天津理工大學(xué) 儀器分析

gaschromatography,GC氣相色譜法1氣相色譜法的分類按固定相的物態(tài)分類氣-固色譜法氣-液色譜法按柱徑和填充分類填充柱色譜法(φ2-6mm)毛細(xì)管柱色譜法(φ0.2-0.53mm)按分離機(jī)制分類吸附色譜法(吸附劑固定相)分配色譜法(液體固定相)2氣相色譜法的特點(diǎn)1.高效能能分離性質(zhì)極為接近的物質(zhì)，如：同位素，異構(gòu)體等。2.快速幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)即可完成一個(gè)組成復(fù)雜的試樣分析。3.高靈敏度可檢測出10-11－10-13g的物質(zhì)，能直接分析痕量組分。4.應(yīng)用范圍廣可揮發(fā)、熱穩(wěn)定、沸點(diǎn)不超過500?C的化合物。2氣相色譜分析流程載體系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)

進(jìn)樣系統(tǒng)(氣化)

溫控系統(tǒng)

色譜工作站

色譜柱2氣相色譜分析流程常用的載氣有：氫氣、氮?dú)?、氦氣；凈化干燥管：去除載氣中的水、有機(jī)物等雜質(zhì)（依次通過分子篩、活性炭等）；載氣流速控制：壓力表、流量計(jì)、針形穩(wěn)壓閥，控制載氣流速恒定。3氣相色譜儀的組成(1)載氣系統(tǒng)包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制3氣相色譜儀的組成(2)進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣器不同規(guī)格的專用注射器,填充柱色譜常10μL；毛細(xì)管色譜常用1μL；新型儀器帶有全自動(dòng)液體進(jìn)樣器，清洗、潤洗、取樣、進(jìn)樣、換樣等過程自動(dòng)完成，一次可放置數(shù)十個(gè)試樣。氣化室將液體試樣瞬間氣化的裝置。無催化作用。3氣相色譜儀的組成(3)色譜柱(分離柱)色譜儀的核心部件

填充柱由不銹鋼,玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，內(nèi)裝固定相，一般內(nèi)徑為2～6mm，長1～5m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。柱內(nèi)填充固定相，制作簡單，柱容量大，操作方便，應(yīng)用普遍。

毛細(xì)管柱毛細(xì)管柱又叫空心柱，是將固定液均勻地涂在內(nèi)徑0.2～0.5mm的毛細(xì)管內(nèi)壁而成,毛細(xì)管材料可以是不銹鋼或石英，其柱滲透性好，傳質(zhì)阻力小，柱子可以做到長幾十米。與填充柱相比，其分析速度快、樣品用量小，但柱容量低、要求檢測器的靈敏度高，并且制備較難。

3氣相色譜儀的組成(4)檢測及記錄系統(tǒng)被色譜柱分離后的組分依次進(jìn)入檢測器，按其濃度或質(zhì)量隨時(shí)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。熱導(dǎo)檢測器氫火焰離子化檢測器電子俘獲檢測器火焰光度檢測器常用的檢測器3氣相色譜儀的組成(5)溫度控制系統(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?？刂茰囟戎饕笇ιV柱爐，汽化室，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(diǎn)范圍很寬的混合物，往往采用程序升溫法進(jìn)行分析。(二)氣相色譜固定相氣固色譜固定相氣液色譜固定相1氣固色譜固定相氣固色譜一般用表面具有活性的吸附劑作固定相?；钚蕴浚河休^大的比表面積，吸附性較強(qiáng)?；钚匝趸X：有較大的極性。適用于常溫下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等氣體的相互分離。

硅膠：與活性氧化鋁大致相同的分離性能，除能分析上述物質(zhì)外，還能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能夠分離臭氧。1氣固色譜固定相分子篩：堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽(沸石)，多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子篩等。常用5A和13X(常溫下分離O2與N2)。除了廣泛用于H2,O2,N2,CH4,CO等的分離外，還能夠測定He,Ne,Ar,NO,N2O等。高分子多孔微球(GDX系列)：新型的有機(jī)合成固定相（苯乙烯與二乙烯苯共聚）。適用于有機(jī)物中痕量水分的測定。1氣固色譜固定相氣固色譜固定相的特點(diǎn)：（1）性能與制備和活化條件有很大關(guān)系；同一種固定相，不同廠家或不同活化條件，分離效果差異較大；（2）種類有限，能分離的對象不多；（4）進(jìn)樣量多時(shí)，會造成色譜峰拖尾；（5）對氣態(tài)烴類及永久性氣體的分離效果較好。2氣液色譜固定相擔(dān)體+固定液擔(dān)體:

化學(xué)惰性的多孔性固體顆粒，有較大的比表面積。

常用擔(dān)體：硅藻土型和非硅藻土型擔(dān)體應(yīng)滿足以下條件：(1)

比表面積大，孔徑分布均勻；(2)

化學(xué)惰性，表面無吸附性或吸附性很弱，與被分離組份不起反應(yīng)；(3)

具有較高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，不易破碎；(4)

顆粒大小均勻、適度。一般常用60~80、80~100目。2氣液色譜固定相硅藻土型擔(dān)體(天然硅藻土煅燒而成)白色擔(dān)體：

煅燒前原料中加入了少量助溶劑(碳酸鈉)。顆粒疏松，孔徑較大。表面積較小，機(jī)械強(qiáng)度較差。但吸附性顯著減小，適宜分離極性組分的試樣。紅色擔(dān)體：

孔徑較小，表孔密集，表面積較大，機(jī)械強(qiáng)度好。適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。2氣液色譜固定相非硅藻土型擔(dān)體氟擔(dān)體：強(qiáng)極性、腐蝕性氣體的分析玻璃微球擔(dān)體：高沸點(diǎn)物質(zhì)的分析…表11-2(2)固定液及其選擇2氣液色譜固定相難揮發(fā)、高沸點(diǎn)的有機(jī)化合物，種類繁多。(1)在工作溫度下為液體，對試樣中各組分有適當(dāng)溶解力；(2)

選擇性好，對所分離的混合物有選擇性分離能力；(3)

沸點(diǎn)高，揮發(fā)性小，熱穩(wěn)定性好；(4)

化學(xué)穩(wěn)定性好、不與被分離物質(zhì)發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。對固定液的要求:2氣液色譜固定相固定液選擇的基本原則:“相似相溶”，選擇與試樣性質(zhì)相近的固定相。固定液的最高最低使用溫度:高于最高使用溫度時(shí)，固定液易流失或分解；低于最低使用溫度，固定液呈固體，無分離作用?；旌瞎潭ㄒ?對于復(fù)雜的難分離組分通常采用特殊固定液或?qū)煞N甚至兩種以上配合使用；

固定液的極性2氣液色譜固定相規(guī)定：角鯊?fù)椋ó惾椋┑南鄬O性為零，β,β’—氧二丙睛的相對極性為100。相對極性麥?zhǔn)铣?shù)物質(zhì)分子間作用力復(fù)雜，用五個(gè)麥?zhǔn)铣?shù)來代表各種作用力，即用各種相互作用力的總和來說明一種固定液的極性。2氣液色譜固定相固定液用量:以能均勻覆蓋擔(dān)體表面形成薄的液膜為宜。固定液的配比:指固定液與擔(dān)體的質(zhì)量比:

一般在5％~25％之間。低的固定液配比，柱效能高，分析速度快，但允許的進(jìn)樣量低。固定液的選擇:2氣液色譜固定相(1)分離非極性組分

通常選用非極性固定液。各組分按沸點(diǎn)順序出峰,低沸點(diǎn)組分先出峰。(2)

分離極性組分

一般選用極性固定液。各組分按極性大小順序流出色譜柱，極性小的先出峰。(3)

分離非極性和極性組分的混合物

一般選用極性固定液。此時(shí)，非極性組分先出峰，極性的（或易被極化的）組分后出峰。(4)

分離強(qiáng)極性和能形成氫鍵的化合物

通常選擇極性或氫鍵性的固定液，各組分根據(jù)與固定液形成氫鍵能力大小先后流出，不易形成氫鍵的先出峰。(5)

組成復(fù)雜、較難分離的試樣

通常使用特殊固定液，或混合固定相。2氣液色譜固定相固定液的選擇:熱導(dǎo)檢測器(TCD)氫火焰離子化檢測器(FID)電子捕獲檢測器(ECD)火焰光度檢測器(FPD)(三)氣相色譜檢測器檢測器是將流出色譜柱的被測組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。根據(jù)檢測原理的不同，分為:濃度型檢測器:測量組分濃度的變化例如:熱導(dǎo)TCD、電子捕獲ECD質(zhì)量型檢測器：測量組分質(zhì)量的變化例如:氫火焰FID、火焰光度FPD氣相色譜檢測器氣相色譜檢測器1

熱導(dǎo)池檢測器ThermalConductivityDetector,TCD特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度適宜，穩(wěn)定性好，對可揮發(fā)的有機(jī)物及無機(jī)物都有響應(yīng)，是應(yīng)用最廣、最成熟的一種檢測器。結(jié)構(gòu)：池體＋熱敏元件

1熱導(dǎo)檢測器TCD檢測原理：不同氣體或蒸汽的熱導(dǎo)系數(shù)不同。載氣的選擇載氣與試樣氣的熱導(dǎo)系數(shù)相差越大，靈敏度越高，一般被測組分的熱導(dǎo)系數(shù)比較小，故應(yīng)選擇熱導(dǎo)系數(shù)大的載氣。常用載氣的熱導(dǎo)系數(shù)：H2>He>N2因此，常以H2為載氣。1熱導(dǎo)檢測器TCD1

熱導(dǎo)檢測器TCD影響熱導(dǎo)檢測器靈敏度的因素：①橋電流：

I

，鎢絲的溫度

，鎢絲與池體間的溫差

，有利于熱傳導(dǎo)，檢測器靈敏度提高。但I(xiàn)過高會引起噪聲增大，基線不穩(wěn)。②池體溫度：池體與熱絲溫差

，越有利于熱傳導(dǎo)，檢測器的靈敏度也就越高，但池體溫度不能低于柱溫，以防止試樣組分在檢測器中冷凝。③載氣種類：載氣與試樣的熱導(dǎo)系數(shù)相差越大，在檢測器兩臂中產(chǎn)生的溫差和電阻差也就越大，檢測靈敏度越高。

氣相色譜檢測器2

氫火焰離子化檢測器(FlameIonigation

Detector,FID)特點(diǎn)(1)典型的質(zhì)量型檢測器；(2)對大多數(shù)有機(jī)物有很高的靈敏度，比TCD的靈敏度高3個(gè)數(shù)量級，檢測限可達(dá)10-12g·mL-1；(3)對不電離的無機(jī)化合物，如永久性氣體、水、CO、CO2、NOx、H2S等無響應(yīng)，適合于水和大氣中痕量有機(jī)物的分析；(4)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速。

2

氫火焰離子化檢測器FID結(jié)構(gòu)：離子室發(fā)射極收集極噴嘴點(diǎn)火圈檢測原理：空氣存在下點(diǎn)燃?xì)溲?，被測組分由載氣帶出色譜柱，與氫氣混合經(jīng)噴嘴進(jìn)入離子室火焰區(qū)離子化，生成正負(fù)離子，在電場作用下向兩極移動(dòng)形成粒子流，離子化產(chǎn)生的離子數(shù)目及由此而產(chǎn)生的微弱電流的大小，在一定范圍內(nèi)與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入火焰的組分質(zhì)量成正比。2

氫火焰離子化檢測器FID操作條件的選擇：(1)載氣流量的選擇：N2作載氣,主要考慮分離效能。找到一個(gè)最佳的載氣流量。(2)氫氣流量：H2流速過低，組分分子離子化數(shù)目少，檢測器靈敏度低。H2流速過大，基線不穩(wěn)。一般N2

:

H2流量的最佳比在1:1～1:1.5。(3)空氣流量：一般氫氣和空氣流量的比例是1:10。(4)檢測器溫度：大于120?C。

氣相色譜檢測器3

電子捕獲檢測器ElectronCaptureDetector,ECD

高選擇性、高靈敏度濃度型檢測器；

僅對具有電負(fù)性的物質(zhì)如含鹵素、磷、硫、氧等元素的物質(zhì)有響應(yīng)，能檢測出10-14gmL-1的強(qiáng)電負(fù)性物質(zhì)。

氣相色譜檢測器4

火焰光度檢測器Flamephotometricdetector,

FPD僅對含硫和磷的化合物有高靈敏度的質(zhì)量型檢測器。

有機(jī)硫化物在氫焰離子室中先被氧化成SO2，然后被氫還原成硫原子，硫原子在高溫下被激發(fā)。當(dāng)其由激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)時(shí)，便發(fā)射出波長為350～430nm的特征光譜，光譜被濾光片濾光，并由光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，既可測出試樣中硫的含量。

有機(jī)磷化物氧化燃燒生成磷的氧化物，后在富氫焰中被還原成HPO，這個(gè)含磷碎片被火焰高溫激發(fā)后發(fā)射出528nm特征光譜。載氣種類及流速的選擇柱溫的選擇柱長和柱內(nèi)徑的選擇進(jìn)樣量和進(jìn)樣時(shí)間的選擇氣化溫度的選擇(四)氣相色譜操作條件的選擇載氣種類及流速的選擇載氣種類的選擇載氣對柱效的影響檢測器要求載氣性質(zhì)安全性、經(jīng)濟(jì)性及來源載氣流速較大時(shí)，傳質(zhì)阻力項(xiàng)起主要作用，采用較小摩爾質(zhì)量的載氣(如H2),可減小傳質(zhì)阻力,柱效↑；載氣流速較小時(shí)，分子擴(kuò)散項(xiàng)起主要作用，采用較大摩爾質(zhì)量的載氣(如N2),可抑制縱向擴(kuò)散,柱效↑。熱導(dǎo)檢測器需要使用熱導(dǎo)系數(shù)較大的氫氣有利于提高檢測靈敏度。在氫焰檢測器中，氮?dú)馊允鞘走x目標(biāo)。載氣流速的選擇載氣種類及流速的選擇由圖可見存在最佳流速(u最佳)。實(shí)際流速通常稍大于最佳流速，以縮短分析時(shí)間。對于內(nèi)徑為3－4mm的色譜柱：

N2流速：15－60mLmin-1

H2流速：40－90mLmin-1柱溫的選擇

首先應(yīng)使柱溫控制在固定液的最高使用溫度（超過該溫度固定液易流失）和最低使用溫度（低于此溫度固定液以固體形式存在）范圍之內(nèi)。

柱溫一般選擇在接近或略低于組分的平均沸點(diǎn)。柱溫影響分離效能和分離時(shí)間柱溫↑，被測組分揮發(fā)度↑，氣相中濃度↑，K↓，保留時(shí)間差值↓，不利于分離；柱溫↓

，傳質(zhì)速率↓，分離時(shí)間↑，峰形變差柱長和柱內(nèi)徑的選擇增加柱長對提高分離度有利(分離度R正比于柱長的平方根)，但組分的保留時(shí)間tR

↑，且柱阻力↑，不便操作。柱長的選用原則是在能滿足分離目的的前提下，盡可能選用較短的柱，有利于縮短分析時(shí)間。

填充色譜柱的柱長通常為1~3米，柱內(nèi)徑一般為3~4mm。進(jìn)樣量和進(jìn)樣時(shí)間的選擇液體試樣采用色譜微量進(jìn)樣器(注射器)進(jìn)樣，進(jìn)樣量：0.1μL－5μL進(jìn)樣量氣體試樣采用氣體進(jìn)樣閥進(jìn)樣，進(jìn)樣量：0.1mL－10mL進(jìn)樣時(shí)間進(jìn)樣時(shí)間必須很快，若進(jìn)樣慢，會使色譜峰擴(kuò)張，影響分離，要求在1s內(nèi)完成。氣化溫度的選擇色譜儀進(jìn)樣口下端有一氣化器，液體試樣進(jìn)樣后，在此瞬間氣化；氣化溫度一般較柱溫高30~70?C防止氣化溫度太高造成試樣分解。第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)一色譜分析理論基礎(chǔ)1色譜法概述

色譜法定義：色譜法分類：2色譜分離基本原理由于各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相發(fā)生作用的大小、強(qiáng)弱有差異，因此在同一推動(dòng)力作用下，不同組分在固定相中滯留時(shí)間不同，從而得到分離。第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)分配系數(shù)K和分配比k的定義及相互關(guān)系(1)

分配系數(shù)：在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相之間分配達(dá)平衡時(shí)的濃度比。色譜法是利用不同組分在兩相間的分配系數(shù)存在差異，在分離過程中差異不斷被放大，使混合組分得到分離。(2)

分配比：又稱容量因子，它是指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間分配達(dá)平衡時(shí)，分配在固定相和流動(dòng)相中的質(zhì)量比。第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)分配比與分配系數(shù)的關(guān)系:第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)3色譜流出曲線及相關(guān)術(shù)語(1)

保留值保留時(shí)間(體積)相對保留值保留指數(shù)第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)(2)

區(qū)域?qū)挾葮?biāo)準(zhǔn)偏差(σ)半峰寬

(Wh/2)峰寬

(W)4色譜分離基本理論第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)(1)塔板理論常采用有效塔板數(shù)或有效塔板高度作為衡量柱效能的指標(biāo)第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)(2)速率理論減小A項(xiàng)提高柱效的途徑：使用適當(dāng)粒度且顆粒均勻的擔(dān)體，并盡量填充均勻。第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)分子量大的組分Dg小，Dg反比于載氣密度的平方根，故采用分子量較大的載氣可使B項(xiàng)降低。第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)k為容量因子；Dg、DL為擴(kuò)散系數(shù)。減小擔(dān)體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質(zhì)阻力。第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)由上述討論可見，范第姆方程式對于分離條件的選擇具有指導(dǎo)意義。它可以說明，填充均勻程度、擔(dān)體粒度、載氣種類、載氣流速、柱溫、固定相液膜厚度等對柱效、峰擴(kuò)張的影響。第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)(3)分離度定量描述混合物中相鄰兩組分的實(shí)際分離程度，是色譜柱總分離效能的指標(biāo)。一般采用R=1.5作為相鄰兩峰完全分離的標(biāo)志。二色譜定性和定量方法第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)1

定性方法利用保留值定性純物質(zhì)利用文獻(xiàn)保留值(r21I)加入純物質(zhì)峰高增加與其他分析儀器聯(lián)用第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)2定量方法（1）歸一化法：（2）外標(biāo)法：（3）內(nèi)標(biāo)法：第十一章色譜法內(nèi)容總結(jié)三氣相色譜分析法1概述

氣相色譜法特點(diǎn)：高效、快速、靈敏、應(yīng)用范圍廣

應(yīng)用范圍：可揮發(fā)、熱穩(wěn)定、沸點(diǎn)不超過500?C的化合物

氣相色譜儀的組成：2氣相色譜固定相

3氣相色譜檢測器4氣相色譜分離條件的選擇載氣種類、流速柱溫柱長、柱內(nèi)徑氣化溫度高效液相色譜法的特點(diǎn)高效液相色譜儀高效液相色譜法的主要分離類型高效液相色譜分離類型的選擇(五)高效液相色譜法(HPLC)高效液相色譜法的特點(diǎn)1.高壓

采用高壓泵使流動(dòng)液能迅速通過色譜柱，一般達(dá)150～350×105Pa.2.高速

高壓帶來高速，分析時(shí)間一般少于lh.3.高效

柱效能約可達(dá)3萬塔板/米(GC的柱效約為2000塔板/米).4.高靈敏度

由于采用了高靈敏度的檢測器，最小檢測量可達(dá)10-9

g，甚至10-11

g.5.可用于高沸點(diǎn)的、不能氣化的、熱不穩(wěn)定的以及具有生理活性物質(zhì)的分析.

HPLC與經(jīng)典LC比較經(jīng)典液相色譜高效液相色譜常壓高壓，150～350×105

Pa固定相填料顆粒大，75～500μm固定相填料顆粒小，3～20μm柱效低,10－100塊/m柱效高,104－105塊/m分析速度慢分析速度快色譜柱只用一次色譜柱可重復(fù)多次使用HPLC與GC比較

方法項(xiàng)目高效液相色譜法氣相色譜法分析對象不受樣品揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性的限制，對分子量大、難氣化、熱穩(wěn)定性差的生化樣品及高分子和離子型樣品均可檢測，占有機(jī)物的80%。適于能氣化、熱穩(wěn)定性好、且沸點(diǎn)較低的樣品，占有機(jī)物的20%。流動(dòng)相流動(dòng)相為液體，與組分間有親合作用力，能提高柱的選擇性、改善分離度，對分離起正向作用。流動(dòng)相為氣體，組分與流動(dòng)相無親合作用力，只與固定相有相互作用。餾分回收易回收，可定量回收。不易回收。

高效液相色譜儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)高壓輸液系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)

高效液相色譜儀分離系統(tǒng)檢測系統(tǒng)壓力表貯液瓶

高效液相色譜儀往復(fù)式高壓泵高壓輸液系統(tǒng)高壓泵梯度洗脫裝置高