并均匀填充毛细管柱？：填充物平均粒径填充不规则因子ppd:d2All=2、分子扩散项(纵向扩散项,B/u)

柱料均匀

柱温

Dg;柱压

Dg

流动相分子量,Dg

u

,(B/u)

LC中Dm

较小,B项可勿略球状颗粒低温短柱大分子量流动相适当增加流速数：组分在流动相扩散系：弯曲因子ggDD2Bgg=3、传质阻力项(Cu)

物质系统由于浓度不均匀而发生得物质迁移过程,称为传质。影响这个过程进行速度得阻力称为传质阻力。因传质阻力得存在,使分配不能“瞬间”达至平衡,因此产生峰形展宽。流动相传质阻力系数固定相传质阻力系数塔板理论与速率理论都难以描述难分离物质组份得实际分离程度:即柱效为多大时,相邻两组份能够被完全分离?色谱分离中得四种情况如图所示:n较高,

较大,完全分离n较高,

较小,基本分离n较小,

较大,分离不好n、

均小,无法分离§14-3-3分离度(分辨率)保留值之差—色谱过程得热力学因素区域宽度—色谱过程得动力学因素难分离物质组份得分离度大小受色谱过程中两种因素得综合影响:分离度表达式:W1＝W2=4σR＝

tR(2)－tR(1)4σ

R＝1.0时，4σ分离，分离程度98%R＝1.5时，6σ分离，分离程度达99.7%

对于两个面积相等的对称峰：响应信号保留时间

t/minR=1.0分离98%R=1.5分离99.7%R=0.75不能分离完全分离之标准①α＞1就是分离得前提

②

n↗,R↗

应用:(1)计算色谱体系所能达到得分离度(2)达到某一分离度所需得柱长

α-1α（

）41

k1+k√

nR＝（）=分配比(k)、理论塔板数(n)、分离因子(α)与分离度(R)得关系§14-4气相色谱分离操作得选择

流动相得类型及流速常用流动相:N2、H2、He、AruCuBAH++=低时：u占主要地位，用分子量大的Ｎ２和ＡruB高时：占主要地位，用分子量小的H2和ＨeuCu为缩短分析时间,通常选择较u最佳稍大得流速流速得选择可参照H－u曲线板高H\cmuH-uCSuCmu/Boptu色谱柱材:不锈钢、玻璃柱内径填充柱：3~4mm空心柱：0.25~0.3mm柱温影响:K、k、Dm、Ds、T↗、K↘柱长填充柱:1－3米空心柱:数十米柱长与柱径柱温:改善分离得重要操作参数柱温选择:接近或略低于组分得平均沸点,对宽沸点试样可采用程序升温(柱温按设定得程序逐渐升高)进样量:液体0、1~5μL;气体0、1~10mL进样时间:1s内完成气化温度:使试样能够瞬间气化又不分解固定液配比:决定于组分得k值与允许样品量得大小。分配系数大得用低配比,分配系数小得用高配比进样条件作用：物质量

mi电信号E(电流、电压、峰面积)类型浓度型：E∝c，A∝1/u(热导池、电子捕获)质量型：E∝m，A与u无关(氢火焰)A—组分的峰面积u—流动相的流速§14-5气相色谱检测器结构池体：不锈钢、铜热敏元件：铼钨丝、钨丝、铂丝§14-5-1热导池检测(TCD)热导池样品池参比池热丝粗细、长短、电阻值完全相同热丝电阻值

R∝热丝温度t∵不同物质有不同得热导系数λ

∴

通过热导池得气体组成及浓度发生变化时,热丝得温度变化,R变化未进样：R参、R测都通载气，λ相同，两池t相同R参＝R测∴R参R2＝R测R1

电桥平衡△EMN＝0，无信号输出热丝得电阻值变化用惠斯登电桥测量进样：参比池：载气

λ载样品池：载气＋样品

λ二元∵λ载≠λ二元

，t参≠t测，R参≠R测∴R参R2≠R测R1，电桥不平衡△EMN≠0，有信号输出∵△E∝△R∝△t∝△λ∝C∴△E∝C组分得λ与流动相得λ不同时,均可产生信号,故热导池检测器就是通用型检测器。影响灵敏度因素有:桥路电流、池体温度、载气种类结构离子室：金属圆筒离子头：发射极、收集极、喷嘴气体供应§14-5-2氢火焰离子检测器(FID)有机物氢火焰燃烧裂解、电离正离子负极负离子正极10-6~10-14A电流微电流经放大后，由高阻转为电压信号记录下来。

FID只对电离势低于H2得有机物产生响应,对无机物、永久性气体与H2O基本上没有响应。操作条件载气流量：考虑分离效能

H2流量：考虑灵敏度空气流量：一般H2︰空气＝1︰10依据:两相及操作条件不变时,物质得tR或VR不变。前提条件:对样品得组成比较清楚,操作条件稳定,若相邻两峰得tR接近,且条件不易控制时,可把纯物质添加到试样中。

§14-6气相色谱定性分析§14-6-1利用纯物质对照定性保留值定性

将标样与样品在另一根极性相差较大得色谱柱进样分析,如果保留时间仍相同,则可以确定两者为同一物质。添加前添加后双柱定性实质色谱仪－－质谱仪的进样装置质谱仪－－色谱仪的检测器§14-6-2与质谱、红外光谱联用定性气相色谱—质谱联用仪试样色谱柱分子分离器样品分子离子源室质量分析器载气真空系统离子检测室总离子流图质谱图大气悬浮物中有机物得总离子流图桉叶油素质谱图气相色谱—红外光谱联用仪A＝Simi§14-7气相色谱定量分析定量分析得依据:一定条件下,检测器得相应信号(峰面积或峰高)与进入检测器得组份量(质量或浓度)成正比