化学122气相色谱法

第十二章气相色谱法

GasChromatography§12-1概述气相色谱法〔GC〕是英国生物化学家马丁等人在研究液液分配色谱的根底上，于1952年创立的一种极有效的别离方法，它可分析和别离复杂的多组分混合物。目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处理机，使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。气相色谱与质谱〔GC－MS〕联用、气相色谱与Fourier红外光谱(GC－FTIR〕联用、气相色谱与原子发射光谱〔GC－AES〕联用。气相色谱法的特点：1.高选择性—能别离性质极为接近的物质如：同位素，异构体等2.高效能—在很短的时间内就能别离测定性质极为复杂的混合物3.高灵敏度—别离微量、痕量组分用高灵敏度的检测器可测出样品中10-11~10-13g组分4.样品用量少：液体0.几L气体1mL固体几g可测粮食、蔬菜中农药残留量，动植物体内药残留量5.分析速度快—样品准备好后，几分钟~几十分钟即可6.应用范围广在柱温条件下有一定蒸气压且稳定性好的样品都能测定，只要在–196~450℃温度范围内有27~1330Pa蒸气压且不分解的物质原那么上都能测定，不管它是气体、液体和固体对于挥发性低和受热易分解的物质，假设能通过化学衍生方法使其转化为挥发性大、热稳定性好的衍生物，同样可用气相色谱别离和分析GC专长：同系物〔其它方法无法测定〕GC主要用于别离和定量，可广泛应用在环保、临床、药物、农药、食品、污染物等方面的测定对不宜汽化的高分子，热稳定性差、化学性质极为活泼或强腐蚀性物质不能用GC测定。应用范围受到限制，在所有的有机物分析中只有15~20%能用GC进行别离分析。气相色谱法又可分为:气固色谱〔GSC〕气液色谱〔GLC〕：气固色谱：是用多孔性固体为固定相，别离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物.气液色谱：固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上．由于可供选择的固定液种类多，应选择性较好，应用亦广泛。气相色谱别离原理

在气—固色谱法中当组分由载气带入柱中时，就会被吸附剂吸附。载气以一定的流速冲洗柱子，被吸附的组分就会被解吸附下来，进到前面的吸附剂外表重新被吸附、解吸附、再吸附、再解吸附。随着载气的不断流动，组分在柱中吸附剂外表就会发生反复屡次的吸附、解吸附过程。由于吸附剂对各组分有不同的吸附力，经过一段时间以后，各组分在色谱柱中的运行速度就不同。吸附力弱的组分容易被解吸附下来，最先离开色谱柱。吸附力最强的组分不易被解吸附下来，最后离开色谱柱，各组分彼此到达别离，由检测器进行检测后，记录器画出每个组分的色谱峰，

在气—液色谱法中将固定相装入柱中后，组分被载气带人柱中而到达固定相外表时，就溶解在固定相中。由于载气不断地流动，组分就从固定相挥发出来进入流动相，并随载气向前运动，再次溶解于固定相中，又再次挥发出来，这样反复进行屡次。当一含多组分样品进入柱中时，由于各组分在固定相中的溶解度不相同，经过一段时间后，各组分在柱中的运行速度就不相同。溶解度小的组分就走在前面而先离开色谱柱，溶解度大的组分就走在后面而后离开色谱柱。

在色谱分析过程中，组分在两相的吸附与解吸附、溶解与挥发的反复过程，叫做分配过程。当温度一定时，组分在两相之间的分配到达平衡，由于各种化合物的分配系数不同，因此它们在柱中的运行速度就不一样，分配系数小的速度快，分配系数大的速度慢，当经过一定柱长后，便彼此别离，按一定顺序离开色谱柱。因此，气相色谱的别离原理就是在一定温度下，利用各组分在两相之间的分配系数不同而到达别离.§12-2气相色谱仪1102G型气相色谱仪102型气相色谱仪〔常用于学生实验〕GC-7890气相色谱仪带色谱工作站GC-7890气相色谱仪外观内部结构GC-9A气相色谱仪日本东京Shimadzu图76890气相色谱仪图8毛细管柱色谱〔美国安捷伦科技公司Agilent)一.气路系统气路系统—载气连续运行的密闭管路系统1.对气路的要求：2.气路结构3.流速的测定和校正

载气流速采用气密性好载气要纯洁、且稳定单柱单气路，简单适于恒温分析双柱双气路适于程序升温转子流量计—给出载气流速的相对值不能反映柱内真实流速皂膜流量计—测柱后的流速，进行校正后得到柱温下的流速校正载气流速：载气在柱后的真实流速：皂膜流量计测得载气流速出口载气流速经过水蒸气校正的流速室温时水的饱和蒸气压柱出口压力，即大气压力Tc：柱温；Tr：柱后温度载气平均流速：FC=FO′

•

Ti•

j温度校正因子Ti=TC/Tr

柱温、柱压、柱内载气的平均流速：压力校正因子二进样系统—进样装置和汽化室汽化室：可控温度为50~400℃，一般比柱温高30~70℃进样装置液体：0.5、1、5、10、25、50L(一般进样0.1~10L〕气体：0.25~5mL注射器或六通阀(一般进样0.1~10mL〕2.汽化室样品在汽化室汽化，并很快被带入色谱柱三.别离系统

—把混合物样品中各组分进行别离的装置别离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是别离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。〔1〕填充柱填充柱由不锈钢,玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，内装固定相，一般内径为2～6mm，长1～5m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。柱内填充固定相，制作简单，柱容量大，操作方便，别离效果足够高，n在102~103之间，应用普遍

〔2〕毛细管柱毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l～0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充柱相比，其别离效率高〔理论塔板数可达106〕、分析速度快、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。四.控制温度系统在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择别离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对色谱柱炉(层析室〕，汽化室，检测器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以到达用最短时间获得最正确别离的目的。五.检测和数据处理系统样品经色谱柱别离后，各成分按保存时间不同，顺序地随载气进入检测器，把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。固体固定相聚合物固定相液体固定相§12-3气相色谱的固定相混合组分在色谱柱上能否别离，主要取决于所用固定相，选择固定相是GC的关键问题固定相主要分三大类：

常用固体吸附剂主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。使用时，可根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最适宜的吸附剂.主要用来分析永久性气体和一些低沸点物质一．气固色谱固定相

二、聚合物固定相它既起固定液作用直接用于别离，也可作为载体在其外表涂渍固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔径大小及外表性质。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失〞问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析,也可用于多元醇、脂肪酸、脂类等的分析。三、气液色谱固定相载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相1.载体(担体)——承担固定液的惰性物质〔l〕对载体的要求①具有足够大的外表积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体外表积不宜太大，否那么犹如吸附剂，易造成峰拖尾；②外表呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反响；③热稳定性好；形状规那么，粒度均匀，具有一定机械强度。〔2〕载体类型大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体，它是由单细胞海藻骨架组成，主要成分是二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法不同，又分为:红色载体和白色载体

红色载体和白色载体红色载体:是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色，故称红色载体，其特点是外表孔穴密集、孔径较小、比外表积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，如醇、胺、酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。国产：6201，201；301等白色载体:是将硅藻土与20％的碳酸钠〔助熔剂〕混合煅烧而成，它呈白色、比外表积较小、吸附性和催化性弱，适宜于分析各种极性化合物。国产：101，102系列，英国和美国的Chromosorb系列等非硅藻土载体有有机玻璃微球，聚四氟乙烯，高分子多孔微球载体等。这类载体常用于特殊分析，用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2等分析。但由于外表非浸润性，其柱效低。〔3〕载体的外表处理硅藻土载体外表不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。〔i〕酸洗：用3--6mol·L-1盐酸浸煮载体、过滤，水洗至中性。甲醇淋洗，脱水烘干。可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化物。适用于分析酸性物质。〔ii〕碱洗：用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质。(iii)硅烷化：用硅烷化试剂与载体外表硅醇基反响，使生成硅烷醚，以除去外表氢键作用力。如：常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷〔DMCS〕，六甲基二硅烷胺〔HMDS〕等。CH3CH3CH3CH32．固定液—高沸点有机物

〔l〕对固定液要求：A在操作温度下固定液应是液体，不易挥发、不易流失〔有较低蒸气压〕B良好的热稳定性和化学稳定性C选择性好——固定液的选择性可用相对调整保存值2.1来衡量。对于填充柱一般要求2.1＞1.15；对于毛细管柱，2.1＞1.08；D对试样各组分有适当的溶解能力，有适宜的K〔2〕组分分子与固定液间的作用力在气相色谱中，载气是情性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略。在液相中，由于组分浓度低，组分之间的作用力也可忽略。液相里主要存在的作用力是组分与固定液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数大。

这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。它包括取向力、诱导力、色散力和氢键4种作用力。前三种统称范德华力。而氢键力那么与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。

〔3〕固定液的分类固定液有几百种，根据固定液的化学结构、官能团性质、固定液相对极性及分析对象有几种分类方法，目前最常用的是用相对极性表示。相对极性：1959年提出用相对极性P来表示固定液的别离特征。此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液β，β′-氧二丙睛的极性为100．然后，选择一对物质〔如丁二烯——正丁烷或环乙烷——苯〕来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及待测固定液的色谱柱上的相对保存值，将其取对数后，得到:式中:下标1，2和X分别表示氧二丙睛，角鲨烷及被测固定液中丁二烯与正丁烷相对保存值的对数由此测得的各种固定液的相对极性均在0～100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。相对极性在0～+l之间的叫非极性固定液+2为弱极性固定液+3为中等极性+4～+5为强极性。非极性亦可用“－〞表示。表中列出了一些常用固定液的相对极性数据。〔4〕固定液的选择对固定液的选择并没有规律性可循。一般可按“相似相溶〞原那么来选择。在应用时，应按实际情况而定。〔i〕别离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。〔ii〕别离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序别离，极性小的先流出。极性大的后流出。〔iii〕别离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。〔vi〕别离能形成氢键的试样：一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的后流出。〔v〕复杂的难别离物质：可选用两种或两种以上混合固定液。对于样品极性情况未知的，一般用最常用的几种固定液做试验。常见的固定液

名称

英文和牌号

最高使用温度

/℃

常用溶剂

相对极性

适用对象（参考）

角鲨烷（异三十烷）

Squalane（SQ）

150乙醚、甲苯

－一般烃类及非极性化合物

阿皮松L（真空润滑脂L）

ApiezonL（APL）

300苯、氯仿

－

高沸点烃类、酯类、醚

甲基硅油

silliconoil（DC－200,DC－500,OV－1,OV101）

200～270甲苯、乙醚

－

非极性或弱极性化合物

名称

英文和牌号

温度最高使用

/℃

常用溶剂

相对极性

适用对象（参考）

二甲基硅橡胶

dimethylphthalate300～320氯仿＋丁醇（1：1）

＋1高沸点弱极性或非极性

邻苯二甲酸二丁酯

dibutylphthalateDBP100二氯甲烷、丙酮

＋2非极性和弱极性物

邻苯二甲酸二壬酯dinonylphthaalateDNP160乙醚、甲醇

＋2弱极性物质（醇、醛、酮

常见的固定液常见的固定液名称

英文和牌号

温度最高使用

/℃

常用溶剂

相对极性适用对象（参考）磷酸三甲苯酯

tricresylphosphateTCP130二氯甲烷、丙酮

＋2弱极性物质（醇、醛、酮

有机皂土

Bentone－34200甲苯

＋4芳烃

聚乙二醇（1500~20000）polyethylenegol（PEG或Carbowax）

80~200丙酮、乙醇、氯仿

氢键型

极性化合物，醛、酮、酯，分离芳烃和非芳烃

ββ＇－氧二丙腈

oxydipr-opionile(ODPN)

100甲醇、丙酮＋5芳烃和非芳烃分离，低级烃，含氧化合物

§12-4.气相色谱检测器

气相色谱检测器是把载气里被别离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。目前检测器的种类多达数十种。根据检测原理的不同，可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种：〔l〕浓度型检测器测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。如热导检测器和电子捕获检测器。〔2〕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，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。检测器的主要性能指标常用灵敏度、敏感度、线性范围等性能指标来描述一个优良的检测器应具以下几个性能指标：灵敏度高，检出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽，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。一、热导检测器TCD热导检测器是通用型检测器。几乎对所有物质都有响应。由于结构简单，性能稳定，通用性好，而且线性范围宽，价格廉价，因此是应用最广，最成熟的一种检测器。其主要缺点是灵敏度较低。1.热导池结构结构：热导池由池体和热敏元件构成池体用不锈钢制成；池体内装两根电阻完全相等的钨丝或铂丝热敏元件。构成参比池和测量池。热导池检测器结构图热导池检测器检测原理是基于不同的物质有不同的导热系数。参比池和测量池与固定电阻组成惠斯登电桥。热导检测器电桥线路示意图：2.热导池检测原理未进样时：〔无信号输出〕R1=R2R参=R测R参×R1＝R测×R2△R参=△R测进样后：〔输出信号〕△R参≠△R测R2R13．影响热导检测器灵敏度的因素〔l〕桥电流桥电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体就容易将热量传出去，灵敏度就提高。响应值与工作电流的三次方成正比。所以，增大电流有利于提高灵敏度，但电流太大会影响钨丝寿命。一般桥电流控制在1OO～20OmA左右〔N2作载气时为100～150mA，H2作载气时150～200mA为宜〕。〔2〕池体温度池体温度一般等于或高于柱温。〔3〕载气种类载气与试样的导热系数相差愈大，那么灵敏度愈高。一般物质导热系数较小，应选择导热系数大的H2或Ne作载气有利于灵敏度提高。如用N2作载气时，有些试样〔如甲烷〕的导热系数比它大就会出现倒峰。同一种物质，峰面积越大，浓度越大不同物质，与载气的导热系数相差越大，峰面积越大，灵敏度越大

二、火焰离子化检测器〔FID〕火焰离子化检测器属选择性检测器，是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱别离出的组分。1.特点：灵敏度很高，比热导检测器的灵敏度高约103倍；检出限低，可达10-12g·S-1；火焰离子化检测器能检测大多数含碳有机化合物；死体积小，响应速度快，线性范围也宽，可达106以上；而且结构不复杂，操作简单，是目前应用最广泛的色谱检测器之一。其主要缺点是不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等物质。2.装置——主要部件是离子室离子室：包括气体入口、火焰喷嘴、发射极和收集极等部件。3.工作原理通过在发射极和收集极之间施加极化电压，形成直流电场，有机组分在高温下电离成许多正离子和电子，在极化电场作用下向两极定向移动，正离子移向负极，电子移向正极，形成微电流，微电流放大后由记录仪记录下来。微电流大小与被测组分含量成正比，含量越大，产生微电流越大，因此可进行定量分析氢火焰离子化检测器的操作条件选择时应注意气体流量和工作电压N2:H21:1~1.5:1H2:Air1:10极化电压100~300V四、电子捕获检测器(ECD)

电子捕获检测器是一种选择性很强的检测器，对具有电负性物质〔如含卤素、硫、磷、氰等的物质〕的检测有很高灵敏度〔检出限约1O-14g·cm-3〕。它是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。电子捕获检测器已广泛应用于农药残留量、大气及水质污染分析，以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域中。它的缺点是线性范围窄，只有103左右，且响应易受操作条件的影响，重现性较差。1．电于捕获检测器的结构与工作原理实际上它是一种放射性离子化检测器，与火焰离子化检测器相似，也需要一个能源和一个电场。能源多数用63Ni或3H放射源，其结构如以下图。检测器内腔有两个电极和筒状的β放射源。β放射源贴在阴极壁上，以不锈钢棒作正极，在两极施加直流或脉冲电压。放射源的β射线将载气〔N2或Ar〕电离，产生次级电子和正离子，在电场作用下，电子向正极方向移动，形成恒定基流。当载气带有电负性溶质进入检测器时，电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气正离子复合成中性化合物，使基流降低而产生负信号——倒峰2．捕获机理捕获机理可用以下反响式表示：

形成恒定基流基流降低而产生负信号四.火焰光度检测器(FPD)火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，检出限可达10-12g·S-1〔对P〕或10-11g·S-11〔对S〕。这种检测器可用于大气中痕量硫化物以及农副产品，水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。1.火焰光度检测器的结构

根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，被打成有机碎片，并能发射出特征波长的光进行检测含硫化合物发射394nm特征波长，含磷化合物发射出λmax为526nm的特征光谱。这些光由光电信增管转换成信号，经放大后由记录仪记录。

2．火焰光度检测器的工作原理五、检测器的主要性能指标常用灵敏度、敏感度、线性范围等性能指标来描述一个优良的检测器应具以下几个性能指标：灵敏度高，检出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽，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。1．灵敏度对于浓度型检测器，ΔR取mV，ΔQ取mg·mL-1，灵敏度S的单位是mV·mL·mg-1;对于质量型检测器，ΔQ取g·s-1,那么灵敏度S的单位为mV·s·g-1。单位浓度或质量的组分通过检测器时所产生的响应信号R的大小叫灵敏度。响应信号的变化量通过检测器待测物浓度或质量的变化量S越大，检测器越灵敏式中：S一灵敏度〔mV·mL·mg-1或mV·mL·mL-1〕C1一记录仪灵敏度〔mV·cm-1〕A一色谱峰面积〔cm2〕Fco一载气流速〔mL·min-1〕m一进入检测器的样品量〔mg〕C2一记录纸移动速度〔cm·min-1〕。对于浓度型的检测器，灵敏度的定义为：1mL载气中含有1mg或1mL样品时，检测器输出的毫伏数。即：式中：S一灵敏度〔mV·s·g-1〕m一进入检测器的样品量〔g〕。质量型检测器的定义为：1s内有1g样品进入检测器时产生的毫伏数，即：2．敏感度当检测器输出信号放大时，电子线路中固有的噪声同时也被放大，使基线波动，如下图。取基线起伏的平均值为噪声的平均值，用符号RN表示。由于噪声会影响测量试样色谱峰的识别，所以在评价检测器的质量时提出了敏感度这一指标

敏感度——某组分产生的响应信号为二倍于噪声信号时，单位时间〔单位：S〕或单位体积〔单位：mL〕通过检测器的量。敏感度D表示为D=2RN/SD越小，检测器越敏感，检测器的检测能力越强，所需样品量越少，色谱峰恰好等于二倍噪声时，所需的进样量为检出限

3．线性范围检测器的线性范围——在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或叫最大允许进样量〔浓度〕与最小检测量〔浓度〕之比。线性范围越大，定量范围越宽，不同的检测器线性范围不同右图为某检测器对两种组分的R－Ci图。R为检测器响应值，Ci为进样浓度。对于组分A进样浓度在CA至CA′之间为线性，线性范围为CA′／CA。对于组分B那么在CB至CB′之间为线性，线性范围为CB′/CB。不同的组分的线性范围不同。不同类型检测器的线性范围差异也很大。如氢焰检测器的线性范围可达107，热导检测器那么在10