第十九章 气相色谱法
(gas chromotography)
教学目标
简述气相色谱中载体与固定液的种类及检测器的类型。
简述固定液选择的一般原则
简述影响 GC柱效的因素及重要色谱条件的选择原则。
熟练掌握定量计算方法。
气相色谱的创建人
Archer John
Porter Martin
b,1910
d,2002
Richard Laurence
Millington Synge
b,1914
d,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
A.T.James发明气相色谱法。
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
检测灵敏度高( 10-11~ 10-13g),样品用量少。
操作简单,分析速度快。
GC的应用范围
沸点 500以下,分子量 400以下,热稳定型好的物质,约占全部有机物的 20%。
GC的分类
GSC,GLC;
填充柱色谱,毛细管色谱;
吸附色谱,分配色谱。
气相色谱仪气相色谱固定相-载体
非硅藻土型
硅藻土型
– 红色载体:常与非极性固定液配伍,分析非极性或弱极性物质。
– 白色载体:常与极性固定液配伍,分析极性物质
钝化,使载体惰性化,以免色谱峰拖尾。常用酸洗、碱洗,硅烷化法。
气相色谱固定相-固定液
对固定液的要求:
–操作温度下蒸汽压要低。
–较好的热稳定性,并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。
–对试样中各组分具有足够的溶解能力。
–对被分离组分的选择性要高。
高沸点难挥发有机化合物,种类繁多。
气相色谱固定相-固定液
分类
–按化学结构分类:烃类、醇、酯、
聚酯、胺,硅氧烷类 等。
–按极性大小分类:以相对极性 P分为五级,每 20为一级。
0,1级:非极性固定液
2,3级:中等极性固定液
4,5级:极性固定液固定液的选择原则
相似性原则:极性相似或官能团相似
– 非极性组分,非极性固定液,沸点 ↓,tR↓ ;沸点相同时,极性 ↑,tR↓ 。
– 中等极性物质,中等极性固定液,沸点 ↓,
tR↓ ;沸点相同时,极性 ↑,tR ↑ 。
– 极性混合物,极性固定液,极性 ↑,tR↑ 。
– 氢键型物质,氢键型固定液,不易形成氢键的物质先流出;
– 复杂混合物,两种或以上混合固定液检测器
热导检测器
thermal conductivity detector ;TCD
氢焰离子化检测器
hydrogen flame ionization detector; FID
电子捕获检测器
electron capture detector; ECD
火焰光度检测器
flame photometric detector; FPD
热离子化检测器
thermionic ionization detector; TID
热导检测器( TCD)
通用型、浓度型检测器,线性范围宽,样品不被破坏,灵敏度较低,噪音较大。
载气常用氢气和氦气,流速影响峰面积。
氢焰离子化检测器( FID)
测定含碳有机物,
灵敏度高,线性范围宽,响应快,但使检测的样品破坏,
不利于制备分析。
质量型检测器,峰高与载气流速成正比。
检测器
电子捕获检测器( ECD),浓度型检测器,测定含有卤素,S,P,N,O等电负性强的元素的化合物,使用高纯度的氮气( 99.999%)作载气
,可采用脱氧管等净化装置除去杂质。
火焰光度检测器( FPD):硫、磷检测器,选择性和灵敏度高。
检测器性能指标
灵敏度(响应值) (sensitivity; S)
E = S m? S=E / m
检出限 (敏感度) (detectability; D)
D=2N/S
tR2- tR1
w1 w2
2
2
21 1
1
4)(
)(2
22
k
kn
WW
tt
R RR

影响分离度的因素,
n,α,k2增大,
R增大。
k ↑,R ↑,tR ↑,w ↑
α ↑,R ↑,w 不变
n ↑,R ↑,w ↓
涡流扩散项
A=2λ dp
与填充均匀度、载体的粒度有关
。填充均匀度越高,载体粒度越小,
则 A越小。
通常采用粒度为 60~ 80目或 80~
100目的填料。
气相色谱速率理论
H=A+B/u+Cu
分子扩散项
B/u=2?Dg/u
(填充柱)约 0.5~ 0.7
(空心毛细管柱)= 1
Dg与载气分子量的平方根成反比、随柱温增高而增大、随柱压增大而减小。
载气分子量与线流速增大、柱温降低,可减小分子扩散。
气相色谱速率理论
H=A+B/u+Cu
传质阻力固定液液膜厚度及 u减小、组分在固定液中的扩散系数增大(温度升高有利)
,有利于减小传质阻力。
气相色谱速率理论
H=A+B/u+Cu
l
f
D
d
k
k
C
2
2)1(3
2
综上所述:柱子的 填充均匀度、载体的粒度、载气的种类及流速,固定液液膜厚度 以及 柱温等因素对 柱效 产生直接影响。有些因素影响方向相反,应全面综合考虑。
1.载气及流速的选择(影响 n)
( 1)种类,u高时,选分子量小的 H2,He,
以减小传质阻力; u低时,选分子量大的 N2
,以减小组分的扩散系数。
( 2)流速,选 H— u图中的 u最佳,实际工作中稍高。填充柱,N2的最佳实用线流速为 10
~ 12cm/s,H2 为 15~ 20cm/s
分离条件的选择分离条件的选择
2.色谱柱及柱温的选择:
( 1)柱长与内径,柱长 2~4m,内径 2~4mm;
( 2)固定相的选择:(影响 n,k,α)
载体,60~100目,筛分范围窄,填充均匀;
固定液,按照相似原则进行选择,同时考虑沸点的差别 ;
固定液的配比,对柱效有重要影响,一般
3%~25%
分离条件的选择
2.色谱柱及柱温的选择:
( 3)柱温,重要参数,基本原则是,在使最难分离的组分有尽可能好的分离度的前提下,尽可能采取较低的柱温,但应以保留时间适宜及色谱峰不拖尾为度
高沸点混合物( 300~ 400?C):柱温低于沸点 100~ 150?C,固定液配比 1%~ 3%,
高灵敏度检测器。
分离条件的选择
沸点小于 300?C的试样:柱温比平均沸点低 50?C至平均沸点,固定液配比 5%
~ 25%。
宽沸程(范围大于 80~100?C )试样,程序升温法,重要的色谱技术之一。 可线性或非线性升温。
恒温,45oC
程序升温,30~180oC
恒温,145oC
温度低,分离效果好,但分析时间长程序升温,分离效果好,且分析时间短温度高,分析时间短,但分离效果差程序升温与恒温对分离的影响比较
1,丙烷( -42oC) 9.间溴甲苯( 183oC)
3.其他条件的选择:
( 1)进样量,液体 0.1~2?l,气体 0.1~10ml
( 2)进样速度,1s以内
( 3)气化室温度,一般可等于试样的沸点或稍高于沸点,但一般不应超过沸点 50?C以上。高于柱温 30~ 50?C。
( 4)检测室温度:等于或高于柱温。
分离条件的选择毛细管气相色谱的特点毛细管色谱分离能力提高的途径:
1,由塔板理论:增加柱长,减小柱径,
即增加柱子塔板数;
2,由速率理论:减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻力,也即降低塔板高度。
毛细管气相色谱的特点
分离效能高:柱效高达每米 2000~ 5000
理论塔板,长度几十米至上百米,总的理论塔板数可达 104~ 106。
柱渗透性好,分析速度快。
柱容量小,最大允许进样量少,一般采用分流进样。
易实现气相色谱-质谱联用。
应用范围广。
毛细管柱的分类
1.填充毛细管柱填充毛细管柱、微型填充柱管径 (mm),0.25~0.5 0.5~1.0
长度 (m),2~15 0.3~5
毛细管柱的分类
2.开管毛细管柱
涂壁开管柱 (wall coated open tubular,WCOT柱 )
:将固定液直接涂敷在管内壁上。柱制备简单,
最常使用,但柱制备的重现性差、寿命短。
涂载体开管柱 (support coated open tubular,
SCOT柱 ):将非常细的担体微粒粘接在管壁上,
再涂固定液。柱效较 WCOT柱高。
多孔层开管柱 (porous layer open tubular,PLOT
柱 ):在管壁上涂敷一层多孔性吸附剂固体微粒,
构成毛细管气固色谱。
化学键合或交联柱:将固定液通过化学反应键合在管壁上或交联在一起。使柱效和柱寿命进一步提高。
WCOT柱 SCOT柱毛细管色谱理论和实验条件的选择
毛细管直径,100~ 300μm
载气:为降低气相传质项,增加 Dg,常采用高扩散系数和低粘度的氢气作载气。
液膜厚度:分离挥发性低,热稳定型差的物质需用薄液膜,0.1~1.5μm,分离高挥发性,保留值小的物质,要求液膜厚度大于 1mm。
u
Dk
kd
u
kD
kkr
u
D
uCuCuBH
l
f
g
g
lg
2
2
2
22
)1(3
2
)1(24
)1161(2
/



定性分析方法
1.用已知物对照定性
( 1) 分别以试样和标准物进样分析,得各自的色谱图 。
( 2) 如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合,则可初步确定试样中含有该物质 。
( 3) 也可通过在样品中加入标准物,看试样中哪个峰增加来确定 。
2.据相对保留值 ri,s定性:
用保留值定性要求两次进样条件完全一致,这是比较困难的 。 而用 ri,s定性,则只要温度一定即可 。
具体做法:
在样品和标准中分别加入同一种基准物
s,将样品的 ri,s和标准物的 ri,s( 或与色谱手册中的 ri,s ) 相比较来确定样品中是否含有 i 组分 。
3,保留指数 (Kovats指数 )定性该指数定性的重现性最佳,当固定液和柱温一定时,定性可不需要标准物 。
设正构烷烃的 Kovats指数为碳数?100。 测定时,将碳数为 z 和 z+n的正构烷烃加入到样品 x 中进行色谱分析,此时测得这三个物质的调整保留值分别为
tR’(Z),tR’(x)和 tR’(Z+1),且待测物 x的调整保留值介于两个烷烃之间 。
]
lglg
lglg
[1 00
)(
'
)(
'
)(
'
)(
'
ZRnZR
ZrxR
x tt
tt
nzI

4,官能团分类测定法将色谱柱流出组分通过官能团分类试剂中,观察反应现象,再参考保留值进行初步定性 。
5,两谱联用定性如 GC-MS,GC-IR
定量分析定量分析基本关系式,mi= fi? Ai
1,峰面积 A的测量:
对称峰:峰高 h与半峰宽的积:
A=1.065? h? W1/2
不对称峰:峰高与平均峰宽的积:
A=1/2?h?(W0.15+W0.85)
2,定量校正因子由于检测器对不同物质的响应不同,因而两个相同的峰面积并不一定说明两个物质的量相等 ! 因此,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
fi’= mi/Ai
通过此式可得到待测物单位峰面积对应的该物质的量 。
( 2)相对校正因子 fi
即用一个物质作标准,用相对校正因子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,使各组分的峰面积与其质量的关系有一个统一的标准进行折算 。
采用的标准物因检测器不同而不同:
TCD—— 苯; FID—— 正庚烷 。
fi=fi’/fs’=(Asmi/Aims) …………,.通式
3,相对校正因子的测量准确称取被测物与标准物,混合后进样
。 从所得色谱图分别求出它们的峰面积,然后通过前述公式计算校正因子 ( 省去,相对
” 二字 ) 。
必须注意:
校正因子只与试样,标准物和检测器类型有关,与其它所有条件无关 ! 可以查表得到 。
4,定量计算方法
(1)归一化法:要求试样中所有 n个组分全部流出色谱柱,并全部出峰 ! 则其中组分 i 的含量为:
此法简单,准确,操作条件影响小 。 但应用不多 。 因为谁知道试样有多少组分? 应该出多少峰才叫全部出峰?
%1 0 0%
2211

nn
i fAfAfA
Ai f iC
(2)外标法:取对照品配制一系列不同浓度的标准液
,在一定色谱操作条件下,同量进样,测量其峰面积或峰高,以 Ai对 mi作图得标准曲线 。 再按同法进行样品测定,测定其峰高或峰面积,依据标准曲线,求出待测组分含量 。 该法不需校正因子 。
但 进样量和操作条件必须严格控制 ! 外标法适于日常分析和大批量同类样品分析 。
外标一点法:
s
s
i
i m
A
Am
(3)内标法准确称取一定量的样品( m)和内标物 ( ms )混匀后,进样。测量色谱图上待测组分 i的峰面积 (Ai)
及内标物的峰面积( As) 。
则:
对内标物的要求:样品中不含内标物;无反应;与待测物保留时间和浓度相差不大,
s
ss
ii
i m
fA
fAm
(4) 内标标准曲线法:在配制的每个标准溶液中以及待测试样中加一固定量为 ms的内标物,
以 ( Ai/As) 标 对 Ci% 标 作图,得标准曲线 。 根据 ( Ai/As) 样,在标准曲线中求出 Ci% 样内标对比法:
标标样样

( %
)/
)/%
i
si
si
i C
AA
AAC
例,曼陀罗酊剂中乙醇含量的测定
1.标准溶液的制备:精密量取无水乙醇和正丙醇(作内标)各 5ml,加水稀释至 100ml。
2.供试品溶液的制备:精密量取供试品 10ml和正丙醇 5ml,加水稀释至 100ml。
3.供试品的测定:取标准溶液和供试溶液各适量,分别连续进样 3次,测得它们的峰高比平均值分别为 13.3/6.1及 11.4/6.3,计算曼陀罗酊剂中的乙醇含量。
定性定量小结定性,对照品对照定性、相对保留值定性、
保留指数定性、官能团分类、联用技术。
定量,归一化法:
外标法:
内标法:
内标对比法:
%10 0%
2211

nn
ii
i
fAfAfA
fA
C
s
ss
ii
i m
fA
fAm
标标样样 (
( %
)/
)/%
i
si
si
i CAA AAC