第十九章氣相色譜法gas chromatography

1、1第十九章第十九章 氣相色譜法氣相色譜法gas chromatography，GC分析化學教研室分析化學教研室 李發(fā)美教授李發(fā)美教授2發(fā)展發(fā)展 英國英國Martin等人于等人于1941年首次提出了用年首次提出了用氣體作流動相；氣體作流動相； 1952年第一次用氣相色譜法分離測定復雜年第一次用氣相色譜法分離測定復雜混合物；混合物； 1955年第一臺商品氣相色譜儀；年第一臺商品氣相色譜儀；近年電子計算機技術。近年電子計算機技術。 3第一節(jié)第一節(jié) 氣相色譜法的分類氣相色譜法的分類和一般流程和一般流程一、分類一、分類 按固定相的聚集狀態(tài)按固定相的聚集狀態(tài): GSC、GLC按分離原理：按分離原理： GS

2、C屬于吸附色譜，屬于吸附色譜，GLC屬于屬于 分配色譜。分配色譜。按色譜操作形式：柱色譜（分填充柱色譜按色譜操作形式：柱色譜（分填充柱色譜 毛細管柱色譜）毛細管柱色譜）4二、特點：二、特點： 高效能：高效能：neff可達可達103106 高選擇性：特別復雜試樣高選擇性：特別復雜試樣 高靈敏度：可以檢測高靈敏度：可以檢測10 1110 13g物質(zhì)物質(zhì) 分析速度快、操作簡單：色譜操作及數(shù)據(jù)處理分析速度快、操作簡單：色譜操作及數(shù)據(jù)處理自動化自動化 應用廣泛：氣體和易揮發(fā)或可衍生化為氣體應用廣泛：氣體和易揮發(fā)或可衍生化為氣體 弱點：受試樣蒸氣壓限制和定性困難。弱點：受試樣蒸氣壓限制和定性困難。5三、氣

3、相色譜法的一般流程67 載氣系統(tǒng)（載氣系統(tǒng)（carrier gas systemcarrier gas system） 色譜柱系統(tǒng)色譜柱系統(tǒng)（column system） 檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)（detection system） 記錄系統(tǒng)記錄系統(tǒng)（data system） 進樣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)（sample injection system）8第二節(jié)第二節(jié) 氣相色譜固定相和流動相氣相色譜固定相和流動相一、氣液色譜固定相一、氣液色譜固定相對固定液的要求對固定液的要求在操作溫度下蒸氣壓要低；在操作溫度下蒸氣壓要低；穩(wěn)定性好；穩(wěn)定性好； 對被分離組分的選擇性要高；對被分離組分的選擇性要高； 對試樣中各組分有

4、足夠的溶解能力。對試樣中各組分有足夠的溶解能力。 9固定液的分類固定液的分類化學分類化學分類：依據(jù)結(jié)構(gòu)分類：依據(jù)結(jié)構(gòu)分類烴類：烴類：烷烴與芳烴，角鯊烷（異卅烷、烷烴與芳烴，角鯊烷（異卅烷、C C3030H H6262) ) ，標準非極性固定液。，標準非極性固定液。硅氧烷類：甲基、苯基、氰基、氟硅氧烷等，硅氧烷類：甲基、苯基、氰基、氟硅氧烷等，最通用最通用聚醇：如聚乙二醇聚醇：如聚乙二醇PEGPEG 20M 20M ，氫鍵型，氫鍵型聚酯：丁二酸二乙二醇聚酯聚酯：丁二酸二乙二醇聚酯 ( PDEGS( PDEGS或或DEGS) DEGS) 10v極性分類極性分類用相對極性用相對極性 P 來表示來表示

5、）（21X1x1100qqqqPq1(lgr1) : 苯與環(huán)己烷在苯與環(huán)己烷在,-氧二丙腈柱上的氧二丙腈柱上的相對保留值的對數(shù)。相對保留值的對數(shù)。q2 (lgr2) : 角鯊烷柱上的相對保留值的對數(shù)。角鯊烷柱上的相對保留值的對數(shù)。qx (lgrx) : 在待測柱上的相對保留值的對數(shù)。在待測柱上的相對保留值的對數(shù)。11相對極性相對極性Px分類：分類：, -氧二丙腈：氧二丙腈：P =100角鯊烷：角鯊烷： P =0其余：其余：Px=0-100 分為分為5級級0200或或1 非和弱極性非和弱極性 角鯊烷、甲基硅角鯊烷、甲基硅橡膠橡膠21402中等極性中等極性 DNP、OV-1741603中等極性中等

6、極性 氰基硅橡膠氰基硅橡膠61804極性極性 聚乙二醇聚乙二醇81100 5極性極性 , -氧二丙腈氧二丙腈12麥氏常數(shù)分類法麥氏常數(shù)分類法: :以物質(zhì)以物質(zhì)m在待測固定液和非極性固定液在待測固定液和非極性固定液 (通常是沙魚烷通常是沙魚烷) 中的中的保留指數(shù)保留指數(shù)之差值作之差值作為該固定液相對極性強弱的度量為該固定液相對極性強弱的度量 13保留指數(shù) (I) ：lglglglgn+100Z=R(z)n)R(zR(z)R(x)xttttI用保留時間緊鄰待測組分的兩個正構(gòu)烷烴來用保留時間緊鄰待測組分的兩個正構(gòu)烷烴來標定組分的相對保留值，又稱標定組分的相對保留值，又稱Kovats指數(shù)指數(shù)Ix為待測

7、組分的保留指數(shù)，為待測組分的保留指數(shù)，z與與z+n為正構(gòu)烷烴對的碳原子數(shù)。為正構(gòu)烷烴對的碳原子數(shù)。規(guī)定正己烷、正庚烷及正辛烷為規(guī)定正己烷、正庚烷及正辛烷為600、700及及800 14例例 在在Apiezon L柱上，柱溫柱上，柱溫100，用正庚烷，用正庚烷及正辛烷為參考物質(zhì)對，測得及正辛烷為參考物質(zhì)對，測得t0=30.0 ，正庚，正庚烷的烷的tR=204.0 ，乙酸正丁酯的，乙酸正丁酯的tR=340.0 及正辛及正辛烷的烷的tR=403.4 。說明乙酸正丁酯在說明乙酸正丁酯在Apiezon L柱上的保留行為柱上的保留行為相當于相當于7.756個碳原子的正構(gòu)烷烴的保留行為。個碳原子的正構(gòu)烷烴的

8、保留行為。0 .174lg4 .373lg0 .174lg0 .310lg17Ix=100（）=775.615麥氏常數(shù)麥氏常數(shù)苯、丁醇、戊酮苯、丁醇、戊酮-2、硝基丙烷、吡啶五種物質(zhì)、硝基丙烷、吡啶五種物質(zhì)在被測固定液與角鯊烷柱上保留指數(shù)的差值在被測固定液與角鯊烷柱上保留指數(shù)的差值,分分別以別以x ，y，z ，u，s 表示表示.苯苯: I=I被測被測I角鯊烷角鯊烷= x 代表不同類型的作用力代表不同類型的作用力，這五個這五個I以及它們的平均值，可以作為固定以及它們的平均值，可以作為固定液極性的標度。其值越大，極性越強。液極性的標度。其值越大，極性越強。 16固定液的選擇固定液的選擇相似性原則相

9、似性原則被分離物質(zhì)被分離物質(zhì)固定液固定液主要作用力主要作用力出峰順序出峰順序非極性非極性非極性非極性色散力色散力按沸點順序，沸點低按沸點順序，沸點低者先出柱。相同沸點者先出柱。相同沸點的極性組分先出。的極性組分先出。中等極性中等極性中等極性中等極性誘導力和色誘導力和色散力散力按沸點順序。相同沸按沸點順序。相同沸點的極性組分后出柱。點的極性組分后出柱。極性極性極性極性靜電力靜電力按極性順序出柱。非按極性順序出柱。非極性組分先出柱。極性組分先出柱。能形成氫鍵能形成氫鍵的試樣的試樣氫鍵型氫鍵型氫鍵力氫鍵力按形成氫鍵的能力大按形成氫鍵的能力大小出柱。小出柱。17固定液的選擇固定液的選擇主要差別主要差別

10、組分極性差別較大：選用極性固定液。組分極性差別較大：選用極性固定液。沸點差別較大：選用非極性固定液。沸點差別較大：選用非極性固定液。例：苯與環(huán)己烷例：苯與環(huán)己烷 (苯苯80.1，環(huán)己烷，環(huán)己烷80.7) 。苯為弱極性，環(huán)己烷為非極性，極性差別是主苯為弱極性，環(huán)己烷為非極性，極性差別是主要矛盾。要矛盾。非極性固定液很難分開。非極性固定液很難分開。中等極性的固定液，如用鄰苯二甲酸二壬酯，中等極性的固定液，如用鄰苯二甲酸二壬酯，則苯的保留時間是環(huán)己烷的則苯的保留時間是環(huán)己烷的1.5倍。倍。 18固定液的選擇固定液的選擇麥氏常數(shù)麥氏常數(shù)根據(jù)作用力根據(jù)作用力例例 正丁基乙基醚中雜質(zhì)正丙醇的檢查。希望正正

11、丁基乙基醚中雜質(zhì)正丙醇的檢查。希望正丙醇先出。醚是質(zhì)子受體，醇是質(zhì)子給體，丙醇先出。醚是質(zhì)子受體，醇是質(zhì)子給體， z 值越大，固定液對質(zhì)子受體（值越大，固定液對質(zhì)子受體（戊酮戊酮-2）的作的作用力越強，用力越強，y值越小，固定液對質(zhì)子給體（值越小，固定液對質(zhì)子給體（丁丁醇）醇）作用力越弱。作用力越弱。應選擇應選擇z 值大于值大于y值，即具有高值，即具有高z /y值的固定液。值的固定液。19載體（擔體）載體（擔體）要求：要求：表面積大，孔徑分布均勻；表面積大，孔徑分布均勻；表面吸附性很弱；表面吸附性很弱；熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性好；熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性好；粒度均勻，有一定的機械強度。粒度均勻，有一定

12、的機械強度。 硅藻土型載體硅藻土型載體紅色載體紅色載體 常與非極性固定液配伍常與非極性固定液配伍白色載體白色載體 常與極性固定液配伍常與極性固定液配伍20除去載體表面的鐵等金屬氧化物。除去載體表面的鐵等金屬氧化物。用于分析酸性化合物。用于分析酸性化合物。 將載體與硅烷化試劑反應，除去將載體與硅烷化試劑反應，除去載體表面的硅醇基。載體表面的硅醇基。分析形成氫鍵能力較強的化合物。分析形成氫鍵能力較強的化合物。 酸洗法酸洗法堿洗法堿洗法硅烷化法硅烷化法除去載體表面的除去載體表面的Al2O3等酸性作用點。等酸性作用點。用于分析胺類等堿性化合物。用于分析胺類等堿性化合物。 載體的鈍化載體的鈍化21二、氣

13、固色譜固定相吸附劑、分子篩、高分子多孔微球及化學鍵合吸附劑、分子篩、高分子多孔微球及化學鍵合相等相等高分子多孔微球（高分子多孔微球（GDX） -具有吸附、分配及分子篩三種作用具有吸附、分配及分子篩三種作用 耐高溫，最高使用溫度為耐高溫，最高使用溫度為200300； 峰形好，一般不拖尾；峰形好，一般不拖尾； 無柱流失現(xiàn)象，柱壽命長；無柱流失現(xiàn)象，柱壽命長； 一般按分子量順序分離的特點一般按分子量順序分離的特點 22三、流動相（載氣）三、流動相（載氣）氫氣氫氣 氮氣氮氣分子量小，熱導系數(shù)大，粘度小。分子量小，熱導系數(shù)大，粘度小。常用于熱導檢測器。常用于熱導檢測器。要求：純度在要求：純度在99.99

14、%以上、凈化以上、凈化選擇：主要取決于檢測器、色譜柱及分析要求。選擇：主要取決于檢測器、色譜柱及分析要求。 擴散系數(shù)小，擴散系數(shù)小，柱效比較高。柱效比較高。除熱導檢測器以外的其它幾種檢測除熱導檢測器以外的其它幾種檢測器中，多采用氮氣作載氣。器中，多采用氮氣作載氣。 23第三節(jié)第三節(jié) 檢測器檢測器將流動相中組分的濃度或量將流動相中組分的濃度或量信號信號轉(zhuǎn)變成電信號。轉(zhuǎn)變成電信號。CS dvdmS dtdmS 濃度型檢測器：濃度型檢測器：測量載氣中組分濃度的變化測量載氣中組分濃度的變化熱導檢測器、電子捕獲檢測器等。熱導檢測器、電子捕獲檢測器等。質(zhì)量型檢測器：質(zhì)量型檢測器：測量組分進入檢測器的質(zhì)量流

15、速測量組分進入檢測器的質(zhì)量流速變化。火變化。火焰離子化檢測器、火焰光度檢測器等。焰離子化檢測器、火焰光度檢測器等。或或24一、檢測器的性能指標一、檢測器的性能指標靈敏度（靈敏度（sensitivity） 濃度型檢測器濃度型檢測器Sc ：為為1ml載氣攜帶載氣攜帶1mg的某的某組分通過檢測器時，產(chǎn)生的電壓，組分通過檢測器時，產(chǎn)生的電壓，Vml/mg； 質(zhì)量型檢測器質(zhì)量型檢測器Sm：每秒有每秒有1g的某組分被載氣的某組分被載氣攜帶通過檢測器，產(chǎn)生的電壓或電流值，攜帶通過檢測器，產(chǎn)生的電壓或電流值，mVs/g或或As/g。 25噪音噪音（noise；N）和漂移（）和漂移（drift；d） 26檢測器

16、的性能指標檢測限（檢測限（detectability；D） 某組分的峰高恰為某組分的峰高恰為噪音的兩倍（噪音的兩倍（2N）時，時，單位時間內(nèi)載氣引入檢測器中該組分的質(zhì)量單位時間內(nèi)載氣引入檢測器中該組分的質(zhì)量（g/s），或單位體積載氣中所含該組分的），或單位體積載氣中所含該組分的量（量（mg/ml）。）。 D=2N/S 檢測限越小，檢測器的性能越好。檢測限越小，檢測器的性能越好。 27常用檢測器常用檢測器 熱導檢測器（熱導檢測器（thermal conductivity detector；TCD） 氫焰離子化檢測器（氫焰離子化檢測器（hydrogen flame ionization detec

17、tor；FID） 電子捕獲檢測器（電子捕獲檢測器（electron capture detector；ECD） 火焰光度檢測器火焰光度檢測器(flame photometric detector；FPD) 熱離子化檢測器熱離子化檢測器(thermionic ionization detector；TID) 28二、熱導檢測器二、熱導檢測器（thermal conductivity detector；TCD） 測定原理：測定原理：利用組分與利用組分與載氣的熱導載氣的熱導率之差率之差構(gòu)造：構(gòu)造：2930熱導檢測器熱導檢測器有組分進入測量臂有組分進入測量臂cgs21TT 21RR 0ABV0GI若若

18、則則IG取決取決 C31熱導檢測器熱導檢測器熱導率：熱導率：(x102)H2 22.36He 17.42N2 3.14甲烷甲烷 4.56乙醇乙醇 2.2232熱導檢測器熱導檢測器注意注意 常用氫氣作載氣，常用氫氣作載氣， 不能載氣勿加橋電流；不能載氣勿加橋電流； 盡量采用低電流；盡量采用低電流； 濃度型檢測器，峰面積定量時，需保持流速濃度型檢測器，峰面積定量時，需保持流速恒定。恒定。33熱導檢測器熱導檢測器優(yōu)點優(yōu)點: :結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣（無機物，有機結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣（無機物，有機物），不破壞樣品。物），不破壞樣品。缺點缺點: :靈敏度低，噪音大。靈敏度低，噪音大。34三、氫焰離子化檢測

19、器三、氫焰離子化檢測器（hydrogen flame ionization detector；FID） 測定原理測定原理測定有機物在氫火焰的作用下，化學電測定有機物在氫火焰的作用下，化學電離形成的離子流的強度。離形成的離子流的強度。 3536氫焰離子化檢測器氫焰離子化檢測器在高溫火焰作用下，有機物組分電離成在高溫火焰作用下，有機物組分電離成正負離子，在收集極（正極）和極化極正負離子，在收集極（正極）和極化極（負極）外電場作用下定向運動而形成（負極）外電場作用下定向運動而形成離子流（電流）。放大后被檢測。離子流（電流）。放大后被檢測。離子流強度決定于：離子流強度決定于：電離的程度電離的程度-被測

20、組分的性質(zhì)，被測組分的性質(zhì)，進入離子室的被測組分的量進入離子室的被測組分的量 37氫焰離子化檢測器氫焰離子化檢測器注意注意 氣體及流量：氣體及流量：燃氣燃氣用氫氣，空氣作為用氫氣，空氣作為助燃助燃氣氣，載氣載氣用氮氣。流量關系一般為，用氮氣。流量關系一般為，N2:H2:Air為為1:11.5:10。 質(zhì)量型檢測器：用峰高定量時，需保持載質(zhì)量型檢測器：用峰高定量時，需保持載氣流速恒定。氣流速恒定。 38氫焰離子化檢測器氫焰離子化檢測器優(yōu)點：靈敏度高，噪音小，死體積小等優(yōu)點：靈敏度高，噪音小，死體積小等缺點：破壞樣品，一般只能測定含碳化缺點：破壞樣品，一般只能測定含碳化 合物。合物。39四、電子捕

21、獲檢測器結(jié)構(gòu)測定原理 N2 + e AB + e AB + E 2N4041第四節(jié)第四節(jié) 分離條件的選擇分離條件的選擇一、氣相色譜速率理論一、氣相色譜速率理論H = A + B/u + Cu42氣相色譜速率理論氣相色譜速率理論渦流擴散項（渦流擴散項（eddy diffusion）A A=2dp 粒度較細，顆粒均勻，粒度較細，顆粒均勻， 一般為一般為6080目或目或80100目的填料。目的填料。 填充均勻。填充均勻。 空心毛細管柱無多徑項，空心毛細管柱無多徑項，A=0。 43氣相色譜速率理論氣相色譜速率理論分子擴散項分子擴散項（molecular diffusion） B/u B=2Dg 1、

22、填充柱填充柱u最佳最佳 ：選用分子量較小的氣體，：選用分子量較小的氣體， 如如H2、He線速度：稍高于最佳流速。線速度：稍高于最佳流速。 53 提高提高n柱溫柱溫的選擇：的選擇：TC ： K ， 不利不利 Dg ，不利不利 Dl ， Cl 有利有利54提高提高n柱溫的選擇：柱溫的選擇： 選擇原則：選擇原則：不超過固定液不超過固定液最高使用溫度最高使用溫度；在良好分離，分析時間適宜，不拖尾的前在良好分離，分析時間適宜，不拖尾的前提下，提下，盡可能采用低柱溫盡可能采用低柱溫。 高沸點混合物：高沸點混合物：低于沸點低于沸點100150，低，低固定液配比（固定液配比（1%3%） 沸點沸點300的試樣：

23、的試樣：比平均沸點低比平均沸點低50至平至平均沸點均沸點 55寬沸程試樣：寬沸程試樣：程序升溫，程序升溫，改善分離效改善分離效果，縮短分果，縮短分析時間，提析時間，提高靈敏度。高靈敏度。56 提高提高n柱長和內(nèi)徑的選擇：柱長和內(nèi)徑的選擇： 在達到一定分離度的條件下，應使用盡可能在達到一定分離度的條件下，應使用盡可能短的柱。短的柱。2121221)(LLnnRR57其他條件的選擇：其他條件的選擇： 氣化室溫度：等于或稍高于試樣的沸點，不氣化室溫度：等于或稍高于試樣的沸點，不超過沸點超過沸點50以上，高于柱溫以上，高于柱溫3050。 檢測室溫度：高于至少等于柱溫。檢測室溫度：高于至少等于柱溫。 進

24、樣時間和進樣量：進樣速度快，在進樣時間和進樣量：進樣速度快，在1s以內(nèi)。以內(nèi)。試樣不超載試樣不超載。 58第六節(jié)定性與定量分析第六節(jié)定性與定量分析一、定性分析方法一、定性分析方法 已知物對照法已知物對照法 保留值、加樣、雙柱定性保留值、加樣、雙柱定性利用相對保留值定性利用相對保留值定性利用保留指數(shù)定性利用保留指數(shù)定性 官能團分類測定法官能團分類測定法 兩譜聯(lián)用定性兩譜聯(lián)用定性 59二、定量分析方法二、定量分析方法定量分析的依據(jù)：定量分析的依據(jù)：在恒定的實驗條件下，峰面積（或在恒定的實驗條件下，峰面積（或峰高）與組分的（含）量成正比。峰高）與組分的（含）量成正比。 但，同一檢測器對不同物質(zhì)具有不

25、但，同一檢測器對不同物質(zhì)具有不同的響應靈敏度。同的響應靈敏度。 60二、定量分析方法二、定量分析方法（一）定量校正因子（一）定量校正因子 絕對（重量）校正因子絕對（重量）校正因子單位峰面積（或峰高）所代表的物質(zhì)的質(zhì)量。單位峰面積（或峰高）所代表的物質(zhì)的質(zhì)量。其值隨實驗條件而變化。其值隨實驗條件而變化。iiiAmf 61相對（重量）校正因子：相對（重量）校正因子：f fi i物質(zhì)物質(zhì)i i和標準物質(zhì)和標準物質(zhì)s s的絕對校正因子之比。的絕對校正因子之比。標準物質(zhì)標準物質(zhì): :苯、正庚烷苯、正庚烷測定法：準確稱取物質(zhì)測定法：準確稱取物質(zhì)i i和標準物質(zhì)和標準物質(zhì)s s，混，混勻，進樣，測得峰面積。

26、勻，進樣，測得峰面積。注意：實驗條件的一致。注意：實驗條件的一致。siissigmAmAfff62（二）定量方法（二）定量方法歸一化法歸一化法 樣品所有組分都產(chǎn)生色譜峰樣品所有組分都產(chǎn)生色譜峰校正因子相等時，直接用峰面積。校正因子相等時，直接用峰面積。100%nn332211iiifAfAfAfAfAC63歸一化法歸一化法 優(yōu)點：簡便、定量結(jié)果與進樣量無關、受操優(yōu)點：簡便、定量結(jié)果與進樣量無關、受操作條件變化影響較小。作條件變化影響較小。 缺點：必須所有組分在一個分析周期內(nèi)都能缺點：必須所有組分在一個分析周期內(nèi)都能流出色譜柱，檢測器對它們都產(chǎn)生信號。不流出色譜柱，檢測器對它們都產(chǎn)生信號。不適用于微量雜質(zhì)的測定。適用于微量雜質(zhì)的測定。 例：甲醇、乙醇、正丙醇例：甲醇、乙醇、正丙醇64（二）定量方法（二）定量方法外標法：外標法：校正曲線：校正曲線：用對照品配成不同濃度的對照液，定量進樣，用對照品配成不同濃度的對照液，定量進樣，用峰面積對對照品的量（或濃度）作線性回用峰面積對對照品的量（或濃度）作線性回歸，求出斜率、截距，而后計算樣品的含量。歸，求出斜率、截距，而后計算樣品的含量。 65外標法：外標法：校正曲線截距近似零時，校正曲線截距近似零時， 外標一點法：外標一點法：用一種濃度對照溶液用一種濃度對照溶液 優(yōu)點：簡便，不用校正因子，不