第19气相色谱法

1、第十九章 气相色谱法gas chromatography，GC第一节第一节 概述概述 气相色谱法气相色谱法：以气体为流动相的柱色谱分离技术发展：发展：英国Martin等人于1941年首次提出了用气体作流动相1952年Martin等人第一次用GC分离测定复杂混合物1954年热导检测器用于GC1955年第一台商品气相色谱仪出现 1956年“速率理论”的提出近年电子计算机技术。载气系统进样系统分离系统检测系统记录系统三、气相色谱法的特点三、气相色谱法的特点 和应用和应用 “三高” “一快” “一广” 色谱柱组成 一、气气-液分配色谱柱液分配色谱柱二、气-固吸附色谱柱固定相：载体+固定液（一）固定液

2、高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多（二）载体1要求：要求：（1）操作柱温下呈液态（易于形成均匀液膜）操作柱温下呈液态（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）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）固定液的蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低）（4）固定液对样品应有较好的溶解度及选择性）固定液对样品应有较好的溶解度及选择性2分类：分类：化学分类法化学分类法极性分类法极性分类法续前续前化学分类法化学分类法续前续前图示图示SE-30PEGOV-17a相对极性法b固定液常数法（罗氏特征常数法和麦氏常数

3、法）续前续前3固定液的选择：固定液的选择：（1）按相似相溶原则选择（2）按组分性质的主要差别选择a按极性相似原则选择：按极性相似原则选择：分离对象分离对象 固定液固定液组分流出顺序组分流出顺序例如例如非极性物非极性物质质 非极性固非极性固定液定液沸点低的组分先流出色谱柱沸点低的组分先流出色谱柱沸点相同，极性大的组分先流出沸点相同，极性大的组分先流出柱柱SE-30沙鱼烷沙鱼烷中等极性中等极性物质物质中等极性中等极性固定液固定液沸点低的组分组分先流出色谱柱沸点低的组分组分先流出色谱柱沸点相同，极性小的组分先流出沸点相同，极性小的组分先流出柱柱OV-17极性物质极性物质 极性固定极性固定液液极性小的

4、组分先流出柱极性小的组分先流出柱- 氧二丙氧二丙腈腈能形成氢能形成氢键的物质键的物质氢键型固氢键型固定液定液难形成氢键的组分先流出柱难形成氢键的组分先流出柱PEG-20M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，固定液与被测组分化学官能团相似，作用力强， 选择性高选择性高 酯类酯类选酯或聚酯固定液选酯或聚酯固定液 醇类醇类选醇类或聚乙二醇固定液选醇类或聚乙二醇固定液 组分的沸点差别为主组分的沸点差别为主 选非极性固定液选非极性固定液 按沸点顺序出柱按沸点顺序出柱 沸点低的先出柱沸点低的先出柱 组分的极性差别为主组分的极性差别为主 选极

5、性固定液选极性固定液 按极性强弱出柱按极性强弱出柱 极性弱的先出柱极性弱的先出柱例：苯（例：苯（80.10C），环己烷（），环己烷（80.70C），选择何种固定），选择何种固定液分离？液分离？ 选非极性柱选非极性柱 分不开；分不开； 选中强极性柱选中强极性柱 较好分离，环己烷先出柱较好分离，环己烷先出柱1作用：承载固定液的作用作用：承载固定液的作用2要求：要求： 比表面积大（多涂渍固定液）比表面积大（多涂渍固定液） 无吸附性（不吸附被测组分）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）化学惰性（不与固定液发生化学反应） 热稳定性好热稳定性好 一定的机械强度一定的机械强度续前续

6、前3分类：分类：（1）硅藻土类：硅藻土煅烧而成）硅藻土类：硅藻土煅烧而成 红色（红色（Fe2O3)：吸附力强，表面积大，与非极性物：吸附力强，表面积大，与非极性物 质配伍质配伍 白色（白色（Fe2O3+Na2CO3) ：吸附力弱，表面积小，与：吸附力弱，表面积小，与 极性物质配伍极性物质配伍（2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球等）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球等4载体的处理方法载体的处理方法钝化，减弱吸附性钝化，减弱吸附性 酸洗：用于分析酸类和酯类酸洗：用于分析酸类和酯类 碱洗：用于分析胺类等碱性化合物碱洗：用于分析胺类等碱性化合物 硅烷化：用于具有形成氢键能力的较强的化合物硅烷化：用于具有形

7、成氢键能力的较强的化合物 表面釉化表面釉化气相色谱柱填充：气相色谱柱填充：固定液的涂渍固定液的涂渍固定相的老化固定相的老化装柱装柱老化至基线平直老化至基线平直固定相：高分子多孔微球（固定相：高分子多孔微球（GDX） 结构：有机合成高分子聚合物结构：有机合成高分子聚合物 机理：吸附机理：吸附+分配机制分配机制优点：优点：1.具有吸附、分配、分子筛三种作用具有吸附、分配、分子筛三种作用 2.一般按分子量顺序分离、一般按分子量顺序分离、M小先小先流出流出 3.耐高温耐高温 200-300 4.一般不拖尾一般不拖尾用途：酊剂中含醇量测定用途：酊剂中含醇量测定 无水乙醇中微量水测无水乙醇中微量水测定定第

8、三节第三节 仪器原理仪器原理种类：种类：氦气、氢气和氮气氦气、氢气和氮气等，主要为等，主要为氢气和氮气氢气和氮气选择：取决于检测器、色谱柱和分析要求。选择：取决于检测器、色谱柱和分析要求。 氦气：优点氦气：优点粘度大，柱效高（粘度大，柱效高（B小），安全；小），安全； 缺点缺点昂贵，较少用昂贵，较少用 氢气：纯度要求氢气：纯度要求99.99% 优点优点相对分子质量小，热导系数大，粘度小相对分子质量小，热导系数大，粘度小 缺点缺点易燃易爆易燃易爆 用途用途热导检测器载气，氢焰离子化检测器的燃气热导检测器载气，氢焰离子化检测器的燃气 氮气：纯度要求氮气：纯度要求99.99% 优点优点相对分子质量大

9、，扩散系数小，柱效比较高相对分子质量大，扩散系数小，柱效比较高 缺点缺点热导系数小，灵敏度低热导系数小，灵敏度低 用途用途氢焰离子化检测器的载气氢焰离子化检测器的载气一、载气一、载气二、进样器二、进样器气化室气化室微量注射器微量注射器样品瞬时气化样品瞬时气化 溶剂、浓度、体积、溶剂、浓度、体积、 进样速度、温度等进样速度、温度等 三、柱温箱三、柱温箱 GC操作的重要参数之一，与柱效和分离度都有直接关系操作的重要参数之一，与柱效和分离度都有直接关系组成组成要求要求：对色谱峰的影响因素：对色谱峰的影响因素：B B的影响因素：的影响因素： gDB TD C C的影响因素：的影响因素：llDdfC2固

10、定液最高使用温度：固定液最高使用温度：低2050检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为 电信号的装置电信号的装置（一）气相色谱检测器分类（一）气相色谱检测器分类 （二）常用检测器的特点和检测原理（二）常用检测器的特点和检测原理（三）检测器的性能指标（三）检测器的性能指标浓度型检测器：测量组分浓度的变化浓度型检测器：测量组分浓度的变化 响应值响应值R与组分的浓度与组分的浓度C成正比。如成正比。如热导检测器（热导检测器（TCD） 质量型检测器：测量组分质量流速的变化质量型检测器：测量组分质量流速的变化 响应值响应值R与单位时间进入检测器的组分质量成

11、正比。与单位时间进入检测器的组分质量成正比。 如如氢火焰检测器（氢火焰检测器（FID）CR dtdwR dvdwR 或thermal conductivity detector， TCD1结构结构 惠斯通电桥惠斯通电桥原理：根据组分与载气的热导率不同来检测组分浓度变化的原理：根据组分与载气的热导率不同来检测组分浓度变化的分类：浓度型分类：浓度型优点：通用型，应用范围广，不破坏样品优点：通用型，应用范围广，不破坏样品缺点：灵敏度低缺点：灵敏度低 噪音大噪音大 1）进样前：）进样前：两臂均通载气，加热与散热达平衡时两臂均通载气，加热与散热达平衡时 2）进样后：）进样后：测量臂测量臂通通样品气体样品

12、气体+ +载气载气；参比臂参比臂通通载气时载气时基线，热导率0043212121GABIVRRRRRR色谱峰，0043212121GABIVRRRRRR前提：载气和样品的热导系数不等，前提：载气和样品的热导系数不等， 相差越大，灵敏度越高相差越大，灵敏度越高（1）载气的选择：热导率）载气的选择：热导率H2 He N2 组分组分 氮气：热导率低（氮气：热导率低（32），价廉，安全；但灵敏度低），价廉，安全；但灵敏度低 氦气：热导率大（氦气：热导率大（176），灵敏度高；但昂贵），灵敏度高；但昂贵 氢气：热导率最大（氢气：热导率最大（224），灵敏度最高，价廉；但易燃易），灵敏度最高，价廉；但易燃

13、易 爆；最常用爆；最常用（2）不通载气，不加桥流。）不通载气，不加桥流。 开机顺序：先开载气，后开电源，加热。开机顺序：先开载气，后开电源，加热。 关机时，最后关载气关机时，最后关载气（3）桥流）桥流，灵敏度，灵敏度。灵敏度足够时，桥流应尽可能小。灵敏度足够时，桥流应尽可能小（4）定量：用峰面积）定量：用峰面积A定量时，保持流速定量时，保持流速F恒定。恒定。 A与与F成反比；成反比； 用峰高用峰高h定量时，与流速定量时，与流速F无关，无关，h与与F无关。无关。（5）检测池温）检测池温 柱温，以免造成检测器污染柱温，以免造成检测器污染表表19-2 几种气体与蒸气的热导系数（几种气体与蒸气的热导系

14、数（） 单位：单位：J / cms 优点：优点： 1）通用型，应用广泛）通用型，应用广泛 2）结构简单）结构简单 3）稳定性好）稳定性好 4）线性范围宽）线性范围宽 5）不破坏组分，可重新收集制备）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）（因大多数组分与载气热导率差别不大）flame ionization detector, FID1、结构、结构(1) 在发射极和收集极之间加有一定的直流在发射极和收集极之间加有一定的直流 电压（电压（100300V）构成一个外加电场。）构成一个外加电场。(2) 氢焰检测器需要

15、用到氢焰检测器需要用到3种气体：种气体： N2 ：载气，携带试样组分；：载气，携带试样组分； H2 ：燃气；：燃气； 空气：助燃气。空气：助燃气。原理：有机物原理：有机物 离子流离子流 测定强度测定强度分类：质量型分类：质量型优点：灵敏度高（高优点：灵敏度高（高12个数量级），噪音小，死体积小个数量级），噪音小，死体积小缺点：破坏样品，专属型检测器（只能测含缺点：破坏样品，专属型检测器（只能测含C有机物）有机物）氢焰化学电离检测原理：利用碳氢化合物在氢焰中产生离子流进行检测检测原理：利用碳氢化合物在氢焰中产生离子流进行检测 微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比微电流的大小与进入离子室的

16、被测组分质量成正比 峰面积与组分质量成正比峰面积与组分质量成正比(质量型检测器质量型检测器) ) H H2 2O O、NHNH3 3、COCO2 2、SOSO2 2等不能检测等不能检测1）气体和流量：载气）气体和流量：载气N2气；气； 燃气燃气H2气；气； 助燃气助燃气空气空气 一般填充柱气体流速：一般填充柱气体流速：氮气氮气25mL/min；氢气；氢气30mL/min；空气；空气300mL/min具体的比例和流量需要实验优化具体的比例和流量需要实验优化2）使用温度：高于柱温）使用温度：高于柱温501000C，防止流出物冷凝和污染，防止流出物冷凝和污染 （开关机顺序）（开关机顺序） N2 :

17、H2 = 1 : 11 : 1.5 氢气氢气 : 空气空气=1 : 103) 定量：用峰面积定量：用峰面积A定量时，与流速定量时，与流速F无关，无关，A与与F无关；无关； 用峰高用峰高h定量时，保持流速定量时，保持流速F恒定。恒定。 h与与F成正比；成正比；优点：优点：专属型检测器（只能测含专属型检测器（只能测含C有机物）有机物） 灵敏度高（灵敏度高（ TCD，12个数量级）个数量级） 响应快响应快 线性范围宽线性范围宽缺点：缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回收燃烧会破坏离子原形，无法回收 （制备纯物质，不采用）（制备纯物质，不采用）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

18、，由仪器本身和工作条件等 偶然因素引起基线的起伏称为偶然因素引起基线的起伏称为（以噪声带衡量）（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）灵敏度越高，噪音越大wCCCASC321/mgmLmV 的电信号样品进入检测器所产生载气携带指mgmLSC11)(2cmA峰面积）记录器灵敏度（cmmVC/1）记录纸纸速倒数（cmCmin/2）柱出口载气流速（min/3mLC）进样量（mgw2 2质量型检测器的灵敏度质量型检测器的灵敏度（Sm）wCCASm

19、6021/gsmV 的信号强度样品进入检测器所产生秒钟携带指gSm11)(2cmA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mmSND2/sg检测器中物质的质量指单位时间内载气引入mDCCSND2/mLgmLmg或检测器中物质的质量指单位体积的载气引入CDv灵敏度未考虑噪音因素，衡量检测器好坏不全面v敏感度考虑了噪音影响小结： 掌握固定液分类，固定液选择 （相似相溶，主要矛盾） 掌握两种类型检测器（FID和TCD)特点，检测原 理，使用注意 了解检测器的主要性能指标（噪音、漂移、灵敏度及检测线等）一、一

20、、GC速率理论速率理论范氏方程范氏方程 （复习）（复习）二、分离度的影响因素二、分离度的影响因素 （复习）（复习）三、实验条件的选择三、实验条件的选择 （色谱柱，固定相，载气，柱温等）（色谱柱，固定相，载气，柱温等）（色谱柱，固定相，载气，柱温等）（色谱柱，固定相，载气，柱温等）一、一、GC速率理论速率理论范氏方程范氏方程 填充柱：填充柱：H=A+B/u+Cu空心毛细管柱：空心毛细管柱：H=B/u+Cu A:涡流扩散项；涡流扩散项；B：纵向扩散系数；：纵向扩散系数；C：传质阻抗：传质阻抗u：载气线速度：载气线速度 气相色谱中影响柱效的因素：气相色谱中影响柱效的因素：柱填充的均匀程度和粒度（柱填

21、充的均匀程度和粒度（A项）项） 载气的种类（载气的种类（B B项）项） 固定液的液膜厚度（固定液的液膜厚度（C C项）项） 载气的流速（纵向快速项和传质阻抗项）载气的流速（纵向快速项和传质阻抗项） 柱温柱温（B B项和项和C C相）相）分离度定义式 ：分离度计算式：2112)(2WWttRRR22114kknR121212RRttkkKK选择性系数柱效项：柱性能柱效项：柱性能柱选择性项：固定液、柱温柱选择性项：固定液、柱温柱容量项柱容量项 ：柱温、：柱温、固定液量、固定液量、K Kl色谱条件包括色谱条件包括分离条件分离条件和和操作条件操作条件l分离条件是指色谱柱分离条件是指色谱柱l操作条件是指

22、载气流速、进样条件及检测器操作条件是指载气流速、进样条件及检测器1色谱柱的选择色谱柱的选择 包括固定液和柱长包括固定液和柱长2柱温的选择柱温的选择3载气与流速的选择载气与流速的选择4进样条件的选择进样条件的选择（1）固定相的选择（2）柱长的选择固定液的选择：固定液的选择： 1 1）按）按 “ “相似相溶相似相溶”原则：极性相似或官能团相似原则：极性相似或官能团相似 2 2）按组分性质主要差别：）按组分性质主要差别： 沸点相差大的选非极性固定液沸点相差大的选非极性固定液 沸点相差小的选极性固定液沸点相差小的选极性固定液 固定液配比的选择：固定液配比的选择： 高沸点组分高沸点组分比表面积小的载体比

23、表面积小的载体 低固定液配比（低固定液配比（1%3%1%3%） 低沸点组分低沸点组分高固定液配比（高固定液配比（5%25%5%25%） 大大k k值，达到良好分离值，达到良好分离 难分离组分难分离组分毛细管柱毛细管柱注：根据注：根据R1.5选择选择L，一般较短，一般较短(0.66m) 不可以无限延长柱子不可以无限延长柱子，柱压，峰宽，RnLLnHk不变不变不变，21221)(LLRR练习练习例：两组分在例：两组分在1 m长柱子上的分离度为长柱子上的分离度为0.75，问使用，问使用 多长柱子可以使它们完全分离？多长柱子可以使它们完全分离？解：LRnR2121LLRR215 . 175. 0LmL

24、42原则：原则： 1 1）在能保证）在能保证R R的前提下，尽量使用低柱温，的前提下，尽量使用低柱温， 但应保证适宜的但应保证适宜的t tR R及峰不拖尾，减小检测本底及峰不拖尾，减小检测本底 柱温柱温 u最佳最佳 ：选用分子量较小的气体，如：选用分子量较小的气体，如H2、He线速度：为了缩短分析时间，一般线速度：为了缩短分析时间，一般uu最佳最佳 l气化室温度气化室温度一般稍高于样品沸点（约一般稍高于样品沸点（约500C）l检测室温度检测室温度应高于柱温应高于柱温30500Cl进样量和速度进样量和速度进样量不可过大，否则造成拖尾峰进样量不可过大，否则造成拖尾峰 进样速度要快进样速度要快 注：

25、注： 检测器灵敏度足够检测器灵敏度足够进样量尽量小进样量尽量小例：已知物质已知物质A和和B在一根在一根30cm长柱上的保留时间分别为长柱上的保留时间分别为16.40和和 17.63min，不被保留组分通过该柱的时间为，不被保留组分通过该柱的时间为1.30min， 峰底宽为峰底宽为1.11和和1.21min，试计算，试计算 （1）柱的分离度（）柱的分离度（2）柱的平均塔板数（）柱的平均塔板数（3）平均塔板高度）平均塔板高度 （4）达）达1.5分离所需柱长分离所需柱长解：06. 121. 111. 1)40.1663.17(2)(22112WWttRRR2)(16WtnR3493)11. 140.

26、16(1621 n3397)21. 163.17(1622n34452)33973493(221nnn续前续前mmnLH3107 . 83445300LRnRcmL6022121LLRR2305 . 106. 1L一、定性分析一、定性分析二、定量分析二、定量分析1利用保留值定性利用保留值定性 1）已知对照物定性：定性专属性差）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（了解）相对保留值定性（了解） 3）利用保留指

27、数定性：准确、重复性好（了解）利用保留指数定性：准确、重复性好（了解）2利用化学反应定性利用化学反应定性：收集柱后组分，官能团反应收集柱后组分，官能团反应 定性鉴别（非在线）定性鉴别（非在线）3利用两谱联用定性：利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR仪器联用的定性方法仪器联用的定性方法小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪；组分的结构鉴定以峰高或以峰高或峰面积峰面积定量定量（一）峰面积的测量（工作站给出）（一）峰面积的测量（工作站给出）（二）定量校正因子（二）定量校正因子 （三）定量方法（三）定量方法2121AAWW原因：fAW 1两种表示方法两种表示方

28、法原因：相同量的同种物质对于不同检测器响应不同原因：相同量的同种物质对于不同检测器响应不同 相同量的不同种物质对于同一检测器响应不同相同量的不同种物质对于同一检测器响应不同结果：不可以直接用面积结果：不可以直接用面积A定量，需要引入校正因子定量，需要引入校正因子fiiiiiiAmfAfm不易测量）（与组分、仪器有关，：绝对校正因子ifmMff ，相对质量校正因子相对摩尔校正因子siisssiisiimAmAAmAmfff用）（与操作条件无关，实：相对校正因子if2相对校正因子的测定（了解）相对校正因子的测定（了解）3注意事项：注意事项：l相对校正因子与待测物、基准物和检测器类型有相对校正因子与

29、待测物、基准物和检测器类型有关，关，与操作条件（进样量）无关与操作条件（进样量）无关（见书（见书P622P622）l基准物：基准物：TCDTCD苯；苯；FIDFID丁庚烷丁庚烷l以氢气和氦气作载气测的校正因子可通用以氢气和氦气作载气测的校正因子可通用 以氮气作载气测的校正因子与两者差别大以氮气作载气测的校正因子与两者差别大1归一化法归一化法2外标法外标法 3内标法内标法 4内标对比法内标对比法 重点掌握公式、优缺点、使用前提重点掌握公式、优缺点、使用前提前提：试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰前提：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依据：组分含量与峰面积成正比%100%100%11nniiiiiiiiifAfAfAfAfAfAC%100%100%1niiiiiAAAAAAC同系物或结构异构体优点：优点：l简便，准确简便，准确l定量结果与进样量、重复性无关定量结果与进样量、重复性无关 （前提（前提柱子不超载）柱子不超载） l色谱条件略有变化对结果几乎无影响色谱条件略有变化对结果几乎无影响缺点：缺点：l所有组分必须在一定时间内都出峰所有组分必须在一定时间内都出峰