仪器分析07-2-GC色谱法原理和基础

1、气相色谱分析法气相色谱分析法Gas Chromatographic Analysis一、气相色谱仪器一、气相色谱仪器 gas chromatographic instruments气相色谱仪器气相色谱仪器气相色谱仪器气相色谱仪器二、气相色谱结构二、气相色谱结构流程流程1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统三、气相色谱仪主要三、气相色谱仪主要部件部件1. 1. 载气系统载气系统 包括气源、净化干燥管和载气流速控制；常用的载

2、气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。2. 进样装置进样装置 进样装置：进样装置：进样器+气化室； 气体进样器（六通阀）：气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。 试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱； 液体进样器：液体进样器： 不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。 气化室气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。3. 3.

3、 色谱柱（分离柱）色谱柱（分离柱） 色谱柱：色谱柱：色谱仪的核心部件。 柱材质：柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。 柱填料：柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。 液液-固色谱：固体吸附剂固色谱：固体吸附剂 液液-液色谱：担体液色谱：担体+固定液固定液 柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将 柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。 有关固定液性质及其选择见下一节。4. 4. 检测系统检测系统 色谱仪的眼睛， 通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成； 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，

4、经放大后记录和显示，给出色谱图； 检测器：检测器：广普型广普型对所有物质均有响应；对所有物质均有响应； 专属型专属型对特定物质有高灵敏响应；对特定物质有高灵敏响应； 常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器； 有关检测器原理、结构见第三节。5. 5. 温度控制系统温度控制系统 温度是色谱分离条件的重要选择参数； 气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度； 气化室：保证液体试样瞬间气化； 检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝； 分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离；气相色谱固定相气相色谱固定相Stati

5、onary phase in GC一、气固色谱一、气固色谱固定相固定相1. 1. 种类种类 (1)活性炭活性炭 有较大的比表面积，吸附性较强。 (2)活性氧化铝活性氧化铝 有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。 (3)硅胶硅胶 与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。气固色谱固定相气固色谱固定相 (4)分子筛分子筛 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和1

6、3X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。 (5)高分子多孔微球（高分子多孔微球（GDX系列）系列） 新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。 型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。2. 2. 气固色谱固定相的特点气固色谱固定相的特点（1）性能与制备和活化条件有很大关系；）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；）种类有限，能分离

7、的对象不多；（4）使用方便。）使用方便。二、气液色谱二、气液色谱固定相固定相 气液色谱固定相气液色谱固定相 固定液固定液+担体担体（支持体） ：小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。 固定液特点：固定液特点： 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。呈液体状态。 固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。 1. 1. 作为担体使用的物质应满足的条件作为担

8、体使用的物质应满足的条件 比表面积大，孔径分布均匀；比表面积大，孔径分布均匀； 化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应；不起反应； 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎； 颗粒大小均匀、适度。一般常用颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、目、80100目。目。2.2.担体（硅藻土）担体（硅藻土）红色担体红色担体： 孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活适宜分离非极性或弱极性组分的试样

9、。缺点是表面存有活性吸附中心点。性吸附中心点。白色担体白色担体： 煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。 颗颗 粒疏粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。显著减小，适宜分离极性组分的试样。表表 气液色谱担体气液色谱担体 种类 担体名称 特点及用途 生产厂家红色硅藻土担体201 红色担体301 釉化红色担体6201 红色担体适用于涂渍非极性固定液分析非极性物质由 201 釉化而成，性能介于红色与白色硅藻土担体之间，适用于分析中等极性物质上海试剂厂大连催化剂

10、厂硅藻土类白色硅藻土担体101 白色担体101 酸洗101 硅烷化白色担体102 白色担体适用于涂渍极性固定液分析极性物质催化吸附性小，减小色谱峰拖尾上海试剂厂非硅藻土类高分子微球玻璃微球氟担体由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成经酸碱处理，比表面积 0.02 m2 / g ,可在较高温度下使用，适宜分析高沸点物质。由四氟乙烯聚合而成，比表面积 10.5 m2 /g适宜分析强极性物质和腐蚀性物质上海试剂厂3.3.固定液固定液 固定液：固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。(1) 对对固定液的固定液的要求要求 应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的

11、化学反应。(2) 选择的基本原则选择的基本原则 “相似相溶相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。(3) 固定液分类方法固定液分类方法 如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。(4)(4)固定液的最高最低使用温度固定液的最高最低使用温度 高于最高使用温度易分解，温度低呈固体；(5) 混合固定相混合固定相对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上配合使用；(6) 固定液的相对极性固定液的相对极性规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，氧二丙睛的相对极性为100。固定液固定液 要求：

12、 化学稳定性好，不起化学反应 对试样组分必须有适当的溶解能力 挥发性小，以免流失 具有较高的选择性 热稳定性好 固定液与组分分子间的作用力 静电力（极性分子间的永久偶极矩之间的作用） 诱导力（极性分子与非极性分子之间的作用） 色散力（非极性分子与弱极性分子之间的作用） 氢键力（H原子和大电负性的原子F,N,O等之间的作用）固定液的选择固定液的选择 选择的原则： 相似相溶选择与试样性质相近的固定相 固定液的选择情况： 非极性物质，选用非极性固定液 极性物质，选用极性固定液 分离非极性和极性物质，选用极性固定液 分离能氢键作用的试样，选择氢键或极性的固定液 对于复杂的难分离组分，需要复合型的固定液

13、 固定液 名 称商品牌号使用温度（最高） 溶剂相对极性麦氏常数总和 分析对象 （参考）1、 角鲨烷 （异三十烷）SQ150乙醚00烃类及非极性化合物2、阿皮松 LAPL300苯143非极性和弱极性各类高沸点有机化合物3、硅油OV-101350丙酮+1229各类高沸点弱极性有机化合物，如芳烃4、 苯基 10% 甲基聚硅氧烷OV-3350甲苯+14235、 苯基（20%） 甲基聚硅氧烷OV-7350甲苯+25926、 苯基（50%） 甲基 聚硅氧烷OV-17300甲苯+28277、 苯基（60%）甲基聚硅氧烷OV-22350甲苯+210758、 邻苯二甲酸 二壬酯DNP130乙醚+29、 三氟丙基

14、甲基 聚硅氧烷OV-210250氯仿+2150010、 氰丙基（25%）苯基（25%）甲基聚硅氧烷OV-225250+3181311、聚乙二醇PEG20M250乙醇氢键2308醇、醛酮、脂肪酸、酯等极性化合物12、 丁二酸二乙 二醇聚酯DEGS225氯仿氢键3430表表 优选固定液优选固定液麦氏常数：x、y、z、u、s表示，分别代表了极性分子间存在着的静电力（偶极定向力）；极性与非极性分子间存在着的诱导力；非极性分子间的色散力；氢键等。也可以用五个数的总和来表示固定相的极性大小，如：，氧二丙睛五个常数的总和为4427，是强极性固定相。GC的检测器的检测器一、检测器一、检测器特性特性1.1.检测

15、器类型检测器类型浓度型检测器：浓度型检测器： 测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测信号值与组分的浓度成正比。热导检测器；质量型检测器：质量型检测器： 测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。FID；广普型检测器：广普型检测器： 对所有物质有响应，热导检测器；专属型检测器：专属型检测器： 对特定物质有高灵敏响应，电子俘获检测器；2.2.检测器性能评价指标检测器性能评价指标 响应值（或灵敏度）响应值（或灵敏度）S ： 在一定范围内，信号E与进入检测器的物质质量m呈线性关系： E = S m S = E / m 单位： mV/（mg

16、/ cm3） ；（浓度型检测器） mV /（mg / s） ；（质量型检测器） S 表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。S值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就越高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（A）除以试样质量求得： S = A / m3.3.最低检测限（最小检测量）最低检测限（最小检测量） 噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。 从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于响应值就一定要高于N。 检测器响应值为检

17、测器响应值为2倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。低检测限（或该物质的最小检测量）。4.4.线性度与线性范围线性度与线性范围 检测器的线性度定义：检测器的线性度定义：检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。 检测器的线性范围定义检测器的线性范围定义：检测器在线性工作时，被测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比。二、热导检测器二、热导检测器 thermal conductivity detector,TCD1. 1. 热导检测器的结构热导检测器的结构 池体池体（一般用不锈钢制成） 热敏元

18、件热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测量臂测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。2.2.检测原理检测原理 平衡电桥，右图。 不同的气体有不同的热导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参参=R测测 ; R1=R2则：则： R参参R2=R测测R1 无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）。进样后进样后: 载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参参R测测则： R参参R2R测测R

19、1 这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。3. 3. 影响热导检测器灵敏度的因素影响热导检测器灵敏度的因素 桥路电流桥路电流I ： I，钨丝的温度 ，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。 池体温度池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。 载气种类载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差

20、也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。表表 某些气体与蒸气的热导系数（某些气体与蒸气的热导系数（），），单位：单位：J / cms三、三、 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器 flame ionization detector, FID1. 1. 特点特点 简称氢焰检测器简称氢焰检测器 （FID：hydrogen flameionization detector） (1) 典型的典型的质量型检测器质量型检测器; (2) 对有机化合物具有很高的灵敏度对有机化合物具有很高的灵敏度; (3) 无

21、机气体、水、四氯化碳等无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应不响应; (4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点特点; (5) 比热导检测器的灵敏度高出近比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达个数量级，检测下限可达10-12gg-1。2. 2. 氢焰检测器的结构氢焰检测器的结构 (1) 在发射极和收集极之间在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。构成一个外加电场。 (2) 氢焰检测器需要用到三氢焰检测

22、器需要用到三种气体：种气体： N2 ：载气携带试样组分； H2 ：为燃气； 空气：助燃气。 使用时需要调整三者的比使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最例关系，检测器灵敏度达到最佳。佳。3. 3. 氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理 (1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ： CnHm CH(2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应： CH + O CHO+ + e(3)生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应： CHO+ + H2O H3O+ + COA A区：预热区区：预热区B B

23、层：点燃火焰层：点燃火焰C C层：热裂解区：层：热裂解区：温度最高温度最高D D层：反应区层：反应区氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理 (4)(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）；(5) 在一定范围内，微电流的大小与进入离在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测氢焰检测器是质量型检测器。器是质量型检测器。(6) 组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离。(7)(7)离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线A区：预热

24、区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区4. 4. 影响氢焰检测器灵敏度的因素影响氢焰检测器灵敏度的因素 各种气体流速和配比的选择各种气体流速和配比的选择 N2流速的选择主要考虑分离效能， N2 H2 = 1 11 1.5 氢气 空气=1 10。极化电压极化电压 正常极化电压选择在100300V范围内。四、电子捕获检测器四、电子捕获检测器 electron capture detector, ECD 高选择性检测器，高选择性检测器， 仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限限1010-14 -14 g

25、 /g /mLmL， 对大多数烃类没有响应。对大多数烃类没有响应。 较多应用于农副产品、较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留食品及环境中农药残留量的测定。量的测定。五、其他检测器五、其他检测器 other detectors1.1.火焰光度检测器火焰光度检测器( (flame photometric flame photometric detector,FPDdetector,FPD) ) 化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400、550 nm 左右的光谱，可被检测； 该检测器是对含硫、磷化合物的高选择性检测器；2.2.热离子检测器热离子检测器( (thermionic de

26、tector, TIDthermionic detector, TID) ) 氮、磷检测器；对氮、磷有高灵敏度； 在FID检测器的喷嘴与收集极之间加一个含硅酸铷的玻璃球，含氮、磷化合物在受热分解时，受硅酸铷作用产生大量电子，信号强；3.3.定性检测器定性检测器( (联用仪器联用仪器) ) 将两种仪器结合；色-质联用仪 (通过分子分离器连接)检测器检测器的的性能指标性能指标 一个优良的检测器应具以下几个性能指标：灵敏度高，捡出限低，灵敏度高，捡出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽死体积小，响应迅速，线性范围宽，稳定性好，稳定性好。通用性检测器要求适用范围广；选择性检测器要求选择性好。 六、色六

27、、色谱分离操作条件的谱分离操作条件的选择选择1柱长的选择柱长的选择 固然增加柱长可使理论塔板数增大，但同时使峰宽加大，分析时间延长。因此，填充柱的柱长要选择适当。过长的柱子，总分离效能也不一定高。一般情况下，柱长选择以使组分能完全分离，分离度达到所期望的值为准。具体方法是选择一根极性适宜，任意长度的色谱柱，测定两组分的分离度，然后根据基本色谱分离方程式，确定柱长是否适宜。根据基本色谱分离方程式及范氏理论，可指导选择色谱根据基本色谱分离方程式及范氏理论，可指导选择色谱分离的操作条件。分离的操作条件。 在在一根一根1m长的色谱柱上测得两组分的分离度为长的色谱柱上测得两组分的分离度为0.68,要使它

28、们完全分离以要使它们完全分离以(R=1.5),则柱长应为多少则柱长应为多少？ 即在其他操作条件不变的条件下，色谱柱长要选择5m左右才能使分离度达R=1.5,组分达到完全分离。2121221)(LLnnRRmmmRRLL587. 4)68. 05 . 1(1)(221212例题例题2.载气及其流速的选择载气及其流速的选择 曲线曲线的最低点，塔板高度的最低点，塔板高度H最小，柱效最高，其相应最小，柱效最高，其相应的流速是最佳流速的流速是最佳流速.当当u较小时，分子扩散项较小时，分子扩散项B/u是影响板高的主要因素，是影响板高的主要因素，此时，宜选择相对分子质量较大的载气（此时，宜选择相对分子质量较

29、大的载气（N2，Ar），以使组分在载气中有较小的扩散系数，以使组分在载气中有较小的扩散系数。当当u较大时，传质阻力项较大时，传质阻力项Cu起主导作用，宜选择相对起主导作用，宜选择相对分子质量小的载气分子质量小的载气(H2,He)，使组分有较大的扩散系，使组分有较大的扩散系数，减小传质阻力，提高柱效数，减小传质阻力，提高柱效。当然当然，载气的选择还要考虑与检测器相适应。，载气的选择还要考虑与检测器相适应。 3柱温的选择柱温的选择 柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度。提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板高度，改善柱效一但增加柱温同时又加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。另外，为了改善分离，提高选择性，往往希望柱温较低，这又增长了分析时间。因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。一般原则是：在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。具体操作条件的选择应根据实际情况而定。 另外，柱温的选择还应考虑固定液的使用温度，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失，对分离不利。对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中按一定速度提高柱温，在程序开始时，柱温