填充柱氣相色譜法

第五章填充柱氣相色譜法5.1氣相色譜法的特點(diǎn)（1）分離效能高

可以分離性質(zhì)十分相似的組分，如順式、反式異構(gòu)體、旋光異構(gòu)體、同位素等。也可以分離組成極其復(fù)雜的樣品，如降水中的100多種成分和石油樣品中的200多種組分。（2）靈敏度高

可以檢出10-11~10-13g的物質(zhì)量，常用于高純物質(zhì)中微量雜質(zhì)的測(cè)定。農(nóng)副產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留量的測(cè)定，以及環(huán)境樣品中痕量組分的測(cè)定。（3）分析速度快

幾分鐘到幾十分鐘可完成一個(gè)樣品的分析。（4）應(yīng)用廣

可分析氣體、液體、固體樣品；有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、生化試樣；裂解色譜可用于高分子化合物、橡膠、塑料等樣品的分析。5.2.1載氣系統(tǒng)（1）載氣源：N2,H2，He，Ar（2）氣體凈化器：內(nèi)裝硅膠、分子篩、活性炭（3）流速控制：穩(wěn)壓閥、流量計(jì)、壓力表5.2氣相色譜儀氣相色譜裝置演示5.2.2進(jìn)樣系統(tǒng)（1）氣化室（進(jìn)樣口）：金屬管，加熱壁，硅橡膠，密封墊。作用：將樣品瞬間汽化為蒸氣可控溫度范圍：50~500℃（2）氣體進(jìn)樣閥六通閥演示

量氣管的規(guī)格：1，3，5，10ml四種規(guī)格5.2.3色譜柱由柱管和固定相組成柱形：U形或者螺旋形柱管材料：不銹鋼、銅、玻璃、聚四氟乙烯柱內(nèi)徑：2~4mm柱長(zhǎng)度：1~10m5.2.4檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)檢測(cè)器計(jì)算機(jī)色譜工作站5.3氣相色譜檢測(cè)器作用：物質(zhì)量mi電信號(hào)E（電流、電壓、峰面積）類(lèi)型濃度型：響應(yīng)信號(hào)與進(jìn)入檢測(cè)器的濃度成正比E∝c，(熱導(dǎo)池、電子捕獲)質(zhì)量型：響應(yīng)信號(hào)與單位時(shí)間進(jìn)入檢測(cè)器的某組分的物質(zhì)量成正比。E∝m，A與無(wú)關(guān)(氫火焰)A—組分的峰面積u—流動(dòng)相的流速5.3.1檢測(cè)器的性能指標(biāo)噪聲和漂移靈敏度檢出限最小檢測(cè)量線性范圍響應(yīng)時(shí)間對(duì)檢測(cè)器的要求：噪聲小、死體積小、響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好、對(duì)所測(cè)化合物的靈敏度高、線性范圍寬等

噪聲和漂移（1）反映檢測(cè)器背景信號(hào)的基線波動(dòng)。 來(lái)源：檢測(cè)器構(gòu)件的工作穩(wěn)定性、電子線路的噪聲及流過(guò)檢測(cè)器的氣體純度等?！u(píng)價(jià)檢測(cè)器穩(wěn)定性的指標(biāo)同時(shí)還影響檢測(cè)器的靈敏度噪聲：無(wú)樣品通過(guò)檢測(cè)器時(shí)，由儀器本身及工作條件等偶然因素引起的基線起伏波動(dòng).噪聲和漂移（2）漂移：基線隨時(shí)間朝某一方向的單向緩慢變化.通常表示為單位時(shí)間（0.5或1.0小時(shí)）內(nèi)基線信號(hào)值的變化，即：Dr=R/t單位：mV/h原因：多是儀器系統(tǒng)某些部件未進(jìn)入正常工作狀態(tài)，如溫度、載氣流速，以及色譜柱固定相的流失。S＝△R△m

以組分量m對(duì)信號(hào)R作圖，曲線斜率即為靈敏度S靈敏度響應(yīng)信號(hào)對(duì)進(jìn)入檢測(cè)器的組分量的變化率濃度型：Sc＝Aiu2F0u1mi（液體mV·mL·mg-1氣體mV·mL·mL-1）A－色譜峰的面積（cm2）；u2－記錄儀靈敏度（mV·cm-1）；

F－載氣流速（mL·min-1)；u1－記錄紙的速度（cm·min-1)；

m－進(jìn)樣量（mg或mL）。物理意義：1mL載氣中有1mg或1mL組分在檢測(cè)器上所產(chǎn)生的mV數(shù).物理意義：當(dāng)每秒有1g組分進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)，所產(chǎn)生的mv數(shù)質(zhì)量型檢測(cè)器：響應(yīng)信號(hào)與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器的某組分的量成正比。檢測(cè)限（DL）—衡量檢測(cè)器性能好壞的綜合指標(biāo)濃度型檢測(cè)器：質(zhì)量型檢測(cè)器：檢測(cè)限與靈敏度的區(qū)別：檢測(cè)限考慮了噪聲大小對(duì)檢測(cè)器性能的影響，是靈敏度和噪音的綜合指標(biāo)。

最小檢測(cè)量mmin

產(chǎn)生色譜峰高等于二倍噪音時(shí)的進(jìn)樣量。

最小檢測(cè)量濃度型檢測(cè)器：質(zhì)量型檢測(cè)器：與檢測(cè)器性能、色譜柱效和操作條件有關(guān)

最低檢出濃度Cmin

最低檢出濃度是檢測(cè)器能夠確證反應(yīng)物存在的最低組分含量，是最小檢測(cè)量mmin與最大進(jìn)樣量Vmax（重量或體積）之比，即：線性范圍（linearrange）線性范圍CDL濃度，c響應(yīng)信號(hào)S并非所有檢測(cè)器都存在線性關(guān)系，線性范圍以外的部分也可用于定量時(shí)間常數(shù)

樣品進(jìn)入檢測(cè)器到真實(shí)信號(hào)輸出63.2％的時(shí)間。時(shí)間常數(shù)愈小，說(shuō)明檢測(cè)器愈能真實(shí)反映通過(guò)它們的物質(zhì)量的變化。要求檢測(cè)器的死體積要足夠小5.3.2熱導(dǎo)池檢測(cè)器（TCD）結(jié)構(gòu)池體：不銹鋼、銅熱敏元件：錸鎢絲、鎢絲、鉑絲樣品池參比池?zé)峤z粗細(xì)、長(zhǎng)短、電阻值完全相同熱絲電阻值R∝?zé)峤z溫度t∵不同物質(zhì)有不同的熱導(dǎo)系數(shù)λ

∴

通過(guò)熱導(dǎo)池的氣體組成及濃度發(fā)生變化時(shí)，熱絲的溫度變化，R變化。熱絲的電阻值變化用惠斯登電橋測(cè)量未進(jìn)樣：R參、R測(cè)都通載氣，λ相同，兩池t相同R參＝R測(cè)∴

R參R2＝R測(cè)R1電橋平衡，△EMN＝0，無(wú)信號(hào)輸出進(jìn)樣：參比池：載氣λ載樣品池：載氣＋樣品λ二元∵λ載≠λ二元，t參≠t測(cè)，R參≠R測(cè)∴R參R2≠R測(cè)R1，電橋不平衡△EMN≠0，有信號(hào)輸出∵△E∝△R∝△t∝△λ∝C∴△E∝C組分的λ與流動(dòng)相的λ不同時(shí)，均可產(chǎn)生信號(hào)，故熱導(dǎo)池檢測(cè)器是通用型檢測(cè)器。影響熱導(dǎo)池檢測(cè)器靈敏度的因素橋電流：在允許的工作電流范圍內(nèi)，工作電流越大，靈敏度越高，一般控制在100-200mA左右（受限于載氣種類(lèi)與流速）池體溫度：鎢絲與池體溫差越大，靈敏度越高，但避免冷凝樣品，一般不低于柱溫（150C以上為佳）載氣：熱導(dǎo)系數(shù)大的載氣，靈敏度高，常用載氣熱導(dǎo)系數(shù)大小順序：H2>He>N2熱敏元件阻值：阻值高、電阻溫度系數(shù)大的熱敏元件，靈敏度高還取決于池體的體積和載氣的純度5.3.3氫火焰離子檢測(cè)器（FID）結(jié)構(gòu)離子室：金屬圓筒離子頭：發(fā)射極、收集極、噴嘴氣體供應(yīng)氫火焰離子化檢測(cè)器FID（2）H2H2H2H2H2H2CH4CH4CH4CH4CH4CH4CHO+CHO+CHO+CHO+CHO+CO2CO2CO2H02H02H02H02H2H2H2H2H2H2色譜柱噴嘴FID是一個(gè)破壞性、質(zhì)量型檢測(cè)器?；鹧嬷猩纱罅刻颊x子，被收集計(jì)算后形成檢測(cè)器信號(hào)。含低氧化態(tài)的碳數(shù)目最多的被分析物將會(huì)產(chǎn)生最大信號(hào)。有機(jī)物氫火焰燃燒裂解、電離正離子負(fù)極負(fù)離子正極10-6~10-14A電流微電流經(jīng)放大后，由高阻轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)記錄下來(lái)。

FID只對(duì)電離勢(shì)低于H2的有機(jī)物產(chǎn)生響應(yīng)，對(duì)無(wú)機(jī)物、永久性氣體和H2O基本上沒(méi)有響應(yīng)。操作條件載氣流量：考慮分離效能

H2流量：考慮靈敏度空氣流量：一般H2︰空氣＝1︰105.3.4

電子捕獲檢測(cè)器特點(diǎn)：靈敏度高，選擇性強(qiáng)，只對(duì)電負(fù)性的物質(zhì)如鹵素、硫等有響應(yīng)。當(dāng)N2進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)，N2＋β撞擊放射源N2

＋e-

＋N2+負(fù)極β、e-正極形成10-9~10-8A的基始電流I0當(dāng)電負(fù)性物質(zhì)AB進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)，AB＋e捕獲電子AB-＋EAB-＋N2+AB＋N2致使I0↘，產(chǎn)生負(fù)信號(hào)倒峰組分的電負(fù)性↗，倒峰↗組分的濃度C↗，倒峰↗5.3.5火焰光度檢測(cè)器（硫磷檢測(cè)器）高靈敏度，高選擇性檢測(cè)器硫：5×10-11g·s-1；磷：1.4×10-12g·s-1

含硫有機(jī)物在富氫焰中燃燒，發(fā)生下列反應(yīng)：2RS+(2+X)O2XCO2+2SO22SO2+4H24H2O+S22S2390℃S2*S2+hr(394nm特征光譜）5.4固定相及其選擇5.4.1氣－固色譜固定相表面具有活性的吸附劑（活性炭、硅膠、氧化鋁、分子篩等）.吸附劑的性能與制備、活化條件有很大關(guān)系，重現(xiàn)性較差。特點(diǎn)①組分在固定相中的KD小，適于分析低沸點(diǎn)化合物②熱穩(wěn)定性好，柱溫上限高，無(wú)流失問(wèn)題③吸附劑的選擇性高于固定相，特別適用于異構(gòu)體的分析（1）碳質(zhì)吸附劑①活性炭

活性炭是一種微孔結(jié)構(gòu)的非極性吸附劑，比表面積為300—500m2·g-1，最高使用溫度在300℃以下，吸附活性大，適用于分析永久性氣體和低沸點(diǎn)的烴類(lèi)。但活性炭的保留值重現(xiàn)性差，拖尾嚴(yán)重。②石墨炭黑

石墨炭黑是將活性炭放在氮?dú)饬髦屑訜嶂?500—3000℃。活性炭轉(zhuǎn)變成層狀結(jié)構(gòu)。得到高度非極性化的表面積。適合分離一些空間和結(jié)構(gòu)異構(gòu)體，游離脂肪酸，C1—C10的醇、酚、胺及烴等。且峰形對(duì)稱。③炭分子篩（碳多孔小球）

炭分子篩是將偏聚二氯乙烯在850℃加熱釋放出HCl而留下的殘?zhí)啃∏?。多孔結(jié)構(gòu)，孔徑15—20，比表面積800—1000m2·g-1，耐400℃高溫。

主要用于分析稀有氣體，永久性氣體，短鏈極性化合物、醇、醛、水等。特別適合于痕量分析。（2）氧化鋁

氧化鋁是一種弱極性的吸附劑，熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度高。比表面積為100—300m2·g-1。主要用于C1—C4烴類(lèi)及其異構(gòu)體的分離，其含水量影響組分的保留值及選擇性。（3）硅膠

硅膠的主要成分是SiO2，孔徑10—70

比表面積500—700m2·g-1，硅膠表面含有羥基，是一種氫鍵型強(qiáng)極性的吸附劑，其分離能力決定于孔徑大小及含水量。常用于分離低級(jí)烴、永久性氣體、含硫氣體等。（4）分子篩

分子篩是一種合成的硅膠酸鹽或鈣鹽，具有良好的空穴結(jié)構(gòu)和大的比表面積（700—800m2·g-1），是一種極性很強(qiáng)的吸附劑，其結(jié)構(gòu)為：A型：【Na2O(CaO)·Al2O3·2SiO2】X型：【Na2O·Al2O3·3SiO2】

分子篩一般用于分析永久性氣體和無(wú)機(jī)氣體。如：O2、CO、N2、Ar、He、NO等。1、CO2、NH3、HCOOH等有不可逆的吸附；2、分子篩使用過(guò)程應(yīng)防止水蒸氣進(jìn)入色譜柱，含水量改變時(shí)，不但影響保留時(shí)間和分離度，而且會(huì)使組分的出峰順序逆轉(zhuǎn)。分子篩的缺陷：例：水含量約9%時(shí)，CO在CH4之前出峰水含量約4%時(shí)，兩者同時(shí)出峰水含量約2%時(shí)，出峰順序逆轉(zhuǎn)（5）高分子多孔微球

高分子多孔微球由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成，屬非極性固定相。若在聚合時(shí)引入極性不同的基團(tuán)，則可改變其表面結(jié)構(gòu)和聚合物的極性。適于分離短鏈極性化合物。如醇類(lèi)、酸、胺等。特別適合于有機(jī)物中痕量水分的測(cè)定。使用前必須進(jìn)行活化處理，但活化溫度不應(yīng)超過(guò)300℃，否則會(huì)發(fā)生分解現(xiàn)象。同時(shí)，應(yīng)避免氧氣進(jìn)入色譜柱，防止高溫下氧化。5.4.2氣－液色譜固定相擔(dān)體表面涂固定液載體/擔(dān)體固定液填充柱（1）擔(dān)體及其選擇擔(dān)體是一種化學(xué)惰性的多孔性固體顆粒.作用：提供惰性表面，使固定液以液膜狀態(tài)均勻地分布在其表面要求：①表面積大，孔徑分布均勻；②化學(xué)惰性好；③熱穩(wěn)定性好，有一定的機(jī)械強(qiáng)度；④顆粒均勻、細(xì)小。

硅藻土中表面含有大量的硅醇基、鐵和鋁的氧化物。這些活性中心使固定液涂布不均勻，與極性組分形成氫鍵，引起色譜峰拖尾。而且由于有較強(qiáng)的催化活性，可能使組分或固定液發(fā)生催化降解作用。載體表面處理載體的選擇（2）固定液：高沸點(diǎn)的有機(jī)化合物，常溫下是固體或液體，可用作固定液的化合物有1000多種。要求：①揮發(fā)性小，熱穩(wěn)定性高；②在操作溫度下呈液態(tài)；③對(duì)試樣有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰?。固定液的分?lèi)：①按極性大小分類(lèi)1959年羅爾賽耐德（Rohischneiden）提出的。用相對(duì)極性標(biāo)志固定液的分離特征。規(guī)定：角鯊?fù)椋ó惾椋O性P＝0

β.β’－氧二丙腈極性P＝100分離物質(zhì)對(duì)正丁烷丁二烯測(cè)定分離物質(zhì)對(duì)在上述兩種固定液和被測(cè)固定液上的保留值，計(jì)算相對(duì)極性。角鯊?fù)椋?/p>

q烷＝lgtR’(丁二烯）tR’(正丁烷）氧二丙腈：

q腈＝lgtR’(丁二烯）tR’(正丁烷）被測(cè)固定液：

qx＝lgtR’(丁二烯）tR’(正丁烷）被測(cè)固定液的相對(duì)極性：Px＝100－100（q腈－qx）q腈－q烷不同固定液的極性落在0~100之間，每20個(gè)相對(duì)極性單位為一級(jí)，用“＋”表示。強(qiáng)極性：P＝＋4，＋5；中等極性：P＝＋3；弱極性：P＝＋1，＋2；

極性的強(qiáng)弱代表了物質(zhì)分子間相互作用力的大小，但相對(duì)極性的大小不能全面反映分子間的作用力，分子間的作用力有：靜電力、色散力、誘導(dǎo)力、氫鍵力等。所以,羅氏作了兩方面的改進(jìn)：

A.用五種不同性質(zhì)的化合物來(lái)表征一種固定液的特征。B.用保留指數(shù)差值△I表示相對(duì)極性的大小△I↗，固定液和組分間的作用力選擇性↗苯→角鯊?fù)橹鶬烷苯→被測(cè)固定液柱→Ix△I苯＝Ix－I烷＝ax極性因子?I甲乙酮=cz?I硝基甲烷=du?I吡啶=es其中,a.b.c.d.e均為100?I總=ax+by+cz+du+es將?I總值從小到大排列,組成了羅爾賽耐德常數(shù)(羅氏常數(shù))其他標(biāo)準(zhǔn)物的△I為：△I乙醇＝Ix－I烷=by

由于五種化合物中乙醇、甲乙酮、硝基甲烷的保留指數(shù)均小于500,在測(cè)定保留指數(shù)時(shí)需用常溫下為氣態(tài)的正構(gòu)烷烴,準(zhǔn)確性差,1970年麥克雷諾提出改進(jìn):

丁醇→乙醇2-戊酮→甲乙酮硝基丙烷→硝基甲烷用五種新化合物測(cè)定的常數(shù)稱為麥?zhǔn)铣?shù)聚乙二醇羅氏X=3.22y=5.46z=3.86v=7.15s=5.17麥?zhǔn)蟈’=325y’=551z’=375v’=582s’=520麥?zhǔn)吓c羅氏常數(shù)大約差100倍（數(shù)值略有差異，是實(shí)驗(yàn)條件不一致）②按化學(xué)類(lèi)型分類(lèi)A烴類(lèi)：角鯊?fù)椋悍悬c(diǎn)375oC,最高使用溫度150oC,相對(duì)極性為零。只能以色散力與組分作用，分離C9以前烷類(lèi)的理想固定液.阿皮松脂類(lèi)：略極性和非極性固定液，適于分離非極性化合物.B聚硅氧烷類(lèi)優(yōu)點(diǎn)：a熱穩(wěn)定性好，固定液流失小，基線穩(wěn)定；

b對(duì)大多數(shù)有機(jī)物的溶解度好；

c在硅原子上引進(jìn)不同類(lèi)型的官能團(tuán)，可改變固定液的極性注意：應(yīng)采用中性載體，避免強(qiáng)酸和強(qiáng)堿樣品聚二甲基硅氧烷類(lèi)固定相最為廣泛應(yīng)用的固定相，具有相當(dāng)高的熱穩(wěn)定性和很寬的液態(tài)溫度范圍（-60350C），適合相當(dāng)數(shù)量物質(zhì)的分離聚乙二醇（PEG）類(lèi)化合物極性固定相，分子量300－20000，最高使用溫度100~200oC（與分子量有關(guān)），可以分離各種極性和非極性的化合物不同分子量的聚合物具有不同的極性，通常使用的是分子量2萬(wàn)的聚合物（PEG20M或Carbowax20M）聚合物末端羥基可以連接各種官能團(tuán)，從而可以改變其選擇性，如連接鄰硝基對(duì)苯二甲酸，可將熱穩(wěn)定性提高至250C以上，而且適合分離中性和偏酸性的物質(zhì)HOCH2CH2-[O-CH2-CH2]n-O-CH2CH2OHD聚酯類(lèi)：中等極性固定液E腈類(lèi)：強(qiáng)極性固定液適用于分析低沸點(diǎn)化合物常見(jiàn)固定液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)固定液選擇原則：相似相溶固定液配比：5%－25%固定液的選擇—相似相溶的原則同系物通常按照分子量順序流出使用幾率最大的五種固定液：SE-30（甲基硅橡膠）OV-17（苯基甲基聚硅氧烷）QF-1（氟烷基聚硅氧烷）PEG-20M（聚乙二醇20000）DEGS（丁二酸二乙二醇聚酯）色譜柱的制備選擇柱材料制備柱填料（固定液、載體的選取及涂漬）填充（或涂漬及鍵合）老化：通載氣，柱溫高于常用柱溫10C，48小時(shí)

作用：去除殘留溶劑、低沸點(diǎn)雜質(zhì)、平穩(wěn)基線