《氣相色譜法》PPT課件.ppt

第十章 氣相色譜法,以氣體作為流動相的色譜法叫氣相色譜法（gas chromatography，GC）,第一節(jié) 概述,一、氣相色譜法的特點,氣相色譜法具有高分離效能、高選擇性、高靈敏度、分析速度快和應用范圍較廣等特點。,1. 高分離效能 能分離組分極為復雜的混合物，例如用空心毛細管柱可將汽油試樣中一百多個烴類化合物一次分離。,2. 高選擇性 能分離結構極為相似的物質，如異構體、同位素等。,3. 高靈敏度 可分析極微量的物質（10-1210-14 g）。,4. 樣品用量少 所用樣品量一般以ng，甚至pg計。因此適合于大氣、水和食品等試樣中痕量污染物質的測定。,5. 分析速度快 一般一個試樣可在幾分鐘到十幾分鐘內完成測定，最多幾十分鐘，且操作和數(shù)據(jù)處理可由計算機控制和進行。,6. 應用范圍較廣 氣體、液體和固體樣品；許多有機物和少數(shù)無機物樣品。只要化合物有適當?shù)膿]發(fā)性，且在操作溫度下有良好的穩(wěn)定性。,缺點 對于難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定的物質難以分析；定性能力較弱，不能直接給出定性結果，一般要求有已知純物質作對照。,二、氣相色譜法的分類,（一）按固定相狀態(tài)或分離機理分類,固定相有兩種狀態(tài)，用固體吸附劑作固定相的稱為氣固色譜法，其機理屬吸附色譜；用液體作固定相的稱為氣液色譜法，其機理屬分配色譜。,（二）按色譜柱分類,氣相色譜法屬于柱色譜法，它又可以分為填充柱色譜法和毛細管柱色譜法兩類。 氣固色譜法主要用于氣體分析，氣液色譜法的應用范圍則遠比氣固色譜法廣。下面主要討論氣液填充柱色譜。,三、氣相色譜儀的流程,1載氣系統(tǒng) 包括氣源、氣體凈化和氣體流速控制等裝置。,2進樣系統(tǒng) 包括進樣器、氣化室和溫控裝置。,氣相色譜儀由五部分組成,4檢測系統(tǒng) 包括檢測器和溫控裝置。,5記錄系統(tǒng) 包括放大器、數(shù)據(jù)處理裝置及記錄儀。,3分離系統(tǒng) 包括色譜柱、柱箱和溫控裝置。,色譜柱起分離作用，檢測器起檢測作用。色譜柱和檢測器是氣相色譜儀的兩個核心部件。,第二節(jié) 氣相色譜分析的基本理論,一、常用術語,（一）色譜峰,色譜流出曲線是電信號隨時間的變化曲線，由于電信號強度正比于組分濃度或質量，所以色譜流出曲線實際上是組分濃度隨時間的變化曲線。,曲線上突起部分稱為色譜峰，如圖所示。,如果試樣中各組分分離完全，則每個色譜峰代表一種組分。正常色譜峰為對稱的正態(tài)分布曲線，而不正常的色譜峰有拖尾峰（tailing peak）和前伸峰（leading peak）。,色譜峰常用三組參數(shù)描述：色譜峰的位置（保留值）；色譜峰面積或峰高；區(qū)域寬度（標準偏差、峰寬或半高峰寬）。,在正常操作條件下，僅有載氣通過檢測器時的色譜流出曲線為基線。它反映儀器（主要是檢測器）的噪音隨時間的變化，穩(wěn)定的基線應是一條平行于橫軸的直線。,（二）基線,色譜峰的頂點與基線之間的距離稱為峰高（peak height），以 h 表示。色譜峰與基線之間所包圍的面積稱為峰面積（peak area），以 A 表示。峰高和峰面積是隨組分的濃度而改變的，是色譜定量分析的依據(jù)。,（三）峰高、峰面積,半峰寬Wh/2 （peak width at half height）即色譜峰高一半處的寬度，又稱半高峰寬。,（四）色譜峰區(qū)域寬度,h/2,Wh/2,h,基線寬度Wb（peak width at the baseline）又稱峰底寬度（peak width at the base），是通過色譜峰兩側的拐點所作的切線與基線相交部分的寬度。,W,在理想狀態(tài)下，色譜峰呈正態(tài)分布。根據(jù)正態(tài)分布曲線的特征，在兩拐點之間的距離（此處峰高為0.607 h）為兩倍標準偏差（）,色譜峰寬度是衡量色譜柱分離效能的參數(shù)。標準偏差 的大小表示經色譜柱分離后組分流出色譜柱的分散程度。 越小，則流出組分越集中。,（五）保留值,保留值是用來描述色譜峰在色譜圖上的位置，反映了試樣中各組分在色譜柱中被保留的程度。通常用時間或用組分流出色譜柱所需載氣的體積來表示。,1用時間表示的保留值,（1）保留時間tR（retention time） 指從進樣開始到柱后被測組分出現(xiàn)濃度極大點時所需的時間。當實驗條件一定時，不同的組分由于性質不同，因而具有不同的保留時間， 是色譜定性的參數(shù)。,tR,（2）死時間tM（dead time） 指不與固定相作用的惰性物質（如空氣），從進樣開始到柱后出現(xiàn)濃度極大點所經過的時間。tM表示氣體流經色譜柱空隙所需的時間，可以理解為某被測組分在流動相中的停留時間。,tM,（3）調整保留時間（adjusted retention time） 指某組分的保留時間與死時間的差值，即,調整保留時間是組分在固定相中停留的時間。,2用體積表示的保留值,（1）保留體積VR（retention volume） 指從進樣開始到柱后被測組分出現(xiàn)濃度極大點時所通過的載氣體積，即,保留時間會隨載氣流速的變化而變化，而保留體積則不受載氣流速影響。因載氣流速若增加，則保留時間相應縮短，兩者的乘積不變。在理論上VR要比tR準確，但測量VR沒有測量tR方便。,（2）死體積VM（dead volume） 是指不與固定相作用的惰性物質通過色譜柱后出峰時所需的載氣體積。也就是從樣進器經色譜柱到檢測器出口的流路中，由氣相所占有的體積。即,（3）調整保留體積（adjusted retention volume） 指某組分的保留體積與死體積之差。也是色譜定性的基本參數(shù)。,3.相對保留值r21（relative retention value）,組分2的調整保留值與組分1的調整保留值之比，稱為相對保留值。,r21表示固定相對兩種組分的選擇性。r21越大，表明該色譜體系對這兩組分的保留程度相差越大，即選擇性越好，被分離組分越容易達到良好的分離，所以r21又稱為選擇性因子。,由于r21只與柱溫、固定相性質有關，而與柱長、柱內徑、載氣流速及填充情況等無關。所以，采用注明溫度和固定相的r21作為定性指標，不受操作條件變化的影響。,二、分配平衡,（一）分配系數(shù)K,在一定的溫度、壓力下，任一組分在液相（固定相）和氣相（流動相）中的分配達到平衡時，該組分在兩相中的濃度之比稱為分配系數(shù)（partition coefficient） K，即,分配系數(shù) K 與組分的物理化學性質、固定相的性質以及柱內的溫度和壓力有關。,（二）分配比k,在一定的溫度、壓力下，任一組分在兩相中分配達到平衡時，該組分在兩相中的質量比稱為分配比（partition ratio） k，即：,分配系數(shù)K和分配比k與保留值的關系為,在一定的實驗條件下，組分的調整保留時間正比于分配系數(shù)或分配比。,各組分由于其不同的物理化學性質，所以K值不同，造成各組分在柱中保留時間不同，從而達到分離。另一方面，要使試樣得到最佳的色譜分離，選擇適當?shù)纳V固定相和柱溫是十分重要的。,三、塔板理論,1952年，Martin(馬丁)等人提出的塔板理論將一根色譜柱當作一個由許多塔板組成的精餾塔，用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。塔板是從精餾中借用的，是一種半經驗理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線呈正態(tài)分布。,在色譜柱的每一個“塔板”內，一部分為涂在擔體上的液相，另一部分為載氣所占據(jù)的空間。試樣中的各個組分在每個塔板的氣相和液相之間達成一次分配平衡。,試樣在載氣攜帶下通過色譜柱，試樣的各個組分要在許許多多的塔板上先后進行成千上萬次的分配平衡。經過重復多次的分配平衡后，分配系數(shù)小的組分和分配系數(shù)大的組分彼此分離，分配系數(shù)小的組分，先從柱后流出。,在塔板理論中，把色譜柱內每達成一次分配平衡所需要的柱長（即上述每一小段的長度）稱為理論塔板高度（height equivalent to a theoretical plate，HETP），簡稱板高（H）。,塔板理論假設色譜柱上各個板高是等同的。若將色譜柱長以L表示，則色譜柱的理論塔板數(shù)（the number of theoretical plates）n 為：,顯然，對于一定長度的色譜柱，H越小，則n越大，達成分配平衡的次數(shù)越多，兩個分配系數(shù)不同的組分就越容易彼此分離，色譜峰越窄，柱子的分離效能也越好（即柱效越高）。所以理論塔板數(shù) n 或理論塔板高度 H 是描述柱效能的指標。,根據(jù)塔板理論可以推算出組分的色譜流出曲線是趨近正態(tài)分布曲線。由此可以導出 n 與保留值和色譜峰寬度的關系為：,由于tR中包括有tM，所以tR不能很確切地表示組分的實際保留性質，n也就不能很確切地表示柱的實際分離效能。為了更切合實際，采用扣除了死時間的有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為柱效能指標。其計算式為：,由上式可見，只要在色譜圖上測出某物質的保留值和峰寬，就可以計算出該柱對此物質的理論塔板數(shù)n。對某物質而言，n有效或n越大，或者在固定柱長下，H有效或H越小，則峰越窄，柱效能也就越高。,對于塔板理論須注意 1）同一色譜柱對不同物質的柱效能是不一樣的，說明柱效時，必須注明該柱效是針對何種物質、固定液種類及其含量、流動相種類及流速、操作條件等；,2）塔板理論描述了組分在柱內的分配平衡和分離過程，導出了流出曲線的數(shù)學模型，解釋了流出曲線形狀和位置，提出了計算和評價柱效的參數(shù)。,但該理論是在理想情況下導出的，未考慮分子擴散因素、其它動力學因素對柱內傳質的影響。因此它不能解釋： 峰形為什么會擴張？ 影響柱效的動力學因素是什么？,四、速率理論,塔板理論從熱力學的角度出發(fā)，描述了色譜柱內的分配過程，推導出流出曲線方程式，從而解釋了流出曲線的形狀，并提出以塔板數(shù)和板高來評價柱的分離效能。但是塔板理論沒有考慮動力學的因素，因此它不能解釋塔板高度受哪些因素的影響以及色譜峰變寬的原因。,速率理論（rate theory）吸收了塔板理論板高的概念，進一步把色譜過程與分子擴散和組分在氣液兩相中的傳質過程聯(lián)系起來，從動力學角度較好地解釋了影響板高的多種因素。因此，速率理論對于色譜分離操作條件的選擇具有指導意義。,1956年荷蘭學者van Deemter提出了速率理論方程式（即范氏方程）。,其簡化式為：,A、B/u、Cu分別為渦流擴散項、分子擴散項和傳質阻力項，u為載氣的線速度。,（一）渦流擴散項A（eddy diffusion）,為填充不規(guī)則因子，色譜柱填充越不均勻， 越大，dp是固定相顆粒的直徑（粒度）。由式可見，固定相粒度dp小，填充均勻使小，則A值小，因而H小、柱效高。但dp不能過小，否則柱的阻力增大，給操作帶來許多不便。,流動方向,（二）分子擴散項B/u（或稱縱向擴散項longitudinal diffusion）,為彎曲因子，是與填充物有關的因素。由于固定相顆粒的存在，使擴散路徑彎曲，分子不能自由擴散，從而使擴散程度降低，所以填充柱的通常小于1。Dg為組分在氣相中的擴散系數(shù)，Dg與組分的性質、柱溫、柱壓及載氣的性質有關。,當試樣組分被載氣帶入色譜柱后，就以“塞子”的形式存在于柱的一小段空間內，由于在“塞子”的前后（縱向）存在著濃度梯度，則勢必產生向低濃度區(qū)的縱向擴散，從而引起色譜峰的擴張。,組分分子的擴散系數(shù) Dg 大，則縱向擴散較大，色譜峰變寬、柱效降低。Dg 隨柱溫的升高而增大，與柱壓力成反比，與載氣分子量的平方根成反比。所以降低柱溫，加大柱壓，使用分子量大的載氣（如N2），都可使 Dg 減小，提高柱效。,分子擴散項還與載氣的流速成反比。載氣流速小，組分在氣相中的停留時間長，分子的縱向擴散嚴重。就此而言增大載氣流速u，可提高柱效。,（三）傳質阻力項Cu,組分在氣液兩相中擴散分配的過程叫傳質，影響這一過程進行的阻力叫傳質阻力（resistance to mass transfer）。它是氣相傳質阻力Cgu和液相傳質阻力Clu之和，即,氣相傳質阻力是組分由氣相擴散到氣液界面進行分配時的所受到的阻力。液相傳質阻力是組分從氣液界面擴散至固定液內部，達到平衡后再返回氣液界面的傳質過程中所受到的阻力。,流動相,氣液界面,固定液,組分分子,Cl,Cg,k為分配比，df為液膜厚度，Dl是組分在液相中的擴散系數(shù)。由于組分在氣相中的擴散系數(shù)Dg要比在液相中的擴散系數(shù)Dl大得多（約104倍），當固定液用量較高（df大），液相傳質阻力Cl是影響板高的主要因素。Cl與df2成正比，與Dl成反比，可見固定液的液膜越薄，組分在液相中的擴散系數(shù)越大，則液相傳質阻力越小。升高溫度可使Dl增大，從而使Cl減小，但溫度太高，又會使k變小，分離選擇性變壞，所以溫度應控制適宜。另外，傳質阻力項還與載氣的流速成正比，所以降低流速，可減小傳質阻力，提高柱效。,范氏方程說明了柱的填充均勻程度、擔體粒度、載氣種類、載氣流速、固定液膜厚度、柱溫等對柱效能和峰擴展的影響，但有些因素之間有矛盾之處，如提高載氣流速可減小分子擴散，但同時傳質阻力項增大；升高柱溫有利于組分傳質，但又使分子擴散增加。所以要相互兼顧，不能顧此失彼。,兩組分在色譜柱中分離的好壞，取決于這兩個組分的色譜峰之間的距離和色譜峰的峰寬。只有當兩色譜峰之間的距離較大，其峰形較窄時，兩組分才有良好的分離。如圖。,第三節(jié) 氣相色譜分離條件的選擇,一、柱的總分離效能指標分離度,（一）分離度R（resolution）,分離度 R 定義為相鄰兩組分色譜峰保留時間之差與兩色譜峰峰底寬度總和之半的比值。即：,R 值越大，意味著相鄰兩組分分離得越好。若色譜峰呈正態(tài)分布，當 R = 1時，分離程度可達98%； R = 1.5時，分離程度可達99.7%。通常用 R = 1.5 作為相鄰兩峰能否完全分開的標志。,組分保留值的差別，主要取決于固定液的熱力學性質，反映了選擇性的好壞，與相對保留值 r21 及 k 有關；色譜峰的寬窄，主要由色譜過程的動力學因素決定，反映了柱效能的高低，與塔板數(shù)n有關。,（二）分離度R與n、r21、k的關系,因此，分離度 R 總括了實現(xiàn)組分分離的熱力學和動力學因素，即綜合了柱效和選擇性的影響，定量地描述了混合物中相鄰兩組分實際分離的程度。,分離度與理論塔板數(shù)n、相對保留值r21以及分配比k之間的關系為：,（1）r21值越大（即固定液選擇性好），分離度就越大，分離越好。若r21=1 ，則R = 0，兩組分不能分離。,（2）n越大（即色譜柱效能高），分離度就越大，分離越好。但不能通過增加色譜柱長來增加n，這樣會使分析時間延長。,（3）k 值增大可以提高分離度，但當k 超過10，對分離度改進的影響就不顯著了。而且 k 值太大，會延長分析時間，引起峰形變形，一般控制在27之間。,二、分離操作條件的選擇,由分離度公式可知，要想得到滿意的分離度，應該有較大的相對保留值 r21和適當大的分配比 k，因此固定相或固定液的選擇就是關健。,另外要使n大（H?。?，柱效高，還需以范氏方程為依據(jù)，選擇合適的分離操作條件，具體討論如下：,（一）色譜柱條件的選擇,色譜柱是色譜分離的關鍵，包括固定相的選擇，柱材料、柱長度和柱內徑的選擇，柱溫的選擇等。,1固定相的選擇 主要是固定液和擔體的種類選擇，它是色譜分離的關鍵，下一節(jié)討論。,2擔體粒度的選擇 從范氏方程可以看出，擔體粒度和粒度范圍直接影響柱效率，擔體粒度dp小，粒度范圍窄，裝填均勻可提高柱效。但粒度也不能過細，否則柱壓增大，對操作不利。一般氣相色譜固定相粒度為60120目，粒度范圍為1020目。,3液擔比的選擇 固定液和擔體的重量比稱為液擔比。液擔比越小，固定液液膜厚度df越小。從范氏方程可見，df與液相傳質阻力成正比，為了減小傳質阻力，提高柱效，應該使涂在擔體表面的固定液液膜薄一些，同時還可縮短分析時間。當然固定液用量也不能太低，因為固定液液膜越薄，允許進樣量越小，對檢測器靈敏度要求就越高。,此外，液膜太薄時，若不能把擔體表面完全覆蓋住，還可能會引起不可逆吸附，出現(xiàn)不對稱峰，反而降低柱效。在決定液擔比時，應從擔體的種類、試樣的沸點，進樣量等各方面加以考慮。液擔比一般為3%25%。,4柱材料、柱長度和柱內徑的選擇 氣相色譜填充柱通常有玻璃柱和不銹鋼柱，玻璃柱表面惰性好，但密封操作不方便，容易破碎，不銹鋼柱則相反。一般在不適宜用不銹鋼柱時才選用玻璃柱。,增加柱長度L，可以提高柱效，但同時分析時間延長。所以在滿足分離的前題下，盡量使用短柱，一般柱長為26 m。 柱內徑大，則柱容量大，但填充不易均勻，降低柱效，通常使用內徑為36 mm柱。,5柱溫的選擇 柱溫是氣相色譜分離的重要條件。選擇柱溫首先要考慮每種固定液都有一定的使用溫度范圍，柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否則會引起固定液揮發(fā)或分解而流失。柱溫也不能低于它的最低使用溫度，否則它可能為固態(tài)。,柱溫直接影響K、k，柱溫升高，使K變小，從而k、r21變小，即組分的保留時間減小，選擇性變差。所以，若要提高柱的選擇性，宜采用較低柱溫。但柱溫太低，又會使組分在氣、液兩相的擴散系數(shù)Dg、Dl大為減小，從而使傳質阻力項C增大，使峰形變寬，柱效下降， 。,并且由于不能迅速達到平衡，延長了分析時間。所以要權衡兩者利弊，全面考慮。柱溫的選擇原則是：在難分離組分對得到良好分離、而保留時間適宜、且色譜峰不拖尾的前題下，盡可能采用低的柱溫。,柱溫的選擇還必須考慮試樣的沸點。沸點高的混合物采用較高的柱溫，反之，采用較低柱溫。對于沸點范圍較寬的試樣，則宜采用程序升溫方式，即柱溫按預定的加熱程序，隨時間作線性或非線性的增加。在較低的初始溫度時，沸點較低的組分（即最早流出的峰）可以有,較適宜的 k，而得到良好的分離。隨著柱溫的增加，較高沸點的組分也能較快地流出，并能得到良好的色譜峰型。否則，若采用恒定的柱溫（如中間溫度），對低沸點組分，柱溫可能偏高，組分很快流出色譜柱，組分不能分離。而對高沸點組分，這一柱溫又顯偏低，k 值大，出峰太慢，且峰形變寬。,下圖顯示了多組分寬沸程試樣在恒定柱溫和程序升溫操作時的不同效果。由此看出程序升溫的優(yōu)點是可以提高分離效率，改善峰形，縮短分析時間。,（二）載氣種類及其流速的選擇,1載氣種類的選擇 首先應考慮檢測器對載氣的要求，如電子捕獲檢測器要求高純氮作載氣。熱導檢測器則選用H2或He作載氣，因為它們的熱導系數(shù)大，靈敏度高。然后再考慮所選用的載氣有利于提高柱效和分析速度。對載氣要求純度高于99.99%，干燥、不含氧氣。通常用分子篩除去水分，用活性炭除去烴類雜質，用氧阱除氧。,2載氣流速的選擇 范氏方程可以看出，分子擴散項與載氣流速成反比，傳質阻力項與載氣流速成正比，所以必然有一最佳流速，H最小，柱效最高。最佳載氣流速一般通過實驗來選擇，具體方法是固定其它實驗條件，依次改變載氣流速，測定某組分的保留時間和峰寬度，計算出n和H，以塔板高度H對流速u作圖，得Hu曲線圖,由曲線可以看出，曲線有一最低點，塔板高度H最小，此時柱效最高。該點所對應的流速即為最佳流速。實際工作中，往往使流速稍高于最佳流速，這樣柱效改變不明顯，但可縮短分析時間。,1氣化室溫度的選擇 為了使試樣在進樣后被完全瞬間氣化，以“試樣塞”的形式進入色譜柱，必須對氣化室進行控溫，而且溫度應適當高一些，一般比柱溫高30 70 。但氣化溫度不能太高，否則會使試樣組分分解。,（三）進樣條件的選擇,2進樣量的選擇 進樣量的大小與柱中固定液的用量有關。固定液用量高，則允許的進樣量也大些，組分就容易被檢測器檢出。但如果進樣量太多，會影響組分的分離。最大允許進樣量應控制在使峰面積與進樣量呈線性的范圍內。一般液體試樣0.15 l，氣0.110 ml。,一般液體試樣用微量注射器進樣，氣體試樣用六通閥或注射器進樣。進樣要求迅速，否則試樣原始寬度變大，峰形必然變寬，甚至變形。,六 通 閥,（四）檢測器溫度選擇,檢測器選定以后，檢測器的溫度一般比柱溫高1020，以使樣品不在此凝結，污染檢測器。但要注意不能超過檢測器的最高允許使用溫度，如電子捕獲檢測器，若超過最高允許溫度，會發(fā)生放射源流失，既損壞檢測器，又污染環(huán)境，對人體造成危害。,總之，色譜條件選擇的總原則可概括為：,分得開、峰形窄，出峰快。,第四節(jié) 氣相色譜固定相和色譜柱,在氣相色譜分析中，各組分能否完全分離，除了與選擇的操作條件是否適當有關外，更主要的是取決于色譜柱的性能，確切地說是固定相的性能。,氣相色譜固定相主要有固體固定相、液體固定相和合成固定相三種類型。其中固體固定相是一些吸附劑，較簡單。最常用的是涂漬在擔體上的液體固定相和新型的合成固定相。這里主要介紹后兩種。,一、固定相,氣液色譜法中使用的液體固定相由固定液和擔體構成。,（一）擔體 擔體（又稱載體）是一種化學惰性的多孔固體顆粒，它的作用是提供一個大的惰性表面，用以承載固定液，使固定液在其表面形成一層薄而均勻的液膜。,1對擔體的要求 （1）表面積較大，表面多孔且孔徑分布均勻，使固定液與試樣的接觸面較大。 （2）具有化學惰性，即表面沒有吸附中心或吸附性很弱，不與試樣組分發(fā)生化學化反應或產生不可逆吸附。 （3）具有一定的機械強度，熱穩(wěn)定性好。,2擔體的種類和性能 氣相色譜用的擔體大致可以分為硅藻土型和非硅藻土型。硅藻土型又可以分為紅色擔體和白色擔體。非硅藻土型有氟擔體、玻璃微球擔體、高分子多孔微球等。,硅藻土型擔體，是天然硅藻土經煅燒而成的。紅色擔色煅燒時，天然硅藻土中所含的鐵形成氧化鐵，而使擔體呈淡紅色。紅色擔體機械強度好，表面孔穴密集，孔徑較小，比表面積大，但表面存在活性中心。分析強極性物質時，其色譜峰易拖尾。故一般用來涂漬非極性固定液，分析非極性或弱極性物質。,白色擔體是在煅燒前于硅藻土原料中加入少量助熔劑Na2CO3，煅燒后，其中的氧化鐵生成無色的鐵硅酸鈉配合物，使硅藻土變成白色。由于煅燒時加入助熔劑，使其顆粒較疏松，所以機械強度較差，表面孔徑較大，比表面積小。但其表面活性中心少，吸附性小，故一般用來涂漬極性固定液、分析極性或氫鍵型物質。,非硅藻土型擔體，應用范圍較小，通常是利用其特殊性能作一些特殊分析。如氟擔體用于分析腐蝕性氣體，玻璃微球用于分析高沸點和易分解物質。,3擔體的預處理 擔體表面并非理想的完全惰性，表面存在活性中心，使擔體表面具有吸附活性或催化活性，導致色譜峰拖尾或擔體與組分間發(fā)生化學反應及不可逆吸附。因此，擔體（尤其是紅色擔體）在使用前，需經預處理，以改進擔體孔隙結構，屏蔽活性中心，提高柱效率。處理的方法有酸洗、堿洗、硅烷化和釉化等。,（二）合成固定相 合成固定相是指幾種人工合成的新型固定相，它們既能直接作為氣相色譜的固定相，又可作為擔體，在表面涂上固定液后再用于分離。合成固定相主要有高分子多孔微球和鍵合固定相等。,高分子多孔微球GDX，是苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，GDX-1、GDX-2型是非極性的，GDX-3、GDX-4型是極性的。高分子多孔微球特別適合于分析有機物中痕量的水，也可用于多元醇、脂肪醇、腈、胺等極性物質的分析。,鍵合固定相是以球形多孔硅膠為母體，將具有一定官能團的有機化合物分子，通過化學反應鍵合到載體表面上，就形成鍵合固定相。這種固定相熱穩(wěn)定性好，不會發(fā)生固定液流失，分離效率高，柱壽命長。它主要用于各種烴及含氧化合物的分析。,（三）固定液 固定液一般都是些高沸點的有機化合物，在操作溫度下為液態(tài)，在室溫時為固態(tài)或液態(tài)。,1對固定液的主要要求 （1）選擇性高，對試樣中性質（極性、結構或沸點）相近的不同組分有盡可能高的分離能力。,（2）化學穩(wěn)定性高，不與擔體、載氣及被測物質發(fā)生不可逆的化學反應。 （3）揮發(fā)性小，熱穩(wěn)定性高，要求在使用的溫度下，基本不揮發(fā)。,2固定液的分類 固定液有近千種，最常用的有幾十種。通常將其按極性分類，可分為非極性、中等極性、強極性和氫鍵型四種類型。,極性大小可以用相對極性來表示，其方法有百分分度法和五級分度法兩種。百分分度法規(guī)定氧二丙腈的相對極性p = 100，角鯊烷的p = 0 ，通過比較，其它固定液的極性在0100之間。,五級分度法將0100分為五級，每20為一級，用（+）表示。01為非極性（也用-1表示）、+2+3為中等極性、+4+5為強極性和氫健型四種類型。,（1）非極性固定液 固定液分子中不含極性基團或含少量易極化基團（例如甲基、亞甲基），常用的有角鯊烷、十六烷、硅油等。,（2）中等極性固定液 固定液分子中含有較大的烷基和少量的極性基團或易極化基團（例如苯基），常用的有OV-17（甲基苯基硅油）、DNP（鄰苯二甲酸二壬酯）。,（3）強極性固定液 固定液分子中含有強的極性基團和小的烷基（例如含氰乙基），這類固定液常用的有氧二丙腈、DEGS（丁二酸二乙二醇聚酯）等。,（4）氫鍵型固定液 也是極性固定液中的一類，分子中有OH、COOH、NH2、NH等易形成氫鍵的基團。常用的有聚乙二醇類（聚乙二醇，分子量從300到20000）。,3固定液的選擇 固定液的選擇目前尚無嚴格的規(guī)律可循，主要靠實踐經驗及由此歸納出來的經驗規(guī)律。一般認為可根據(jù)“相似相溶”的原則來選擇，即按被分離組分的極性或官能團與固定液相似的原則來選擇。,當選擇的固定液的性質與待分離組分間極性或官能團等相似時，它們分子間的作用力就較強，組分在固定液中的溶解度較大，即分配系數(shù)較大，組分在柱內保留時間就長，不同組分的保留時間差別也增大，這樣就易于相互分離。,如欲分離非極性混合物時，應選用非極性固定液，這時固定液與組分之間的作用力主要是色散力，試樣中各組分按沸點順序流出色譜柱。若試樣中包含有極性組分，當沸點相同時，極性組分先流出。,二、氣液色譜填充柱的制備,氣液色譜填充柱的分離效能高低不僅與固定液和擔體的選擇有關，還與填充柱的制備技術有關。填充柱的簡單制備步驟如下：,（一）固定液的涂漬 根據(jù)液擔比，稱取一定量的固定液和擔體，將固定液溶解于適量的揮發(fā)性溶劑中，然后在通風柜中將擔體加入到固定液的溶液中，使擔體完全浸沒在溶液中，不時地輕輕搖動或攪拌，讓溶液中的溶劑均勻揮發(fā)，以保證固定液能均勻分布在擔體表面，必要時可在紅外燈下加熱除去溶劑。常用的溶劑有乙醚、氯仿、乙醇、丙酮、苯等。,（二）色譜柱的填充 把清洗后的色譜柱的后端（接檢測器一端）塞上玻璃棉，接真空泵，前端（接氣化室一端）接一小漏斗，在泵的抽吸下，慢慢加入固定相，并用小木棒輕輕敲擊柱管，直到固定相不再進入為止，使固定相裝得均勻而緊密。柱子裝填好后，在柱前端也塞上玻璃棉。,（三）色譜柱的老化 為了徹底除去填料中存留的溶劑及揮發(fā)性雜質，并促使固定液均勻牢固地分布在擔體表面，裝填好的色譜柱在使用前還要進行老化。老化的方法是將色譜柱的前端與色譜儀的氣化室出口連接，后端直接放空，不接檢測器，接通載氣，在低于最高允許柱溫2030的條件下老化824 h小時。將老化后的柱子后端與檢測器相連，繼續(xù)加熱，直到記錄儀上基線平直后，方可用于試樣分離。,三、毛細管色譜柱 毛細管柱有涂壁空心柱、涂載體空心柱、多孔層空心柱和填充毛細管柱等各種類型。毛細管柱由于柱子長、柱效高、柱滲透性好、所以分離效率高，分析速度快，但由于可進樣量小，靈敏度有時較低。將各種類型的毛細管色譜柱簡要介紹如下： 。,（一）涂壁空心柱（wall coated open tubular column，WCOT） 又稱涂壁開管柱，固定液涂在毛細管內壁表面上。柱效高，分析速度快，但固定液易流失，柱壽命較短。,（二）涂載體空心柱（support coated open tubular column，SCOT） 其制法是先將載體粘在厚壁玻璃管內壁上，然后將玻璃管加熱拉制成毛細管，使載體均勻地分布在毛細管內壁，再涂上固定液就制成了。這種柱子也具有柱效高、分析速度快的優(yōu)點，而且柱容量比WCOT大，能注入較大量的試樣。,（三）多孔層空心柱（porous layer open tubular column，PLOT） 其制法是在空心毛細管上，沉積一層多孔性物質，它可以是吸附劑，也可以是供涂布固定液的載體。與其他空心毛細管柱一樣，它具有高效快速的優(yōu)點，而且柱容量也比WCOT大。,（四）填充毛細管柱（packed capillary column） 其制法是在拉制前先將固定相裝入玻璃管內，然后再進行拉制。這種柱的選擇性較好，但柱子的滲透率較低。,第五節(jié) 氣相色譜檢測器,檢測器是氣相色譜儀的另一重要的組成部分，其作用是把從色譜柱流出的各組分的含量變化轉變成可測量的電信號（電流或電壓）變化，由記錄儀記錄下來，進行定量和定性分析。,常用的檢測器有熱導檢測器、火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器、火焰光度檢測器、氮磷檢測器等。由于熱導檢測器靈敏度較低，而衛(wèi)生分析中一般被分析物質含量都很低，所以應用不多，這里不作介紹。,檢測器根據(jù)其不同檢測原理，可分為濃度型檢測器和質量型檢測器兩類。濃度型檢測器產生的電信號大小與進入檢測器的載氣中組分的濃度成正比。質量型檢測器產生的電信號大小與單位時間內通過檢測器的物質的質量成正比,一、檢測器的性能指標 對檢測器的要求是響應快、靈敏度高、噪音小、穩(wěn)定性好、線性范圍寬。評定檢測器性能的技術指標主要有靈敏度S、敏感度D和線性范圍等。,（一）靈敏度 靈敏度是指單位濃度或質量的被測組分通過檢測器時所產生的響應信號值。當一定量的試樣組分Q進入檢測器后，就產生一定的響應信號R，如以檢測器響應信號與進樣量作圖，就可得到RQ直線。,直線斜率就是檢測器的靈敏度，即靈敏度是響應信號R對進樣量的變化率：,對于濃度型檢測器，靈敏度以Sc表示，單位為mVml/mg，表示每毫升載氣中含有1 mg被測組分時，在檢測器上產生的毫伏數(shù)；對于質量型檢測器，靈敏度以Sm表示，單位為mVs/g，表示在單位時間內進入檢測器1 g被測組分時，在檢測器上產生的毫伏數(shù)。,（二）敏感度 亦稱檢出限或檢測限。是指檢測器產生恰能與噪聲相鑒別的響應信號時，單位時間進入檢測器的某物質的質量（對于質量型檢測器）或單位體積載氣中所含某物質的質量（對濃度型檢測器）。,通常認為恰能與噪聲相鑒別的響應信號至少應等于檢測器噪聲的兩倍。敏感度D定義為：,式中，N為檢測器的噪聲，指在沒有試樣通過檢測器時基線波動的毫伏數(shù)。S為檢測器的靈敏度。從公式可見，靈敏度越大，噪聲越小，則敏感度值越小，即檢出限越低，所以要降低儀器的檢出限，一方面需要提高儀器靈敏度，同時還要盡量降低噪聲水平。,最小檢出量 定義為檢測器恰能產生二倍于噪聲信號時進入色譜柱的最小物質量，用Q0表示。敏感度與進入檢測器的物質量有關，通常很難確定；而最小檢出量與進入色譜柱的最小物質量有關，是可測的。顯然，敏感度D表示的是檢測器性能的好壞；而最小檢出量Q0除與檢測器性能有關外，還與色譜柱的柱效率和操作條件有關。,（三）線性范圍 檢測器的線性范圍是指信號與被測物質的濃度（或質量）成線性關系的濃度范圍，可用最大允許進樣量與最小檢出量Q0的比值來表示。不同組分在同一檢測器的線性范圍可能不一樣，線性范圍越寬，越有利于該檢測器對組分的不同含量準確定量。,二、檢測器的結構、原理和應用,（一）火焰離子化檢測器（flame ionization detector，F(xiàn)ID）,火焰離子化檢測器又稱氫焰檢測器，是一種高靈敏度的檢測器。屬于質量型檢測器。,FID檢測器是利用有機物在氫火焰中燃燒成離子，在高壓電場作用下形成離子流電信號。,需要注意，有機物的電離程度與被測組分的性質有關，所以相同量的不同物質，產生的電信號大小可能不同。,當沒有有機物通過檢測器時，火焰中的離子極少（只是由氣體中雜質及流失的固定液在火焰中離解產生的離子），這時形成的微電流稱為基始電流（基流）。通過觀察是否有基流產生，來判斷氫火焰是否點燃。,FID主要結構如圖所示。,載氣、氫氣及空氣的流量對靈敏度影響較大，一般以H2 : N2 : 空氣 = 1 : 11.5 : 10較為理想，火焰溫度較高，有機物離子化程度較高，噪聲較小，基線較平穩(wěn)。,調節(jié)好檢測器的溫度，防止水蒸汽的冷凝。另外，要注意安全，氫氣鋼瓶一定要用專用鋼瓶，氫氣管路不能漏氣。,FID的主要優(yōu)點是對大多數(shù)有機化合物都有較高的靈敏度， 其檢出限可達10-12 g/s。具有結構簡單，穩(wěn)定性好，響應快， 線性范圍寬等優(yōu)點，是目前應用最廣泛的檢測器。 適合于大氣及水中痕量有機物的分析。,（二）電子捕獲檢測器（electron capture detector，ECD） 電子捕獲檢測器是一種對電負性物質有高選擇性和高靈敏度的檢測器。它是利用放射源產生的放射線使載氣分析離子化，形成穩(wěn)定基流。當有含電負性基團的組分通過檢測器時，俘獲電子，使基流下降而產生信號。,ECD 使用時要注意一定不能超過其最高使用溫度（3H 為 250 以下，63Ni為 350 以下），以防止放射源流失。否則，不僅損壞檢測器，且造成放射污染。,使用的N2一定要高純度99.99%以上，載氣中微量的O2和H2O對檢測器影響較大，需凈化處理。且進樣量不宜過大，尤其是高沸點物質，以防止污染檢測器。平時不用時要將檢測器出口堵住，或一直低速度通高純氮，防止空氣擴散進去。,電子捕獲檢測器只對含有鹵素、硫、磷、氮、氧等電負性強的元素的物質有響應，化合物所含元素的電負性越強，靈敏度越高。例如，能測出試樣中含量僅有10-14 g/ml的六六六農藥殘留。在衛(wèi)生分析中常用于農藥殘留、環(huán)境污染物、食品添加劑等分析。,（三）火焰光度檢測器（flame photometric detector，F(xiàn)PD） 火焰光度檢測器，又叫硫磷檢測器，是一種只對含硫和含磷的有機化合物具有高選擇性和高靈敏度的檢測器。,使用FPD檢測器時，由于要使用氫氣，要注意安全。點火時，檢測器溫度應在100以上，氫氣和氧氣比例要保持富氧，以防止燃燒室積水和點火時爆鳴。測定時使用富氫火焰。采用雙光路火焰光度檢測器，可同時檢測硫磷化合物。,在火焰光度檢測器上，有機硫、磷的檢測限比碳氫化合物低一萬倍，因此可以排除大量的溶劑峰和碳氫化合物的干擾，非常適用于大氣、水和食品中痕量磷或硫污染物的分析。衛(wèi)生分析中常用于有機磷、有機硫農藥殘留量的測定。,（四）氮磷檢測器（nitrogen phosphorus detector，NPD） 氮磷檢測器（NPD）也稱熱離子檢測器（TID），是一種只對含氮或磷的有機化合物具有高選擇性和高靈敏度的檢測器。廣泛用于環(huán)保、食品、農藥、法醫(yī)和生化檢驗等多方面。,對于含N或含P化合物的測定，NPD比FID分別靈敏大約50倍和500倍。因此適用于含氮或磷的藥物及代謝產物等痕量分析。,第六節(jié) 氣相色譜的定性定量分析,一、定性分析,GC法主要依據(jù)組分的保留值來定性，這一般需要有已知標準物來進行對照。所以通常GC只能用于范圍已知的試樣的定性，而鑒定范圍未知的試樣往往有困難。近年來，色譜與質譜、光譜等方法的聯(lián)用，為未知物的定性分析提供了新的有效手段。,（一）利用已知的純物質對照定性,1保留值定性,在完全相同的條件下，分別測定并比較純物質和被測未知組分的保留值，若兩者的保留值相同，則該組分于已知純物質可能是同一物質。 必須嚴格控制條件（包括進樣技術）,2標準加入法定性,當試樣比較復雜，相鄰的組分保留值很接近，或操作條件不易控制穩(wěn)定時，可以在得到未知試樣的色譜圖后，將待測組分的純物質加入試樣中，在相同條件下再次進行分析，又得到一色譜圖。對比兩個色譜圖，如果某一色譜峰高增加，則該組分與純物質可能是同一物質。,3雙柱（多柱）定性,在一根色譜柱上用保留值對物質進行定性時不一定可靠，因為不同物質有可能在同一色譜柱上具有相同的保留值。所以，要想使定性結果更加可靠，應采用雙柱或多柱法進行定性，即采用兩根或多根極性不同的色譜柱進行分析，觀察待測組分和標準物的保留值是否始終一致。,（二）利用文獻數(shù)據(jù)定性,1相對保留值定性,由于相對保留值只受柱溫和固定液影響，與其它操作條件無關，所以只要以上兩項實驗條件與文獻相同，選用相同的標準物質，就可進行比較，而不受其它操作條件的影響。,2利用保留指數(shù)定性,保留指數(shù)法是將正構烷烴的保留指數(shù)規(guī)定為100Z（Z代表碳數(shù)），而其它物質的保留指數(shù)Ii則用兩個相鄰正構烷烴的保留指數(shù)來標定，其計算公式如下：,需要注意的是，利用文獻保留值定性時，未知物的相對保留值或保留指數(shù)的測定必須在文獻所規(guī)定的色譜柱（固定液）和柱溫條件下進行。,（三）與其它儀器分析方法結合定性,當對試樣中所含組分完全未知時，可采用與其它儀器聯(lián)用的方法進行定性。氣相色譜法可將混合物分離為單個純組分，而紅外、核磁共振、質譜等可鑒定未知物的結構，但要求被鑒定的未知物為純組分。因此，將這兩類方法聯(lián)用，發(fā)揮各自的特長，是解決未知物定性問題的最有效手段。,二、定量分析,（一）定量分析依據(jù),一定操作條件下，進入檢測器某組分的質量mi與檢測器的響應信號（峰面積Ai或峰高hi）成正比，即：,定量校正因子,由于峰面積的大小不僅與組分的含量有關，而且還與組分的性質和檢測器的性能有關，所以兩個相等量的不同物質在同一檢測器上可能具有不同的響應值，色譜峰的面積不相等，即fi不相等。,這樣峰面積的大小不能直接表明物質的含量大小，也不能用某組分的峰面積占所有組分峰面積的比來計算它在試樣中的質量分數(shù)，而需要分別求出不同組分的定量校正因子。,校正因子分為絕對校正因子和相對校正因子。,表示單位峰面積所代表的物質質量。主要由儀器靈敏度決定，受操作條件影響，既不容易準確測定，也無法直接應用。,絕對校正因子,相對校正因子,相對校正因子只與試樣、標準物質及檢測器類型有關，而與操作條件無關。因而是一個能通用的常數(shù)，許多化合物的相對校正因子可以從氣相色譜的文獻書籍中查閱，也可測量。,通常所說的校正因子一般是指相對校正因子，“相對”兩字常略去。由于被測組分的量可用質量、物質的量、體積等表示，校正因子也相應地可用質量校正因子fm、物質的量校正因子fn、體積校正因子fV表示。其中質量校正因子最常用。,在色譜分析中，通常采用峰面積定量法。若操作條件嚴格不變，以及在一定進樣量范圍內半峰寬不隨組分含量改變、峰形較窄且呈正態(tài)分布時，也可以用峰高定量法。用峰高定量更快速、簡便。,（二）定量方法,1外標法,外標法也稱標準曲線法。,此法的優(yōu)點是操作簡便，計算方便，是最常用的定量分析方法。它不必求校正因子，不必加內標物。分析結果的準確度主要由進樣量的重現(xiàn)性和操作條件的穩(wěn)定程度所決定，所以對進樣技術和色譜條件的穩(wěn)定性要求較高。,2內標法,外標法常因進樣量不準或操作條件不易控制穩(wěn)定一致而引起誤差。內標法是將一定量的某純物質作為內標物，加入到準確稱量的試樣中，根據(jù)內標物及試樣的質量以及色譜圖上的峰面積計算待測組分的含量。,內標法的優(yōu)點是定量準確，操作條件不必嚴格控制，進樣量也不必十分準確，缺點是每次分析時，試樣及內標物都要準確稱量。,內標物的選擇選擇原則是： 內標物應是試樣中不存在的純物質； 內標物色