第六章毛细管气相色谱课件

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,*,*,色谱分析,应用化学系,第三章 气相色谱（,GC,）,第一节 气相色谱仪器,第二节 填充柱气相色谱,第三节 毛细管柱气相色谱,第四节 其它类别气相色谱,气相色谱的气源,常见的气源是气体钢瓶,价格便宜,H,2,N,2,He,钢瓶 空气压缩机,近年来配备气体发生器,价格贵一些,H,2,N,2,空气发生器,用气体钢瓶就必须明白气体阀门的开、关。,钢瓶总阀把手、减压阀上标有开关的箭头指示方向。,总阀顺时针为关，减压阀与其相反。,毛细管柱的分类,1957年,Golay,提出利用高柱效分离复杂组分,特点：,内径：0.10.5,mm，,柱长：30150米，最初是空心，后来也出现填充毛细管，理论板数几十万百万。,毛细管柱的分类：,1、壁涂空心柱（,WCOT,柱,),将固定液直接涂渍在色谱柱内壁的称为壁涂空心柱。,2、载体涂层空心柱,用,SiO2，Al2O3、,分子筛、硅藻土等很细的颗粒粘附在色谱柱内壁形成多孔层，再在多孔层上涂渍固定液做成分配柱，较,WCOT,柱液膜厚度不增加的情况下，提高涂渍量。从而增加柱容量。,3、多孔层空心柱（,PLOT,柱,),对柱内壁进行处理形成多孔层固定相的空心柱,载体涂层空心柱只是,PLOT,的一种,4,、填充毛细管柱,把固定相填充到玻璃管内，然后拉成毛细管柱，可以直接作为吸附柱，也可涂固定液作为分配柱。,聚二甲基硅氧烷,含苯基的聚硅氧烷,毛细管柱的固定液,含氰基的聚硅氧烷,OV-225,聚乙二醇类固定相,交联的聚硅氧烷固定相,提高固定相液膜稳定性和耐温性的重要途径：在毛细管柱内壁使固定相原位交联或键合到内壁。,聚硅氧烷分子中引入乙烯基，交联聚合；,使用端羟基聚硅氧烷固定相，羟基与内壁硅羟基键合；,引入间隔基，使分子交联。,毛细管气相色谱柱的涂渍,静态涂渍法,先用固定相溶液充满毛细管柱,封住柱子一端，另一端抽真空，除去溶剂,老化,动态涂渍法,先用氮气把固定相溶液压入毛细管柱的,1/3,将液柱匀速推出毛细管柱,氮气吹干,老化,毛细管气相色谱柱的交联,交联的目的,固定相线性分子变成网状结构，提高固定相的稳定性和耐热性,交联的方法,硅羟基高温缩合，形成,Si-O-Si,键,甲基或乙烯基经引发剂产生,C-C,键，普遍,交联引发剂,过氧化物,过氧化苯甲酰等,偶氮化合物,偶氮二异丁腈等,溶胶,-,凝胶技术制备毛细管柱,溶胶,-,凝胶技术原理,溶胶,-,凝胶技术制备毛细管气相色谱柱,毛细管气相色谱柱的评价,性能评价指标,柱效、表面惰性、热稳定性,一定的色谱条件下分离固定种类的混合物,Grob,试剂：,含各种官能团化合物，烷烃、芳烃、醇、二元醇、醛、酮、酚、胺、酯、游离酸。,大内径厚液膜毛细管气相色谱柱,内径为,0.53mm,的毛细管柱，优点：,可以直接取代填充柱，不需要分流进样；,分析速度快，比填充柱分析速度快；,吸附性小；,柱效大大优于填充柱；,化学稳定性和热稳定性优于填充柱。,大内径毛细管柱的主要参数,柱内径的影响,内径增大柱效大幅度降低，柱容量和流量增加,大内径毛细管柱就是牺牲了柱效来增加柱容量和提高流量，以便适用代替填充柱的要求。,液膜厚度的影响,常为,0.2-0.5,微米,薄液膜,2,优点：柱效高、分析时间短；,薄液膜,3,缺点：,1,）容量因子小，不利于高挥发性物质的分离；,2),不利于痕量物质的分离；,3),不足以掩蔽柱壁的活化点。,厚液膜可以增加柱容量、降低活性，适于低沸点化合物分析,细内径毛细管气相色谱柱,细内径毛细管柱的特点,柱效高,10m,*,0.1mm id = 25m,*,0.25mm id,可以在分离度不变的情况下缩短柱长，从而大大缩短分析时间,气固色谱毛细管柱,气固色谱柱,最早是固体吸附剂填充柱,1980s,后期多孔层（,PLOT,）气固色谱毛细管柱,PLOT,柱是在熔融石英毛细管柱中涂渍一层吸附剂颗粒的开管柱，三种类型：,涂渍分子筛,涂渍氧化铝,键合聚苯乙烯,-,二乙烯基苯,分子筛,PLOT,柱,5A,分子筛涂渍或键合到毛细管内壁，涂层厚度,12-50,微米,分析永久性气体和惰性气体,氧化铝,PLOT,柱,弱极性,Al,2,O,3,KCl,中极性,Al,2,O,3,“,S,”,强极性,Al,2,O,3,“,M,”,苯乙烯,-,二乙烯苯,PLOT,柱,烃类，,C1-C3,异构体，一直到,C14,的链烃、天然气、炼厂气、乙烯、丙烯；,二氧化碳、一氧化碳、水,极性溶剂、含氧、含硫化合物（如醇类、酮、醛、酯类、硫醇、硫化氢）,快速毛细管气相色谱,细内径毛细管色谱柱是实现快速色谱的重要手段之一。,要实现快速气相色谱就要使用细内径、短毛细管柱、高柱温，且色谱系统死体积小，进样宽度尽可能小。,毛细管气相色谱的操作步骤,开载气,多为氮气,开仪器,设置仪器参数,气化室温度,检测器温度,柱温,程序升温梯度,载气流速等,4.,待检测器温度达到后开氢气,氢火焰检测器,5.,进样,仪器开始计时,6.,保存谱图数据,7.,设置柱温降至,50,度以下,8.,关氢气,9.,关仪器,10.,关载气,程序升温气相色谱法,毛细管气相色谱柱常用程序升温气相色谱法分析样品。,主要有单阶和多阶两种升温方式。,主要用于分析沸点差别比较大的混合物,（如沸点介于,100-400,度的混合物分离）。,1、单阶程序升温-柱温随时间线性变化,2、多阶程序升温（一个分析周期内有多个升温速度）,FID,功能示意图,收集极,喷嘴,火焰,检测器静电器,- 220,伏特,色谱柱,底座接地,信号输出,氢火焰离子化检测器,收集极,绝缘片,喷嘴,气谱柱柱螺母,点火器,空气,H,2,和尾吹气,FID,检测器剖面图,H,2,和尾吹气,H,2,和尾吹气,空气,H,2,O,CHO,+,CHO,+,CHO,+,CHO,+,H,2,O,He,He,He,He,CO,2,CO,2,空气,N,2,N,2,N,2,CHO,+,N,2,CH,4,He,CH,4,He,H,2,N,2,H,2,N,2,H,2,N,2,H,2,H,2,N,2,H,2,N,2,N,2,CH,4,He,H,2,H,2,N,2,He,CH,4,He,Air,FID,空气,CH,4,样品中的甲烷,CHO,+,甲烷阳离子,H,2,FID,氢气,He,载气,H,2,O,水,N,2,尾吹气,FID,柱安装,气体类型,流量范围,典型流量,载气,(,H,2, He, N2),填充柱,10 60 ml/min,30 ml/min,(1/8”,柱,),毛细管柱,0.5 5 ml/min,1.5 ml/min,(0.32 mm,柱,),检测器气体,氢气,24 60 ml/min,40 ml/min,空气,200 600 ml/min,450 ml/min,柱,+,尾吹气,10 60 ml/min,50 ml/min,FID,流量,FID,典型问题,火焰吹息或点不着,出刺,低灵敏度,噪音,漂移,解决,FID,点火问题,检查检测器参数设置,(,面板,),流量,火焰,ON,检测器,ON,点火设置,检查喷嘴,检查点火器,检查柱连接,检查气体供应压力,检查溶剂进样器,解决,FID,噪音问题,关闭,H,2,和空气,还有,噪音吗,?,检查,/,清洗,/,更换,:,过滤器，捕集管，气体,FID,喷嘴,柱及其连接,进样口及其消耗品,检查,/,清洗,/,更换,:,内部连接,/,收集极连接,收集极和,绝缘体,检测器内部连接,检测器板,No,Yes,电路问题,污染问题,FID,日常维护,检测背景信号,检查压力,/,流量,清洗或更换喷嘴,检查点火组件,清洗收集极及组件,移走，切割及重新安装柱子,氢,焰离子化检测器的清洗,当,沾污不太严重时，可不必卸下清洗，此时只需要将色谱柱取下，用一根管子将进样口与检测器联接起来，然后通载气并将检测器炉温升至度以上，从进样口先注入微升左右的蒸馏水，再用几十微升丙酮或氟里昂（,reon113,等）溶剂进行清洗。在此温度下保持小时检查基线是否平稳，若仍不满意可重复上述操作或卸下清洗。当沾污比较严重时，必须卸下清洗。先卸下收集极，正极，喷嘴等，若喷嘴是石英材料制成的，先将其放在水中进行浸泡过夜,。,若喷嘴是不锈钢等材料做成，则可与电极等一起，先小心用细砂纸（）打磨，再用适当溶剂（浸泡如甲醇与苯：），也可以用超声波清洗，最后用甲醇洗净，放置于烘箱中烘干。注意勿用含卤素的溶剂（如氯仿、二氯甲烷等）。以免与聚四氟乙烯材料作用，导致噪声增加。洗净后的各个部件，要用镊子取，勿用手摸。烘干后装配时也要小心，否则会再度沾污。装入仪器后，先通载气分钟，再点火升高检测室温度，最好先在、度保持数小时之后，再升至工作温度。,气相,色谱固定相,气相色谱固定相可分为,液体固定相,和,固体固定相,两类。,一、液体固定相,液体固定相是将固定液均匀涂渍在载体而成。,（一）固定液,1. 对固定液的要求,固定液一般为高沸点的有机物，能做固定相的有机物必须具备下列条件：,第一，热稳定性好，在操作温度下，不发生聚合、分解或交联等现象，且有较低的蒸汽压，以免固定液流失。通常，固定液有一个“最高使用温度”。,第二、化学稳定性好，固定液与样品或载气不能发生不可逆的化学反应。,第三、固定液的粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。,第四、各组分必须在固定液中有一定的溶解度，否则样品会迅速通过柱子，难于使组分分离。,2. 固定液和组分分子间的,作用力,固定液为什么能牢固地附着在载体表面上，而不为流动相所带走？为什么样品中各组分通过色谱柱的时间不同？,分子间的作用力是一种极弱的吸引力，主要包括静电力、诱导力、色散力和氢键力等。,如在极性固定液柱上分离极性样品时，分子间的作用力主要是静电力。被分离组分的极性越大，与固定液间的相互作用力就越强，因而该组分在柱内滞留时间就越长。,极性分子与非极性分子之间的诱导力,：,在,极性分子永久偶极矩电场的作用下，非极性分子也会极化产生诱导偶极矩。它们之间的作用力叫诱导力。极性分子的极性越大，非极性分子越容易被极化，则诱导力就越大。当样品具有非极性分子和可极化的组分时，可用极性固定液的诱导效应分离。例如，苯（,B.P.80.1,）,和 环己烷（,B.P.80.8,）沸点接近，偶极矩为零，均为非极性分子，若用非极性固定液却很难使其分离。但苯比环己烷容易极化，故采用极性固定液，就能使苯产生诱导偶极矩，而在环己烷之后流出。固定液的极性越强，两者分离 得越远。,3. 固定液的分类（,GB 2921-82,),目前用于气相色谱的固定液有数百种，一般按其化学结构类型和极性进行分类，以便总结出一些规律供选用固定液时参考。,（1）按固定液的化学结构分类,把具有相同官能团的固定液排在一起，然后按官能团的类型不同分类，这样就便于按组分与固定液“结构相似”原则选择固定液时参考。,（2）,按固定液的相对极性分类,极性是固定液重要的分离特性，按相对极性分类是一种简便而常用,的方法。,聚硅氧烷类（通称硅油、硅弹性体、硅脂，别名硅酮）,聚二醇及聚烷基氧化物,4.,固定液的选择,在选择固定液时，一般按“相似相溶”的规律选择，因为这时的分子间的作用力强，选择性高，分离效果好。,第一，非极性试样一般选用非极性固定液。非极性固定液对样品的保留作用，主要靠色散力。分离时试样,中各组分基本上,按沸点从低到高的顺序流出色谱柱,；若样品中含有同沸点的烃类和非烃类化合物，则极性化合物先流出。,第二，中等极性的试样应首先选用中等极性固定液。在这种情况下，组分与固定液分子之间的作用力主要为诱导力和色散力。分离时组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱，但对于同沸点的极性和非极性物，由于此时诱导力起主要作用，使极性化合物与固定液的作用力加强，所以非极性组分先流出。,第三、,强极性的试样应选用强极性固定液,。此时，组分与固定液分子之间的作用主要靠静电力，组分一般按极性从小到大的顺序流出；对含有极性和非极性的样品，非极性组分先流出。,第四、,具有酸性或碱性的极性试样，可选用带有酸性或碱性基团的高分子多孔微球，,组分一般按相对分子质量大小顺序分离。此外，还可选用极性强的固定液，并加入少量的酸性或碱性添加剂，以减小谱峰的拖尾。,第五、,能形成氢键的试样，应选用氢键型固定液,，如腈醚和多元醇固定液等。各组分将按形成氢键的能力大小顺序分离。,第六、对于复杂组分，可选用,两种或两种以上的混合,液,，配合使用，增加分离效果。,（二）载体,载体是固定液的支持骨架，使 固定液能在其表面上形成一层薄而匀的液膜。载体应有如下的特点：,第一，具有多孔性，即比表面积大；,第二，化学惰性且具有较好的浸润性；,第三，热稳定性好；,第四，具有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。,1.载体的种类及性能,载体可以分成两类：,硅藻土类,和,非硅藻土类,。,硅藻土类载体是天然硅藻土经煅烧等处理后而获得的具有一定粒度的多孔性颗粒。按其制造方法的不同，可分为红色载体和白色载体两种。,红色载体因含少量氧化铁颗粒而呈红色。其机械强度大，孔径小，比表面积大，表面吸附性较强，有一定的催化活性，适用于涂渍高含量固定液，分离非极性化合物。,白色载体是天然硅藻土在煅烧时加入少量碳酸钠之类,的助熔剂，,使氧化铁转化为白色的铁硅酸钠。白色载体的比表面积小，孔径大，催化活性小，适用于涂渍低含量固定液，分离极性化合物。,2.硅藻土载体的预处理,普通硅藻土载体的表面并非完全惰性，而是具有硅醇基（,Si-OH），,并有少量的金属氧化物。因此，它的表面上既有吸附活性，又有催化活性。,如果涂渍的固定液量较低，则不能见个其吸附中心和催化中心完全遮盖。,用这种固定相分析样品，将会造成色谱峰的拖尾；而用于分析萜烯和含氮杂环化合物等化学性质活泼的试样时，有可能发生化学反应和不可逆吸附，为此，在涂渍固定,液前，应对载体进行预处理，使其表面钝化。,常用的预处理方法有：,（1）酸洗（除去碱性基团）,（2）碱洗（除去酸性基团）,（3）硅烷化（消除氢键结合力）,（4）釉化（表面玻璃化、堵微孔,）,二、气固色谱固定相,用气相色谱分析永久性气体及气态烃时，常采用固体吸附剂作固定相。在固体吸附剂上，永久性气体及气态烃的吸附热差别较大，故可以得到满意的分离。,1.常用的固体吸附剂,主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。,2.人工合成的固定相,作为有机固定相的高分子多孔微球是人工合成的多孔共聚物，它既是载体又起固定相的作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再使用。,由于是人工合成的，可控制其孔径的大小及表面性质。,高分子多孔微球分为极性和非极性两种：,（1）非极性的是由苯乙烯、二乙烯苯共聚而成。,（2）极性的是苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入极性基团。,第三节 色谱分离操作条件的选择,在气相色谱中，除了要选择合适的固定液之外，还要选择分离时的最佳条件，以提高柱效能，增大分离度，满足分离的需要。,一、载气及其线速的选择,根据,van Deemter,方程的数学简化式为,H = A + B / u + C u,可得到下图所示的,H-u,关系曲线。,当,u,值较小时，分子扩散项,B/u,将成为影响色谱峰扩张的主要因素，此时，宜采用相对分子质量较大的载气（,N,2,、Ar,），以使组分在载气中有较小的扩散系数。,当,u,较大时，传质项,Cu,将是主要控制因素。此时宜采用相对分子质量较小，具有较大扩散系数的载气（,H,2,、He,），以改善气相传质。,图中曲线的最低点，塔板高度最小，柱效最高，所以该点对应的流速即为最佳流速。,最佳线速和最小板高可以通过,H = A + B / u + C u,进行微分后求得。,上图的虚线是速率理论中各因素对板高的影响。比较各条虚线可知，当,u,值较小是，分子扩散项,B/u,将成为影响色谱峰扩张的主要因素，此时，宜采用相对分子质量较大的载气（,N,2,、Ar,），以使组分在载气中有较小的扩散系数。另一方面，当,u,较大时传质项,Cu,将是主要控制因素。此时宜采用相对分子质量较小，具有较大扩散系数的载气（,H,2,、He,），以改善气相传质。当然，还须考虑与所用的检测器相适应。,二、柱温的选择,柱温是一个重要的色谱操作参数，它直接影响分离效能和分析速度。,柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则会造成固定液大量挥发流失。某些固定液有最低操作温度。一般地说，操作温度至少必须高于固定液的熔点，以使其有效地发挥作用。,降低柱温可使色谱柱的选择性增大，但升高柱温可以缩短分析时间，并且可以改善气相和液相的传质速率，有利于提高效能。所以，这两方面的情况均需考虑。,在实际工作中，一般根据试样的沸点选择柱温、固定液用量及载体的种类。对于宽沸程混合物，一般采用程序升温法进行。,三、柱长和内径的选择,由于分离度正比于柱长的平方根，所以增加柱长对分离是有利的。但增加柱长会使各组分的保留时间增加，延长分析时间。因此，在满足一定分离度的条件下，应尽可能使用较短的柱子。,增加色谱柱的内径，可以增加分离的样品量，但由于纵向扩散路径的增加，会使柱效降低。,四、载体的选择,又范氏速率理论方程式可知，载体的粒度直接影响涡流扩散和气相传质阻力，间接地影响液相传质阻力。随着载体粒度的减小，柱效将明显提高，但粒度过细，阻力将明显增加，使柱压降增大，对操作带来不便。因此，一般根据柱径选择载体的粒度，保持载体的直径约为柱内径是1/20 1/25为宜。,速率理论方程式,A,项中的,是反映载体填充不均匀性参数，降低，即载体粒度均匀，形状规则，有利于提高柱效。,五、进样时间和进样量,进样速度必须很快，因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之边宽，有时甚至使峰变形。一般地，进样时间应在1,s,以内。,色谱柱有效分离试样量，随柱内径、柱长及固定液用量不同而异。柱内径大，固定液用量高，可适当增加试样量。但进样量过大，会造成色谱柱超负荷，柱效急剧下降，峰形变宽，保留时间改变。理论上允许的最大进样量是使下降的塔板数不超过10%。总之，最大允许的进样量，应控制在使峰面积和峰高与进样量呈线性关系的范围内。,