仪器分析课件气相色谱分析GC.ppt

气相色谱分析Gas chromatography,色谱分析:,分离分析技术-先分离后分析 分离效能高，分析速度快，样品用量少，自动化 程度高 ，有着广泛的应用。,以试样组分(具有不同的物理化学性质和结构差异)在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的分离分析方法称色谱法,固定相:stationary phase 保持固定, 起分离作用的填充物 流动相:mobile phase 流经固定相的空隙或表面的冲洗 剂,利用不同物质在不同的两相（固定相，流动相）中具有不同的分配系数（或溶解度），当两相作相对运动时，这些物质在两相中的分配反复进行多次，这样使得那些分配系数只有微小差异的组分产生很大的分离效果，从而使不同组分得到完全分离。,分类 按两相状态分类 流动相：气体 GSC GLC 气相色谱 液体 LSC LLC 液相色谱 按固定相分类 柱色谱：包括填充柱色谱和毛细管色谱 纸色谱：用滤纸作固定相，试样点在滤纸，用溶剂将其展开 薄层色谱或薄层层析（TLC）：将吸附剂涂成或压成薄膜，然后将点在上面的试样用溶剂展开,按分离原理分类 吸附色谱：利用固定相对不同组分吸附性能差别 分配色谱：利用不同组分在两相中分配系数差别 离子交换色谱：利用不同离子在离子交换固定相亲和 力差别 凝胶色谱：利用不同组分分子量差别而先后被过滤,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柱顶，以惰性气体（指不与待测物反应的气体，只起运载蒸汽样品的作用，也称载气）将待测物样品蒸汽带入柱内分离。,分离原理：基于待测物在气相和固定相之间的吸附-脱附（气固色谱）和分配（气液色谱）来实现的。因此可将气相色谱分为气固色谱和气液色谱。,Time,气相色谱仪通常由五部分组成： 载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。获得纯净、流速稳定的载气。 进样系统:进样器(微量注射器或六通阀)、汽化室 分离系统：色谱柱、控温柱箱。柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和毛细管柱。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英等。 检测系统：检测器、检测室。 记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。,气体进样器（六通阀）,Sample,进行气相色谱法分析时，载气（一般用氮气或氢气）由高压钢瓶供给，经减压阀减压后，载气进入净化管干燥净化，然后由稳压阀控制载气的流量和压力，以稳定的压力进入气化室，当气化室中注入样品时，样品立即被气化并被载气带入色谱柱进行分离。分离后的各组分，先后流出色谱柱进入检测器，检测器将其浓度信号转变成电信号，再经放大器放大后在记录器上显示出来，就得到了色谱的流出曲线。,利用色谱流出曲线上的色谱峰就可以进行定性、定量分析。这就是气相色谱法分析的过程。,图1 、色谱过程 图2、 色谱图,A,B,KAKB,色谱柱中的混合组分分离示意图,色谱图（chromatogram）： 试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号-时间曲线称为色谱流出曲线,色谱图界面,常用术语： 基线： 在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时 的流出曲线。 峰高与峰面积：色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高(peak height)。峰与峰底之间的面积称为峰面积(peak area) 峰的区域宽度： a、峰底宽 b、半高峰宽,保留值: 保留时间：从进样至被测组分出现浓度最大值时所 需时间tR。 保留体积 ：从进样至被测组分出现最大浓度时流动 相通过的体积VR。 死时间：不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓 度最大值时所需的时间称为死时间(dead time)，tM。 死体积: 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓 度最大值时流动相通过的体积称为死体积(dead volume) ，VM VM = tM F 0 （F0为柱尾载气体积流量）,调整保留值: 1) 调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。 tR= tR tM 2) 调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。 VR = VR VM 或 VR = tR F0,GC 特点：,1) 应用范围广：气体、液体或沸点不太高的固体在操作温度不分解，一般都可使用。有机化合物约20%可用GC 分析。 2) 效能高(分辨能力强)：可分离分析十分复杂的多组分混合物，一次分析几十种甚至上百种组分。 3) 灵敏度高：ppmppb级 4) 分析速度快：几分钟或几十分钟可完成 5) 操作简便：无论操作和理论解释方面都比较简单 6) 仪器成本相对较低,Currently, gas chromatography is one of the most important and definitely the most economic of all separation methods. Its applicability ranges from the analysis of permanent gases and natural gas to heavy petroleum products (up to 130 carbon atoms, simulated distillation), oligosaccharides, lipids, etc. Moreover, as far as chromatographic efficiency and GC system selectivity is concerned, no other separation technique can compete with gas chromatography. The dictum If the separation problem can be solved by gas chromatography, no other technique has to be tried out is now generally accepted.,Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry,色谱分离的基本理论 塔板理论 塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。 设柱长为L，理论塔板高度为H，则 H = L / n 式中n为理论塔板数。 理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的保留时间（tR）和峰底宽（w）或半峰宽（ wh/2 ）按下式推算：,或,有效塔板数（neff）的计算公式为；,通常用有效塔板数（neff）来评价柱的效能比较符合实际。 neff 越大或Heff越小，则色谱柱的柱效越高。,Heff=L/neff,色谱分离条件的选择 分离度（resolution）: 相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比，用R表示。分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标。, R 越大，表明两组分分离效果越好 保留值之差取决于固定液的热力学性质 色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素及柱效能高低,对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰： R=1, 分离程度为98%； R=1.5，分离程度可达99.7%。 所以R=1.5时可认为色谱峰已完全分开。,与柱效的关系,R n1/2,增加柱长 减小塔板高度,限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。,使用性能优良的色谱柱，并选择最佳分离条件,在气相色谱分析中，首要的问题是设法把一混合物中的不同组分分离开，然后通过鉴定器对分离出来的各组分依次进行检测。分离过程是在色谱柱中完成，可见色谱柱是色谱仪的关键部分，而其中固定相组成与性质更是直接与分离效能有关。因此，在建立一个分析方法的过程中，色谱柱和分离操作条件的选择往往是实际工作的主要内容。,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；利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。 2）用于气液色谱的固定相：固定液+载体。载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。起分离作用的是固定液。,常用固体吸附剂： 硅胶(强极性) 氧化铝(弱极性) 活性炭(非极性) 沸石分子筛(极性) 人工合成的高分子多孔微球(GDX)：多孔聚合物，其孔径大小可以人为控制。 非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚 GDX-1,2;Chromosorb系列 极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团：GDX-3, 4 Porapak 系列等,特点： 分析对象大多是永久性和惰性气体，低分子量的烃 热稳定性好，但种类较少，应用范围有限。,对载体的要求： 粒度均匀，强度高，表面呈惰性，比表面高并可被固定液完全浸润。,气液色谱固定相固定液/担体,硅藻土型担体 红色担体(101型)：表面空隙小、比表面积大、机械强度高、担液能力强、表面有吸附中心。 白色担体(6201型)：表面空隙较大、比表面积较小、机械强度较差、担液能力中、表面无吸附中心。 非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃微球担体、高分子微球担体等。表面空隙适中、比表面积适中、机械强度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。,固定液及其选择 对固定液的要求： a) 热稳定性好、蒸汽压低流失少； b) 化学稳定性好不与其它物质反应； c)对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数K 适当）； d) 对各组分具有良好的选择性。 固定液的选择：主要根据其极性来选择。,固定液的极性： 固定液与待测化合物之间的作用力主要属定向力、诱导力、色散力、氢键力等弱相互作用为主，所以固定相的极性对分离过程非常重要。 规定：,-氧二丙腈固定液的极性P=100 角鲨烷固定液极性的P=0,按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级： 020 为0+1 ，称非极性固定液； 2040 为+1+2 ，称弱极性固定液； 4060 为+2+3 ，称中极性固定液； 80100 为+4+5 , 称强极性固定液；,固定液分类,固定液选择： 按“相似相溶”原理选择固定液 非极性组分非极性固定液沸点低的物质先流出 极性物质极性固定液极性小的物质先流出 各类极性混合物极性固定液极性小的物质先流出,优选固定液: 甲基硅油（聚硅氧烷)SE30, OV101 苯基甲基硅油 OV3 三氟丙基甲基硅油 OV210 聚乙二醇 Carbowax 20M 丁二酸二乙二醇酯 EGS,广谱固定相 相对而言，聚硅氧烷和高分子微球是“万能者”,具有各种取代基或不同取代基含量的聚硅氧烷是使用最广泛的固定液，可由取代基调节极性，热稳定性好，使用温度范围宽,Polysiloxanes,操作条件的选择: 汽化温度: 考虑试样的汽化. 汽化温度和检测室温度高于柱温30-70度 柱温:考虑固定相的稳定性.能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽量选择较低的温度。当然被测物的保留时间要短、峰形不能有严重拖尾。最好用程序升温方法，以实验优化选择的条件为工作条件 气体流速:,实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高与最佳流速。,气相色谱检测器,通用检测器有： 1.热导池检测器，TCD (Thermal conductivity detector) 测一般化合物和永久性气体 2.氢火焰离子化检测器, FID (Hydrogen flame ionization detector) 测一般有机化合物 专用检测器有： 3.电子俘获检测器，ECD (Electron capture detector) 测带强电负性原子的有机化合物 4.火焰光度检测器，FPD (Flame photometric detector) 测含硫、含磷的有机化合物 特殊检测器有：FTIR、MS、测化合物结构,将经过色谱柱分离的各组分,按其特性和含量转变成易于记录的电信号,Sensitivity the signal output per unit concentration or unit mass of a substance in the mobile phase Minimum detectability the concentration or the amount of analyte for which the peak height is four times the intrinsic noise height of the detector (signal-to-noise ratio S/N = 4). Linear range The part of the curve for which the response increases proportionally with increased concentration or quantity For quantitation, work in the linear range is preferable, it is expressed numerically as the ratio of the upper limit of linearity,检测器的主要技术指标,Dynamic range of a GC detector a) Minimum detectability ; b) Upper limit of linearity,热导检测器 原理:由于不同气态物质所具有的热传导系数不同，当它们到达处于恒温下的热敏元件（如Pt, Au, W, 半导体）时，其电阻将发生变化，将引起的电阻变化通过某种方式转化为可以记录的电压信号，从而实现其检测功能 构成:由池体和热敏元件构成。通常将参比臂和样品臂组成电桥。 特点:对任何气体均可产生响应,因而通用性好，且线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。,影响TCD灵敏度的因素： 1）桥电流 I：信号大小I3 电流通常选择在100200 mA之间(N2作载气，100150 mA；H2作载气，150200 mA)。 2）池体温度：池体温度低，与热敏元件间温差大，灵敏度提高。但温度过低，可使试样凝结于检测器中。通常池体温度应高于柱温。 3）载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。通常选择热导系数大的H2 和He 作载气。用N2作载气，热导系数较大的试样(如甲烷)可出现倒峰。,热导系数,氢火焰离子化检测器 原理：含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流,根据离子流产生的电信号强度,检测被色谱柱分离的组分.主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。,来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号,影响FID灵敏度的因素： 1）载气和氢气流速：通常以N2为载气，其流速主要考虑其柱效能。但也要考虑其流速与H2流速相匹配。一般N2:H2 = 1:11:1.5； 2）空气流速：流速越大。灵敏度越大，到一定值时，空气流速对灵敏度影响不大。一般地，H2:Air = 1:10。,FID 特点： 1）灵敏度高 2）线性范围宽 3）噪声低； 4）耐用且易于使用； 5）对无机物、永久性气体和水基本无响应，因此FID 特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水、N 和S 的氧化物污染的有机物分析。 6）对含羰基、羟基、卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应。 7）样品受到破坏。,定性方法 1、用已知物对照定性 该法是基于在一定操作条件下，各组分保留时间是一定值的原理。 具体做法： 1）分别以试样和标准物进样分析各自的色谱图； 2）对照：如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合，则可初步确定试样中含有该物质。 3）也可通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰增加来确定。,2. 据经验式定性 碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留时间t的对数与分子中碳数n成正比： lgt=An+C (n3) 如果知道两种或以上同系物的调整保留值，则可求出常数A和C。未知物的碳数则可从色谱图查出t后，以上式求出n。 3. 与其它方法结合定性 如GC-MS，GC-IR，GC-MS-MS,定量分析 GC分析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。因此必须准确测定峰高 h 或峰面积 A。 由于检测器对不同物质的响应不同，所以两个相等量的物质得不出相等峰面积。或者说，相同的峰面积并不意味着相等物质的量。因此，在计算组分的量时需将面积乘上一个换算系数，使组分的面积转换成相应物质的量。即必须将峰面积A乘上一个换算系数进行“校正”。,1）绝对校正因子 Wi=fiAi 通过此式可得到待测物单位峰面积对应的该物质的量 2）相对校正因子fi 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，对热导池检测器的标准物是苯、对氢火焰离子化检测器的标准物是正庚烷。,注意：校正因子与试样、标准物和检测器类型和载气性质有关，与其它所有条件无关！自己用标准曲线法测，或部分可以查表得到。,一些规律： 在热导和氢焰检测器上同系物的相对摩尔响应值与其分子中的碳原子数或分子量呈线性关系 RMRi FMiG 在氢焰检测器上，烃类，包括烷烃的正构物和异构物，烯烃，炔烃，芳烃（苯和甲苯除外），环烷烃，它们的相对重量响应值比较接近，在做烃类的近似定量分析时，可直接采用面积百分数求出重量百分数。但当烃类分子中的氢原子被其它官能团如羟基，醛基，羧基等取代时，其响应值大大降低。甲烷0.87,甲醇0.21, 甲酸0.009,预测热导和氢焰检测器上相对响应值,热导：由分子中各结构基团的RMR 单位加合而得,各种基团的RMR,例：乙酸丁酯 CH3CH2COO(CH2)3CH3 RMR 2*12+3*11+1*77=134,利用有效碳数近似响应规律 RMRC有效i/ C有效s * Ms/Mi,定量计算方法 1、归一化法：若样品中所有的组分均能流出色谱柱且有较好的、可分辨的色谱峰时可用此法定量。,2. 内标法：若样品中除待测的几个色谱峰有良好分离， 但其它所有的组分不能全部流出色谱柱或有不可分辨的色谱峰时可用此法定量。 方法: 将准确称量的纯物质作为内标物,加入到准确称量的试样中,根据内标物质量Ws和样品质量W以及它们的色谱峰面积求出某一组分i含量,2、外标法：所谓外标法就是应用欲测组分的纯物质来制作标准曲线。此时用欲测组分的纯物质加稀释剂(对液体样品用溶剂稀释、气体样品用载气或空气稀释)配成不同含量()标准溶液，取固定量标准溶液进样分析，从所得色谱图上测出响应讯号(峰面积或峰高等)、然后绘制响应信汛号(纵坐标)对百分含量(横坐标）的标准曲线。分析试样时，取和制作标准曲线时同样量的试样(固定量进样)，测得该试样的响应讯号，由标准曲线即可查出其百分含量。,Signal,不需校正因子 要求稳定的操作条件,毛细管柱气相色谱 毛细管柱的发明使得气相色谱分析发生了革命性的变化！ 毛细管的理论塔板数可达到300,000！ 把填充柱色谱分析试样的沸点上限提高了100oC以上,分析样品的量和检测下限降低了1-2个数量级 毛细管气相色谱仪器与填充柱色谱仪类似,只是: 在进样口增加了分流/不分流装置解决了柱容量小的问题； 以及在柱后增加了一个尾气吹扫气路减少了柱与检测器连结处的死体积过大的问题； 通常采用程序升温技术。,分类: 按固定液涂渍方法不同，可分为: 开管柱(WSOT): 管内壁经处理后，直接涂渍固定液 小内径毛细管柱：内径小于0.1mm的毛细管柱，主要用于快速分析。 大内径毛细管柱：内径在0.3-0.5mm的毛细管，往往在其内壁涂渍5-8m 的厚液膜,载体涂渍开管柱(SCOT)：管内壁经处理后，先涂载体，再涂固定液液膜厚，因而柱容量大。 多孔层开管柱: 管内壁涂渍一层多孔吸附剂颗粒，不涂固定液，实际上是毛细管气固色谱柱。,In the most basic level, a capillary column is composed of two parts - the tubing and stationary phase Fused silica and stainless steel are the primary tubing materials. There are numerous stationary phases. Most are high molecular weight, thermally stable polymers that are or gums. The most common liquids stationary phases are the polysiloxanes and polyethylene glycols. The next most common type of stationary phases are small, porous particles composed of polymers or zeolites (e.g., alumina, molecular sieves).,外涂聚酰亚胺保护层的熔融石英管, 管壁薄，因而不与待测物作用、柔韧性好、强度高、易弯曲,A capillary column is characterized by its dimensions (L, i.d.) and by the nature of the stationary phase. For GLC, a relatively thin stationary (liquid) phase film, with film thickness df , is coated directly on the inner wall (WCOT columns). The film thickness controls the retention factor and the sample capacity of a capillary column. Most of the applications ( 90 %) in capillary GC are performed on WCOT columns. The selection of a capillary column depends on the complexity of the sample to be analyzed. The column length, the internal diameter, the stationary phase, and its film thickness determine the separation power (resolution), the sample capacity, the speed of analysis, and the detectability or sensitivity.,Guidelines for the selection of film thickness for the stationary phase methylsilicone 0.1m high molecular mass compounds 500-1500 0.2m Mr 300 500 0.3m Mr 150 400 0.5m Mr 50 200 1m Mr 30 150,仪器特点： 分流器和尾吹气装置,毛细管柱,苯、甲苯、乙酸丁酯、乙基苯、间、对二甲苯、苯乙烯、邻二甲苯分析,毛细管柱： OV-1 25m0.32mm毛细管柱 色谱工作条件： 柱箱温度： 70oC 载气（高纯氮） 流量 10ml/min 分流比： 10：1 尾吹： 20 ml/min,色谱图对应化合物： 1、苯(1.35) 2、甲苯(2.59) 3、乙酸丁酯(3.52) 4、乙基苯(5.05) 5、 对二甲苯(5.39) 6、 乙烯(6.11) 7、 邻二甲苯(6.32) 8、 正十一烷(37.87),