农药分析与加工

GasChromatography第四章气相色谱法第一节概述气相色谱法（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。目前由于使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。气相色谱法的特点：三高一快一广1.高选择性—选择性检测器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。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

对不宜汽化的高分子，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。应用范围受到限制，在所有的有机物分析中只有15~20%能用GC进行分离分析。

气相色谱法又可分为:气固色谱（GSC）气液色谱（GLC）：气固色谱：是用多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物.气液色谱：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。

第二节基本原理原理：利用样品中各组分在色谱中的吸附力或溶解度不同，也就是利用各组分在色谱柱中气相和固定相中的分配系数不同来达到各组分的分离。进样时刻A时刻B时刻C时刻D时刻E时刻F色谱柱（加热）检测器（加热）色谱图进样（加热）数据处理机或工作站载气

1．色谱流出曲线

—由检测器输出的电信号强度对时间作图所绘制的曲线，又称为色谱图。2．基线

—在操作条件下，只有纯载气通过，没有组分流出时的流出曲线。第三节基本概念3．色谱峰—组分经柱子分离后进入检测器被记录的信号，是流出曲线上的突起部分。定性参数4．保留时间(retentiontime；tR)

从进样到某组分在柱后出现浓度极大时的时间间隔，即从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔。5．死时间(deadtime；t0)

分配系数为零的组分，即不被固定相吸附或溶解的组分（如空气、甲烷等）的保留时间。6．调整保留时间(adjustedretentiontime；t’R

)t’R=tR-t07．保留体积(retentionvolume；VR)

从进样开始到某个组分在柱后出现浓度极大时，所需通过色谱柱的流动相体积。8．死体积(deadvolume；V0)1第四节气相色谱仪

GC-7890气相色谱仪

带色谱工作站GC-7890气相色谱仪外观内部结构

6890气相色谱仪

毛细管柱色谱（美国安捷伦科技公司Agilent)GC-MS整机外观图检测和记录系统气路系统进样系统分离系统控温系统气相色谱仪一.气路系统气密性流量测量准确性流速稳定性1.对气路的要求：2.气路结构3.气源与载气种类气密性好载气要纯净、且稳定单柱单气路，简单适于恒温分析双柱双气路适于程序升温惰性（不与样品或固定相反应）、容易得到并易纯化、满足检测器要求常用载气：N2

H2

He

Ar气路系统—载气连续运行的密闭管路系统二、进样系统—

进样装置和汽化室汽化室：可控温度为50~500℃，一般比柱温高30~70℃1、进样装置液体：0.5、1、5、10、25、50L(一般进样0.1~10L）气体：0.25~5mL注射器或六通阀(一般进样0.1~10mL）2.汽化室样品在汽化室汽化，并很快被带入色谱柱三、分离系统

—把混合物样品中各组分进行分离的装置

分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。

（1）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2～6mm，长1～5m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。柱内填充固定相，制作简单，柱容量大，操作方便，分离效果足够高，n在102~103之间，应用普遍

（2）毛细管柱毛细管材料：不锈钢、玻璃和石英毛细管柱又叫空心柱，分为壁涂空心柱，多孔层空心柱，载体涂渍空心柱，化学键合相毛细管柱、交联毛细管柱。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。四、控制温度系统在气相色谱测定中，温度是重要的指标，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。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，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。五、检测和数据处理系统

样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进入检测器，把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，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及定性和定量信息。第五节

气相色谱的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

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一．固体固定相高分子多孔小球——由苯乙烯或乙基乙烯基等单体与交联剂二乙烯苯交联共聚而成。化学键合固定相——由一些化学试剂与硅胶表面的硅醇基经化学键合而成。二、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.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；③热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。（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:

红色硅藻土载体和白色硅藻土载体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。国产：6201，201，301等

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。国产：101，102系列，英国和美国的Chromosorb系列等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、弱极性化合物极性化合物常见的载体载体特点用途产地白色硅藻土载体

101，102白色载体PH>7略呈碱性

适用于涂渍极性固定液，分析极性或碱性物质

上海试剂一厂

101,102硅烷化白色载体

经过硅烷化处理

分析氢键型化合物

上海试剂一厂

Celite545Chromosorb（A、G、W）比表面积1.0m2/g，极性小

一般应用

英国，

美国

常见的载体担体

特点

用途

产地

红色硅藻土载体

6201载体，201载体

PH<7略呈酸性

分离非极性和弱极性物质

大连红光化工厂，上海试剂一厂

釉化6201载体，301载体

性能介于红色担体与白色担体之间

大连红光化工厂，上海试剂一厂

C－22保温砖

比表面积4.1~6m2/g一般应用

英国

ChromosorbP比表面积4.0m2/g非极性物质的分离

美国

GaschromR比表面积4.1~6m2/g美国

Chezasob比表面积3.0m2/g一般应用

捷克

非硅藻土载体有有机玻璃微球，聚四氟乙烯，高分子多孔微球载体等。这类载体常用于特殊分析，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。

（3）载体的表面处理(去活性处理）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。（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。（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。CH3CH3CH3CH32．固定液—高沸点有机物

（l）对固定液要求：A在操作温度下固定液应是液体，不易挥发、不易流失（有较低蒸气压）；而且粘度越低越好。B良好的热稳定性和化学稳定性。C对组分有良好的选择性。D对样品组分有足够的溶解能力。（2）组分分子与固定液间的作用力在气相色谱中，载气是情性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略。在液相中，由于组分浓度低，组分之间的作用力也可忽略。主要存在的作用力是组分与固定液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数大。

（2）组分分子与固定液间的作用力

这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。它包括定向力、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）固定液的选择

对固定液的选择并没有规律性可循。一般可按“相似相溶”原则来选择。在应用时，应按实际情况而定。（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。常见的固定液

名称

英文和牌号

最高使用温度

/℃

常用溶剂

相对极性

适用对象（参考）

角鲨烷（异三十烷）

Squalane（SQ）

150乙醚、甲苯

－一般烃类及非极性化合物

阿皮松L（真空润滑脂L）

ApiezonL（APL）

300苯、氯仿

－

高沸点烃类、酯类、醚

甲基硅油

silliconoil（DC－200,DC－500,OV－1,OV101）

200～270甲苯、乙醚

－

非极性或弱极性化合物

名称

英文和牌号

温度最高使用

/℃

常用溶剂

相对极性

适用对象（参考）

二甲基硅橡胶

dimethylphthalate300～320氯仿＋丁醇（1：1）

＋1高沸点弱极性或非极性

邻苯二甲酸二丁酯

dibutylphthalateDBP100二氯甲烷、丙酮

＋2非极性和弱极性物

邻苯二甲酸二壬酯dinonylphthaalateDNP160乙醚、甲醇

＋2弱极性物质（醇、醛、酮

常见的固定液常见的固定液名称

英文和牌号

温度最高使用

/℃

常用溶剂

相对极性适用对象（参考）磷酸三甲苯酯

tricresylphosphateTCP130二氯甲烷、丙酮

＋2弱极性物质（醇、醛、酮

有机皂土

Bentone－34200甲苯

＋4芳烃

聚乙二醇（1500~20000）polyethylenegol（PEG或Carbowax）

80~200丙酮、乙醇、氯仿

氢键型

极性化合物，醛、酮、酯，分离芳烃和非芳烃

ββ＇－氧二丙腈

oxydipr-opionile(ODPN)

100甲醇、丙酮＋5芳烃和非芳烃分离，低级烃，含氧化合物

第六节气相色谱检测器

气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。目前检测器的种类多达数十种。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

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。

（2）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，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。检测器的主要性能指标常用噪声、漂移、灵敏度、线性范围等性能指标来描述。检测器的稳定性噪声(Noise；N)：仪器、其他操作条件使基线在短时间内发生起伏的信号。漂移(Drift；d)：基线朝单方向规律性移动。灵敏度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，检测器越灵敏检测限（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。由于噪声会影响测量试样色谱峰的辨认，所以在评价检测器的质量时提出了检测限这一指标

检测限——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。线性范围

被测物质的量与检测器的信号成线形关系的范围。一个优良的检测器应具：灵敏度高，线性范围宽，响应迅速，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。一、热导检测器（thermalconductivitydetector,TCD）

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，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。构成参比臂和测量臂。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。参比臂和测量臂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