第14章 气相色谱法

第14章气相色谱法

GasChromatography结构流程114.1概述气相色谱法（GC）是英国生物化学家马丁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，它可分离和分析复杂的多组分混合物。气相色谱法使用了高效的固定相和高灵敏度的检测器，是一种的分析方法。分析速度快、灵敏度高、应用范围广。2液体0.几L气体几mL固体几g可测粮食、蔬菜中农药残留量，动物体内药残留量。气相色谱法的特点：三高一快一广1.高选择性—能分离性质极为接近的物质如：同位素，异构体等2.高效能—在很短的时间内就能分离测定性质极为复杂的混合物3.高灵敏度—分离微量、痕量组分用高灵敏度的检测器可测出样品中10-11~10-13g组分样品用量少：4.分析速度快—样品准备好后，几分钟~几十分钟即可。35.应用范围广在柱温条件下有一定蒸气压且稳定性好的样品都能测定，只要在

450℃以下有1.5~10kPa蒸气压且不分解的物质原则上都能测定，不论它是气体、液体和固体。

对于挥发性低和受热易分解的物质，若能通过化学衍生方法使其转化为挥发性大、热稳定性好的衍生物，同样可用气相色谱分离和分析。

GC主要用于分离和定量，可广泛应用在环保、临床、药物、农药、食品、污染物等方面的测定。

对不易气化的高分子，热稳定性差、化学性质极为活泼或强腐蚀性物质不能用GC测定。414-2气相色谱仪5日本东京Shimadzu图GC-9A气相色谱仪6

图毛细管柱色谱（美国安捷伦科技公司Agilent)78910一、气路系统1.作用：为气相色谱分离提供流速恒定，流量可变的纯净载气。2.载气：如H2、He、N2、Ar等。作用：①作为动力，驱动样品在色谱柱中流动，并把分离后的各组分推进检测器；②为样品的分离提供一个相空间。气密性好载气要纯净、且稳定113.气路结构单柱单气路，简单，适于恒温分析。双柱双气路，适于程序升温，能补偿固定液流失和气流不稳定，使基线稳定。12二、进样系统—进样器和气化室1.作用：把样品快速定量地转入到色谱柱中。包括进样器和气化室两部分，若试样为纯液体，则要求在进样系统内瞬间气化。2.进样器─注射器或六通阀液体：常用1、5、10、25、50L(一般进样0.1~10L）；气体：0.25~5mL(一般进样0.1~10mL）。133.气化室样品在气化室瞬间气化，并很快被带入色谱柱。温度：可控温度为50~400℃，一般比柱温高30~70℃（或比试样中最难气化的组分的沸点高50℃）。微量注射器进样做到快速、准确比较难，在定量测定中常采用六通阀进样，重现性好，相对误差较小。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。14三、分离系统

—把混合物样品中各组分进行分离的装置。1.作用分离系统是色谱仪的中心部分，其作用：依据试样中各组分性质间的差异将各组分分离。由色谱柱、固定相和色谱箱组成。2.色谱柱色谱仪的核心部件（心脏），主要有两类：填充柱和毛细管柱。15①填充柱

填充柱由不锈钢，玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，内装固定相，一般内径为2～4mm，长1～5m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。固定相：粒度为60-80或80-100。气-固色谱：固体吸附剂气-液色谱：担体+固定液制作简单，柱容量大，操作方便，分离效率较高，n在102~103之间，应用普遍。16②毛细管柱又叫空心柱，是将固定液均匀地涂在内径0.l～0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料是不锈钢或石英。柱子可以做到几十米长。与填充柱相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度快、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。3.色谱箱为试样各组分在柱内分离提供适宜的温度。17四、检测和数据处理系统

通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；能把保留时间不同，顺序地进入检测器的各组分的含量转换成易于测量的电信号的装置，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线（色谱图）及定性和定量信息。常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器、电子捕获检测器和火焰光度检测器。检测系统是色谱仪的眼睛。18五、控制温度系统在气相色谱测定中，温度是色谱分离条件的重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对气化室，色谱柱，检测器三处的温度控制。19气化室：保证液体试样瞬间气化。一般气化室温度稍高于组分的最高沸点，但应低于样品组分的分解温度。

检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝。色谱柱：准确控制分离需要的温度。其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，用于改善组分的分配比、传质速率、分离度、峰型和提高分析速度，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。20正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较a.恒温150℃b.程序升温50-250℃

，8℃

/min21§14-2气相色谱检测器目前检测器的种类多达数十种，常用的有：热导检测器、氢火焰离子化检测器、电子捕获检测器和火焰光度检测器。一、分类（l）根据检测原理的不同，可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种：

①浓度型检测器

测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。

如热导检测器和电子捕获检测器。22

②质量型检测器

检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的质量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。（2）依据检测器对所分析的样品是否有破坏性，可分为破坏型检测器和非破坏型检测器。

①破坏型检测器：氢火焰和火焰光度检测器；②非破坏型检测器：热导池和电子捕获检测器。（3）依据检测器的功能：

①通用型检测器：热导池和氢火焰检测器；②专用型检测器：火焰光度和电子捕获检测器23

热导检测器是通用型检测器。几乎对所有物质都有响应。

由于结构简单，性能稳定，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜。其主要缺点是灵敏度较低。二、热导检测器（TCD）24

三、氢火焰离子化检测器（FID）氢火焰离子化检测器属通用型检测器，只对碳氢化合物产生信号，应用较广泛。25

以氢气和空气燃烧的火焰为能源，利用含碳有机化合物在氢火焰中燃烧时能产生带电离子碎片，在外加电场作用下，带电离子形成离子流，根据离子流产生电信号强度的大小，检测被测组分。1.工作原理通过在发射极和收集极之间施加极化电压，形成直流电场，有机组分在高温下电离成许多正负离子，在极化电场作用下向两极定向移动，形成微电流，微电流大小与被测组分含量成正比，微电流放大后由记录仪记录下来得到色谱峰，进行分析。263.特点：

①灵敏度很高，检出限低；比热导检测器的灵敏度高约103倍；

②响应速度快，线性范围也宽,可达106以上；

③适合于痕量有机物的分析，是目前应用最广泛的色谱检测器之一。主要缺点是不能检测惰性气体、永久性气体，如H2O、CO、CO2、氮的氧化物、H2S、SO2、空气等物质。

破坏样品，无法收集。27四、电子捕获检测器(ECD)电子捕获检测器是一种选择性很强的检测器，对具有电负性物质（如含卤素、氮、氧等物质）的检测有很高灵敏度（检出限约10-14g·mL-1）。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。28五、火焰光度检测器(FPD)火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含硫、磷有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器。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。工作原理根据硫和磷化合物在富燃性的氢火焰中燃烧时，被打成有机碎片，并能发射出特征波长的光进行检测。

含硫化合物发射394nm特征波长，含磷化合物发射出λmax为526nm的特征光谱。这些光由光电倍增管转换成电信号，经放大后由记录仪记录。2914.3.3检测器的性能指标

常用灵敏度、检出限、线性范围等性能指标来描述。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，死体积小，响应迅速，线性范围宽，稳定性好。通用性检测器要求适用范围广；选择性检测器要求选择性好。30单位浓度或质量的组分通过检测器时所产生的响应信号R的大小叫灵敏度。响应信号的变化量通过检测器待测物浓度或质量的变化量S越大，检测器越灵敏。1.灵敏度31

检出限——检测器能确证物质存在的最低试样含量。某组分色谱峰恰好等于三倍噪声时，单位时间（单位：S）或单位体积（单位：mL）通过检测器的量。检出限D表示为D=3RN/S

D越小，检测器越敏感，检测器的检测能力越强，所需样品量越少。2.检出限当检测器信号放大时，噪声同时也被放大，使基线波动。取基线起伏的平均值为噪声的平均值，用符号RN表示。32

3．线性范围指其信号与被测物质浓度呈线性关系的范围。以样品浓度上下限的比值来表示。线性范围越大，定量范围越宽，不同的检测器线性范围不同。

对于组分A进样浓度在CA至CA‘之间为线性，线性范围为CA’/CA。对于组分B则在CB至CB′之间为线性，线性范围为CB‘/CB。即：不同的组分的线性范围不同。33四种常用检测器的性能指标34§14-4气相色谱柱和固定相混合组分在色谱柱上能否分离，主要取决于所选用的色谱固定相，即选择固定相是GC的关键问题。固定相主要分两大类：固体固定相液体固定相3514.4.2液体固定相气液色谱固定相由载体(担体)和固定液共同构成。1.固定液

以液体作为固定相称为固定液，大多是高沸点有机物，均匀的涂在载体表面，呈液膜状态。（1）对固定液要求：

①

在使用温度下固定液应是液体，良好的热稳定性和化学稳定性，即在较高的柱温下，不易挥发、不易流失，具有极低的挥发性（有较低蒸气压）；36

②在操作温度下粘度要低，即传质阻力小，以保证固定液能均匀地分布在载体上形成均匀的液膜；

③能溶解被分离混合物中的各组分，使各组分有足够的分离能力，即分配比不一致；

④选择性好，即对要分离的各组分应具有合适的分配系数；

⑤固定液与样品组分分子间不产生化学反应。37（2）组分分子与固定液间的作用力固定液与组分分子间的作用力直接影响色谱的分离情况。组分与固定液间作用力大的组分，较迟流出色谱柱；作用力小的组分先流出。所以在色谱分离前，必须充分了解样品中各组分的性质和各类固定液的性能，以便选择最佳的固定液。

组分与固定液分子间的作用力主要有四种：静电力、诱导力、色散力和氢键力。38

a.静电力，也称定向力。由于极性分子的永久偶极矩间存在静电作用而引起的，是在极性固定液上分离极性试样时，分子间的主要作用力。被分离组分的极性越大，与固定液间的相互作用力就越强，保留时间就越长。

b.诱导力：极性分子与非极性分子共存时，因在极性分子的永久偶极矩的电场力作用下，非极性分子被极化而产生诱导偶极矩间的作用力。在分离具有非极性分子和可极化分子的混合物时，可用极性固定液的诱导效应来分离他们。如苯和环己烷，苯更易于极化，可以极性固定液，固定液极性越强，两者分离得越远。39

c.色散力，存在于非极性分子间的作用力。非极性分子间没有定向力和诱导力，但分子具有瞬间偶极矩，由于电子运动，原子核在零点间的振动而形成的这种瞬间偶极矩带有一个同步电场，能使周围分子极化，被极化的分子又反过来加剧瞬间偶极矩的振幅，产生色散力。用非极性固定液分离非极性组分，分子间的作用力即是色散力，并且分子越大，分子色散力越大。

d.氢键力：当分子中一个氢原子和一个电负性很强的原子X（F、O）构成共价键时，它同时又能与另一个电负性很大的原子Y形成强的静电吸引力，称为氢键力。F-H…F＞O-H…F＞O-H…N＞N-H…N40（3）固定液的分类固定液有几百种，根据固定液的化学结构、官能团性质、固定液相对极性及分析对象有几种分类方法，目前最常用的是用相对极性表示。

①按固定液的化学结构

按含有同类官能团可将固定液分为烃类（弱极性）、酯类和聚酯类（中等极性）、醇类和醚类（强极性）、腈和腈醚（最强极性）以及硅氧烷类（硅油，从弱极性到强极性都有）。41②按固定液的相对极性

1959年提出用相对极性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β,β'-氧二丙腈的极性为100。然后，选择一对物质（如丁二烯——正丁烷或环己烷——苯）来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及待测固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到:42式中:下标1，2和X分别表示氧二丙腈，角鲨烷及被测固定液中丁二烯与正丁烷相对保留值的对数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。相对极性在0～+l之间的叫非极性固定液+2为弱极性固定液+3为中等极性+4～+5为强极性。非极性亦可用“－”表示。表中列出了一些常用固定液的相对极性数据。43a.按极性相似原则选择：

固定液与被测组分极性“相似相溶”，分配系数K大，选择性好。非极性组分——选非极性固定液，按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱；中等极性组分——选中等极性固定液，基本按沸点顺序出柱；强极性组分——选极性固定液按极性顺序出柱，极性强的后出柱。注：对于中等极性组分，若沸点相同，则按极性顺序出柱，极性较强的后出柱。（4）固定液的选择44b.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，选择性高：酯类——选酯或聚酯固定液醇类——选醇类或聚乙二醇固定液c.按组分性质的主要差别选择组分的沸点差别为主——选非极性固定液，按沸点顺序出柱，沸点低的先出柱；组分的极性差别为主——选极性固定液，按极性强弱出柱，极性弱的先出柱。45例：苯环己烷沸点80.180.7℃易极化不易极化若选非极性固定液，沸点相差小，很难分开，苯先出峰。

由于苯比环己烷易极化，若选固定液极性越大，保留时间相差越多，环己烷先出峰。46载体固定液2.载体(担体)——承担固定液的惰性物质（l）对载体的要求①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；②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，固定液能在其上均匀分布，即化学稳定性和热稳定性好；③形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。47（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:

红色载体和白色载体。红色载体白色载体构成、机械强度硅藻土+粘合剂混合煅烧，强度高硅藻土+20％的碳酸钠混合煅烧，强度低颜色氧化铁呈红色白色比表面积大（3~10m2/g）小（1~3m2/g）柱效较高较低吸附性催化性有吸附性和催化性弱适宜涂渍非极性固定液极性固定液适于分离适于非极性、弱极性化合物适于分析各种极性化合物缺点表面活性中心不宜覆盖，分析极性物质时易拖尾机械强度差48

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、硅烷化及添加减尾剂等。（3）载体的表面处理（i）酸洗（除去碱性作用基团）：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。49（ii）碱洗（除去酸性作用基团）：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（除去表面氢键作用力）：用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚。CH3CH3CH3CH350

二、气固色谱固定相1.固体吸附剂（1）种类常用的有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。使用时，可根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最合适的吸附剂。（2）应用固体吸附剂主要用来分离、分析永久性气体和一些低沸点的烃类。512.聚合物固定相人工合成的新型固定相，可控制其孔径大小及表面性质的高分子多孔微球，容易填充均匀，数据重现性好。它既起固定相作用直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类等的分析。5214.4.4填充柱(1)固定液的涂渍对于配比（固定液与载体的质量比）大于5%以上的固定液，通常多采用静态法涂渍。(2)色谱柱的填充通常采用泵填充法，即把清洗后的色谱柱的尾端塞上玻璃棉，接真空泵；另一端（接气化室的一端）接上塑料漏斗，在抽吸下加入固定相，至固定相不再进入为止。53(3)色谱柱的老化色谱柱填充完毕后，需要进行老化处理。老化的目的，一是彻底除去填充物中的残余溶剂和某些挥发性物质；二是使固定液在载体表面有一个再分布的过程，从而促进固定液更加均匀，牢固地分布在载体表面上。5414.5气相色谱分离条件的选择在气相色谱分析中，选择合适的色谱条件是实现色谱分析的关键，色谱条件包括两部分：分离条件：色谱柱（固定相、载体），老化（除去有机溶剂和小分子化合物）操作条件：载气的流速、柱温、柱温、进样条件和检测器对色谱条件进行选择的目的是为了提高柱效，增大分离度，满足分离分析的要求。551.载气的选择常见的载气有N2、H2、He、Ar等惰性气体。选用何种载气，从以下两方面考虑：检测器：热导检测器常用N2、H2、He作载气，但H2的热导系数较大，用得较多；氢火焰离子化、电子捕获、火焰光度检测器常用N2作载气。流速大小：若需用流速大的载气可用分子量小，扩散系数大的H2或He，减小气相传质阻力；相反若需载气流速小的载气，则可用分子量大，扩散系数小的N2或Ar为载气。14.5.1载气及其流速的选择562.载气流速的选择流速严重影响分离效果和分析时间。可根据范氏方程，通过H-u曲线来选择。曲线最低点对应最小板高，最佳的载气流速。在最佳的载气流速下，柱效能最高，但分析时间较长。为缩短分析时间，可