气相色谱法新版

1、 气相色谱法（GC）是英国生物化学家 Martin A T P等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复杂的多组分混合物。目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处理机，使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。如气相色谱与质谱（GCMS）联用、气相色谱与Fourier红外光谱(GCFTIR）联用、气相色谱与原子发射光谱（GCAES）联用等。 气相色谱也有一定的局限：在没有纯标样条件下，对样品中未知物的定性和定量较为困难，往往需要与红外光谱、质谱等结构分析仪器联用；沸点高、热稳定性差、腐蚀性和反应活性较强的物质，气

2、相色谱分析比较困难。商品化有填充柱、毛商品化有填充柱、毛细管柱和制备气相色细管柱和制备气相色谱仪等三种。谱仪等三种。需要说明的是，先进需要说明的是，先进的气相色谱仪往往兼的气相色谱仪往往兼具填充柱、毛细管柱，具填充柱、毛细管柱，分析、制备等多种功分析、制备等多种功能。能。 气相色谱仪由五大系统组成一、气路系统一、气路系统 二、进样系统二、进样系统 三、分离系统三、分离系统 四、检测系统四、检测系统 五、记录系统五、记录系统 气相色谱结构流程 process of gas process of gas chromatographchromatograph1-1-载气钢瓶；载气钢瓶；2-2-减压减

3、压阀；阀；3-3-净化干燥管；净化干燥管；4-4-针形阀；针形阀；5-5-流量计流量计;6-;6-压力表压力表;7-;7-进样器进样器；8-8-色谱柱；色谱柱；9-9-热导热导检测器；检测器；10-10-放大器放大器；11-11-温度控制器；温度控制器；12-12-记录仪；记录仪；载气系统载气系统进样系统进样系统色谱柱色谱柱检测系统检测系统温控系统温控系统1 1气路系统1 1、载气：、载气：相应高压钢瓶供给。相应高压钢瓶供给。常用的载气有：氢气、氮气、氦气，氩气；常用的载气有：氢气、氮气、氦气，氩气；2 2、气路结构、气路结构 单柱单气路单柱单气路 适用于恒温分析；适用于恒温分析；双柱双气路双

4、柱双气路 可补偿由于气流不稳定和固定液流失引起的基线不稳，尤可补偿由于气流不稳定和固定液流失引起的基线不稳，尤其适合程序升温。其适合程序升温。3 3、净化器、净化器活性炭、硅胶、分子筛等，除去烃类杂质、水活性炭、硅胶、分子筛等，除去烃类杂质、水分、等。分、等。4 4、稳压恒流装置、稳压恒流装置2 进样系统 1 1、进样器、进样器 液体样品液体样品微量注射器微量注射器 : 1L, 5L, : 1L, 5L, 10L10L等等气体样品气体样品注射器注射器: : 0.1ml-5ml;0.1ml-5ml; 六通阀六通阀 P325P325图图15-315-3 2 2、气化室、气化室作用：使液体样品完全、

5、迅速气化。作用：使液体样品完全、迅速气化。 3分离系统 1 1、色谱柱、色谱柱 填充柱填充柱 2-4mm 2-4mm，L 1-3mL 1-3m， 一般混合物分析一般混合物分析空心毛细管柱空心毛细管柱 0.2-0.5mm 0.2-0.5mm，L 20-300m L 20-300m 复杂混合物分析复杂混合物分析 2 2、色谱炉、色谱炉（柱箱）和温控系统（柱箱）和温控系统 柱温：恒温或程序升温；柱温：恒温或程序升温； 气化室温度：气化室温度：高于柱温高于柱温10105050 检测器温度：控温精度要求高于检测器温度：控温精度要求高于0.1 0.1 4 4 检测系统检测系统5 5 记录系统记录系统记录仪

6、记录仪色谱数据处理机等色谱数据处理机等1载气瓶，载气瓶， 2 空气瓶，空气瓶， 3 氢气瓶，氢气瓶， 4 减压阀，减压阀， 5 净化管，净化管， 6 稳压稳压阀，阀， 7 负压稳压阀，负压稳压阀， 8 针型阀，针型阀， 9 压力表，压力表， 10 FID，11 干燥管，干燥管， 12 分流器，分流器， 13 毛细管柱，毛细管柱， 14 净化室，净化室， 15 稳流阀。稳流阀。 毛细管柱进样谱带毛细管柱进样谱带展宽的柱外效应对柱效展宽的柱外效应对柱效和定量的精确性影响很和定量的精确性影响很大。样品引入色谱柱过大。样品引入色谱柱过程的组分组成失真导致程的组分组成失真导致定量误差。定量误差。 因此，

7、进样系统是因此，进样系统是毛细管色谱仪的关键部毛细管色谱仪的关键部件之一。已研发出多种件之一。已研发出多种进样器，并不断改进进进样器，并不断改进进样技术。样技术。 制备纯组分的填充柱气相色谱仪，适用于较大样品量制备分离纯组分。需要进样量大，进样装置中装有载气预热管与单向止逆阀。色谱柱内径和长度一般大于填充型分离分析柱，内径10mm左右，柱长在310m之间。色谱柱后装有分流阀，除少量分离组分进入检测器外，绝大部分组分进入收集系统冷冻收集。 检测器是气相色谱仪的重要部件，其作用是将色谱柱分离后各组分在载气中浓度或量的变化转换成易于测量的电信号，然后记录并显示出来。其信号及大小为被测组分定性定量的依

8、据。 19.3.1. 检测器的分类1.按流出曲线类型分类：积分型和微分型2.按检测特性分类：浓度型和质量型 3.按选择性分类：通用型和选择型 一个优良的检测器应具以下几个性能指标：灵敏度高检出限低响应线性范围宽稳定性好响应速度快通用性强 热导检测器热导检测器(TCD)是根据不同的物质具有是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制不同的热导系数原理制成的。热导检测器由于成的。热导检测器由于结构简单，性能稳定，结构简单，性能稳定，几乎对所有物质都有响几乎对所有物质都有响应，通用性好，而且线应，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，性范围宽，价格便宜，因此是应用最广，最成因此是应用最广，最成熟的一种检测

9、器。熟的一种检测器。其主其主要缺点是灵敏度较低。要缺点是灵敏度较低。1 1、检测原理 被检测组分的蒸汽与载气具有不同的热导系数（被检测组分的蒸汽与载气具有不同的热导系数（）H2He N2 空气 甲烷 正 己烷 苯 丙酮 (100)卡/cm S 53.441.87.57.510.95.04.44.2气体分子越小，迁移速度越快，气体分子越小，迁移速度越快，即分子扩散到热丝表面及离开热丝的速度越快，即分子扩散到热丝表面及离开热丝的速度越快，热导系数就越高，所以热导系数就越高，所以H H2 2、HeHe具有较高的具有较高的。 热丝阻值随热丝阻值随T T而改变而改变 电阻温度系数电阻温度系数温度每变化温

10、度每变化11，导体电阻变化值。，导体电阻变化值。 钨丝钨丝电阻率高，电阻温度系数大。电阻率高，电阻温度系数大。 利用惠斯登电桥测量利用惠斯登电桥测量 a/ a/ 通入载气通入载气，调节，调节热导池桥电流为热导池桥电流为100-100-200mA200mA，钨丝，钨丝TT，部，部分热量被载气带走，分热量被载气带走，达到平衡时，达到平衡时，T T恒定。恒定。调 节 池 平 衡 使调 节 池 平 衡 使R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3 ，ABAB间电位差间电位差=0=0， 记录仪走记录仪走“基线基线”。 lR1参比池，柱前；参比池，柱前；lR2测量池，柱后。测量池，柱后。l固定电阻

11、固定电阻R3=R4b/ b/ 进样进样 测量池：载气测量池：载气+ +组分组分 参比池：载气参比池：载气X X载载 R R1 1RR2 2 R R1 1R R4 4RR2 2R R3 3ABAB间间E0E0，有信号输出有信号输出信号大小信号大小 : : , ,RR，信号信号，故用故用H H2 2灵敏度高，灵敏度高，N N2 2灵敏度低，灵敏度低，且当且当x x N2N2（如甲烷）会出负峰如甲烷）会出负峰 Cx,Cx,R,R,信号信号 2、影响TCD灵敏度的因素 桥电流桥电流 SI SI3 3, , 但但I I太大，基线不稳，热丝易烧断太大，基线不稳，热丝易烧断 载气载气 , S , S。 热导

12、池体温度热导池体温度 T=TT=T絲絲-T-T池池 T T池池，TT，SS。但。但T T池池不低于柱温。不低于柱温。 3、TCD特点： 适用范围广，对有机物、无机气体均适用范围广，对有机物、无机气体均有响应有响应通用型检测器；通用型检测器； 结构简单，性能稳定；结构简单，性能稳定； 不破坏样品不破坏样品 火焰离子化检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。它的特点是：灵敏度很高，比热导检测器的灵敏度高约103倍；检出限低，可达10-12gS-1；火焰离子化检测器能检测大

13、多数含碳有机化合物；死体积小，响应速度快，线性范围也宽，可达106以上；而且结构不复杂，操作简单，是目前应用最广泛的色谱检测器之一。其主要缺点是不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等物质。1 1、结构、结构离子室离子室 喷嘴喷嘴 发射极发射极收集极收集极放大器放大器2 2、检测原理、检测原理 例：例：C C6 6H H6 6 6CH 6CH（自由基）（自由基） 6CH 6CH+3O+3O2 2 6CHO6CHO+ +6e+6e- -6CHO6CHO+ +6H+6H2 2O6CO+6HO6CO+6H3 3O O+ + 正离子正离子CHOCHO+ +, H, H3 3O

14、O+ +极化极（极化极（） 电子电子e e - - 收集极（收集极（+ +） l 有机物在氢焰有机物在氢焰中燃烧并化学电离中燃烧并化学电离 在电场作用下产生微电流在电场作用下产生微电流放大放大记录记录形成离子流形成离子流3 3、FIDFID特点 对绝大多数有机物响应，灵敏度高，适用于痕量有机物对绝大多数有机物响应，灵敏度高，适用于痕量有机物分析；分析； 不能检测不能检测惰性气体、水、空气、惰性气体、水、空气、COCO、COCO2 2、CSCS2 2等在氢火等在氢火焰中不能电离的无机化合物；焰中不能电离的无机化合物； 检测时样品被破坏。检测时样品被破坏。 选择性检测器，选择性检测器，只对电负性物

15、质（只对电负性物质（X,S,P,N,OX,S,P,N,O）有响应，）有响应，用于农药残留量、大气、水中痕量污染物测定。用于农药残留量、大气、水中痕量污染物测定。实际上它是一种放射性离子化实际上它是一种放射性离子化检测器，与检测器，与火焰离子化检测器火焰离子化检测器相似，也需要一个能源和一个相似，也需要一个能源和一个电场。能源多数用电场。能源多数用63Ni放射源放射源，其结构如下图。，其结构如下图。 火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，检出限可达10-12gS-1（对P）或10-11gS-11（对S）。这种检测器可用于大气中痕量硫化

16、物以及农副产品，水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。火焰光度检测器的结构火焰光度检测器的结构 氮磷检测器（nitrogen phosphorus detector, NPD），又称热离子检测器（thermionic detector TID），是一种质量检测器，适用于分析N、P化合物的高灵敏度、高选择性检测器。 氮磷检测器的使用寿命长、灵敏度极高，可以检测到510-13g/s偶氮苯类含氮化合物， 2.510-13g/s的含磷化合物，如马拉松农药。它对N、P化合物有较高的响应，而对其他化合物的响应值低104105倍。 1. 固体吸附剂 一般采用硅胶为基质，利用硅胶表面的硅羟基与有机试剂

17、经化学键合而成。其特点是：使用温度范围宽；抗溶剂冲洗；无固定相流失；寿命长；传质速度快。在很高的载气线速下使用时，柱效下降很小。 （l）对载体的要求）对载体的要求 具有足够大的表面积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应；热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。 （2）载体类型 大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体，它是由称为硅藻的单细胞海藻骨架组成，主要成分是二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法不同，又分为:

18、红载体和白色载体。 是将硅藻土与粘合剂在900煅烧后，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色，故称红色载体，其特点是表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，如烃类、醇、胺、酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。 是将硅藻土与20的碳酸钠（助熔剂）混合煅烧而成，它呈白色、比表面积较小、吸附性和催化性弱，适宜于分析各种极性化合物。（3）载体的表面处理 硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基 或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅

19、烷化及添加减尾剂等。 （i）酸洗：用3-6molcm-3盐酸浸煮载体、过滤，水洗至中性。甲醇淋洗，脱水烘干。可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化物。适用于分析酸性物质。（ii）碱洗：用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质。 (iii)硅烷化：用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚，以除去表面氢键作用力。如：SiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OCH2+2H C lSiSiO常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。 对固定液要求首先是选择性好;还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳

20、定性；对试样各组分有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。 在气液色谱分离中，样品组分溶解在固定液中，构成以固定液为溶剂以样品组分为溶质的稀溶液。可根据溶液理论来考察组分在气相中的行为、组分与固定液形成溶液的性质及溶质和溶剂的相互作用。（i）相对极性：1959年由Rohrschneider提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液，-氧二丙睛的极性为100然后，选择一对物质（如正丁烷一丁二烯或环乙烷一苯），来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到:正丁烷）（丁二烯）(lgr

21、rttq 式中下标1，2和X分别表示氧二丙睛，角鲨烷及被测固定液。由此测得的各种固定液构相对极性均在0100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。相对极性在0+l之间的叫非极性固定液，+2级为弱极性固定液，+3级为中等极性，+4+5为强极性。非极性亦可用“”表示。表19-3列出了一些常用固定液的相对极性数据。211100100qqqqPxx）（2. 固定液的选择性常数 I=IpIs 式中I为任一标准物质保留指数差值，Ip和Is分别为任一标准物质在被测固定液和参比固定液的保留指 数 。 表 1 9 - 4 列 出 一 些 常 用 固 定 液 的Rohrschneider常数。 麦氏常数是在罗

22、氏方法的基础上，1970年由McReynolds提出的改进方案。选用苯、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、二氧六环、顺八氢化茚10种物质，在柱温120下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的I值。归纳后发现前5种物质已足以表达固定液的相对极性，把该五项之和称为总极性。表19-3列出一些常用固定液的McRevnolds常数。3. 按固定液的化学结构分类 这种分类方法是按固定液官能团的类型分类。便于按分离样品和固定液的化学结构、按“相似相溶”的原则选择固定液。(1). 烃类(2). 醇和聚醇(3). 酯和聚酯(4). 聚硅氧烷类(5). 特殊选择性固定液

23、：有机皂土、液晶、手性固定液。 1. 固定液涂渍 将固定液涂渍到载体表面以形成均匀溶膜，首先选择能溶解固定液和适当挥发性的溶剂，如氯仿、丙酮、乙酸乙酯、乙醇、苯、甲苯等。根据样品性质确定固定液与载体重量比，制备固定液溶液。 常用固定液涂渍方法有蒸发法与过滤法。2. 柱填充、老化 一般将色谱柱与真空泵连接，在泵抽吸、振动或轻轻敲击条件下将涂渍固定液载体紧密填入色谱柱，然后将柱接入色谱柱箱内，在一定载气流下加热进行色谱柱老化，以除去残余溶剂、挥发性杂质，促进固定液膜更趋均匀。 12.5.1. 12.5.1. 毛细管柱的特点和类型 由于填充柱内填充的填料颗粒不均匀，多路径使涡流扩散严重、渗透性差、柱

24、效低。19571957年美国工程师Golay M J E Golay M J E 基于色谱动力学理论，在细而长的毛细管柱内壁涂上固定液，（见图19-1219-12）用于色谱分离。这种柱子被称为开管柱（open tubular columnopen tubular column），习惯上称作毛细管柱（capillary columncapillary column）。毛细管柱色谱的出现是气相色谱发展的一个重要里程碑。12.5.1.1.12.5.1.1.毛细管柱的特点 1. 1. 柱的渗透性好。 2. 2. 柱效高，可采用长色谱柱。 3. 3. 相比高、传质加快、柱容量小。12.5.1.2.12.

25、5.1.2.毛细管柱的类型 1. 1. 涂壁开管柱。 2. 2. 壁处理开管柱。 3. 3. 多孔层开管柱。 4. 4. 载体涂层开管柱。 5. 5. 填充毛细管柱。 毛细管柱色谱理论与填充柱的理论基本相同，由于其柱结构差异，因而二者有一些差别。19581958年GolayGolay提出，影响毛细管柱峰扩张的主要因素是纵向分子扩散项、流动相传质项与固定相传质项，并导出类似的速率方程：uCCuBHsm)(ukkDdkkkDruDHsfsm)1 ( 32)1 (241161222222 毛细管柱的制备技术比填充柱要复杂得多 ，通常制备一根柱子要经过选材、拉制、粗糙化、表面惰化、固定液涂渍等几个主要

26、步骤。 1. 1. 毛细管柱的材料 2. 2. 拉制 3. 3. 内壁粗糙化、惰化 4. 4. 固定液的涂渍 5. 5. 固定相的固定化评价毛细管柱主要参数为: : 1. 1. 以理论塔板数NN代表的柱效。 2. 2. 涂渍效率(CE)(CE)：在最佳条件下，理论板高与实测板高之比: : 3. 3. 表面惰性：以拖尾因子和酸碱性等作为度量指标。100)(实测理论HHCE21220)k1 (311k6k1r理论H100%bqTE19.6.1. 固定液及其含量的选择固定液及其含量的选择1. 固定液选择的一般规律固定液选择的一般规律 一般可按“相似相溶”的原则来选择固定液。 2. 根据固定液选择性常

27、数选择固定液根据固定液选择性常数选择固定液 固定液选择性常数（Rohrsneider 或 McReynold）能较好地反映固定液对不同类型化合物的分离选择性。 3. 固定液含量 以固定液与载体的质量比表示固定液的含量，它决定固定液的液膜厚度df,影响传质速率。同时固定液含量的选择与分离组分的极性、沸点以及固定液的性质有关。低沸点样品多采用高液载比（或液担比）的柱子，一般为20%30%；高沸点样品则多采用低液载比柱，一般为1%10%。19.6.3 柱长和内径的选择 填充柱的柱长一般为15m，毛细管柱的柱长一般为2050m。 柱内径增大可增加柱容量、有效分离的样品量增加。但径向扩散路径也会随之增加

28、，导致柱效下降。内径小有利于提高柱效，但渗透性会随之下降，影响分析速度。一般填充柱内径为36mm，毛细管柱柱内径为0.20.5mm左右。1. 载气及载气线速度的选择载气及载气线速度的选择 柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度。提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板高度，改善柱效一但增加柱温同时又加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。另外，为了改善分离，提高选择性，往往希望柱温较低，这又增长了分析时间。因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。一般原则是：在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。具体操作条件的选择应根据实际情况而

29、定。 另外，柱温的选择还应考虑固定液的使用温度，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失，对分离不利。 对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中按一定速度提高柱温，在程序开始时，柱温较低，低沸点的组分得到分离，中等沸点的组分移动很慢，高沸点的组分还停留于柱口附近；随着温度上升，组分由低沸点到高沸点依次分离出来。图19-13是正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较。 由图19-13不难看出，采用程序升温后不仅改善分离，而且可以缩短分析时间，得到的峰形也很理想。3. 进样量进样量 进样量的大小对柱效、色谱峰高、峰面积均有一定影响。进样量过大会引起色谱柱超负荷、柱效下降、峰形扩张、保留时间改变。另