儀器分析7氣相色譜法

第七章

氣相色譜法第一節(jié)氣相色譜儀第二節(jié)檢測器第三節(jié)填充柱氣相色譜固定相第四節(jié)開管柱氣相色譜法第五節(jié)定性和定量方法第六節(jié)氣相色譜法的應用gaschromatographicanalysis,GC08:30:21一、氣路系統(tǒng)二、進樣系統(tǒng)三、色譜柱四、溫度控制系統(tǒng)五、檢測系統(tǒng)第一節(jié)

氣相色譜儀gaschromatographicinstruments08:30:21概述氣相色譜法：以氣體為流動相的柱色譜分離技術1.按固定相分氣-固色譜氣-液色譜

2.按分離原理分吸附色譜分配色譜

3.按柱子粗細分填充柱色譜毛細管柱色譜08:30:21氣相色譜法的特點和應用

“三高”“一快”“一廣”

1.高效能：一般填充柱的理論塔板數(shù)可達數(shù)千，毛細管柱可達一百多萬。

2.高選擇性：可以使一些分配系數(shù)很接近的以及極為復雜、難以分離的物質，獲得滿意的分離。

3.高靈敏度：可以檢測10

11～10

13g物質，適合于痕量分析。

4.分析速度快：通常一個試樣的分析可在幾分鐘到幾十分鐘內(nèi)完成。

5.應用廣泛：可以分析氣體試樣，也可分析易揮發(fā)或可衍生轉化為易揮發(fā)的液體和固體。分析的有機物，約占全部有機物(約300萬種)的20%。

08:30:21氣相色譜儀器

gaschromatographicinstruments08:30:21氣相色譜儀器08:30:21氣相色譜儀器08:30:21氣相色譜儀示意圖08:30:21氣路系統(tǒng)進樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)氣相色譜儀組成部件：08:30:21一、氣路系統(tǒng)包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制；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（依次通過分子篩、活性炭等）；載氣流速控制：壓力表、流量計、針形穩(wěn)壓閥，控制載氣流速恒定。08:30:21二、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；取樣位置試樣導入色譜柱六通閥進樣器08:30:21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。08:30:21三、色譜柱（分離柱）

色譜柱：色譜儀的核心部件。柱材質：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，流速慢或將柱堵死，反之空隙體積大，柱效低。

08:30:21色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細管柱。

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1～3m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。2.毛細管柱毛細管柱又叫開管柱，分為涂壁，多孔層和涂載體空心柱。涂壁空心柱是將固定液均勻地涂在內(nèi)徑0.l～0.5mm的毛細管內(nèi)壁而成，毛細管材料可以是不銹鋼，玻璃或石英。毛細管色譜柱滲透性好，傳質阻力小，而柱子可以做到長幾十米。與填充柱相比，其分離效率高（理論塔板數(shù)可達106）、分析速度塊、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。08:30:21填充柱色譜柱填充柱毛細管柱柱內(nèi)徑1-10mm0.05-0.5mm柱長度0.5-10m10-150m總塔板數(shù)~103~

106樣品容量10-1000

0.1-50毛細管柱08:30:21四、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。當試樣復雜時，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；08:30:21五、檢測系統(tǒng)

色譜儀的眼睛通常由檢測元件、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，按其濃度或質量隨時間的變化，轉化成相應電信號，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖；

檢測器：廣普型——對所有物質均有響應；

專屬型——對特定物質有高靈敏響應；常用的檢測器：熱導檢測器、氫火焰離子化檢測器08:30:21一、檢測器類型specificpropertyofdetector二、優(yōu)良檢測器的性能指標三、熱導檢測器TCDthermalconductivitydetector四、氫火焰離子化檢測器flameionizationdetector,FID五、電子捕獲檢測器electroncapturedetector,ECD六、其他檢測器otherdetector第二節(jié)

檢測器detectorofgaschromatograph08:30:21一、檢測器類型

specificpropertyofdetector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；熱導檢測器質量型檢測器：

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量成正比；氫火焰離子化檢測器廣普型檢測器：

對所有物質有響應；熱導檢測器；專屬型檢測器：

對特定物質有高靈敏響應；電子俘獲檢測器；08:30:21二、優(yōu)良檢測器的性能指標

1.靈敏度（或響應值）S

高：

在一定范圍內(nèi)，信號E與進入檢測器的物質質量m呈線性關系：

E=SmS=E/m單位：mV/（mg/cm3）；（濃度型檢測器）

mV/（mg/s）；（質量型檢測器）

S

表示單位質量的物質通過檢測器時，產(chǎn)生的響應信號的大小。S值越大，檢測器（也即色譜儀）的靈敏度也就越高。檢測信號通常顯示為色譜峰，則響應值也可以由色譜峰面積（A）除以試樣質量求得：

S=A/m08:30:21

2.檢測限（敏感度）低

組分峰高為噪音二倍時的靈敏度質量型檢測器濃度型檢測器08:30:213.最低檢測限（最小檢測量）低

噪聲水平?jīng)Q定著能被檢測到的濃度（或質量）。

從圖中可以看出：如果要把信號從本底噪聲中識別出來，則組分的響應值就一定要高于N。檢測器響應值為2倍噪聲水平時的試樣濃度（或質量），被定義為最低檢測限（或該物質的最小檢測量）。最小檢測量與檢測限是兩個不同的概念。檢測限只用來衡量檢測器的性能,而最小檢測量不僅與檢測器性能有關，還與色譜柱效及操作條件有關。08:30:214.線性范圍寬

檢測器的線性范圍定義：檢測器的響應信號與被測組分質量或濃度呈線性關系的范圍。通常以檢測器在線性工作時，被測物質的最大濃度（或質量）與最低濃度（或質量）之比表示。08:30:21三、熱導檢測器

thermalconductivitydetector,TCD1.結構池體（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。參考臂：僅允許純載氣通過，通常連接在進樣裝置之前。測量臂：需要攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。08:30:212.檢測原理

平衡電橋，下圖所示：不同的氣體有不同的熱導系數(shù)。無樣品通過時：鎢絲通電，加熱與散熱達到平衡后，兩臂電阻值：

R參=R測;R1=R2

則：R參·R2=R測·R1

無電壓信號輸出；記錄儀走直線（基線）。

08:30:21進樣后:

載氣攜帶試樣組分流過測量臂而這時參考臂流過的仍是純載氣，使測量臂的溫度改變，引起電阻的變化，測量臂和參考臂的電阻值不等，產(chǎn)生電阻差，R參≠R測

則：R參·R2≠R測·R1

這時電橋失去平衡，a、b兩端存在著電位差，有電壓信號輸出。信號與組分濃度相關。記錄儀記錄下組分濃度隨時間變化的峰狀圖形。08:30:213.影響熱導檢測器靈敏度的因素

①橋路電流I

：I

，鎢絲的溫度

，鎢絲與池體之間的溫差

，有利于熱傳導，檢測器靈敏度提高。檢測器的靈敏度S∝I3，但穩(wěn)定性下降，基線不穩(wěn)。橋路電流太高時，還可能造成鎢絲燒壞。②池體溫度：池體溫度與鎢絲溫度相差越大，越有利于熱傳導，檢測器的靈敏度也就越高，但池體溫度不能低于分離柱溫度，以防止試樣組分在檢測器中冷凝。08:30:21

③載氣種類：載氣與試樣的熱導系數(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。載氣的熱導系數(shù)大，傳熱好，通過的橋路電流也可適當加大，則檢測靈敏度進一步提高。氦氣也具有較大的熱導系數(shù)，但價格較高。表9-1某些氣體與蒸氣的熱導系數(shù)（λ），單位：J/cm·℃·s08:30:21四、氫火焰離子化檢測器

flameionizationdetector,FID1.特點

簡稱氫焰檢測器

(1)典型的質量型檢測器;

(2)對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靈敏度低或不響應;

(4)氫焰檢測器具有結構簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應迅速等特點;(5)比熱導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。08:30:212.結構

(1)在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100-300V）構成一個外加電場。(2)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。

使用時需要調整三者的比例關系，檢測器靈敏度達到最佳。08:30:213.原理

(1)當含有機物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：

·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：

CHO++H2O──→H3O++COA區(qū)：預熱區(qū)B層：點燃火焰C層：熱裂解區(qū)：溫度最高D層：反應區(qū)圖氫火焰各層圖08:30:21氫焰檢測器的原理

(4)化學電離產(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量成正比，所以氫焰檢測器是質量型檢測器。(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量成正比的色譜流出曲線A區(qū)：預熱區(qū)B層：點燃火焰C層：熱裂解區(qū)：溫度最高D層：反應區(qū)圖氫火焰各層圖08:30:214.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

=1∶1～1∶1.5氫氣∶空氣=1∶10。②極化電壓

正常極化電壓選擇在100～300V范圍內(nèi)。圖氫焰檢測器示意圖08:30:21五、電子捕獲檢測器

electroncapturedetector,ECD

高選擇性檢測器；僅對含有鹵素、磷、硫、氧等電負性高的元素的化合物有很高的靈敏度，檢測下限10-14g/mL；

對大多數(shù)烴類沒有響應。

較多應用于農(nóng)副產(chǎn)品、食品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留量的測定。08:30:21六、其他檢測器otherdetector1.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；2.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；3.定性檢測器(聯(lián)用儀器)

將兩種儀器結合；色-質聯(lián)用儀(通過分子分離器連接)08:30:21第三節(jié)填充柱氣相色譜固定相一、載體二、固定液三、固體吸附劑

08:30:21氣-液色譜柱

固定相：載體+固定液氣-固吸附色譜柱

固定相：吸附劑分子篩：吸附+分子篩高分子多孔微球——GDX08:30:21一、載體1．作用：承載固定液的作用2．要求：比表面積大（多涂漬固定液）無吸附性（不吸附被測組分）化學惰性（不與固定液發(fā)生化學反應）熱穩(wěn)定性好一定的機械強度08:30:213．分類（1）硅藻土類：具有一定粒度的多孔性固體微粒

紅色載體因含少量氧化鐵顆粒而呈紅色。其機械強度大，孔徑小，比表面積大，表面吸附性較強，有一定的催化活性，適用于涂漬高含量固定液，分離非極性化合物。

白色載體是天然硅藻土在煅燒時加入少量碳酸鈉之類的助熔劑，使氧化鐵轉化為白色的鐵硅酸鈉。白色載體的比表面積小，孔徑大，催化活性小，適用于涂漬低含量固定液，分離極性化合物。（2）非硅藻土類：玻璃微球，石英微球，氟塑載體，含氟化合物08:30:21表9-2氣液色譜載體08:30:214．載體的處理方法

——鈍化，減弱吸附性方法處理過程說明酸洗3

6MHCl浸煮過濾，水、甲醇淋洗、烘干除去Al，F(xiàn)e等的氧化物。用于分析有機酯和酸。一些拖尾，可加H3PO4或KOH添加劑解決。堿洗5

10%NaOH甲醇液回流，水、甲醇淋洗、烘干除Al2O3酸性作用點。用于分析胺類等堿性物質。硅烷化加DMCS或HMDS等硅烷化試劑，使與-SiOH反應除去表面氫鍵活性中心。適于分析易生成氫鍵的組分，如水、醇和胺。釉化2%Na2CO3浸泡擔體，過濾得濾液再水稀3倍，用稀濾液淋洗擔體，烘干后再高溫處理表面形成釉層：屏蔽、惰化表面活性中心，并堵塞一些微孔，其孔隙更均勻，可減小峰形拖尾，提高柱效。08:30:21二、固定液1.對固定液的要求A.熱穩(wěn)定性好，在操作溫度下不發(fā)生聚合、分解等反應；具有較低的蒸氣壓，以免流失。B.化學穩(wěn)定性好，不與樣品或載氣發(fā)生不可逆的化學反應。C.粘度和凝固點低，以便在載體表面能均勻分布。D.對樣品中的各組分有適當?shù)娜芙舛取?8:30:212.組分與固定液分子間的相互作用定向力（靜電力）：是分子間永久偶極的相互作用力。極性分子間的作用力；極-極定向力>>誘導力B.誘導力：極性分子的永久偶極與它所誘導產(chǎn)生的另一非極性分子的誘導偶極之間的作用力。

極性分子與非極性分子間的作用力非-極C.色散力：由分子中瞬時偶極而引起的互相吸引或排斥力。非極性分子間的作用力非-非非極性物質之間的力主要是色散力。D.氫鍵力：是定向力的一種特殊類型。含N、O、F的化合物分子越大，氫鍵力越弱。08:30:213.固定液特征常數(shù)A.保留指數(shù)

人為規(guī)定正構燒烴的保留指數(shù)為其碳數(shù)乘100,如正己烷和正辛烷的保留指數(shù)分別為600和800。至于其他物質的保留指數(shù)，則可采用兩個相鄰正構烷烴保留指數(shù)進行標定。測定時，將碳數(shù)為z和z+1的正構烷烴加于樣品x中進行分析，若測得它們的調整保留時間分別為tR,z′，tR,z+1′和tR,x′且tR,z′＜tR,x′＜tR,z+1時，則組分X的保留指數(shù)可按下式計算，即08:30:21例：乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲線如下圖所示。由圖中測得調整保留距離為：乙酸正丁酯310.0mm，正庚烷174.0mm，正辛烷373.4mm。求乙酸正丁酯的保留指數(shù)。在與文獻值對照時，一定要重視文獻值的實驗條件，如固定液、柱溫等。而且要用幾個已知組分進行驗證。08:30:21B.羅氏和麥氏常數(shù)

Rohrschneider常數(shù)：ΔI=Ip-Is

式中ΔI為任一標準物質保留指數(shù)差值，Ip和Is分別為任一標準物質在被測固定液和參比固定液的保留指數(shù)。表9-3列出一些常用固定液的Rohrschneider常數(shù)。

麥氏常數(shù)是在羅氏方法的基礎上，1970年由McReynolds提出的改進方案。選用苯、正丁醇、2一戊酮、l一硝基丙烷、吡啶、2一甲基一2一戊醇、碘丁烷、2一辛炔、二氧六環(huán)、順八氫化茚10種物質，在柱溫120℃下分別測定它們在226種固定液和角鯊烷上的ΔI值。歸納后發(fā)現(xiàn)前5種物質已足以表達固定液的相對極性，把該五項之和稱為總極性。表9-4列出一些常用固定液的McRevnolds常數(shù)。08:30:219-39-408:30:214.固定液的選擇－“相似相溶”A.

非極性物質—非極性固定液，兩者間是色散力。

沸點越低的組分越早出峰。B.極性物質—極性固定液，分子間主要是定向力。極性越小的組分出越早出峰。C.極性與非極性混合物—極性固定液。極性越小的組分出越早出峰。D.易形成氫鍵物質—極性或氫鍵型固定液。不易形成氫鍵的組分先出峰，易形成氫鍵的組分后出峰。E.復雜難分離樣品—多種固定液混合08:30:21三、固體吸附劑分離測定有機物中的痕量水高分子多孔微球硅膠－強極性氧化鋁－弱極性活性炭－非極性分子篩－強極性高分子多孔微球(GDX)固體吸附劑08:30:21表9-5氣-固色譜法常用的幾種吸附劑及其性能08:30:21第四節(jié)開管柱氣相色譜法一、開管柱的優(yōu)缺點二、開管柱類型三、填充柱與開管柱的比較08:30:21一、開管柱的優(yōu)缺點1.總柱效高，滲透性好，柱壓降小，可用長柱型，可分離復雜物質體系。渦流擴散項為零。2.相比大，可以快速分析。3.柱容量小，允許進樣量小。由于毛細管柱涂漬的固定液僅幾十毫克，液膜厚度為0.35~1.5m，柱容量小。對液體樣

品，一般采用分流進樣技術。

08:30:21二、開管柱類型涂壁開管柱(WCOT)：將內(nèi)壁經(jīng)預處理再把固定液涂在毛細管內(nèi)壁上。2.多孔層開管柱(PLOT)：在管壁上涂一層多孔性吸附劑固體微粒，不再涂固定液。實際是一種氣固色譜開管柱。3.載體涂漬開管柱(SCOT)：為了增大開柱管內(nèi)固定液的涂漬量，先在毛細管內(nèi)壁涂一層載體，如硅藻土載體，在此載體上再涂固定液。4.交聯(lián)型開管柱：采用交聯(lián)引發(fā)劑，在高溫處理下，把固定液交聯(lián)到毛細管內(nèi)壁上。目前大部分的毛細管屬于此類型。5.鍵合型開管柱：將固定液用化學鍵合的方法鍵合到涂敷硅膠的柱表面或經(jīng)表面處理的毛細管內(nèi)壁上，由于固定液是化合鍵合的，大大提高了熱穩(wěn)定性。08:30:21三、填充柱與開管柱的比較填充柱WCOTSCOT柱長/m內(nèi)徑/mm柱效/n/m允許進樣量/μg柱壓1~52~45×102~1×1030.01~103高10~1000.1~0.71×103~4×1030.01~1低10~1000.56×102~1.2×1030.01~1低08:30:21第五節(jié)定性和定量分析一、定性分析二、定量分析08:30:21一、定性分析1.利用保留值定性A.保留值定性B.峰高增加法定性08:30:21

C.利用文獻相對保留值定性

利用相對保留值r21定性相對保留值r21僅與柱溫和固定液性質有關。在色譜手冊中都列有各種物質在不同固定液上的保留數(shù)據(jù)，可以用來進行定性鑒定。

D.利用保留指數(shù)定性08:30:212.色譜-質譜聯(lián)用定性08:30:21例：川桂皮揮發(fā)油的化學成分分析色譜柱：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1min08:30:21總離子流色譜圖6號峰的質譜圖08:30:21二、定量分析定量基礎或mi

：待測物質質量fi

：待測物質定量校正因子08:30:211.峰面積的測量

(1)峰高乘半峰寬法 (2)峰高乘平均峰寬法(3)峰高乘保留值法(4)電子積分法08:30:212.校正因子絕對校正因子

絕對校正因子與檢測器性能、組分和流動相性質及操作條件等有關。(2)相對校正因子

即組分的絕對校正因子與標準物質的絕對校正因子之比。08:30:21(3)相對校正因子的測定

相對校正因子值只與被測物和標準物以及檢測器的類型有關，而與操作條件無關。因此，fi

值可自文獻中查出引用。若文獻中查不到所需的fi

值，也可以自己測定。常用的標準物質，對熱導檢測器（TCD）是苯，對氫焰檢測器（FID）是正庚烷。

測定相對校正因子最好是用色譜純試劑。若無純品，也要確知該物質的百分含量。測定時首先準確稱量標準物質和待測物，然后將它們混合均勻進樣，分別測出其峰面積，再進行計算。08:30:213.定量方法(1)歸一化法前提：試樣中所有組分都產(chǎn)生信號并能檢出色譜峰依據(jù)：組分含量與峰面積成正比優(yōu)點：簡便，準確定量結果與進樣量、重復性無關（前提→柱子不超載）

色譜條件略有變化對結果幾乎無影響缺點：所有組