武汉大学分析化学课件_第19章_气相色谱法课件

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。 1. 气路系统气路系统1. 载气瓶，2 减压阀，3 稳流阀，4 流量计，5分流阀，6注射器， 7 进样器，8色谱柱，9 色谱炉(箱)，10皂膜流量计，11 检测器， 12 记录仪， 13静电计或电桥， 14 模数转换器， 15 数据系统。 分离系统或色谱柱是气相色谱仪的心脏，安装在控温的柱箱或室内，填充柱由不锈钢或玻璃材料制

3、成，内装填固定相，一般内径为24mm，长13m,有U型和螺旋形两种。 控制温度主要指对色谱柱炉，气化室，检测器三处的温度控制。色 谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。 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

4、 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，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，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。需适用于较大样品量制备分离纯组分。需要进样量大，进样

5、装置中装有载气预热要进样量大，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，内径般大于填充型分离分析柱，内径10mm左右，柱长在左右，柱长在310m之间。色谱柱后装之间。色谱柱后装有分流阀，除少量分离组分进入检测器有分流阀，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外，绝大部分组分进入收集系统冷冻收集。集。 检测器是气相色谱仪的重要部件，其作用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，然后记录并显变化转换成易于

6、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示出来。其信号及大小为被测组分定性定量的依据。依据。 19.3.1. 检测器的分类检测器的分类1.按流出曲线类型分类：积分型和微分型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：灵敏度高灵敏度高检出限低检出限低响应线性范围宽响应线性范围宽稳定性好稳定性好响应速度快响应速度快通用性强通用性强1.灵敏度灵敏度 气相色谱检测器灵敏度(S)定义为：通过检测器物质量变化(Q)与响应信号变

7、化（R）之比： 浓度型检测器的灵敏度(Sc)： 质量型检测器灵敏度(Sm)： QRSmCFACSc201mCACSm21602.检出限检出限3.最小检测量和最小检测浓度最小检测量和最小检测浓度SRDN32102min2065. 1XDFCmDtDCXm21221min2065. 12065. 160VmCminmin4.线性范围线性范围 热导检测器(TCD)是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的。热导检测器由于结构简单，性能稳定，几乎对所有物质都有响应，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，因此是应用最广，最成熟的一种检测器。其主要缺点是灵敏度较低。1热导池的结构和工作原理 热导池由池体和

8、热敏元件构成，可分双臂和四臂热导池两种。由于四臂热导池热丝的阻值比双臂热导池增加一倍，故灵敏度也提高一倍。目前仪器中都采用四根金属丝组成的四臂热导地。其中二臂为参比臂，另二臂为测量臂，将参比臂和测量臂接人惠斯电桥，由恒定的电流加热组成热导地测量线路，如前图所示。2影响热导检测器灵敏度的因素 （l）桥电流桥电流 桥电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体就容易将热量传出去，灵敏度就提高。响应值与工作电流的三次方成正比。所以，增大电流有利于提高灵敏度，但电流太大会影响钨丝寿命。一般桥电流控制在100200mA左右（N2作载气时为100150mAH2作载气时150200mA为宜）。

9、动画演示（2）池体温度池体温度 池体温度降低，可使池体和钨丝温差加大，有利于提高灵敏度。但池体温度过低，被测试样会冷凝在检测器中。池体温度一般不应低于柱温。 （3）载气种类载气种类 载气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。故选择热导系数大的氢气或氦气作载气有利于灵敏度提高。如用氮气作载气时，有些试样（如甲烷）的热导系数比它大就会出现倒峰。表19-7列出某些气体与蒸气的热导系数。（4）热敏元件的阻值热敏元件的阻值 阻值高、温度系数较大的热敏元件，灵敏度高。钨丝是一种广泛应用的热敏元件，它的阻值随温度升高而增大，其电阻温度系数为5.510-3cm-1-1，电阻率为5.51O-6cm。为防止钨丝

10、气化，可在表面镀金或镍。 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。3.影响灵敏度的因素 离子室的结构对火焰离子化检测器的灵敏度有直接

11、影响，操作条件的变化，包括氢气、载气、空气流速和检测室的温度等都对检测器灵敏度有影响 C6H6裂 解6CH3O2+6CH+ 6e6CHO+6CHO+6H2O6CO +6H3O+ 电子捕获检测器也称电子俘获检测器，它是一种选择性很强的检测器，对具有电负性物质（如含卤素、硫、磷、氰等的物质）的检测有很高灵敏度（检出限约10-14gcm-3）。它是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。电子捕获检测器已广泛应用于农药残留量、大气及水质污染分析，以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域中。它的缺点是线性范围窄，只有103左右，且响应易受操作条件的影响，重现性较差。1电于捕获检测器的结构与工作原理 实

12、际上它是一种放射性离子化检测器，与火焰离子化检测器相似，也需要一个能源和一个电场。能源多数用63Ni或3H放射源，其结构如下图。 检测器内腔有两个电极和筒状的放射源。放射源贴在阴极壁上，以不锈钢棒作正极，在两极施加直流或脉冲电压。放射源的射线将载气（N2或Ar）电离，产生次级电子和正离子，在电场作用下，电子向正极走向移动，形成恒定基流。当载气带有电负性溶质进入检测器时，电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气正离于复合成中性化合物，使基流降低而产生负信号倒峰 。2捕获机理捕获机理可用以下反应式表示： N2N2+ + eAB+ eAB-+ EAB-+ N2+N2+

13、 A B 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。1火焰光度检测器的结构 2火焰光度检测器的工作原理 根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，生成化学发光物质，并能发射出特征波长的光，记录这些特征光谱，就能检测硫和磷以硫为例，有以下反应发生： R S + 2O2C O2 + S O22S O2 + 4H24H2O + 2SS + S390S2*（ 化 学 发 光 物 ）S2*S 2

14、 + h 当激发态S2*分子返回基态时发射出特征波长光max为394nm。对含磷化合物燃烧时生成磷的氧化物，然后在富氢火焰中被氢还原，形成化学发光的HPO碎片，并发射出max为526nm的特征光谱。这些光由光电信增管转换成信号，经放大后由记录仪记录。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

15、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）载体类型 大

16、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:红载体和红载体和白色载体白色载体。 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适宜于分析非极性或弱极性物质性或弱极性物质。 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

17、分析各种极性化合物。101，102系列，英国的Celite系列，英国和美国的Chromosorb系列，美国的GasChrom A， CL， P， Q， S， Z系列等，都属这一类。 （3）载体的表面处理载体的表面处理 硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基SiOH 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、硅烷化及添加减尾剂等。 （i）酸洗酸洗：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）碱洗碱洗：

18、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+ 2HClSiSiO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。 19.4.3.1.固定液的基本要求固定液的基本要求 （l）对固定液要求首先是选择性好。固定液的选择性可用相对调整保留值2.1，来衡量。对于填充柱一般要求2.1115；对于毛细管柱，2.11.08. 另外还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定

19、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。 （2）组分分子与固定液间的作用力 在气相色谱中，载气是情性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略。在液相中，由于组分浓度低，组分间的作用力也可忽略。液相里主要存在的作用力是组分与固定液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数大。 这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。它包括有定向力、诱导力、色散力和氢键作用力4种。前三种统称范德华力，都是由电场作用而引起的。而氢键力则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。此外，

20、固定液与被分离组分间还可能存在形成化合物或配合物等的键合力。 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。根据理想气体分压定律，溶质在气相中分压P，等于气相中总气压Pg与气相中溶质的摩尔分数Y的乘积。溶质在气相和液相中的摩尔分数之比，与分配系数有关：msmgNNYXCC组分在气相中浓度组分在固定液中浓度KmsgmsNNPPNNYXK0根据气体定律： 欲分离分配系数为K1和K2的两组分，则它们的相对保留等于两组分的分配系数之比： 当,即两组分沸点相等，只要选择合适固

21、定液也可将两组分分开。这时 RTNVPmg0PRTNKs02201112PPKK21（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）(lgrrttq 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

22、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19-4列出一些常用固定液的Rohrschneider常数。 麦氏常数是在罗氏方法的基础上，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

23、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：有机皂土、液晶、手性固定液。 1. 固定液涂渍固定液涂渍 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

24、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。 uCCuBHsm)(ukkDdkkkDruDHsfsm)1 ( 32)1 (241161222222100)(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

25、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 柱长和内径的选择柱长和内径的选择 填充柱的柱长一般为15m，

26、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，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

27、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。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。另外，由于检测器超负荷会出现畸形峰。一般，对于填充柱，液体试样的进样量0.110L，气体试样进样量控制在0.110mL之间