《气相色谱分析》PPT课件.ppt

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1、气相色谱法Gas Chromatography,GC,SP-6000 气相色谱仪（美国Varian公司）,气相色谱的创建人,Archer John Porter Martin,b.1910d.2002,Richard Laurence Millington Synge,b.1914d.1994,1944年马丁和辛格共同发明分配色谱法，共获1952年诺贝尔化学奖。1953年马丁和发明气相色谱法。,气体为流动相，待测样品被蒸发为气体，注入到色谱柱顶，以惰性气体(载气)将待测物样品蒸汽带入柱内分离。,第一节 概述,一、气相色谱法 GC,按固定相分 气-固色谱 气-液色谱按分离原理分 吸附色谱 分配色

2、谱按柱粗细分 填充柱色谱 毛细管柱色谱,二、GC分类,三、GC的特点及应用范围,分离效能高，选择性好复杂混合物、有机同系物、异构体及手性异构体填充柱理论塔板数可达数千，毛细管柱可达一百多万检测灵敏度高（10-11 10-13g)，样品用量少操作简单，分析速度快,适于分析沸点500以下，分子量400以下，热稳定性好的气、液、固态物质，约占全部有机物的20,四、气相色谱法的一般流程,载气系统(Carrier gas supply)进样系统（sample injection system）色谱柱系统（column system）温控系统（Temp.Contr.system）检测系统（detectio

3、n system）记录系统（data system）,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。,一、载气系统,气体净化装置：去水、去氧、去总烃,载气：要求化学惰性，不与有关物质反应,载气N2气、H2气等燃气H2气助燃气空气,二、进样系统,包括进样器、气化室等。手动进校常以微量注射器进样,柱材料：金属、玻璃、融熔石英、Teflon等填充柱：多为U形或螺旋形，内填固定相；开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。通常弯成螺旋状。,三、色谱柱系统,色谱分析的心脏，包括色谱柱和柱温箱,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色谱仪器的最重要指标之一。控温系统包括对气

4、化室、柱箱和检测器控温控温方式：恒温和程序升温。,五、检测系统,包括检测器和放大器等，有浓度型检测和质量型检测,六、记录控制系统,色谱工作站在线显示自动采集处理储存自动控制,第二节 气相色谱固定相和流动相,色谱柱系统色谱仪器的心脏1）气固色谱固定相：固体吸附剂；2）气液色谱固定相：固定液+载体。,1.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),一、气固色谱固定相固体吸附剂,利用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（H2、O2、CO等）及低分子量化合物。,2.高分子多孔微球(GDX)：人工合成的多孔聚合物，孔径大小可人为控制。可在活

5、化后直接用于分离。,一、气固色谱固定相固体吸附剂,非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（国产）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）,吸附剂性质、分离对象,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。,二、气液色谱固定相,固定液+载体,1.载体(担体)：化学惰性的多孔性微粒,二、气液色谱固定相载体+固定液,要求：比表面积大（多涂渍固定液）无吸附性（不吸附被测组分）化学惰性（不与固定液发生化学反应）热稳定性好,一定的机械强度,载体类型,酸洗：HCl浸泡除去金属氧化物 用于分析酸类和酯类碱洗：NaOH-甲醇浸泡除去酸性作用点 用于分析胺

6、类等碱性化合物硅烷化：载体与硅烷化试剂反应除去硅醇基 用于具有形成氢键能力的较强的化合物,载体的处理,钝化，减弱或消除载体表面的吸附活性,操作柱温下固定液呈液态（易于形成均匀液膜）固定液热稳定性和化学稳定性好固定液蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低）固定液对样品应有较好溶解度及选择性,2.固定液,要求：,二、气液色谱固定相载体+固定液,高沸点难挥发有机化合物，种类繁多。,固定液类型化学分类法,烃类、醇、酯、聚酯、胺、硅氧烷类等。,固定液类型极性分类法,0、1级：非极性固定液2、3级：中等极性固定液4、5级：极性固定液,相对极性分为五级，每20为一级,规定,-氧二丙腈的相对极性为100，角鲨烷为0

7、其他固定液的相对极性与它们比较，在0100之间,相对极性（P）测定方法,苯与环己烷为样品对照柱,-氧二丙腈及角鲨烷柱分别测定相对保留值的对数q1及q2在待测固定液柱上测得qx代入下式计算待测固定液的相对极性Px：,3.固定液的选择,原则：相似性原则 即按被分离组分的极性或基团与固定液相似的原则来选择,为了利用“相似性原则”原则选择固定液，必须了解样品种各组分按极性分类的情况。,二、气液色谱固定相载体+固定液,化合物极性分组,a按极性相似原则选择：非极性组分选非极性固定液，按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱。中等极性组分选中等极性固定液 基本按沸点顺序出柱。强极性组分选极性固定液，按极性顺序出柱，极

8、性强的后出柱。,固定液的选择,固定液与被测组分化学官能团相似，作用力强，选择性高 酯类选酯或聚酯固定液 醇类选醇类或聚乙二醇固定液,b按化学官能团相似选择：,固定液的选择,c.按组分性质的主要差别选择,组分沸点差别为主选非极性固定液 按沸点顺序出柱，沸点低的先出柱,组分极性差别为主 选极性固定液 按极性强弱出柱，极性弱的先出柱,固定液的选择,例：苯（80.10C）环己烷（80.70C）,选非极性柱 分不开,选强极性柱 较好分离 环己烷先出柱。,三、气相色谱流动相载气,氢气分子量小，热导系数大，粘度小热导检测器、氢焰离子化检测器选用，提高载气线速时可用,氮气扩散系数小、热导系数小、柱效高。,第三

9、节 气相色谱检测器,热导检测器(TCD);氢火焰离子化检测器(FID);电子捕获检测器(ECD);火焰光度检测器(FPD);氮磷检测器（NPD）;硫荧光检测器（SCD）,浓度型检测器：TCD、ECD 质量型检测器：FID、FPD,气相色谱检测器的类型,通用型检测器：TCD、FID选择型检测器：ECD、FPD,一、热导检测器(TCD),特点：对任何气体均可产生响应，通用性好，线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。,通常选择热导系数大的H2和He作载气,利用被检测组分与载气的热导率的差别来检测组分的浓度变化。,通用型浓度检测器,利用含碳有机物在氢焰的作用下化学电离而形成离子流，借测定离子

10、流强度进行检测。,二、氢焰离子化检测器（FID）,特点：灵敏度高、响应快、线性范围宽，目前最常用的检测器之一。,通用型质量检测器,载气N2气燃气H2气助燃气空气,利用含有强电负性元素的物质捕获电子的能力，通过测定电子流进行检测,三、电子捕获检测器(ECD),特点：灵敏度高、选择性好。目前分析痕量强电负性化合物最有效的检测器。但对无电负性的物质如烷烃无响应。,选择型浓度检测器,利用含S、P的化合物在富氢火焰中燃烧时产生的发射光谱进行定量检测。,四、火焰光度检测器(FPD),特点：高灵敏度、高选择性，对含磷、硫的有机化合物和气体硫化物特别敏感。,选择型质量检测器,第五节 气相色谱分离分析条件,根据

11、van Deemter方程和色谱分离方程式选择分析条件,柱效项 柱选择项 柱容量项,一、影响分离的因素,k 影响峰位,n 影响峰宽窄,影响两峰间距,a柱效项影响因素,影响色谱峰宽窄，主要取决于色谱柱性能及载气流速,采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项）适宜的操作条件：流动相性质和流速，柱温等(B项),增加柱长,降低板高,改善分离,选用分子量较大、线速度较小的载气N2气控制较低的柱温,b柱选择项影响因素,影响峰的间距，主要受固定相性质及柱温影响,选择合适的固定相使与不同组分的作用产生差别 一般说，降低柱温可以增大柱的选择性,改善分离,增大柱选择性,c柱容量项影

12、响因素,影响峰位，主要受固定相用量、柱温和载气流速影响,控制k的最佳范围 25GC中，增加固定液用量和降低柱温可以增加 k,如何根据具体情况改进分离度？,太小，两组分未分开应改变固定相极性，降低柱温,k 太小，n 也太小，应增大固定液用量，降低柱温,n 太小，许多组分未分开应设法降低板高，提高柱效,二、实验条件的选择：,色谱柱的选择柱温的选择载气与流速的选择进样条件的选择,分离条件,操作条件,1色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）,（1）固定相的选择,按“相似性”原则：极性相似或官能团相似按组分性质主要差别选择,采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项）分配色谱应控制（C项）,固定液液膜厚度,过小，

13、柱容量小，峰拖尾,过大，t延长、C增大，峰展宽,1色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）,（2）柱长的选择,柱越长，理论塔坂数越高，分离越好柱过长，分析时间、峰宽增加，总分离效能下降,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。,例：两组分在1 m长柱子上的分离度为0.75，问使用 多长柱子可以使它们完全分离？,解：,使用 4 m 的柱子可以使它们完全分离,2柱温的选择,保证R的前提下使用低柱温，但应保证适宜tR及峰不拖尾根据样品沸点情况选择合适柱温,传质阻力变小，纵向扩散增强,分配系数变小，保留时间缩短，低沸点峰易重叠,分配系数变大，分离度增加，分析时间长，峰宽增加,过

14、高则易造成峰拖尾，固定液流失,2柱温的选择,恒温,程序升温宽沸程混合物（沸程100）,柱温可低于沸点100150,选择低于平均沸点50至平均沸点柱温,2柱温的选择,程序升温,指柱温按设置的程序连续地随时间线性或非线性改变，以使低沸点组分和高沸点组分在色谱柱中都有适宜的保留、色谱峰分布均匀且峰形对称。,程序升温好处改善分离效果缩短分析周期改善峰形,3载气与流速的选择,选择载气应与检测器匹配 TCD选H2，He（u 大，粘度小）FID选N2（u 小，粘度大）,u较小，B/u占主要，选择分子量大的载气如N2，使组分的扩散系数小；u较大，Cu占主要，选择分子量小的载气H2，减小传质阻力项Cu。,4进样

15、条件的选择,气化室温度一般较柱温高30700C 要求样品瞬间气化，防止气化温度过高使试样分解,检测室温度一般高于柱温20500C 要求保持试样中各组分不被冷凝,进样量不可过大，否则造成拖尾峰 检测器灵敏度足够进样量尽量小,第六节 毛细管气相色谱法,熔融石英、金属、玻璃拉制的空心管柱内径通常为柱长30-100m，绕成环状,毛细管柱,一、毛细管色谱柱的特点：,分离效能高（每米塔板数20005000）柱容量小（柱体积只有几ml，允许最大进样量小）柱渗透性好，一般为开管柱，可在较高流速下分析易实现气质联用适于复杂样品的分析（30个峰以上）,二、毛细管柱的分类,1、填充毛细管柱2、开管型毛细管柱壁涂毛细

16、管柱：内壁涂渍固定液，使用最多。载体涂层毛细管柱：内壁附着载体+涂渍固定液 常规毛细管柱：内径小内径毛细管柱：内径小于0.1mm，用于快速分析 大内径毛细管柱：内径,使用分流/无分流进样器,三、毛细管柱气相色谱分析体系,(1)进样系统,毛细管柱容量小，流速低，柱外效应导致严重峰展宽。,毛细管柱和进样器的连接应将色谱柱伸直，插入分流器的分流点色谱柱出口直接插入检测器内,三、毛细管柱气相色谱分析体系,(2)色谱柱连接,减小色谱系统的死体积,毛细管柱载气流速低，进入检测器后发生突然减速，会引起色谱峰展宽,三、毛细管柱气相色谱分析体系,(3)尾吹,在色谱柱出口加一个辅助尾吹气，以加速样品通过检测器。,

17、各种气相色谱检测器都可使用最常用氢火焰离子化检测器 灵敏度高、响应速度和死体积小可和各种微型化的气相色谱检测器匹配。,三、毛细管柱气相色谱分析体系,(4)检测器,第七节 定性、定量分析,一、定性分析,二、定量分析,1、已知物对照品对照法,对照。试样中某峰的保留时间须与标样某峰重合添加标样对照：在样品中加入标样，峰高须增加,一定操作条件下，各组分保留时间为一定值,一、定性分析,2、相对保留值 ri,s定性：,取文献或色谱手册规定的标准物，加入被测样品中，混匀进样，测定样品与标准物的ri,s相，并比较手册数据,二、定性方法,二、定性方法,3、保留指数(Kovats指数)定性,用保留时间紧邻待测组分

18、的两个正构烷烃来标定组分的相对保留值，又称Kovats指数,Ix为待测组分的保留指数，z与z+n为正构烷烃对的碳原子数。规定正己烷、正庚烷及正辛烷为600、700及800,4.双柱或多柱定性 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。5.与其它方法结合定性 如GC-MS，GC-IR，GC-MS-MS,二、定性方法,6.利用化学反应定性：收集柱后组分，定性鉴别（非在线）,三、定量分析,准确测定峰高h或峰面积A定量,定量分析的依据：在恒定的实验条件下，峰面积A（或峰高H）与组分的（含）量成正比。,正常峰：A=1.065 h W1/2,色谱工作站自动求和直接给出A，h，W1/2,检测器对

19、不同物质的响应不同，两个组分具相同的峰面积并不一定说明两个物质的量相等！,三、定量分析,不可以直接用 mi(或 Ci)Ai对不同组分定量,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 待测物单位峰面积对应的该物质的量。,1、定量校正因子,需准确知道进样量才得测定其值随实验条件而变化,三、定量分析,2）相对校正因子fi 用一个物质作标准，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,三、定量分析,1、定量校正因子,相对校正因子的测定,相对校正因子与待测物、标准物和检测器类型有关，与操作条件（进样量）无关基准物：TCD苯；FID丁庚烷,2、定量方法,三、定量分析,归一化

20、法外标法 外标校正曲线法 外标对比法（外标一点法）内标法 内标校正曲线法 内标校正因子法 内标对比法（内标一点法）,1）归一化法：,fi：i 物质的相对校正因子；Ai：其峰面积。,特点：简单，定量结果与进样量无关，操作条件影响小。要求试样中所有组分全部流出色谱柱，并全部出峰！必须已知所有组分校正因子，不适合微量组分测定。,三、定量分析,2）外标法,三、定量分析,以待测成分的对照品作为对照物质，相比较以求得供试品含量。,待测组分的标准样品C1、C2、C3、C4、C5、,测出组分峰高或峰面积A1、A2、A3、A4、A5、,待测样品Cx,测出组分峰高或峰面积Ax,比较求供试品含量Cx,2）外标法,三

21、、定量分析,校正曲线法：以Ai对Ci作图得标准曲线。经拟合或由图计算样品含量。,外标一点法：截距近似零时，用一种浓度对照溶液,特点：需要标样，不需校正因子和内标物；目标组分被检测到就可进样；进样量和操作条件直接影响定量结果，须严格控制！,3）内标法：,三、定量分析,纯度符合要求；内标物为样品中不含组分；不与样品组分反应；与各待测物保留时间和浓度相差不大。,将一定重量的内标物加入到待测组分的对照品和样品中，分别测定内标物和待测组分的峰面积（或峰高）及相对校正因子，进而求出被测组分含量。,对内标物的要求：,3）内标法：,三、定量分析,待测组分的标准样品+内标物C1、C2、C3、C4、C5、+Cs,

22、测出组分峰高或峰面积A1、A2、A3、A4、A5、,待测样品+内标物Cx+Cs,测出组分峰高或峰面积Ax,比较求供试品含量Cx,测出内标物峰高或峰面积As1、As2、As3、As4、As5、,测出内标物峰高或峰面积Asx,校正曲线法：以Ai/As对Cx/Cs作图，得内标法校正曲线，经拟合或由图计算样品含量,3）内标法：,三、定量分析,3）内标法：,三、定量分析,内标校正因子法：,无待测物纯品，加入样品中不含对照物，以待测组分和对照物的响应信号对比定量,3）内标法：,三、定量分析,内标对比法（已知浓度样品对照法）,内标法优点：进样量不超量时，定量结果与进样量的重复性无关只需待测组分和内标物出峰，与其他组分是否出峰无关不须测定相对校正因子（配对照品溶液）内标法缺点：制样要求高；找合适内标物困难,P373：内标较正因子法测定无水乙醇中微量水分,药品中有机溶剂残留量的测定 挥发油等成分分析 生物样品分析 氨基酸分析,四、气相色谱法的应用,例：已知物质A和B在一根30.0cm长的柱上的保留时间分别为 16.40和17.63min，不被保留组分通过该柱的时间为1.30min，峰底宽为1.11和1.21min，试计算（1）柱的分离度（2）柱的平均塔板数（3）塔板高度（4）达1.5分离度所需柱长,解：,5、计算样品中A的质量分数。,