1、气相色谱实验讲义气相色谱实验讲义什么是色谱什么是色谱?l分配系数（分配系数（K）l在一定温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比。smCKC组分在固定相中的浓度组分在流动相中浓度l气相色谱法是以气体为流动相，以液体或固体为固定相的色谱方法。气-液色谱（GLC）和气-固色谱（GSC）l气相色谱法主要利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。气相色谱法（气相色谱法（GC）的特点）的特点 l高选择性分离分析性质极为相近的物质。l高效可在较短的时间内同时分离分析极其复杂的混合物。l高灵敏度可以检测10-1110-13g物质。检测浓度可达到ppt级。l分析速度快一般分析只要100101
2、min，某些快速分析，1秒可以分析十几个组分。l应用范围广适用于沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。过程工程学报，2002,2(2):122-126气相色谱法（气相色谱法（GC）的特点）的特点l不足之处：不足之处：不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析。被分离组分的定性较为困难。GC的应用范围的应用范围l生物化学分析：脂肪酸和脂肪胺l石油化工分析：用200 m的毛细管一次可以分析200个化合物l环境分析：如水中有机物分析l食品分析：如粮食中残留农药的分析、白酒分析l药物临床分析：氨基酸、兴奋剂的分析l军工分析：如火药、炸药分析等气相色谱组成气相色谱组成气路系统气路系统分离系统分离系统
3、进样系统进样系统分析系统分析系统检测器检测器+控制系统控制系统气相色谱结构流程气相色谱结构流程1-载气钢瓶；载气钢瓶；2-减压阀；减压阀；3-净化干燥管；净化干燥管；4-针形阀；针形阀；5-流量计流量计;6-压力表；压力表；7-进样口；进样口；8-色谱柱色谱柱;9-检测检测器；器；10-放大器；放大器；11-温度温度控制器；控制器；12-记录仪或工记录仪或工作站作站载气系统载气系统进样系统进样系统色谱柱色谱柱检测系统检测系统温控系统温控系统气相色谱分离过程气相色谱分离过程l待测样品在高温的气化室气化后在惰性气体的带动下进入色谱柱，色谱柱内含有液体或固体固定相，每种组分都倾向于在流动相和固定相之
4、间形成分配或吸附平衡。但由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立。由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附、解吸。结果是在载气中分配浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出色谱柱，进入检测器。l检测器通过不同的反应机理将样品的浓度信号转换为电信号，并将电信号放大后传送给记录仪或色谱工作站，就是色谱图。l如果没有样品流出时，此时记录的信息是检测器的本底信号，即色谱图的基线。GC色谱图色谱图影响分离的因素影响分离的因素l色谱柱的选择柱长和柱径固定液的极性载体的选择l色谱柱的温度l载气的流速l进样时间和进样量载气种类的选择载气种类的选择l载气种类的选择应考虑三个
5、方面：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。l 载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。l 热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。l 在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。气体种类气体种类GC检测器检测器l把柱后流出的组分信号转变为可测量的信号把柱后流出的组分信号转变为可测量的信号（一般是电信号）（一般是电信号）l性能：性能：灵敏度灵敏度检测限检测限GC检测器检测器l热导检测器（TCD）l氢火焰离子
6、化检测器（FID）l电子捕获检测器（ECD）l 火焰光度检测器（FPD）l热离子检测器（TID）l光离子化检测器（PID）l检测器一般都要求灵敏度高、检测限低、死体积小、响应快、线性范围宽、稳定性好。检测器 响应特性敏感度,g/s 响应时间,s最小检测量,g TCD浓度型10-6-10-10g/ml 110-6 FID质量型210-12 0.1 510-13 ECD浓度型10-14g/ml 110-14 FPDP,质量;S,浓度平方P:10-12;S:10-11 0.1 10-10 TID质量型N:10-3;P:10-14 110-13 PID质量型10-13 0.110-11检测器的分类检测
7、器的分类l微分型和积分型l浓度型和质量型l通用型和专用型l破坏型和非破坏型lTCD微分型、浓度型、通用型、非破坏型lFID微分型、质量型、通用型、破坏型热导检测器（热导检测器（TCD）lTCD是基于物质的热导系数热导系数而设计的检测器。用来测量气体热导的热导池一般是由热的良导体不锈钢制成。当流经热导池的气体的热导率发生变化时，热导池池体发生Q的热量变化，引起热敏元件T的温度变化，从而使热敏丝的阻值变化R，这种变化由惠斯顿电桥测定，最后反映出组分的浓度变化C。热导检测器的结构热导检测器的结构池体（一般用不锈钢制成）、热敏元件（钨丝）参考臂：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
8、带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。影响影响TCD灵敏度的因素灵敏度的因素 桥路电流I：I，钨丝的温度，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值 S I 3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高，还可能造成钨丝烧坏。池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。影响影响TCD灵敏度的因素灵敏度的因素l载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏
9、度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。氢火焰离子化检测器（氢火焰离子化检测器（FID）l 1958年，JHarley首先发展了这种检测器，它是GC中最常用的一种，特别适于毛细管适于毛细管GC。它有很多优点，比如通用性强，几乎对所有的样品都有响应，而对水、空气、惰性气体、不电离的物质则几乎没有响应；灵敏度高，线性范围宽，响应速度快。l不能用氢火焰离子化检测器检测的物质有：H2、He、O2、N2、Ar、Xe、NO、NO2、N2O、NH3、CS2、COS、H2S、CO、CO2、H2O、HCHO、HCOOH、SiCl2、SiHCl3、SiF4等。氢火焰离子化检测器（氢火焰离子化检测器（F
10、ID）l典型的质量型检测器;l对有机化合物具有很高的灵敏度;l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;l氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点;l比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12g/g。(1)在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。(2)氢焰检测器需要用到三种气体：载气：N2，携带试样组分；燃气：H2；助燃气：空气。使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。氢火焰离子化检测器（氢火焰离子化检测器（FID）FID的原理的原理(1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层
11、发生裂解反应产生自由基：CnHm CH(2)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(3)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+COA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FID的原理的原理l(4)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10-610-14A）；l(5)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。l(6)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。l
12、(7)离子电流信号输出到记录仪或工作站，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。影响影响FID灵敏度的因素灵敏度的因素 l 各种气体流速和配比的选择l N2流速的选择主要考虑分离效能，l N2：H2=1：11：1.5l 氢气：空气=1：10。l 极化电压l 正常极化电压选择在100300V范围内。电子捕获检测器（电子捕获检测器（ECD）l高选择性检测器l主要用于负电性物质的检测分析，如对含有卤素、S、O、硝基、羧基、氰基、共轭双键体系、有机金属化合物等有很高的灵敏度。l对大多数烃类没有响应l较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。火焰光度检测器（火焰光度检测器（FPD）l化合物中硫
13、、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400、550 nm 左右的光谱，可被检测；lFPD对S、P化合物有极高的选择性和灵敏度。l是大气污染和残留农药测定的有力工具。热离子检测器（热离子检测器（TID）l氮、磷检测器，对N、P有高灵敏度。光离子化检测器（光离子化检测器（PID）lPID是利用紫外光激发解离电位较低的化合物，使其电离而产生信号的检测器。气相色谱柱气相色谱柱l填充柱大多数填充柱的内径为3-5 mm，用不锈钢或玻璃制成。l毛细管柱毛细管柱为200-500 m内径的弹性石英制成，它分为空心和填充两种，空心柱的内壁被均匀地涂上了固定液来实现高效分离。l毛细管柱出口与检测器间连接的死体积是
14、影响柱效降低和峰拖尾的重要因素，因此常常在柱的出口处补充额外的载气，叫尾吹。这种方法只适用于质量检测器。流 动 相总 称固定相色谱名称气 体气相色谱（GC）固体气-固色谱（GSC）液体气-液色谱（GLC）气液色谱气液色谱l气液色谱的固定相是由担体和固定液组成，担体是承担固定液的支架，又称为载体。担体一般要求比表面积大，有良好的缝隙结构（分布均匀），固定液能均匀地展成液膜；担体必须具有化学惰性，不与分离组分发生作用，不参与分配平衡；粒度均匀，成球型。气液色谱担体气液色谱担体固定液固定液l固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多l(1)对固定液的要求应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较
15、好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。l(2)选择的基本原则 “相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。l l(3)固定液分类方法 如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。l(4)固定液的最高最低使用温度高于最高使用温度易分解，温度低呈固体l(5)混合固定相l(6)固定液的相对极性规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，-氧二丙睛的相对极性为100。固定液名称固定液名称最高使最高使用温度用温度溶剂溶剂相对相对极性极性分析对象（参考）分析对象（参考）角鲨烷（异三十烷）角鲨烷（异三十
16、烷）150乙醚乙醚0烃类及非极性化合物烃类及非极性化合物阿皮松阿皮松L300苯苯高沸点的非极性和弱极性有机物高沸点的非极性和弱极性有机物硅油硅油350丙酮丙酮+1各类高沸点弱极性有机物如芳烃各类高沸点弱极性有机物如芳烃苯基苯基10%甲基聚硅氧烷甲基聚硅氧烷350甲苯甲苯+1各种高沸点化合物，对芳香族和极性化合物各种高沸点化合物，对芳香族和极性化合物保留值增大保留值增大OV-17+QF-1可分析含氯农药可分析含氯农药苯基苯基20%甲基聚硅氧烷甲基聚硅氧烷350甲苯甲苯+2苯基苯基50%甲基聚硅氧烷甲基聚硅氧烷300甲苯甲苯+2苯基苯基60%甲基聚硅氧烷甲基聚硅氧烷350甲苯甲苯+2-氰乙基（氰乙
17、基（25%）甲基聚硅）甲基聚硅氧烷氧烷275氯仿氯仿+3苯酚、酚醚、芳胺、生物碱、甾类苯酚、酚醚、芳胺、生物碱、甾类三氟丙基甲基聚硅氧烷三氟丙基甲基聚硅氧烷250氯仿氯仿+2含卤化合物、金属螯合物、甾类含卤化合物、金属螯合物、甾类1,2,2-三（三（2-氰乙氧基）丙烷氰乙氧基）丙烷175氯仿氯仿+5选择性保留低级含选择性保留低级含O化合物，伯、仲胺，不化合物，伯、仲胺，不饱和烃，环烷烃等饱和烃，环烷烃等聚乙二醇聚乙二醇250乙醇乙醇氢键型氢键型醇、醛酮、脂肪酸、酯等极性化合物醇、醛酮、脂肪酸、酯等极性化合物丁二酸二乙二醇聚酯丁二酸二乙二醇聚酯225氯仿氯仿氢键型氢键型分离分离C1-C24脂肪酸
18、甲酯，甲酚异构体脂肪酸甲酯，甲酚异构体气固色谱气固色谱l实际上是吸附GC，它的固定相是吸附剂，常用的吸附剂有以下碳黑、硅胶、氧化铝等几种。l碳黑：将碳黑在2000-3000高温煅烧，使表面均匀化，有稳定的表面性质，重复性极好，对烷烃、脂肪酸、胺、酚有很好的分离效果。l分子筛：比表面积大，一般为内面积700-800m2/g，外面积1-3 m2/g，常用的有4A、5A和13X，对烃类气体有很好的分离效果。它的缺点是对二氧化碳和水产生不可逆失活。气固色谱气固色谱l高分子小球高分子小球：GDX、Porapak等，组分的峰形好。l硅胶硅胶：比表面积大约100-200 m2/g，活性点多，峰易拖尾。l氧化
19、铝氧化铝：主要用于气体和低级烃类的分离。气相色谱的定性方法气相色谱的定性方法l1利用保留值定性利用保留值定性l2利用调整保留值与碳数的关系定性l 烷烃类、烯烃类、酮类、醛类、醇类等在确定的条件下，其调整保留值VR与碳数ni存在如下关系，l lgVR=Ani+Bl3沸点规律l 具有相同碳数的同族同分异构体的比保留体积Vg和沸点Tb之间存在如下关系，l lgVg=aTb+b 气相色谱的定性方法气相色谱的定性方法l1.利用纯物质定性的方法利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。利用加入法定性：
20、将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。l2.利用文献保留值定性利用相对保留值定性相对保留值仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。l3、与其他分析仪器联用的定性方法气质联用仪（GC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪；组分的结构鉴定气相色谱的定量方法气相色谱的定量方法l峰面积或峰高l归一法l外标法l内标法气相色谱的定量方法气相色谱的定量方法定量校正因子定量校正因子l试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：m i=fi Ai l绝对校正因子：比例系数f i，单位面积对应的物质量：f i=m i /Ail相对校正因子fi：即组分的
21、绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。气相色谱的定量方法气相色谱的定量方法归一法归一法l归一化法简便、准确；l进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；l仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。气相色谱的定量方法气相色谱的定量方法外标法外标法l也称标准曲线法l外标法不使用校正因子，准确性较高，l 操作条件变化对结果准确性影响较大。l 对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。气相色谱的定量方法气相色谱的定量方法内标法内标法l内标物要满足以下要求：试样中不含有该物质；与被测组分性质比较接近；与试样不发生化学反应；出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。气相色谱的定量方
22、法气相色谱的定量方法内标法内标法l试样配制：准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物 mSl计算式：SsiisiSsiisiAfAfmmAfAfmm;100100100%SsiiiSsiiiiiAfAfWmWAfAfmWmc气化温度的选择气化温度的选择l色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化；后，在此瞬间气化；l 气化温度一般较柱温高气化温度一般较柱温高3070l 防止气化温度太高造成试样分解。防止气化温度太高造成试样分解。固定相的选择固定相的选择l气液色谱，应根据“相似相溶”的原则分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺
23、序出峰，低沸点组分先出峰。分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。l醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。l组成复杂、较难分离的试样，常使用特殊固定液，或混合固定相。色谱的历史色谱的历史进样口进样口l分流进样方式分流进样方式l不分流进样方式不分流进样方式l填充柱填充柱分流进样方式分流进样方式不分流进样方式不分流进样方式分流流路分流流路隔膜吹扫流路隔膜吹扫流路针型阀针型阀过滤器过滤器进样口进样口电磁阀关闭状态电磁阀关闭状态
