10-气相色谱分析

中山大学化学学院 邹世春,第16章 气相色谱分析 16.1 气相色谱仪器 气路系统、进样系统、柱分离系统、温控系统、各类检测器 16.2 气相色谱固定相 气固色谱固定相（吸附剂）、气液色谱固定相（载体+固定液） 16.3 气相色谱分离分析条件 柱长、载气及其流速、填充颗粒、柱温、进样量及进样方式 16.4 定性分析 保留时间、经验规律、保留指数、双柱定性、仪器联用定性 16.5 定量分析 校正因子、归一化法、外标法、内标法 16.6 毛细管色谱简介 毛细管分类及特点,中山大学化学学院 邹世春,气相色谱过程：待测物样品被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶，以惰性气体（指不与待测物反应的气体，只起运载蒸汽样品的作用，也称载气）将待测物样品蒸汽带入柱内分离。其分离原理是基于待测物在气相和固定相之间的吸附-脱附（气固色谱）和分配（气液色谱）来实现的。因此可将气相色谱分为气固色谱和气液色谱。 气固色谱：利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附-解吸能力不同实现物质的分离。由于活性（或极性）分子在这些吸附剂上的半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性的)，导致色谱峰严重拖尾，因此气固色谱应用有限。只适于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析。 气液色谱：通常直接称之为气相色谱。它是利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。1941年，Martin和Synge(对液-液分配色谱也做了巨大贡献)提出气液分配色谱的概念。11年后，即1952年，Jones和Martin通过实验展示了该方法；3年后，即1955年，首台气相色谱仪问世。1985年，估计有10万台仪器投入使用！如今呢？说不清了。,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,一、气路系统(Carrier gas supply) 获得纯净、流速稳定的载气。它包括压力计、流量计及气体净化装置。 载 气：要求化学惰性，不与有关物质反应。载气的选择除了要求考 虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配。 净 化 器：多为分子筛和活性碳管的串联，可除去水、氧气以及其它杂 质。 压 力 表：多为两级压力指示：第一级，钢瓶压力(总是高于常压。对填 充柱：10-50 psi；对开口毛细柱：1-25 psi)；第二级，柱头压 力指示； 流 量 计：在柱头前使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确。通常在 柱后，以皂膜流量计(Soap-bubble meter)测流速。许多现代仪 器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。,中山大学化学学院 邹世春,二、进样系统(Sample injection system),mL-1,常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液体样品注入气化室(汽化室温度比样品中最易蒸的物质的沸点高约50oC)，通常六通阀进样的重现性好于注射器。 进样要求：进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至20L，对毛细管柱分离，体积约为0.12 L，此时应采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过慢，将导致分离变差(拖尾)。,六 通 阀,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,三、柱分离系统 柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和开管柱(或称毛细管柱)。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、Teflon等 填充柱：多为U形或螺旋形，内径24 mm，长13m，内填固定相； 开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径0.10.5mm，长达几十至 100m。通常弯成直径1030cm的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质 快，因而分离效率高(n可达106)、分析速度快、样品用量小。过去是 填充柱占主要，但现在，这种情况正在迅速发生变化，除了一些特定 的分析之外，填充柱将会被更高效、更快速的开管柱所取代！ 柱 温：是影响分离的最重要的因素。其变化应小±0.xoC。选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。 柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分析时间20-30min)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,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。 控温系统包括对三个部分的控温，即，气化室、柱箱和检测器。 控温方式：恒温和程序升温。 温度选择：在介绍仪器组成时给出，此处略。,中山大学化学学院 邹世春,五、检测器 气相色谱检测器种类繁多，本节将介绍最为常用的几种检测器： 1. 热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD); 2. 氢火焰离子化检测器(Flame ionized detector, FID); 3. 电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD); 4. 火焰光度检测器(Flame photometric detector, FPD); 5. 氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionic detector, TID); 6. 原子发射检测器(Atomic emission Detector, AED) 7. 硫荧光检测器（Sulfur chemiluminescence Detector, SCD） 根据检测器的响应原理，可将其分为浓度型和质量型检测器。 浓度型：检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与浓度成正比。 质量型：检测的是载气中组分进入检测器中速度变化，即响应值与单位时间 进入检测器的量成正比。,中山大学化学学院 邹世春,1. 热导检测器(TCD)浓度型 TCD是一种应用较早的通用型检测器，又称导热析气计(Katharometer)。现仍在广泛应用。 原理：由于不同气态物质所具有的热传导系数不同，当它们到达处于恒温下的热敏元件（如Pt, Au, W或半导体）时，其电阻将发生变化，,将引起电阻变化通过某种方式转化为可以记录的电压信号，从而实现其检测功能。 构成：由池体和热敏元件构成。通常将参比臂和样品臂组成Wheatstone 电桥。,中山大学化学学院 邹世春,工作过程（四臂）： 1）在只有载气通过时，四个臂的温度都保持不变，电阻值也不变。此时，调节电路电阻使电桥平衡，即R1*R4=R2*R3，AB两端无电压信号输出； 2）当有样品随载气进入两个样品臂时，此时热导系数发生变化，或者说，测量臂的温度发生变化，其电阻亦发生变化，电桥失去平衡，AB两端有电压信号输出。当载气和样品的混合气体与纯载气的热导系数相差越大，则输出信号越强。,中山大学化学学院 邹世春,影响TCD灵敏度的因素： 1）桥电流 i：i 增加热敏元件温度增加元件与池体间温差增加气体热传导增加灵敏度增加。但 i 过大，热敏元件寿命下降。电流通常选择在100200 mA之间(N2作载气，100150 mA；H2作载气，150200 mA)。 2）池体温度：池体温度低，与热敏元件间温差大，灵敏度提高。但温度过低，可使试样凝结于检测器中。通常池体温度应高于柱温。 3）载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。通常选择热导系数大的H2 和Ar 作载气。用N2作载气，热导系数较大的试样(如甲烷)可出现倒峰。 4）热敏元件阻值：阻值高、电阻温度系数大（随温度改变，阻值改变大，或者说热敏性好）的热敏元件，其灵敏度高。 综述：较大的桥电流、较低的池体温度、低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度。,中山大学化学学院 邹世春,TCD特点： 对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。 *1979年，出现了一种高灵敏度、基线漂移小、平衡时间短的“调制式单丝热导检测器：将参比气（载气）和样品、载气混合气交替(10Hz)导入微型陶瓷热导池(5L)中，从而产生10Hz的交变信号，该信号正比于热导系数的差。控制放大器只检测频率为10Hz的信号，从而克服了热噪声的干扰，提高了检测灵敏度。,中山大学化学学院 邹世春,2. 火焰离子化检测器（FID）-质量型 又称氢焰离子化检测器。主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。 原理：含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。（如何知道火焰已点燃？）,结构：主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极(极化极，此图中为火焰顶端)和收集极。 工作过程：来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号（10-12 A）。,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,FID特点： 1）灵敏度高； 2）线性范围宽(107数量级)； 3）噪声低； 4）耐用且易于使用； 5）为质量型检测器，色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量。 在样品量一定时，峰高与载气流速成正比。因此在用峰高定量时，应控 制流速恒定！ 6）对无机物、永久性气体和水基本无响应（不足?），因此FID特别适于水 中和大气中痕量有机物分析或受水、N和S的氧化物污染的有机物分析。 7）对含羰基、羟基、卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应。 8）样品受到破坏。,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,ECD 特点： 1）响应电流i与浓度c是非线性的，即， 该式类似于比尔定律。其中，i0为基流，K 为电子吸收系数(不同物质K值不同)。 2）对如卤素基、过氧基、醌基、硝基等含电负性的功能团的分子具有极 高的选择性和灵敏度；但对含酰胺基和羟基的化合物以及烃类物质不 灵敏。 3）与FID相比，ECD对样品的破坏不大； 4）线性范围为2-4个数量级，相对FID来说，这不算大; 5）要求载气纯度要高(99.99%)，否则杂质会降低基流（通常将载气通 入480oC的紫铜屑除O2）。,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,5. 氮磷检测器（NPD） 氮磷检测器也叫热离子检测器（TID）或热发射检测器。NPD的结构与FID类似，只是在H2-Air焰中燃烧的低温热气再被一硅酸铷电热头（俗称铷珠）加热至600800oC，从而使含有N或P的化合物产生更多的离子流，灵敏度比FID高数百倍。产生离子的机理目前仍不清楚。 NPD的特点： 1）对含N、P 化合物具有选择性：对 P 的响应是对N的响应的10倍，是对 C 原子的104-106 倍。 2）灵敏度高：与FID对N、P的检测灵敏度相比，NPD分别是FID的500倍 (对P)和50倍(对N)。,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,六、检测器的性能指标： 理想的检测器应具有的条件： 1）适合的灵敏度：对一些组分十分灵敏，而对其它则不，其间应相差 达107倍； 2）稳定、重现性好； 3）线性范围宽，可达几个数量级； 4）可在室温到400oC下使用； 5）响应时间短，且不受流速影响； 6）可靠性好、使用方便、对无经验者来说足够安全； 7）对所有待测物的响应相似或可以预测这种响应； 8）选择性好； 9）不破坏样品。 但任何检测器都不可能同时满足上述所有要求。,中山大学化学学院 邹世春,中山大学化学学院 邹世春,1. 灵敏度S 以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号作图，得到校正曲线，该曲线的斜率 k 即为灵敏度S。 实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度。 对于浓度型： Sc灵敏度(mVmL/mg); Ai峰面积(cm2); Fco检测器入口流速(mL/min); wi进样量(mg); C1记录仪纸速(cm/min); C2记录仪灵敏度(mV/cm); 对于质量型： Sm灵敏度(mVs/g); wi进入检测器的样品量(g),色谱灵敏度及检测限的表征：,中山大学化学学院 邹世春,2. 检测限，DL 与通用