仪器分析—气相色谱法ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7章 气相色谱分析,基本内容,7.1 气相色谱仪器,气路系统、进样系统、柱分离系统、温控系统、各类检测器,7.2 气相色谱固定相,气固色谱固定相（吸附剂）、气液色谱固定相（载体+固定液）,7.3 气相色谱分离分析条件,第7章 气相色谱分析,1,基本内容,柱长、载气及其流速、填充颗粒、柱温、进样量及进样方式,7.4 定性分析,保留时间、经验规律、保留指数、双柱定性、仪器联用定性,7.5 定量分析,校正因子、归一化法、外标法、内标法,7.6 毛细管色谱简介,毛细管分类及特点,基本内容 柱长、载气及其流速、填充颗粒、柱温、进样量,2,基本要求,1.了解气相色谱法的优点及适应范围;,2.理解固定相及重要操作条件选择的原则;,3.理解常用检测器原理、优缺点及适用范围；,4.理解常用定性方法及定量方法的优缺点。,基本要求1.了解气相色谱法的优点及适应范围;,3,气相色谱法的优点,原理简单、操作方便；,分离效率高、灵敏度高、分析速度快；,应用范围广，20%的物质可用气相色谱法分析。,气相色谱法适用范围,特别适用于分析性质极相似的物质，如同位素、同分异构体、对映体等；,凡能够气化且热稳定、不具腐蚀性的液体或气体,气相色谱法的优点原理简单、操作方便；气相色谱法适用范围 特,4,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。其分离原理是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。,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,5,气固色谱：,利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附-解吸能力不同实现物质的分离。由于活性（或极性）分子在这些吸附剂上的半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性的)，导致色谱峰严重拖尾，因此气固色谱应用有限。只适于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析。,气液色谱：,通常直接称之为气相色谱。它是利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。,气固色谱：利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附-解吸能力不同,6,H,2,N,2,或Ar,气路系统,进样,系统,检测系统,分离系统,温控系统,7.1 气相色谱仪器,图7-1 气相色谱仪流程示意图,H2,N2或Ar气路系统进样检测系统分离系统温控系统7.1,7,气相色谱仪1,气相色谱仪1,8,气相色谱仪2,气相色谱仪2,9,气路系统,：,获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体净化装置。,载气,：,要求化学惰性，不与有关物质反应。载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配。,净化器,：,多为分子筛和活性碳管的串联，可除去水、氧气以及其它杂质。,一、气路系统,(Carrier gas supply),气路系统：获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体,10,压力表,：,多为两级压力指示：第一级，钢瓶压力,(,总是高于常压)；第二级，柱头压力指示；,流量计,：,在柱头前使用转子流量计,(Rotometer),，但不太准确。通常在柱后，以皂膜流量计,(Soap-bubble meter),测流速。,许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。,压力表：多为两级压力指示：第一级，钢瓶压力(总是高于常压)；,11,二、进样系统,(Sample injection system),mL,-1,图7-3 六通阀工作原理,图7-2 进样器结构示意图,二、进样系统(Sample injection system,12,进样系统,常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液体样品注入气化室(汽化室温度比样品中最易蒸的物质的沸点高约,50,o,C,)，通常六通阀进样的重现性好于注射器。,进样要求：,进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至,20,L,，对毛细管柱分离，体积约为,10,-3,L,，此时应采用分流进样装置来实现。,体积过大或进样过慢，将导致分离变差(拖尾)。,进样系统常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液体样品注入气,13,柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和开管柱(或称毛细管柱)。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、,Teflon,等,填充柱,：多为,U,形或螺旋形，内径,24 mm,，长,13m,，内填固定相；,开管柱,：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径,0.10.5mm,，长达几十至,100m,。通常弯成直径,1030cm,的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质快，因而分离效率高(,n,可达,10,6,)、分析速度快、样品用量小。,三、柱分离系统,柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和,14,温度控制是否准确，升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。,控温系统包括对三个部分的控温，即，气化室、柱箱和检测器。,控温方式：恒温和程序升温。,四、温控系统,温度控制是否准确，升、降温速度是否快速是市售,15,温度选择,气化室温度,：保证试样瞬间气化、但不分解，温度应选在试样的沸点或稍高于沸点。,检测器温度,：必须比柱温高数十度，以保证柱后流出组分不致于冷凝在检测器上。,柱温,：柱室温度控制,是影响分离的最重要的因素，,要求十分精确，要求在,0.1,以内。,选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。,柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分析时间,20-30min,)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。,温度选择气化室温度：保证试样瞬间气化、但不分解，温度应选在试,16,恒温：45,o,C,程序升温：30180,o,C,恒温：145,o,C,温度低，分离效果较好，但分析时间长,程序升温，分离效果好，且分析时间短,温度高，分析时间短，但分离效果差,图,7-4,程,序,升,温,与,恒,温,对,分,离,的,影,响,比,较,恒温：45oC程序升温：30180oC恒温：145oC温度,17,气相色谱检测器种类繁多，本节将介绍最为常用的几种检测器：,1. 热导检测器,(Thermal conductivity detector, TCD);,2. 氢火焰离子化检测器,(Flame ionized detector, FID);,3. 电子捕获检测器,(Electron capture detector, ECD);,4. 火焰光度检测器,(Flame photometric detector, FPD);,5. 氮磷检测器（,NPD）,也称热离子检测器,(Thermionic detector, TID);,6. 原子发射检测器,(Atomic emission Detector, AED),7. 硫荧光检测器,（Sulfur chemiluminescence Detector, SCD）,7.2 检测器,7.2 检测器,18,7.2.1 检测器分类,按检测原理，可分为,：,浓度型,：检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与浓度成正比。如热导和电子捕获检测器。,质量型,：检测的是载气中组分进入检测器中速度变化，即响应值与单位时间进入检测器的量成正比。如火焰离子化及火焰光度检测器。,按适用性来分，可分为,：,通用型,：热导和火焰离子化检测器,选择型,：电子捕获和火焰光度检测器,7.2.1 检测器分类 按检测原理，可分为：,19,7.2.2 检测器的性能指标：,理想的检测器应具有的条件：,1）,适合的灵敏度：对一些组分十分灵敏，而对其它则不，其间应相差 达,10,7,倍；,2）,稳定、重现性好；,3）,线性范围宽，可达几个数量级；,4）,可在室温到,400,o,C,下使用；,5）,响应时间短，且不受流速影响；,6）,可靠性好、使用方便、对无经验者来说足够安全；,7）,对所有待测物的响应相似或可以预测这种响应；,8）,选择性好；,9）,不破坏样品。,但任何检测器都不可能同时满足上述所有要求。,7.2.2 检测器的性能指标：,20,以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号作图，得到校正曲线，该曲线的斜率,k,即为灵敏度,S,。,实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度。,对于浓度型：,S,c,灵敏度,(mVmL/mg),;,A,i,峰面积,(cm,2,),;,F,co,检测器入口流速,(mL/min),;,w,i,进样量,(mg),;,C,1,记录仪纸速,(cm/min); C,2,记录仪灵敏度,(mV/cm),;,对于质量型：,S,m,灵敏度,(mVs/g),;,w,i,进入检测器的样品量,(g),1. 灵敏度,S,m,R,S,D,D,=,m,R,S,D,D,=,以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号作图，得到校正曲线，该,21,2. 检测限，,D,与通用的检测限表示方法相同，即实际工作中，色谱检测限表示为,浓度型：,质量型：,注意：,检测限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声(R,N,)，即检测限是衡量检测器或仪器性能的综合指标。,2. 检测限，D与通用的检测限表示方法相同，即实际工作中，色,22,色谱体系最小检测量是指色谱峰高等于2倍噪声时被测组分的进样量。,最小检测量与检测器本身性能及色谱操作条件的关系：,结论： 最小检测量与检测限和半峰宽成正比；, 色谱峰越窄，最小检测量越小。,3. 最小检测量,色谱体系最小检测量是指色谱峰高等于2倍噪声时被测组,23,4. 线性范围,检测器的线性度定义：,检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。,检测器的线性范围定义,：检测器在线性工作时，被测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比值。比值越大，线性范围越宽，越有利于定量测定。,4. 线性范围,24,7.2.3. 热导检测器,(TCD),TCD,是一种应用较早的通用型检测器，又称导热析气计,(Katharometer)。,现仍在广泛应用。,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,Wheatstone,电桥。如图。,单臂,四臂,R,3,R,2,R,1,R,4,A,B,图7-5 TCD结构示意图,7.2.3. 热导检测器(TCD)单臂四臂R3R2R1R4A,25,1）在只有载气通过时，四个臂的温度都保持不变，电阻值也不变。此时，调节电路电阻使电桥平衡，即,R,1,*R,4,=R,2,*R,3,，,AB,两端无电压信号输出；,2）当有样品随载气进入两个样品臂时，此时热导系数发生变化，或者说，测量臂的温度发生变化，其电阻亦发生变化，电桥失去平衡，,AB,两端有电压信号输出。当载气和样品的混合气体与纯载气的热导系数相差越大，则输出信号越强。,工作过程（四臂）：,1）在只有载气通过时，四个臂的温度都保持不变，电阻值也不变。,26,特点：,对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。,*,1979,年，出现了一种高灵敏度、基线漂移小、平衡时间短的“调制式单丝热导检测器：将参比气（载气）和样品、载气混合气交替,(10Hz),导入微型陶瓷热导池,(5,L,),中，从而产生,10Hz,的交变信号，该信号正比于热导系数的差。因为放大器只检测频率为,10Hz,的信号，因此可克服热噪声的干扰。,特点：对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线,27,1）桥电流,i,：,i,增加热敏元件温度增加元件与池体间温差增加气体热传导增加灵敏度增加。但,i,过大，热敏元件寿命下降。电流通常选择在,100200 mA,之间(,N,2,作载气，,100150 mA,；,H,2,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。,影响,TCD,灵敏度的因素,影响TCD灵敏度的因素,28,3）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,H,2,和,Ar,作载气。用,N,2,作载气，热导系数较大的试样(如甲烷)可出现倒峰。,4）热敏元件阻值,：阻值高、电阻温度系数,大（随温度改变，阻值改变大，或者说热敏性好）的热敏元件，其灵敏度高。,综述,：较大的桥电流、较低的池体温度、低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度。,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,29,7.2.4 火焰离子化检测器,（FID）,又称氢焰离子化检测器。主要用于可在,H,2,-Air,火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。,图7-6 FID结构示意图,结构,：,主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极(极化极，此图中为火焰顶端)和收集极。,7.2.4 火焰离子化检测器（FID）图7-6 FID结,30,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。,工作过程,：,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（,10-12 A,）。,原理：含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场,31,有关机理并不十分清楚，但通常认为是化学电离过程：有机物燃烧产生自由基，自由基与,O,2,作用产生正离子，再与水作用生成,H,3,O+,。,以苯为例：,火焰离子化机理,火焰离子化机理,32,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,；当以,He,为载气时，则氢气流速,= 1/3H2+10mL,。,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,。,3）极化电压：在,50V,以下时，电压越高，灵敏度越高。但在,50V,以上，则灵敏度增加不明显。通常选择,100,300V,的极化电压。,影响FID灵敏度的因素：,33,FID,特点,：,1）灵敏度高,(10,-13,g/s),；,2）线性范围宽(,10,7,数量级)；,3）噪声低；,4）耐用且易于使用；,5）为质量型检测器，色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量。,在样品量一定时，峰高与载气流速成正比。因此在用峰高定量时，应控制流速恒定！,FID特点：,34,FID特点,6）对无机物、永久性气体和水基本无响应（不足?），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。,7）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。,8）样品受到破坏,。,FID特点6）对无机物、永久性气体和水基本无响应（不足?），,35,63,Ni或,3,H,U,U过高，电子速度快，不易捕获,通常为基流电压的2/3,7.2.5 电子捕获检测器,(ECD),ECD,主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。,图7-7 ECD结构示意图,63Ni或3HUU过高，电子速度快，不易捕获7.2.5 电,36,原理及工作过程,从色谱柱流出的载气(,N2,或,Ar,)被,ECD,内腔中的,放射源电离，形成次级离子和电子(此时电子减速)，在电场作用下，离子和电子发生迁移而形成电流(基流)。当含较大电负性有机物被载气带入,ECD,内时，将捕获已形成的低速自由电子，生成负离子并与载气正离子复合成中性分子，此时，基流下降形成“倒峰”。,原理及工作过程 从色谱柱流出的载气(N2或Ar)被EC,37,ECD,特点,：,1）响应电流,i,与浓度,c,是非线性的，即，,该式类似于比尔定律。其中，,i,0,为基流，,K,为电子吸收系数(不同物质,K,值不同)。,2）对如,卤素基、过氧基、醌基、硝基,等含电负性的功能团的分子具有极高的选择性和灵敏度；但对含,酰胺基和羟基,的化合物以及烃类物质不灵敏。,ECD 特点：,38,3）与,FID,相比，,ECD,对样品的破坏不大,4）线性范围为两个数量级，相对,FID,来说，这不算大;,5）要求载气纯度要高,(99.99%),，否则杂质会降低基流；（通常将载气通入,480,o,C,的紫铜屑除,O,2,）。,3）与FID相比，ECD对样品的破坏不大,39,7.2.6 火焰光度检测器（FPD）,FPD,对含,S、P,化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。因此，也称硫磷检测器。主要用于,SO,2,、H,2,S、,石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。,FPD,结构,：,喷嘴+滤光片+光电管。,滤光片,放大器,记录仪,光电管,石英窗,H,2,Air,载气+组分,出口,图7-8 FPD结构示意图,7.2.6 火焰光度检测器（FPD）滤光片放大器记录仪光电,40,原理：,待测物在低温,H,2,-Air,焰中燃烧产生,S、P,化合物的分解产物并发射特征分子光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。,含S、P化合物在氢焰中的变化过程如下：,含S化合物,：,含化合物：,原理：,41,FPD,特点：,1）对含,S、P,化合物有较高灵敏度和一定的选择性；,2）对卤素气,X2、N2、Sn、Cr、Se,和,Ge,等也有响应；,3）相对其它检测器如,ECD,和,FID，FPD,价格较贵。,4）对测,S,的灵敏度比硫荧光检测器,*(SCD),低；,*硫荧光检测器,（SCD）,：,FPD,检测器中含硫化合物燃烧产物可与,O3,反应并产生与,S,含量成正比的荧光，通过测定荧光强度来分析含,S,化合物。,SCD,的灵敏度极高。,FPD 特点：1）对含S、P化合物有较高灵敏度和一定的选择,42,5. 氮磷检测器,（NPD）,氮磷检测器也叫热离子检测器,（TID）,。,NPD,的结构与,FID,类似，只是在,H,2,-Air,焰中燃烧的低温热气再被一硅酸铷电热头加热至,600800,o,C,，从而使含有,N,或,P,的化合物产生更多的离子。产生离子的机理目前仍不清楚。,NPD,的特点：,1）对含,N、P,化合物的具有选择性：对,P,的响应是对,N,的响应的,10,倍，是对,C,原子的,10,4,-10,6,倍。,2）灵敏度高：与,FID,对,P、N,的检测灵敏度相比，,NPD,分别是,FID,的,500,倍(对,P,)；,50,倍(对,N,)。,5. 氮磷检测器（NPD）,43,6. 原子发射检测器（AED）,Microwave,He,化合物分解-原子化-激发,元素特征谱线,同时监测15种甚,至更多元素谱线,一个化合物的,扫描光谱图,170770nm,6. 原子发射检测器（AED）MicrowaveHe化合物分,44,汽油中的含O有机物,碳通道：198nm,峰太多，无法分辨,氧通道：777nm,易于分辨,含,MTBE,以及几种脂肪醇汽油样品的色谱图（以,AED,为检测器）,（MTBE：methyl tertiary butyl ether-antiknock agent),汽油中的含O有机物碳通道：198nm氧通道：777nm含MT,45,仪器分析气相色谱法ppt课件,46,在介绍色谱仪器时，我们提到,色谱分离系统,是色谱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。,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；,2）用于气液色谱的固定相：固定液+载体。,介绍如下：,7.3 气相色谱固定相,在介绍色谱仪器时，我们提到色谱分离系统是色谱仪器中最为灵魂的,47,气液色谱固定相由载体,(Solid support material),和固定液,(Liquid stationary phase),构成：载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。,1. 载体(也称担体),对载体的要求,：粒度均匀、强度高的球形小颗粒；至少,1m,2,/g,的比表面(过大可造成峰形拖尾)；高温下呈惰性(不与待测物反应)并可被固定液完全浸润。,载体类型：,分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色和红色担体。,7.3.1 气液色谱固定相载体+固定液,气液色谱固定相由载体(Solid support mater,48,载体组成、制备及特点,载体组成、制备及特点,49,载体表面处理：,硅藻土含有硅醇基,(SiOH)、Al,2,O,3,、Fe,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。,其处理过程如下,：,载体表面处理：硅藻土含有硅醇基(SiOH)、Al2O3、F,50,前图为气固气谱图：,2m,长，填充分子筛,(5),后图为气液色谱图，,30m,0.53mm i.d. WCOT,开管柱,TCD,检测器,前图为气固气谱图：2m长，填充分子筛(5)TCD 检测器,51,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。,2. 固定液及其选择,对固定液的要求：2. 固定液及其选择,52,固定液与组分的作用力：,a) 色散力非极性分子之间（瞬时偶极之间静电吸引）；,b) 诱导力极性与非极性分子之间（偶极与瞬时偶极之间静电吸引）；,c) 取向力极性与极性分子之间（偶极与偶极之间静电吸引）,d) 氢键力强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引，亦属取向力。,前三种统属范德华力，后者属特殊范德华力。,固定液与组分的作用力：a) 色散力非极性分子之间（瞬时,53,(i),相对极性,P,：规定非极性固定液角鲨烷的极性为,0,，强极性固定液,-氧二丙腈的极性为,100,，以物质对正丁烷-丁二烯或环已烷-苯在,角鲨烷、,-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,P,x,：,其中,q,1, q,2, q,x,分别表示物质对在,角鲨烷、,-氧二丙腈和待测固定液的相对保留值。,P,x,在,0100,之间，每,20,单位为一级，即将极性分为,5,级：,0, +1,(非极性)；,+1, +2,(弱极性)；,+3,(中等极性；,+4, +5,(强极性),固定液的极性表示方法,(i) 相对极性P：规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性,54,角鲨烷,待测固定液,x,氧二丙腈,角鲨烷,氧二丙腈,正丁烷+丁二烯,待测固定液,q,1,P,1,=0,q,x,q,2,P,2,=100,相对极性的表示（计算）方法,柱,固定相,角鲨烷待测固定液x氧二丙腈角鲨烷氧二丙腈正丁烷+丁二烯待测固,55,设正构烷烃的,Kovats,指数为碳数,100,。测定时，将碳数为,n,和,n+1,的正构烷烃加入到样品,x,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：,t,r,(C,n,)，t,r,(x),和,t,r,(C,n+1,)，,且待测物,x,的调整保留值介于两个烷烃之间。,利用下式求出未知物,Kovats,指数,I,x,，然后与文献值对照。,（,）,保留指数(,Kovats,指数),(,),固定液特性常数,I,：,包括罗氏常数和麦氏常数。此处不作介绍（详见p138）。,设正构烷烃的Kovats指数为碳数100。测定时，将,56,固定液分类,固定液分类,57,固定液的选择,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；,氢键型物质,氢键型固定液不易形成氢键的物质先流出；,复杂混合物,两种或以上混合固定液,固定液的选择固定液选择：按“相似相溶”原理选择固定液。,58, 手性选择剂,参考文献：,1、,陈云艳,黄文武,孔德云，,一环糊精及其衍生物用于天然产物分析的研究进展，,中国医药工业杂志,Chinese Journ alo f Phannaeeutieals 2011, 42 (11)：851-855,2、刘雪 , 曹克玺, 骆定法 , 孙德志，环糊精作为超分子结构的构筑单元，化学世界，2001，6：321-329,3、袁泉 , 谢征 , 傅恩琴, 吴成泰 , 雷家珩，手性识别研究中的手性选择剂及其应用，化学与生物工程，2006 , 23 （9）：1-4, 手性选择剂参考文献：,59,7.3.2,气固色谱固定相固体吸附剂,该类型色谱柱是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,。,1. 常用固体吸附剂,硅胶(强极性)、氧化铝(弱极性)、活性炭(非极性)、分子筛(极性，筛孔大小),2. 人工合成固体吸附剂,高分子多孔微球,(GDX),：人工合成的多孔聚合物，其孔径大小可以人为控制。可在活化后直接用于分离。,7.3.2 气固色谱固定相固体吸附剂 该类,60,非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（国产）；Chromosorb系列（国外）；,极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团：GDX-3和4型（国产）； Porapak N等（国外）。,高分子多孔微球可分为两类：,非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（国产）,61,根据,van Deemter,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。,1. 柱长,L,由分离度R的定义可得,(R,1,/R,2,),2,= n,1,/n,2,= L,1,/L,2,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,L,要根据,R,的要求,(,R=1.5,),，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。,7.3 气相色谱分离分析条件,根据van Deemter方程和色谱分离方程式，分,62,2. 载气及流速,u,对,van Deemter,方程求导得到在流速为 ，柱效最高 。,当,u,较小时，,B/u,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。,当,u,较大时，,Cu,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,Cu,。如氢气和氦气。,2. 载气及流速u,63,3. 柱温,柱温,降低,升高,传质快、柱效高,纵向扩散强、峰拖尾,过高造成固定液流失,分析时间长,恒温,程序升温,(宽沸程混合物),实验确定,柱温的影响,3. 柱温柱温降低升高传质快、柱效高纵向扩散强、峰拖尾分析时,64,4. 载体粒度及筛分范围,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，对填充柱而言，粒度大小为柱内径的,1/201/25,为宜。,5. 进样方式及进样量,要以“塞子”的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不拖尾为宜。,4. 载体粒度及筛分范围,65,一、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。,1）水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质柱效下降，需除去。,2）非挥发份会产生噪声，同时慢慢分解产生杂峰。,3）稳定性差的组分生成新物质杂峰。,7.4 定性分析,一、样品预处理7.4 定性分析,66,二、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得到各自的色谱图；,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。,二、定性方法,67,仪器分析气相色谱法ppt课件,68,2. 据经验式定性,1）碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留时间,t,r,的对数与分子中碳数,n,成正比：,lgt,r,=An+C (n,3),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,r,后，以上式求出,n,。,2）沸点规律：同族具相同碳数的异构物，其调整保留时间,t,r,的对数与分子中沸点,n,成正比：,lgt,r,=AT,b,+C,2. 据经验式定性,69,3.,据相对保留值,ri,s,定性：,用保留值定性要求两次进样条件完全一致，这是比较困难的。而用,r,i,s,定性，则只要温度一定即可。,具体做法：,在样品和标准中分别加入同一种基准物,s,，将样品的,r,i,s,和标准物的,r,i,s,相比较来确定样品中是否含有,i,组分。,3. 据相对保留值 ri,s 定性：,70,设正构烷烃的,Kovats,指数为碳数,100,。测定时，将碳数为,n,和,n+1,的正构烷烃加入到样品,x,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：,t,r,(C,n,)，t,r,(x),和,t,r,(C,n+1,)，,且待测物,x,的调整保留值介于两个烷烃之间。,利用下式求出未知物,Kovats,指数,I,x,，然后与文献值对照。,4. 保留指数(,Kovats,指数)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，定性可不需要标准物。,设正构烷烃的Kovats指数为碳数100。测定时，将,71,5. 双柱或多柱定性,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。,6. 与其它方法结合定性,如,GC-MS，GC-IR，GC-MS-MS,5. 双柱或多柱定性,72,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,。,1.,峰面积,A,的测量：,对称峰：峰高,h,与半峰宽的积：,A=1.065,h,W,1/2,不对称峰：峰高与平均峰宽的积：,A=1/2,h (W,0.15,+W,0.85,),h,h,7.5 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）,73,2.,定量校正因子,由于检测器对不同物质的响应不同，因而两个相同的峰面积并不一定说明两个物质的量相等！因此，在计算组分的量时，必须将峰面积,A,进行“校正”。,1）绝对校正因子,wi=fiAi 或 fi= wi/Ai,由此可见，绝对校正因子表示待测物单位峰面积或单位信号所代表的该物质的量。,fi,值与检测器性能、组分和流动相性质及操作条件等因素有关。,2. 定量校正因子由于检测器对不同物质的响应不同，因而两个,74,2）相对校正因子,f,i,由于绝对校正因子,f,i,与检测器灵敏度有关，它不易准确测得(为什么?)，因此定量分析中常用相对校正因子表示：,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,。,采用的标准物因检测器不同而不同：,TCD,苯；,FID,正庚烷。,f,i,(w)=f,i,(w)/f,s,(w)=(A,s,w,i,/A,i,w,s,) .（通式）,当,w,分别为质量,m,、摩尔,M,、和气体体积,V,时，上式分别表示为,仪器分析气相色谱法ppt课件,75,3. 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。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“相对”二字）。,必须注意,：,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，可以利用文献值查表得到。,3. 相对校正因子的测量,76,4、定量分析方法,Quantitative Analysis of Chromatography,4.1 外标法,1 2 3 4 5 6 Sample,A,m,m,i,A,i,特点：,该法不需校正因子。但进样量和操作条件必须,严格控制,！外标法,适于日常分析和大批量同类样品分析,。,4、定量分析方法4.1 外标法1 2,77,4.2 内标法,Sample,Standard,s,i,A,ss,s,s,A,is,i,i,f,A,m,f,A,m,=,A,ss,s,A,is,i,s,i,f,A,f,A,m,m,=,%,100,%,=,A,is,s,s,i,i,f,m,m,A,A,m,s,i,4.2 内标法SampleStandardsiAssssAi,78,内标法是通过选择一标准物质(内标物质)，以固定的浓度加入标准溶液和样品溶液中，以抵消实验条件和进样量变化带来的误差。,要求：,内标物应是试样中不存在的物质,内标物的加入量接近于待测组分,内标物的色谱峰位于待测物附近或几个待测组分色谱峰之间,特点,：,准确性较高,，操作条件和进样量的稍许变动,对定量结果的影响不大,。,每个试样的分析，都要进行两次称量，,不适合大批量试样的快速分析,。,内标法是通过选择一标准物质(内标物质)，以固定的浓度加入标准,79,4.3,归一化法,%,100,%,1,=,=,n,i,A,is,i,A,is,i,i,f,A,f,A,m,i,要求试样中所有,n,个组分,都有响应（出峰）,！则其中组分,i,的含量为：,4.3 归一化法%100%1=niAisiAisiif,80,例1 、在某色谱仪操作条件下，分析某样品中的二氯乙烷、二溴乙烷及四乙基铅三组分，并选用甲苯为内标物，甲苯与样品的配比为1：10，测定结果如下，试求各组分的百分含量。已知：,二氯,乙烷,二溴,乙烷,甲苯,四乙,基铅,校正因子,1.00,1.65,0.87,1.75,面积cm,2,1.50,1.01,0.95,2.82,例1 、在某色谱仪操作条件下，分析某样品中的二氯乙烷、二溴乙,81,解：加入的甲苯如果为1g，样品的重量为10g。即：m,s,=1g m,样品,=10g,解：加入的甲苯如果为1g，样品的重量为10g。即：ms=1g,82,仪器分析气相色谱法ppt课件,83,同理：二溴乙烷%=20.16,四乙基铅%=59.71,同理：二溴乙烷%=20.16,84,例2、用气相色谱法（TCD）分析卤代烃混合物。在同样条件下，测得标准样和未知样数据如下，求各物质的百分含量。,组分,标准样,未知样,进样量（,g）,峰面积（标尺单位）m,2,峰面积（标尺单位）m,2,氯乙烷,氯丙烷,氯戊烷,氯庚烷,0.40,0.40,0.40,0.40,110.0,112.2,87.3,78.4,82.3,无峰,125.2,180.0,例2、用气相色谱法（TCD）分析卤代烃混合物。在同样条件下，,85,组分,标准样,未知样,进样量（,g）,峰面积（标尺单位）m,2,峰面积（标尺单位）m,2,氯乙烷,氯丙烷,氯戊烷,氯庚烷,0.40,0.40,0.40,0.40,110.0,112.2,87.3,78.4,82.3,无峰,125.2,180.0,组分标准样未知样进样量（g）峰面积（标尺单位）m2峰面积（,86,解：,解：,87,仪器分析气相色谱法ppt课件,88,未知样总量：,m=0.2993+0.5737+0.9184=1.7914,g,未知样总量：,89,氯戊烷%=32.03%,氯庚烷%=51.27%,氯戊烷%=32.03%,90,简 介,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，并开始进行非填充柱(内径为十分之几毫米)的理论可行性研究。,1956,年,Golay,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。,50,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,300,000,！,7.6 毛细管柱气相色谱,(Capillary GC),91,然而，自毛细管柱发明以来，,20,多年都没有广泛应用，主要是因为：1）柱容量小；2）柱强度小；3）样品引入及管与检测器的连结问题；3）固定液涂渍的重现性不好；4）寿命短；5）柱易堵塞；6）专利1977年才过期。,70,年代后期，以上问题大多得到解决，毛细管柱的应用越来越多。,1987,年，荷兰,Chrompack Inter. Coporation,制成了世界最长、理论塔板数最多的熔融石英毛细管柱(,2100m,长，内径,0.32mm,，内壁固定液厚度,0.1,m,，理论塔板数超过,3,000,000,)并被载入吉,力斯世界记录。,然而，自毛细管柱发明以来，20多年都没有广泛应用，主要是因为,92,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。,一、毛细管气相色谱仪器,毛细管气相色谱仪器与填充柱色谱仪类似。只是:一、毛细管气相色,93,二、毛细管柱,1. 分类,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。,开管型：按固定液涂渍方法不同，可分为,(i),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，将固定液引入到管壁，再经高温处理，使其交联,(Cross-lined),至管壁高效、耐高温、抗溶剂冲刷。,管内壁经处理后，将固定液以化学键合,(Bonded),的方式引入到管壁或预先涂渍的硅胶上高热稳定性。,二、毛细管柱,94,(ii) 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。,(iii) 多孔层开管柱(Porous layer coated open tubular, PLOT),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。,(ii) 载体涂渍开管柱(SCOT)：,95,以上开管柱玻璃材料已被外涂聚酰亚胺保护层的熔融石英管(含金属氧化合物少、管壁更薄，因而不与待测物作用、柔韧性好、强度高、更易弯曲）所取代。,此外，现在也发展了一种大口径开管柱(Megabore colum, 0.53mm i.d.)，可容许更大样品量（类似于填充柱），尽管柱效低些，但仍大大高于填充柱。,以上开管柱玻璃材料已被外涂聚酰亚胺保护层的熔融石英管(含金属,96,毛细管气相色谱图(分别涂渍不同的固定相, 温度为最高使用温度）,聚乙烯醇(Carbonwax 20M, 250,o,C),50%聚氰丙基-二甲基硅氧烷(OV-275, 240,o,C),聚二甲基硅烷(OV-1, SE-30, 350,o,C),5%苯甲基二甲基硅氧烷(OV-3, SE-52, 350,o,C),50%聚苯甲基二甲基硅氧烷, OV-17, 250,o,C),50%聚(三氟丙基-甲基)硅氧烷(OV210, 200,o,C),葡萄籽油,血液中酒精,氯代芳烃,醇类,有机碱,胆固醇,毛细管气相色谱图(分别涂渍不同的固定相, 温度为最高使用温度,97,(i),总柱效高,：尽管毛细管柱效比填充柱大，但仍处于同一数量级。然而毛细管柱为开管柱，可以做得更长（,n,大）。此外，柱管中心是空的，因此涡流扩散项不存在（,A=0,），谱带展宽小，因而总柱效高。,(ii),分析速度快：,相比率,（V,m,/V,s,）,大，分配快，有利于提高柱效；加上保留因子,k,小，渗透性好，因而分析速度快；,2. 毛细管柱特点,(i) 总柱效高：尽管毛细管柱效比填充柱大，但仍处于同一数量,98,(iii),柱容量小,：进样量小（对单个组分而言，约,0.5 ug,即达极限），需采用分流技术并使用更高灵敏度的检测器；这是毛细管柱最大的不足，尤其对痕量分析来说极为不利，而且宽沸程的样品在分流后会失真。近年来多采用柱容量较大的、不需分流的大口径毛细管柱，该种柱内径达,0.53 mm, 液膜厚度约,1 um,（小口径柱为,0.2-0.3 um,）,(iii) 柱容量小：进样量小（对单个组分而言，约0.5 u,99,1）,GC-MS,接口图,离子阱,3. 毛细管,GC,与其它仪器联用,1）GC-MS接口图离子阱3. 毛细管GC与其它仪器联用,100,空气,水,HCN,乙醇,乙醛,未知,乙腈,丙酮,未知,CS,2,未知,未知,苯,甲苯,苯的质谱图,M/z=78,色谱总离子流图，TIC,化学灭火器扑灭燃烧,的布料后的气体样品,空气水HCN乙醇乙醛未知乙腈丙酮未知CS2未知未知苯甲苯苯的,101,2. GC-IR,GC-IR 分析中所使用的光管,2. GC-IRGC-IR 分析中所使用的光管,102,思考题,由同一根固定相制备的一根填充柱，柱长2m，总塔板数1600；一根开管柱，柱长15m，总塔板数40000。若在相同柱温下操作，它们对两组分A、B的分离度相差5倍吗？,思考题由同一根固定相制备的一根填充柱，柱长2m，总塔板数16,103,本章练习,P155: 7、16、19,本章练习P155: 7、16、19,104,在介绍色谱仪器时，我们提到,色谱分离系统,是色谱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。,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；,2）用于气液色谱的固定相：固定液+载体。,介绍如下：,7.3 气相色谱固定相,在介绍色谱仪器时，我们提到色谱分离系统是色谱仪器中最为灵魂的,105,气液色谱固定相由载体,(Solid support material),和固定液,(Liquid stationary phase),构成：载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。,1. 载体(也称担体),对载体的要求,：粒度均匀、强度高的球形小颗粒；至少,1m,2,/g,的比表面(过大可造成峰形拖尾)；高温下呈惰性(不与待测物反应)并可被固定液完全浸润。,载体类型：,分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色和红色担体。,7.3.1 气液色谱固定相载体+固定液,气液色谱固定相由载体(Solid support mater,106,载体组成、制备及特点,载体组成、制备及特点,107,载体表面处理：,硅藻土含有硅醇基,(SiOH)、Al,2,O,3,、Fe,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。,其处理过程如下,：,载体表面处理：硅藻土含有硅醇基(SiOH)、Al2O3、F,108,前图为气固气谱图：,2m,长，填充分子筛,(5),后图为气液色谱图，,30m,0.53mm i.d. WCOT,开管柱,TCD,检测器,前图为气固气谱图：2m长，填充分子筛(5)TCD 检测器,109,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。,2. 固定液及其选择,对固定液的要求：2. 固定液及其选择,110,固定液与组分的作用力：,a) 色散力非极性分子之间（瞬时偶极之间静电吸引）；,b) 诱导力极性与非极性分子之间（偶极与瞬时偶极之间静电吸引）；,c) 取向力极性与极性分子之间（偶极与偶极之间静电吸引）,d) 氢键力强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引，亦属取向力。,前三种统属范德华力，后者属特殊范德华力。,固定液与组分的作用力：a) 色散力非极性分子之间（瞬时,111,(i),相对极性,P,：规定非极性固定液角鲨烷的极性为,0,，强极性固定液,-氧二丙腈的极性为,100,，以物质对正丁烷-丁二烯或环已烷-苯在,角鲨烷、,-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,P,x,：,其中,q,1, q,2, q,x,分别表示物质对在,角鲨烷、,-氧二丙腈和待测固定液的相对保留值。,P,x,在,0100,之间，每,20,单位为一级，即将极性分为,5,级：,0, +1,(非极性)；,+1, +2,(弱极性)；,+3,(中等极性；,+4, +5,(强极性),固定液的极性表示方法,(i) 相对极性P：规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性,112,角鲨烷,待测固定液,x,氧二丙腈,角鲨烷,氧二丙腈,正丁烷+丁二烯,待测固定液,q,1,P,1,=0,q,x,q,2,P,2,=100,相对极性的表示（计算）方法,柱,固定相,角鲨烷待测固定液x氧二丙腈角鲨烷氧二丙腈正丁烷+丁二烯待测固,113,设正构烷烃的,Kovats,指数为碳数,100,。测定时，将碳数为,n,和,n+1,的正构烷烃加入到样品,x,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：,t,r,(C,n,)，t,r,(x),和,t,r,(C,n+1,)，,且待测物,x,的调整保留值介于两个烷烃之间。,利用下式求出未知物,Kovats,指数,I,x,，然后与文献值对照。,（,）,保留指数(,Kovats,指数),(,),固定液特性常数,I,：,包括罗氏常数和麦氏常数。此处不作介绍（详见p138）。,设正构烷烃的Kovats指数为碳数100。测定时，将,114,固定液分类,固定液分类,115,固定液的选择,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；,氢键型物质,氢键型固定液不易形成氢键的物质先流出；,复杂混合物,两种或以上混合固定液,固定液的选择固定液选