现代仪器分析气相色谱析教案.docx

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现代仪器分析气相色谱析教案

题目:

气相色谱法

教学目的与要求:

掌握

1气相色谱仪器

2毛细管色谱简介

3进样系统

4检测器

5定性分析

6定量分析

内容与时间分配:

1气相色谱仪器

2毛细管色谱简介

3进样系统

4检测器

5定性分析

6定量分析

重点与难点:

1、荧光的产生；

2、荧光光谱与激发光谱；

3、荧光与分子结构

4、影响因素

5、分析方法

教具准备:

PPT

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