《仪器分析-色谱》课件第2节 气相色谱法-2010

1、第二节气相色谱法(gas chromatography, GC)2.1、气相色谱仪2.2、气相色谱固定相2.3、气相色谱检测器2.4、气相色谱方法开发2.5、气相色谱新技术前言气相色谱的出现实际上较液相色谱(1903 Tswett) 晚50年。1952年英国人马丁和辛格发表第一篇GC论文。1955年推出第一台商品化仪器。1958年毛细管GC柱问世。1979年出现弹性石英毛细管气相色谱。气相色谱已经是一门成熟的分析化学分支。气相色谱发展过程气相色谱基本原理GC是以气体为流动相。GC主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。气相色谱分类按色谱柱分：填充柱、开管柱按固定相状态分：

2、气固色谱、气液色谱按分离机理分：分配色谱、吸附色谱按进样方式分：常规色谱、顶空色谱、裂解色谱气相色谱法的特点分离效率高 对性质极为相似的同分异构体、同位素等有很强的分离能力，能分析沸点十分接近的复杂混合物。例如用毛细管柱可分析汽油中50100 多个组分。灵敏度高使用高灵敏度检测器可检测出10 -11 10 -13 g 的痕量物质。分析速度快一般完成一个样品的分析，仅需几分钟。样品用量很少 通常气体样品仅需要1mL，液体样品仅需1L。气相色谱法的应用范围应用范围：沸点在450以下，能气化气相色谱法的不足之处色谱峰不能直接给出定性的结果分析无机物和高沸点有机物时比较困难1-载气钢瓶；2-减压阀；3

3、-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统2.1、气相色谱仪2.1.1、气相色谱结构流程2.2.2 气路系统常用的气路连接图 主供气体氦气色谱仪脱氧管脱水管开关阀二级减压阀主供气开关阀要求：载气纯净(99.999%)、密闭性好、流速稳定及流速测量准确. 载气：是载送样品进行分离的惰性气体。常用的载气为氮气、氢气（在使用氢火焰离子化检测器时作燃气，在使用热导检测器时常作为载气）、氦气、氩气（由于价格高，应用较少） 气体钢瓶和减压阀：载气一般可由高压气体钢

4、瓶或气体发生器来提供。由于气相色谱仪使用的各种气体压力为0.20.4 Mpa，因此需要通过减压阀使钢瓶气源的输出压力下降。气体净化器 杂质：永久气体、低分子有机化合物、水蒸气 分子筛：除有机杂质 活化：400-600,活化4-6 h 硅胶：除水蒸气 活化：140 ,活化4-6 h 氧气捕集器：ECD检测器和极性强的毛细管柱，容易因氧化而变坏载气流量的测定 柱前：转子流量计柱后：皂膜流量计 流量稳定性直接影响分析重现性一般早期或国产仪器由开关阀、稳压阀、稳流阀、针阀、阻尼管控制EPC气路控制技术20 世纪90年代初出现HP公司采用电子压力传感器和电子流量控制器，通过计算机实现压力和流量的自动控制

5、气路控制系统2.1.3、进样装置 进样装置：进样器+气化室； 液体进样器： 气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。 试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱； 气化室：将液体试样瞬间气化的装置。热容量要大，温度要足够高，气化室体积尽量小，无死角，以防止样品扩散，减小死体积，提高柱效。无催化作用石英玻璃衬管衬管填充柱进样口汽化室温度分布毛细管柱进样口（分流）不分流与分流进样色谱图比较气相色谱其他进样方式冷柱头进样程序升温汽化进样大体积进样阀进样顶空进样裂解进样2.1.3、色谱柱色谱柱是色谱系统的心脏！色谱柱类型填充柱柱管：玻璃管柱、不锈钢柱、聚四氟乙烯柱内径一般为2-

6、4 mm，长 0.5-3 m；形状为U形或螺旋形；柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。 液-固色谱：固体吸附剂 液-液色谱：担体+固定液 柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将 柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。 有关固定相性质及其选择见下一节。1958年Golay提出,1979年弹性石英毛细管产生材料：弹性石英尺寸：内径 0.1-0.8 mm 长度一般在25100 m 毛细管柱（开管柱）开管柱特点渗透率高， 柱阻抗小。适合于快速分析柱效高。A=0，且柱长为填充柱的10-100倍。柱容量小。开管柱固定液含量一般只有几十毫克，有效分离样品量小。类型： (1)

7、壁涂开管柱(WCOT) (2)多孔层开管柱(PLOT)内壁上有多孔层的空心柱 (3)载体涂层开管柱(SCOT) 用二氧化硅、氧化铝、分子筛、硅藻土等很细颗粒粘附在柱内壁，再涂固定液。毛细管气相色谱与填充柱气相色谱操作不同之处1 进样量少，常分流进样 进样小了没有代表性，进样大了色谱柱超载，影响分离效果。2 安装尾吹装置 加速柱末端载气的流速，减少由于死体积大造成的峰展宽2.1.4、温度控制系统气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度； 气化室：保证液体试样瞬间气化；一般仪器的最高汽化温度为350420 检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝； 分离室：对分离产生重大影响。 程

8、序升温为什么要进行程序升温？通过程序升温，可以使沸点相差较大的混合物在适合的温度下获得好的分离度，并提高分析速度2.1.5、检测器检测器是色谱仪的“眼睛”！检测器的作用是将经色谱柱分离后顺序流出的化学组分的信息转变为便于记录的电信号，然后对被分离物质的组成和含量进行鉴定和测量。通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；2.2、气相色谱固定相2.2.1、气固色谱固定相1. 种类 (1) 活性炭 非极性，有较大的比表面积，吸附性较强。 (2) 活性氧化铝中等极性，适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。 (

9、3) 硅胶 强极性，与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等。 (4)分子筛 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。 (5)高分子多孔微球 新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。 适用于水、气体及低级醇的分析。2、气固色谱固定相的特点（1）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。2.2.2、气液色谱固定相 气液色谱固定相 填充柱： 固定

10、液+担体（载体） ： 开管柱：固定液直接涂在毛细管内壁固定液特点： 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。 固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。 担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大比表面积。（1）担体 a. 硅藻土红色担体： 孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。白色担体： 煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。 颗 粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。b.玻璃微球 具有很小的表面积，非孔性、表面惰性的载体。主要优点是能在较低的柱温

11、下分析高沸点物质，使某些热稳定性差但选择性好的固定液获得应用。缺点是柱负荷量小，只能用于涂渍低配比固定液。c氟载体 耐腐蚀性强，适合于强极性物质和腐蚀性气体的分析。缺点是表面积较小， 机械强度低， 对极性固定液的浸润性差。 担体的预处理 酸洗法 酸洗可除去担体表面的铁等金属氧化物杂质。酸洗后的载体可用于分析酸性物和酯类样品。b碱洗法 碱洗可以除去载体表面的 Al2O3 等酸性作用点。c硅烷化处理 硅烷化处理是指利用硅烷化试剂处理载体，使载体表面的硅醇和硅醚基团失去氢键力，消除了色谱峰拖尾现象。（2）固定液 高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。 对固定液的要求 应对被分离试样中的各组分具有不同的

12、溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应，较低蒸气压，以免流失。载气是惰性的，主要作用是：组分和固定液的作用如何选择固定液？1 相似相溶原则 这一原则是人们研究物质溶解过程时总结出来的规律，即溶质和溶剂在极性、官能团和化学性质等相似时，可以相互溶解。 气相色谱中，被分离物质和固定液的极性、结构、官能团相似时，二者的作用力强，保留时间就长。“极性混合物用极性固定液进行分离(定向力），非极性混合物用非极性固定液进行分离(色散力）” 该原则不是在任何情况下都有效的。例如分离苯和环己烷时使用非极性固定液反而不好，而使用极性固定液就可以把二者分开。同系物或相同官能团的混合物组分在

13、沸点上有差别时，使用相似相溶原则有效。 2 固定液和被分离物分子间的特殊作用力 所谓特殊作用力是指除色散以外的几种作用力（1） 诱导力 强极性固定液可以使易极化的非极性化合物产生诱导力。例：苯和环己烷在，-氧二丙腈上十分容易分离。思考：分子结构？ （2） 氢键力 例如：二甲胺和三甲胺在甘油固定液上可得到很好的分离。（3） 利用形成超分子的固定液 超分子化学（supramolecular chemistry）的概念是：“超出单个分子的化学”，“按照需要形状设计出的分子进行分子间相互作用的化学”。冠醚环糊精杯芳烃超分子化学对研究色谱的分离的机理以及设计特殊选择性分离介质具有重要的指导意义。 (4)

14、 混合固定相 对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上配合使用；例如：用全戊基-环糊精（pp-CD）与AgNO3（聚乙二醇400作溶剂）组成混合固定液，分离二甲苯异构体。沸点：o-144.4 ; m-139 ; p-138.37 (1)固定液的相对极性规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，,-氧二丙睛的相对极性为100。固定液的特性固定液的相对极性：不同极性GC柱分离举例(2) 固定液特征常数 罗氏常数和麦氏常数罗氏常数：I=Ip(待测固定液）-Is（角鲨烷）表 优选固定液麦氏常数：x、y、z、u、s表示，分别代表了极性分子间存在着的静电力（偶极定向力）；极性与非极性分子间

15、存在着的诱导力；非极性分子间的色散力；氢键等。也可以用五个数的总和来表示固定相的极性大小，如：，氧二丙睛五个常数的总和为4427，是强极性固定相。固定液的一般选择规律非极性组分非极性固定液沸点低的物质先流出；极性物质极性固定液极性小的物质先流出；各类极性混合物极性固定液极性小的物质先流出；氢键型物质氢键型固定液不易形成氢键的物质先流出；复杂混合物两种或以上混合固定液毛细管柱商品化常用固定液毛细管色谱柱最常用的是聚硅氧烷和聚乙二醇 聚硅氧烷 标准的聚硅氧烷是由许多单个的硅氧烷链接而成。每个硅原子与两个功能基团相连，最常见的功能基团为甲基和苯基，此外还有氰丙基和三氟丙基。非极性：由100甲基取代的

16、，相应的柱子牌号有：HP-1、BP-1、DB-1、SE-30等。弱极性：例如：5二苯基-95二甲基聚硅氧烷表示其包含有5的苯基基团和95的甲基基团，相应的柱子牌号有：HP-5、BP-5、DB-5、SE-54等。中等极性：如50苯基-甲基聚硅氧烷表示甲基的含量为50)。相应的柱子牌号有：HP-50+、BPX-200、DB-17等。 2. 聚乙二醇 聚乙二醇的稳定性、使用温度范围都比聚硅氧烷要差一些。但由于它的极性比较强，对极性物质有特殊的分离效能，所以仍是我们常用的固定相之一。 2.3、气相色谱检测器理想的检测器：2.3.1、检测器性质、分类 浓度型检测器： 测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间

17、的变化，检测 信号值与组分的浓度成正比。热导检测器、电子捕获检测器； 质量型检测器： 测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器 广普型检测器： 对所有物质有响应，热导检测器； 专属型检测器： 对特定物质有高灵敏响应，电子俘获检测器；2.3.2、检测器种类（1）热导检测器 thermal conductivity detector, TCDa. 热导检测器的结构 池体（一般用不锈钢制成） 热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。 参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测量臂：

18、需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。b、检测原理 不同的气体有不同的热导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参R2=R测R1 无电压信号输出；进样后：测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 ，则： R参R2R测R1（2） 氢火焰离子化检测器 flame ionization detector, FIDa、特点 (1) 典型的质量型检测器; (2) 对有机化合物具有很高的灵敏度; (3) 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; (4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等

19、特点; (5) 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级。b、 氢焰检测器的结构 (1) 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。 (2) 氢焰检测器需要用到三种气体： N2 ：载气携带试样组分； H2 ：为燃气； 空气：助燃气。 使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。c、 氢焰检测器的原理 (1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ： CnHm CH(2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应： CH + O CHO+ + e(3)生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰

20、撞而发生分子离子反应： CHO+ + H2O H3O+ + CO(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）；(5) 在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。(6)离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线（3）电子捕获检测器 electron capture detector, ECD 高选择性检测器， 仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g /mL， 对大多数烃类没有响应。 较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。（4）其他检测器 火焰光度检测器(flame photometric detector,FPD) 化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400、550 nm 左右的光谱，可被检测； 该检测器是对含硫、磷化合物的高选择性检测器； 热离子检测器(thermionic detector, TID) 氮、磷检测器；对氮