气相色谱法河北医科大学分析化学

1、 气相色谱法气相色谱法 （gas chromatography;GC) 简介：简介： 1.定义:是以气体为流动相的柱色谱法。 2.气相色谱的发展： 由英国生物学家由英国生物学家Martin等人创建，等人创建，1941年首次年首次 提出用气体作流动相，提出用气体作流动相，1952年第一次分离复杂混合年第一次分离复杂混合 物，物，1955年第一台商用仪器问世，年第一台商用仪器问世，1956年速率理论年速率理论 出现，出现，1957年诞生了毛细管色谱法，年诞生了毛细管色谱法，1959年年Martin 等人创建了裂解气相色谱法，等人创建了裂解气相色谱法，60年代产生了气质年代产生了气质 联用法。联用法

2、。 简介 3.气相色谱法的特点： “三高” “一快” “一广” 高效能一般填充色谱柱n为几千，毛细管 为105106 高灵敏度可以检出10111013 g的物质； 高选择性可以分离异构体、同位素等； 分析速度快分析一个样品一般只需几分钟几十 分钟 应用广气体及易挥发物 简介 气相色谱法缺点： 1.样品必须气化； 2.定性困难； 3.遇热易分解的物质不能应用； 4.高腐蚀样品，不如化学方法简便。 第一节 气相色谱法的分类和一般流程 气相色谱法可按不同方式来分类： 载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量 进样系统：包括进样器、气化室、加热系统 色谱柱系统：包括恒温控制系统、色谱柱 检测系

3、统：包括检测器、控温装置 记录系统：包括放大器、记录器、数据处理装置 第二节气相色谱固定相和流动相 一、气液色谱固定相 固定相组成：载体+固定液 1作用：作用：承载固定液的作用 2要求：要求： 比表面积大，孔径分布均匀（多涂渍固定液） 无吸附性（不吸附被测组分） 化学惰性（不与固定液发生化学反应） 热稳定性好 有一定的机械强度 3分类： （1）硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒； 将天然硅藻土压成砖形，在900锻烧，然后粉 碎，过筛而成。 红色：吸附力强，与非极性物质配伍 白色：吸附力弱，与极性物质配伍 （2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球， 氟塑载体，含氟化合物 红色担体：锻烧后天然硅藻

4、土中所含的铁形成氧化铁，呈淡红色红色担体：锻烧后天然硅藻土中所含的铁形成氧化铁，呈淡红色 白色担体：加助溶剂白色担体：加助溶剂Na2CO3，氧化铁转化为无色硅酸钠铁盐，呈白色，氧化铁转化为无色硅酸钠铁盐，呈白色 红色载体白色载体 孔径1um89um 粘合剂有无 机械强度高差 表面积大（4.0 m2/g)小（1.0 m2/g) 化学活性有吸附中心很弱 常用固定液非极性极性 分离对象非极性物质极性物质 产品 大连6201担体 上试201 上试101、102 4载体的处理方法钝化，减弱吸附性 酸洗：酸洗：除铁、铝等金属氧化物，用于分析酸类和酯类 碱洗：碱洗：除表面Al2O3等酸性用于分析胺类等碱性化

5、合物 硅烷化：硅烷化：除表面的硅醇基，用于具有形成氢键能力的 较强的化合物分析 表面釉化：表面釉化：屏蔽或惰化载体的吸附活性中心，在载体 表面产生一玻璃状的“釉层” 载体的选择 样品固定液推荐用载体注解 非极性非极性未经处理的硅藻土型载体 极性极性酸、碱洗或硅烷化硅藻土载体 酸样用酸洗 碱样用碱洗 极性和非极性 弱极性或极性酸洗硅藻土载体 弱极性、极性 或非极性 硅烷化载体 高沸点玻璃微球 强腐蚀性样品 聚四氟乙烯等特殊载体 1固定液的要求： （1）操作柱温下固定液呈液态（易于形成均匀液膜） （2）操作条件下固定液热稳定性和化学稳定性好 （3）固定液的蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低） （4）

6、固定液对样品应有较好的溶解度及选择性 2.化学分类法化学分类法 续前 3.极性分类法极性分类法 （1）相对极性法P： 规定： 非极性固定液角鲨烷相对极性为0 强极性固定液，氧二丙睛相对极性为100 续前续前 测定方法： 选取一对物质：苯 与环己烷或正丁烷与丁 二烯，分别测定它们在 以上选定的两种固定液 和被测固定液上的相对 保留值的对数， 注：相对极性分为五级 P=020 “1” P=2140 “2” P=4160 “3” P=6180 “4” P=81100 “5” 环己烷） 苯） ( ( lg R R t t q )1 (100 21 1 qq qq P x x 即 式中q1 、q2和qx

7、分别为苯和环己烷 在，氧二丙睛、角鲨烷和 待测固定液上的q值。 （2）.罗氏固定液特征常数：罗氏固定液特征常数： 选取五种物质来表征一种固定液的特性 苯电子给与体； 乙醇质子给予体； 甲乙酮定向偶极力； 硝基甲烷电子接受体； 吡啶质子接受体。 续前续前 式中Ip与Is分别代表组分分别代表组分m在某固定液和参比在某固定液和参比 固定液角鲨烷上的保留指数。固定液角鲨烷上的保留指数。 根据分子间作用力具有加和性，固定液总极根据分子间作用力具有加和性，固定液总极 性为：性为： sp m p eSdUcZbYaX m p 续前续前 100 100 100 100 100 0000100 吡啶 硝基甲烷

8、甲乙酮 乙醇 苯 苯苯苯 p p p p p spp S U Z y X X 五种组分的质常数 组分abcde 苯1000000 乙醇0100000 甲乙酮0010000 硝基甲烷0001000 吡啶0000100 （3）麦氏固定液特征常数 吡啶 硝基丙烷 戊酮 正丁醇 苯 p p p p p S U Z y X 2- 麦氏常数对固定液的表征表 常数代表性化合物结构特征代表化合物 X易极化，电子给予体化合物芳烃、烯烃 Y含羟基、质子给予体、形成氢键化合物 醇、睛、酸、氯化物、 氟化物 Z含羟基、定向偶极力、接受氢键化合物 酮、醚、醛、酯、环氧 化合物 U含强极性基团的电子给予体化合物 硝基化合

9、物、睛类衍生 物 S质子接受体化合物 含喹啉、吡啶、氧、氮 杂环化合物 （三）固定液的选择（三）固定液的选择 a a按极性相似原则选择：按极性相似原则选择： 固定液与被测组分极性“相似相溶”，K大，选择性 好 非极性组分选非极性固定液， 按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱 中等极性组分选中等极性固定液， 基本按沸点顺序出柱 强极性组分选极性固定液 按极性顺序出柱，极性强的后出柱 注：对于中等极性组分，若沸点相同， 则按极性顺序出柱，极性较强的后出柱 续前续前 b b按化学官能团相似选择：按化学官能团相似选择： 固定液与被测组分化学官能团相似，作用 力强，选择性高 酯类选酯或聚酯固定液 醇类选醇类或

10、聚乙二醇固定液 组分的沸点差别为主 选非极性固定液 按沸点顺序出柱 沸点低的先出柱 组分的极性差别为主 选极性固定液 按极性强弱出柱 极性弱的先出柱 使用混合固定液分离复杂样品和异构体 例：苯（80.10C），环己烷（80.70C） 选非极性柱 分不开； 选中强极性柱 较好分离，环己烷先出柱 （3）按麦氏常数选择固定液）按麦氏常数选择固定液 由于麦氏常数比较全面的描述了固定液 的分离特性，可以依据其常数区分、比较固 定液的分离特性。 例如:正丁基乙基醚中杂质正丙醇的检查正丁基乙基醚中杂质正丙醇的检查 沸 点分别为91和97，应让正丙醇先出柱正丙醇先出柱， 因此选择固定液对因此选择固定液对正丁基

11、乙基醚正丁基乙基醚作用力强，作用力强， 对对正丙醇正丙醇作用力弱，即选作用力弱，即选Z值大于值大于Y值的固值的固 定液，因为醚是质子受体，醇是质子给体，定液，因为醚是质子受体，醇是质子给体， 因此只有选择具有高因此只有选择具有高Z/y值的固定液，才能值的固定液，才能 将其分开。将其分开。 固定相：固定相： （1）吸附剂：硅胶、AL2O3（极性，吸附力 强）、活性炭（非极性） （2）分子筛：吸附+分子筛 （3）高分子多孔微球GDX 有机合成高分子聚合物 吸附+分配机制 三 流动相 （一）氢气（一）氢气 纯度大于99.99，由于它的分子 量小，热导系数大，粘度小，使用热导检测 器时，常用它作载气；

12、氢气易燃、易爆，应 注意安全。 （二）氮气二）氮气 纯度大于99.99，由于它的扩散 系数小，热导系数小，除热导检测器外，常 用它作载气； 第三节 检测器 检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为 电信号的装置 浓度型检测器：测量组分浓度的变化响应值与组分 的浓度成正比（TCD） 质量型检测器：测量组分质量流速的变化响应值与 单位时间进入检测器的组分质量成正比（FID） CR dt dw R 优点： 1）通用型，应用广泛 2）结构简单 3）稳定性好 4）线性范围宽 5）不破坏组分，可重新收集制备 缺点：缺点：与其他检测器比灵敏度稍低 （因大多数组分与载气热导率差别不大） 基线， ， 00

13、43212121 GAB IV RRRRRR 色谱峰， ， 00 43212121 GAB IV RRRRRR (1）桥流桥流，灵敏度，灵敏度 灵敏度足够时，桥流应尽可能小（100200mA） 先通载气，再给桥流 ,否则热敏元件易烧坏 （2），灵敏度，灵敏度，选大的做载气 载 组，出正峰 载 = 组，不出峰 载 He N2选氢气做载气 （3） T池，池体与热丝温差温差，灵敏度，灵敏度 保证T检 T柱，以免造成检测器污染 （4）浓度型检测器， 在进样量一定时，A 1/u， 以A定量，应保持u一定 （峰面积定量依据） 优点：优点：专属型检测器（只能测含C有机物） 灵敏度高（ TCD） 响应快 线性

14、范围宽 缺点：缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回收 （制备纯物质，不采用） 检测原理：检测原理：利用组分在氢焰中产生离子流进行检测 有机化合物离子对离子流流向阴、阳极放 大记录 离子流强度与进入检测器中组分的量及分子中 的含碳量有关，含量越大，产生的微电流就越大 离子化机理：离子化机理：化学电离理论 氢焰自由基正离子 1）载气的选择： 载气N2气 燃气H2气 助燃气空气 通常N2:H2(燃气）1：11：1.5 H2:空气（助燃气）1：51：10 2）使用温度：高于柱温501000C 续前续前 3）注意问题： 质量型检测器，h u， 以h定量，应保持u恒定（峰高与载气流速 成正比，峰面积定量与载气

15、流速无关） 极化电压150300v 用硅油作固定相，需选用分子量较大的，并 在较低的柱温下使用，否则硅油流失，在收 集极表面形成一层绝缘层，不产生信号。 （三）电子捕获检测器 优点：优点：高选择性检测器（只能测含电负性强的 元素的物质） 灵敏度高（1014g/ml） 缺点：缺点：线性范围窄 响应易受操作条件影响，分析重现性差 检测原理：检测原理：电子捕获检测器实际上是一种放射性离 子化检测器。 放射源不断放出粒子，即初级电 子。当载气（Ar或N2)分子进入内腔时，不断受到 粒子轰击而离子化，形成次级电子和正离子。在电 场作用下，次级和初级电子一齐向阳极运动，并为 阳极收集，产生约109108A

16、的基流，在记录器上 产生一条平直的基线。当电负性组分进入检测器时， 立即捕获这些自由电子，使基流下降，产生信号。 Ar+ Ar+ +e AB + e =AB- AB + e=A + B（或 A- + B) Ie= I0 e-KAC 1）载气的选择： 载气N2气（纯度大于99.999），不应含有O2 、H2o 及其它电负性杂质。 2）使用温度：高于柱温，但不能过高，否则，加速放射源的 放射，寿命缩短。 3）一般使用低于饱和基流所对应的极化电压，因极化电压低， 电子能量小，分子捕获电子的可能性大，检测灵敏度高。 4）检测器出口必须连接几米长金属或塑料管道后，再与大气 相通，以防止氧化反扩散进入检测

17、器，使检测器污染。 5) 载气流速通常为40100ml.min-1 1噪声：无样品通过时，由仪器本身和工作条件等噪声：无样品通过时，由仪器本身和工作条件等 偶然因素引起基线的起伏称为噪声（以噪声带衡量）偶然因素引起基线的起伏称为噪声（以噪声带衡量） 2漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为 （以一小时内的基线水平变化来表示）（以一小时内的基线水平变化来表示） 1浓度型检测器的灵敏度（Sc） w CCCA SC 321 /mgmLmV 的电信号样品进入检测器所产生载气携带指mgmLSC11 )( 2 cmA峰面积 ）记录器灵敏度（cmmVC/ 1 ）记录

18、纸纸速倒数（cmCmin/ 2 ）柱出口载气流速（min/ 3 mLC ）进样量（mgw 2 2质量型检测器的灵敏度质量型检测器的灵敏度（Sm） w CCA Sm 60 21 /gsmV 的信号强度样品进入检测器所产生秒钟携带指gSm11 )( 2 cmA峰面积 ）记录器灵敏度（cmmVC/ 1 ）记录纸纸速倒数（cmCmin/ 2 ）进样量（gw 质量型检测器质量型检测器 浓度型检测器浓度型检测器 m m S N D 2 /sg 检测器中物质的质量指单位时间内载气引入 m D C C S N D 2 /mLgmLmg或 检测器中物质的质量指单位体积的载气引入 C D 1分离度定义式 分离度分

19、离度：相邻两组分间峰顶间距离是峰底宽平均相邻两组分间峰顶间距离是峰底宽平均 值的几倍（衡量色谱分离条件优劣的参数）值的几倍（衡量色谱分离条件优劣的参数） )2( 21 )1( 21 12 21 12 )(177. 1)(2 WW tt WW tt R RRRR 续前续前 2 2 1 1 4k kn R abc 柱效项柱选择项 容量因子项 影响色谱峰的宽窄 主要取决于色谱柱性能及载气流速 nR 因为 Rn所以 H nLn 1 或已知RnHL，或所以 nR H RLR 1 或 讨论讨论 v增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段 v 提高柱效、改善分离的途径：增加柱长；降低板高 v 根据速率理论，降

20、低板高、提高柱效的方法是： 1）采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项 ） 2）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项 ） 3）适宜的操作条件： 流动相的性质和流速，柱温等等（B项 ） 选用分子量较大、线速度较小的载气N2气， 控制较低的柱温 影响峰的间距 主要受固定相性质，以及柱温影响 1 R因为 R，所以 1 ，无法分离01R 的影响都很大微小变化对R 一倍R2 . 11 . 1 讨论 v增大柱选择性是改善分离度的最有力手段 v 气相色谱中，柱选择性取决于固定相性质和 柱温 选择合适的固定相使与不同组分的作用产生 差别才能实现分离 一般说，降低柱温可以增大柱的选择性 影响峰位影响峰位 主要受固定

21、相用量、柱温和载气流速的影响主要受固定相用量、柱温和载气流速的影响 k k R 1 00Rk R k k k， 1 ，峰扩张 ，的影响对时 R t Rk 变慢时，Rkk5 R tRkk很少，时，10 控制k的最佳范围 25 GC中，增加固定液用量和降低柱温可以增加 k 例子例子 续前 ，柱压，峰宽，RnL LnH k 不变 不变不变， 2 12 2 1 )( L L R R LRnR 2 1 2 1 L L R R 2 1 5 . 1 75. 0 L mL4 2 例题 例：已知物质A和B在一根30.0cm长的柱上的保留时间分别为 16.40和17.63min，不被保留组分通过该柱的时间为 1.

22、30min，峰底宽为1.11和1.21min，试计算（1）柱的分离 度（2）柱的平均塔板数（3）塔板高度（4）达1.5分离所 需柱长 2 )(16 W t n R 3493) 11. 1 40.16 (16 2 1 n 3397) 21. 1 63.17 (16 2 2 n 3445 2 )33973493( 2 21 nn n 06. 1 21. 111. 1 )40.1663.17( 2 )( 2 21 12 WW tt R RR 解： 续前 板高： mm n L H 3 107 . 8 3445 300 LRnR cmL60 2 2 1 2 1 L L R R 2 30 5 . 1 06

23、. 1 L T 固定相检测本底 K D C DB L g 1 2 高沸点混合物（300400）：低于沸点100150，低配 比（13），高灵敏度检测器 沸点300的试样：比平均沸点低50至平均沸点的温度范 围内选择，固定液配比525 例子例子 改善分离效果、缩短分析周期 改善峰形、提高检测灵敏度 1）气化室温度一般稍高于样品沸点 2）检测室温度应高于柱温30500C 3）进样量不可过大，否则造成拖尾峰 气体样品为0.11ml，液体样品为0.11l 注： 检测器灵敏度足够进样量尽量小 最大允许进样量使理论塔板数降低10%的 进样量 进样速度要快，进样时间要短，有利于分析 1利用保留值定性利用保留

24、值定性 1）已知对照物定性：定性专属性差 注：不同组分如在某一色谱条件下保留值相同，应 更改色谱柱再检测，粗步推算是否为一个纯物质峰 2）相对保留值定性 3）利用保留指数定性：唯一可靠、 准确、重复性好 2利用化学反应定性：收集柱后组分，官能团反应 定性鉴别（非在线） 3利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR iii ACm)(或定量依据 21 605.1WhA )( 2 1 605. 1 85. 015. 0 WWhA 前提：相同量的两种物质对于不同检测器响应不同，不可以直 接用m i(c i) A I 定量 i i iiii A m fAfm 关）分性质、仪器灵敏度有绝对校正因子（与

25、组 i f 的量或质量进入检测器中的物质 i m si is ss ii s i mi mA mA Am Am f f f giwi mi ff f ，相对重量校正因子相对摩尔校正因子 作条件变化无关）相对校正因子（与操 续前 2相对校正因子的测定相对校正因子的测定 s i i s mi ss ii s i m m A A f Af Af m m 前提：试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰 依据：组分含量与峰面积成正比 %100%100% 11 nnii ii ii ii i fAfAfA fA fA fA C a工作曲线法：i纯品工作曲线，同体积样品与之比较 c 前提：进入检测器样品量与峰

26、面积成正比 b外标一点法：一种浓度对照物对比样品中待测组分含量 前提：截距为0，对照品浓度与待测组分浓度接近 si i si i A A C C )()( 对内标物要求：对内标物要求： a内标物须为原样品中不含组分 b内标物与待测物保留时间应接近且R1.5 c内标物为高纯度标准物质，或含量已知物质 内标法优点：内标法优点： 进样量不超量时，重复性及操作条件对结果无影响 只需待测组分和内标物出峰，与其他组分是否出峰无关 适合测定微量组分 内标法缺点：内标法缺点： 制样要求高；找合适内标物困难；已知校正因子 ss ii s i fA fA m m %100%100% m m fA fA m m C

27、 s ss iii i siis AAmmm和测混匀进样）（含过程： 0的截距为前提： sisi AAmm 对 样 对 样 ）（）（ si si i i AA AA C C)( % %)( 对 对 样 样 ）（ ）（ ）（ ）（% i si si i C AA AA C si si mm mm ）纯（ ）样过程：（ sisi ffAA和的比值消除利用 s isi i A ACf C 内标对比法特点内标对比法特点 不需要校正因子 进样量对结果影响不大 注：对于正常峰，可以h代替A计算含量 简介 3.气相色谱法的特点： “三高” “一快” “一广” 高效能一般填充色谱柱n为几千，毛细管 为10510