第2章氣相色譜分析

第2章氣相色譜分析

GasChromatography

1903年，俄國植物學家MikhailTswett采用填充有固體CaCO3

細粒子的玻璃柱，將植物色素的混合物(葉綠素和葉黃素)加于柱頂端，然后以石油醚淋洗，被分離的組份在柱中顯示了不同的色帶，他稱之為色譜。

靜止不動的一相（固體或液體）稱為固定相運動的一相（氣體、液體或超臨界流體）稱為流動相裝有固定相的柱子稱為色譜柱

I:/2014%E6%9C%AC%E7%A7%91/%E4%BB%AA%E5%99%A8%E5%88%86%E6%9E%90%E5%8A%A8%E7%94%BB%E8%B5%84%E6%96%99/%E5%8F%B6%E7%BB%BF%E7%B4%A0%E5%88%86%E7%A6%BB.swf.swf2.1色譜分離原理2.1.1色譜分類方法：按固定相外形分：

柱色譜（填充柱、空心柱）、平板色譜(薄層色譜和紙色譜)。2.按組份在固定相上的分離機理分：吸附色譜：不同組份在固定相的吸附作用不同；分配色譜：不同組份在固定相上的溶解能力不同；離子交換色譜：不同組份在固定相（離子交換劑）上的親和力不同；凝膠色譜（尺寸排阻色譜）不同尺寸分子在固定相上的滲透作用。3.按兩相狀態(tài)分*概念：迎頭色譜、頂替色譜和洗脫色譜ABABCABCABCACsCm123迎頭色譜樣品溶液本身是流動相頂替色譜流動相吸附能力強洗脫色譜流動相吸附能力弱根據(jù)組分在兩相間的濃度關(guān)系是否線性，分線性洗脫色譜和非線性洗脫色譜2.1.2線性洗脫色譜及相關(guān)術(shù)語

色譜分離.swf洗脫色譜分離原理

在色譜法中，當樣品加入后，樣品中各組分隨著流動相的不斷向前而在兩相間反復進行溶解、揮發(fā)，或吸附、解吸，如果各組分在固定相中的分配系數(shù)不同，它們就有可能達到分離。色譜流出曲線.swf一、基線：在實驗條件下，色譜柱后僅有純流動相進入檢測器時的流出曲線稱為基線，S/N二、峰高：色譜峰頂點與基線的距離。三、保留值(Retentionvalue）a.死時間(Deadtime,tM)：不與固定相作用的物質(zhì)從進樣到出現(xiàn)峰極大值時的時間，它與色譜柱的空隙體積成正比。由于該物質(zhì)不與固定相作用，因此，其流速與流動相的流速相近。據(jù)tM可求出流動相平均線流速b.保留時間tR：試樣從進樣到出現(xiàn)一個峰極大值時的時間。它包括組分隨流動相通過柱子的時間和組分在固定相中滯留的時間。U，單位：長度/時間c.調(diào)整保留時間tR’：某組分的保留時間扣除死時間后的保留時間，它是組分在固定相中的滯留時間。即tR′=tR

tmd.保留體積VR：指從進樣到待測物在柱后出現(xiàn)濃度極大點時所通過的流動相的體積。F：體積/時間e.死體積VM;f.調(diào)整保留體積；g.相對保留值g2,1：組份2的調(diào)整保留值與組份1的調(diào)整保留值之比。

γ2,1只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，而與柱內(nèi)徑、柱長L、填充情況及流動相流速無關(guān)，因此，在色譜分析中，尤其是GC中廣泛用于定性的依據(jù)！

選一對最難分離的物質(zhì)，此時以a表示分離因子：

h.分配系數(shù)(K)：描述組份在固定相和流動相間的分配過程或吸附-脫附過程的參數(shù)，稱為分配系數(shù)。K只與固定相和溫度有關(guān)，與兩相體積、柱管特性和所用儀器無關(guān)。i.分配比(k)：在一定溫度和壓力下，組分在兩相間的分配達平衡時，分配在固定相和流動相中的質(zhì)量比(或摩爾數(shù)比），稱為分配比,又稱保留因子。VM流動相體積，Vs為固定相體積分配比k的求算：流動相線速為u,試樣帶線速度為usa,滯留因子K與k的關(guān)系：

b稱為相比，它也是反映色譜柱柱型特點的參數(shù)。對填充柱，b=0.02-0.5；對毛細管柱，b=0.002-0.02。選擇因子α與k,K之間的關(guān)系：

a和k是計算色譜柱分離效能的重要參數(shù)：K或k反映的是某一組分在兩相間的分配；而a是反映兩組分間的分離情況當兩組分K或k相同時，a=1

時，兩組分不能分開；當兩組分K或k相差越大時，a越大，分離得越好。即兩組分在兩相間的分配系數(shù)不同，是色譜分離的先決條件。

四、區(qū)域?qū)挾龋河糜诤饬恐Ъ胺从成V操作條件下的動力學因素。通常有三種表示方法：標準偏差σ：0.607倍峰寬處的一半。半峰寬Y1/2：峰高一半處的峰寬。Y1/2=2.354σ峰底寬Y：色譜峰兩側(cè)拐點上切線與基線的交點間的距離(Y=4σ)若標準偏差以時間為單位，用t表示，

s和t的關(guān)系:

(1)根據(jù)色譜峰的個數(shù)，可以判斷樣品中所合組份的最少個數(shù)．

(2)根據(jù)色譜峰的保留值可以進行定性分析．

(3)根據(jù)色譜峰下的面積或峰高可以進行定量分析．

(4)色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，是評價色譜柱分離效能的依據(jù)．

(5)色譜峰兩峰間的距離，是評價固定相(和流動相)選擇是否合適的依據(jù)一、塔板理論1952年，Martin等人提出塔板理論：將一根色譜柱當作一個由許多塔板組成的精餾塔，用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。是一種半經(jīng)驗理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線呈正態(tài)分布。2.1.3色譜法基本理論前提：1、兩組分的分配系數(shù)必須有差異2、區(qū)域擴展速率小于區(qū)域分離速率塔板理論假定：1）塔板之間不連續(xù)；2）塔板之間無分子擴散；3）組分在各塔板內(nèi)兩相間的分配瞬間達至平衡，達一次平衡所需柱長為理論塔板高度H；4）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)K相同；5）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個一個的塔板體積加入。分離過程色譜流出曲線的數(shù)學描述當塔板數(shù)n較少時，組分在柱內(nèi)達分配平衡的次數(shù)較少，流出曲線呈峰形，但不對稱；當塔板數(shù)n>50時，峰形接近正態(tài)分布。色譜峰為正態(tài)分布時，色譜流出曲線上的濃度與時間的關(guān)系為：C出口濃度

由于色譜柱并無真正的塔板，故塔板數(shù)又稱理論塔板數(shù)：

理論塔板數(shù)由組分保留值和峰寬決定。若柱長為L，則每塊理論塔板高度H為

理論塔板數(shù)n越多或理論塔板高度H越小、色譜峰越窄，則柱效越高。以有效塔板數(shù)neff

和有效塔板高度Heff表示：二、速率理論vanDeemter方程：u為流動相線速度；A，B，C為常數(shù)，A—渦流擴散系數(shù)；B—分子擴散系數(shù)；C—傳質(zhì)阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質(zhì)阻力系數(shù)）

1）渦流擴散項(A）渦流擴散.swf

展寬程度以A表示：

其中dp—填充物平均直徑；λ—填充不規(guī)則因子。對于空心毛細管柱，無渦流擴散，即A=0。2）分子擴散項(B/u)分子擴散.swf濃度梯度而向前后自發(fā)地擴散，使譜峰展寬。其大小γ—稱為彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況；D—組分在流動相中的擴散系數(shù)。組份為氣體或液體時，分別以Dg或Dm表示；3）傳質(zhì)阻力項(C·u）傳質(zhì)阻力.swf

因傳質(zhì)阻力的存在，使分配不能“瞬間”達至平衡，因此產(chǎn)生峰形展寬。

a）氣液色譜：傳質(zhì)阻力項C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cs和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl。b）液液色譜：傳質(zhì)阻力項C包括流動相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cm和固定相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cs。f,液膜厚度，p,顆粒直徑4）流速u

H=A+B/u+C·u：以u對H作圖，可得H-u曲線2.1.4分離度及色譜分離方程一、分離度(Resolution,R)反映色譜柱效能和選擇性的一個綜合指標。也稱總分離效能指標或分辨率。其定義為：

R越大，相鄰組分分離越好。當R=1.5時，分離程度可達99.7%，因此R=1.5

通常用作是否分開的判據(jù)。二、色譜分離方程對于相鄰的難分離組分，由于它們的分配系數(shù)K相差小，可合理假設(shè)k1≈k2=k，Y1

≈Y2=Y。因此可導出R與n、a和k的關(guān)系：分離度R與選擇因子α的關(guān)系α越大，柱選擇性越好，對分離有利。α的微小變化可引起R較大改變。如，當α從1.01增加至1.10(增加9%)時，R則增加9倍(但α>1.5,R增加不大)。改變α的方法有：降低柱溫、改變流動相及固定相的性質(zhì)和組成。分離度R分配比k的關(guān)系

k增加，分離度R增加，但當k>10，則R的增加不明顯。通常k在2-10之間。

改變k的方法有：適當增加柱溫(GC)、改變流動相性質(zhì)和組成(LC)以及固定相含量例1已知物質(zhì)A和B的分配系數(shù)K分別為6.50和6.31，已知相比為0.422。試計算：（1）兩物質(zhì)的分配比;（2）選擇性系數(shù)；（3）欲得到分離度為1.5時需多少塔板數(shù)？（4）若柱長為806cm，流動相的流速為7.10cm.s-1，則需多長時間可沖洗出各物質(zhì)？例2在3.0m色譜柱上，空氣、組分X和組分Y的保留時間分別為1.0、14.0、17.0min，Y的峰寬為1.0min，計算X和Y完全分離時，柱長最短為多少？2.2氣相色譜法

GasChromatography,GC

一般只要在450oC以下有1.5kPa-10kPa的蒸氣壓且熱穩(wěn)定性能好的有機和無機化合物都可用氣相色譜法分離。2.2.1氣相色譜儀一、氣相色譜儀的工作過程1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計;6-壓力表；7-進樣閥;8-分離柱;9-熱導檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀.載氣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)二、氣相色譜儀（一）氣路結(jié)構(gòu)（二）進樣系統(tǒng)液體：微量注射器(穿過隔膜墊)進樣量或體積適宜；“塞子”式進樣。柱分離進樣體積在1/10至20μL，毛細管柱分離，體積1~2μL，應(yīng)采用分流進樣裝置來實現(xiàn)。體積過大或進樣過慢，將導致分離變差(拖尾)。（1）進樣器

氣體試樣用六通閥進樣。（2）氣化室作用：使試樣迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。要求：熱容量大無催化作用死體積應(yīng)盡可能小（三）分離系統(tǒng)分離柱包括填充柱和開管柱(或稱毛細管柱)。柱材料包括金屬、玻璃、融熔石英、Teflon等。

填充柱：多為U形或螺旋形，內(nèi)徑2-4mm，長1-3m，內(nèi)填固定相；

開管柱：分為涂壁、多孔層、化學鍵合柱（交聯(lián)柱）和涂載體開管柱。內(nèi)徑0.1-0.5mm，長達10至100m。通常彎成直徑10-30cm的螺旋狀。

毛細管柱熔融石英毛細管滲透性好，厚度小，傳質(zhì)快；相比大，分離快柱容量小，進樣量少，需要分流技術(shù)柱效高（四）溫控系統(tǒng)設(shè)定、控制、測量色譜柱爐、氣化室、檢測室三處溫度氣化室溫度應(yīng)使試樣瞬間氣化但又不分解；檢測器除氫火焰外都對溫度敏感；柱溫的變化影響柱的選擇性和柱效，因此柱室的溫度控制要求精確，溫控范圍根據(jù)需要可以恒溫，也可以程序升溫。（五）檢測器

1.檢測器的分類

根據(jù)檢測器的響應(yīng)原理：濃度型和質(zhì)量型檢測器。

濃度型：檢測的是載氣中組分濃度的瞬間變化，即響應(yīng)值與濃度成正比，與載體速度有關(guān)。

質(zhì)量型：檢測的是載氣中組分進入檢測器中速度變化，即響應(yīng)值與單位時間進入檢測器的量成正比。與載體速度無關(guān)。2.檢測器的性能指標靈敏度(S)：輸入單位被測組分時所引起的輸出信號。對于濃度型檢測器ΔR-相應(yīng)的信號高度；Δm單位時被測組分改變A—峰面積(cm2)，F(xiàn)o—檢測器入口流速(mL/min);m—進樣量(mg)，S—靈敏度(mVmL/mg)。與載氣流速有關(guān)

對于質(zhì)量型檢測器St—靈敏度(mVs/g),m—進入檢測器的樣品量(g),

與流速無關(guān)

檢測限(D)：產(chǎn)生3倍噪音(3RN)的信號時，單位時間進入檢測器的質(zhì)量（對質(zhì)量型檢測器）或單位體積載氣中所含的試樣量的質(zhì)量或體積(對濃度型檢測器)。理想色譜檢測器應(yīng)具備的特點噪音低死體積小響應(yīng)快線性范圍寬對各類物質(zhì)均有響應(yīng)P45,檢出限的測定示意圖線性范圍：最大進樣量與最小檢出量的比值。響應(yīng)時間：檢測器響應(yīng)速度檢測原理（濃度型）：平衡電橋鎢絲通電，加熱與散熱達到平衡后，進樣前兩臂電阻值：

R參=R測

；R1=R2

則：R參·R2=R測·R1

無電壓信號輸出；記錄儀走直線（基線）

(1)熱導池檢測器（thermalconductivitydetector,TCD）3.幾種典型的檢測器熱導檢測.swf進樣后:載氣攜帶試樣組分流過測量臂，這時參考臂流過的仍是純載氣，使測量臂的溫度改變，引起電阻的變化，測量臂和參考臂的電阻值不等，產(chǎn)生電阻差，R參≠R測

則：R參·R2≠R測·R1這時電橋失去平衡，a、b兩端存在著電位差，有電壓信號輸出。信號與組分濃度相關(guān)。記錄儀記錄下組分濃度隨時間變化的峰狀圖形。檢測器的結(jié)構(gòu)池體：（一般用不銹鋼制成）熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、且價廉易加工的鎢絲制成。參考臂：僅允許純載氣通過，連接在進樣裝置之前。

測量臂：需要攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。雙臂比四臂靈敏度小一倍。影響熱導檢測器靈敏度的因素(a)橋路電流I：I，鎢絲的溫度，檢測器的響應(yīng)值S∝I3，但太高，穩(wěn)定性下降，基線不穩(wěn)，還可能造成鎢絲燒壞。(b)池體溫度：池體溫度與鎢絲溫度相差越大，越有利于熱傳導，檢測器的靈敏度也就越高，但池體溫度不能低于分離柱溫度，以防止試樣組分在檢測器中冷凝。(c)載氣種類：載氣與試樣的熱導系數(shù)相差越大，在檢測器兩臂中產(chǎn)生的溫差和電阻差也就越大，檢測靈敏度越高。載氣的熱導系數(shù)大，傳熱好，通過的橋路電流也可適當加大，則檢測靈敏度進一步提高。表某些氣體與蒸氣的熱導系數(shù)（λ），單位：J/cm·℃·s(d)熱敏元件阻值的影響，阻值高，靈敏。(e)池體小，靈敏(2.5ul)(2)

氫火焰離子化檢測器(flameionizationdetector

FID）,簡稱氫焰檢測器。特點(1)典型的質(zhì)量型檢測器；(2)對有機化合物具有很高的靈敏度；(3)無機氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物

質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng)；(4)氫焰檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高

、響應(yīng)迅速等特點；(5)比熱導檢測器的靈敏度高出近3個數(shù)量級，檢測下

限可達10-12g·g-1。檢測器的結(jié)構(gòu)在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100-300V）構(gòu)成一個外加電場。氫焰檢測器需要用到三種氣體：

N2：載氣攜帶試樣組分；

H2

：為燃氣；

空氣：助燃氣。

<1cm檢測原理

當含有機物CnHm的載氣由噴嘴噴出進入火焰時，在C層發(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)生自由基：CnHm──→·CH產(chǎn)生的自由基在D層火焰中與外面擴散進來的激發(fā)態(tài)原子氧或分子氧發(fā)生反應(yīng)：·CH+O──→CHO++e生成的正離子CHO+與火焰中大量水分子碰撞而發(fā)生分子離子反應(yīng)：

CHO++H2O──→H3O++COA區(qū)：預熱區(qū)B層：點燃火焰C層：熱裂解區(qū)：溫度最高D層：反應(yīng)區(qū)操作條件的選擇

各種氣體流速和配比的選擇

N2流速的選擇主要考慮分離效能，

N2

H2=11～11.5

氫氣

空氣=1

10。極化電壓

正常極化電壓選擇在100～300V范圍內(nèi)。（3）電子捕獲檢測器(electron-capturedetector,ECD)

高選擇性檢測器(濃度型）

僅對含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的靈敏度，檢測下限10-14g/mL，

對大多數(shù)烴類沒有響應(yīng)。

較多應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品、食品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留量的測定。(4)火焰光度檢測器（質(zhì)量型）(flamephotometricdetector,FPD)

氮、磷檢測器，對含磷、氮的有機化合物有響應(yīng)。硫、磷檢測器，對含磷、硫的有機化合物有響應(yīng)。化合物中硫、磷在富氫火焰中被還原，激發(fā)后，輻射出350-430（S）、480-600（P）nm的特征光，可被檢測。2.2.2氣相色譜固定相及其選擇

一、固定液（1）對固定液的要求熱穩(wěn)定性好、蒸汽壓低——流失少；化學穩(wěn)定性好——不與其它物質(zhì)反應(yīng)；粘度和凝固點要低——能在載體表面均勻分布對試樣各組分有合適的溶解能力（分配系數(shù)K適當）；對各組分具有良好的選擇性

（二）色譜柱的選擇性根據(jù)理想氣體方程和亨利定律可得：

p0

純組分的飽和蒸氣壓，g活度系數(shù)分壓與沸點有關(guān)，活度系數(shù)與組分和固定相相互作用有關(guān)。與固定相相互作用大，出峰遲，作用小，出峰早（三）固定液的分類（1）按固定液的極性分類

規(guī)定強極性的固定液β,β’-氧二丙腈的極性為100，

非極性的固定液角鯊烷的極性為0。選擇一對物質(zhì)，分別在β,β’-氧二丙腈、角鯊烷及欲測極性固定液的色譜柱上的相對保留值，取對數(shù)后得到q。按下式被測固定液的相對極性px式中下標1、2、x分別表示氧二丙腈、角鯊烷及被測固定相。常用固定液的相對極性數(shù)據(jù)見表

羅氏常數(shù)

以5種代表不同作用力的化合物為探針，以非極性角鯊烷為基準表征不同固定液的分離性質(zhì)。苯（電子給予體）乙醇（質(zhì)子給予體）甲乙酮（偶極定向力）硝基甲烷（電子接受體）吡啶（質(zhì)子接受體）

（2）按固定液結(jié)構(gòu)分類固定液的其它特征常數(shù)：

麥氏常數(shù)以10種物質(zhì)表征，但多用5種。?I為總極性，其平均值為平均極性。某一個單項越大，表明該固定液與特定探針的作用強總極性（平均極性越大），該固定液極性越強Rohrschneider-McReynoldsconstantsP32,表2-6保留指數(shù)I又稱柯瓦指數(shù)(Ⅰ)，測定方法：將正構(gòu)烷烴作為標準，規(guī)定其保留指數(shù)為分子中碳原子個數(shù)乘以100（如正己烷的保留指數(shù)為600）。其它物質(zhì)的保留指數(shù)（IX）是通過選定兩個相鄰的正構(gòu)烷烴，其分別具有Z和Z＋1個碳原子。被測物質(zhì)X的調(diào)整保留時間應(yīng)在相鄰兩個正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留值之間如圖所示：保留指數(shù)計算方法（四）固定液的選擇原則：相似相溶。非極性試樣-非極性固定液-色散力中等極性的試樣-中等極性固定液-誘導力、色散力強極性試樣-強極性固定液-靜電引力具有酸性或堿性的極性試樣，-帶有酸性或堿性基團的高分子多孔微球可形成氫鍵的試樣，-氫鍵型固定液對于組分復雜的試樣，先用最常見的固定液進行試驗……靜電力：極性分子永久存在的作用力，靜電力越大，保留越強。高溫不利于分離。誘導力：極性分子與非極性分子共存時，非極性分子被誘導而產(chǎn)生的誘導力。如苯和烷基烷，用非極性固定相不分離，但用中等極性的脂類固定相，則分離，因為苯被誘導。色散力：由電子運動，原子核振動等導致的瞬間作用力，在宏觀上不表現(xiàn)永久偶極矩，但是瞬時間是存在的氫鍵：定向力，與電負性有關(guān)F-H…F>O-H…O>O-H…N>N-H…N>NC-H…N二、載體80-100目載體應(yīng)具有的特點多孔性化學惰性熱穩(wěn)定性好有一定的機械強大（一）載體種類及性能

硅藻土紅色擔體，表面積大，吸附性強，適合非極性化合物

白色單體，表面積小，適合極性化合物

非硅藻土

（二）硅藻土載體的預處理（三）固體吸附劑活性炭、硅膠、氧化鋁、分子篩

固定液：擔體=5:100，或者25:100四、合成固定相

高分子多孔微球鍵合固定相

高分子多孔微球可分為兩類：非極性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（國產(chǎn)）；Chromosorb系列（國外）；極性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入極性基團：GDX-3和4型（國產(chǎn)）；PorapakN等（國外）。根據(jù)vanDeemter方程和色譜分離方程式，一.柱長和柱內(nèi)徑由分離度R的定義可得，

(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2

但柱過長，分析時間增加且峰寬也會增加，導致總分離效能下降，因此柱長L要根據(jù)R的要求(R=1.5)，選擇剛好使各組分得到有效分離為宜。2.2.3氣相色譜分離分析條件二.載氣及流速u

對vanDeemter方程求導得到在流速為，柱效最高，填充柱N210-12cm/sH215-20cm/s三.柱溫提高溫度縮短分析時間，改善傳質(zhì)速率，提高柱效，降低溫度選擇性加大，需綜合考慮300-400oC,柱溫低100-200oC,低含量固定液200-300oC,柱溫低100oC,中等含量固定液100-200oC,柱溫為2/3沸點,較高含量固定液沸點低于100oC，高含量固定液，或者固體固定相。四.載體粒度、篩分范圍

載體粒度越小，柱效越高。但粒度過小，則阻力及柱壓增加。通常，對填充柱而言，粒度大小為柱內(nèi)徑的1/20~1/25為宜。五.進樣方式及進樣量要以“塞子”的方式進樣，以防峰形擴張；進樣量，也要以峰形不拖尾為宜。