第十七章气相色谱法 Gas Chromatography

第十七章气相色谱法Gas Chromatography

第十七章气相色谱法 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。 • 气相色谱与质谱（GC－MS）联用、气相色谱与Fourier红外光谱(GC－FTIR）联用、气相色谱与原子发射光谱（GC－AES）联用。

气相色谱法是采用气体作流动相的一种 色谱法。 • 在此法中，载气（即流动相，它通常是一种不与待测物作用、用来载送试样的惰性气体，如氢气、氮气等）载着待分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样在两相中发生反复多次的分配，最后使各组分分离，然后分别检测，记录各自的响应信号。

第十七章气相色谱法 主要内容 • 第一节气相色谱分类和流程 • 第二节气相色谱固定相和流动相 • 第三节检测器 • 第四节分离条件的选择 • 第五节毛细管气相色谱 • 第六节定性与定量分析

第一节气相色谱分类和流程 一、分类和特点 1 分类： • 按固定相状态分类：气—固，气—液 • 按色谱柱的填充形式分类：填充柱(2~4mm)，空心柱,(0.1~1mm)。 • 按分离原理分类：吸附柱，分配柱

气固色谱（GSC）：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.气固色谱（GSC）：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（GLC）：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。

第十七章气相色谱法 2. 特点： 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~ 10-13 g组分 • 样品用量少：液体0.XL 气体1mL 固体Xg 可测粮食、蔬菜中农药残留量，动植物体内微量成分 4)分析速度快—样品准备好后，几分钟~几十分钟即可

第十七章气相色谱法 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 <500 ℃温度下稳定，MW<400, 有27 ~1330 Pa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 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.

6）缺点 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。

二、气相色谱的一般流程 • 1 载气系统：气压，净化，流速控制 • 2 进样系统：进样器，气化室，加热系统 • 3 柱系统：分离柱，恒温系统 • 4 检测系统：检测器，恒温装置 • 5 记录系统

图17-1气相色谱仪流程图 1－载气钢瓶；2－减压阀；3－净化干燥管； 4－针形阀；5－流量计;6－压力表；7－注射器； 8－色谱柱；9－热导检测器；10－放大器； 11－温度控制器；12－记录仪；

图17-2 102G型气相色谱仪 102型气相色谱仪

图17-3 GC-7890气相色谱仪 带色谱工作站

图17-4 GC-7890气相色谱仪 外观内部结构

日本东京 Shimadzu 图17-5 GC-9A气相色谱仪

图7 6890 气相色谱仪 图8 毛细管柱色谱（美国安捷伦科技公司 Agilent)

载气要纯净、且稳定 气密性好 1. 载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制 • 对气路的要求： • 气路结构 • 流速的测定和校正单柱单气路，简单适于恒温分析双柱双气路适于程序升温

2. 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30~50 ℃ • 1) 进样装置 • 液体：0.5、1、5、10、25、50 L (一般进样0.1~10 L） • 气体：0.25~5 mL 注射器或六通阀 (一般进样0.1~10 mL） 2) 汽化室样品在汽化室汽化，并很快被带入色谱柱.

3.色谱柱系统——把混合物样品中各组分进行分离的装置3.色谱柱系统——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2～4mm，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 毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁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，毛细管材料可以是不锈钢或石英。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。

4. 检测系统 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。

5.记录系统 • 记录仪，数据处理装置（计算机） • 最主要的两部分：色谱柱、检测器。实验条件的设定、数据的记录和处理由软件－－色谱工作站来完成气相色谱实验室

第二节气相色谱的固定相和流动相 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。固定相分为： • 气-液色谱固定相 • 气-固色谱固定相

一、气－液色谱固定相 气液色谱固定相由担体和固定液两部分组成。固定相＝固定液＋载体一般是把固定液（高沸点有机物）均匀地涂在担体（惰性固体支撑物）上,然后再装入色谱柱内用于分离各种混合物。

(一）固定液—高沸点有机物 1. 对固定液的要求 • 蒸气压较低——在操作温度下固定液应是液体，不易挥发、不易流失； • 稳定性好——良好的热稳定性和化学稳定性； • 选择性好——各组分K值相差较大 • 溶解度大——对试样各组分有适当的溶解能力，有合适的K。

2. 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： • 1959年提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。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分别表示氧二丙腈，角鲨烷及式中: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。

（3）固定液的选择 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。（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。（iv）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

(二）载体 载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相载体(担体)——承担固定液的惰性物质 1. 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. ②热稳定性好；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　形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。

2. 硅藻土型载体 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。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（3~10 m2/g）小（1~3 m2/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

表常见的载体

常见的载体

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。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. 载体的钝化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盐酸浸泡20-30min、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。（i）酸洗：用3--6mol·L-1盐酸浸泡20-30min、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。

CH3 CH3 CH3 CH3 (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。

二．气－固色谱固定相 常用固定相 • 主要有吸附剂、分子筛、高分子多孔微球和化学键合相等。 • 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。

三、流动相 • 常用氢气、氮气、氦气、氩气和二氧化碳。 • 1. 氢气：导热系数大，使用热导池检测器时，常用氢气作载气。用氢焰离子化检测器时，作焰气。 2. 氮气：扩散系数小，柱效高，较常用。使用热导池检测器时，导热系数小，灵敏度低。纯度：99.99％；去水、去氧、去总烃。

第三节气相色谱检测器 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。

一、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。通用型检测器要求适用范围广；选择型检测器要求选择性好。

（一）灵敏度（相应值或应答值） 浓度型检测器灵敏度Sc：1ml载气携带1mg度某组分通过检测器时，产生的电压， mＶ/（mg / ml） • 质量型检测器灵敏度Sm：每秒钟载气携带1g度某组分通过检测器时，产生的电压或电流值，mＶ /（g / s）或 A /（g / s）

（二）噪音和漂移 • 无样品通过检测器时，由仪器本身和工作条件等的偶然因素引起度基线起伏称为噪音（noise;N )。 • 噪音的大小用测量基线波动的峰对峰的最大宽度来衡量。 • 漂移（drift;d）通常指基线在单位时间内单方向缓慢变化的幅值。

（三）检测限 • 某组分的峰高为2倍噪声水平时，单位时间内载气引入检测器中该组分的质量（g/s) 或试样浓度（或单位体积载体中含组分的量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。 D=2N/S

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