第三章气相色谱法1

1、第三章 气相色谱法 v概论 v基本原理 v检测器 v色谱柱 v定性定量分析 v色质联用分析 v计算机的应用 一、概 论 流动相是气体，固定相是固体或液体的 色谱法称为气相色谱法。 1941年，年，Martin and Synge 提出色谱塔板理论，并预言：“流动 相可用气体来代替，对分离更有好处”， 预见了气相色谱的产生。 1952年，年， Martin and James 首次用气体作为流动相，以微量酸碱 滴度作为检测手段，发明了气相色谱。对 化合物的分离测定带来了划时代的革命。 生产和技术上的需要：生产和技术上的需要： 石油的开发、炼制及石油化工的出现和 发展，近切需要能分析检测多组份复杂

2、化合 物的手段。采用精密分馏和光谱测定，检测1 个样品需要几个月乃至1年。气相色谱却能在 很短时间内对含有几十个甚至上百个组份的 石油馏分进行全分析。 近代电子工业的发展使气相色谱仪日益完善。近代电子工业的发展使气相色谱仪日益完善。 一）特点一）特点 1应用范围广应用范围广 农药沸点大都在气谱工作范围内， 分子量大多小于400，且在载气流存在的情况下， 可使高沸点化合物的气化温度比其沸点为低， 再加上气谱测定需用样品甚少，故检测范围广 泛。 2分离效能高分离效能高 农药分析的检测对象中，有的含 杂质，有的为混合制剂，有的为异构体，用其 它方法分离相当困难，但用气相色谱则比较容 易。例如分离化学

3、结构极为接近的六六六异构 体早已用于日常分析。 3分析速度快分析速度快 气相色谱的分析速度较 快适于农药生产中的流程控制分析和大 量样本分析。进行一次色谱分析短者只需 几十秒，长者几十分，一般几分钟即可。 4灵敏度高灵敏度高 农药污染环境的检样，要求 分离和测定出极少量的物质。有时检测极 限为PPbPPt数量级(109l012)气谱 法可满足分析要求。 5准确度、精密度高准确度、精密度高 农药分析要求有一 定准确度和精密度，尤其制剂分析对此要 求更高。用气谱内标法测定，准确度和精 密度，均较经典方法和光学分析法等为好。 6分离和测定一次完成分离和测定一次完成 用紫外、红外、 质谱、核磁共振法测

4、定农药样本时，均需 先分离出纯品，而气相色谱法的分离和测 定一次即可完成。 二）仪器和流程二）仪器和流程 仪器：仪器：分析用GC，制备用GC，工艺过程控制用GC； 流程：流程：载气和试样流动的方向，简称气路。 每种仪器都有自己的流程。例如：北京分析仪器 厂生产的SP2305气相色谱仪是双气路流程，上海分析 仪器厂生产的上分100型气相色谱仪是单气路流程。 图31为典型气相色谱仪流程示意图，图中箭头() 方向为载气流动的趋向，虚箭号()为试 样流动的趋向。 净化器 气源钢瓶 稳压阀针形阀 压力计 流量计 进样器 气化室 色谱柱 检测器 皂膜流量计 控制仪 记录仪 图3-1 三）应用范围与局限三）

5、应用范围与局限 v范围：范围：样品在气相色谱仪所能达到的工作温度下可 以气化，而且不发生分解，原则上都可以采用气相 色谱法。 v工作温度一般为-196450C，在这一温度下，对蒸 汽压不小于201300Pa，热稳定好的任何气体、液 体、固体农药都可进行分析；或沸点大约在500 C 以下，分子量在400以下的农药，原则上都可采用 气相色谱法进行分离和分析。 局限局限： (1) 分子量大，热分解和不挥发农药不能使用； (2) 对于每一项分析任务，需要建立特定的分析 方法 (3) 色谱峰定性可信度较差； (4) 对化学性质极为活泼的及腐蚀性的试样，分 析较为困难。 四）在农药分析中的应用四）在农药分

6、析中的应用 气相色谱法是农药分析中必不可少的方法。 气相色谱仪是农药分析实验室必备的仪器。该 法在有关农药的研制创新、工业生产、科学管 理、农业应用、污染防治等方面均广泛应用。 研制创新：新农药的创制，新剂型的开发 及其有关研究。 工业生产：农药生产中工艺流程的控制与 改进，原料、中间体及产品质量的分析。 科学管理：制定与检验农药质量标准，监 督保证农药量。 农业应用：制定农药合理使用准则，为农业上施用提供科 学依据。此外，尚有中毒原因及发生药害时的分析判断 等。 污染防治：农田用药后，农药在农作物、畜产品、土壤、 河川水中的残留量及代谢物的残留规律和其对生态系的 影响。 以上各项工作的分析测

7、定，都离不开气相色谱法。 目前国际上约70的农药制剂，采用气谱法进行分析； 在残留量分析中，则气谱法应用更多 二、基本原理 气相色谱法亦称气体色谱法或气相层析法，是 以气体为流动相的柱色谱分离技术。它分离的主要 依据是利用样品中各组分在色谱柱中吸附力或溶解 度不同，也既是利用各组分在色谱柱中气相和固定 相的分配系数不同来达到样品的分离。对于气固 色谱(也叫吸附色谱)，它的分配系数确切地讲，应 称吸附平衡常数，主要用于永久性气体或气态烃等 的分离分析。本课程仅就常用于农药分析的气液 色谱加以介绍。 一）气液色谱分离过程一）气液色谱分离过程 色谱柱的构成：色谱柱的构成：气液色谱柱中装有一种具有一定

8、惰性的多 孔性固体物质(称为担体或载体)，在它的表面涂敷一层很 薄的不易挥发的高沸点有机化合物，即固定液，形成一层 薄膜。 1分离过程：分离过程：当载气把气化的样品带入色谱柱后，样品在载 气和固定液间进行溶解脱溶解再溶解再脱溶 的 过程，由于分配系数的不同，多次分配平衡后，移动速度 有了显著的差别，样品中各组分得以分离。 v例如，在某一色谱柱中欲分离的两组分为A和B，而且它们的 分配系数KA比KB大一倍。显然经过第一次分配后，A和B两物质 的分离因数()为： v若连续分配n次后，则： v可见，若n=1， =2；n=100时，=21001030 v因此即使两组分分配系数相差很小，由于一般色谱柱中

9、分配 次数往往很大，有时上万次，最终也可使两物质分离。例如， 六六六各异构体的化学性质极其相似，用一般化学方法很难 将它们分离，但是利用OV17和QF1为混合固定液的气 液色谱法可将其很好地一一分离。 A B K2 K1 n n n A B K2 2 K1 二）气相色谱流出曲线二）气相色谱流出曲线 色谱图色谱图 试样中各组分经色谱柱分离后,在柱的末端收集各组 分,经检测器转换为电信号,用纪录仪将各组分浓度记录下 来,得到色谱图。 色谱流出曲线色谱流出曲线 这种以组分的浓度变化作为纵坐标，以流出时间作为 横坐标，所绘出的曲线称为色谱流出曲线。现以一种组分 的流出曲线说明如下(如图42所示) 基线

10、基线:反映检测器系统噪声随时间变化的线反映检测器系统噪声随时间变化的线 基线漂移基线漂移:基线随时间定向的变化基线随时间定向的变化 基线噪声基线噪声:由各种因素引起的基线起伏由各种因素引起的基线起伏 保留值保留值: 试样中各组分在色谱柱中的滞留时间试样中各组分在色谱柱中的滞留时间,由色谱分离过程中的热力学因素控由色谱分离过程中的热力学因素控 制制,作定性参数作定性参数 死时间死时间tM:不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时,从进样到出现极大从进样到出现极大 值所需时间值所需时间 保留时间保留时间tR:试样从进样到柱后出现峰极大值所经历的时间试样从进样到柱

11、后出现峰极大值所经历的时间 调整保留时间调整保留时间tR: tR= tR- tM 色谱分析的依据色谱分析的依据： (1)色谱峰的位置(即保留时间或保留体积)决定于物质的 性质，是色谱定性的依据； (2)色谱峰的高度或面积是组分浓度或含量的量度，是 色谱定量的依据； (3)色谱峰的位置与其宽度，可以对色谱柱分离的情况 进行评价。 （4）样品中所含组分数(峰个数) 三）塔板理论三）塔板理论 v塔板理论假设色谱柱由若干小段组成，在每 一小段内，一部分空间为涂在载体上的液体 占据，另一部分空间充载着载气，载气占据 的空间成为板体积。组分随载气进入色谱柱 后，流动相在不停的移动，而固定相保持不 动，组分

12、在固定相和移动相之间反复进行分 配。 1塔板理论假定塔板理论假定 为了研究谱峰的形状，建立起一种半经验式 的理论塔板理论，用于描述物质在两相间的分配状况和评 价柱的效能。塔板理论是把柱子假想成由许多塔板组成，在每 个理论塔板里，组分在气液相间达成一次平衡，经过多次分配 平衡后，使组分彼此分离。为简化起见，塔板理论有如下假设： (1)在每块板上气液平衡是瞬间建立的。 (2)载气是脉冲式进入色谱柱进行冲洗的，每次恰好为一个板体 积。 (3)所有组分开始都集中在第零块塔板上，且不考虑纵向扩散。 (4)在所有塔板上，分配系数是常数，也即和组分的量无关。 2理论塔板数理论塔板数 在假定假定理想情况下，可

13、以认为进人柱子内的样品成分在载 气中是呈“正态分布”的，因而，在记录纸上出现的色谱峰应 为高斯(Gauss)曲线。所以色谱峰常用与高斯曲线宽度相关的某 一标准偏差表示。图43表明在不同高度位置上峰宽度与的 关系。 标准偏差：正态分布曲线两 侧拐点（0.607倍峰高处曲线上 的点）之间距离的一半 曲线拐点处的宽度 Wi2 峰半高处的宽度 拐点的切线与基线交点之间的峰宽 W4 1 2 1 2 W22ln22.354 作为塔板理论的结论，理论塔板 数n可用下式中： n=16(tR/W)2 由于W=4，所以，n= tR 2 / 2 理论塔板高H=L(柱长)/n， 理论踏板数n50(n=L/H)时,可得

14、到基本对称的峰型曲线 有效塔板高 四）速率理论四）速率理论范第姆特（范第姆特（Van Deemter）方程）方程 塔板理论是个半经验性的理论，它的假设不完全 符合色谱的实际过程，只能定性的给出板高H的概念， 而不能找出影响H的因素，也不能说明为什么峰会展 宽。速率理论就是在塔板理论的基础上，引入影响板 高的动力学因素而导出的，把色谱过程用随机模型来 描述，可得速率理论方程(也称范氏方程)，从理论上 说明了峰形加宽的原因和获得高柱效的条件。 1理想的气液色谱法理想的气液色谱法条件条件： (1)在色谱柱内任何点两相的比例恒定。 (2)载气流在色谱柱内任何部位均一样 (3)在两相中无论哪一相里都不发

15、生成分分子的纵向扩散作用。 (4)组分分子在两相间的分配平衡能瞬间完成。 2 实际的气液色谱过程中，峰型会加宽，原因：实际的气液色谱过程中，峰型会加宽，原因： (1) 涡流扩散：涡流扩散：由于柱内有填料存在，气体分子流过柱子的 途径各不相同，且长短不一，类似湍流流动中的涡流扩 散，所以引起涡流扩散的原因为柱内的填料形状、颗粒 大小、填充方法； 2 实际的气液色谱过程中，峰型会加宽，原因：实际的气液色谱过程中，峰型会加宽，原因： (2) 分子扩散：分子扩散：柱内存在着分子纵向扩散，因此成分分子的运 动受到推进和阻碍作用， ；液相中这样的扩散可以不计； 2 实际的气液色谱过程中，峰型会加宽，原因：

16、实际的气液色谱过程中，峰型会加宽，原因： (3) 传质阻力：传质阻力：在通常使用的载气流速下，成分既要在气液间 维持分配平衡，又要向前推进，无论是从气相到液相，还 是从液相到气相都要花费时间，这种传质阻力使峰型加宽， 且。 3柱效率柱效率 由于在气相中的扩散作用比液相中大，据此可假定传 质阻力的影响只在液相中存在，故Van Deemter等人创立的关于 气掖色谱理论塔板高度(HETP)基本公式为： 式中：H理论塔板高度(HETP)； 柱填料特有的量； dp柱填料颗粒的平均直径； 气体通过细长弯曲路径时的校正系数； Dg组分分子在气相中的扩散系数； D1组分分子在液相中的扩散系数； u载气的线速

17、度； kK(F1Fg)：K为分配系数，F1Fg为柱横截面 上液相和气相占有的面积比； df担体上固定液的有效厚度。 2 22 1 8 2 1 gf p Dd k Hdu uD k 五）分离度五）分离度 为判断两种难分离组分在色谱柱中真实的分离效 果，常用分离度R作为色谱柱的总分离效率(能)指标， 其定义为相邻两组分的色谱峰保留值之差与两个组分 峰宽总和之半的比值 21 12 1 2 RR tt R YY （） （ ） R=0.84R=1.68R=1.16 98% 99.7% 三、检测器 气相色谱检测器是一种测量载气中各分离组分及其浓度变化 的装置，实际上它是把组分及其浓度变化以不同的方式变换成

18、易 于测量的电信号，所以亦称换能器。 检测器性能的好坏直接影响色谱分析的定性定量结果。故正 确地评价和科学地比较各种检测器，合理地使用检测器，充分了 解检测器的工作机理以及它的各种参数的选择，十分重要。如果 没有适宜的和合乎要求的检测手段，即使有最佳的柱分离，也无 济于事。 本章将较系统地介绍气相色谱检测器的分类和一般性能，以 及常用的四种气相色谱检测器(TCD、FID、ECD、FPD)的工作机 理、结构形式和使用方法等。 一）检测器的分类一）检测器的分类 通常分为积分型和微分型两大类。 积分型检测器显示某一组分含量随时间的累加，也就是说，该 检测器所给的响应信号与流出组分总量成比例。当纯载气

19、通过 检测器时，记录纸上呈现一条直线；当不同组分的物质通过检 测器时，记录器相应记录的是一系列地台阶图(如图48所示)。 每一阶高就代表某一组分的含量。 微分型检测器显示某一物理量随时间的变化，记录 的流出组分及其浓度的瞬间变化，所得色谱图是由一 系列似高斯正态分布形状的峰组成。每一个峰对应于 一个不同的组分，每个峰所包括的面积正比于该组分 的含量。 目前气相色谱仪所常用的热导、氢焰离子化、电 子捕获，火焰光度等检测器均属于微分型检测器。 微分型检测器又根据其响应值跟流出组分浓度成 比例和跟质量流速成比例的不同，分为浓度型微分检 测器与质量型微分检测器两类。 微分型检测微分型检测 1浓度型微分

20、检测器浓度型微分检测器 包括热导、电子捕获(非离解型)、气体密度、超声等检 测器。 它的含义简单地说,被测组分和载气相混合,检测器的响应 值和组分的浓度成比例。确切地说：浓度型检测器测量的 是载气中组分浓度瞬间的变化，即检测器的输出响应信号 (R)取决于载气中组分的稀释程度(浓度)。这样一来，当进 样量一定时(打进已知重量的液体或已知浓度的气体)，检测 器的瞬间响应值(峰高)本质上与载气流速无关，而积分响应 值(峰面积)则与流速成反比，如图39所示。图上虚线表示， 若载气流速超过一定范围后，它对峰高也有影响，流速过 大会使峰高降低。 2质量型微分检测器质量型微分检测器 这一类包括氢焰离子化、火

21、焰光度计以 及氮磷检测器等。它的含义，简单地说，载气把被测组分带入 检测器，检测器的响应信号和单位时间内进入检测器的组分的 量成比例。确切地说，质量型检测器测量的是载气中组分进入 检测器的速度变化，即检测器的响应值(峰高)取决于单位时间 组分进入检测器的质量；也就是说当进样量一定时，峰高与流 速成正比，而峰面积则与流速无关，如图410所示。 二）检测器的性能指标二）检测器的性能指标 在评价一个检测器时常用下列一些性能指标 1噪声噪声 短时噪声是信号在有限的范围内较迅速的偏移。长时噪 声是较长的时间内信号逐惭地偏移。短时噪声有时可叠加在长 时噪声上，如图411所示。产生噪声的原因很多，检测器和

22、放大器本身可产生噪声，如检测器温度太高会引起噪声增加。 载气波动，如气化室硅橡胶垫小的漏气、气路系统某处漏气都 会造成噪声加大。另外像载气被污染，固定液流失也会造成基 线不稳使噪声加大。 2灵敏度灵敏度 可用相当于单位量的被测成分的峰面积表示 灵敏度。 浓度型检测器由于其得到的峰面积和与组分同时 流出的载气流量成反比，故灵敏度S可用下式表示： 质量型检测器，所得到的峰面积与载气流量无关， 所以： S 峰面积 载气流量 成分量 S 峰面积 成分的量 3检测限检测限(亦称检测度或敏感度亦称检测度或敏感度) 噪声水平是噪声连续存在时的 平均值，而检测限D则是能区别于这个噪声水平N的最小检测量， 通常

23、它相当于噪声水平的2倍。见图412。即： 2N D S N/S =10N/S =3 4选择性选择性 各种检测器由于其工作原理不同，因而也就 有不同的选择性。如热导检测器是基于样品和载 气有不同的导热率，因而它是通用型检测器。而 电子捕获检测器则是对捕获电子能力强的物质有 很高的敏感度；火焰光度检测器对硫和磷化物比 对烃类的灵敏度高几千倍，所以二者均为选择性 检测器。 5线性范围线性范围 检测器的线性范围是指样品浓度和应答值呈线性关系范围 内最大与最小浓度之比。如图413所示。 6响应时间响应时间 检测器的响应时间是指进入检测器的一个组分输 出达到其真值的63所需的时间。一般讲检测器的响 应时间

24、是可以满足要求的，而记录仪的响应时间却是 一个限制性的因素。 7基流基流(也称也称“本底电流本底电流”或或“零电流零电流) 基流应理解为没有任何样品加到载气中时，检测 器所产生的信号。这里我们倾向于称为“零电流”， 因为这样更适用于所有检测器。 零电流一般越小越好，检测器零电流的大小，是 衡量检测器是否正常的重要数据之一。 8稳定性稳定性 稳定性系指检测器的噪声和基线漂移，以及检 测器对操作条件(气体流速、压力、温度)的波动， 对敏感度和响应值的重现性。检测器的稳定性和仪 器的稳定性不同，检测器的稳定性是检测器固有的 性质，它仅与检测器的设计、结构和操作条件有关， 而仪器的稳定性是仪器的综合性

25、能。 三）常用检测器三）常用检测器 检测器种类很多，到目前为止至少有25种正式用作色谱的 检测器，不过常用的为以下4种，现将主要性能列于表42中 以示比较。 1热导检测器热导检测器(TCD) 热导检测器由于结构简单，灵敏度适宜，稳定性较 好，对所有物质部有响应故被广泛用于常量分析。但 在农药分析中，近年国际上逐渐被氢焰离子化检测器所 取代。 （1）结构：热导检测器的示意图见图414，它是由 个金属块和装在通气室A和B的两个热敏元件所组成，热 敏元件是具有较大电阻温度系数的金属丝(如白金丝、钨 丝或铼钨丝)。在A、B二室中的热敏金属丝电阻值完全相 同，往A室通人纯载气，而B室则调入从色谱柱流出的

26、含 有样品蒸气的载气。为了测量热丝阻值的变化，把热丝4 和5作成一个惠斯登电桥，如图415所示。 （2）原理：热导检测器的原理是根据不同物质有不同的导 热系数。如图中的A和B两个通气孔道都通人纯载气时， 由于气体把热丝上的热量带走一部分，热丝(4)及(5)的温 度均下降，但是因为(4)与(5)的阻值(即相当于图中的RS和 S1)相等，载气气流速度也相等，即带走的热量也相等， 两根热丝(通过电流使其加热到一定的温度)的温度下降也 相等。因而在平衡时，RS和S1的电阻也相等。反映在惠 斯登电桥上无信号输出。但是当B通气孔道有样品通过时， 样品的导热系数和载气不同，因而从A、B二孔道带走的 热量就不

27、相等，热丝(4)与(5)温度就不同，相应的电阻值 就不一样。所以惠斯登电桥就不平衡了，于是就有信号输 出。而且当B孔道中样品浓度越大、两个孔道中热丝的电 阻差别也越大，输出的信号也越大。 （3）影响热导检测器灵敏度的因素 1)桥路工作电流：一般工作电流与响应值之间有三次方的关系， 即增加电流能使灵敏度迅速增加。但电流太大，将导热丝处于灼 烧状态，致引起基线不稳，呈不规则抖动，甚至将热丝烧坏。 2)热导池体温度：当桥路电流一定时，热丝温度一定。如果池体 温度低，则池体和热丝温差大，可使灵敏度提高。但池体温度不 能太低，否则被测组分将在检测器内冷凝。故一般池体温度不应 低于柱温。 3)载气：载气与

28、试样的导热系数相差愈大，则灵敏度愈高。由于 一般物质的导热系数都比较小，故选择导热系数大的气体(如： H2或He)作载气，灵敏度就较高。 4)热敏元件阻值：选择阻值高，电阻温度系数较大的热敏元件， 当温度有一些变化时，就能引起电阻明显变化，灵敏度就高。 （4）使用注意事项： 尽量采用高纯度的气源(纯度为99.99)。 载气与样品气中无腐蚀性物质、机械杂质或其它污染物。 至少通气0.5h，保证将气路中的空气赶走后，方可通电，以防热丝 元件氧化。未通载气时一定不允许加桥电流。 根据载气的性质，桥电流不允许超过额定值。 不宜将热导池保温箱置于风口处。 不允许有剧烈振动。 热导池高温分析时，如果停机，

29、除首先切断桥电流外，最好等检测 室温度低于100以下时，再关闭气源，这样可以提高热丝元件的使 用寿命。 2氢焰离子化检测器氢焰离子化检测器(FID) 氢焰离子化检测器是一种较理想的检测器，除少数永久性 气体之外(N2、NO、H2S、SO2、CO、CO2和H2O)，对有机化 合物均有响应。FID结构简单，性能稳定，灵敏度高，响应快， 线性范围宽。在农药常量分析中广为应用。 （1）结构： FID的结构很简单，一般用不锈钢制成。有一个火焰喷嘴， 喷嘴内径0.5mm左右。柱流出气体和氢气由喷嘴逸出，进行燃 烧，助燃用空气则由喷嘴周围流出。在喷嘴上方有一个加高压 直流电压的极化极和收集极。载气和氢气在喷

30、嘴入口处混合， 空气从喷嘴周围导入。废气由检测器底部圆孔排出。 （2）原理： FID虽然已被广泛应用，但关于离子生成的机理还不十分 清楚。早期流行热离子理论，即离子由火焰的高温所产生。但 后来被许多实验结果所否定。现在流行的是化学离子化理论， 即正离子的产生是由于有机物在火焰中产生裂解，生成被激发 的分子、自由基和自由原子，它们进行碰撞和能量交换，从而 形成正离子。也产生电子。 氢气在空气中燃烧也产生正离子，在电场作用下产生极微 弱的电流，一般只有l0121011A。但如果在火焰中引入有机 物则电流激剧增加，可达107A或更多一些。把这一电流放大 记录下来可得被分析物质的色谱图。 （3）影响检

31、测器灵敏度的因素：色谱条件如载气、氢气和空 气的流速的影响请参见有关内容。这里只把仪器结构等的影 响加以简介。 1)喷嘴直径的影响：喷嘴粗细对灵敏度和线性范围都有一定 的影响。一般讲在一定的范围内，喷嘴愈细灵敏度愈高。 2)电极形状和电极距离的影响：火焰产生的离子流要用一对 电极在加电场的情况下进行收集和测量，因而电极形状和电 极间的距离对灵敏度都有影响。 3)电极电压的影响：要提高检测器的灵敏度就要提高电极对 已形成正、负离子的收集率，因此要尽快地把正负离子流分 开，避免它们复合。故需在两极间加以适当的电压促使离子 流分开并收集。所加电压低于40V时，灵敏度是电压的函数， 高于50V就逐渐趋于平滑，而高于300V就引起噪声且不稳定。 3电子捕获检测