2-气相色谱(1)解析VIP

现代色谱分析Modernchromatographicanalysis主讲：李辉第2章气相色谱法GasChromatography,GC时间：周二9-11节地点：2328室

12/30/20221Modernchromatographicanalysis本章讲授内容2.1气相色谱仪的结构2.2气相色谱固定相2.3气相色谱流淌性2.4气相色谱检测器2.5气相色谱操作条件的选择12/30/20222Modernchromatographicanalysis气相色谱法（GC）是英国生物化学家Martin等人于1952年创立的一种极有效的分别方法，它可分别和分析困难的多组分混合物。

目前由于运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（GC－MS）联用、气相色谱与Fourier红外光谱(GC－FTIR）联用、气相色谱与原子放射光谱（GC－AES）联用等。气相色谱法又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）：前者是用多孔性固体为固定相，分别的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物；而后者的固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上．由于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广泛。第2章气相色谱法12/30/20223Modernchromatographicanalysis2.1气相色谱仪的结构12/30/20224Modernchromatographicanalysis气相色谱仪立体结构12/30/20225Modernchromatographicanalysis1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样阀;8-分别柱;9-热导检测器；10-放大器；11-温度限制器；12-记录仪.载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统气相色谱仪平面结构(五大系统)12/30/20226Modernchromatographicanalysis包括气源、净化干燥管和载气流速限制；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；载气流速限制：压力表、流量计、针形稳压阀，限制载气流速恒定。1.载气系统12/30/20227Modernchromatographicanalysis进样系统：进样器+气化室；气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。试样首先充溢定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分别柱；2.进样系统12/30/20228Modernchromatographicanalysis不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10μL；毛细管色谱常用1μL。新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。

气化室：将液体试样瞬间气化的装置，无催化作用。液体进样器12/30/20229Modernchromatographicanalysis3.分别系统分别系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分别样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。（1）填充柱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。柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径为2～4mm，长1～3m。填充柱的形态有U型和螺旋型二种。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12/30/202210Modernchromatographicanalysis毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液匀整地涂在内径0.l～0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。（2）毛细管柱毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充往相比，其分别效率高（理论塔板数可达106）、分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。12/30/202211Modernchromatographicanalysis4.检测和数据处理系统检测器是色谱仪的眼睛，通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成。被色谱柱分别后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变更，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给精彩谱图；或输入计算机，最终得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。检测器：广普型——对全部物质均有响应，专属型——对特定物质有高灵敏响应。常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器。12/30/202212Modernchromatographicanalysis温度是色谱分别条件的重要选择参数；气化室、分别室、检测器三部分在色谱仪操作时均需限制温度；气化室：保证液体试样瞬间气化；检测器：保证被分别后的组分通过时不在此冷凝；分别室：精确限制分别须要的温度。当试样困难时，分别室温度须要按确定程序限制温度变更，各组分在最佳温度下分别；5.温度限制系统限制温度以达到用最短时间获得最佳分别效果的目的。12/30/202213Modernchromatographicanalysis2.2气相色谱固定相StationaryPhasesinGasChromatography载体+固定液固体吸附剂新型合成固定相气固色谱气液色谱12/30/202214Modernchromatographicanalysis1.种类(1)活性炭有较大的比表面积，吸附性较强。(2)活性氧化铝有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分别。CO2能被活性氧化铝猛烈吸附而不能用这种固定相进行分析。(3)硅胶与活性氧化铝大致相同的分别性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分别臭氧。一、气固色谱固定相

stationaryphasesinGas-solidchromatograph12/30/202215Modernchromatographicanalysis(5)高分子多孔微球（GDX系列）新型的有机合成固定相是人工合成的多孔共聚物（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。由于是人工合成的，可限制其孔径大小及表面性质。圆球型颗粒简洁填充匀整，数据重现性好。型号：GDX-01、-02、-03等。这类高分子多孔微球特殊适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类、胶类的分析。(4)分子筛碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等。常用5A和13X，除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分别外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。12/30/202216Modernchromatographicanalysis表2-112/30/202217Modernchromatographicanalysis（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，分别效果差异较大；（3）种类有限，能分别的对象不多；（4）运用便利。2.气固色谱固定相的特点12/30/202218Modernchromatographicanalysis气液色谱固定相：[载体（支持体）+固定液]，即在小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。

固定液特点：（1）固定液在常温下不确定为液体，但在运用温度下确定呈液体状态。（2）固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。载体（担体）：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。二、气液色谱固定相

stationaryphasesingas-liquidchromatograph12/30/202219Modernchromatographicanalysisa.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，能匀整地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；b.化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分别组份不起反应；c.具有较高的热稳定性和机械强度，不易裂开；d.颗粒大小匀整、适度。一般常用60~80目、80~100目。1.载体（l）对载体的要求12/30/202220Modernchromatographicanalysis（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，依据制造方法不同，又分为:红色载体是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后，裂开过筛而得，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峻拖尾。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。红色载体和白色载体12/30/202221Modernchromatographicanalysis白色载体是将硅藻土与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。101，102系列，英国的Celite系列，英国和美国的Chromosorb系列，美国的Gas－ChromA，CL，P，Q，S，Z系列等，都属这一类。12/30/202222Modernchromatographicanalysis红色载体白色载体孔径～1um～8－9um粘合剂有无机械强度高差表面积大（4.0m2/g)小（1.0m2/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红色载体：锻烧后自然硅藻土中所含的铁形成氧化铁，呈淡红色。

白色载体：加助溶剂Na2CO3，氧化铁转化为无色硅酸钠铁盐，呈白色。12/30/202223Modernchromatographicanalysis非硅藻土载体包括有机玻璃微球载体，氟载体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分析，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2等分析。但由于表面非浸润性，其柱效低。12/30/202224Modernchromatographicanalysis

（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SiOH或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，运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：用3～6mol·L-1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。12/30/202225ModernchromatographicanalysisSiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OCH2+2HClSiSiO（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：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

(Ⅳ)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”12/30/202226Modernchromatographicanalysis气液色谱载体12/30/202227Modernchromatographicanalysis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表2-3载体的选择12/30/202228Modernchromatographicanalysis

固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。(1)对固定液的要求

2.固定液首先是选择性好。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2.1＞1.15；对于毛细管柱，2.1＞1.08.另外还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分有适当的溶解实力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。12/30/202229Modernchromatographicanalysis（2）固定液的特性固定液的特性主要是指它的极性或选择性，用它可描述和区分固定液的分别特征。目前大都接受相对极性和固定液特征常数表示。（i）相对极性1959年由Rohrschneider(罗尔斯耐德)提出用相对极性P来表示固定液的分别特征。此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液β，β′-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:12/30/202230Modernchromatographicanalysis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的相对极性均在0～100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级：固定液的相对极性分为五级,每20单位为一级非极性固定液0～+1（非极性亦可用“－”表示）弱极性固定液+1～+2

中等极性固定液+3强极性固定液+4～+512/30/202231Modernchromatographicanalysis表2-412/30/202232Modernchromatographicanalysis保留指数—I人为规定正构烧烃的保留指数为其碳数乘100,如正己烷和正辛烷的保留指数分别为600和800。至于其他物质的保留指数，则可接受两个相邻正构烷烃保留指数进行标定。测定时，将碳数为n和n+1的正构烷烃加于样品x中进行分析，若测得它们的调整保留时间分别为tR′（Cn），tR′（Cn+1；）和tR′（x）且tR′（Cn）＜tR′（x）＜tR（Cn+1）时，则组分X的保留指数可按下式计算，即（ii）固定液特征常数12/30/202233Modernchromatographicanalysis1970年由McReynolds（麦克雷诺兹）在罗氏方法的基础上，提出的改进方案。为了全面地反映固定液的分别特征，麦氏选用性质不同的一组物质：苯、丁醇、戊酮-2、硝基丙烷和吡啶作为标准物质，在柱温120℃下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的保留指数之差值(△I)。ΔI=Ip—Is式中ΔI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（角鲨烷）的保留指数。固定液特征常数—麦氏常数McReynoldsconstant12/30/202234Modernchromatographicanalysis这五种物质与固定液的作用方式不同，因而可表示固定液的各种作用力即特征常数(麦氏常数)：依据分子间作用力的加合性，把这五种△I值之和称为总极性，其平均值称为平均极性，这样，固定液的总极性越大，则极性越强。常用固定液的极性见表2－5。麦氏常数：x’、y’、z’、u’、s’，反应了分子间的作用力，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存在着的诱导力；非极性分子间的色散力；氢键；固定液与被分别组分间还可能存在形成化合物或协作物等的键合力。12/30/202235Modernchromatographicanalysis表2－5T*

为最高运用温度/℃。12/30/202236Modernchromatographicanalysis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、氮杂环化合物表2-6麦氏常数对固定液的表征12/30/202237Modernchromatographicanalysis

（3）固定液的分类气液色谱可选择的固定液有几百种，它们具有不同的组成、性质、用途。如何将这很多类型不同的固定液做一科学分类，对于运用和选择固定液是特殊重要的。现在大都按固定液的极性和化学类型分类。按固定液极性分类就是如前所述，可用固定液的极性和特征常数（罗氏常数和麦氏常数）表示。此外，还有化学分类。这种分类方法是将有相同官能团的固定液排列在一起，按官能团的类型分类。这样就便于按组分与固定液结构相像原则选择固定液。12/30/202238Modernchromatographicanalysis固定液的化学分类方法（A）烃类：烷烃，芳烃例：角鲨烷—标准的非极性固定液，用于分别非极性物质。（B）硅氧烷类（运用最广泛，通用型固定液）（a）甲基硅氧烷：弱极性甲基硅油（n﹤400）最高运用温度为220～270℃甲基硅橡胶（n﹥400）最高运用温度为220～270℃（b）苯基硅氧烷：极性稍强（随苯基↑，极性↑）甲基苯基硅油（n﹤400）

甲基苯基硅橡胶（n﹥400）：按苯基含量不同分低苯基硅橡胶苯基含量在20％以下中苯基硅橡胶苯基含量在20～50％高苯基硅橡胶苯基含量在50％以上12/30/202239Modernchromatographicanalysis（c）氟烷基硅氧烷：中等极性（d）氰基硅氧烷：强极性（3）醇类（氢键型固定液）非聚合醇长链脂肪醇和多元醇

聚合醇聚乙二醇固定液分子量不同，分子中羟基与醚基比例不同，分子量越小，羟基的比例越大，极性越强。聚乙二醇平均分子量从300～20000，随分子量增大，羟基比例减小，极性减