气相色谱法完

现代仪器分析第九章第九章气相色谱法9.1概述9.2气相色谱固定相9.3检测器9.4定性和定量分析方法9.5实验技术9.6气相色谱法的应用29.1概述多孔固定相对组分的吸附作用吸附解吸过程液膜固定相对组分的溶解能力溶解和挥发过程气相色谱分离原理(Gaschromatography,GC)3气相色谱流程(FlowofGC)41）气路系统气路系统包括气源、净化器、气体流速控制和测量装置。常用的载气有：氮气、氢气和氦气，由高压钢瓶或气体发生器提供。对于常用的FID和FPD还需要氢气和空气作燃气和助燃气。常用的净化剂：活性炭（除烃类物质）、硅胶（除水）和分子筛（除O2）流速的调节稳压阀－－恒温GC稳压阀＋稳流阀－－程序升温GC5载气流速的测量和计算转子流量计－－柱前流量的相对值皂膜流量计－－实际流速的大小Fco：真实流速Fo：皂膜流量计实测的流速

Tc：色谱柱温度Tr：室温

po：柱出口压力pw：室温下水的蒸汽压pi：柱入口压力

j：压力校正因子6

进样分析废液样品入口气体流动相入口

至气相色谱柱旋转式六通阀至气相色谱柱进样阀样品入口装样废液

气体流动相入口(Load)储样管(Injection)3124563124562）进样系统

a.进样装置注射器：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。六通阀：7液体样品进样之前必须在气化室内变成蒸气；气化室位于进样口下端，由一快金属制成，外套电热块；气化室温度一般较柱温高10

50

C，保证样品瞬间气化。b.气化室83）分离系统填充柱：不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径2~4mm，长1~10m，形状有U形和螺旋形两种。特点：制备简单，柱容量大。毛细管柱：材料可为不锈钢、玻璃和石英，柱内径一般<1mm。长度一般为几十米。样品用量小，分离效率高，对检测器要求高。94）温控系统对气相色谱的气化室、色谱柱和检测器进行温度控制的装置，温度直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。色谱柱温控：恒温和程序升温，对于沸点范围宽的混合物，采用程序升温法，按一定程序控制温度变化，使各组分在最佳温度下分离；气化室温控：保证液体试样瞬间气化，一般比柱温高30~70°C；检测器温控：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝，与柱温相同或略高于柱温，防止样品在检测器冷凝。5）检测记录系统包括检测器、放大器和记录仪。现在一般采用色谱工作站的计算机系统实时控制，自动数据采集和数据处理。10气相色谱法的特点气相色谱法是先分离后检测，可以给出多组分混合物中各个组分的定性定量结果。分离效率高

能同时分离和测定复杂的多组分混合物，毛细管柱一次可以分离150个组分；灵敏度高

GC的使用高灵敏度的检测器，可低至1.0×10-12~1.0×10-14g；选择性好

能够分离性质及其相似的物质，如同分异构体、对应体及复杂混合物，如石油、挥发油和精油等分析速度快采用色谱工作站，自动化程度提高，分析速度快应用范围广能够气化且热稳定（Tb<400ºC）、不具腐蚀性的液体或气体均可用GC分析。119.2气相色谱固定相一.固体固定相固体吸附剂，用来分离和分析永久性气体及气态烃类物质。利用吸附剂对气体的吸附性能差别进行分离。常用的固定相如多孔硅胶(强极性)、活性氧化铝(弱极性)、活性炭(非极性)、分子筛等；应用范围：CO、CO2、O2、CH4、C2H4、

C2H6、

He、Ne、N2、NO优点：比表面积大、耐高温、价廉；缺点：柱效低、重现性差；性能与制备和活化条件有很大关系；种类有限，能分离的对象不多；12二.液体固定相液体固定相＝固定液＋担体(载体)，是GC中应用最广泛的固定相。I担体

一种多孔性的、化学惰性的固体颗粒，为固定液提供具有较大表面积的惰性表面，用于承担固定液。对担体的要求：比表面积大，孔径分布均匀；表面化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应；形状规则、颗粒均匀，一般大小60~80目、80~100目。具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；13担体类型硅藻土担体表面具有活性中心（硅醇基-Si-OH、Al-O、Fe-O等），吸附使色谱峰拖尾。屏蔽活性中心的处理方法有：酸洗(去除碱性作用基团)、碱洗(去除酸性作用基团)、硅烷化(去除氢键作用力)、釉化(表面玻璃化堵住微孔)及加减尾剂14II固定液固定液一般为高沸点有机物，均匀地涂在担体表面，呈液膜状态。对固定液的要求：选择性要好对填充柱α2,1>1.15，对于毛细管柱α2,1>1.15；热稳定性要好操作温度下不会发生聚合、分解和交联的现象，并且有较低的气压(<13.33Pa)；化学稳定性好固定液不能与试样或载气发生化学反应；对试样各组分有适当的溶解能力粘度低、凝固点低以便在载体表面均匀分布15b.固定液的分类规定：角鲨烷的极性为0，β,β’-氧二丙睛的极性为100。选择一对物质如丁二烯－正丁烷，分别测定它们在氧二丙睛、角鲨烷以及欲测固定液的色谱柱上的相对保留值：下标1、2和X分别表示氧二丙睛、角鲨烷及被测固定液16Kovats指数IX在任一色谱条件下，碳数为n的任何正构烷烃，其保留指数为100n，在指定实验条件下测得组分得调整保留值之后，被测组分的保留指数IX为：

如何测组分的保留指数？将选定的标准和待测组分混合后进行色谱实验，要求被测组分的保留值在两个相邻的正构烷烃的保留值之间。保留指数与相对保留值相似，表示一个组分的相对保留能力的大小，差别在于后者以单个化合物为参比标准，前者以正构烷烃系列为参比标准。17Mcreynolds

常量1970年，Mcreynolds选用苯、正定醇、2-戊酮、1-硝基丙烷和吡啶作为标准物质，分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的ΔI，并把5项的总和称为总极性，即麦氏常量。18c.固定液选择“相似相溶”原则：选择与试样性质相近的固定相。分离非极性物质，选用非极性固定液。试样中的组分按照沸点次序流出；分离极性物质，选用极性固定液。试样中的组分按照极性次序流出；分离非极性和极性混合物，一般选用极性固定液。试样中的非极性组分先流出，极性组分后流出；分离能形成氢键的试样，选用极性或氢键型固定液。试样中的组分按形成氢键能力大小先后流出，最易形成氢键的后流出；对于复杂的难分离物质对，选用两种或两种以上的混合固定液；样品进行未知，先选用最常用的固定液试验再确定；各组分沸点有明显差异，选用非极性固定相；极性有明显差异，选用极性固定相。19三.合成固定相合成固定相又称聚合物固定相，包括高分子多孔微球和键合固定相。其中键合固定相主要用于液相色谱。高分子多孔微球是一种合成的有机固定相，其中非极性的有苯乙烯和二乙烯苯共聚而成。如国内GDX-101、102型、国外的Chromosorb系列。聚合物固定相既是载体又起固定液作用，可活化后直接用于分离。由于无液膜存在，没有流失问题，有利于升序升温分析沸点范围宽的试样。各用于有机物中衡量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、腈类和胺类的分析209.3检测器检测器的主要性能指标：21检测器的灵敏度只是反应了检测器对某物质产生信号的大小，未能反应仪器噪声的干扰，为此引入检测限（LimitofDetection,LOD）这一指标。检测限与灵敏度成反比，与噪声成正比。LOD是衡量检测器性能好坏的综合指标。检测限越低，越有利于衡量组分的分析。最小检测量与检测限是两个不同的概念，检测限是衡量检测器的性能；而最小检测量不仅与检测器性能有关，还与色谱柱效及操作条件有关。22(5)响应时间进入检测器的某一组分的输出信号达到其值的63％时所需时间，一般小于1s。检测器的死体积越小，电路系统的滞后现象越小，响应越快。通常用线性范围内最大进样量(Qmax

)和最小进样量(Qmin)之比来表示。

检测器线性范围越大，适用性越宽，越有利于定量分析。

TCD线性范围：1.0×105;FID线性范围：1.0×107一个性能优良的检测器应该是：

灵敏度高，检出限低、死体积小、响应迅速、线性范围宽和稳定性好。23一.热导检测器(Thermalconductivitydetector,TCD)池体：一般用不锈钢制成；热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、钨丝或铼钨丝制成；参比臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前；测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，连接在紧靠近分离柱出口处。24TCD的检测原理平衡电桥，下右图。不同的气体有不同的热导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：

R1=R2

;

R3=R4

则：R3×R2=R4×

R1

无电压信号输出，记录仪走直线（基线）。

25进样后:载气携带试样组分流过测量臂而这时参比臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，

R3≠R4；

则：R3×R2≠

R4×

R1这时电桥失去平衡，R3、R4两端存在着电位差，有电压信号输出，信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。26影响TCD灵敏度的因素TCD实际上是一种检测流出物把热量从热丝上带走的装置，从热丝上带走的热量的速率越快，其灵敏度就越高。桥电流：增加桥电流，会使热丝的温度提高，气体容易将热量传出去，灵敏度提高。TCD的灵敏度S与桥电流I3成正比；

N2：100~150mA，H2：150~200mA池体温度：降低池体温度，可使池体与热丝温差加大，提高灵敏度。池体温度不能低于柱温，防止试样冷凝。载气种类载气与试样的热导系数相差越大，灵敏度越高。选择H2或N2作载气有利于提高灵敏度

TCD是填充柱色谱中最常用的检测器，要求样品的浓度较高。27二.(氢)火焰离子化检测器

(Flameionizationdetector,FID)1.特点典型的质量型检测器，对有机化合物具有很高的灵敏度;结构简单、死体积小、响应快、线性范围宽、稳定性好；无机、气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应;比TCD的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达1.0×10-12g·g-1。

含碳有机物在火焰中的燃烧产生离子，在外加电场的作用下，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。282.FID工作原理在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100~300V）构成一个外加电场。氢焰检测器需要用到三种气体N2－载气携带试样组分；

H2

－燃气，空气－助燃气使用时需要调整三者的比例关系检测器灵敏度达到最佳。29FID中的燃烧当含有机物

CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基：CnHm──→•CH产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：

•CH+O──→CHO++e-生成的正离子CHO+

与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：CHO++H2O──→H3O++CO化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-6~10-14A）A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：T最高D层：反应区30在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器；组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离；离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。313.影响FID灵敏度的因素

氢氮比N2流速→分离效能，H2

→灵敏度

H2

:N2=(1:1)~(1:1.5)空气流量r空气

→响应值

r空气不宜超过800mL•min-1H2

:Air=1:10极化电压极化电压

→响应值

，通常极化电压在150~300

V。32三、其他类型检测器(otherdetectors)339.4定性和定量分析方法GC分析对象：在气化室能成为气态的物质。实际工作中，需对样品进行预处理。水或空气中的有机物：样品浓缩、富集；含大量水、乙醇或能被强烈吸附的物质：除去水分和杂质一般有机酸：使用强极性色谱柱(FFAP)；挥发性弱、热不稳定的有机酸：进行化学衍生转变成酯类、醚类再进行色谱分析。一、定性分析方法定性分析：确定色谱图上各个峰的归属。每种物质在一定的色谱条件下有一个确定的保留值，不同的物质可能具有近似或相同的保留值。1.用已知纯物质对照定性－－最简单最可靠的方法保留值法在相同的色谱条件下，将待测物质与已知纯物质分别进样，若两者的保留值相同，则可能为同一物质。(色谱柱、仪器和操作条件必须完全一致)标准加入法对于复杂样品，将纯物质加入到试样中，在相同得条件下，观察加入已知物前后各组分色谱峰的相对变化。相对保留值法(分析条件不一致，但柱温不变)比较待测组分与基准物的调整保留值，求得αis后与手册数值比较。

双柱多柱法把试样和混合物分别在极性完全不同的两根或多根柱子进行色谱分离，若标准物和未知物得保留值始终一致，可判断为同一组分。

352.用经验规律和文献值定性碳数规律：一定温度下，同系物的调整保留时间的对数与分子中碳原子数：沸点规律：同族具有相同的碳数碳链的异构体化合物，调整保留时间的对数与它们的沸点：利用Kovats指数定性：Kovats指数一种重现性较好的定性参数，求得IX与文献数值比较。363.与其他分析仪器联用的定性联用技术成为目前复杂样品定性最有效的工具之一。气相色谱－质谱联用（GC-MS）气相色谱－红外光谱联用(GC-FTIR)气相色谱－原子发射联用（GC-AES）SampleSeparation(GCorLC)Identification(MS)ABCD

DCBA

BACDShimadzuGC-MS-QP2010型AgilentGC-MS-6890-597537确定绝对校正因子fi’、fi’’，就能计算待测组分在混合物中的含量

相对校正因子f

i

组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比测量相对校正因子fi

标准物苯（TCD），FID（正庚烷）二、定量分析方法定量分析：确定色谱图上各个色谱峰对应化合物的量。在一定的操作条件下，待测组分的质量mi与检测器产生得信号成正比mi=

fi’•Ai或mi=

fi’’•hi

fi’、fi’’分别是峰面积、峰高定量校正因子（绝对校正因子）。38定量计算方法(1)归一化法：将所有出峰组分的含量之和按100％计算

特点及要求：

归一化法简便、准确；操作条件变动对测定结果影响不大；不适用于衡量分析峰面积归一化法：任一组分峰面积占所有出峰组分峰面积之和的百分比。39(2)外标法（标准曲线法）配制待测组分的系列标准溶液，测定其峰面积或峰高，绘制A-c或h-c标准曲线；在完全相同的条件下，注入相同体积的待测样品，根据所得峰面积或峰高，从A-c或h-c方程计算可得。适用于大量同类样品分析单点校正法：配置一个与被测组分浓度c或含量p相似的标准物，在同一条件下对二者进行测定。40(3)内标法在样品中加入一定量(m)的内标物，根据待测组分的和内标物的峰面积及内标物质量(ms)计算待测组分质量(mi)：内标物要满足以下要求：试样中不含有该物质；内标峰应在各待测组分之间或相近；能与样品互溶但无化学反应；内标物浓度恰当，峰面积与待测组分接近419.5实验技术一载气及其流速的选择载气的选择必须考虑检测器的适应性TCDH2、He或N2

ECDN2FID和FPDN2(H2燃气，Air助燃气)载气的流速分两类：u较小，分子扩散项B/u起主要作用，选择N2，Ar作载气u较大，传质阻力项C/u起主要作用，选择H2，He作载气

实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析