第二十一章气相色谱法 gas chromatography

第二十一章气相色谱法gas chromatography

第一节概述 • 概念：气相色谱法（GC）是以气体为流动相的柱色谱法，它是由惰性气体将气化后的试样带入加热的色谱柱，并携带分子渗透通过固定相，达到分离的目的。 • 特点：高选择性、高灵敏度、高分离效能、快速、应用范围广。

第一节概述 • 分类： • 按固定相所处的两种状态：气-固色谱(GSC)和气-液色谱(GLC)； • 按色谱柱的直径和填充情况：填充柱色谱和毛细管柱色谱； • 按分离原理：吸附色谱和分配色谱； • 按用途：分析型色谱和制备型色谱。

第一节概述 • 应用：气相色谱法主要用于分析色谱柱温度下有一定蒸气压，且热稳定性好的样品。可直接分析气体和易挥发的有机物。

第二节气相色谱仪

第二节气相色谱仪 • 一、气相色谱仪的基本流程气相色谱仪示意图 1.载气瓶 2.压力调节器（a.瓶压 b.输出压力） 3.净化器 4.稳压阀 5.柱前压力表 6.转子流量计 7.进样器 8.色谱柱 9.色谱柱恒温箱 10.馏分收集口（柱后分馏阀）11.检测器 12. 检测器恒温箱 13.记录器 14.尾气出口

结构流程

第二节气相色谱仪 • 二、气相色谱仪的基本结构气路系统、进样系统、分离系统、检测系统、温度控制系统、记录和数据处理系统等六个系统。

第二节气相色谱仪 • （一）气路系统气相色谱仪的气路系统是一个载气连续运行的密闭管路系统。载气由气源（一般用高压气瓶或气体发生器作载气源）出来后经过减压阀、压力表、净化器、气体流量调节阀、转子流量计、气化室、色谱柱、检测器，然后放空。

（二）进样系统 进样装置：进样器+气化室；气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱；

液体进样器： 不同规格的专用注射器，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。 • 气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。

第二节气相色谱仪 • （三）分离系统由色谱柱和柱温箱组成，是气相色谱仪的关键部分。 • （四）检测系统检测器是将载气中被分离组分的浓度或质量信号转变成易于测量的电信号，由记录仪记录成色谱图，供定性、定量分析用。

第二节气相色谱仪 • （五）温度控制系统是用来设定、控制、测量气化室、色谱柱室和检测器室三处的温度，直接影响色谱柱的选择性、分离效率以及检测器的灵敏度和稳定性。

第二节气相色谱仪 • （六）数据处理系统由记录仪、积分仪、数据处理机组成。对色谱图给出的信息进行处理，打印出操作条件、定性和定量分析结果。现代气相色谱仪可带色谱工作站和相应的色谱软件，具有数据处理及控制实验条件等功能。

第三节色谱柱 • 气相色谱仪的心脏部分 • 由柱体和柱内的固定相组成。 • 按色谱柱的柱内径和固定相填充方式可分为填充柱（内径约3~6mm ）和毛细管柱（内径0.2~0.5mm ）等。

第三节色谱柱 • 一、固定相 • 固体固定相可分为吸附剂、聚合物固定相、化学键合固定相。它们大多数有在高温下使用的优点，用于分析永久性气体及其它气体混合物、高沸点混合物或极性较强的物质。 • 液体固定相大多为高沸点的有机化合物，在操作条件下呈液态，称为固定液。固定液不能直接装在色谱柱内，而是将它涂渍在一种称为载体（或担体）的颗粒状固体表面上，制成固定相。

第三节色谱柱 • （一）吸附剂气相色谱吸附剂主要有强极性的硅胶、非极性的活性碳与石墨化碳黑、中极性的氧化铝和特殊吸附作用的分子筛。 • （二）聚合物固定相聚合物固定相即高分子多孔微球(GDX)，是一类新型固定相。可以高温活化后直接用于分离，也可以作为载体涂渍固定液后再用于分离。

第三节色谱柱 • （三）固定液 1．对固定液的要求：（1）蒸气压低，热稳定性和化学稳定性好。操作温度高于固定液最低使用温度时呈液体，低于固定液最高使用温度时不流失、不分解。不与载体、载气、组分发生化学反应。（2）对样品中各组分溶解度大、选择性高。（3）能在载体表面形成均匀液膜，以获得较高的柱效。

第三节色谱柱 2. 固定液的分类（1）按极性分类 1959年罗胥耐得（Rohrschneider）提出用相对极性（P）标定固定液的分离特性。规定非极性固定液角鲨烷的相对极性为0，强极性固定液β， β′- 氧二丙腈相对极性为100。选取一对物质：苯与环己烷（或正丁烷与丁二烯），分别测定它们在以上选定的两种固定液和被测固定液上的相对保留值的对数

第三节色谱柱 Px=100 -100 • 将按上述方法计算得的固定液相对极性从0～ 100分成5级（5级分度法），每隔20分为1级。P在 0~20为非极性固定液，在21~40为弱极性固定液， 41~60为中等极性固定液，61~100为强极性固定液。

第三节色谱柱 （2）按化学类型分类为了增大组分的分配系数，依据“相似相溶”的原则，选择性质与组分有某些相似的固定液，常将具有相同官能团的固定液排列在一起，即化学分类法。

第三节色谱柱 • 色谱工作者还按某些常数将固定液进行分类，其中最有价值的是按麦氏常数进行分类。 • 一般说，麦氏常数和越大者，该固定液的极性越强。

第三节色谱柱 3．固定液的选择样品中组分已知时，固定液选择的依据是使最难分离的物质对达到要求的分离度，同时又要有适宜的分析时间。在选择固定液时，一般按“相似相溶”的规律来选择，另外还可以从以下几方面考虑: （1）对于非极性组分，一般选非极性固定液。（2）对于中等极性的组分，一般选用中等极性固定液。（3）对于强极性组分，选用强极性固定液。

第三节色谱柱 （4）对于能形成氢键的组分，如醇、酚、胺和水等的分离一般可选用极性或氢键型固定液。（5）当选择的固定液分子所具有的化学官能团与组分分子的官能团相同时，则相互作用力最强，选择性高。（6）按主要差别选择如果样品中各组分之间以沸点差别为主时，选用非极性固定液；以极性差别为主时，可选用极性固定液。（7）使用混合固定液（8）按指定固定液进行选择

第三节色谱柱 • 二、载体又称担体，是一种化学惰性多孔性固体颗粒。 1．对载体的要求：（1）有足够大的比表面积，具有良好的孔穴结构，以使固定均匀分布成一薄膜。（2）具有化学惰性，不与样品和固定液起化学反应，不具吸附性，但对固定液应有较好的浸润性。（3）形状规则，大小均匀，具有一定的机械强度。粒度范围为60～80目或80～100目。

第三节色谱柱 2.载体的分类和选择 • （1）硅藻土型载体 ①红色载体适于作非极性固定液的载体，分析非极性化合物如烃类等。 ②白色载体适宜作极性固定液载体，分析极性化合物。 • （2）非硅藻土型载体 ①玻璃微球 ②氟载体吸附性小，耐腐蚀性强，最适宜分析强腐蚀性物质。

第三节色谱柱 3．载体的表面处理 • （1）酸洗法酸洗的载体适用于作分析酸性和酯类化合物。 • （2）碱洗法适于分析碱性化合物。 • （3）硅烷化法主要用于分析易形成氢键的组分如醇、酸和胺类等。 • （4）釉化法能够降低色谱峰的拖尾，也增加了载体的机械强度。

第四节检测器 • 气相色谱法的检测器按检测特性可分为浓度型检测器和质量型检测器。 • 浓度型检测器输出信号的大小取决于载气中组分的浓度。此类检测器如热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）等。 • 质量型检测器输出信号的大小取决于组分在单位时间内进入检测器的量。此类检测器如氢焰离子化检测器（FID）、火焰光度检测器 (FPD)、氮磷检测器（NPD）等。

第四节检测器 一、热导检测器（一）结构与原理 • 1. 结构将热敏元件（热丝）装入池体，构成热导池，再将热导池与其他部件组成惠斯登电桥即为热导检测器。热敏元件常用钨丝或铼钨丝等制成，它们的电阻随温度升高而增大，并且具有较大的电阻温度系数。热传导检测器可分为双臂热导池和四臂热导池。

第四节检测器 双臂热导池检测器四臂热导池测量线路

2. 原理 • 若测量臂无样气通过，只通载气时，两个热导池钨丝的温度相等，R1=R2。根据惠斯登电桥原理，当 R1/R2=R3/R4时，A、B两点间的电位差VAB=0，此时检流计G中无电流通过检流计指针停在零点。

当样品由进样器注入并经色谱柱分离后，某组分被载气带入测量臂时，若组分与载气的热导率不等，则测量臂的热动平衡被破坏，钨丝的温度将改变。当样品由进样器注入并经色谱柱分离后，某组分被载气带入测量臂时，若组分与载气的热导率不等，则测量臂的热动平衡被破坏，钨丝的温度将改变。 • 当组分的热导率（λ组分）小于载气的热导率（λ载气），则热传导散热减少，钨丝的温度升高，电阻R1增大。因R2未变，则R1>R2；R1/R2≠R3/R4，VAB≠0，IG≠0；检流计指针偏转。 • 当组分完全通过测量臂后，指针又恢复至零点。若用记录器（电子毫伏计）代替检流计，则可记录mV-t曲线，即色谱流出曲线。

第四节检测器 （二）特点 • 优点：构造简单、测定范围广、热稳定性好、线性范围宽、样品不被破坏等， • 缺点：是一种通用型检测器，其是灵敏度较低。

第四节检测器 （三）载气的选择 • 在热导池体温度与载气流速等实验条件恒定时，检测器的灵敏度决定于载气与组分热导率之差 Δλ，两者相差越大，电阻R1改变越大，越灵敏。 • 在用热导检测器时，选氢气为载气，与其他载气相比，检测灵敏度最高，而且不出倒峰，并可用空气测定死时间，但必须注意安全。氦气较理想，但价格较贵。

第四节检测器 二、氢焰离子化检测器（一）结构与原理 • 1. 结构由收集极（阳极）与极化环（阴极）及点火线圈组成

第四节检测器

2. 原理 有机化合物进入氢火焰，在燃烧过程中直接或间接产生离子。检测器的收集极（阳极）与极化环（阴极）间加有电压，使离子在收集极与极化环间作定向流动而形成离子流。离子流强度与进入检测器中组分的质量及分子中的含碳量有关，因此在组分一定时，测定电流（离子流）强度可以对物质进行定量。 A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区：温度最高 D层：反应区

在没有有机物通过检测器时，氢气燃烧，在电场作用下，也能产生极微弱的离子流，一般只有10-12~10-11A，此电流称为检测器的本底。在没有有机物通过检测器时，氢气燃烧，在电场作用下，也能产生极微弱的离子流，一般只有10-12~10-11A，此电流称为检测器的本底。 • 在有微量有机物引入检测器后，电流急剧增加，可达到10-7A。 • 电流大小与有机物引入的质量成正比。当电流产生微小的变化时，则在高电阻上产生很大的电压变化，再经放大器放大后由记录器（电子电位差计）记录电压随时间的变化，而得到色谱流出曲线（mv-t曲线）。

第四节检测器 （二）特点 • 优点：氢焰检测器具有灵敏度高、响应快、线性范围宽等优点，是目前最常用的检测器之一。 • 缺点：是专属型检测器，一般只能测定含碳有机物，而且检测时样品被破坏。

第四节检测器 三、其他检测器（一）电子捕获检测器（ECD）电子捕获检测器是一种放射性离子化检测器，属于浓度型专属性检测器。

原理： • ECD以β放射源（常用63Ni）为能源。β放射源不断放射出β粒子。当载气进入检测器时，载气（Ar或N2）分子，不断受到β粒子轰击而离子化，形成了次级电子和正离子。在电场的作用下，初级和次级电子一齐向阳极运动，并为阳极所收集，产生约10-9～10-8A的基始电流（基流），也称背景电流，它反映在色谱仪的记录器上是一条平直的基线。 • 当含有电负性元素的组分AB进入检测器后，就会捕获电子生成稳定的负离子：生成的负离子又与载气正离子复合成中性化合物，并被载气带出检测器： • 由于被测组分捕获电子，结果导致基流下降，产生负信号而形成倒峰。被测组分浓度越大，响应信号强度越大。

第四节检测器 • 电子捕获检测器是目前分析痕量电负性有机化合物最有效的检测器。 • 近年来，电子捕获检测器广泛用于环保、农药、等领域。在农药残留量测定研究中，常用于测定有机氯农药。

（二）氮磷检测器（NPD） • 是一种热离子化检测器，属质量型检测器。 • 现已成为对痕量含氮和含磷有机物检测的具有高灵敏度、高选择性、线性范围宽的新型测器。 • 氮磷检测器的结构基本与氢焰离子化检测器相似，但在其火焰喷嘴附近与收集极之间，放置了碱盐源，能增加含氮或含磷化合物所生成的离子从而使电信号增强。产生的信号经放大后送到记录和数据处理系统。 • 在中药农药残留量测定研究中用于含氮、含有机磷农药残留量的测定。

（三）火焰光度检测器（FPD） • 属于质量型检测器，是对微量硫、磷化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器，因此又称为“硫磷检测器”。 • 原理：在富氢火焰中，含硫或磷化合物燃烧均生成化学发光物质，并产生特征波长的光（磷最强光波长为526nm，硫最强光波长为394nm），投射到光电倍增管上产生电流，经放大器放大后记录下来。通过特征波长光强度的测量，可计算出含硫或磷化合物的量。

第四节检测器 • 四、检测器的性能指标（一）灵敏度（sensitivity，S）又称响应值或应答值。是用来评价检测器质量和与其它类型检测器相比较的重要指标。

第四节检测器 （1）浓度型检测器灵敏度（SC）它是以1毫升载气中含有1毫克的某组分通过检测器时，所产生的电信号值（mV）表示。 SC常用于固体或液态样品，单位为mV·mL/mg。气体样品时单位为mV·mL/mL。

第四节检测器 （2）质量型检测器灵敏度（Sm）以每秒钟有1克的某组分，被载气携带通过检测器时所产生的电信号值（mV或A）表示。单位为 mV·s/g。

（二）检测限（detectability，D） 又称敏感度。检测器性能的优劣只用灵敏度来说明是不够的，因为它不能反映出检测器噪音水平的高低。检测限是以检测器恰能产生3倍噪音信号（峰高、毫伏）时，单位时间引入检测器的组分量或单位体积载气中所含的组分量来表示的，并记为D。由于低于此限的某组分的色谱峰，将被淹没在噪音中，无法检出，故称为检测限。

第四节检测器 （三）线性范围（liner range）指检测器的响应信号强度与被测物质浓度（或质量）之间成线性关系的范围，并以线性范围内最大浓度与最小浓度（或最大进样量与最小进样量）的比值来表示的。良好的检测器其线性相关系数ｒ接近１，线性范围宽。线性范围与定量分析有密切关系。总之，一个理想的检测器应具有灵敏度高，检测限小，响应快，线性范围宽，稳定性好的性能。

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