毛細(xì)管氣相色譜法現(xiàn)代儀器分析課件

現(xiàn)代儀器分析

(contemporaryinstrumentalanalysis)色譜分析法(Chromatography)毛細(xì)管氣相色譜法(Capillary

GasChromatography)毛細(xì)管電泳法(CapillaryElectrophoresis)

現(xiàn)代儀器分析引論一、引言分析化學(xué)發(fā)展歷程：20世紀(jì)初，物理化學(xué)溶液理論的發(fā)展—理論基礎(chǔ)；二戰(zhàn)以后，物理學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展—儀器分析；70年代后，計算機(jī)、生命科學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展—分析科學(xué)（全面準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)與成分表征信息）——對復(fù)雜體系樣品（組分多樣、不同體系物質(zhì)共存等—形式、狀態(tài)、要求、處理等）的分析現(xiàn)代儀器分析引論——對此類體系的全面、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)與成分表征，簡單的分析方法和操作過程已不能勝任。此過程可能包括從常量到微量及痕量分析、從成分到結(jié)構(gòu)與形態(tài)分析、從總體到微區(qū)、表面及空間分布分析、從靜態(tài)到動態(tài)、時間分辨分析、從破壞到非破壞分析等。該分析過程包括：1、將體系中的各組分逐一分開的分離過程；2、對分開的組分進(jìn)行成分與結(jié)構(gòu)分析?，F(xiàn)代儀器分析引論（3）樣品取樣的限制—如刑偵、法庭物證鑒定，臨床藥物分析的取樣次數(shù)及取樣量（4）樣品組分的穩(wěn)定性不同—某些組分在加工、儲存或應(yīng)用過程中已變化（如高分子材料中的添加劑）；有時要求變化過程中的信息（如反應(yīng)動力學(xué)與時間分辨信息）（5）復(fù)合材料的分布分析—復(fù)合材料中各組分的微區(qū)、表面和空間分布分析的信息比本體平均信息更重要—用特殊的微區(qū)分析法現(xiàn)代儀器分析引論

2、分析方法的綜合性——完善的儀器設(shè)備和綜合分析能力，是現(xiàn)代分析研究的重要基礎(chǔ)（各種分析方法如元素分析、成分分析、結(jié)構(gòu)分析、無機(jī)有機(jī)分析、生化分析等都可能被采用）。

3、復(fù)雜的分析過程——樣品組成的復(fù)雜性和分析要求的多樣性，要求：（1）對各組分分離、純化及純組分的制備；（2）對分出的純組分的成分含量及結(jié)構(gòu)分析。現(xiàn)代儀器分析引論三、一般分析程序

由于體系復(fù)雜且不同，分析的目的、側(cè)重點(diǎn)也不同，因此分析程序常有較大差異，用一種模式來完成所有體系的分析研究是不現(xiàn)實(shí)的。一般包括如下過程：取樣對樣品來源、外觀、用途、物性等的了解↓分析試樣的制備及樣品的預(yù)處理↓分離、定性、定量及結(jié)構(gòu)分析等現(xiàn)代儀器分析引論（3）非均一體系樣品的預(yù)處理—一般不宜直接分析：氣-液-固體系—先用吸附、冷凝或吸收等方法富集氣體和易揮發(fā)液體組分后，再預(yù)處理；液-固混合體系—可用萃取、蒸餾、過濾等分開兩相固體混合體系—用機(jī)械分離、溶劑抽提將部分組分選擇性分離；——得均一體系后，可按沸點(diǎn)分離、按溶劑溶解性分離、或按吸附差異分組分離?，F(xiàn)代儀器分析引論4、分離與純化

——由于樣品組成復(fù)雜，分析儀器要求不一，因此所要求的分離純化方法與操作差異較大，一般，常用的方法為色譜法：

（1）常壓柱色譜法（2）薄層色譜法（TLC）（3）高效液相色譜法（4）凝膠色譜法（5）氣相色譜法現(xiàn)代儀器分析引論5、純度鑒定——是非常重要的實(shí)驗(yàn)程序，對未知組分的鑒定較困難（了解信息少），但可遵循如下程序：（1）樣品外觀（顏色、晶形等）審察與物理常數(shù)測定（2）元素分析（有機(jī)物）（3）色譜法（不同色譜條件均為單峰—色譜純）（4）有機(jī)光譜分析鑒定（紫外可見光譜、紅外光譜、核磁共振波譜法、有機(jī)質(zhì)譜法等）現(xiàn)代儀器分析引論（2）原子在分子中的狀態(tài)分析——狀態(tài)如價態(tài)、相態(tài)及彼此的結(jié)合形態(tài)等的分析，在某些科技領(lǐng)域有重要意義；常用的測定方法有電子能譜法、X-射線衍射法、紅外光譜法、離子色譜法等。（3）有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)分析——最有效的方法仍是“四大譜”，即紫外可見光譜、

紅外光譜、核磁共振譜和有機(jī)質(zhì)譜等?，F(xiàn)代儀器分析引論7、推測結(jié)構(gòu)的確認(rèn)盡管推測出最可能的結(jié)構(gòu)，但還可能有錯，因?yàn)椋海?）分離的純度如不夠好，將得出某些錯誤信息；（2）所用儀器方法的局限，所得到的信息不夠完整、不夠準(zhǔn)確；（3）分析經(jīng)驗(yàn)水平不同，也可能出錯。確認(rèn)的方法——合成標(biāo)樣，進(jìn)行類似分析；或查找標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)圖，作全面比較?，F(xiàn)代儀器分析引論8、樣品中各組分的定量分析無機(jī)組分的定量分析—如ICP-AES法等有機(jī)組分的定量分析—如多種光譜法和色譜法等（但須在完成結(jié)構(gòu)分析之后，才可選合適的方法，有時還要合成標(biāo)樣或純品，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線后，才可完成定量分析。）第1章毛細(xì)管氣相色譜法

CapillaryGasChromatography內(nèi)容GC基礎(chǔ)知識回顧類型毛細(xì)管柱GC儀器方法開發(fā)藥物有機(jī)溶劑殘留量測定GC的應(yīng)用藥品的含量測定有關(guān)物質(zhì)檢查氣相色譜文獻(xiàn)中文工具書：李浩春，盧佩章.氣相色譜法.科學(xué)出版社（氣相色譜的基礎(chǔ)理論），1993李浩春主編.分析化學(xué)手冊第二版第五分冊氣相色譜分析.化學(xué)工業(yè)出版社，1999參考書目：吳采櫻，曾昭睿.現(xiàn)代毛細(xì)管柱氣相色譜法.武漢大學(xué)出版社，1991孫傳經(jīng).毛細(xì)管色譜法.化學(xué)工業(yè)出版社，1991俞惟樂，歐慶瑜等.毛細(xì)管氣相色譜和分離分析新技術(shù).科學(xué)出版社，1999劉虎威.氣相色譜方法及應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社，2000孫毓慶，王延琮.現(xiàn)代色譜法及其在醫(yī)藥中的應(yīng)用.人民衛(wèi)生出版社199810.AnalyticalChemistry美國化學(xué)會出版的分析化學(xué)11.Analyst英國出版的分析化學(xué)雜志12.JournalofPharmaceuticalandBiomedicalAnalysis有關(guān)色譜的期刊有關(guān)氣相色譜的網(wǎng)址1.色譜網(wǎng)址目錄2.中國色譜網(wǎng)3..安捷倫科技公司4..瓦里安公司5..PPE公司6..E荷蘭Elsevier出版公司，有多種色譜方面的雜志，如Anal.Chim.Acta,J.Chromatogr.A,J.Chromatogr.B,Chromatographia等7../chromatography/default.html

氣相色譜培訓(xùn)班8..J-色譜科學(xué)雜志9..LC.GC雜志

1-1概述ABriefHistoryofGasChromatography1941,Britishscientists,A.J.P.MartinandR.L.M.Synge(Biochem.J.,1941,35,1358)*Liquid-liquidpartitionchromatography*Atheoreticalframeworkforthebasicchromatographicprocess——Platetheory

*Apredication,“agasmightbeusedinsteadofaliquidinchromatography”1952,A.T.JamesandA.J.P.Martin

Gas-liquidchromatography,Biochem.J.,1952,50,679(volatilefattyacids)1955年第一臺商品Gas

Chromatograph（美國PerkinElmer公司）問世；標(biāo)志現(xiàn)代色譜分析的建立。1957年：Golay首先應(yīng)用小口徑capillarycolumn進(jìn)行色譜分離實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了它具有高分辨率和高效能——即為今日的高效毛細(xì)管氣相色譜法。1953年Janak發(fā)明Gas-solidchromatography1954年Ray發(fā)明熱導(dǎo)檢測器1956年：Ratetheory,theDutchscientist,VanDeemter

。1979年：Dandeneau和Zerenner制備出熔融二氧化硅開管柱（fusedsilicaopentubularcolumn，F(xiàn)SOT）1983年：Hewlett-Packard公司推出0.53mm大口徑capillarycolumn，大有取代packedcolumn的趨勢。

DefiniensofGasChromatography(GC)GC固定相StationaryPhase配置Configuration名稱NameLiquidGSCGLC以惰性氣體為流動相的columnchromatography

Liquid+Support

Solidcapillarycolumn(CGC)

packedcolumnMolSieveAdsorbentAdsorbentAdsorbentColumnColumnSchematicDiagramofChromatographyDatastation(Recorder)二、色譜圖

工業(yè)二甲苯中的雜質(zhì)分析色譜流出曲線和色譜峰

基線在操作條件下，沒有組分流出時的流出曲線

噪音漂移色譜峰流出曲線上突起的部分

從色譜圖上，可以得到許多重要信息：

（l）根據(jù)色譜峰的個數(shù)，可以判斷樣品中所合組份的最少個數(shù)．（2）根據(jù)色譜峰的保留值(或位置），可以進(jìn)行定性分析．(3)根據(jù)色譜峰下的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分析．（4）色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，是評價色譜柱分離效能的依據(jù)．（5）色譜峰兩峰間的距離，是評價固定相(和流動相)選擇是否合適的依據(jù)．

1-2色譜基本理論色譜分析的關(guān)鍵？

完全分離！

分離不開！怎么辦？

峰間距足夠遠(yuǎn)！峰的寬度盡量窄！

分配系數(shù)—熱力學(xué)性質(zhì)組分傳質(zhì)和擴(kuò)散—動力學(xué)性質(zhì)一、塔板理論（platetheory）連續(xù)分餾操作流程1.分餾塔；2.再沸器；3.冷凝器numberoftheoreticalplates

heightequivalenttoatheoreticalplate

評價柱效1.基本假設(shè)1．在柱內(nèi)一小段高度內(nèi)組分分配瞬間達(dá)平衡（H→理論塔板高度）2．載氣非連續(xù)而是間歇式（脈動式）進(jìn)入色譜柱，每次進(jìn)氣一個塔板體積3．樣品和載氣均加在第0號塔板上，且忽略樣品沿柱方向的縱向擴(kuò)散4．分配系數(shù)在各塔板上是常數(shù)二項(xiàng)式分布設(shè)載氣中溶質(zhì)含量為q，固定相中的溶質(zhì)含量為p二項(xiàng)式分布曲線（N<20）

經(jīng)多次分配后的濃度分布

2.色譜流出曲線方程或或3.色譜流出曲線方程的討論cmax相當(dāng)于色譜峰的峰高（h）

①當(dāng)σ一定時，h與m（進(jìn)樣量）成正比，即h是色譜定量分析的參數(shù)。

②當(dāng)m、tR一定時，h與成正比。③當(dāng)m、n一定時，h與tR成反比。

④將Wh/2=2.355σ代入可得即峰面積A是色譜定量分析的參數(shù)。t>tR或t<tR

c<cmax或h<hmax

4.柱效方程色譜峰越窄，塔板數(shù)n越多，板高H就越小，柱效能越高。

因而n或H可作為描述柱效能的指標(biāo)!

通常氣相色譜填充柱:n在103以上，H在1mm左右；毛細(xì)管柱:n為105~106，H在0.5mm左右。numberofeffectiveplate

heightequivalentofeffectiveplate

塔板理論的討論

(1)當(dāng)色譜柱長度一定時，塔板數(shù)n越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。

(2)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標(biāo)時，應(yīng)指明測定物質(zhì)。(3)柱效不能表示被分離組分的實(shí)際分離效果，當(dāng)兩組分的分配系數(shù)K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。(4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。n,H的色譜含義和本質(zhì)？n,H~β,T,u?

W↑?u不同,n不同。Why

?

4.塔板理論的局限性1.較好地解析了色譜曲線形狀2.濃度極大點(diǎn)cmax的位置是tR(即VR)3.可用n評價柱效成功之處某些基本假設(shè)并不完全符合柱內(nèi)實(shí)際發(fā)生的分離過程，如組分在塔板內(nèi)達(dá)到分配平衡及縱向擴(kuò)散可以忽略等。不足之處二、速率理論

1956年荷蘭學(xué)者vanDeemter等在研究GLC時，提出了色譜過程動力學(xué)理論——速率理論。他們吸收了塔板理論中板高的概念，并充分考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過程，從而在動力學(xué)基礎(chǔ)上較好地解釋了影響板高的各種因素。該理論模型對氣相、液相色譜都適用。vanDeemter方程的數(shù)學(xué)簡化式為1．渦流擴(kuò)散項(xiàng)A（多徑項(xiàng)）dp:填充物的平均直徑λ:填充不規(guī)則因子A與流動相的性質(zhì)、線速度和組分性質(zhì)無關(guān)。

使用細(xì)而均勻的顆粒，并且填充均勻是十分必要的。對于空心毛細(xì)管，不存在渦流擴(kuò)散。因此A＝0。2.分子擴(kuò)散項(xiàng)B/u（縱向擴(kuò)散項(xiàng)）

γ:是填充柱內(nèi)載氣擴(kuò)散路徑彎曲的因素，稱彎曲因子Dg:為組分在載氣中擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s-1）。

相對分子質(zhì)量大的組分，Dg小，即B小Dg隨柱溫升高而增加，隨柱壓增大而減??；載氣相對分子量大，Dg小，即B?。?/p>

u增加，組份停留時間短，縱向擴(kuò)散??；(B/u)球狀顆粒；大的相對分子質(zhì)量重載氣；適當(dāng)增加流速；短柱；低溫。討論：3．傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cu對于GLC流動相固液界面固定液組分分子ClCg氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)液相傳質(zhì)阻力系數(shù)填充物粒度Cg~k?固定液的液膜厚度組分在液相的擴(kuò)散系數(shù)方程對選擇色譜分離條件具有實(shí)際指導(dǎo)意義如何求A、B、C？討論：減小填充顆粒直徑dp，均勻填充；

采用分子量小的載氣，使Dg增加；減小液膜厚度df，Cl下降。但此時k又減小。因此，當(dāng)保持固定液含量不變時，可通過增加固定液載體的比表面來降低df。但比表面過大又會因吸附過強(qiáng)使峰拖尾。增加柱溫，可增加Dl，但k值也減小，為保持合適Cl值，應(yīng)控制柱溫。毛細(xì)管柱速率理論（Golay方程）

與填充柱GC理論相比，C項(xiàng)中的液相傳質(zhì)阻力項(xiàng)完全相同?？梢哉f無原則上的區(qū)別，只是其中：在毛細(xì)管柱中因無填充物，所以不存在渦流擴(kuò)散，A=0。分子擴(kuò)散項(xiàng)與填充柱相似，但因管中無填充物，因此彎曲因子γ=1。傳質(zhì)阻力項(xiàng)與填充柱相似，但以柱半徑代替了載體粒度dp。且Cs一般比填充柱小，氣相傳質(zhì)阻力常成為色譜峰擴(kuò)張的重要因素。Cg~k?Cl~k?毛細(xì)管GC與填充柱GC的比較毛細(xì)管GC儀與填充柱GC儀的比較氣源和流量控制系統(tǒng)對控制和檢測部分的要求要高進(jìn)樣系統(tǒng)有較大差別色譜柱系統(tǒng)柱接頭要復(fù)雜一些檢測系統(tǒng)死體積要盡可能小記錄和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄儀的響應(yīng)速度要快CGC的特點(diǎn)分離效能高：填充柱一般只能提供10~15個組分混合物的分離；毛細(xì)管柱傳質(zhì)快，峰形尖銳，柱效高，而且柱子滲透性好，一般允許使用15~50m甚至更長的柱子，大大提高了柱效，能在很窄的沸點(diǎn)范圍內(nèi)分離開幾百個組分。分析速度快：由于毛細(xì)管柱內(nèi)壁涂敷的液膜很薄，不但減小了液相傳質(zhì)阻力，同時也使相比增大。一般比填充柱大10~100倍，這樣提高了單位時間內(nèi)柱子的分離能力。另外相比大使k減小，因此對于同一樣品在毛細(xì)管柱上可以在更低溫度下取得分離（低溫下選擇性因子α大），這對固定液的穩(wěn)定性、方便操作和延長柱子壽命無疑都是有益的。操作條件嚴(yán)格應(yīng)用范圍廣

通用性：毛細(xì)管柱通用性好因此可不拆柱而同時做幾種實(shí)驗(yàn)。填充柱通用性較差，不同項(xiàng)目所用柱基本不能通用。存在著經(jīng)常拆柱的麻煩。專用性：毛細(xì)管柱由于一般相似極性皆可出峰，