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1、Gas Chromatography,第四章 气相色谱法,第一节 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基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分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。,气相色谱法的特点：三高一快一广,1.高选择性选择性检测器 2.高效能在很短的时间内就能分离测定性质极为复杂的混合物 3. 高灵敏度分离微量、痕量组分 用高灵敏度的检测器可测出样品中10 -11 10-13 g组分 样品用量少：,4.分析速度快样品准备好后

2、，几分钟几十分钟即可,5. 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 1330 Pa蒸气压且不分解的物质原则上都能测定，不论它是气体、液体和固体。 对于挥发性低和受热易分解的物质，若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，同样可用气相色谱分离和分析。 GC 主要用于分离和定量，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1520%能用GC进行分离分析。,气相色谱法又可分为:气固色

3、谱（GSC） 气液色谱（GLC）：,气固色谱：是用多孔性固体为固定相，分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，故选择性较好，应用亦广泛。,第二节 基本原理,原理：利用样品中各组分在色谱中的吸附力或溶解度不同，也就是利用各组分在色谱柱中气相和固定相中的分配系数不同来达到各组分的分离。,进样,时刻A,时刻B,时刻C,时刻D,时刻E,时刻F,色谱柱 （加热）,检测器 （加热）,色谱图,进样 （加热）,数据处理机或工作站,载气,1色谱流出曲线 由检测器输出的电信号强度对时间作图所绘制的曲线，又称为色谱图。 2基线

4、 在操作条件下，只有纯载气通过，没有组分流出时的流出曲线。,第三节 基本概念,3色谱峰组分经柱子分离后进入检测器被记录的信号，是流出曲线上的突起部分。,定性参数,4保留时间 (retention time；tR) 从进样到某组分在柱后出现浓度极大时的时间间隔，即从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔。 5死时间 (dead time；t0) 分配系数为零的组分，即不被固定相吸附或溶解的组分（如空气、甲烷等）的保留时间。,6调整保留时间 (adjusted retention time；tR ) tR=tR-t0,7保留体积(retention volume；VR) 从进样开始到某个组分在柱

5、后出现浓度极大时，所需通过色谱柱的流动相体积。,8死体积 (dead volume；V0),1,第四节 气相色谱仪,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,6890 气相色谱仪,毛细管柱色谱 （美国安捷伦科技公司 Agilent),GC-MS整机外观图,一.气路系统,气密性,流量测量准确性,流速稳定性,1. 对气路的要求： 2. 气路结构 3.气源与载气种类,气密性好,载气要纯净、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,惰性（不与样品或固定相反应）、容易得到并易纯化、满足检测器要求 常用载气：N2 H2 He Ar,气路系统载

6、气连续运行的密闭管路系统,二、进样系统 进样装置和汽化室,汽化室：可控温度 为50500，一般 比柱温高3070 ,1、进样装置 液体：0.5、1、5、10、25、50 L (一般进样0.110 L） 气体：0.255 mL 注射器或六通阀 (一般进样0.110 mL）,2. 汽化室 样品在汽化室汽化，并很快被带入色谱柱,三、分离系统 把混合物样品中各组分进行分离的装置,分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。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26 mm，长15m。填充柱的形状有U型和螺

7、旋型二种。柱内填充固定相，制作简单，柱容量大，操作方便，分离效果足够高，n在102103之间，应用普遍,（2）毛细管柱,毛细管材料：不锈钢、玻璃和石英 毛细管柱又叫空心柱，分为壁涂空心柱，多孔层空心柱，载体涂渍空心柱，化学键合相毛细管柱、交联毛细管柱。 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，其分离效率高（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分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对色谱柱炉，汽化室，检测器三处的温度控制。

8、 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。,五、检测和数据处理系统,样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，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。,第五节 气相色谱的固定相,混合组分在色谱柱上能否分离，主要取决于所用固定相，选择固定相是GC的关键问题,常用固体吸附剂 主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝

9、，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，选择最合适的吸附剂 . 主要用来分析永久性气体和一些低沸点物质,一固体固定相,高分子多孔小球由苯乙烯或乙基乙烯基等单体与交联剂二乙烯苯交联共聚而成。 化学键合固定相由一些化学试剂与硅胶表面的硅醇基经化学键合而成。,二、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 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

10、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。,（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:,红色硅藻土载体和白色硅藻土载体,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

11、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。国产：101，102系列，英国和美国的Chromosorb系列等,比较两种载体的优缺点,红色载体 白色载体 柱效 较高 较低 强度 高 低 比表面 大（310 m2/g） 小（13 m2/g） 活性中心 有 少 适宜涂渍 非极性固定液 极性固定液 适于分离 非极性、弱极性化合物 极性化合物,常见的载体,常见的载体,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。但由于表面非浸润性，其柱效低。

12、,（3）载体的表面处理(去活性处理） 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。,（i）酸洗：用36molL-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

13、用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。,2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）；而且粘度越低越好。 B 良好的热稳定性和化学稳定性。 C 对组分有良好的选择性。 D 对样品组分有足够的溶解能力。,（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。 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

14、大。,（2）组分分子与固定液间的作用力,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。 它包括定向力、诱导力、色散力和氢键4种作用力。前三种统称范德华力。而氢键力则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。,（3）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”原则来选择。在应用时，应按实际情况而定。 （i）分离非极性物质：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）分离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出。极性大的后流出。,（iii）分离非极性和极性混合物：一般选用极性

15、固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。 （vi）分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）复杂的难分离物质：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,常见的固定液,常见的固定液,第六节 气相色谱检测器,气相色谱检测器是把载气里被分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

16、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,常用噪 声、漂 移、灵敏度、线性范围等性能指标来描述。,检测器的稳定性,噪 声 (Noise；N) ：仪器、其他操作条件使基线在短时间内发生起伏的信号 。 漂 移 (Drift；d) ：基线朝单方向规律性移动。,灵敏度,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

17、越大，检测器越灵敏,检测限（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，如图所示。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辨认，所以在评价检测器的质量时提出了检测限这一指标,检测限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/S D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。,线 性 范 围,被测物质的量与检测器的信号成线形关系的范围。,一个优良的检测器应具：灵敏度高，线性范围宽，响应迅速，稳定性好。通用性检测器要求适用

18、范围广；选择性检测器要求选择性好。,一、热导检测器（thermal conductivity detector, 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。,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。构成参比臂和测量臂。,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。参比臂和测量臂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,

19、未进样时： （无信号输出） R1=R2 R参=R测 R参R1 R测R2 R参= R测,进样后： （输出信号） R参 R测,3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100200 mA左右（N2作载气时为100150mA，H2作载气时150200mA为宜）。,（2）池体温度： 池体温度必须高于柱温，以防止组分蒸气冷凝造成降低灵敏度。此外，池体温度升高，热丝电阻率下降，也会降低灵敏度，因此检测池温度

20、不宜过高。 （3）载气种类 载气与试样的导热系数相差愈大，则灵敏度愈高。一般物质导热系数较小，故选择导热系数大的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。,某些气体和蒸气的热导系数,例：苯和甲醇,同质量的苯和甲醇，在热导检测器上峰面积不同,二、氢火焰离子化检测器（flame ionization detector, 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，检测被色谱柱分离出的组分。,1. 特点：,灵敏

21、度很高，比热导检测器的灵敏度高约103倍；检出限低； 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107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

22、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。,三、电子捕获检测器(electron capture detector, 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10-14gcm-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 它是一种放射性离子化检测器，与火焰离

23、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。,检测器内腔有两个电极和筒状的放射源。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应式表示：,形成恒定基流,基流降低而产生负信号,四.火焰光度检测器(flame photometric detec

24、tor, 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10-12gS-1（对P）或10-11gS-1（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,一、定性分析,纯标准样对照,仪器联用定性,第七节 定性定量分析,二、定量分析,定量分析依据：在一定的操作条件下，被分析物质的质量与响应信号（峰面积或峰高）成正比。 mifiAi(hi) fimiAi(hi) fi 称校正因子,定量校正因子,1两种表示方法,绝对校正因子：单位峰面积所对应的被测物质的浓度（或质量），即 fi = mi/Ai 相对校正因子: 某物质i与一选择的标准物质S的绝对校正因子之比。即 f= fi / fs 相对校正因子只与检测器类型有关，而与色谱条件无关。,2相对校正因子的测定,过程：精称纯品i+基准物s 混匀进样 测Ai和As fmi=,Asmi,Aims,1归一化法,优