第19章 气相色谱法

第19章气相色谱法

GasChromatography19.1

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，它可分析和分离复杂的多组分混合物。

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：液体0.几L气体1mL固体几g4.分析速度快—样品准备好后，几分钟~几十分钟即可5.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

–196~450℃温度范围内有27~1330Pa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

GC专长：同系物（其它方法无法测定）

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

气相色谱法又可分为:气固色谱（GSC）气液色谱（GLC）气固色谱：分离的对象主要是一些常温常压下为气体和低沸点的化合物.气液色谱：由于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广泛。

119.2气相色谱仪一气路系统二进样系统—

进样装置和汽化室汽化室：可控温度为50~400℃，一般比柱温高30~70℃进样装置2.汽化室样品在汽化室汽化，并很快被带入色谱柱四控制温度系统

控制温度主要指对色谱柱炉，汽化室，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。三分离系统

—把混合物样品中各组分进行分离的装置

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：（l）浓度型检测器如热导检测器和电子捕获检测器。（2）质量型检测器如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。19.3气相色谱检测器19.3.1检测器的主要性能指标

常用灵敏度、敏感度、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。1．灵敏度

对于浓度型检测器，ΔR取mV，ΔQ取mg·mL-1，灵敏度S的单位是mV·mL·mg-1;对于质量型检测器，ΔQ取g·s-1,则灵敏度S的单位为mV·s·g-1。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2．敏感度

当检测器输出信号放大时，电子线路中固有的噪声同时也被放大，使基线波动，如图所示。取基线起伏的平均值为噪声的平均值，用符号RN表示。

敏感度——某组分产生的响应信号为二倍于噪声信号时，单位时间（单位：S）或单位体积（单位：mL）通过检测器的量。敏感度D表示为

D=2RN/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，色谱峰恰好等于二倍噪声时，所需的进样量为检出限

3．线性范围检测器的线性范围——在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或叫最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比。

线性范围越大，定量范围越宽，不同的检测器线性范围不同。

右图为某检测器对两种组分的R－Ci图。R为检测器响应值，Ci为进样浓度。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。不同的组分的线性范围不同。不同类型检测器的线性范围差别也很大。

19.3.3热导检测器TCD

热导检测器是通用型检测器。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.热导池结构结构：热导池由池体和热敏元件构成池体用不锈钢制成；池体内装两根电阻完全相等的钨丝或铂丝热敏元件。构成参比池和测量池。热导池检测器结构图

热导池检测器检测原理是基于不同的物质有不同的导热系数。参比池和测量池与固定电阻组成惠斯登电桥。热导检测器电桥线路示意图：2.热导池检测原理未进样时（无信号输出)R1=R2R参=R测R参×R1＝R测×R2△

R参=△

R测进样后：（输出信号）△

R参≠△

R测R2R13．影响热导检测器灵敏度的因素

（l）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100～200mA左右（N2作载气时为100～150mA，H2作载气时150～200mA为宜）。

（2）池体温度当桥电流和钨丝温度一定时,降低池体温度使池体与钨丝温差变大,可以提高灵敏度.池体温度一般等于或高于柱温。（3）载气种类载气与试样的导热系数相差愈大，则灵敏度愈高。一般物质导热系数较小，故选择导热系数大的H2或He作载气有利于灵敏度提高。如用N2作载气时，有些试样（如甲烷）的导热系数比它大就会出现倒峰。同一种物质，峰面积越大，浓度越大不同物质，与载气的导热系数相差越大，峰面积越大，灵敏度越大例：苯和甲醇同质量的苯和甲醇，在热导检测器上峰面积不同用峰面积求物质含量时，用相对校正因子校正峰面积

19.3.4火焰离子化检测器（FID）

火焰离子化检测器属选择性检测器，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。1.装置——主要部件是离子室

离子室：包括气体入口、火焰喷嘴、发射极和收集极等部件。氢火焰离子化检测器的操作条件选择时应注意气体流量和工作电压N2:H21:1~1.5:1H2:Air1:10极化电压100~300V2.工作原理3.特点：

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10-12g·S-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。19.3.5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、硫、磷、氰等的物质）的检测有很高灵敏度（检出限约10-14g·cm-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β放射源。β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β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，电子向正极方向移动，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子复合成中性化合物，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：

形成恒定基流基流降低而产生负信号19.3.6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10-12g·S-1（对P）或10-11g·S-1（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

根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，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。这些光由光电信增管转换成信号，经放大后由记录仪记录。

2．火焰光度检测器的工作原理选择四种常用检测器的性能指标。固体固定相聚合物固定相液体固定相19.4气相色谱固定相混合组分在色谱柱上能否分离，主要取决于所用固定相，选择固定相是GC的关键问题固定相主要分三大类：

19.4.1气液色谱固定相

载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相1．固定液—高沸点有机物

（l）对固定液要求：（2）组分分子与固定液间的作用力它包括取向力、诱导力、色散力和氢键4种作用力。前三种统称范德华力。而氢键力则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。

（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。

相对极性：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（如丁二烯——正丁烷或环乙烷——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:

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。麦氏特征常数：以标准物质(m)在某一固定液(P)中的保留指数Ip与在标准固定液(S)中的保留指数Is之差作为该固定液相对极性强弱的度量。一般以角鲨烷为标准固定液(S)

P＝ΔIm＝Ip－Is麦氏选用了10种不同物质作为标准，测定它们的保留指数之差ΔI，ΔI值之和称为总极性，值越大极性越强。

固定液名称商品代号5种标准物平均极性最高使用温度（℃）溶剂角鲨烷squalace－－－

甲基硅橡胶SE-3043350氯仿苯基(10%)甲基聚硅氧烷OV-385350氯仿苯基(20%)甲基聚硅氧烷OV-7118350丙酮苯基(50%)甲基聚硅氧烷OV-17177300丙酮苯基(60%)甲基聚硅氧烷OV-22219300氯仿三氟丙基(50%)甲基聚硅氧烷QF-1300250乙酸乙酯β-氰丙基(25%)甲基聚硅氧烷XE-60357275甲醇聚乙二醇Carbwax-20M462200氯仿甲醇注5种标准物：苯、丁醇、戊－2酮、硝基丙烷、吡啶几种常用固定液的麦氏常数表按照化学结构分类烃类，非极性固定液，包括烷烃和芳烃。常用的有角鲨烷(相对极性定为零)、石蜡烷、聚乙烯等角鲨烷的结构式(相对极性定为零)硅氧烷类，通用型固定液,从弱极性到极性都有,种类多。优点：使用温度较高；溶解能力强，使用范围广。醇类，氢键型固定液，有非聚合醇与聚合醇两类。药物分析常用的极性固定液之一。酯类，中强极性固定液，分非聚合酯与聚合酯两类.硅氧烷类固定液的结构：R为取代基，链节数n＝x＋y根据取代基R的不同而分类R为名称性质甲基甲基硅氧烷弱极性，应用广苯基苯基硅氧烷极性随苯基含量增高而增强三氟丙基氟烷基硅氧烷中等极性，遇强碱易解聚氰乙基氰基硅氧烷强极性，含量增加极性增强固定液的分类极性及特点固定液举例分离对象烃类极性最弱角鲨烷、阿皮松、石蜡油、聚苯乙烯非极性化合物聚硅氧烷弱极性~极性约占全部的1/2甲基、苯基、卤烷基聚硅氧烷，聚碳硼烷硅氧烷不同极性化合物醇类和醚类强极性聚乙二醇强极性化合物酯类和聚酯类中等极性邻苯二甲酸二壬酯含极性与非极性基团两性化合物腈和腈醚强极性β,β,

-氧二丙腈，苯乙腈极性化合物有机皂土分离芳香异构体液晶分离几何异构体特种固定液⑴高温固定液：碳硅烷-硅氧烷聚合物，最高使用温度达450℃，也有非极性、弱极性、极性三种。⑵手性固定液：用于分离手性化合物的固定液。例如手性药物的分离，现研究活跃，一般固定液不能分离手性对映体。（4）固定液的选择

“相似相溶”原则（i）分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。（ii）分离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出。极性大的后流出。（iii）分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。（vi）分离能形成氢键的试样：一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的后流出。（v）复杂的难分离物质：可选用两种或两种以上混合固定液。对于样品极性情况未知的，一般用最常用的几种固定液做试验。

2.载体(担体)——承担固定液的惰性物质（l）对载体的要求

（2）载体类型硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒红色：吸附力强，分离非极性物质白色：吸附力弱，分离极性物质非硅藻土类：玻璃微球，石英微球，氟塑载体，含氟化合物红色载体和白色载体

红色载体: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。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。比较两种载体的优缺点

红色载体白色载体柱效较高较低强度高低比表面大（3~10m2/g）小（1~3m2/g）活性中心有少适宜涂渍非极性固定液极性固定液适于分离非极性、极性化合物弱极性化合物担体的处理方法——钝化，减弱吸附性酸洗：用于分析酸类和酯类碱洗：用于分析胺类等碱性化合物硅烷化：用于具有形成氢键能力的较强的化合物表面釉化：

常用固体吸附剂主要有强极性的硅胶，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.

主要用来分析永久性气体和一些低沸点物质19.4.2气固色谱固定相

19.4.3聚合物固定相

它既起固定液作用直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔径大小及表面性质。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球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。毛细管柱内径0.1～0.5mm，长度20～200m。内径2-6mm，长0.5-6m一毛细管柱速率方程（１）Ａ＝０。（２）弯曲因子γ＝１，而在填充柱中γ＜１。（３）在毛细管柱用r代替了相应相中填料的粒径dp。19.5毛细管气相色谱二毛细管色谱柱的制备（自学）（一）柱材料（二）固定液（三）壁涂层毛细管柱的制备（四）固定液的固载化三、毛细管柱的色谱系统具有分流和尾吹装置(一)分流比调节

adjustmentofratepartitionradio

毛细管柱内径很细，因而带来三个问题：（1）允许通过的载气流量很小。（2）柱容量很小，允许的进样量小。需采用分流技术，（3）分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。解决方法：灵敏度高的氢焰检测器，采用尾吹技术。分流比：放空的试样量与进入毛细管柱的试样量之比。一般在50：1到500：1之间调节。四、毛细管色谱的特点

featureofcapillarygaschromatograph

1.提高色谱分离能力的途径

(1)塔板理论：增加柱长，减小柱径，即增加柱子塔板数；

(2)速率理论：减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻力，可降低塔板高度。2.毛细管色谱柱的结构特点（1）不装填料阻力小，长度可达百米的毛细管柱，管径0.2mm。（2）气流单途径通过柱子，消除了组分在柱中的涡流扩散。（3）固定液直接涂在管壁上，总柱内壁面积较大,涂层很薄，则气相和液相传质阻力大大降低。（4）毛细管色谱柱柱效高达每米3000～4000块理论塔板，一支长度100米的毛细管柱，总的理论塔板数可达104～106。3.毛细管色谱具有以下优点（1）分离效率高：比填充柱高10～100倍（2）分析速度快：用毛细管色谱分析比用填充柱色谱速度快（3）色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温方式（4）灵敏度高，一般采用氢焰检测器。（5）涡流扩散为零。操作条件一般靠理论、经验和参考文献进行选择一载气及其流速的选择1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：19.6

气相色谱分离条件的选择检测器：热导检测器常用H2、He作载气，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。2载气流速的选择

流速严重影响分离效果和分析时间。可以通过H－u曲线来选择。为缩短分析时间，可选比u最佳稍大的载气流速。一般为2u最佳

GC中最佳流速可通过实验和计算方法求得将

微分后得到

可测三种流速对应的板高H，解三元一次方程，求出A、B、C即可求出u最佳和H最小。实际工作中，为缩小分析时间，可选略高u最佳的流速，常用２u最佳。BCACBCCBBACu最佳u最佳BAH2/