第八章、氣相色譜法050707

第八章（第一節(jié)）氣相色譜法概述

一、色譜法的由來

1.1906年由俄國植物學(xué)家茨維特創(chuàng)立，用來分離植物色素見圖示

2．現(xiàn)在：一種重要的分離、分析技術(shù)分離混合物各組分并加以分析固定相——CaCO3顆粒流動相——石油醚

色帶二、何謂色譜法？目的？色譜法是一種分離技術(shù)試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進行分配，從而實現(xiàn)混合物分離、分析的一種方法。其中的一相固定不動，稱為固定相；另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體（氣體或液體），稱為流動相。目的：定性分析或定量分析1．按兩相分子的聚集狀態(tài)分：流動相固定相類型液體固體液-固色譜液體液體液-液色譜氣體固體氣-固色譜氣體液體氣-液色譜液相色譜氣相色譜2．按固定相的固定方式分：

填充柱色譜

毛細管柱色譜

紙色譜

薄層色譜

高分子薄膜色譜柱色譜平面色譜三、分類：3．按分離機制分：分配色譜：利用分配系數(shù)的不同

吸附色譜：利用物理吸附性能的差異

離子交換色譜：利用離子交換原理

空間排阻色譜：利用排阻作用力的不同色譜法簡單分類四、色譜法的特點1.優(yōu)點：“三高”、“一快”、“一廣”高選擇性——可將性質(zhì)相似的組分分開高效能——反復(fù)多次利用組分性質(zhì)的差異產(chǎn)生很好分離效果高靈敏度——10-11~10-13g，適于痕量分析分析速度快——幾~幾十分鐘完成分離一次可以測多種樣品應(yīng)用范圍廣——氣體，液體、固體物質(zhì)化學(xué)衍生化再色譜分離、分析

2.缺點：對未知物分析的定性專屬性差需要與其他分析方法聯(lián)用(GC-MS,LC-MS)五、氣相色譜簡介

1.氣相色譜儀器圖片五、氣相色譜簡介2.氣相色譜儀器構(gòu)成流程圖1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計;6-壓力表；7-進樣器；8-色譜柱;9-熱導(dǎo)檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；載氣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)記錄系統(tǒng)溫控系統(tǒng)五、氣相色譜簡介2.氣相色譜儀器主要部件

（1）載氣系統(tǒng)包括氣源、凈化干燥管、載氣流速控制和測量常用的載氣有：氫氣、氮氣、氦氣；凈化干燥管：去除載氣中的水、有機物等雜質(zhì)（依次通過分子篩、活性炭等）；載氣流速控制及測量：減壓閥、針形穩(wěn)壓閥、流量計，壓力表控制載氣流速恒定。五、氣相色譜簡介2.氣相色譜儀器主要部件

（2）進樣系統(tǒng)進樣裝置：進樣器+氣化室；氣體進樣器（六通閥）：推拉式和旋轉(zhuǎn)式兩種。試樣首先充滿定量管，切入后，載氣攜帶定量管中的試樣氣體進入分離柱；液體進樣器：不同規(guī)格的專用注射器，填充柱色譜常用10μL；毛細管色譜常用1μL；新型儀器帶有全自動液體進樣器，清洗、潤沖、取樣、進樣、換樣等過程自動完成，一次可放置數(shù)十個試樣。

氣化室:將液體試樣瞬間氣化的裝置。無催化作用。五、氣相色譜簡介2.氣相色譜儀器主要部件

（3）色譜柱（分離柱）色譜柱：色譜儀的核心部件。

柱材質(zhì)：不銹鋼管或玻璃管，內(nèi)徑3-6毫米。長度可根據(jù)需要確定。

柱填料：粒度為60-80或80-100目的色譜固定相。

液-固色譜：固體吸附劑液-液色譜：擔(dān)體+固定液

柱制備對柱效有較大影響，填料裝填太緊，柱前壓力大，流速慢或?qū)⒅滤溃粗障扼w積大，柱效低。有關(guān)固定液性質(zhì)及其選擇見下一節(jié)。五、氣相色譜簡介

2.氣相色譜儀器主要部件

（4）檢測及記錄系統(tǒng)通常由檢測元件、放大器、顯示記錄三部分組成；被色譜柱分離后的組分依次進入檢測器，按其濃度或質(zhì)量隨時間的變化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖；常用的檢測器：熱導(dǎo)檢測器、氫火焰離子化檢測器；有關(guān)檢測器原理、結(jié)構(gòu)見第三節(jié)。五、氣相色譜簡介

2.氣相色譜儀器主要部件

（5）溫度控制系統(tǒng)溫度是色譜分離條件的重要選擇參數(shù)；氣化室、分離室、檢測器三部分在色譜儀操作時均需控制溫度；氣化室：保證液體試樣瞬間氣化；檢測器：保證被分離后的組分通過時不在此冷凝；分離室：準確控制分離需要的溫度。當(dāng)試樣復(fù)雜時，分離室溫度需要按一定程序控制溫度變化，各組分在最佳溫度下分離1.基線、噪音和漂移基線

無試樣通過檢測器時，檢測到的信號即為基線。噪音：由各種因素所引起的噪音起伏（儀器越好，噪音越?。┢疲夯€隨時間定向的緩慢變化（儀器未穩(wěn)定造成）六色譜流出曲線與術(shù)語六色譜流出曲線與術(shù)語2.保留值（色譜定性參數(shù)）（1）時間表示的保留值保留時間（tR）：組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時所需的時間；死時間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時間；調(diào)整保留時間（tR＇）：tR＇=tR－tM

（2）用體積表示的保留值保留體積（VR）：從進樣開始到柱后被測組分出現(xiàn)濃度最大值時所通過的載氣體積VR=tR×F0

F0為柱出口處的載氣流量，單位：mL/min。

死體積（VM）：

VM=tM×F0調(diào)整保留體積(VR＇)：

V

R＇=VR－VM

六色譜流出曲線與術(shù)語3.相對保留值r21（選擇性系數(shù)α）組分2與組分1調(diào)整保留值之比：相對保留值只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性，是色譜定性分析的重要參數(shù)。六色譜流出曲線與術(shù)語4．色譜峰的區(qū)域?qū)挾龋荷V柱效參數(shù)用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標準偏差()：正態(tài)分布色譜曲線兩拐點距離的一半，即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2)：色譜峰高一半處的寬度Y1/2=2.354（3）峰底寬(Wb)：正態(tài)分布色譜曲線兩拐點切線與基線相交的截距Wb=4注：除了用于衡量柱效，還可以計算峰面積，作為定量的依據(jù)第二節(jié)氣相色譜分析理論基礎(chǔ)

一、氣相色譜分析的基本原理

色譜分離過程當(dāng)試樣由載氣攜帶進入色譜柱與固定相接觸時，被固定相溶解或吸附。隨著載氣的不斷通入，被溶解或吸附的組分又從固定相中揮發(fā)或脫附，揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動時又再次被固定相溶解或吸附。隨著載氣的流動，溶解、揮發(fā)，或吸附、脫附的過程反復(fù)地進行。

二、分配系數(shù)K與容量因子k

1.分配系數(shù)K試樣一定時，K主要取決于固定相性質(zhì)一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣中的各組分具有不同的K值是分離的基礎(chǔ)；某組分的K=0時，即不被固定相保留，最先流出。在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的濃度比，稱為分配系數(shù)，用K表示，即：二、分配系數(shù)K與容量因子k

2.容量因子k式中β為相比。填充柱相比：6～35；毛細管柱的相比：50～1500容量因子越大，保留時間越長?？捎杀Ａ魰r間計算出容量因子，兩者有以下關(guān)系：分配系數(shù)K：組分在兩相間的濃度比；容量因子k：平衡時，組分在各相中總的質(zhì)量比；

k=MS/MmMS為組分在固定相中的質(zhì)量，Mm為組分在流動相中的質(zhì)量。容量因子k與分配系數(shù)K的關(guān)系為：第五節(jié)氣相色譜檢測器§5.1檢測器特性specificpropertyofdetector§5.2熱導(dǎo)檢測器TCDthermalconductivitydetector§5.3氫火焰離子化檢測器flameionizationdetector,FID§5.4電子捕獲檢測器electroncapturedetector,ECD§5.5其他檢測器otherdetector第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.1檢測器特性（p42）1.檢測器類型濃度型檢測器：

測量的是載氣中通過檢測器組分濃度瞬間的變化，檢測信號值與組分的濃度成正比。熱導(dǎo)檢測器；質(zhì)量型檢測器：

測量的是載氣中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測信號值與單位時間內(nèi)進入檢測器組分的質(zhì)量成正比。FID；廣普型檢測器：

對所有物質(zhì)有響應(yīng)，熱導(dǎo)檢測器；專屬型檢測器：

對特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)，電子俘獲檢測器；第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.1檢測器特性2.檢測器性能評價指標響應(yīng)值（或靈敏度）S：在一定范圍內(nèi)，信號E與進入檢測器的物質(zhì)質(zhì)量m呈線性關(guān)系：E=Sm即：

S=E/m

S表示單位質(zhì)量（或濃度）的物質(zhì)通過檢測器時，產(chǎn)生的響應(yīng)信號的大小。S值越大，檢測器（也即色譜儀）的靈敏度也就越高。線性范圍

是指試樣量與訊號保持線性關(guān)系的范圍。3.最低檢測限（最小檢測量）噪聲水平?jīng)Q定著能被檢測到的濃度（或質(zhì)量）。若要把信號從本底噪聲中識別出來，則組分的響應(yīng)值就一定要高于N。檢測器響應(yīng)值為2倍噪聲水平時的試樣濃度（或質(zhì)量），被定義為最低檢測限（或該物質(zhì)的最小檢測量）。第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.2熱導(dǎo)檢測器（thermalconductivitydetector,TCD）熱導(dǎo)檢測器的結(jié)構(gòu)惠斯通電橋測量臂——接在色譜柱后通樣品氣體+載氣，電阻為R1參比臂——接在色譜柱前只通載氣，電阻R2兩個等阻值電阻R3=R4池體:

一般用不銹鋼制成熱敏元件:電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、且價廉易加工的鎢絲制成。2．檢測原理：依據(jù)組分與載氣的熱導(dǎo)率差別進行檢測1）進樣前：兩臂均通載氣時2）進樣后：測量臂通樣品氣體+載氣參比臂通載氣時第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.2熱導(dǎo)檢測器（thermalconductivitydetector,TCD）（1）橋路工作電流↑，靈敏度↑

但電流太大會造成基線不穩(wěn)，靈敏度足夠時，橋流應(yīng)盡可能?。?）熱導(dǎo)池體溫度↓，池體與熱絲溫差↑，靈敏度↑但溫度太低易造成被測組分冷凝。保證T檢>T柱，以免造成檢測器污染（3）⊿λ↑，靈敏度↑，一般物質(zhì)的熱導(dǎo)系數(shù)都比較小，選λ大的做載氣。λH2>λHe>λN2——選氫氣做載氣（4）熱敏元件阻值↑，靈敏度↑第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.2熱導(dǎo)檢測器（thermalconductivitydetector,TCD）3．影響因素及注意事項第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.2熱導(dǎo)檢測器（thermalconductivitydetector,TCD）

4．特點：濃度型檢測器優(yōu)點：

1）通用型，應(yīng)用廣泛2）結(jié)構(gòu)簡單3）穩(wěn)定性好4）線性范圍寬5）不破壞組分，可重新收集制備缺點：與其他檢測器比靈敏度稍低（因大多數(shù)組分與載氣熱導(dǎo)率差別不大）(1)典型的質(zhì)量型檢測器;(2)對含碳有機化合物具有很高的靈敏度;(3)無機氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng);氫焰檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點;比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高出近3個數(shù)量級，檢測下限可達10-12g·g-1。缺點：燃燒會破壞離子原形，無法回收（制備純物質(zhì)，不采用）第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.3氫火焰離子化檢測器（flameionizationdetector,FID）1．特點：第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.3氫火焰電離檢測器（flameionizationdetector,FID）2．檢測器的結(jié)構(gòu)：在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100—300V）構(gòu)成一個外加電場。

氫焰檢測器需要用到三種氣體：

N2：載氣攜帶試樣組分；

H2

：為燃氣；空氣：助燃氣。使用時需要調(diào)整三者的比例關(guān)系，檢測器靈敏度達到最佳。第五節(jié)氣相色譜檢測器

§5.3氫火焰電離檢測器（flameionizationdetector,FID）3.檢測器的原理(1)當(dāng)含有機物CnHm的載氣由噴嘴噴出進入火焰時，在C層發(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)生自由基：

CnHm──→·CH(2)產(chǎn)生的自由基在D層火焰中與外面擴散進來的激發(fā)態(tài)原子氧或分子氧發(fā)生如下反應(yīng)：

·CH+O──→CHO++e(3)生成的正離子CHO+與火焰中大量水分子碰撞而發(fā)生分子離子反應(yīng)：

CHO++H2O──→H3O++COA區(qū)：預(yù)熱區(qū)B層：點燃火焰C層：熱裂解區(qū)：溫度最高D層：反應(yīng)區(qū)(6)

組分在氫焰中的電離效率很低，大約五十萬分之一的碳原子被電離。(7)離子電流信號輸出到記錄儀，得到峰面積與組分質(zhì)量成正比的色譜流出曲線(4)化學(xué)電離產(chǎn)生的正離子和電子在外加恒定直流電場的作用下分別向兩極定向運動而產(chǎn)生微電流（約10-6～10-14A）；(5)在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進入離子室的被測組分質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測器是質(zhì)量型檢測器。3.檢測器的原理4.影響氫焰檢測器靈敏度的因素①各種氣體流速和配比的選擇

N2流速的選擇主要考慮分離效能，

N2

H2

=11～11.5，氫氣空氣=110。②極化電壓：正常極化電壓選擇在100～300V范圍內(nèi)。其它檢測器1.電子捕獲檢測器：electroncapturedetector,ECD選擇性檢測器，僅對含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的靈敏度

對大多數(shù)烴類沒有響應(yīng)。較多應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品、食品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留量的測定。2.火焰光度檢測器(flamephotometricdetector,FPD)

化合物中硫、磷在富氫火焰中被還原，激發(fā)后，輻射出400、550nm左右的光譜，可被檢測；該檢測器是對含硫、磷化合物的高選擇性檢測器；3.熱離子檢測器(thermionicdetector,TID)

氮、磷檢測器；對氮、磷有高靈敏度；在FID檢測器的噴嘴與收集極之間加一個含硅酸銣的玻璃球，含氮、磷化合物在受熱分解時，受硅酸銣作用產(chǎn)生大量電子，信號強；4.定性檢測器(聯(lián)用儀器)

將兩種儀器結(jié)合；色-質(zhì)聯(lián)用儀通過分子分離器連接)第六節(jié)幾種新型氣相色譜應(yīng)用技術(shù)

§6.1毛細管色譜技術(shù)（capillarygaschromatograph）一毛細管色譜1.特點：1）滲透性好（固定液直接涂在管壁上且涂層很薄，氣相和液相傳質(zhì)阻力大大降低），可使用長色譜柱2）相比β大，有利于實現(xiàn)快速分離3）柱容量小，允許進樣量少4）總柱效高（氣流單途徑通過柱子，消除了組分在柱中的渦流擴散，達每米3000～4000塊理論塔板），分離復(fù)雜混合物的能力大為提高第六節(jié)幾種新型氣相色譜應(yīng)用技術(shù)

§6.1毛細管色譜技術(shù)（capillarygaschromatograph）2.毛細管色譜具有以下優(yōu)點（1）分離效率高：比填充柱高10～100倍；（2）分析速度快：用毛細管色譜分析比用填充柱色譜速度（3）色譜峰窄、峰形對稱。較多采用程序升溫方式；（4）靈敏度高，一般采用氫焰檢測器。（5）渦流擴散為零。3.毛細管柱分類（按固定液涂漬方法）

壁涂開管柱、多孔層開管柱、載體涂漬開管柱、化學(xué)鍵合或交聯(lián)柱§6.1毛細管色譜技術(shù)（capillarygaschromatograph）二、結(jié)構(gòu)流程及操作特點

毛細管柱內(nèi)徑很細，因而帶來三個問題：（1）允許通過的載氣流量很小且柱容量很小，導(dǎo)致允許的進樣量小——需采用分流技術(shù)。（2）分流后，柱后流出的試樣組分量少且組分易擴散。解決方法：靈敏度高的氫焰檢測器，采用尾吹技術(shù)。分流比：放空的試樣量與進入毛細管柱的試樣量之比。一般在50：1到500：1之間調(diào)節(jié)。第六節(jié)幾種新型氣相色譜應(yīng)用技術(shù)

§6.2裂解氣相色譜與應(yīng)用一、裂解氣相色譜（pyrolysisgaschromatograph，PyGC)原理與方法——熱裂解和氣相色譜兩種技術(shù)的結(jié)合?；驹恚涸谝欢l件下，高分子及非揮發(fā)性有機化合物遵循一定的裂解規(guī)律，即特定的樣品能夠產(chǎn)生特征的裂解產(chǎn)物及產(chǎn)物分布，采用氣相色譜分析、鑒定裂解產(chǎn)物，據(jù)此可對原樣品進行表征。方法：樣品置于裂解器中，在嚴格控制的條件下，快速加熱，使之迅速分解成為可揮發(fā)的小分子產(chǎn)物，然后直接將裂解產(chǎn)物送入色譜柱中進行分離，獲得定性定量數(shù)據(jù)。第六節(jié)幾種新型氣相色譜應(yīng)用技術(shù)

§6.2裂解氣相色譜與應(yīng)用二、裂解氣相色譜特點與應(yīng)用特點：（1）分離效率高、靈敏度高(色譜法自身的特點)（2）分析速度快、簡單、易行

快速裂解、快速分析；不丟失信息；（3）適合于各種形態(tài)樣品

粘稠液體、粉末、纖維及彈性體、固化樹脂、涂料、硫化橡膠、塑料等；應(yīng)用：一些分子量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難揮發(fā)、難溶解的物質(zhì)的分析鑒定方法。如：聚合物分析；熱裂解+氣相色譜+質(zhì)譜（紅外、核磁）技術(shù)——研究高分子化合物的有力工具；在高分子、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)、地球化學(xué)、礦物燃料、炸藥等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。第六節(jié)幾種新型氣相色譜應(yīng)用技術(shù)

§6.2裂解氣相色譜與應(yīng)用載氣裂解器六通閥氣化室色譜柱GC檢測器數(shù)據(jù)處理質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)處理壓力表三、裂解氣相色譜流程第六節(jié)幾種新型氣相色譜應(yīng)用技術(shù)

§6.3頂空氣相色譜的技術(shù)與應(yīng)用對液體或固體試樣中的揮發(fā)性成分進行氣相色譜分析的技術(shù)。試樣置于密閉的恒溫系統(tǒng)中，氣-液（氣-固）兩相達到熱力學(xué)平衡時，測定氣相組成。峰面積Ai的大小與樣品上面的氣相中揮發(fā)性組分i

的蒸氣壓pi成正比，而pi則與樣品中組分i的摩爾分數(shù)成正比。通過通過頂空分析，可確定試樣中揮發(fā)性組分的含量。兩種方式：靜態(tài)法：恒溫密閉系統(tǒng)，平衡時，測定氣相組成；動態(tài)法：吹掃-捕集法，采用吸附劑吸附，加熱解吸。第六節(jié)幾種新型氣相色譜應(yīng)用技術(shù)

§6.3頂空氣相色譜的技術(shù)與應(yīng)用應(yīng)用1：在職業(yè)病和法庭分析中，經(jīng)常要測定體液等中的苯、甲苯、二甲苯等有毒成分，采用頂空分析是一種有效、方便、快速的方法。司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)學(xué)院制訂了分析水、尿、血中苯類化合物的靜態(tài)頂空分析方法。方法：

5mL青霉素小瓶，取1mL試樣（水、尿、血），加入0.4內(nèi)標物和約1g硫酸銨至飽和，加蓋密封，置于80C的恒溫器中30min，取0.6mL頂空的氣樣色譜分析。色譜柱：2m×2mm；80-100目；固定液PEG20M柱溫：110C，以10C/min程序升溫到110C。應(yīng)用2：分析血樣中的酒精是頂空氣相色譜應(yīng)用最廣泛的方法，可檢查汽車司機是否酒后駕車。方法：樣品平衡溫度50C；平衡時間30min；色譜柱：30m×0.53mm石英毛細管柱；固定液：聚二甲苯硅氧烷應(yīng)用3：固體樣品（塑料、食品等）的頂空分析：塑料食品包裝袋中的甲苯殘留量的測定。將塑料食品包裝袋剪成10mm-30mm裝入100mL玻璃注射器，在80C預(yù)熱20min，用空氣稀釋為100mL，恒溫10min后進樣分析方法：色譜柱：500mm×3mm，填充柱，80-100目；固定液：20%的PEG20M；柱溫：80C;最小檢測濃度為0.031mg/m2.一、液相色譜儀器

highperformanceliquidchromatograph液相色譜儀（2）液相色譜儀（3）液相色譜儀（4）二、高效液相色譜法的特點

featureofHPLC

特點：高壓、高效、高速高沸點、熱不穩(wěn)定有機及生化試樣的高效分離分析方法。三、流程及主要部件

processandm