第十一章 氣相色譜法

第十一章氣相色譜法第一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五

氣相色譜法（GC）是英國生物化學(xué)家MartinATP等人在研究液液分配色譜的基礎(chǔ)上，于1952年創(chuàng)立的一種極有效的分離方法，它可分析和分離復(fù)雜的多組分混合物。目前由于使用了高效能的色譜柱，高靈敏度的檢測器及微處理機，使得氣相色譜法成為一種分析速度快、靈敏度高、應(yīng)用范圍廣的分析方法第二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五

氣固色譜（GSC）：多孔性固體為固定相，分離的對象主要是一些永久性的氣體和低沸點的化合物。

氣液色譜（GLC）固定相是用高沸點的有機物涂漬在惰性載體上。由于可供選擇的固定液種類多，故選擇性較好，應(yīng)用亦廣泛。。第三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)氣相色譜儀

第四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五一結(jié)構(gòu)流程第五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五氣路系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)分離系統(tǒng)檢測和記錄系統(tǒng)溫控系統(tǒng)一結(jié)構(gòu)流程GC工作過程第六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（一）氣路系統(tǒng)1、氣相色譜對載氣的基本要求：（1）純凈 通過裝有活性炭、硅膠或分子篩等的凈化器，除去載氣中的烴類物質(zhì)、水分、氧等有害雜質(zhì)。（2）穩(wěn)定 采用穩(wěn)壓閥和針形閥調(diào)節(jié)氣體的壓力和流量。（3）常用的載氣 氮氣 氫氣 氦氣氬氣第七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五2、氣路結(jié)構(gòu)單柱單氣路：適用于恒溫分析。雙柱雙氣路：可以補償氣流不穩(wěn)定及固定液流失對檢測器的干擾，特別適合于程序升溫。程序升溫：指在一個分析周期內(nèi)柱溫隨時間由低溫向高溫作線性或非線性變化，以達(dá)到用最短時間獲得最佳分離的目的。第八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五第九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（二）進(jìn)樣系統(tǒng)

包括進(jìn)樣裝置和氣化室。

1、進(jìn)樣器：微量注射器（液體），六通閥（氣體） 2、氣化室：液體樣品引入后需要瞬間氣化而不分解

溫度比柱溫高出10～50℃

對氣化室的要求是：（1）體積??；（2）熱容量大；（3）對樣品無催化作用第十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五載氣入口接色譜柱散熱片加熱塊氣化室示意圖第十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五取樣位置試樣導(dǎo)入色譜柱旋轉(zhuǎn)式六通閥進(jìn)樣器第十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（三）分離系統(tǒng)(色譜柱)

分離系統(tǒng)即色譜柱，是色譜儀的心臟。

主要有兩類：填充柱和毛細(xì)管柱。 1）填充柱

填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內(nèi)裝固定相，一般內(nèi)徑為2～4mm，長1～10m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。螺旋形直徑與柱內(nèi)徑比一般為15:1~25:1第十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五

2）毛細(xì)管柱

毛細(xì)管柱又叫空心柱，可以是不銹鋼、玻璃或石英。內(nèi)徑0.l～0.5mm，柱長30~300m。毛細(xì)管色譜柱滲透性好，分離效率高（理論塔板數(shù)可達(dá)106）、分析速度塊。但柱容量低，進(jìn)樣量小、要求檢測器的靈敏度高，并且制備較難。

第十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（四）控制溫度系統(tǒng)

在氣相色譜測定中，溫度是重要的指標(biāo)，它直接影響色譜柱的選擇分離、檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性。

控制溫度主要指對色譜柱爐，氣化室，檢測器三處的溫度控制。色譜柱的溫度控制方式有恒溫和程序升溫二種。 對于沸點范圍很寬的混合物，往往采用程序升溫法進(jìn)行分析。第十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五控溫系統(tǒng)作用

恒溫程序升溫提高溫度程序升溫

k是熱力學(xué)常數(shù)，隨溫度變化，溫度越高，K值越小，因此保留時間越短，據(jù)此，可通過柱溫調(diào)節(jié)分離程度。第十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五恒溫和程序升溫分析烴類化合物第十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（五）檢測系統(tǒng)作用：將色譜分離后的各組分的量轉(zhuǎn)變成可測量的電信號，然后記錄下來。要求：靈敏度高；噪音低；線性范圍寬；死體積?。豁憫?yīng)速度快；結(jié)構(gòu)簡單；通用性強。常用檢測器：熱導(dǎo)池檢測器；氫火焰離子化檢測器；電子捕獲檢測器；火焰光度檢測器等。第十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五1檢測器的分類

（l）濃度型檢測器

測量的是載氣中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比。如熱導(dǎo)檢測器和電子捕獲檢測器。（2）質(zhì)量型檢測器

測量的是載氣中某組分進(jìn)入檢測器的速度變化，即檢測器的響應(yīng)值和單位時間內(nèi)進(jìn)入檢測器某組分的量成正比。如火焰離子化檢測器和火焰光度檢測器等。第十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五

（1）靈敏度

單位濃度（或質(zhì)量）的組分通過檢測器時所產(chǎn)生信號的大小稱為檢測器對該組分的靈敏度。

2.檢測器的性能指標(biāo)濃度型檢測器靈敏度：1ml載氣中含有1mg(ml)試樣時，檢測器給出的mV數(shù)，單位為A：峰面積，cm2F0：載氣體積流速，mlmin-1C1：記錄儀靈敏度，mVcm-1C2：記錄紙轉(zhuǎn)速，cmmin-1m：進(jìn)樣量，ml(mg)第二十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)量型檢測器靈敏度：1s內(nèi)有1g試樣進(jìn)入檢測器時產(chǎn)生的毫伏或安培數(shù)。單位：（2）檢測限（敏感度）D

指檢測器恰能產(chǎn)生相當(dāng)于3倍噪音（3RN）的信號時，單位體積或單位時間需向檢測器送入的試樣質(zhì)量或體積。RN：mVD：mgml-1或gs-1如何降低D？第二十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五3.常用檢測系統(tǒng)（1）

熱導(dǎo)池檢測器(TCD)參比測量R1R2ABR1*R參比=R2*R測量只有載氣通過時載氣+組分R1*R參比≠R2*R測量測量依據(jù)：利用載氣與組分熱導(dǎo)系數(shù)的差異進(jìn)行測量a.測量電路：惠斯頓電橋第二十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五b.影響熱導(dǎo)檢測器靈敏度的因素橋路電流：但I(xiàn)大，RN大，基線不穩(wěn)，精密度降低，且金屬絲易氧化燒壞。載氣：導(dǎo)熱系數(shù)大?。篐2>He>N2

一般選H2，因被測組份導(dǎo)熱系數(shù)一般比較小第二十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五載氣對熱導(dǎo)檢測器靈敏度的影響某些氣體與蒸氣的熱導(dǎo)系數(shù)/10-4J·(cm·s·℃)-1氣體熱導(dǎo)系數(shù)氣體熱導(dǎo)系數(shù)氫氣22.4甲烷4.56氦氣17.41乙烷3.06氮氣3.14丙烷2.64氧氣3.18甲醇2.30空氣3.14乙醇2.22氬氣2.18丙酮1.76第二十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五c.TCD特點

結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，幾乎對所有物質(zhì)都有響應(yīng)，通用性好，而且線性范圍寬，價格便宜，因此是應(yīng)用最廣、最成熟的一種檢測器。其主要缺點是靈敏度較低，多用于常量到10gml-1以上組分的測定。第二十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（2）氫火焰離子化檢測器(FID)

火焰離子化機理依據(jù)：氣體的導(dǎo)電率與該氣體中所含帶電離子的濃度成正比。（不是熱電離而是化學(xué)電離）第二十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五適用范圍

含碳有機化合物特點結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，死體積小，響應(yīng)快，線性范圍寬，穩(wěn)定性好，是目前常用檢測器之一。第二十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（3）電子捕獲檢測器(ECD)

第二十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五電子捕獲機理適用范圍鹵素及親電子物質(zhì)常分析痕量具有電負(fù)性元素組分，如食品、農(nóng)副產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留量、大氣、水中痕量污染物等。（基流）（基流下降——倒峰）特點高靈敏、高選擇性。線性范圍較窄（102~104）第二十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（4）火焰光度檢測器(FPD)

－硫磷檢測器第三十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五響應(yīng)機理適用范圍含硫、磷化合物含磷化合物含硫化合物第三十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)

氣相色譜固定相的選擇

第三十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五固定相{固定液擔(dān)體(載體){液體固定相固體固定相第三十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五1.固定液－高沸點的有機化合物

對固定液的要求熱穩(wěn)定性好，在操作溫度下不發(fā)生聚合、分解等反應(yīng)；具有較低的蒸氣壓，以免流失。化學(xué)穩(wěn)定性好，不與樣品或載氣發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。粘度和凝固點低，以便在載體表面能均勻分布。對樣品中的各組分有適當(dāng)?shù)娜芙舛取５谌捻?，共六十四頁，編輯?023年，星期五組分與固定液分子間的相互作用靜電力－極性分子之間的作用力極性固定液與極性試樣分子間作用力主要是靜電力。靜電力與絕對溫度成反比。b.誘導(dǎo)力－極性與非極性分子之間的作用力試樣具有非極性分子和可極化組分時，可用極性固定液的誘導(dǎo)效應(yīng)分離。如苯（B.P.80.1℃)和環(huán)已烷(B.P.80.8℃).固定液極性越強,兩者分離得越遠(yuǎn).c.色散力－非極性分子之間的作用力.非極性和弱極性分子間主要是色散力.d.氫鍵力－氫原子與電負(fù)性很大的原子(如F、O、N等)之間的作用力.COOR、-NH2、=NH等官能團(tuán)時，對含F(xiàn)、O、N化合物常有顯著的氫鍵作用力。第三十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五按固定液的相對極性P分類（P380表14－3）常用固定液極性數(shù)據(jù)第三十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五

固定相的選擇 氣體和低沸點烴類試樣，選固體固定相；大多有機物試樣，用液體固定相完成分離。1、固定液的選擇（1）“相似相溶”原理（i）分離非極性物質(zhì)（如烴類），一般選用非極性固定液，如角鯊?fù)?、阿皮松等。分離時試樣中各組分按沸點從低到高順序流出，若有同沸點烴類和非烴類化合物，則極性化合物先流出。

第三十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（ii）分離中等極性試樣，應(yīng)選中等極性固定液，如鄰苯二甲酸二壬酯、聚乙二醇已二酸酯等。組分和固定液分子間作用力主要是色散力和誘導(dǎo)力。組分基本上按沸點順序流出，同沸點的極性組分后流出。第三十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五（iii）分離強極性組分試樣，選擇強極性固定液，如,′_氧二丙腈，聚丙二醇已二酸酯等。組分與固定液間的作用力主要是靜電力，組分主要按極性順序分離，非極性組分首先流出，極性強的后流出。（vi）分離非極性和極性混合物時，一般選用極性固定液，這時非極性組分先流出，極性組分或易被極化的組分后流出。分離比較復(fù)雜的試樣時，當(dāng)試樣各組分的沸點差別很大時，可選非極性固定液；當(dāng)各組分之間極性差別很顯著時，則可選擇極性固定液分離。第三十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五對載體的要求具有多孔性，即比表面積大。化學(xué)惰性，表面沒有活性，有較好的浸潤性。熱穩(wěn)定性好。有一定的機械強度，使固定相在制備和填充過程中不易粉碎。2載體（擔(dān)體）第四十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五硅藻土紅色白色非硅藻土擔(dān)體(載體)紅色載體（含少量氧化鐵）特點：強度大，比表面積大，有一定的催化活性，適用于涂漬高含量固定液，分離非極性。白色載體（含助熔劑碳酸鈉，呈白色）特點：比表面積小，孔徑較大，催化活性小，適用于涂漬低含量固定液，分離極性化合物。

非硅藻土載體有有機玻璃微球載體，氟載體，高分子多孔微球等。這類載體常用于特殊分析，如氟載體用于極性樣品和強腐蝕性物質(zhì)HF、Cl2等分析。第四十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五硅藻土載體的預(yù)處理a.

酸洗－濃鹽酸浸泡，除去堿性作用基團(tuán)b.

堿洗－氫氧化鉀甲醇溶液浸泡，除去酸性作用基團(tuán)c.

硅烷化－除去擔(dān)體表面的氫鍵作用力二甲基二氯硅烷第四十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五3氣固色譜固定相永久性氣體惰性氣體低沸點有機化合物分離對象硅膠－強極性氧化鋁－弱極性活性炭－非極性分子篩－強極性（特殊吸附作用）固體吸附劑第四十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五a.高分子多孔微球適用：特別適于分離測定有機物中的痕量水，也可用于多元醇、脂肪酸、腈類、胺類的分析。4.合成固定相極性：苯乙烯－二乙烯苯共聚物中引入極性官能團(tuán)非極性：苯乙烯－二乙烯苯共聚物特點：顆粒均勻，填充均勻，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，無液膜存在，即無流失問題，適于程序升溫。b.鍵合固定相第四十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)

氣相色譜分離條件的選擇

第四十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五1.載氣及其線速的選擇選擇分離時最佳操作條件，能提高柱效、增大分離度。最低點：第四十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五ū<ū最佳分子擴散項（B/ū）是影響板高的主要因素，應(yīng)采用相對分子量較大的載氣，如N2、Ar。ū>ū最佳傳質(zhì)阻力項（Cū）是影響板高的主要因素，應(yīng)采用相對分子量較小的載氣，如H2、He。若分離是主要矛盾，宜采用ū最佳

但分析時間往往過長；若分析速度是主要矛盾，流速稍高于最佳流速。 選擇載氣時，還應(yīng)考慮與所用檢測器相適應(yīng)。第四十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五2.柱溫的選擇改變柱溫產(chǎn)生的影響柱效增加柱溫可加快氣相、液相的傳質(zhì)速率，有利于降低塔板高度，改善柱效；但同時又會加劇縱向擴散，從而導(dǎo)致柱效下降。分離度柱溫升高，K

減小，分離度下降。分析時間降低柱溫，分析時間增加柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否則造成固定液大量揮發(fā)流失；必須高于其熔點，以有效發(fā)揮其作用寬沸程混合物，宜采用程序升溫法進(jìn)行分析。第四十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五程序升溫50~250℃，8℃/min恒溫150℃正構(gòu)烷烴恒溫和程序升溫色譜圖比較程序升溫不僅可以改善分離，而且可以縮短分析時間。第四十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五3.柱長和內(nèi)徑的選擇

柱徑：增加柱內(nèi)徑，可增加分離的樣品量，但縱向擴散路徑 增加，會使柱效降低，一般內(nèi)徑為3~6mm。柱長：在其它條件相同情況下增加柱長，可增大分離度，但延長分析時間。在滿足一定分離度條件下，盡可能使用短柱子，一般2~6m第五十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五4.載體粒度粒度渦流擴散、傳質(zhì)阻力粒度減小，柱效明顯提高載體的直徑約為柱內(nèi)徑的1/20~1/25為宜。如4mm內(nèi)徑柱，選用60~80目載體為好。粒度過細(xì)時，阻力明顯增加，操作不便A中λ的影響：載體粒度均勻，形狀規(guī)則，可降低λ，提高柱效。第五十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五5.進(jìn)樣量和進(jìn)樣時間的選擇

進(jìn)樣量柱效進(jìn)樣量過大，使色譜柱超載，柱效急劇下降，峰形變寬檢測器進(jìn)樣量過大，峰高或峰面積與進(jìn)樣量的線性關(guān)系被破壞·進(jìn)樣量應(yīng)控制在柱容量允許范圍及檢測器線性檢測范圍之內(nèi)進(jìn)樣時間進(jìn)樣速度必須很快，否則試樣原始寬度變大，峰易變形。（1s以內(nèi)）第五十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)

氣相色譜法應(yīng)用

第五十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五一定性分析1用已知純物質(zhì)對照定性單柱比較法雙柱比較法峰高增加法定性第五十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五

單柱比較法是在相同的色譜條件下．分別對已知純樣及待測試樣進(jìn)行色譜分析．得到兩張色譜圖，然后比較其保留參數(shù)。當(dāng)兩者的數(shù)值相同時，即可認(rèn)為待測試樣中有純樣組分存在

雙柱比較法是在兩個極性完全不同的色譜住上，在各自確定的操作條件下，測定純樣和待測組分在其上的保留參數(shù)，如果都相同，則可準(zhǔn)確地判斷試樣中有與此純樣相同的物質(zhì)存在。由于有些不同的化合物會在某一固定相上表現(xiàn)出相同的熱力學(xué)性質(zhì)，故雙柱法定性比單柱法更為可靠。第五十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五(2)相對保留值第五十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五(3)保留指數(shù)（科瓦茨指數(shù)）I規(guī)定：正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)I為其碳數(shù)乘100。測定其它物質(zhì)I：將n和n+1的正構(gòu)烷烴加于試樣X中分析。第五十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期五3聯(lián)機定性GC/MS(氣相色譜-質(zhì)譜)例：川桂皮揮發(fā)油的化學(xué)成分分析色譜柱：SE－54(30m×0.25mm×0.25μm)色譜操作條件載氣：氦氣，流速1mL/min柱溫：初溫60℃保持1min，8℃/min升溫至150℃，6℃/min升溫至190℃，8℃/min升溫至250℃，保持1min第五十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星