第十六章-氣相色譜法

第十六章氣相色譜法

I概述II氣相色譜固定相III氣相色譜檢測器IV氣相色譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)V氣相色譜法的應(yīng)用

氣相色譜法（GC）是英國生物化學(xué)家Martin

等人在研究液液分配色譜的基礎(chǔ)上，于1952年創(chuàng)立的一種極有效的分離方法，它可分析和分離復(fù)雜的多組分混合物。目前由于使用了高效能的色譜柱，高靈敏度的檢測器及計(jì)算機(jī)，使得氣相色譜法成為一種分析速度快、靈敏度高、應(yīng)用范圍廣的分析方法。如氣相色譜與質(zhì)譜（GC－MS）聯(lián)用、氣相色譜與Fourier紅外光譜(GC－FTIR）聯(lián)用、氣相色譜與原子發(fā)射光譜（GC－AES）聯(lián)用等。第一節(jié)概述氣相色譜法又可分為氣固色譜（GSC）和氣液色譜（GLC）：前者是用多孔性固體為固定相，分離的對象主要是一些永久性的氣體和低沸點(diǎn)的化合物；而后者的固定相是用高沸點(diǎn)的有機(jī)物涂漬在惰性載體上．由于可供選擇的固定液種類多，故選擇性較好，應(yīng)用廣泛。一、氣相色譜分離原理及流程一）氣相色譜分離原理氣相色譜立體結(jié)構(gòu)流程二）氣相色譜流程氣相色譜平面結(jié)構(gòu)流程

processofgaschromatograph1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；7-進(jìn)樣閥;8-分離柱;9-熱導(dǎo)檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀。載氣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)三）氣相色譜儀1.氣路系統(tǒng)2.進(jìn)樣系統(tǒng)3.分離系統(tǒng)

分離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是分離樣品。色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細(xì)管柱。

1、填充柱

填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內(nèi)裝固定相，一般內(nèi)徑為2～4mm，長1～10m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。

2、毛細(xì)管柱

毛細(xì)管柱又叫空心柱，分為涂壁，多孔層和涂載體空心柱。涂壁空心柱是將固定液均勻地涂在內(nèi)徑0.l～0.5mm的毛細(xì)管內(nèi)壁而成，毛細(xì)管材料可以是不銹鋼，玻璃或石英。毛細(xì)管色譜柱滲透性好，傳質(zhì)阻力小，而柱子可以做到長幾十米。與填充往相比，其分離效率高（理論塔板數(shù)可達(dá)106）、分析速度塊、樣品用量小，但柱容量低、要求檢測器的靈敏度高，并且制備較難。

4.溫度控制系統(tǒng)

在氣相色譜測定中，溫度是重要的指標(biāo)，它直接影響色譜柱的選擇分離、檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性?？刂茰囟戎饕笇饣?，色譜柱，檢測器三處的溫度控制。色譜柱的溫度控制方式有恒溫和程序升溫二種。對于沸點(diǎn)范圍很寬的混合物，往往采用程序升溫法進(jìn)行分析。

程序升溫指在一個分析周期內(nèi)柱溫按預(yù)定的程序由低向高作線性或非線性變化，以達(dá)到用最短時間獲得最佳分離的目的。

氣相色譜檢測器是把載氣里被分離的各組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。

檢測記錄系統(tǒng)包括檢測器、放大器和記錄儀。5.檢測記錄系統(tǒng)二、氣相色譜法的特點(diǎn)（自學(xué)）

沸點(diǎn)低于400C、能夠汽化且熱穩(wěn)定、不具有腐蝕性的液體或氣體。一、固體固定相——固體吸附劑

主要有強(qiáng)極性的硅膠，弱極性的氧化鋁，

非極性的活性炭和特殊作用的分子篩等。

使用時，可根據(jù)它們對各種氣體的吸附能力

不同，選擇最合適的吸附劑。第二節(jié)氣相色譜固定相二、液體固定相

載體(擔(dān)體)和固定液組成氣液色譜固定相。

1.載體（擔(dān)體）（l）對載體的要求

具有足夠大的表面積和良好的孔穴結(jié)構(gòu)，使固定液與試樣的接觸面較大，能均勻地分布成一薄膜，但載體表面積不宜太大，否則猶如吸附劑，易造成峰拖尾；表面呈化學(xué)惰性，沒有吸附性或吸附性很弱，更不能與被測物起反應(yīng)；熱穩(wěn)定性好；形狀規(guī)則，粒度均勻，具有一定機(jī)械強(qiáng)度。（2）載體類型

大致可分為硅藻土和非硅藻土兩類。硅藻土載體是目前氣相色譜中常用的一種載體，它是由單細(xì)胞海藻骨架組成，主要成分是二氧化硅和少量無機(jī)鹽，根據(jù)制造方法不同，又分為:

紅色載體和白色載體。

紅色載體是將硅藻土與粘合劑在900℃煅燒后，破碎過篩而得，因鐵生成氧化鐵呈紅色，故稱紅色載體，其特點(diǎn)是表面孔穴密集、孔徑較小、比表面積較大。對強(qiáng)極性化合物吸附性和催化性較強(qiáng)，如烴類、醇、胺、酸等極性化合物會因吸附而產(chǎn)生嚴(yán)重拖尾。因此它適宜于分析非極性或弱極性物質(zhì)。

白色載體是將硅藻土與20％的碳酸鈉（助熔劑）混合煅燒而成，它呈白色、比表面積較小、吸附性和催化性弱，適宜于分析各種極性化合物。

非硅藻土載體有有機(jī)玻璃微球載體，氟載體，高分子多孔微球等。這類載體常用于特殊分析，如氟載體用于極性樣品和強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)HF、Cl2等分析。但由于表面非浸潤性，其柱效低。

2．固定液

（l）對固定液要求首先是選擇性好。固定液的選擇性可用相對調(diào)整保留值2.1，來衡量。對于填充柱一般要求2.1＞1.15；對于毛細(xì)管柱，2.1＞1.08。還要求固定液有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；對試樣各組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰?；在操作溫度下有較低蒸氣壓，以免流失太快。

（2）組分分子與固定液間的作用力

在氣相色譜中，載氣是惰性的，且組分在氣相中濃度很低，組分分子間作用力很小，可忽略。在液相中，由于組分濃度低，組分間的作用力也可忽略。液相里主要存在的作用力是組分與固定液分子間的作用力，這種作用力反映了組分在固定液中的熱力學(xué)性質(zhì)。作用力大的組分，由于溶解度大，分配系數(shù)大。

這種分子間作用力是一種較弱的分子間的吸引力，它不像分子內(nèi)的化學(xué)鍵那么強(qiáng)。它包括有靜電力、誘導(dǎo)力、色散力和氫鍵作用力4種。前三種統(tǒng)稱范德華力，都是由電場作用而引起的。而氫鍵力則與它們有所不同，是一種特殊的范德華力。此外，固定液與被分離組分間還可能存在形成化合物或配合物等的鍵合力。

氣液色譜可選擇的固定液有幾百種，它們具有不同的組成、性質(zhì)、用途。如何將這許多類型不同的固定液做一科學(xué)分類，對于使用和選擇固定液是十分重要的?，F(xiàn)在大都按固定液的極性和化學(xué)類型分類。通常按固定液的極性分類，這樣就便于按組分與固定液結(jié)構(gòu)相似原則選擇固定液。3.固定液的分類

相對極性：規(guī)定非極性固定液角鯊?fù)榈臉O性為0，強(qiáng)極性固定液β，β′-氧二丙腈的極性為100．然后，選擇一對物質(zhì)（如正丁烷一丁二烯或環(huán)己烷一苯），來進(jìn)行試驗(yàn)。分別測定它們在氧二丙腈、角鯊?fù)榧坝麥y固定液的色譜柱上的相對保留值，將其取對數(shù)后，得到:#22.角鯊?fù)楹挺?β’-氧二丙腈結(jié)構(gòu)式角鯊?fù)椋ó惾椋﹕qualaneβ，β′-氧二丙腈β，β′-oxydipropionitrle返回

式中下標(biāo)1，2和x分別表示氧二丙睛，角鯊?fù)榧氨粶y固定液。由此測得的各種固定液的相對極性均在0~100之間。一般將其分為五級，每20單位為一級。相對極性在0~+l之間的叫非極性固定液，+2級為弱極性固定液，+3級為中等極性，+4~+5為強(qiáng)極性固定液。表16-1列出了一些常用固定液。固定液的另一極性表示——麥?zhǔn)铣?shù)

以苯、正丁醇、2-戊酮、1-硝基丙烷和吡啶作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，在柱溫120C下，分別測定它們在226種固定液和角鯊?fù)樯系腎值，并把5項(xiàng)的總和稱為固定液的總極性，又稱為麥?zhǔn)铣?shù)（表16-1）。4.固定液的選擇：

“相似相溶”。所謂“相似相溶”是指固定液和組分在化學(xué)結(jié)構(gòu)或極性上有某些相似性，此時分子間作用力強(qiáng)，選擇性高，分離效果好。①非極性組分——選非極性固定液——沸點(diǎn)低的組分先流出；按

沸點(diǎn)順序出柱，低沸點(diǎn)的先出柱——色散力②極性組分——選極性固定液——極性弱的組分先流出；按極性

順序出柱，極性強(qiáng)的后出柱——靜電力③極性和非極性組分混合物—選極性固定液—極性小的物質(zhì)先流出④中等極性組分——選中等極性固定液；基本按沸點(diǎn)順序出柱，若沸點(diǎn)相同，則按極性順序出柱——色散力和誘導(dǎo)力⑤氫鍵型物質(zhì)——?dú)滏I型固定液——不易形成氫鍵的物質(zhì)先流出⑥復(fù)雜混合物——兩種或以上混合固定液。例1.

采用強(qiáng)極性的20%聚乙醇-2000作為固定相，氫氣作為流動相，用氣相色譜法分離下列化合物，則先出峰的是（）

A.正己醇B.正庚醇C.正辛醇D.正戊醇例2.

選用雙甘油（HOCH2CH2OCH2CH2OH）作固定液分離乙醇（甲，bp=78C），2,2-二甲基戊烷（乙，bp=79C）和苯（丙，

bp=80.1C）混合物時，出峰順序?yàn)椋ǎ├?.

在色譜分析中，被分離組分與固定液性質(zhì)越相似，其保留值（）。當(dāng)分離一甲胺、二甲胺和三甲胺時，最適宜的固定液類型為（），出峰順序?yàn)椋ǎ?。三）合成固定?/p>

作為有機(jī)固定相的高分子多孔微球是一類人工合成的多孔共聚物。它既是載體又起固定液作用，可在活化后直接用于分離，也可作為載體在其表面涂漬固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔徑大小及表面性質(zhì)。圓球型顆粒容易填充均勻，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。在無液膜存在時，沒有“流失”問題，有利于大幅度程序升溫。這類高分子多孔微球特別適用于有機(jī)物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂類、膠類的分析。

氣相色譜檢測器是把載氣里被分離的各組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。目前檢測器的種類多達(dá)數(shù)十種。根據(jù)檢測原理的不同，可將其分為濃度型檢測器和質(zhì)量型檢測器兩種：（l）濃度型檢測器測量的是載氣中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比。如熱導(dǎo)檢測器和電子捕獲檢測器。（2）質(zhì)量型檢測器測量的是載氣中某組分進(jìn)入檢測器的速度變化，即檢測器的響應(yīng)值和單位時間內(nèi)進(jìn)入檢測器某組分的量成正比。如氫火焰電離檢測器和火焰光度檢測器等。第三節(jié)氣相色譜檢測器一、熱導(dǎo)檢測器——通用型（TCD）

根據(jù)不同的物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)原理制成的。熱導(dǎo)檢測器由于結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，幾乎對所有物質(zhì)都有響應(yīng)，通用性好，而且線性范圍寬，價(jià)格便宜，因此是應(yīng)用最廣，最成熟的一種檢測器。其主要缺點(diǎn)是靈敏度較低。TCD由熱導(dǎo)池池體和熱敏元件組成，有雙臂和四壁熱導(dǎo)池兩種類型。檢測原理如圖所示的惠斯登電橋中：測量臂----接在柱后，通樣品氣體+載氣，電阻為R1；參比臂----接在色譜柱前只通載氣，電阻R2；兩個固定等阻值電阻R3=R4。進(jìn)樣前----通電后，鎢絲被加熱，電阻值增加，由于兩根鎢絲完全相同，所以R1=R2，R1·R4=R2·R3，電橋處于平衡狀態(tài)；

進(jìn)樣后----參比臂通過的仍只是載氣，而測量臂通過的是載氣和組分的混合氣，由于組分和載氣的熱導(dǎo)系數(shù)不同，電橋失去平衡，AB端有電壓輸出，記錄儀上顯示信號。該信號大小與組分濃度成正比，可用于定量分析。載氣選擇-----被測組分與載氣熱導(dǎo)系數(shù)相差越大，測定靈敏度越高，通常選H2或He為載氣。

影響熱導(dǎo)檢測器靈敏度的因素①橋電流橋電流增加，使鎢絲溫度提高，鎢絲和熱導(dǎo)池體的溫差加大，氣體就容易將熱量傳出去，靈敏度就提高。響應(yīng)值與工作電流的三次方成正比。所以，增大電流有利于提高靈敏度，但電流太大會影響鎢絲壽命。一般橋電流控制在100～200mA左右（N2作載氣時為100～150mA,H2作載氣時150～200mA為宜）。②池體溫度

池體溫度降低，可使池體和鎢絲溫差加大，有利于提高靈敏度。但池體溫度過低，被測試樣會冷凝在檢測器中。池體溫度一般不應(yīng)低于柱溫。③載氣種類

載氣與試樣的熱導(dǎo)系數(shù)相差愈大，則靈敏度愈高。故選擇熱導(dǎo)系數(shù)大的氫氣或氦氣作載氣有利于靈敏度提高。如用氮?dú)庾鬏d氣時，有些試樣（如甲烷）的熱導(dǎo)系數(shù)比它大就會出現(xiàn)倒峰。④熱敏元件的阻值

阻值高、溫度系數(shù)較大的熱敏元件，靈敏度高。鎢絲是一種廣泛應(yīng)用的熱敏元件，它的阻值隨溫度升高而增大，其電阻溫度系數(shù)為5.5×10-3cm·Ω-1·℃-1，電阻率為5.5×1O-6Ω·cm。為防止鎢絲氣化，可在表面鍍金或鎳。

二、氫火焰電離檢測器（FID）——通用型

特點(diǎn)：靈敏度很高，比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高約103倍；檢出限低，可達(dá)10-12g·s-1；火焰離子化檢測器能檢測大多數(shù)含碳有機(jī)化合物；死體積小，響應(yīng)速度快，線性范圍也寬，可達(dá)106以上；而且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，操作簡單，是目前應(yīng)用最廣泛的色譜檢測器之一。

主要缺點(diǎn)是不能檢測永久性氣體、水、空氣、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氫等物質(zhì)。①

工作原理

火焰離子化檢測器是以氫氣和空氣燃燒的火焰作為能源，利用含碳有機(jī)物在火焰中燃燒產(chǎn)生正離子和電子，在外加的電場作用下，使離子形成離子流，根據(jù)離子流產(chǎn)生的電信號強(qiáng)度，檢測被色譜柱分離出的組分。

②火焰離子化機(jī)理

至今還不十分清楚其機(jī)理，普遍認(rèn)為這是一個化學(xué)電離過程。有機(jī)物在火焰中先形成自由基，然后與氧產(chǎn)生正離子，再同水反應(yīng)生成H3O+離子。以苯為例，在氫火焰中的化學(xué)電離反應(yīng)如下：③

影響FID靈敏度的因素

離子室的結(jié)構(gòu)對氫焰離子化檢測器的靈敏度有直接影響，操作條件的變化，包括氫氣、載氣、空氣流速、檢測室的溫度、極化電壓等都對檢測器靈敏度有影響。三、電子捕獲檢測器（ECD）-專用型

電子捕獲檢測器也稱電子俘獲檢測器，它是一種選擇性很強(qiáng)的檢測器，對具有電負(fù)性物質(zhì)（如含鹵素、硫、磷、氰等的物質(zhì)）的檢測有很高靈敏度（檢出限約10-14g·cm-3）。它是目前分析痕量電負(fù)性有機(jī)物最有效的檢測器。電子捕獲檢測器已廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留量、大氣及水質(zhì)污染分析，以及生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中。它的缺點(diǎn)是線性范圍窄，只有103左右，且響應(yīng)易受操作條件的影響，重現(xiàn)性較差。實(shí)際上它是一種放射性離子化檢測器，與火焰離子化檢測器相似，也需要一個能源和一個電場。能源多數(shù)用63Ni或3H放射源，其結(jié)構(gòu)如上圖。四、火焰光度檢測器（FPD）

火焰光度檢測器，又稱硫、磷檢測器，它是一種對含磷、硫有機(jī)化合物具有高選擇性和高靈敏度的質(zhì)量型檢測器，檢出限可達(dá)10-12g·s-1（對P）或10-11g·s-1（對S）。這種檢測器可用于大氣中痕量硫化物以及農(nóng)副產(chǎn)品、水中的毫微克級有機(jī)磷和有機(jī)硫農(nóng)藥殘留量的測定。根據(jù)硫和磷化合物在富氫火焰中燃燒時，生成化學(xué)發(fā)光物質(zhì)，并能發(fā)射出特征波長的光，記錄這些特征光譜。五、原子發(fā)射檢測器（AED）

原子發(fā)射檢測器是90年代最新型的一種檢測器，其結(jié)構(gòu)如圖。工作原理：將被測組分導(dǎo)人一個與光電二極管陣列光譜檢測器耦合的等離子體中，等離子體提供足夠能量使組分樣品全部原子化，并使之激發(fā)出特征原子發(fā)射光譜。用電子學(xué)方法及計(jì)算機(jī)技術(shù)對二極管陣列快速掃描，采集數(shù)據(jù)，最后可得三維色譜圖。靈敏度——單位濃度（質(zhì)量）的組分通過檢測器時所產(chǎn)生的信號大小。

六、檢測器的主要性能指標(biāo)2.檢出限（敏感度）——當(dāng)檢測器恰能產(chǎn)生3倍于噪聲的信號時，單位體積與單位時間內(nèi)通過檢測器的組分的質(zhì)量（濃度）。3.最小檢測量——當(dāng)檢測器恰能產(chǎn)生3倍于噪聲的信號時，所需

進(jìn)入色譜柱的最小質(zhì)量（濃度）。4.線性范圍5.響應(yīng)時間——進(jìn)入檢測器的某一組分的輸出信號達(dá)到

其值的63%時所需的時間，一般小于1s.

一個優(yōu)良的檢測器應(yīng)具以下幾個性能指標(biāo)：靈敏度高，檢出限低，死體積小，響應(yīng)迅速，線性范圍寬，穩(wěn)定性好。通用性檢測器要求適用范圍廣；選擇性檢測器要求選擇性好。表列出四種常用檢測器的性能指標(biāo)。

氣相色譜條件的選擇——固定液的選擇原則程序升溫原理本節(jié)重點(diǎn)作業(yè)P3385補(bǔ)充作業(yè)：如何選擇氣-液色譜的固定液？一.載氣及其流速的選擇

第四節(jié)氣相色譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)一、流動相（載氣）常用的載氣有H2、N2、Ar、He等氣體，一般由高壓鋼瓶供給。載氣純度要求達(dá)99.999﹪，因?yàn)闅怏w中的雜質(zhì)會使檢測器的噪聲增大，還可能對色譜柱性能造成一定影響。選擇合適載氣應(yīng)根據(jù)速率方程及所用檢測器種類來綜合考慮。①u<uopt，低流速區(qū)：分子擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，H≈A＋B/u，此時要選分子量大的N2、Ar載氣；②

u>uopt，高流速區(qū)：傳質(zhì)阻力占主導(dǎo)地位，H≈A＋Cu，選分子量小的H2、He載氣；③此外，載氣選擇還要考慮與檢測器相適應(yīng)，例如：熱導(dǎo)—H2；氫焰—N2。

當(dāng)u較小時，分子擴(kuò)散項(xiàng)B/u是影響板高的主要因素，此時，宜選擇相對分子質(zhì)量較大的載氣（N2，Ar），以使組分在載氣中有較小的擴(kuò)散系數(shù)；當(dāng)u較大時，傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cu起主導(dǎo)作用，宜選擇相對分子質(zhì)量小的載氣(H2,He)，使組分有較大的擴(kuò)散系數(shù)，減小傳質(zhì)阻力，提高柱效；載氣的選擇還要考慮與檢測器相適應(yīng)。

分析方法色譜二．載體粒度及固定液配比選擇

載體的粒度愈小，填裝愈均勻，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否則，阻力壓也急劇增大。一般粒度直徑為柱內(nèi)徑的1/20~l/25為宜。在高壓液相色譜中，可采用極細(xì)粒度，直徑在μm數(shù)量級。