现代气相色谱技术课件

现代气相色谱技术第三~四节9/30/20231

内容发展历史GC装置及构造理论及实验条件优化应用9/30/20232内容发展历史8/7/20232

发展历史Martin气－液色谱；

1955商品化仪问世（PE公司）vanDeemter速率理论Golay开管毛细管柱霍姆斯、莫雷尔GC-MS

1979熔融石英毛细管柱问世1983大内径厚液膜弹性石英毛细管柱1984Low实现了GC-FTIR马丁（AMartin）辛格（RSynge）9/30/20233

GC装置及构造分子筛固定色谱柱流量控制器稳压器空气氢气载气脱水管进样口检测器电子部件PC限流器典型的气相色谱气路系统进样系统色谱柱系统检测系统数据处理系统9/30/20234

GC装置及构造分子筛固定色谱柱流量稳压器空气氢气载气脱毛细管柱和填充柱色谱仪比较分流尾吹1减少柱后死体积，改善柱效；2满足检测器最佳气体流速，提高灵敏度。9/30/20235毛细管柱和填充柱色谱仪比较分流尾吹1操作参数设置：1进样口温度：足够高,保证样品瞬间汽化.未知样品,一般选择300℃2载气流速：柱内载气流速30~50cm/s(氦)20~40cm/s(氮)40~60cm/s（氢）3常用分流比范围:10:1~200:1

分流歧视：不均匀汽化

4进样量:一般不超过2L，建议0.5

L以下

一、分流进样特点:样品浓度较高时首选的进样方式,适合于分析方法的开发,是GC的首选进样方式.1、GC进样系统

9/30/20236操作参数设置：一、分流进样1、GC进样系统

8/7/2ColumnFlow1mL/minSplitVentFlow46mL/min(Septum)PurgeVentFlow3mL/minTotalFlow50mL/min注射针Sample分流比＝分流口流速＋柱流速柱流速9/30/20237ColumnFlowSplitVentFlow(Sep二、可程序升温进样口(PTV)过程：将液体或气体样品(可高达数百μL)注射入低温的进样口衬管内，按程序升高进样口的温度。特点：去除样品溶剂，使待测组分得以浓缩;可用于不干净样品分析。低沸点组分会与溶剂一同放空而损失，因此要求目标化合物沸点高于溶剂沸点100℃。三、冷柱头进样过程：使用特殊的进样针（或自动进样器）将样品直接注入处于室温或更低温度的色谱柱内，再逐步升温使样品各组分依次气化。特点：不使用衬管,适用于热不稳定化合物及痕量分析，分析的准确度和精密度均高于分流/不分流进样。不损失低沸点组分，但要求样品干净。

9/30/20238二、可程序升温进样口(PTV)8/7/20238进样方式:自动进样:

须注意

注射器的大小、洗针的次数、进样体积、溶剂黏度、注射器插入样品瓶的位置、进样速度等。手动进样：

快进、快拔、多洗

9/30/20239进样方式:自动进样:8/7/202392、GC色谱柱系统

色谱柱系统色谱柱柱温箱连接件9/30/2023102、GC色谱柱系统色谱柱系统色谱柱柱温箱连接件8GC色谱柱类型：

填充柱开管柱（毛细管柱）9/30/202311GC色谱柱类型：填充柱开管柱（毛细管柱）8/7/202311WCOTPLOTSCOT9/30/202312WCOTPLOTSCOT8/7/20231

毛细管色谱柱的特点(1)渗透性好

一般毛细管的比渗透率约为填充柱的100倍,在同样的柱前压下,可使用更长的毛细管柱(如100米以上),而载气的线速可保持不变。例如2.4m填充柱的柱压降是2.5E6Pa，在同样的柱压降下，可使用0.27mm内径WCOT柱192m，0.5mm内径SCOT柱250m。(2)相比（

）大：

相比大，传质快，有利于提高柱效；k’值小实现有利于快速分析。毛细管柱的液膜厚度小,柱效高，加上柱渗透性大，可采用较高线流速缩短分析时间。9/30/202313

毛细管色谱柱的特点(1)渗透性好一般毛细管的比渗(3)总柱效高(4)

柱容量小毛细管柱允许的进样量小。这样对进样和检测技术要求更高。进样量取决于柱内固定液含量，由于毛细管柱涂渍的固定液仅几十mg，液膜厚度为通常为0.1

5

m，柱容量小，一般进样量为10－3

10－5

L，故经常需要采用分流进样技术。从单位柱长的柱效看,毛细管柱和填充柱处于同一数量级,但毛细管柱的长度比填充柱可长1

2个数量级,因此其总柱效远高于填充柱。这样就大大提高分离复杂混合物的能力。9/30/202314(3)总柱效高(4)

柱容量小毛细管柱允许的进样量小填充柱（a）和毛细管柱（b）分离水中的硝基化合物9/30/202315填充柱（a）和毛细管柱（b）分离水中的硝基化合物8/7/2色谱柱性质：一、固定液：高沸点有机物，良好的热稳定性和化学稳定性、黏度和凝固点低。

涂敷、化学键合交联型

固定液与组分分子间的作用力静电力：极性分子的永久偶极间存在的静电作用引起的。

与温度成反比，升高温度引起选择性下降。诱导力：

极性分子与非极性分子之间的作用力。

苯(80.1℃)和环己烷(80.8℃)的分离

色散力：非极性分子之间的作用力。

沸点顺序氢键力：氢原子和电负性很大的元素相连时。

9/30/202316色谱柱性质：8/7/202316固定液特性：

相对极性：1959,Rohrschneider角鲨烷（异三十烷）（0）

，‘-氧二丙腈（100）等级:非极性（0）、弱极性（1）、中极性（2，3）、强极性（4，5）

特征常数：五种评价物在角鲨烷和被测固定液上的保留指数的差值之和。

Rohrschneider苯、乙醇、甲乙酮、硝基甲烷、吡啶McReynolds苯、丁醇、2-戊酮、硝基丙烷、吡啶9/30/202317固定液特性：8/7/202317常用固定液的McReynolds常量9/30/202318常用固定液的McReynolds常量8/7/固定液结构类型极性固定液举例分离对象烃类硅氧烷类醇类、醚类酯类和聚酯腈和腈醚有机皂土非极性从非极性~强极性强极性中强极性强极性角鲨烷、石蜡油甲基硅氧烷苯基硅氧烷氰基硅氧烷聚乙二醇苯甲酸二壬酯氧二丙腈、苯乙腈分离非极性化合物不同极性化合物极性化合物非极性~极性极性化合物芳香异构体

按化学结构分类的固定液9/30/202319固定液结构类型极性固定液举例分离对象烃类非极性角鲨烷、石蜡油二、固体吸附剂：分析永久气体和气态烃类。

硅胶：强极性永久性气体和低级烃氧化铝：弱极性烃类及异构体，低温下氢的同位素活性碳：非极性永久性气体及低沸点烃类，不适合极性化合物分离分子筛：极性永久性气体及惰性气体的分离高分子微球：非极性（苯乙烯，二乙烯苯聚合）有机物中痕量水极性（在苯乙烯，二乙烯苯聚合多元醇、脂肪酸、物中引入极性基团）胺类分析9/30/202320二、固体吸附剂：分析永久气体和气态烃类。8/7/20232

色谱柱选择：

固定液：相似相溶

非极性物质：非极性固定液沸点顺序出峰极性物质：极性固定液极性顺序非极性和极性混合物质：极性固定液极性顺序可形成氢键物质：极性、氢键固定液形成氢键能力复杂难分离物质：混合固定液SE-30，OV-1OV-17PEG-20M二甲基聚硅氧烷苯基（50%）甲基聚硅氧烷聚乙二醇－200009/30/202321色谱柱选择：8/7/202321

色谱柱评价:

1、分离效率

相同实验条件下,对混和物分离能力２、毛细管的惰性

TF烃：仪器系统是否正常；醇：毛细管柱表面的硅羟基；酚：柱子的碱性；胺：柱子的酸性。9/30/202322色谱柱评价:1、分离效率烃：仪器系统是否正常；8/7/3、热稳定性

固定液的蒸气压高温下的催化分解9/30/2023233、热稳定性固定液的蒸气压8/7/202323

色谱柱使用：安装：密封垫类型、插入深度、检漏（使用前、中）老化：1把固定相中的残存溶剂、低沸点杂质、低分子量固定液赶走，使检测器基线平直。2使固定液分配更均匀，掩盖活性位点，性能更加稳定，柱效也得以恢复和提高。

保管：进样垫堵两头，阴凉干燥保管。

严禁色谱柱在有氧（空气）和超过最高使用温度条件下使用。9/30/202324色谱柱使用：保管：进样垫堵两头，阴凉干燥保管。8/7/2３、GC检测系统

色谱柱分离后各组分按物理(或化学)特性转换成可以测量的电信号的传感器。要求：灵敏度高、噪声低、通用性强、响应速度快、线性范围宽；造价低廉、操作安全等。浓度型检测器：响应与组分在载气中浓度成正比；色谱峰高与载气流速无关，而峰面积与流速成反比。（热导、电子捕获）质量型检测器：响应与单位时间内组分进入检测器的质量成正比；色谱峰高与流速成正比,而峰面积与流速无关。（氢火焰离子化、火焰光度等）9/30/202325３、GC检测系统色谱柱分离后各组分按物理(或化学)特GC用检测器灵敏度比较9/30/202326GC用检测器灵9/30/2023278/7/2023274、GC气路系统

气源、管线、压力表（压力、流量）、阀、流量计等。高纯气体捕获阱5、数据处理系统

工作站GC工作站GC/MS一体化工作站：控制色谱、质谱运行数据采集处理9/30/2023284、GC气路系统8/7/202328

理论及实验条件优化塔板理论速率理论分离条件优化定性与定量应用9/30/202329

理论及实验条件优化塔板理论8/7/202329塔板理论1941,马丁(Martin)和辛格(Synge)提出假设：1气-液两相间的平衡可瞬间达成；2载气在柱中的流动是脉冲式而不是连续式；3组分由于浓度差所产生的纵向扩散可忽略；4分配系数在所有小室都是常数，与组分量无关。9/30/202330塔板理论1941,马丁(Martin)和辛格(Synge)柱效用理论塔板数来表示n=L/H样品组分在两相间分配系数即使只有微小差异，经过多次分配平衡，仍可获得良好分离。塔板数与半峰宽及峰底宽的关系9/30/202331柱效用理论塔板数来表示n=L/H8/7/202331成功之处：

借用精馏中的塔板概念来评价色谱柱效，从热力学观点推导出色谱流出曲线的形状呈高斯分布。局限：

只考虑了热力学因素，而未考虑流速、分子扩散、传质等动力学因素；因而只能定性给出板高的概念，而不能解释板高受哪些因素影响。

9/30/202332成功之处：8/7/202332速率理论1956，荷兰学者VanDeemter(范第姆特)将影响塔板高度的动力学因素与塔板理论结合起来，导出了塔板高度与流动相线速关系的方程:

H=A+B/u+（Cg+Cl)u1涡流扩散项：A=2

dp填充物多途径9/30/202333速率理论1956，荷兰学者VanDeemter(范第2分子扩散项（纵向扩散项）：B=2

Dg1流动相的粘度和相对分子量越小，组分在其中的扩散系数越大；温度越高扩散系数越大。2流动相流速小、组分在柱内停留时间长，纵向扩散项就大。9/30/2023342分子扩散项（纵向扩散项）：B=23传质阻力项：1采用粒度小的填充物和相对分子量小的气体做载气，可减小Cg;2适当减小液膜厚度，可减小Cl,提高柱效.9/30/2023353传质阻力项：1采用粒度小的填充物和相对分子量小的气体做H=A+B/u+（Cg+Cl)u板高与线速曲线色谱分离基本方程式9/30/202336H=A+B/u+（Cg+Cl)u板高与线速曲线色谱分离实验条件优化1载气及线速的选择:最佳实用线速：N2:10~12cm/sH2:15~20cm/s9/30/202337实验条件优化1载气及线速的选择:最佳实用线速：N2:载体粒径

dp

主要影响涡流扩散项和气相传质.

1粒径越小,越均匀,柱效约高;2粒径越小,柱压越高,越大.9/30/202338载体粒径1粒径越小,越均匀,柱效约高;8/7/2023383选择因子

=1.060.056=1.20.166~13%~2(

-1)/9/30/2023393选择因子=1.060.054固定液配比(液膜厚度）

9/30/2023404固定液配比(液膜厚度）8/7/2023405柱长和内径

通常分离度提高一倍,柱长增加3倍,分析时间增加7倍.增加柱内径,可提高柱容量,但柱效降低.9/30/2023415柱长和内径通常分离度提高一倍,柱长增加3倍,分析时6柱温的选择

柱温影响气相、液相扩散系数，选择因子等，是影响分离最重要的因素之一。

等温操作：

在保证最难分离的组分分离良好的情况下，尽可能采取低的柱温．沸点200~400℃平均沸点低100℃沸点100~200℃平均沸点2/3低沸点组分沸点或沸点以上程序升温：升温方式：l

线性升温；l

非线性升温：如抛物线形升温等；l

多阶组合升温。9/30/2023426柱温的选择等温操作：升温方式：8/7/202342定性与定量1利用保留值定性

利用纯物质对照定性；利用加入已知纯物质增加峰高定性；利用相对保留值定性（基准物质）；双柱保留值定性；利用保留指数定性：úúûùêêëé+--=+zttttIzzzi''1''lglglglg100I—为物质i的保留指数；z、z+1—为正构烷烃的碳原子数；t’—为调整保留值，各保留值必须满足t’z<t’i<t’z+1

在柱温和固定液一定的情况下，重现性和准确度都好，是目前唯一由文献记载的最有价值的保留值表达形式。定性9/30/202343定性与定量1利用保留值定性úúûùêêëé+--=+ztt2利用检测器的选择性定性FID有机化合物；ECD电负性元素；FPD含S、P；NPD含N、P。3仪器联用定性GC-MS，GC-FTIR，GC-AAS，GC-AES等9/30/2023442利用检测器的选择性定性FID有机化合物；3仪GC-FTIR9/30/202345GC-FTIR8/9/30/2023468/7/202346定量依据：通过检测器的被分析物质的量与检测器的响应讯号（峰面积或峰高）成正比。

mi=fiAi相对定量校正因子TCD：苯FID：正庚烷9/30/202347定量依据：通过检测器的被分析物质的量与检测器的响应准确称量被测组分和标准物质,在线形范围内,测定校正因子.9/30/202348准确称量被测组分和标准物质,在线形范围内,测定校正因子.归一化法：特点：不需要准确进样，当f值相近时，可略去，计算更方便；限制是所有组分都有必须出峰，都须有校正因子。9/30/202349归一化法：特点：不需要准确进样，当f值相近时，可略去，计算外标法：校准曲线特点:计算简单，不需要校正因子，不要求所有组分都出峰；但是要求有熟练的定量进样技术。内标法：准确称量被测组分和内标物,混合后测定它们的相对矫正因子.然后准确称量样品,加入已知量内标物,根据被测组分和内标准物的峰面积比和内标物的质量计算组分含量。特点：比较准确；对进样操作要求不严格。