填充柱气相色谱法

第五章填充柱气相色谱法5.1气相色谱法的特点（1）分离效能高

可以分离性质十分相似的组分，如顺式、反式异构体、旋光异构体、同位素等。也可以分离组成极其复杂的样品，如降水中的100多种成分和石油样品中的200多种组分。（2）灵敏度高

可以检出10-11~10-13g的物质量，常用于高纯物质中微量杂质的测定。农副产品中农药残留量的测定，以及环境样品中痕量组分的测定。（3）分析速度快

几分钟到几十分钟可完成一个样品的分析。（4）应用广

可分析气体、液体、固体样品；有机物、无机物、生化试样；裂解色谱可用于高分子化合物、橡胶、塑料等样品的分析。5.2.1载气系统（1）载气源：N2,H2，He，Ar（2）气体净化器：内装硅胶、分子筛、活性炭（3）流速控制：稳压阀、流量计、压力表5.2气相色谱仪气相色谱装置演示5.2.2进样系统（1）气化室（进样口）：金属管，加热壁，硅橡胶，密封垫。作用：将样品瞬间汽化为蒸气可控温度范围：50~500℃（2）气体进样阀六通阀演示

量气管的规格：1，3，5，10ml四种规格5.2.3色谱柱由柱管和固定相组成柱形：U形或者螺旋形柱管材料：不锈钢、铜、玻璃、聚四氟乙烯柱内径：2~4mm柱长度：1~10m5.2.4检测系统和控制系统检测器计算机色谱工作站5.3气相色谱检测器作用：物质量mi电信号E（电流、电压、峰面积）类型浓度型：响应信号与进入检测器的浓度成正比E∝c，(热导池、电子捕获)质量型：响应信号与单位时间进入检测器的某组分的物质量成正比。E∝m，A与无关(氢火焰)A—组分的峰面积u—流动相的流速5.3.1检测器的性能指标噪声和漂移灵敏度检出限最小检测量线性范围响应时间对检测器的要求：噪声小、死体积小、响应时间短、稳定性好、对所测化合物的灵敏度高、线性范围宽等

噪声和漂移（1）反映检测器背景信号的基线波动。 来源：检测器构件的工作稳定性、电子线路的噪声及流过检测器的气体纯度等。——评价检测器稳定性的指标同时还影响检测器的灵敏度噪声：无样品通过检测器时，由仪器本身及工作条件等偶然因素引起的基线起伏波动.噪声和漂移（2）漂移：基线随时间朝某一方向的单向缓慢变化.通常表示为单位时间（0.5或1.0小时）内基线信号值的变化，即：Dr=R/t单位：mV/h原因：多是仪器系统某些部件未进入正常工作状态，如温度、载气流速，以及色谱柱固定相的流失。S＝△R△m

以组分量m对信号R作图，曲线斜率即为灵敏度S灵敏度响应信号对进入检测器的组分量的变化率浓度型：Sc＝Aiu2F0u1mi（液体mV·mL·mg-1气体mV·mL·mL-1）A－色谱峰的面积（cm2）；u2－记录仪灵敏度（mV·cm-1）；

F－载气流速（mL·min-1)；u1－记录纸的速度（cm·min-1)；

m－进样量（mg或mL）。物理意义：1mL载气中有1mg或1mL组分在检测器上所产生的mV数.物理意义：当每秒有1g组分进入检测器时，所产生的mv数质量型检测器：响应信号与单位时间内进入检测器的某组分的量成正比。检测限（DL）—衡量检测器性能好坏的综合指标浓度型检测器：质量型检测器：检测限与灵敏度的区别：检测限考虑了噪声大小对检测器性能的影响，是灵敏度和噪音的综合指标。

最小检测量mmin

产生色谱峰高等于二倍噪音时的进样量。

最小检测量浓度型检测器：质量型检测器：与检测器性能、色谱柱效和操作条件有关

最低检出浓度Cmin

最低检出浓度是检测器能够确证反应物存在的最低组分含量，是最小检测量mmin与最大进样量Vmax（重量或体积）之比，即：线性范围（linearrange）线性范围CDL浓度，c响应信号S并非所有检测器都存在线性关系，线性范围以外的部分也可用于定量时间常数

样品进入检测器到真实信号输出63.2％的时间。时间常数愈小，说明检测器愈能真实反映通过它们的物质量的变化。要求检测器的死体积要足够小5.3.2热导池检测器（TCD）结构池体：不锈钢、铜热敏元件：铼钨丝、钨丝、铂丝样品池参比池热丝粗细、长短、电阻值完全相同热丝电阻值R∝热丝温度t∵不同物质有不同的热导系数λ

∴

通过热导池的气体组成及浓度发生变化时，热丝的温度变化，R变化。热丝的电阻值变化用惠斯登电桥测量未进样：R参、R测都通载气，λ相同，两池t相同R参＝R测∴

R参R2＝R测R1电桥平衡，△EMN＝0，无信号输出进样：参比池：载气λ载样品池：载气＋样品λ二元∵λ载≠λ二元，t参≠t测，R参≠R测∴R参R2≠R测R1，电桥不平衡△EMN≠0，有信号输出∵△E∝△R∝△t∝△λ∝C∴△E∝C组分的λ与流动相的λ不同时，均可产生信号，故热导池检测器是通用型检测器。影响热导池检测器灵敏度的因素桥电流：在允许的工作电流范围内，工作电流越大，灵敏度越高，一般控制在100-200mA左右（受限于载气种类与流速）池体温度：钨丝与池体温差越大，灵敏度越高，但避免冷凝样品，一般不低于柱温（150C以上为佳）载气：热导系数大的载气，灵敏度高，常用载气热导系数大小顺序：H2>He>N2热敏元件阻值：阻值高、电阻温度系数大的热敏元件，灵敏度高还取决于池体的体积和载气的纯度5.3.3氢火焰离子检测器（FID）结构离子室：金属圆筒离子头：发射极、收集极、喷嘴气体供应氢火焰离子化检测器FID（2）H2H2H2H2H2H2CH4CH4CH4CH4CH4CH4CHO+CHO+CHO+CHO+CHO+CO2CO2CO2H02H02H02H02H2H2H2H2H2H2色谱柱喷嘴FID是一个破坏性、质量型检测器。火焰中生成大量碳正离子，被收集计算后形成检测器信号。含低氧化态的碳数目最多的被分析物将会产生最大信号。有机物氢火焰燃烧裂解、电离正离子负极负离子正极10-6~10-14A电流微电流经放大后，由高阻转为电压信号记录下来。

FID只对电离势低于H2的有机物产生响应，对无机物、永久性气体和H2O基本上没有响应。操作条件载气流量：考虑分离效能

H2流量：考虑灵敏度空气流量：一般H2︰空气＝1︰105.3.4

电子捕获检测器特点：灵敏度高，选择性强，只对电负性的物质如卤素、硫等有响应。当N2进入检测器时，N2＋β撞击放射源N2

＋e-

＋N2+负极β、e-正极形成10-9~10-8A的基始电流I0当电负性物质AB进入检测器时，AB＋e捕获电子AB-＋EAB-＋N2+AB＋N2致使I0↘，产生负信号倒峰组分的电负性↗，倒峰↗组分的浓度C↗，倒峰↗5.3.5火焰光度检测器（硫磷检测器）高灵敏度，高选择性检测器硫：5×10-11g·s-1；磷：1.4×10-12g·s-1

含硫有机物在富氢焰中燃烧，发生下列反应：2RS+(2+X)O2XCO2+2SO22SO2+4H24H2O+S22S2390℃S2*S2+hr(394nm特征光谱）5.4固定相及其选择5.4.1气－固色谱固定相表面具有活性的吸附剂（活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛等）.吸附剂的性能与制备、活化条件有很大关系，重现性较差。特点①组分在固定相中的KD小，适于分析低沸点化合物②热稳定性好，柱温上限高，无流失问题③吸附剂的选择性高于固定相，特别适用于异构体的分析（1）碳质吸附剂①活性炭

活性炭是一种微孔结构的非极性吸附剂，比表面积为300—500m2·g-1，最高使用温度在300℃以下，吸附活性大，适用于分析永久性气体和低沸点的烃类。但活性炭的保留值重现性差，拖尾严重。②石墨炭黑

石墨炭黑是将活性炭放在氮气流中加热至2500—3000℃。活性炭转变成层状结构。得到高度非极性化的表面积。适合分离一些空间和结构异构体，游离脂肪酸，C1—C10的醇、酚、胺及烃等。且峰形对称。③炭分子筛（碳多孔小球）

炭分子筛是将偏聚二氯乙烯在850℃加热释放出HCl而留下的残炭小球。多孔结构，孔径15—20，比表面积800—1000m2·g-1，耐400℃高温。

主要用于分析稀有气体，永久性气体，短链极性化合物、醇、醛、水等。特别适合于痕量分析。（2）氧化铝

氧化铝是一种弱极性的吸附剂，热稳定性和机械强度高。比表面积为100—300m2·g-1。主要用于C1—C4烃类及其异构体的分离，其含水量影响组分的保留值及选择性。（3）硅胶

硅胶的主要成分是SiO2，孔径10—70

比表面积500—700m2·g-1，硅胶表面含有羟基，是一种氢键型强极性的吸附剂，其分离能力决定于孔径大小及含水量。常用于分离低级烃、永久性气体、含硫气体等。（4）分子筛

分子筛是一种合成的硅胶酸盐或钙盐，具有良好的空穴结构和大的比表面积（700—800m2·g-1），是一种极性很强的吸附剂，其结构为：A型：【Na2O(CaO)·Al2O3·2SiO2】X型：【Na2O·Al2O3·3SiO2】

分子筛一般用于分析永久性气体和无机气体。如：O2、CO、N2、Ar、He、NO等。1、CO2、NH3、HCOOH等有不可逆的吸附；2、分子筛使用过程应防止水蒸气进入色谱柱，含水量改变时，不但影响保留时间和分离度，而且会使组分的出峰顺序逆转。分子筛的缺陷：例：水含量约9%时，CO在CH4之前出峰水含量约4%时，两者同时出峰水含量约2%时，出峰顺序逆转（5）高分子多孔微球

高分子多孔微球由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成，属非极性固定相。若在聚合时引入极性不同的基团，则可改变其表面结构和聚合物的极性。适于分离短链极性化合物。如醇类、酸、胺等。特别适合于有机物中痕量水分的测定。使用前必须进行活化处理，但活化温度不应超过300℃，否则会发生分解现象。同时，应避免氧气进入色谱柱，防止高温下氧化。5.4.2气－液色谱固定相担体表面涂固定液载体/担体固定液填充柱（1）担体及其选择担体是一种化学惰性的多孔性固体颗粒.作用：提供惰性表面，使固定液以液膜状态均匀地分布在其表面要求：①表面积大，孔径分布均匀；②化学惰性好；③热稳定性好，有一定的机械强度；④颗粒均匀、细小。

硅藻土中表面含有大量的硅醇基、铁和铝的氧化物。这些活性中心使固定液涂布不均匀，与极性组分形成氢键，引起色谱峰拖尾。而且由于有较强的催化活性，可能使组分或固定液发生催化降解作用。载体表面处理载体的选择（2）固定液：高沸点的有机化合物，常温下是固体或液体，可用作固定液的化合物有1000多种。要求：①挥发性小，热稳定性高；②在操作温度下呈液态；③对试样有适当的溶解能力。固定液的分类：①按极性大小分类1959年罗尔赛耐德（Rohischneiden）提出的。用相对极性标志固定液的分离特征。规定：角鲨烷（异三十烷）极性P＝0

β.β’－氧二丙腈极性P＝100分离物质对正丁烷丁二烯测定分离物质对在上述两种固定液和被测固定液上的保留值，计算相对极性。角鲨烷：

q烷＝lgtR’(丁二烯）tR’(正丁烷）氧二丙腈：

q腈＝lgtR’(丁二烯）tR’(正丁烷）被测固定液：

qx＝lgtR’(丁二烯）tR’(正丁烷）被测固定液的相对极性：Px＝100－100（q腈－qx）q腈－q烷不同固定液的极性落在0~100之间，每20个相对极性单位为一级，用“＋”表示。强极性：P＝＋4，＋5；中等极性：P＝＋3；弱极性：P＝＋1，＋2；

极性的强弱代表了物质分子间相互作用力的大小，但相对极性的大小不能全面反映分子间的作用力，分子间的作用力有：静电力、色散力、诱导力、氢键力等。所以,罗氏作了两方面的改进：

A.用五种不同性质的化合物来表征一种固定液的特征。B.用保留指数差值△I表示相对极性的大小△I↗，固定液和组分间的作用力选择性↗苯→角鲨烷柱→I烷苯→被测固定液柱→Ix△I苯＝Ix－I烷＝ax极性因子∆I甲乙酮=cz∆I硝基甲烷=du∆I吡啶=es其中,a.b.c.d.e均为100∆I总=ax+by+cz+du+es将∆I总值从小到大排列,组成了罗尔赛耐德常数(罗氏常数)其他标准物的△I为：△I乙醇＝Ix－I烷=by

由于五种化合物中乙醇、甲乙酮、硝基甲烷的保留指数均小于500,在测定保留指数时需用常温下为气态的正构烷烃,准确性差,1970年麦克雷诺提出改进:

丁醇→乙醇2-戊酮→甲乙酮硝基丙烷→硝基甲烷用五种新化合物测定的常数称为麦氏常数聚乙二醇罗氏X=3.22y=5.46z=3.86v=7.15s=5.17麦氏X’=325y’=551z’=375v’=582s’=520麦氏与罗氏常数大约差100倍（数值略有差异，是实验条件不一致）②按化学类型分类A烃类：角鲨烷：沸点375oC,最高使用温度150oC,相对极性为零。只能以色散力与组分作用，分离C9以前烷类的理想固定液.阿皮松脂类：略极性和非极性固定液，适于分离非极性化合物.B聚硅氧烷类优点：a热稳定性好，固定液流失小，基线稳定；

b对大多数有机物的溶解度好；

c在硅原子上引进不同类型的官能团，可改变固定液的极性注意：应采用中性载体，避免强酸和强碱样品聚二甲基硅氧烷类固定相最为广泛应用的固定相，具有相当高的热稳定性和很宽的液态温度范围（-60350C），适合相当数量物质的分离聚乙二醇（PEG）类化合物极性固定相，分子量300－20000，最高使用温度100~200oC（与分子量有关），可以分离各种极性和非极性的化合物不同分子量的聚合物具有不同的极性，通常使用的是分子量2万的聚合物（PEG20M或Carbowax20M）聚合物末端羟基可以连接各种官能团，从而可以改变其选择性，如连接邻硝基对苯二甲酸，可将热稳定性提高至250C以上，而且适合分离中性和偏酸性的物质HOCH2CH2-[O-CH2-CH2]n-O-CH2CH2OHD聚酯类：中等极性固定液E腈类：强极性固定液适用于分析低沸点化合物常见固定液的结构和性质固定液选择原则：相似相溶固定液配比：5%－25%固定液的选择—相似相溶的原则同系物通常按照分子量顺序流出使用几率最大的五种固定液：SE-30（甲基硅橡胶）OV-17（苯基甲基聚硅氧烷）QF-1（氟烷基聚硅氧烷）PEG-20M（聚乙二醇20000）DEGS（丁二酸二乙二醇聚酯）色谱柱的制备选择柱材料制备柱填料（固定液、载体的选取及涂渍）填充（或涂渍及键合）老化：通载气，柱温高于常用柱温10C，48小时

作用：去除残留溶剂、低沸点杂质、平稳基线