第14章气相色谱法

1、第14章 气相色谱法 Gas Chromatography（GC）,如何在复杂基体共存的实际样品中实现对目标组分（一个或多个）的检测？,依靠仪器或方法对待测组分的选择性响应来实现； 但选择性是相对的，如果存在干扰物质该怎么办？ 控制适当的分析条件或加入掩蔽剂等（适用于简单体系） 分离后再测定！（通常采用的手段）,分离 化学工作者最基本的任务,经典分离方法 沉淀、结晶、离心、电解 蒸馏、萃取、精馏等,色谱分离 气相色谱、液相色谱、电泳 柱色谱、薄层色谱、纸色谱,物化性相似的复杂有机物的分离？ 同分（几何、构像）异构体的分离？,色 谱 法,一种高效的、应用范围广的分离分析技术，可用于从小分子到大分

2、子各种不同性质物质的分离，包括少量样品的分析及大量样品成分分离制备等。 由于仪器进步及各个学科分离分析复杂物质需要，近几十年来发展很快，是最有效的分离手段，涉及各个学科领域，是现代化学发展的基础之一。约有60%以上的分析工作是基于色谱法完成的。,14-1 色谱法基本理论,14-1-1 概述 14-1-2 色谱流出曲线及相关术语 14-1-3 色谱基本原理 14-1-4 分离度 14-1-5 基本色谱分离方程,14-1-1 概述（1）,茨维特色谱图 （1906，俄）,色谱法起源 将绿色植物的石油醚萃取液加载到装有吸附剂CaCO3的柱子上端，然后用石油醚淋洗。 固定相：CaCO3 流动相：石油醚

3、本质：CaCO3对萃取液中各成分的吸附能力不同，从而将其分离成不同色带。,色谱法的两相,色谱法名称来源,14-1-1 概述（2）,色谱法发展的历史,14-1-1 概述（3）,色谱法基本原理（以柱色谱为例） 在外力作用下，流动相以一定流速连续流经与其互不相溶的固定相表面（色谱柱）。待分离试样被一次性注入色谱柱头，各组分在同一时刻进入色谱柱。 各组分与两相的不同作用（溶解、吸附、渗透或离子交换等）导致其在两相间的“分配系数”不同。 在随流动相移动通过一定长度的色谱柱时，各组分在两相之间进行了反复多次（103106）的分配过程，使得分配系数不同的各组分在色谱柱中移动速率产生差异，从而彼此分开形成“单

4、组份”的带或区，依次流出色谱柱。 根据色谱柱末端检测器的响应信号可实现对各组分的定性/定量分析,14-1-1 概述（4）,色谱仪的基本结构框图,流动相及 流速控制装置,固定相 （色谱柱）,检测器,进样 装置,数据记录 与处理,14-1-1 概述（5）,色谱法分类（1）按色谱动力学过程 淋洗色谱法：又称为洗提法。将待分离组分注入色谱柱柱头后，用与固定相作用比各组分都弱的流动相洗脱。流动相连续流过色谱柱并携带样品组分在柱内向前移动，不同组分依据与两相作用力的差别，依次被洗脱，形成连续呈Gaussian曲线的色谱峰。 置换色谱法 迎头色谱法,固定相,流动相,14-1-1 概述（6）,色谱法分类（2）

5、,色谱法,气相色谱,液相色谱,超临界流体色谱,填充柱色谱 毛细管柱色谱,柱,平面,固体 涂渍在固体上的液体 固体表面键合有机物 离子交换剂 多孔固体凝胶 固体表面键合的特殊化合物,气固吸附色谱 气液分配色谱 键合相色谱（气液）,固体表面键合有机物 分配,吸附 分配 分配 离子交换 渗透（筛分） 特异性亲和力,液固吸附色谱 液液分配色谱 键合相色谱（液液） 离子交换色谱 体积排阻色谱 亲和色谱,虽然电泳法原理与色谱法不同，但因其应用领域，数据形式，定性/定量方式与色谱法相似，通常也将其归在色谱法中。电色谱是兼具两者特点的分离方式。,柱,14-1-1 概述（7）,色谱法的特点 分离效能高：能在较短

6、时间内对组成极为复杂，各组分性质极为相近的混合物同时进行分离测定； 灵敏度高：高灵敏的色谱检测器可检测10-1110-13 g的物质，适于痕量分析；样品用量极少，一般以g计，有时仅以ng计； 分析速度快：一般几或几十分钟便可完成对一个复杂试样的分析； 应用范围广：选择适当的色谱模式几乎能分析所有的化学物质。 虽然传统色谱检测器的定性能力较差，但与定性能力强的光谱方法如MS、FTIR、NMR等联用，可大大提高其定性分析能力。,Less than 30 minutes separation for 18 of amino acids,14-1-2 色谱流出曲线及相关术语（1）,色谱流出曲线（色谱图

7、）： 以进样为起点，检测器响应信号随时间/流动相体积变化的曲线,色谱流出曲线,14-1-2 色谱流出曲线及相关术语（2）,基线：仅有流动相通过时检测器时响应。稳定的基线不应随时间发生单向变化，而是在很小的范围内呈现高频的波动。 峰高：色谱峰顶点与基线之间的垂直距离。（定量） 峰面积：色谱曲线与基线间的面积。（定量）,进样,基线,h/峰高（定量）,A/峰面积（定量）,噪音（本底信号），影响检出限,14-1-2 色谱流出曲线及相关术语（3）,保留值（1） 死时间t0：流动相通过色谱柱所用的时间。通常采用不与固定相发生作用（非滞留组分）但能被检测器响应的物质来测定。 保留时间tr：组分从进样到出现色

8、谱峰值所需要的时间。 调整保留时间tr： 指组分在固定相中停留的时间。,进样,非滞留组分,组分,tr是色谱定性的基本依据：相同色谱条件下，同一物质的tr相同（反过来不成立！）,可由色谱柱长L及死时间t0计算流动相的平均线速,14-1-2 色谱流出曲线及相关术语（4）,保留值（2） 死体积V0： 指死时间内流经色谱柱的流动相体积。包括色谱柱中不被占据的空间及进样系统管道和检测器系统的总体积。 保留体积Vr： 指保留时间内流经色谱柱的流动相体积。 调整保留体积Vr： Fco为色谱柱出口流动相的体积流速（mLmin-1） 用保留体积定性可以消除流动相流速波动的影响。,14-1-2 色谱流出曲线及相关

9、术语（5）,保留值（3） 相对保留值： 气相色谱法中该值仅与柱温和固定相性质有关（液相色谱法中还与流动相性质有关），而与色谱柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，作为定性指标较tr、Vr可靠。 用（1）表示时称为选择性因子，是衡量固定相选择性的重要指标。,14-1-2 色谱流出曲线及相关术语（6）,区域宽度：用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素的重要参数。,色谱峰为对称Gaussian曲线时： W=4 W=1.699W1/2 W1/2=2.354 实际色谱峰是完全不对称的，通常是拖尾峰，也存在前伸峰。,从色谱流出曲线上可以得到什么信息？,根据色谱峰个数可以判断样品中所含组分的最小个数

10、根据色谱峰的保留值可以进行定性分析 根据色谱峰高或者峰面积可以进行定量分析 根据色谱峰的保留值和区域宽度可评价色谱柱分离效能 可通过两个色谱峰的峰距离（）评价固定相（流动相）的选择是否合适,14-1-3 色谱法基本原理（1）,色谱法定性/定量的前提：样品中各组分彼此完全分离。实现该目标必须满足以下两个条件： 相邻组份峰间距足够大：由各组份在两相间的分配系数决定，即色谱过程的热力学性质决定。 每个组份峰宽足够小：由组份在色谱柱中的传质和扩散决定，即色谱过程动力学性质决定。 因此研究、解释色谱分离行为应从热力学和动力学两方面进行。,14-1-3 色谱法基本原理（2）,色谱分离的热力学本质 样品中各

11、组份与两相发生了不同程度的作用。 作用的具体表现形式： 范德华力、静电引力、氢键等 作用的实际体现形式 分配系数、分配比,分配系数（ Distribution constant，K）,分配系数K：描述组份在两相间分配或吸附-脱附过程的参数。指一定温度和压力下，组分在固定相与流动相之间分配达到平衡时的浓度之比。 组分一定时，K仅与两相性质和柱温有关。 K反映了不同组分与两相作用力的差别，不同组分在两相间具有不K值是物质得以分离的前提！（热力学上可能） 通常情况下升高温度会使K减小，组分tr减小。,描述组分与两相作用的参数,分配比k（1）,分配比k：指一定温度和压力下，组分在固定相与流动相之间分配

12、达到平衡时的质量之比。 Vm：柱中流动相的体积，近似于V0；Vs：柱中固定相的体积，与色谱类型有关，分配色谱中指固定液体积。：相比率（Vm/Vs），与色谱柱型相关。 k越大说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此称为容量因子（决定进样量的大小）,描述组分与两相作用的参数,分配比k（2）,分配比k可直接从色谱图上求出： 可见，对于给定色谱体系，组分的分离最终取决于k而不是K，因此k又称为保留因子，是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。实际色谱分离时应将其控制在一个适当的范围。,当溶质分子处在流动相中时，其迁移速率为： 当溶质分子被固定相保留时，其迁移速率为： 某溶质分子处在流动相中的概

13、率： 该溶质分子的平均迁移速率为：,液相色谱中常用k表示分配比,分配系数K、分配比k与选择性因子的关系,两组分的K或k相等，=1，无法实现分离 两组分的K或k不等，1，满足热力学对分离的基本要求 两组分的K或k相差越大，越大，越容易实现分离,14-1-3 色谱法基本原理（3）,在满足热力学基本分离条件（1）的前提下，如何从色谱动力学的角度来优化分离条件，实现组分的分离？ 色谱过程动力学 色谱动力学理论是根据流体分子运动规律来研究色谱过程中分子的迁移，用严格的数学处理方程求解相当复杂，只得采用较为简化的假设和适当的近似处理。 塔板理论（基于热力学的平衡理论） 速率理论,塔板理论（1）,色谱柱可视

14、为由高度（H）相同、内径一致且填充均匀，被称作塔板的若干（n）小段组成（L=nH），组分可在每个塔板内瞬间实现分配平衡； 流动相是以脉动式进入色谱柱，每次进入体积为一个塔板体积V（每个塔板中流动相所占的体积）； 塔板之间不存在物质交换，即组分的纵向扩散忽略不计； 分配系数K在所有塔板上均为常数。,詹姆斯/马丁（1941）,塔板理论（2）,将m=1 （mg或g，单位略）的某组分（k=1）加在第一块（0号）塔板上，随着流动相的脉动式进入，该组分在各塔板中的分布情况如何（假定n=5）？,N（载气板体积数）=nV时，组分开始流出色谱柱,n50时，流出曲线趋于对称,塔板理论（3）,色谱流出曲线方程：,塔

15、板理论（4）,理论塔板数： 理论板高： 有效塔板数： 有效板高： 塔板数n又称为柱效，是描述色谱效能的指标。气相填充柱n=1500/m，毛细管柱n=3000/m；液相填充柱n=28104/m,有关塔板数的说明,说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等； 应定期对柱效进行评价，以防柱效下降、延长柱寿命,塔板理论（5）,贡献 用热力学的观点阐明了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程 解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置 提出了计算和评价柱效的参数 不足 不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素 不能说明同一溶质为什么在不同的流速下，可以测得不

16、同的理论塔板数,速率理论,吸收了塔板理论中的板高H概念（但含义完全不同），考虑了组分在两相间的扩散和传质过程从动力学角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素！,Van Deemter/ 1956,H：单位柱长色谱峰形展宽的程度 A：涡流扩散项 B：分子扩散项系数 C：传质阻力项系数,实际分离中还应考虑色谱峰在柱外的变宽因素，所以应尽可能减小柱外体积,涡流扩散项A（多途路径项）,减小A的途径： 使用粒径小、粒径范围窄的柱料均匀填充 开管柱（毛细管柱）的A是多大？,分子扩散项B/u（纵向扩散项）,减小分子扩散项的途径： 采用均匀柱料 柱温Dg ；柱压Dg 流动相分子量，Dg u, （B/u） L

17、C中Dm 较小，B项可勿略,球状颗粒 低温 短柱 大分子量流动相 适当增加流速,传质阻力项Cu（1）,色谱分离过程中溶质在两相之间进行的质量传递称为传质。由于色谱过程处于连续流动状态，溶质分子与两相分子间存在相互作用而使得传质过程不能瞬间完成，从而导致色谱峰展宽。（与分子扩散项的区别？）,流动相,气液界面,固定液,溶质分子,显然u越小，提供给溶质在两相中平衡的时间就越少，传质阻力项增大,传质阻力项Cu（2）,气液分配色谱的传质阻力项,Cg：小粒度填充物（dp）+小分子量载气（Dg） Cl：降低固定液含量（df，但是k也减小）；采用比表面积大的载体（df，但吸附增加可能导致峰脱尾）；提高柱温（D

18、l）,液液分配色谱中C具体表达式与气液分配色谱不同，但气液分配色谱中降低C的措施也适用于液液分配色谱。,流动相线速对板高的影响,板高Hcm,实际测定流速通常高于最佳流速（缩短分析时间）,固定相粒度大小对板高的影响,粒度直接影响A和C项，间接影响B项。粒度越细，板高越小，受线速度影响亦小。（HPLC采用小粒径填料的依据）,14-1-4 分离度（1）,热力学提出1就可能分离；动力学提出n足够大就能实现分离。可见与n相互影响，都不能真实反映组分的实际分离情况，因此需要引入一个兼顾两者的综合性指标：分离度R,14-1-4 分离度（2）,分离度：亦称分辨率，指相邻两组份色谱峰保留时间差值（反映色谱过程热

19、力学因素）与峰底宽均值（反映色谱过程动力学因素n）的比值。,14-1-4 分离度（3）,保留时间 t/min,响应信号,14-1-5 基本色谱分离方程（1）,R的定义式并未反映影响分离度的各种因素，既未与影响其大小的因素：柱效n、选择因子和保留因子k联系起来，因此不能提供改善分离效果的手段。 基本色谱分离方程实现R与上述因素的联系。,14-1-5 基本色谱分离方程（2）,对于难分离物质可合理认为W1=W2=W、k2=k1=k,分离度与柱效的关系,增加柱长，可提高分离度，但延长了分析时间及对仪器耐压的要求，因此变化有限（开管柱柱长变化范围较大）；因此降低板高，提高柱效，才是提高分离度的好方法。

20、如何降低板高？,分离度与选择因子的关系,当=1时，R=0，无法分离两组分；增大，是改善分离度的有效手段。对一个复杂混合物的分离条件的选择，主要是提高最难分离物质对的值。 GC通过选择合适的固定相和降低柱温来增大 LC通过改变固定/流动相的性质和组成，可有效增大,分离度与容量因子k的关系,如左图所示：在兼顾分离度和分析时间的考虑下，容量因子k控制在210为宜。 对于GC，改变柱温或增加固定液的用量来选择合适的k值。 对于LC，改变流动相的组成可有效的控制k值,分离度与分析时间的关系,分析时间与R，k、H/u等参数有关，R增加1倍，分析时间则是原来的4倍。实际工作中，即要能获得有效的分离，又要在较

21、短时间内完成分析。,例1：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85 s和100 s，计算达到完全分离时所需的有效塔板数；若填充柱的有效塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？,解：,例2：用一根柱长为1 m的色谱柱分离A、B两种物质，其保留时间分别为14.4和15.4 min，对应的峰底宽分别为1.07 min和1.16 min（死时间为4.2 min），试计算： 物质A的理论塔板数 分离度R 选择性因子 完全分离所需的柱长 完全分离所需的时间,解：,16-2-5 定性分析（1）,样品的预处理 GC分析对象是在气化室温度下能生气态的物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在

22、进样前，对样品进行处理。 水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质会造成效下降 非挥发性组分会产生噪声，同时慢慢分解产生杂峰 稳定性差的组分可能生成新物质造成杂峰,用已知纯物质对照定性,基于同一定操作条件下，组分保留时间为定值。也可以通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰高增加来确定。,醇溶液定性色谱图 A：甲醇 B：乙醇 C：正丙醇 D：正丁醇 E：正戊醇,前提：熟悉样品性质，有时也会误检（非质谱等检测器使用）,根据经验公式定性,碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留时间tr的对数与分子中碳数n成正比： 知道两种或以上同系物的调整保留值便可求出常数A和C。未知物的碳数则可从色谱图查出tr后，以

23、上式求出。 沸点规律：同族具相同碳数的异构物，其调整保留时间tr的对数与分子中沸点n成正比 辅助手段，目前基本不用，但能记住规律也好,相对保留值r2,1,相对保留值r21仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。在样品和标准中分别加入同一种基准物s，将样品的ri,s和标准物的ri,s相比较来确定样品中是否含有 i 组分，可消除两次进样引起的误差。 辅助手段,保留指数（Kovats）定性,重现性最佳，固定液和柱温一定时，定性不需要标准物 辅助手段（固定液的罗氏、麦氏常数的计算依据）,人为规定：正构烷烃cnH2n+2的Ix=100n,16-

24、2-5 定性分析（2）,双柱或者多柱定性 可克服在一根柱上，不同物质可能出现相同的保留时间的情况。 与其它方法结合：GC-MS，GC-IR，GC-MS-MS,质谱图（表）,对于一定的化合物，各离子间的相对强度是一定的，因此质谱具有化合物的结构特征（定性/结构）。定量？,基峰,相对峰强度,16-2-6 定量分析,峰面积的测量方法 定量校正因子 常用的定量计算方法,峰面积的测量方法,对称形峰面积的测量峰高乘半峰宽法 不对称峰面积的测量峰高乘平均峰宽法 自动积分仪法 工作站（）,定量校正因子,绝对校正因子 定量分析时必须要在与实际样品测定完全相同的条件下用标准物质测定物质的校正因子。若不能做到，需用

25、相对校正因子。 相对校正因子 相对校正因子指某物质i与一选定的标准物质s的绝对校正因子之比。只与检测器类型有关，而与色谱条件无关。常用于作为标准物质s的有苯（TCD）和庚烷（FID）等。有相对质量、摩尔、体积校正因子之分。,常用的定量计算方法（1）,归一化（NORM）：要求样品中所有成分都要能从色谱柱上洗脱下来，并能被检测器检测。 样品所有组分的总量： 某组分所占百分含量： 该法不受进样量的影响，但需知道所有组分的校正因子（查表或者标准样品测定）；对于同系物可以近似认为它们的校正因子相同。,常用的定量计算方法（2）,外标法（ESTD） fi由待测组分的纯物质获得（标准曲线法或单点，但其浓度要与

26、待测样品接近） 最常用的定量方法，适合大量样品的常规分析，但分析条件和进样量必须重现,常用的定量计算方法（3）,内标法：选择一个适当的内标物s，加入到待测试样中，待测组分s与内标物i的校正因子比值不变 若fi和fs已知可直接计算求的wi；若未知可采用含内标的标样通过单点或标准曲线法求wi 由于标准物质s和被测组分i处在同一基体中，因此可消除基体带来的干扰。且当仪器参数和洗脱条件发生非人为变化时，标准物质和样品组分都会受到同样影响，这样消除了系统误差。,内标物的选择依据,样品中不含内标物质； 峰的位置在各待测物质之间或与之相近； 稳定，易得纯品； 与样品能互溶但无化学反应； 内标物浓度恰当，其峰

27、面积与待测组分相差不大。,几种定量方法的比较,14-2 气相色谱法,气相色谱过程：将待测样品蒸发并注入色谱柱头，载气（惰性气体，与样品分子不反应，亦无作用力，仅其运载及分配空间的作用）将其带入柱内分离。 气固色谱：固定相为固体吸附剂，利用其对不同物质吸附/解吸能力差异实现分离。因固定相对组分的半永久性滞留，较易出现拖尾峰。主要用于永久性气体和较低分子量的有机化合物的分离分析。 气液色谱：固定相在工作状态下液体（涂覆或键合在色谱柱内壁或惰性固体载体表面），利用其对不同物质的溶解能力差异（分配系数的差异）实现分离。适于除永久性气体外其他可被气相色谱分离分析的物质，约占气相色谱应用的90%，通常简称

28、为气相色谱。,气相色谱法的适用范围,可直接测定易气化、热稳定好，即在气相色谱仪允许条件（取决于固定液使用温度上限）下可气化且不分解的物质（b.p 400 C，M500）；不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质及蛋白质、核酸等生物样品的分析。约占色谱法应用的20%。 部分热不稳定或极性强、难以气化的物质（M500），可通过化学衍生化的方法使之适用与气相色谱； 控制适当的条件可实现对大分子物质的测定（裂解气相色谱）,气象色谱的主要应用领域,本章内容,14-2-1 气相色谱仪 14-2-2 气相色谱柱类型及固定相 14-2-3 气相色谱检测器 14-2-4 色谱分离操作条件的选择 14-2-5 定性分

29、析 14-2-6 定量分析,14-2-1 气相色谱仪,气相色谱仪流程示意图,气相色谱仪的基本结构：气路系统；进样系统；分离系统；检测系统；数据记录及处理系统；控温系统。,气相色谱仪结构示意图（1）,气路系统,进样系统,分离系统 （填充柱）,检测系统 （TCD）,控温系统,数据记录与处理系统,气相色谱仪结构示意图（2）,分离系统 （毛细管柱）,稳压器,分子筛脱水管,检测系统 （FID）,进样系统,载气系统,流量 控制器,固定 限流器,数据记录与 处理系统,控温系统,气路系统（1）,气路系统：提供纯净、流速稳定的载气的密闭管路系统（最终排入大气）。常用载气有高纯N2、H2、He、Ar等，通常由高压

30、钢瓶供给，N2、H2也可由气体发生器供给。 载气纯度、流速及稳定性影响色谱柱效、检测器灵敏度及仪器整机的稳定性，是获得可靠色谱定性、定量结果的重要条件。 气路系统的作用：动力：驱动样品在色谱柱中流动，并把分离后的各组分推进检测器；为样品的分配提供一个相空间。 载气与组分间无作用力 ，K、k、等与载气组成无关。,气路系统（2）,载气的选择与净化 虽因影响Dg导致影响柱效并进一步分离度，载气的选择及净化方式（不能含有可在检测器上响应的杂质）主要还是取决于所选用的检测器。,气路系统（3）,流速的控制及测定 流速的控制：恒温色谱（稳压阀）；程序升温色谱（稳压阀稳流阀） 流速的测定：柱前（转子流量计）；

31、柱后（皂膜流量计）；许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。,进样气化系统,进样器：将样品快速、准确地加到色谱柱头 气样：六通阀或注射器（0.25、1、2.5、10 mL） 液样：微量注射器（0.5、1、2、10 L） 固样：溶解或闪蒸 气化室：将液/固体样品瞬间气化。热容大，死体积小，无催化效应 温度的选择：保证样品瞬间气化而不分解；通常选在样品沸点附近，高于最高使用柱温1050 C即可。 气化温度过高或过低如何判断？,常见GC进样口和进样技术,分流/不分流流路系统,容量因子k决定进样量的大小：k=K/ 填充柱=635；毛细管柱=60600 因此采用毛细管柱时允许进样量极

32、小，无法采用微量注射器直接完成！ 可采用分流进样法实现对毛细管柱进样！ 分流比设定范围通常为：20200:1，具体根据样品实际情况确定，对于痕量组分的测定可不分流。,隔垫吹扫目的在于消除硅胶垫中残留溶剂和降解产物，通常控制在3 mL/min，与分流比无关,控温系统,控温系统包括对三个部分的控温，即气化室、柱箱和检测器。温度直接影响色谱柱的分离效率，检测器的灵敏度和稳定性，因此温度控制是否准确、升、降温速度是否快速是色谱仪最重要的指标之一。 控温方式：恒温和程序升温 温度选择,14-2-2 气相色谱柱类型及固定相,色谱柱：由玻璃、石英或不锈钢制成的圆管，内装固定相。通常有以下两种形式：,填充柱与

33、开管柱的比较（1）,填充柱与开管柱的比较（2）,开管柱渗透性好（载气流动阻力小），可使用长的色谱柱，总柱效远大于填充柱，因此分离效率通常优于填充柱，使得开管柱的通用性很好，即一根色谱柱可实现性质相差很多的组分的分离，如一根非极性柱HP-1可分离诸如 苯甲酸、山梨酸、丁基羟基茴香醚 、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚 、特丁基苯二酚、甲醇、杂醇油、 农药、车间空气等多种组分；填充柱通用性不佳，但可选择的固定相较多，可根据样品选择特异性较强的固定相。 开管柱相比高，传质快，可实现快速分离测定， 开管柱柱效高，色谱峰窄，峰高较填充柱为高，但柱容量低，通常采用分流方式，因此灵敏度不一定优于填充柱 开管柱

34、柱容量小，若样品成份复杂，极易污染柱子而影响基线及分离效果，对样品前处理要求较高；填充柱容量较大，可以多次注入较“脏”的样品，对样品前 处理要求不高。 开管柱价格较高，且难以自行制作，但污染后将污染部分切掉可正常使用；填充柱较为便宜，且自行制作较为容易。 开管柱流速大，但流量小，因此较填充柱节省载气，但交易堵塞。,气固色谱（GSC）,分离小分子量的永久气体及烃类 占应用的10%,填充柱,多孔层开管柱（PLOT）,毛细管柱,气固色谱固定相,苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物，亦可引入不同基团使之带有一定极性,气固色谱应用实例1,永久性气体的分离,0 5 10 15,色谱柱：60 cm 固定相：5A 分子

35、筛 柱温：室温3 min 后10 C/min 升温 载气：He 检测器：热导池,气固色谱应用实例2,烃和硫化物的分离,色谱柱：Porapack Q 30 m 0.53 mm（Plot ) 柱温：60C（1 min），60130 C （5 C / min），130240 C （30 C / min） 检测器：FPD+FID,气液色谱（GLC）,固定液,壁涂开管柱 （WCOT）,填充柱,毛细管柱,固定液,载体（1）,基本要求：较大的比表面积，分布均匀的孔径，良好的机械强度、化学惰性和热稳定性，表面不与固定液和样品起化学反应，且吸附性和催化性能越小越好,硅藻土的显微结构,载体（2）,载体的表面处理：

36、载体表面具有活性中心如硅羟基、矿物杂质等，会引起色谱峰拖尾，因此使用前要是情况进行适当的化学处理改进空隙结构，屏蔽活性中心。,固定液（1）,一般为高沸点有机物，均匀地涂在载体表面，在分析条件下呈液膜状态 要求： 选择性好；在使用温度下为液体；具有较低的蒸气压；热稳定性和化学稳定性好；对试样各组分有适当的溶解能力；黏度和凝固点低。 固定液的选择性取决于其与组分分子间的作用力 定向力诱导力色散力氢键力,固定液（2）,固定液的特性：指固定液的极性或选择性，可用于描述和区别固定液的分离特征。 相对极性P：人为规定角鲨烷P=0，氧二丙腈P=100,1：氧二丙腈 2：角鲨烷 x：待测固定液,0-1：非极性

37、 1-2：弱极性 3：中等极性 4-5：强极性,特征常数：罗什耐德常数和麦克雷诺常数 通过选择可代表不同作用力类型的标准物质，测定它们在待测固定液和参比固定液角鲨烷上保留指数的差值来表示固定液的特性，据此可根据组分与固定液的作用类型来选择合适的固定液。,固定液（3）,固定液的分类 按相对极性 按化学结构,常见固定液的结构和性质,固定液（4）,固定液的选择：通常按“相似相容”的原则,同系物通常按照分子量顺序流出 毛细管柱极高的分离效率，使固定液的选择变得相对简单，通常实验室具备2根极性不同的毛细管柱即可实现对大多数组分的分离。,聚二甲基硅氧烷类固定相,应用最为广泛的固定相，具有相当高的热稳定性和

38、很宽的液态温度范围（-60350C），适合相当数量物质的分离,聚乙烯烃的分离,色谱柱：HT5（6 m 0.53 mm 0.1 m） 柱温：-20C（1 min）后升至430 C（10 C /min）并恒温5 min 检测器：FID,聚乙二醇（PEG）类化合物,极性固定相，热稳定性在220C以上，可以分离各种极性和非极性的化合物 不同分子量的聚合物具有不同的极性，通常使用的是分子量2万的聚合物（PEG20M或Carbowax 20M） 聚合物末端羟基可以连接各种官能团，从而可以改变其选择性，如连接邻硝基对苯二甲酸，可将热稳定性提高至250C以上，而且适合分离中性和偏酸性的物质（FFAP固定相）,

39、有机酸样品的分离,色谱柱：DB-FFAP（30 m 0.25 mm 0.25 m） 柱温：100C（5 min）后升至250 C（10 C /min） 检测器：FID,1. 丙酮 2. 甲酸 3. 乙酸 4. 丙酸 5. 异丁酸 6. 丁酸 7. 异戊酸 8. 戊酸 9. 异己酸,10. 己酸 11. 庚酸 12. 辛酸 13. 癸酸 14. 十二酸 15. 十四酸 16. 十六酸 17. 十八酸 18. 二十酸,手性固定相（1）,氨基酸对应体衍生物在Chirasil-Val柱上的分离图谱（对应体前一个峰为型，后为L型）。色谱柱：Chirasil-Val（20 m 0.27 mm）；柱温：85

40、C（3 min）后升至185 C（3.8C /min）；检测器：FID,手性固定相（2）,氨基酸对映体衍生物在环糊精柱上的分离图谱。色谱柱：Chirasil-Dex 26（25 m 0.25 mm0.20 m）；柱温：65C（2 min）后升至180 C（3.5C /min）；检测器：FID,色谱柱的制备,选择柱材料 制备柱填料（固定液、载体的选取及涂渍） 填充 老化：通载气，柱温高于常用柱温10C，48小时 作用：去除残留溶剂、低沸点杂质、平稳基线 老化温度下，固定液再分布更趋于均匀,以填充柱为例,新柱及柱污染后都应进行老化处理，此时应把色谱柱与检测器断开，以避免检测器,14-2-3 气相色

41、谱检测器,根据对不同物质的响应：通用型和选择型 根据检测原理不同：浓度型和质量型 浓度型：热导检测器和电子捕获检测器 质量型：氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器,感应载气中组分变化并转变成电信号,S：检测器响应信号；k：比例常数（灵敏度）；c：组分浓度；m：组分质量,热导检测器TCD（1）,原理：基于样品与载气的导热系数差异,当R2、R3、R4和E固定不变时，U的大小取决于R1； 以热导池取代R1。热导池由不锈钢制成的中空池体（载气通路）及电阻丝构成，两者之间存在温差（人为设定）；,载气以恒定流速通过池体时会建立动态的传热平衡，此时电阻丝阻值恒定，信号U恒定（基线，可人为调0）； 当载气中混有

42、组分时，因组分与载气导热能力不同会导致传热平衡破坏，电阻丝阻值改变，从而信号U发生相应的改变（形成色谱峰）,热导检测器TCD（2）,影响热导池检测器灵敏度的因素 电阻丝与池体温差：大的温差有利于提高检测器的灵敏度，因此在允许的范围内，可采用较大的桥电流（决定电阻丝的温度，该值上限与所用载气流速及种类有关，通常为几十到一、二百毫安）及较低的池体温度（但避免冷凝样品，不能低于柱温）； 载气：组分与载气导热系数相差越大灵敏度越高。因此采用H2、He为载气时有较高的灵敏度，而采用N2为载气时灵敏度较低； 热敏元件阻值：阻值高、电阻温度系数大的热敏元件，灵敏度高 取决于池体的体积和载气的纯度。,某些气体

43、与蒸气的热导系数,：J(cmsC)-1,不同组分与载气热导系数的差值不同，因此检测器对不同组分响应的灵敏度也不同，即相同量的两组份色谱面积是不同的，反之亦然。 所有的色谱检测器均存在这个现象。,热导检测器TCD（3）,热导检测器特点：通用型检测器,可对任何气体均可产生响应；不破坏样品（可以其他检测器串联），线性范围宽；价格便宜、应用范围广，但灵敏度较低。 为提高检测灵敏度，通常采用双臂或四臂热导池检测器。 常规热导池体积较大，不用适于毛细管柱（流量小，柱外扩散严重。,调制式单丝TCD,适用于毛细管色谱柱,通过色谱柱的载气（含样品）与参比用载气被交替（频率为10 Hz）导入微型陶瓷热导池（5 L

44、）中，产生10 Hz的交变信号，该信号正比于热导系数的差。放大器只检测频率为10 Hz的信号，可克服热噪声的干扰，灵敏度高、基线漂移小、平衡时间短。,较小的池体积及柱后尾吹（补偿气）消除了毛细管柱因柱流量小而造成的色谱峰柱外展宽。,氢火焰离子化检测器FID（1）,以毛细管柱为例,FID 检测器组件,同时充当了尾吹气,含C、H的有机组分在火焰中发生化学离子化反应生成CHO+和H3O+等正离子和e，在检测组件的电场作用下形成电流。,氢火焰离子化检测器FID（2）,氢火焰离子化检测器特点 典型的质量型检测器，具有一定的选择性； 对有机化合物具有很高的灵敏度，比TCD高出近3个数量级，检出限可达10-

45、12 gg-1； 无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应； 结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速； 样品被破坏。,FID的响应,对于相同质量的组分，FID响应与其所含碳-氢键个数成正比,影响FID灵敏度的因素,载气：选择分子量较大的载气如N2，有利于灵敏度的提高。,H2与air的流量：应控制在适当的范围。,载气和air流量恒定,载气和H2流量恒定,FID操做条件,检测器温度选择：理论上至少100C以避免水汽凝结（通常仪器设定150C时火焰将无法点燃； 检测器温度应高于柱温 20C。,电子捕获检测器ECD,稳定基流,含电负性原子的组分进入后捕获e形成负离子并与N2+结合使

46、基流减小形成负峰。,优点：是最灵敏的GC检测器之一，也是一种选择性很强的检测器，对于含卤素有机化合物、过氧化物、醌、邻苯二甲酸酯和硝基化合物的检测有很高灵敏度，特别适合于环境中微量有机氯农药的检测 。 缺点：线性范围较窄，一般为103，且检测器的性能受操作条件的影响较大，载气中痕量的氧气会使背景噪声明显增大。,火焰光度检测器FPD,又称S、P检测器，是对含S、P的有机化合物具有很高选择性和灵敏度的质量型检测器。 结构与FID相似，但检测的不是组分在氢火焰中被破坏所生成的离子，而是其所产生化学发光物质发射出的具有特征波长辐射的强度。,检测器的性能指标,对检测器的要求：噪声小、死体积小、响应时间短、稳定