现代仪器分析气相色谱法讲稿.docx
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现代仪器分析气相色谱法讲稿
气相色谱法
1.概述
GC是以气体为流动相的柱色谱法
按固定相状态分为气固~:
固体吸附剂
气液~:
载体上涂渍液体的固定相
色谱柱种类填充柱色谱
毛细管柱色谱空心~
填充~
1.1气相色谱仪的一般流程
载气调至所需流速;气化室,色谱柱,检测器调至最佳工作状态;分析样品从进样器→
载气
气化室(气化)→色谱柱分离→检测器→记录仪→保留值:
定性
A或h:
定量
①气路系统
载气连续运行的密闭管路
气源(高压气瓶)→减压阀,压力表→净化器→气流调节器→流量计气化室→色谱柱→检测器→放空
②进样系统:
使样品瞬间气化,进入色谱柱
进样装置
气化室
③分离系统:
分离组分
色谱柱,柱室
④检测系统:
将载气中组分的浓度或量转化成电信号
⑤温度控制系统
气化室,柱室,检测室控温
⑥数据处理系统
记录仪,积分仪或色谱工作站
1.2GC的特点
①分离效能高(柱效高)
n=106
性质相似的组分也可分离,因气体粘度小,移动快,可以用长柱子分离
汽油有200多个组分,人尿300多个组分
②分析速度快
几分~几十分钟
③灵敏度高
检测限:
10-12~10-14g
④应用广泛
分析气化温度在<450℃且不分解的物质,可分析20%的有机化合物
2仪器结构
2.1载气系统:
H2、N2、He、Ar等
载气主要根据检测器特性决定
如:
热导池~:
H2、He(分子量小,热导系数大,粘度小)
载气流量控制:
根据速率方程,选择最佳稳定流量
H=A+B/u+Cu
A:
涡流扩散项
B/u:
纵向扩散项
Cu:
传质阻力项
对上式求导:
dH/du=-B/u2+C=0
当u较小时,B项为色谱峰扩张的主要因素,此时应采用相对分子质量较大的载气(N2,Ar),使组分在载气中有较小的扩散系数。
当u较大时,C项为控制因素,宜采用相对分子量较小的载气(H2、He),此时组分在载气中有较大的扩散系数,可减小气相传质阻力,提高柱效。
对于填充柱:
N2:
10~12cm·s-1
H2:
15~20cm·s-1
2.2进样系统
2.2.1进样口结构与技术指标
①操作温度范围
最高气化温度350~420℃,常用250℃
②载气压力和流量设定范围
常见仪器载气压力范围:
0~100psi
流量范围:
0~200ml·min-1
③死体积0.2~1ml
气化室死体积小,样品初始谱带窄,柱外效应小,但死体积太小,会因样品气化后体积膨胀引起压力的剧烈波动,严重时会引起样品“倒灌”,反而增加柱外效应。
④惰性
气化室内壁应有足够惰性,不对样品发生吸附或化学反应或对样品分解起催化作用。
所以,气化室不锈钢套管中要插入一个石英或玻璃管柱。
⑤隔垫吹扫功能
隔垫:
硅橡胶材料→残留溶剂
低分子齐聚物进入色谱柱,引起“鬼峰”
气化室高温使其部分降解
隔垫吹扫
隔垫排出物被排出
温度较气化温度低,防止隔垫老化
隔垫吹扫器出口
玻璃衬管
加热块
石英玻璃毛(此处为衬管中心,温度最高,样品气化,不会被吹扫气流失)
载气大部分进入衬管,起载气作用,一部分向上流动(1~3ml·min-1),从隔垫下方流过,放空。
保护色谱柱→不挥发物质会滞留在衬管不进入色谱柱,积存产生“鬼峰”,所以清洗,更换
硅烷化→脱活处理
衬管一般衬管中填入少量硅烷化处理的石英玻璃毛。
→加快样品气化,避免颗粒物填塞色谱柱
衬管容积:
至少等于样品溶剂气化后体积
气化后体积膨胀150~500倍
2.2.2进样
①注射器进样
气体
液体
a.注射速度快
b.取样应准确,重现
c.避免样品间干扰(洗针3次)
d.选择合适的注射器(10μl多用)
e.减少注射歧视(组分沸点不同,气化速度和针内残留不同)
方法:
热针进样
溶剂冲洗:
针内先吸一段溶剂,再吸样品
②液体
气体进样阀(定量管,RSD可达0.5%)
V气体=(102~103)V液体
③自动进样器(效率高,精度高,费用高)
④分流进样(毛细管气相色谱)减少进样量
防止柱污染
分流技术:
小部分被载气带入色谱柱,大部分被放空
进入色谱柱部分:
放空部分=分流比(一般1:
10~1:
200)
进样量<2μl(一般<0.5μl)
进样速度:
越快越好防止不均匀气化
保持窄的初始谱带宽度
分流歧视:
在一定分流比条件下,不同样品组分的实际分流比是不同的,从而选成进入色谱柱的样品组成不同于原来的样品组成,影响定量结果的准确度。
各组分在载气中的扩散速度不同
原因各组分极性不同,沸点不同,气化速度不同
分流比较大
解决方法快速气化,包括采用较高气化温度和选用合适的衬管
在样品浓度和柱容量允许情况下,分流比尽量小一些
⑤不分流进样:
提高灵敏度
消除分流歧视
低浓度样品,但由于溶剂效应会引起初始谱带变宽
⑥冷柱上进样:
样品直接注入处于室温活低于室温的色谱柱,逐步升高温度使组分依次气化通过色谱柱分离
消除歧化效应
优点避免样品分解
准确度,精密度高
要求进样体积小,否则会超载
缺点操作复杂:
对起始柱温、溶剂性质、进样速度有严格的要求,且要特殊
⑦程序升温气化进样(PTV)
将气体或液体样品,注入处于低温的进样口衬管内,按设定程序升高进样口温度
缺点:
PTV进样口结构复杂,操作技术要求更高一些;价格贵一些。
2.3分离系统(色谱柱)
2.3.1固定相
(1)气固色谱
聚合物固定相――分离强极性化合物(醇,酮,酸,酯,胺等)
吸附剂――活性炭(<300℃)氧化铝(<400℃)石墨化碳黑(>500℃)
<非极性><弱极性><非极性,亦可分离极性化合物的顺反异构体>
分子筛(<400℃)硅胶(<400℃)
<极性><强极性>
(2)气液色谱
①固定液
烃类(非极性)
硅氯烷类(通用型)
化学分类法醇类(极性)
酯类(中强极性)
其它
非极性
极性分类法(按相对极性)弱极性
中等极性
强极性
角鲨烷→0
β,β’-氯二丙腈→100
红色~:
略呈酸性
②担体硅藻土型白色~:
略呈碱性
非硅藻土型:
氟担体,玻璃微球担体,高分子多孔微球等
2.3.2柱体
填充柱(普通~、微~、填充毛细管柱)
毛细管柱
内径(/mm)
长度(m)
每米柱效(n)
柱材料
柱容量
程序升温应用
填充柱
2~5
0.5~3
1000
玻璃,不锈钢
mg级
基线漂移
毛细管柱
0.1~0.53
10~60
3000
熔融石英
<0.1mg
基线稳定
2.4检测系统
FID
TCD
常用检测器ECD
FPD
质量型:
信号强度与单位时间由载气引入检测器中组分的质量成正比,与组分载气中的浓度无关。
特点:
A与载气流速无关;h与载气流速成正比
浓度型:
信号强度与进入检测器的载气中组分的浓度成正比。
特点:
A与v成反比;h与v无关
2.4.1热导检测器(Thermalconductivitydetector)(TCD、ECD)
通用型检测器,浓度型
①结构与原理
依据:
被测组分与载气的热导率不同
原理:
热敏元件:
温度升高,电阻增大
常用钨丝,铼钨丝
惠斯登电桥:
时
电桥平衡,A、B点间无电流,电压VAB=0
a.当只有载气时,桥电流恒定,则载气流过恒定;热丝的温度一定,电阻一定,R1=R2,电桥平衡,VAB=0
b.有组分时,组分通过测量壁,与载气热导系数不同,则R2的热平衡破坏,温度改变,R改变,R1≠R2,VAB≠0,产生电信号,且组分浓度大,VAB大
四臂热导池:
灵敏度大一倍
②影响灵敏度的操作因素
A.载气:
热导系数大,灵敏度高
∴H2灵敏度大于N2
λ×103;(373K)
H222.36
N23.14
He17.42
λ↑,灵敏度↑;
λ=0,无信号
当λ组分>λ载气,出负峰
B.桥电流大,灵敏度高,一般与I3成正比
③使用注意事项
A.操作时,开机时应先通载气后加桥流;关机时,应先关桥流后关载气。
否则易烧断热导池中的热敏元件
B.桥电流不可过大,保护热丝
C.定量时,用峰面积定量时,应保持载气流速恒定(A反比于v)
2.4.2氢火焰离子化检测器FID
①原理与结构
依据:
利用有机物在氢焰作用下电离成离子流,根据离子流的浓度来检测
有机物进入氢火焰,燃烧过程中产生离子。
收集极与极化环间加有电压,使离子在其间作定向运动,产生离子流。
离子流强度与进入检测器中组分的量及分子中的含碳量有关,所以,测定离子流强度可对物质定量。
以苯为例,说明化学电离反应如下:
C6H6→6·CH
6·CH+3O2→6HC≡O++6e与O2生成CHO+
6HC≡O++6H2O→6CO+6H3O+H3O+为电荷传递介质
在外电场作用下,H3O+及CHO+及电子向两极运动,产生电流
②特点:
灵敏度高,响应快,线性范围宽
一般只测定含碳有机物,检测时样品被破坏
③注意事项
A.为质量型检测器,所以峰高与流速成正比,若以h定量,则须使载气恒速
B.N2多为载气
N2:
H2=1:
1~1:
1.5H2:
空气=1:
5~1:
10
C.无机组分在该检测器上不出峰:
H2S、H2O、SO2等
2.4.3电子捕获检测器ECD
①结构与原理
依据:
电负性有机物捕获自由电子,根据自由电子(基流)下降的信号强度对组分进行定量。
放射性离子化检测器――检测电负性有机物
检测器内有两个电极和筒状的β放射源(H3或Ni63)
β放射源不断放射β粒子,即初级电子,约每秒达108个,相当于比10-9A略大的电流。
当载气(Ar或N2)进入内腔,受β轰击产生次级电子。
初级、次级电子向阳极移动,产生基流(背景电流I0)
当电负性组分进入检测器后,捕获这些自由电子,从而使基流下降,在记录器上产生系列倒峰。
在一定浓度(C)范围内,响应信号强度与组分浓度关系为
Ie:
信号电流
I0:
基流
K:
为检测器常数
A:
组分的电子吸收系数
C:
组分浓度
②特点:
专属性浓度型检测器,灵敏度高;线性范围窄(103)。
分析电负性有机化合物(如含卤素、硫、氧、硝基、羰基、氰基、共轭双键体系、有机金属化合物等)
③注意事项:
A.载气使用高纯氮(>99.99%)。
否则其中的氧气、水及其它电负性杂质会捕捉电子,使基流↓,灵敏度↓。
B.检测器温度高于柱温,但不能过高(温度过高,加速放射源放射,寿命缩短。
满足灵敏度的要求下,检测器温度适当低些)
C.一般使用低于饱和基流所对应的极化电压。
D.检测器出口须安装几米长的金属或塑料管道后,再与大气相通,以防止氧气反扩散进入检测器,污染之。
2.4.4火焰光度检测器(FPDflamephotometricdetector)
①原理
依据:
含S、P的化合物在富氢火焰中燃烧产生化学发光物质,测定这些物质特征波长的光强对组分进行定量。
原理:
在富氢火焰(H2:
O2>3:
1,即氢的供给量远大于化学计量值)中,含S或P的化合物燃烧生成化学发光物质,产生特征波长的光,投射到光电倍增管上产生电流,经放大器放大,记录下来,通过对特定波长光强的测定,可测定含S或P的化合物的量。
仪器结构
燃烧系统:
氢火焰部分(火焰喷嘴、点火器)
光学系统:
石英窗、滤光片、散热片、光电倍增管
②特点:
硫、磷检测器,质量型检测器
选择性高,灵敏度高
对P1.7×10-2g/sS2.0×10-12g/s
线性范围窄
用于测定大气痕量污染及水、农产品中对有机磷或有机硫等农残的测定
③注意事项
A.燃烧火焰为富氢火焰,否则不产生特征光谱或灵敏度很低
B.为增长光电倍增管的寿命,点火前不开高压电源
C.检测器温度低于100℃时,不要点火,以免使检测器受潮
3.定性、定量方法
3.1定性方法
3.1.1保留值定性
①已知物对照:
(VR;tR)用不同极性色谱柱保留时间一致或采用峰高增加法
②相对保留值定性:
③保留指数定性(korats指数)
a.特点:
重现性较好的定性参数,可依据所用的固定相和柱温直接与文献值对照,而不需对照品
b.方法:
保留指数I是把物质的保留行为用两个紧靠它的标准物(一般是两个正构烷烃)来标定,并以均一标度来表示(不用对数)。
即将组分的保留行为换算成相当于含有几个C的正构烷烃的保留行为来描述。
被测物质XN,i的保留值恰在两个正构烷烃的保留值之间
XN,Z c.计算 XN: 调整保留值(tR’,VR’) i: 被测物质 Z,Z+1: 具有Z个和Z+1个碳原子的正构烷烃 d.举例: 乙酸丁酯在阿皮松柱上,柱温为100℃时 以相当于调整保留时间的记录纸距离来表示 n-C7XN,7=174.0mmlgXN,7=2.24 乙酸丁酯XN,i=310.0mmlg310.0=2.4914 n-C8XN,8=373.4mmlg373.4=2.5722 3.1.2利用选择性检测器定性 3.1.3利用化学反应定性 将色谱馏分通到官能团分类试剂中,利用显色或沉淀反应,粗略判定组分含何官能团或属于哪类化合物。 3.1.4两谱联用定性 气质联用 气红联用IR 气相色谱→冷阱装置→UV NMR MS 3.2定量方法(复习――实验) 3.2.1校正因子 绝对质量校正因子 相对校正因子: TCD: 标准物质苯 FID: 标准物质正庚烷 重量校正因子: 摩尔校正因子: 3.2.2归一化法 当试样各组分都流出色谱柱,并在色谱图上显示色谱峰时,可用此法定量计算。 fi: 重量校正因子Pi: 重量百分数 fi: 摩尔校正因子Pi: 摩尔百分数 若组分fi相近或相同时, [药典规定,归一化法须采用峰面积] 3.2.3外标法工作曲线法 外标一点法 ki为直线斜率(要求标准曲线过原点) 3.2.3内标法 将一定量内标物加入样品中 则 mi: 待测组分的量 m: 样品重量 ms: 内标物的量 4.毛细管气相色谱仪 氮气(尾吹): 增加柱出口到检测器的载气流速,减少这段死体积的影响 气路流程图 5.制备气相色谱仪 具有大容量的填充柱和组分收集系统,及自动控制循环操作系统(多次重复操作) 仪器特点: ①具有载气预热器及单向阀(阻止大量样品气化时反冲) ②柱内径一般<10mm,柱长3~10m;载体粒度40~60目,固定液配比20%左右 ③制备柱出口流路极少部分进检测器 绝大部分进入收集系统(冷却收集) 6.顶空分析技术 6.1原理 用GC分析处于密闭系统中,热力学平衡状态下的液体或固体样品的气相中挥发性组分,由此间接测定原始样品中该组分含量的一种色谱方法。 “气相色谱鼻子” 顶空分析装置 理论: Ai=Ci·Pi Ci: 常数(物质种类、检测器) Pi: 挥发性组分的蒸气压 拉乌尔定律(稀溶液) Poi: 饱和蒸气压 Xi: 组分的摩尔分数 γi: 活度系数 6.2特点: ①可用于测定不能直接气化的样品中痕量挥发性组分 ②事先不必对样品中痕量组分进行富集(如蒸馏、萃取等) ③柱子不会因注入水样、高沸物或非挥发性样品而过载或污染 ④由于气相中挥发性组分的浓度比其它组分浓度大,因此进顶空气样,可提高样品中挥发性组分的检测灵敏度,同时可得到比液体更好的灵敏度 ⑤操作时注意恒温密闭和预平衡(20~30min) 6.3应用 均相样品: 如水中挥发性物质、含醇饮料中痕量物质、油料中挥发物等 液-固非均相样品: 如血液中的酸和有毒物质 固体样品: 如野生物的芳香成分、聚合物中的单体或挥发性成分 7.裂解气相色谱法(BGC) 7.1原理 在严格控制的操作条件下,使小量天然或合成的高分子化合物,进行高温热裂解,生成低分子热裂解产物,在气相色谱仪内进行分离分析。 由于裂解碎片的组成,相对含量与被测物质的结构密切相关,因此每种物质的裂解色谱图具有各自的特征,称为“指纹”热解色谱图,用其作为“指纹”鉴定高分子化合物。 7.2裂解方式 光照 加热热降解: 多无碳碳断裂,降解产物与原化合物差别不大,如高级醇脱水成烯 热裂解: 500~1100℃,共价键破裂,碳碳键断裂,生成自由基,进一步重组成稳定的低分子 7.3操作条件 ①严格控制裂解器类型(包括其结构和性能) ②严格控制裂解条件: 加热速率,升温时间,裂解温度等 进样量: (μg级)量小,可减小二次反应 ③色谱条件高分子化合物: 填充柱――中等或强极性固定液 微生物: 强极性固定液的填充柱或毛细管柱 7.4常用裂解器类型 ①蒸气裂解器: 样品量<1μg ②管式炉裂解器: 裂解温度300~1000℃ 石英管制成,电炉加热,铂金样品丹,恒温精密度高;但死体积大,易二次反应 ③热丝裂解器 样品置于热丝上,于石英或玻璃管中通电加热样品瞬间裂解,二次反应小不便定量只用于定性 ④居里点裂解器 是一种有铁磁到顺磁的磁转变温度 高频感应加热裂解器 升温快,控温精确,重现性好,较理想 ⑤激光裂解器 新型、造价高 裂解温度高,升温快,裂解色谱图简单,重现性好 8.衍生气相色谱法 衍生气相色谱法是指预测试样品在适当条件下于所选用的试剂作用,使其转化成为满足色谱分析要求的物质后再进行GC分析的方法 试样衍生化处理目的: 增加挥发性,稳定性 改善分离效果,改进组分吸附特性 硅烷化法 酯化法 酰化法 衍生化的方法卤化法 醚化法 环化法 无机物的衍生化法 9.快速气相色谱法 分析速度快,可达几秒钟 快速GC(从峰宽角度: 单位时间流出色谱峰的个数。 峰宽越小,单位时间内可容纳的峰就越多)分类 快速GC: W1/2<1s 极快速GC: W1/2<0.1s 超高速GC: W1/2<0.01s
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