毛細管色譜講義

1、毛細管色譜講義第1頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四氣相色譜的特點及其應用氣相色譜是一種相當成熟且應用廣泛的復雜混合物的分離分析方法。GC主要是利用物質(zhì)的沸點、極性及吸附性質(zhì)的差異來實現(xiàn)混合物的分離。GC所能直接分離的樣品應是可揮發(fā)、熱穩(wěn)定的，沸點一般不超過500。據(jù)資料統(tǒng)計，在目前已知的混合物中，有20%到25%混合物可用GC直接分析，其余原則上可用LC分析。第2頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 流動相：載氣的主要作用是將樣品帶入色譜系統(tǒng)進行分離，對分離結(jié)果的影響相當有限 分離條件：選定載氣后，改變色譜柱、柱溫和載氣流速等控制分離 檢測器：FID

2、對大部分有機化合物均有靈敏響，最小檢測限可達ng級 技術(shù)難度：GC的條件參數(shù)優(yōu)化相對比LC簡單，分析成本更低 特殊應用：氣固色譜在永久性氣體和低分子碳氫化合物的分離分析方面仍是不可缺少的手段。 與LC相比GC的主要特點第3頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 氣相色譜原理(復習自學) 在氣相色譜中，樣品各組分能否在色譜柱分離，主要是基于它們在固定液中溶解度和蒸氣壓不同。 在色譜柱內(nèi)，樣品組分溶解在固定液中，構(gòu)成以固定液為溶劑和以樣品組分為溶質(zhì)的溶液。由于樣品量很小。此溶液可看成是稀溶液（即溶質(zhì)分子間沒有作用力）。 氣液色譜熱力學主要是根據(jù)溶液理論來考察組分在氣相中的行為、組

3、分與固定液形成的性質(zhì)及溶質(zhì)和溶劑的相互作用。第4頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四（1）溶液理論Henry定律式中為活度系數(shù)，它與溶質(zhì)的性質(zhì)及存在的環(huán)境有關(guān)，是溶質(zhì)和溶劑分子間作用力的量度，在氣液色譜中組分與固定液分子間作用力的量度。而載氣是永久性氣體，溶質(zhì)在氣相濃度很低，它們之間的相互作用力可以忽略，故氣相接近于理想氣體。溶質(zhì)在氣相中的分壓為：溶液中溶質(zhì)的蒸氣壓：則得溶質(zhì)在載氣和固定液中的摩爾分數(shù)之比與分配系數(shù)有關(guān)：第5頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四Nm和Ns分別為單位體積內(nèi)氣體和固定液的摩爾數(shù)。根據(jù)氣體定律： 整理得， 上式說明色譜過程中，溶

4、質(zhì)的分配系數(shù)與溫度有關(guān)，同時決定于組分與固定液相互作用力、組分蒸氣壓以及固定液的量。對于兩個不同組分，它們的相對保留值為： 例如，對于沸點相同的組分，只要選擇合適的固定液就可能將它們分開。這就是所謂的赫林頓(Herington)分離公式。 兩組分的分離既可以由它們的相對揮發(fā)度（柱溫T）決定也受到活度系數(shù) （固定相的類型）影響。第6頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四填充氣液色譜柱 固定液是氣相色譜柱的核心，一個混合物樣品是否能夠分離，主要決定于固定液。固定液的分類原則可以是固定液的化學結(jié)構(gòu)和所含官能團，極性或形成氫鍵的能力。 如以氫鍵將氣液色譜固定液分為四類： 強氫鍵固定相

5、，如聚乙二醇 弱氫鍵固定液，如，-氧二丙氰 極弱氫鍵固定液，如苯基（50%）甲基硅酮 非氫鍵固定液，如甲基硅酮、角鯊烷第7頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 氣相色譜條件的選擇 氣相色譜條件指色譜分析時所用的色譜柱（固定液、柱尺寸）、柱溫、載氣和流速、檢測器及其溫度、進樣方法及其溫度。通常在色譜圖要注明這些條件。色譜條件的選擇和優(yōu)化可參考有關(guān)色譜理論解釋。分離度分析速度靈敏度第8頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四（1）色譜柱 不銹鋼柱；但分析較為活潑的物質(zhì)時多用玻璃柱。 內(nèi)徑2-3 mm的色譜柱；長度1-3 m。 固定相的選擇：相似相溶；固定液與溶質(zhì)

6、分子間的特殊作用力 載體粒度 涂漬量填充氣相色譜操作條件（2）載氣和流速 載氣選擇應考慮分離和檢測兩方面。重載氣（氮氣、氬氣）有利于降低縱向擴散；輕載氣（氫氣、氦氣）有利于降低氣相的傳質(zhì)阻力。TCD應用輕載氣，而FID也多用輕載氣。 流速對柱效、保留時間和檢測器響應均有一定影響，壓力或流量控制質(zhì)量（即穩(wěn)定性）在GC分析中非常重要。第9頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 GC中的流速表示： 柱前流量：閥、表 柱后流量：泡沫流量計 柱中平均線速度（3）柱溫 柱溫的選擇是GC分析的一個最重要因素之一。 柱溫的選擇： 樣品的沸程 固定液的使用溫度柱溫對分離的影響： 保留時間 相對

7、保留值 柱效、峰高和峰面積第10頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四（4）進樣方式和汽化室溫度 進樣方式：直接柱頭進樣；六通閥進樣 汽化室大小及溫度：汽化室溫度應足夠高，保證樣品瞬間氣化。（5）檢測器和檢測器溫度 熱導檢測器（TCD）：基于各種物質(zhì)有不同的導熱系數(shù)原理而設計。它是濃度型的總體性質(zhì)，即通用檢測器。 氫火焰離子化檢測器（FID）：是一種高靈敏度、線性范圍廣、適用于含碳有機物分析的質(zhì)量型檢測器（準通用型檢測器）。FID的工作原理是：當有機物進入氫火焰時發(fā)生離解，生成正負離子；然后對在電場作用下的定向離子流進行檢測。 檢測器溫度：不應低于柱溫第11頁，共60頁，20

8、22年，5月20日，7點26分，星期四12.2 毛細管氣相色譜（高分辨氣相色譜） 毛細管氣相色譜，是指采用高分辨毛細管色譜柱來分離復雜組分的氣相色譜法。它的出現(xiàn)是氣相色譜發(fā)展史上的一個重要里程碑, 它使傳統(tǒng)填充柱在分離效率和分析速度兩方面都提高到一個新的水平。1957年戈雷(Golay)發(fā)表“涂壁毛細管氣液分配色譜理論和實踐”論文，首先提出毛細管速率方程，并第一次實現(xiàn)了毛細管氣相色譜分離。1979年彈性石英毛細管開始應用, 將毛細管氣相色譜推上高潮。八十年代將固定液固載化是毛細管色譜技術(shù)的又一個重要發(fā)展。它大大提高了色譜柱的穩(wěn)定性, 延長了柱壽命, 并使液膜進一步增厚, 提高了色譜性能 (如可

9、在高溫下使用)。第12頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 毛細管柱 (capillary column), 又稱為開管柱或空心柱。大量實驗證實這類色譜柱的最大特點在于它的“空心性”， 而不是它的“細小性”。盡管色譜學家們曾多次強調(diào)采用這類色譜柱時，應使用正確的名稱“開管柱”，但人們還是習慣把它稱作毛細管柱。 填充柱1） 毛細管色譜柱的類型薄層毛細管薄膜毛細管第13頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 常規(guī)毛細管柱 內(nèi)徑為0.10.3mm, 一般為0.25mm左右。按內(nèi)壁的狀態(tài)又可分為：A、物理涂漬形式l壁涂層毛細管柱(wall coated open

10、tubular column, WCOT)：把固定液涂在毛細管內(nèi)壁上， 現(xiàn)在大部分毛細管柱是這種類型的。 l多孔層毛細管柱(porous layer open tubular column, PLOT)：先在毛細管內(nèi)壁上附著或沉積一層多孔固體， 然后再在多孔固體上涂以固定液。該技術(shù)增大了表面積，在不增加液膜厚度的情況下，加大涂漬量。這樣，可提高進樣量，有利于痕量分析。第14頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 載體涂漬毛細管柱(support coated open tubular column, SCOT)：先在毛細管內(nèi)壁上粘附一層載體， 如硅藻土載體， 在此載體上涂以固

11、定液。應該說，SCOT是PLOT中的一種特殊形式。 雖然涂漬型毛細管柱的柱效較高， 但熱穩(wěn)定性和耐溶劑性較差。于是發(fā)展了固載化技術(shù)。第15頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四B 固載化形式 l鍵合毛細管柱：將固定液用化學鍵合的方法鍵合到涂敷硅膠的柱表面或經(jīng)表面處理的毛細管內(nèi)壁上。l交聯(lián)毛細管柱：采用交聯(lián)引發(fā)劑，在高溫或輻射處理下，把固定液交聯(lián)到毛細管內(nèi)壁。l鍵合交聯(lián)柱：既交聯(lián)固定液，又把它鍵合在管壁上。第16頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 小內(nèi)徑毛細管柱 (Microbore column) 內(nèi)徑小于100m，一般為50m的彈性石英毛細管。在氣相色

12、譜中用這種毛細管進行快速分析。在毛細管超臨界色譜中多用這類色譜柱。 大內(nèi)徑厚膜毛細管柱 (Megabore Column) 83年HP推出 內(nèi)徑一般為0.53 mm，是彈性石英管，有時也用0.75mm內(nèi)徑的玻璃毛細管柱。 其固定液膜可以是1m，或高達5m的厚液膜。它可以直接進樣分析，用于代替填充柱使用。 這種柱以犧牲部分柱效來增加柱容量、提高流量，以便適應代替填充柱的要求。第17頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 表12.1 填充柱和毛細管柱的比較 色譜參數(shù)填充柱WCOTSCOT柱長度，透性10-7，cm110508002001000柱內(nèi)徑，mm

13、240.10.80.50.8液膜厚度，m100.110.82相比4200100150050300每個峰的容量，ng1010E60.5后陡峭，產(chǎn)生一個極高的線速度。第23頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四3）毛細管色譜柱的特點 滲透性好 ：一般毛細管的比滲透率約為填充柱的100倍, 在同樣的柱前壓下, 可使用更長的毛細管柱(如100米以上), 而載氣的線速可保持不變。例如2.4m填充柱的柱壓降是2.5E6 Pa ，在同樣的柱壓降下，可使用0.27mm內(nèi)徑WCOT柱192m ，0.5mm內(nèi)徑SCOT柱250m。這就是毛細管柱高柱效的主要原因。相比（）大：相比大，傳質(zhì)快，有利于

14、提高柱效；k值小實現(xiàn)有利于快速分析。毛細管柱的液膜厚度小, 柱效高，加上柱滲透性大，可采用較高線流速縮短分析時間。第24頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 總柱效高 從單位柱長的柱效看, 毛細管柱和填充柱處于同一數(shù)量級, 但毛細管柱的長度比填充柱可長12個數(shù)量級, 因此其總柱效遠高于填充柱，這樣就大大提高分離復雜混合物的能力。 總之，毛細管柱滲透性大, 可采用長柱子和高載氣流速縮分析技術(shù)，使其保持高柱效和快速分離。 柱容量小 毛細管柱允許的進樣量小。這樣對進樣和檢測技術(shù)要求更高。進樣量取決于柱內(nèi)固定液含量，由于毛細管柱涂漬的固定液僅幾十mg， 液膜厚度為0.351.5m，

15、柱容量小， 一般進樣量為103105L， 故需要采用分流進樣技術(shù)。第25頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四4） 毛細管色譜柱的制備 由于柱制備技術(shù)較復雜, 一般用戶通常使用商品柱。如OV-101, PEG-20, SE-54等。 固定液的固載化：一是固定液分子中的功能基團和柱內(nèi)表面產(chǎn)生化學結(jié)合，形成一個穩(wěn)定的液膜，稱固定液的鍵合；另一是固定液分子之間化學結(jié)合，交聯(lián)生成一個網(wǎng)狀的大分子覆蓋在毛細管內(nèi)表面，成為一個不可抽取的液膜，稱固定液的交聯(lián)（Cross-linking)；最后一種情況是固定液分子既和內(nèi)表面形成化學鍵合，其自身又交聯(lián)成網(wǎng)狀大分子，即鍵合交聯(lián)法。第26頁，共6

16、0頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四毛細管氣相色譜儀流程 載氣源壓力調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)分流器進樣器色譜柱 檢測器流量計 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 溫度效應 流速控制壓力-流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)：電子壓力控制（EPC） 恒流模式 恒壓模式第27頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四壓力-流量調(diào)節(jié)系統(tǒng) 壓力-流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)：對高壓氣體減壓，穩(wěn)定流量和壓力，使色譜系統(tǒng)具有優(yōu)異精度和重現(xiàn)性。現(xiàn)代高檔氣相色譜儀均采用高精度的電壓力控制（Electromic pneumatic control, EPC）或電子流量控制（EPC）技術(shù)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性達到新的高度。 電子壓力控制（EPC） ：采用電

17、子壓力傳感器和電子流量控制器，通過計算機來實現(xiàn)壓力和流量的自動控制。第28頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四1）毛細管氣相色譜儀 毛細管氣相色譜系統(tǒng)基本上和普通氣相色譜一樣。但毛細管色譜柱并不是隨意地裝在普通的填充柱色譜儀上。由于毛細管柱的體積流量小、柱容量小和出峰快等特殊性，毛細管氣相色譜儀對氣路、進樣、檢測和記錄等方面也有一些特殊的要求。載氣+樣品毛細管柱分流放空FID補充氣柱后FcL（1） 氣路系統(tǒng)第29頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四GC進樣系統(tǒng)載氣吹掃氣分流氣第30頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四第31頁，共60頁

18、，2022年，5月20日，7點26分，星期四分流進樣作用：毛細管柱的載氣體積流量比填充柱低得多，將樣品從氣化室沖洗到色譜柱需要較長的時間，導致進樣器內(nèi)色譜區(qū)帶嚴重擴張。此外，柱容量小，采用常規(guī)的進樣方式，無法控制這樣小的進樣量。尾吹氣路作用：由于毛細管柱的載氣體積流量很小，進入檢測器后發(fā)生突然減速，引起色譜峰擴張。為了減少譜帶擴展，同時也是調(diào)節(jié)氫火焰檢測器靈敏度，使氫氮比達到1左右，必須在色譜柱出口增加輔助尾吹氣。第32頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四第33頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四（2）進樣技術(shù) “Achilles heel”（阿基里德的

19、腳后跟） 毛細管柱的柱容量很小，要使柱子不超載，進入柱中的樣品量不應超過0.01 - 0.001 L。實驗證明用一般微量注射器準確注入這樣小的樣品是不大可能的。為此，毛細管氣相色譜要采取特殊的進樣技術(shù)。 分流進樣 所謂的分流進樣就是使樣品瞬間氣化并與載氣混合，使小部分樣品進入色譜柱，大部分放空。一般儀器是在氣化室的出口將載氣分成兩路, 絕大部分載氣放空, 而極小部分載氣流入色譜柱。第34頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四所謂不分流進樣是當進樣時把分流閥關(guān)閉，樣品在氣化室中蒸發(fā)成蒸氣， 并被載氣送入毛細管柱。不分流進樣系統(tǒng)與分流進樣系統(tǒng)不同之處在于分流管和分流閥之間有一個緩

20、沖空間。在進樣時分流電磁閥關(guān)閉，但注射隔膜吹洗氣（2mL/min)一直保持，經(jīng)過一段時間（3090s），大部分溶劑和溶質(zhì)蒸氣進入色譜柱，電磁閥打開。氣化室中剩余的溶劑和溶質(zhì)通過分流閥吹走。 不分流進樣載氣+樣品毛細管柱放空緩沖室大部分樣品入柱，避免分離歧視，盡可能消除溶劑脫尾。特點：汽化室采用較低的溫度。第35頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四（3）檢測器與補充氣 要求采用高靈敏度的檢測器, 如FID、小池體積的TCD(HP單絲微型TCD的檢測池僅有3.5l)等；響應快的記錄儀, 如時間常數(shù) 30 minl注射器的預熱溫度應稍大于樣品的恒溫水浴l改為自動進樣l行定量校正第

21、47頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四12.5 裂解氣相色譜高聚物的色譜分析： l原料、單體的純度分析，即所謂的痕量分析 l聚合物中的揮發(fā)性物質(zhì)的測定，如殘余溶劑、單體助劑等 l高聚物的組成、結(jié)構(gòu)分析 可見，氣相色譜對天然和合成大分子等難以直接進行分析。為什么燒烤過的食品好吃？ 食物在燒烤過程中發(fā)生裂解而產(chǎn)生具有芳香味的揮發(fā)性的小分子化合物。第48頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 裂解氣相色譜（Pyrolysis-Gas Chromatography, PGC)是用一個裂解器作為進樣器，待分析高聚物樣品在裂解器中被裂解成低分子碎片，再由載氣帶入色譜

22、儀進行分離分析的方法。 *離線裂解：分解 + 吸收；重現(xiàn)性 裂解氣相色譜是一種反應氣相色譜，是在熱裂解和氣相色譜兩種技術(shù)上發(fā)展起來的。它對大分子熱裂解（即化學降解）后的產(chǎn)物直接進行氣相色譜分析。 理論包括裂解理論和氣相色譜兩部分 儀器的主要差別在于裂解器 分析技術(shù)在于裂解譜圖的解釋，類似于紅外光譜的解釋。第49頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四一、裂解氣相色譜基本原理 使分子量較大的物質(zhì)在一定的條件下迅速熱解成易揮發(fā)的小分子碎片，然后對其進行色譜分析，即裂解氣相色譜法。大量研究已表明，在一定的條件下，高聚物的裂解是有一定規(guī)律的。因此碎片的組成和相對含量與被測物大分子結(jié)構(gòu)和

23、組成有一定的對應關(guān)系，得到其特征圖譜（稱指紋熱解圖譜）可作定性分析依據(jù)。第50頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四 PGC的特點l色譜柱具有高分離效能，對于結(jié)構(gòu)相似或同類高分子間的微小差異，材料中的微量組分，都能在色譜圖上反映出來，找到相應的特性。l各種類型、狀態(tài)的樣品，包括不溶解、不熔化材料，無需分離可直接進樣l裂解色譜圖可提供材料的組成、結(jié)構(gòu)方面的信息，可以研究高分子的分解機理、熱穩(wěn)定性及動力學l儀器設備簡單、分析速度快、易于普及推廣l但裂解反應復雜，影響因素很多。同一樣品在不同實驗室間所得的結(jié)果和重現(xiàn)性較差。在實際應用中通常采用參照物進行對比。第51頁，共60頁，20

24、22年，5月20日，7點26分，星期四2 影響裂解反應的因素l裂解溫度：400900；溫度不同，裂解產(chǎn)物分布不同464 590 7402111221 甲基丙烯酸甲酯 2 甲醇聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）樣品第52頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四l升溫時間（TRT）：所謂TRT是指使樣品達到某一裂解溫度（也叫平衡溫度）所需的時間，一般為秒至毫秒級；升溫時間越短越好l裂解時間：指樣品在某一平衡溫度下的延續(xù)時間，裂解時間的長短也影響產(chǎn)物的分布；在保證樣品裂解完全的情況下，要求裂解時間盡可能的短l樣品用量和厚度：樣品用量要盡可能少，一般以能滿足檢測靈敏度需要為限，固體樣品最好制成薄膜第53頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四TRT: 3S TRT: 30mS 12211 異戊二烯 2 苯乙烯異戊二烯-苯乙烯共聚物樣品第54頁，共60頁，2022年，5月20日，7點26分，星期四二、裂解器1對裂解器的要求 升溫迅速穩(wěn)定；不引起催化反應；死體積小2 裂解器 常用的裂解器有管式爐裂解器、居里點裂解器（利用高頻感應加熱）和激光裂解器。三、裂解色譜的應用1高聚物的定性鑒定裂解指紋圖 通常就是用與已知標準指紋圖相比較的方法，對未知聚合物進行定性。裂解圖雖有許多峰出現(xiàn)，但只要知