武汉大学分析化学气相色谱法

武汉大学分析化学课件气相色谱法第一页，共60页。19.2气相色谱仪商品化有填充柱、毛细管柱和制备气相色谱仪等三种。需要说明的是，先进的气相色谱仪往往兼具填充柱、毛细管柱，分析、制备等多种功能。第二页，共60页。19.2.1填充柱气相色谱仪第三页，共60页。19.2.1填充柱气相色谱仪1.气路系统1.载气瓶，2减压阀，3稳流阀，4流量计，5分流阀，6注射器，7进样器，8色谱柱，9色谱炉(箱)，10皂膜流量计，11检测器，12记录仪，13静电计或电桥，14模数转换器，15数据系统。第四页，共60页。2.进样系统第五页，共60页。3.分离系统

分离系统或色谱柱是气相色谱仪的心脏，安装在控温的柱箱或室内，填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装填固定相，一般内径为2~4mm，长1~3m,有U型和螺旋形两种。4.温控系统控制温度主要指对色谱柱炉，气化室，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，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。第六页，共60页。19.2.2.毛细管柱气相色谱仪1载气瓶，2空气瓶，3氢气瓶，4减压阀，5净化管，6稳压阀，7负压稳压阀，8针型阀，9压力表，10FID，11干燥管，12分流器，13毛细管柱，14净化室，15稳流阀。第七页，共60页。19.2.2.毛细管柱气相色谱仪毛细管柱进样谱带展宽的柱外效应对柱效和定量的精确性影响很大。样品引入色谱柱过程的组分组成失真导致定量误差。因此，进样系统是毛细管色谱仪的关键部件之一。已研发出多种进样器，并不断改进进样技术。第八页，共60页。制备纯组分的填充柱气相色谱仪，适用于较大样品量制备分离纯组分。需要进样量大，进样装置中装有载气预热管与单向止逆阀。色谱柱内径和长度一般大于填充型分离分析柱，内径≥10mm左右，柱长在3～10m之间。色谱柱后装有分流阀，除少量分离组分进入检测器外，绝大部分组分进入收集系统冷冻收集。19.2.3.制备型气相色谱仪第九页，共60页。检测器是气相色谱仪的重要部件，其作用是将色谱柱分离后各组分在载气中浓度或量的变化转换成易于测量的电信号，然后记录并显示出来。其信号及大小为被测组分定性定量的依据。

19.3.1.检测器的分类1.按流出曲线类型分类：积分型和微分型2.按检测特性分类：浓度型和质量型

3.按选择性分类：通用型和选择型

19.3.气相色谱检测器第十页，共60页。

一个优良的检测器应具以下几个性能指标：灵敏度高检出限低响应线性范围宽稳定性好响应速度快通用性强19.3.2.检测器的主要性能指标第十一页，共60页。

19.3.2.检测器的主要性能指标1.灵敏度气相色谱检测器灵敏度(S)定义为：通过检测器物质量变化(△Q)与响应信号变化（△R）之比：

浓度型检测器的灵敏度(Sc)：

质量型检测器灵敏度(Sm)：

第十二页，共60页。

19.3.2.检测器的主要性能指标2.检出限3.最小检测量和最小检测浓度第十三页，共60页。

19.3.2.检测器的主要性能指标4.线性范围第十四页，共60页。热导检测器(TCD)是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的。热导检测器由于结构简单，性能稳定，几乎对所有物质都有响应，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，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。19.3.3.热导检测器(TCD)第十五页，共60页。1．热导池的结构和工作原理热导池由池体和热敏元件构成，可分双臂和四臂热导池两种。由于四臂热导池热丝的阻值比双臂热导池增加一倍，故灵敏度也提高一倍。目前仪器中都采用四根金属丝组成的四臂热导地。其中二臂为参比臂，另二臂为测量臂，将参比臂和测量臂接人惠斯电桥，由恒定的电流加热组成热导地测量线路，如前图所示。2．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100～200mA左右（N2作载气时为100～150mAH2作载气时150～200mA为宜）。动画演示19.3.3.热导检测器(TCD)第十六页，共60页。（2）池体温度池体温度降低，可使池体和钨丝温差加大，有利于提高灵敏度。但池体温度过低，被测试样会冷凝在检测器中。池体温度一般不应低于柱温。（3）载气种类载气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。故选择热导系数大的氢气或氦气作载气有利于灵敏度提高。如用氮气作载气时，有些试样（如甲烷）的热导系数比它大就会出现倒峰。表19-7列出某些气体与蒸气的热导系数。（4）热敏元件的阻值阻值高、温度系数较大的热敏元件，灵敏度高。钨丝是一种广泛应用的热敏元件，它的阻值随温度升高而增大，其电阻温度系数为5.5×10-3cm·Ω-1·℃-1，电阻率为5.5×1O-6Ω·cm。为防止钨丝气化，可在表面镀金或镍。19.3.3.热导检测器(TCD)第十七页，共60页。

火焰离子化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，检测被色谱柱分离出的组分。它的特点是：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。19.3.4.氢火焰离子化检测器(FID)第十八页，共60页。19.3.4.氢火焰离子化检测器(FID)第十九页，共60页。2．火焰离子化机理

至今还不十分清楚其机理，普遍认为这是一个化学电离过程。有机物在火焰中先形成自由基，然后与氧产生正离子，再同水反应生成H30+离子。以苯为例，在氢火焰中的化学电离反应如下：

3.影响灵敏度的因素离子室的结构对火焰离子化检测器的灵敏度有直接影响，操作条件的变化，包括氢气、载气、空气流速和检测室的温度等都对检测器灵敏度有影响19.3.4.氢火焰离子化检测器(FID)第二十页，共60页。电子捕获检测器也称电子俘获检测器，它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10-14g·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，其结构如下图。

19.3.5.电子捕获检测器(ECD)第二十一页，共60页。19.3.5.电子捕获检测器(ECD)第二十二页，共60页。

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，电子向正极走向移动，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于复合成中性化合物，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应式表示：

19.3.5.电子捕获检测器(ECD)第二十三页，共60页。

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19.3.6.火焰光度检测器(FPD)第二十四页，共60页。19.3.6.火焰光度检测器(FPD)第二十五页，共60页。

2．火焰光度检测器的工作原理

根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，生成化学发光物质，并能发射出特征波长的光，记录这些特征光谱，就能检测硫和磷以硫为例，有以下反应发生：

当激发态S2*分子返回基态时发射出特征波长光λmax为394nm。对含磷化合物燃烧时生成磷的氧化物，然后在富氢火焰中被氢还原，形成化学发光的HPO碎片，并发射出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。19.3.6.火焰光度检测器(FPD)第二十六页，共60页。氮磷检测器（nitrogenphosphorusdetector,NPD），又称热离子检测器（thermionicdetectorTID），是一种质量检测器，适用于分析N、P化合物的高灵敏度、高选择性检测器。19.3.7.氮磷检测器(NPD)氮磷检测器的使用寿命长、灵敏度极高，可以检测到5×10-13g/s偶氮苯类含氮化合物，2.5×10-13g/s的含磷化合物，如马拉松农药。它对N、P化合物有较高的响应，而对其他化合物的响应值低104～105倍。第二十七页，共60页。19.4.1.固体固定相1.固体吸附剂19.4.气相色谱固定相第二十八页，共60页。2.高分子多孔微球

主要以苯乙烯和二乙烯基苯交联共聚制备，亦或引入极性不同的基团，可获得具有一定极性的聚合物。适用性广，既适用作气固色谱固定相，又可作气液色谱载体；选择性高，分离效果好，具有疏水性能，对水的保留能力比绝大多数有机化合物小，特别适合有机物中微量水的测定，也可用于多元醇、脂肪酸、腈类、胺类等分析；热稳定性好，可在2500C以上温度长期使用；粒度均匀，机拭强度高，不易破碎；耐腐蚀，可用于氨、氯气、氯化氢等分析。3.化学键合固定相

一般采用硅胶为基质，利用硅胶表面的硅羟基与有机试剂经化学键合而成。其特点是：使用温度范围宽；抗溶剂冲洗；无固定相流失；寿命长；传质速度快。在很高的载气线速下使用时，柱效下降很小。19.4.1.固体固定相第二十九页，共60页。气相色谱载体又称担体，为多孔性颗粒材料。其作用是提供一个大的惰性表面，使固定液能在表面上形成一层薄而均匀的液膜。（l）对载体的要求具有足够大的表面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，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应；热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。19.4.2.载体第三十页，共60页。（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，它是由称为硅藻的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，其特点是表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，如烃类、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。

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、比表面积较小、吸附性和催化性弱，适宜于分析各种极性化合物。101，102系列，英国的Celite系列，英国和美国的Chromosorb系列，美国的Gas－ChromA，CL，P，Q，S，Z系列等，都属这一类。19.4.2.载体第三十一页，共60页。非硅藻土载体有有机玻璃微球载体，氟载体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分析，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2。等分析。但由于表面非浸润性，其柱效低。

（3）载体的表面处理

硅藻土载体表面不是完全惰性的，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。19.4.2.载体第三十二页，共60页。（i）酸洗：用3--6mol·cm-3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表面硅醇基反应，使生成硅烷醚，以除去表面氢键作用力。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。

19.4.2.载体第三十三页，共60页。19.4.3.1.固定液的基本要求

（l）对固定液要求首先是选择性好。固定液的选择性可用相对调整保留值

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.另外还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。（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。19.4.3.液体固定相第三十四页，共60页。

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。它包括有定向力、诱导力、色散力和氢键作用力4种。前三种统称范德华力，都是由电场作用而引起的。而氢键力则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。此外，固定液与被分离组分间还可能存在形成化合物或配合物等的键合力。19.4.3.1.固定液的基本要求第三十五页，共60页。

在气液色谱分离中，样品组分溶解在固定液中，构成以固定液为溶剂以样品组分为溶质的稀溶液。可根据溶液理论来考察组分在气相中的行为、组分与固定液形成溶液的性质及溶质和溶剂的相互作用。根据理想气体分压定律，溶质在气相中分压P，等于气相中总气压Pg与气相中溶质的摩尔分数Y的乘积。溶质在气相和液相中的摩尔分数之比，与分配系数有关：19.4.3.2.固定液与样品分子间的相互作用第三十六页，共60页。根据气体定律：

欲分离分配系数为K1和K2的两组分，则它们的相对保留等于两组分的分配系数之比：当,即两组分沸点相等，只要选择合适固定液也可将两组分分开。这时19.4.3.2.固定液与样品分子间的相互作用第三十七页，共60页。1.按固定液相对极性分类（i）相对极性：1959年由Rohrschneider提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。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（如正丁烷一丁二烯或环乙烷一苯），来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到:19.4.3.3.固定液的分类第三十八页，共60页。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。由此测得的各种固定液构相对极性均在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级为弱极性固定液，+3级为中等极性，+4～+5为强极性。非极性亦可用“－”表示。表19-3列出了一些常用固定液的相对极性数据。19.4.3.3.固定液的分类第三十九页，共60页。19.4.3.3.固定液的分类第四十页，共60页。

2.固定液的选择性常数ΔI=Ip—Is

式中ΔI为任一标准物质保留指数差值，Ip和Is分别为任一标准物质在被测固定液和参比固定液的保留指数。表19-4列出一些常用固定液的Rohrschneider常数。

麦氏常数是在罗氏方法的基础上，1970年由McReynolds提出的改进方案。选用苯、正丁醇、2一戊酮、l一硝基丙烷、吡啶、2一甲基一2一戊醇、碘丁烷、2一辛炔、二氧六环、顺八氢化茚10种物质，在柱温120℃下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的ΔI值。归纳后发现前5种物质已足以表达固定液的相对极性，把该五项之和称为总极性。表19-3列出一些常用固定液的McRevnolds常数。19.4.3.3.固定液的分类第四十一页，共60页。

19.4.3.3.固定液的分类第四十二页，共60页。

3.按固定液的化学结构分类这种分类方法是按固定液官能团的类型分类。便于按分离样品和固定液的化学结构、按“相似相溶”的原则选择固定液。(1).烃类(2).醇和聚醇(3).酯和聚酯(4).聚硅氧烷类(5).特殊选择性固定液：有机皂土、液晶、手性固定液。

19.4.3.3.固定液的分类第四十三页，共60页。

1.固定液涂渍

将固定液涂渍到载体表面以形成均匀溶膜，首先选择能溶解固定液和适当挥发性的溶剂，如氯仿、丙酮、乙酸乙酯、乙醇、苯、甲苯等。根据样品性质确定固定液与载体重量比，制备固定液溶液。常用固定液涂渍方法有蒸发法与过滤法。2.柱填充、老化一般将色谱柱与真空泵连接，在泵抽吸、振动或轻轻敲击条件下将涂渍固定液载体紧密填入色谱柱，然后将柱接入色谱柱箱内，在一定载气流下加热进行色谱柱老化，以除去残余溶剂、挥发性杂质，促进固定液膜更趋均匀。19.4.3.4.填充柱制备第四十四页，共60页。19.5.1.毛细管柱的特点和类型

由于填充柱内填充的填料颗粒不均匀，多路径使涡流扩散严重、渗透性差、柱效低。1957年美国工程师GolayMJE基于色谱动力学理论，在细而长的毛细管柱内壁涂上固定液，（见图19-12）用于色谱分离。这种柱子被称为开管柱（opentubularcolumn），习惯上称作毛细管柱（capillarycolumn）。毛细管柱色谱的出现是气相色谱发展的一个重要里程碑。

19.5.毛细管柱气相色谱第四十五页，共60页。19.5.1.1.毛细管柱的特点

1.柱的渗透性好。

2.柱效高，可采用长色谱柱。

3.相比高、传质加快、柱容量小。

19.5.1.2.毛细管柱的类型

1.涂壁开管柱。

2.壁处理开管柱。

3.多孔层开管柱。

4.载体涂层开管柱。

5.填充毛细管柱。

19.5.1.毛细管柱的特点和类型第四十六页，共60页。毛细管柱色谱理论与填充柱的理论基本相同，由于其柱结构差异，因而二者有一些差别。1958年Golay提出，影响毛细管柱峰扩张的主要因素是纵向分子扩散项、流动相传质项与固定相传质项，并导出类似的速率方程：19.5.2.毛细管柱的速率理论方程第四十七页，共60页。毛细管柱的制备技术比填充柱要复杂得多，通常制备一根柱子要经过选材、拉制、粗糙化、表面惰化、固定液涂渍等几个主要步骤。

1.毛细管柱的材料

2.拉制

3.内壁粗糙化、惰化

4.固定液的涂渍

5.固定相的固定化19.5.3.毛细管柱的制备第四十八页，共60页。评价毛细管柱主要参数为:

1.以理论塔板数N代表的柱效。

2.涂渍效率(CE)：在最佳条件下，理论板高与实测板高之比:

3.表面惰性：以拖尾因子和酸碱性等作为度量指标。19.5.4.毛细管柱的评价第四十九页，共60页。19.6.气相色谱分离条件的选择19.6.1.固定液及其含量的选择1.固定液选择的一般规律一般可按“相似相溶”的原则来选择固定液。2.根据固定液选择性常数选择固定液固定液选择性常数（Rohrsneider或McReynold）能较好地反映固定液对不同类型化合物的分离选择性。

第五十页，共60页。19.6.1.固定液及其含量的选择3.固定液含量以固定液与载体的质量比表示固定液的含量，它决定固定液的液膜厚度df,影响传质速率。同时固定液含量的选择与分离组分的极性、沸点以及固定液的性质有关。低沸点样品多采用高液载比（或液担比）的柱子，一般为20%～30%；高沸点样品则多采用低液载比柱，一般为1%～10%。第五十一页，共60页。19.6.2载体及其粒度的选择

载体的粒度愈小，填装愈均匀，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否则，阻力压也急剧增大。一般粒度直径为柱内径的1／20～l／25为宜。在高压液相色谱中，可采用极细粒度，直径在μm数量级。19.6.3柱长和内径的选择填充柱的柱长一般为1～5m，毛细管柱的柱长一般为20～50m。柱内径增大可增加柱容量、有效分离的样品量增加。但径向扩散路径也会随之增加，导致柱效下降。内径小有利于提高柱效，但渗透性会随之下降，影响分析速度。一般填充柱内径为3～6mm，毛细管柱柱内径为0.2～0.5mm左右。19.6.气相色谱分离条件的选择第五十二页，共60页。19.6.4.气相色谱操作条件选择1.载气及载气线速度的选择第五十三页，共60页。曲线的最低点，塔板高度H最小，柱效最高，其相应的流速是最