分析化学 第11章 气相色谱法-2.ppt

1、1,气相色谱,Gas Chromatography,药物分析教研室,2,主要内容,概述 色谱法基本理论 固定相 气相色谱仪 分离条件的选择 分析方法,3,本章层次,掌握：固定相的选择、 FID检测器、 选择气相色谱条件、定量分析 熟悉： 气相色谱仪的一般组成系统、 ECD检测器 了解：TCD、定性分析、近代气相 色谱法,4,第1节 概述,定义：GC是以气体为流动相的柱色谱分离技术。 起源：GC是英国生物化学家 Martin A T P等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分离和分析复杂的多组分混合物。,5,按固定相分类：,载体固定液相 GLC 表面活性吸附

2、剂 GSC,柱色谱,气相色谱法分类,6,按柱分类：,填充柱 毛细管柱,空心毛细管柱,填充毛细管柱,GCMS联用,7,气路系统,进样系统,色谱分离系统,检测系统,记录及数据处理系统,放空或分步收集,温 控 系 统,气相色谱的流程图,8,气相色谱仪,9,仪器介绍 HP4890,10,优点,高选择性 高灵敏度 高柱效 二少 一广,11,第2节 色谱法基本原理 一.两组分完全分离的条件 二.塔板理论 三.速率理论,12,第3节 固定相 一、液体固定相 二、固体固定相,13,一、液体固定相,由固定液（stationary liquid）或固定液和载体（support）组成。 （一）固定液 （二）载体,1

3、4,（一）固定液 总体要求 使样品中各组分呈良好分离，延长柱使用寿命。,15,1.对固定液的要求,在操作温度下应呈液态，蒸气压应低。 对样品中各组分应具有足够的溶解能力。 对样品中各组分应具有较高的选择性，即对各组分的分配系数应有较大差别。填充柱 1.10；毛细管柱， 1.05。 稳定性好。 黏度要小，凝固点要低。 对载体有良好浸润性，易形成均匀薄膜。,16,2.固定液的分类,按固定液的相对极性：非极性、中等极性、极性、氢键型固定液， 影响固定液选择的主要作用力有极性、诱导极性、氢键作用力等。 按化学类型：烃、硅氧烷、醇、醚、酯、腈、腈醚等。,17,非极性固定液 种类：饱和烃类等，常用角鲨烷（

4、C30H62）、阿皮松（C36H74）、甲基硅酮(OV-1)等。 主要作用力：色散力。用于分离非极性与弱极性物质。 出峰顺序：按沸点顺序分离，沸点低先出峰。,18,中等极性固定液 种类：苯基甲基硅酮（OV17） 主要作用力：诱导力&色散力。最适用于中等极性物的分离。 出峰顺序：按沸点顺序分离，沸点低先出峰。沸点相同的极性和非极性组分，诱导力起主要作用，非极性组分先流出。,19,极性固定液 种类：腈类、氧二丙腈（CH2CH2CN）2O 主要作用力：静电力为主，诱导力、 色散力为次。用于分离极性化合物。 出峰顺序：按极性大小顺序分离，极性小先出峰。,20,氢键型固定液（强极性固定液） 种类：聚乙二

5、醇PEG、三乙醇胺 主要作用力：氢键 出峰顺序：按形成氢键的能力大小顺序分离，最不易形成氢键的最先出峰。,21,3.固定液选择,（1）按相似相溶原则即按组分与固定液的极性与化学结构相似的原则选择 （2）按主要差别选择 （3）使用混合固定液,22,a.样品组分与固定液分子间作用力强则组分在固定液中溶解度大，分配系数大，tR长，后出峰。反之,先出峰。 b.如被分离的混合物是同类分子，它们与固定液之间的作用力大小相差不多，则它们按沸点大小或按其与固定液间的相互作用力强弱出峰. c.如被分离物是不同类型分子，则选择对某一类型分子作用力较强，而对另一类作用力较弱的固定液，使它们先后洗脱出峰。,规律：,2

6、3,按极性相似选择,被分离物极性 非极性弱极性化合物中等极性化合物极性化合物强极性化合物（能形成氢键的）,固定液极性 非极性固定液 中等极性固定液 极性固定液 氢键型固定液,24,按化学官能团相似选择,被分析物 酯 醇,固 定 液 酯类或聚酯类固定液 聚乙二醇类,25,按主要差别选择,样品各组分的沸点差别为主 选非极性固定液，按沸点高低出峰 样品各组分的极性差别为主 选极性固定液，按极性大小出峰,26,例如：分离苯和环己烷,苯 80.1 弱极性,环己烷 80.7 非极性,沸点 极性,b.p小 稍有差别,27,非极性固定液很难分离 中等极性固定液 邻苯二甲酸二辛酯 tR苯1.5tR环己烷 强极性

7、固定液（氢键型） 聚乙二醇400 tR苯3.9tR环己烷 ，氧二丙腈 tR苯6.3tR环己烷,28,对难分离的样品采用混合固定液,对难分离的样品用混合固定液，调节比例 注意：要考虑最高和最低使用温度。最高使用温度要比混合固定液的沸点低150200。 一般固定液在P68.66Pa(0. 5mmHg)时固定液流失，影响柱寿命及数据稳定性。,29,(二)载体 作用： GSC 载体本身是固定相 GLC 仅作为液相的支持体,30,要求： 1.=A/m 大，具多孔性且孔径均匀分布 2.化学惰性和固定液间有较强吸引力 3.颗粒大小均匀 4.有一定的机械强度 5.热稳定性好,31,分类 硅藻土型 非硅藻土型,

8、红色担体(非极性) 白色担体(极性),多孔 无孔,GDX 多孔玻璃 多孔硅珠,氟载体 洗涤剂 玻璃微珠、素瓷,32,硅藻土载体的预处理 酸洗法 碱洗法 硅烷化法,33,二、固体固定相,吸附剂 分子筛 高分子多孔微球,34,第4节 气相色谱仪,气路系统 进样系统 分离系统 检测系统 温控系统 数据处理系统,35,气路系统,起源 净化器 气流控制装置,36,进样系统,样品导入装置 进样口,37,分离系统,色谱柱 柱箱,38,色谱柱分类 (1)按柱体分类 (2)按固定相分类 (3)据柱管粗细分类,39,金属柱 玻璃柱 聚四氟乙烯,U形 螺旋型 直型,形状,柱体,(1)按柱体分类,40,(2)按固定相

9、分类,气固色谱柱 固体(吸附剂)固定相 缺点：峰拖尾严重、重现差、 应用范围少。 气液色谱柱 液体固定相,41,(3)据柱管粗细分类,填充柱 分析用：直径26mm，长16m， 粒径80100目 制备用：直径6500mm，长26m， 粒径20目 毛细管柱 直径：0.050.53mm，柱长几十 至几百米,42,涂壁开口柱 WCOT 空心毛细管柱 多孔层开口柱 PLOT 涂膜薄层开口柱 SCOT 填充毛细管柱,毛细管柱分类,43,检测系统,检测器能连续地监测从色谱柱馏出的气体组成的变化，并把这种变化通过不同的方式转变为可测量的电信号，通过对电信号的处理，可获得色谱分析的定量和定性结果。,44,（一）

10、检测器的分类 1.按对信号统计方式分 2.按响应特征分 3.按检测物质分 4.按对组分的破坏性分,45,1.按对信号统计方式分 积分式 显示的信号是组分随时间的积累量，可直接得出组分的含量。通常用来连续测定色谱柱后流出物的总量。 微分式 显示的信号是组分随时间的瞬时量的变化，曲线上的各点表示该瞬时间某组分的量，整个峰面积才表明某组分的总量。,46,2.按响应特征分,浓度型 检测组分浓度的瞬时变化，响应信号取决于载气中信号浓度。如:TCD、ECD 质量型 检测组分进入检测器的质量流速变化，如:FID、FPD,47,3.按检测物质分,通用型 如TCD、MS、IR 选择型 如ECD,48,4.按对组

11、分的破坏性分,破坏性 如FID 非破坏性 如TCD,49,（二）对检测器的要求,主要： 准确 a.足够的灵敏度 b.线性范围宽 c.最小检测量低 d.稳定性好 及时、连续 a.死体积小 b.响应迅速,50,次要： 造价低廉、使用方便抗干扰或能确定特种官能团,通用型检测器要求适用范围广； 选择型检测器要求选择性好。,51,（三）常用的检测器,热导检测器（TCD） 氢火焰检测器（FID） 电子捕获检测器（ECD）,52,一）热导检测器(TCD） 1.检测依据 2.适用对象 3.结构及工作原理 4.优点和缺点 5.影响因素 6.使用注意事项,53,1.检测依据：不同的组分有与载气不同的热导系数，从而

12、可检测出组分的浓度变化. 2.适用对象：无机气体和有机物,54,3.结构及工作原理 1）热导检测器构件 2）热导检测器结构示意图 3）热导检测器工作原理,55,1）热导检测器构件 热导池：在一块不锈钢块上钻上孔道，装入热敏元件（热丝）构成。 热敏元件：电阻随温度的升高而增大，并且具有较大的温度系数，常用钨丝或铼钨丝。 钨丝的电阻温度系数为： 6.5103欧/（欧度）。,56,双臂热导池：将两个材质和电阻相同的热敏元件，装入一个双腔的池体中构成。 测量臂：连接在色谱柱之后的一臂。电阻R1 参考臂：连接在色谱柱之前，只通载气的一臂。电阻R2 R1、R2与两个阻值相等的固定电阻R3、R4组成桥式电路

13、（惠斯敦电桥）。,57,2）热导检测器结构示意图,58,3）热导检测器工作原理 当载气以恒定的速度通入电导池，并以恒定的电压给热导池通电时，热丝温度升高。 所产生的热量主要经载气由热传导方式传给温度低于热丝的池体；其余部分由载气的“强制”对流所带走；热辐射散失的热量较小，可忽略不计。,59,当热量的产生与散失建立热动平衡后，热丝的温度恒定。若测量臂无样品气体通过，即只通载气时，两个热丝的温度相等，R1=R2。 根据惠斯敦电桥原理：R1/R2=R3/R4 VAB=0 检流计G中无电流通过（IG=0），检流计指针停在零点。,60,当样品经色谱柱分离后，某组分被载气带入测量臂时，若组分与载气的热导率

14、不等，则测量臂的热动平衡被破坏，热丝的温度将改变。 若组分的热导率小于载气的热导率，则热传导散热减少，热丝温度升高，电阻R1增大。,61,R1R2；R1/R2R3/R4；VAB0；IG0，检流计指针偏转。 当组分完全通过测量臂后，指针又恢复至零点。 用记录器（电子毫伏计）代替检流计，则可记录mV-t曲线，即色谱流出曲线。,62,VAB的大小决定于组分与载气的热导率之差，以及组分在载气中之浓度。 在载气与组分一定时，峰高（VAB）与组分在载气中的浓度成正比。,63,四臂热导池 ：将电桥上两个固定电阻（R3、R4）也换成热敏元件则构成。 灵敏度在同样条件下是双臂热导池的两倍。,64,4.优点和缺点

15、 优点：结构简单， 测量范围广 稳定性好 线性范围宽 样品不被破坏 缺点：灵敏度偏低,65,5.影响因素 （1）载气性质 （2）检测器温度,66,（1）载气性质 TCD的灵敏度取决于 载气 载气组分增大，信号增大，灵敏度变大 常用H2（ 22.36）或He（ 17.42）作为载气。 N2（ 3.14）较小，灵敏度小。 当样品 N2时，图谱会出现倒峰。,67,（2）检测器温度 灵敏度 T 3/2 ， T T热丝T池体 热导池温度上升，灵敏度降低 但若热导池温度过低，组分冷凝，污染池体。所以T检T柱能满足灵敏度即可。,68,二）氢火焰离子化检测器（FID） 1.检测依据 2.适用对象 3.结构及工

16、作原理 4.优点 5.缺点 6.使用注意事项,69,1、依据：利用有机物在氢焰的作用下，化学电离而形成离子流，通过测定离子流强度进行检测。 2、应用：能在氢焰中离子化的绝大多数有机物。,70,3.结构及工作原理 1）氢火焰检测器构件 2）氢火焰检测器结构示意图 3）氢火焰检测器工作原理,71,1）氢火焰检测器构件 收集极（阳极） 极化环（阴极） 点火线圈组成,72,2）氢火焰检测器结构示意图,73,3）氢火焰检测器工作原理 基于有机化合物进入氢火焰，在燃烧过程中直接或间接产生离子。 检测器的收集极与极化环间加有电压，使离子在收集极与极化环间作定向流动而形成离子流。 离子流强度与进入检测器中组分

17、的量及分子中的含碳量有关，在组分一定时，测定电流（离子流）强度可对物质进行定量。经放大器放大后由记录器记录电压随时间的变化，得到色谱曲线。,74,4、优点 a.灵敏度高 b.响应迅速 c.线性范围宽 d.对T不敏感，可作梯度洗脱检测器 e.操作稳定，特别适合与毛细管柱配合进行快速痕量分析。 f.易于清扫,75,5.缺 点,对稀有气体、O2、N2、CO2等无信号。 对含N、S、P等分子量大的有机物信号低。,76,三）电子捕获检测器（ECD） 1.检测依据 2.结构及工作原理 3.应用 4.优点 5.缺点 6.使用注意事项,77,1、依据 在放射性物质辐射线的作用下，间接使组分导电，形成离子流，通

18、过测定离子流来确定组分浓度。,78,2.结构及工作原理 1）电子捕获检测器构件 2）电子捕获检测器结构示意图 3）电子捕获检测器工作原理,79,1）电子捕获检测器构件 类型：放射性和非放射性 放射性检测器：内有一个圆筒状放射源，放射源贴在阴极壁上，内腔中央的不锈钢棒作正极，在两极间施加直接或脉冲电压。,80,2）电子捕获检测器结构示意图,81,3）电子捕获检测器工作原理 放射源不断放射出粒子，即初级电子。当载气（Ar或N2）分子进入内腔时，不断受到粒子轰击而离子化，形成次级电子和正离子。 在电场的作用下，初级和次级电子一齐向阳极运动，并为阳极所收集，产生约109108A的基始电流（基流），在记

19、录器上产生一条平直的基线。,82,当电负性组分进入检测器时，立即捕获这些电子，结果使基线下降，产生信号。在一定浓度范围内，响应信号强度与组分浓度C之间的关系为： 式中Ie为信号电流，I0为基流，K为检测器常数，A为组分的电子吸收系数，它与组分的性质有关。,83,捕获机理可用以下反应式表示,84,3、应用 电负性组分、卤素、O、S、N、P、金属等有机物，适用于农残、环保、医药。,85,4、优点 灵敏度高、选择性强 5、缺点 线性范围窄,86,6. 使用注意事项 （1）组分的电子吸收系数大，灵敏度大。 （2）组分中通入510的CH4或CO2等淬灭性气体，与载气混合可降低电子能量（E），使易被组分捕

20、获，灵敏度增大。 （3）3H 的T（200）较低，灵敏度高；而63Ni 的T较高，（300 左右），使得灵敏度降低。 （4）放射源的放空问题。 （5）控制固定液的流失。用过一段时间后应检查离子源的量， 因为同位素会自动衰减。,87,（四）检测器的性能指标及要求,对检测器性能的要求： 灵敏度高 稳定性好，噪音低 线性范围宽 死体积小，相应快,88,性能指标,噪音（N）和漂移（d） 灵敏度（S） 检测限（D、M） 线性范围,89,基线噪音：由于各种因素引起的基线波动信号，可以用于检出限的计算。,90,基线漂移：基线随时间定向的缓慢变化。,91,灵敏度,响应值、应答值 浓度型检测器（Sc） 质量型检

21、测器（Sm）,92,检出限,在检测器恰能产生二倍于噪声信号时的单位时间（单位：S）内引入检测器的样品量，或单位体积载气中所含的样品量。 检测限越小，检测器的性能越好。,93,浓度型检测器的检出限: Dc=2RN/Sc 物理意义：每毫升载气中含有恰好能产生二倍于噪声信号的溶质毫克数。,94,质量型检测器的检出限： Dm=2RN/Sm 物理意义：每秒通过的溶质克数，恰好产生二倍于噪声的信号。,95,线性范围 指信号与被测物质浓度的关系呈线性时，最大允许进样量与最小检测量之比。 此值反应检测器对样品浓度的适应性，线性范围宽，表示不论是大量或微量组分检测器都能准确地测定出来。,96,第5节 分离条件的

22、选择,主要依据: 分离度方程 速率理论,97,分离度,98,色谱分离方程式,a b c,a为柱效项， b为柱选择项， c为柱容量项,99,速率理论,Van Deemter方程速率方程色谱过程动力学速率理论,涡流扩散项 分子扩散项 传质阻力项,100,速率方程对于分离条件的选择具有指导意义，可以说明：色谱柱填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温和固定液膜厚度对柱效、峰扩张的影响.,101,提高柱效的措施,(1)颗粒直径 (2)载气流速 (3)载气种类 (4)固定相的选择 (5)固定相的量 (6)柱温,102,(1)颗粒直径： 影响A项即涡流扩散项。 颗粒直径小而均匀，使A项影响减少。

23、空心毛细管柱，A项可忽略。,103,(2)载气流速： 影响B项和C项分子纵向扩散项和传质阻力项。 载气流速存在最佳流速，但实际工作常用实用流速，可以缩短分析时间。,104,(3)载气种类： 主要影响B项和C项。 当用填充柱且载气流速较低时，宜选用分子量较大的载气，可降低组分在流动相（即载气）中的扩散系数从而降低分子纵向扩散项； 若要提高分析速度或载气流速较高时，宜选用分子量较小的载气，可缩短分析时间并减少传质阻力项。,105,(4)固定相的选择： 宜选用粘度小的固定液，并对样品有较好的溶解度，且应使不同组分溶解度不同。,106,(5)固定相的量： 在全部覆盖载体表面的基础上，尽可能选用较低的固

24、定液配比，可以保证较快的分析速度。,107,(6)柱温： 柱温是改善分离的重要参数。 主要影响B项和C项。 温度高可以升高固定液的扩散系数，但会降低分配系数。 综合考虑各方面因素，为满足分离的要求，可选用较低的柱温，以改善分离，但会造成分析时间延长。,108,载气的选择 色谱柱的选择 柱温的选择 其他条件的选择,分离操作条件的选择,109,流动相载气（carrier gas) 作用：推动样品沿柱方向运动，为样 品提供相空间。 要求：化学上惰性。 常用载气：He，H2 ，N2 ，Ar 。,110,载气的选择,峰扩张、柱压降、检测器的灵敏度 低线速时，宜用氮气为载气(Dg小)； 高线速时宜用氢气(

25、粘度小)； 色谱柱较长时，在柱内产生较大的压力降，此时采用粘度低的氢气较合适。 据其对检测器的灵敏度。,111,色谱柱的选择,主要是选择固定相和柱长。 固定相选择需注意两个方面：极性及最高使用温度。柱温不能超过最高使用温度 。 按相似性原则和主要差别选择固定相。 柱长加长能增加塔板数n，使分离度提高。,112,柱温的选择,使物质对分离，以保留时间适宜及不拖尾为度。 恒温 程序升温,113,其他条件的选择,气化室温度 检测室温度 进样量,114,第6节 定性分析 定性依据 定性方法,115,气相色谱目的： 已知 易 定性 分离 分析 未知 难 定量 单纯色谱分析定性不是强项,116,定性依据：

26、根据保留值 应用化学反应或物理吸附定性 利用选择性检测器定性 通过与其它检测器联用,117,定性方法 一、利用保留值定性 二、利用化学反应或物理吸附 三、利用选择性检测器定性 四、两谱联用定性,118,一、利用保留值定性 1.已知物对照法 2.利用相对保留值定性 3.利用保留指数定性,119,1.已知物对照法 tR、tR、VR、VR 在相同固定相和操作条件下，分别测出已知物和未知物的保留值。吻合则可判断未知组分可能是该已知物。 前提： 必须有标准品 对样品组分有一定了解,120,121,2.利用相对保留值定性 优点：只决定于组分的性质、柱温、固定液的性质，可抵消某些操作因素的影响。 缺点：难以

27、找到一个通用的标准物。,122,步骤：,查手册，定标准物 实验测定 与手册比较,123,例： 已知组分A、B、C、D、E和非滞留组分的保留值分别为： A B C D E 非滞留 25.5 35.6 42.4 56.2 62.7 5.0这些组分在另一根柱子（只有固定液与柱温与前柱相同）上的保留值为： A B C D E 非滞留 78.0 7.0问65.1个单位的组分是A吗？,124,解：只要柱温与固定液不变，即使其它条件改变，不变。 第一根色谱柱： A,C(25.55.0)/(42.45.0)=0.548 B,C =(35.65.0)/(42.45.0)=0.818 D,C =(56.25.0)

28、/(42.45.0)=1.37 E,C =(62.75.0)/(42.45.0)=1.54 第二根色谱柱： X,C =(65.17.0)/(78.07.0)=0.818 65.1的组分是B而不是A。,125,3.利用保留指数定性 保留指数又称Kovasts指数，把物质的保留行为用邻近的两个正构烷烃来标定，并以均一标度表示。,126,依据 I只与固定相和温度有关，只要两者保持相同在任何仪器及相同液相制备的任何柱上，在相同温度测得的I应相同。,127,二、利用化学反应或物理吸附,柱前预处理 柱后化学反应定性 例如：官能团的分类定性 柱后尾气进行化学反应定性,128,三、利用选择性检测器定性,ECD

29、 卤素、O、S、P、 电负性组分 FPD S、P AFID N、P,129,四、两谱联用定性,GC IR、UV MS 联用 NMR 分离手段 定性工具,130,第七节 定量方法 一、定量校正因子 二、定量分析方法,131,定量依据： 在一定操作条件下，被分析物质的重量mi与检测器上产生的信号（峰面积或峰高）成正比。 mifiAi 或mifihi,132,一、峰面积的计算,1.峰高乘半峰宽法 对称峰 2.峰高乘平均峰宽法 不对称峰 3.自动求积法,133,二、定量校正因子 因为各物质在同一检测器上响应不同(A1/A2m1/m2)，所以引入定量校正因子的概念，使校正后的峰面积可以定量地代表物质的量

30、。 1、绝对校正因子fi 2、相对校正因子fi,134,1、绝对校正因子fi 定义： fimi/Ai 物理意义： 单位峰面积所代表的物质量。 缺点： 需准确知道进样量，较困难。,135,2、相对校正因子fi fi mi/Ai i 样品fi fs ms/As s 内标物 将其它物质峰面积都校正成相当于这个内标物的峰面积。后用校正的峰面积来计算物质的含量。,136,定量校正因子测定,一般来说，某些常用物质的可从色谱手册查得，亦可从实验中求得。 TCD用苯，FID用正庚烷。,137,三、定量分析方法 1. 归一化法 2. 内标法 3. 外标法,138,1、归一化法 1）前提：样品中所有组分都能流出柱

31、且对检测器都有响应。 2）计算公式: mi Ai fiCi= 100%= 100% m A1f1 + A2f2 + + Anfn,139,A B C D 峰面积5.0 9.0 4.0 7.0 cm2 相对校正因子fi0.64 0.70 0.78 0.79 按归一化分别求它们的重量百分浓度,例：用TCD分析乙醇（A）、庚烷（B）、苯（C） 、醋酸乙酯（D）的混合物,140,5.00.64 乙醇% 100% (5.00.64+9.0 0.70+4.0 0.78+7.0 0.79) (3.2/18.15 )100% 17.6% 庚烷%(9.0 0.70/18.15 )100% 34.7% 苯% (4.0 0.78/18.15 )100% 17.2% 醋酸乙酯% (7.0 0.79/18.15 )100% 30.5% ） 100 %,解：,141,如果组分为同系物，fi近似相同，则可简化为 AiCi= 100% A1+A2+ +An,142,3）优点： a.简便，结果与进样量无关,操作条件影响不大。 b.比其它方法易行。宜于进样量少不易测准的液体样品。 c.当分析同系物时可不求f而直接把面积归一化。,143,4）缺点： a.