分析化學課件第14章 氣相色譜法

第14章氣相色譜法

GasChromatography（GC）色譜法一種高效的、應用范圍廣的分離分析技術(shù)，可用于從小分子到大分子各種不同性質(zhì)物質(zhì)的分離，包括少量樣品的分析及大量樣品成分分離制備等。由于儀器進步及各個學科分離分析復雜物質(zhì)需要，近幾十年來發(fā)展很快，是最有效的分離手段，涉及各個學科領域，是現(xiàn)代化學發(fā)展的基礎之一。約有60%以上的分析工作是基于色譜法完成的。14-1色譜法基本理論14-1-1色譜法概述14-1-2色譜流出曲線及相關術(shù)語14-1-3色譜基本原理14-1-4分離度14-1-5基本色譜分離方程（影響分離度的因素）14-1-6定性分析14-1-7定量分析14-1-1概述（1）葉綠素b葉綠素a葉黃素胡蘿卜素茨維特色譜圖（1906，俄）色譜法起源

將綠色植物的石油醚萃取液加載到裝有吸附劑CaCO3的柱子上端，然后用石油醚淋洗。固定相：CaCO3流動相：石油醚本質(zhì)：CaCO3對萃取液中各成分的吸附能力不同，從而將其分離成不同色帶。色譜法的兩相色譜法名稱來源14-1-1概述（2）色譜法發(fā)展的歷史1906茨維特創(chuàng)立（色譜名稱來源）1941馬丁/辛格液液分配色譜1944康斯登/馬丁紙色譜1952馬丁/辛格GC（氣相色譜）、塔板理論1956斯塔爾薄層色譜1957戈雷毛細管柱（里程碑）1957霍梅斯GC-MS（提高鑒定能力）1966LOWGC-FTIR70年代HPLC（高效液相色譜）80年代SPC（超臨界色譜）、CE（毛細管電泳）90年代CEC（毛細管電色譜）14-1-1概述（3）色譜法基本原理（以柱色譜為例）在外力作用下，流動相以一定流速連續(xù)流經(jīng)與其互不相溶的固定相表面（色譜柱）。待分離試樣被一次性注入色譜柱頭，各組分在同一時刻進入色譜柱。各組分與兩相的不同作用（溶解、吸附、滲透或離子交換等）導致其在兩相間的“分配系數(shù)”不同。在隨流動相移動通過一定長度的色譜柱時，各組分在兩相之間進行了反復多次（103106）的分配過程，使得分配系數(shù)不同的各組分在色譜柱中移動速率產(chǎn)生差異，從而彼此分開形成“單組份”的帶或區(qū)，依次流出色譜柱。根據(jù)色譜柱末端檢測器的響應信號可實現(xiàn)對各組分的定性/定量分析14-1-1概述（4）色譜儀的基本結(jié)構(gòu)框圖流動相及流速控制裝置固定相（色譜柱）檢測器進樣裝置數(shù)據(jù)記錄與處理14-1-1概述（5）色譜法分類色譜法氣相色譜液相色譜超臨界流體色譜填充柱色譜毛細管柱色譜固體涂漬在固體表面的液體固體表面鍵合的有機物 吸附分配分配柱平面經(jīng)典高壓薄層色譜紙色譜固體涂漬在固體上的液體固體表面鍵合有機物離子交換劑多孔固體凝膠固體表面鍵合的特殊化合物氣固吸附色譜氣液分配色譜鍵合相色譜（氣液）固體表面鍵合有機物分配

吸附分配分配離子交換滲透（篩分）特異性親和力液固吸附色譜液液分配色譜鍵合相色譜（液液）離子交換色譜體積排阻色譜親和色譜雖然電泳法原理與色譜法不同，但因其應用領域，數(shù)據(jù)形式，定性/定量方式與色譜法相似，通常也將其歸在色譜法中。電色譜是兼具兩者特點的分離方式。柱14-1-1概述（6）色譜法的特點分離效能高：能在較短時間內(nèi)對組成極為復雜，各組分性質(zhì)極為相近的混合物同時進行分離測定；靈敏度高：高靈敏的色譜檢測器可檢測10-1110-13g的物質(zhì)，適于痕量分析；樣品用量極少，一般以g計，有時僅以ng計；分析速度快：一般幾或幾十分鐘便可完成對一個復雜試樣的分析；應用范圍廣：選擇適當?shù)纳V模式幾乎能分析所有的化學物質(zhì)。雖然傳統(tǒng)色譜檢測器的定性能力較差，但與定性能力強的光譜方法如MS、FTIR、NMR等聯(lián)用，可大大提高其定性分析能力。Lessthan30minutesseparationfor18ofaminoacids14-1-2色譜流出曲線及相關術(shù)語（1）色譜流出曲線（色譜圖）： 以進樣為起點，檢測器響應信號隨時間/流動相體積變化的曲線色譜流出曲線14-1-2色譜流出曲線及相關術(shù)語（2）基線：僅有流動相通過時檢測器時響應。穩(wěn)定的基線不應隨時間發(fā)生單向變化，而是在很小的范圍內(nèi)呈現(xiàn)高頻的波動。峰高：色譜峰頂點與基線之間的垂直距離。（定量）峰面積：色譜曲線與基線間的面積。（定量）進樣基線h/峰高（定量）A/峰面積（定量）噪音（本底信號），影響檢出限14-1-2色譜流出曲線及相關術(shù)語（3）保留值（1）死時間t0：流動相通過色譜柱所用的時間。通常采用不與固定相發(fā)生作用（非滯留組分）但能被檢測器響應的物質(zhì)來測定。保留時間tr：組分從進樣到出現(xiàn)色譜峰值所需要的時間。調(diào)整保留時間tr：指組分在固定相中停留的時間。進樣非滯留組分組分tr是色譜定性的基本依據(jù)：相同色譜條件下，同一物質(zhì)的tr相同（反過來不成立！）可由色譜柱長L及死時間t0計算流動相的平均線速14-1-2色譜流出曲線及相關術(shù)語（4）保留值（2）死體積V0：指死時間內(nèi)流經(jīng)色譜柱的流動相體積。包括色譜柱中不被占據(jù)的空間及進樣系統(tǒng)管道和檢測器系統(tǒng)的總體積。保留體積Vr：指保留時間內(nèi)流經(jīng)色譜柱的流動相體積。調(diào)整保留體積Vr：Fco為色譜柱出口流動相的體積流速（mLmin-1）用保留體積定性可以消除流動相流速波動的影響。14-1-2色譜流出曲線及相關術(shù)語（5）保留值（3）相對保留值：氣相色譜法中該值僅與柱溫和固定相性質(zhì)有關（液相色譜法中還與流動相性質(zhì)有關），而與色譜柱徑、柱長、填充情況及流動相流速無關，作為定性指標較tr、Vr可靠。用（1）表示時稱為選擇性因子，是衡量固定相選擇性的重要指標。14-1-2色譜流出曲線及相關術(shù)語（6）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的重要參數(shù)。色譜峰為對稱Gaussian曲線時：W=4W=1.699W1/2W1/2=2.354實際色譜峰是完全不對稱的，通常是拖尾峰，也存在前伸峰。從色譜流出曲線上可以得到什么信息？根據(jù)色譜峰個數(shù)可以判斷樣品中所含組分的最小個數(shù)根據(jù)色譜峰的保留值可以進行定性分析根據(jù)色譜峰高或者峰面積可以進行定量分析根據(jù)色譜峰的保留值和區(qū)域?qū)挾瓤稍u價色譜柱分離效能可通過兩個色譜峰的峰距離（）評價固定相（流動相）的選擇是否合適14-1-3色譜法基本原理（1）色譜法定性/定量的前提：樣品中各組分彼此完全分離。實現(xiàn)該目標必須滿足以下兩個條件：相鄰組份峰間距足夠大：由各組份在兩相間的分配系數(shù)決定，即色譜過程的熱力學性質(zhì)決定。每個組份峰寬足夠?。河山M份在色譜柱中的傳質(zhì)和擴散決定，即色譜過程動力學性質(zhì)決定。因此研究、解釋色譜分離行為應從熱力學和動力學兩方面進行。14-1-3色譜法基本原理（2）色譜分離的熱力學本質(zhì) 樣品中各組份與兩相發(fā)生了不同程度的作用。作用的具體表現(xiàn)形式： 范德華力、靜電引力、氫鍵等作用的實際體現(xiàn)形式 分配系數(shù)K、分配比k分配系數(shù)（Distributionconstant，K）分配系數(shù)K：描述組份在兩相間分配或吸附-脫附過程的參數(shù)。指一定溫度和壓力下，組分在固定相與流動相之間分配達到平衡時的濃度之比。組分一定時，K僅與兩相性質(zhì)和柱溫有關。通常情況下升高溫度會使K減小，組分tr減小。K反映了不同組分與兩相作用力的差別，不同組分在兩相間具有不K值是物質(zhì)得以分離的前提！（熱力學上可能）——描述組分與兩相作用的參數(shù)分配比k（1）分配比k：指一定溫度和壓力下，組分在固定相與流動相之間分配達到平衡時的質(zhì)量之比。Vm：柱中流動相的體積，近似于V0；Vs：柱中固定相的體積，與色譜類型有關，分配色譜中指固定液體積。：相比率（Vm/Vs），與色譜柱型相關。k越大說明組分在固定相中的量越多，相當于柱的容量越大，因此稱為容量因子（決定進樣量的大小）——描述組分與兩相作用的參數(shù)分配比k（2）分配比k可直接從色譜圖上求出：可見，對于給定色譜體系，組分的分離最終取決于k而不是K，因此k又稱為保留因子，是衡量色譜柱對組分保留能力的重要參數(shù)。實際色譜分離時應將其控制在一個適當?shù)姆秶?。當溶質(zhì)分子處在流動相中時，其遷移速率為：當溶質(zhì)分子被固定相保留時，其遷移速率為：某溶質(zhì)分子處在流動相中的概率：該溶質(zhì)分子的平均遷移速率為：分配系數(shù)K、分配比k與選擇性因子的關系兩組分的K或k相等，=1，無法實現(xiàn)分離兩組分的K或k不等，>1，滿足熱力學對分離的基本要求兩組分的K或k相差越大，越大，越容易實現(xiàn)分離14-1-3色譜法基本原理（3）在滿足熱力學基本分離條件（>1）的前提下，如何從色譜動力學的角度來優(yōu)化分離條件，實現(xiàn)組分的分離？色譜過程動力學 色譜動力學理論是根據(jù)流體分子運動規(guī)律來研究色譜過程中分子的遷移，用嚴格的數(shù)學處理方程求解相當復雜，只得采用較為簡化的假設和適當?shù)慕铺幚?。塔板理論（基于熱力學的平衡理論）速率理論塔板理論（1）色譜柱可視為由高度（H）相同、內(nèi)徑一致且填充均勻，被稱作塔板的若干（n）小段組成（L=nH），組分可在每個塔板內(nèi)瞬間實現(xiàn)分配平衡；流動相是以脈動式進入色譜柱，每次進入體積為一個塔板體積V（每個塔板中流動相所占的體積）；塔板之間不存在物質(zhì)交換，即組分的縱向擴散忽略不計；分配系數(shù)K在所有塔板上均為常數(shù)?！材匪?馬丁（1941）塔板理論（2）將m=1

（mg或g，單位略）的某組分（k=1）加在第一塊（0號）塔板上，隨著流動相的脈動式進入，該組分在各塔板中的分布情況如何（假定n=5）？N（載氣板體積數(shù)）=nV時，組分開始流出色譜柱n>50時，流出曲線趨于對稱塔板理論（3）色譜流出曲線方程：塔板理論（4）理論塔板數(shù)：理論板高：有效塔板數(shù)：有效板高：塔板數(shù)n又稱為柱效，是描述色譜效能的指標。氣相填充柱n=1500/m，毛細管柱n=3000/m；液相填充柱n=28104/m有關塔板數(shù)的說明說明柱效時，必須注明該柱效是針對何種物質(zhì)、固定液種類及其含量、流動相種類及流速、操作條件等；應定期對柱效進行評價，以防柱效下降、延長柱壽命塔板理論（5）貢獻用熱力學的觀點闡明了溶質(zhì)在色譜柱中的分配平衡和分離過程解釋了流出曲線的形狀及濃度極大值的位置提出了計算和評價柱效的參數(shù)不足不能解釋造成譜帶擴張的原因和影響板高的各種因素不能說明同一溶質(zhì)為什么在不同的流速下，可以測得不同的理論塔板數(shù)速率理論吸收了塔板理論中的板高H概念（但含義完全不同），考慮了組分在兩相間的擴散和傳質(zhì)過程從動力學角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各種因素！—VanDeemter/1956H：單位柱長色譜峰形展寬的程度A：渦流擴散項B：分子擴散項系數(shù)C：傳質(zhì)阻力項系數(shù)實際分離中還應考慮色譜峰在柱外的變寬因素，所以應盡可能減小柱外體積渦流擴散項A（多途路徑項）減小A的途徑：使用粒徑小、粒徑范圍窄的球形柱料均勻填充開管柱（毛細管柱）的A是多大？分子擴散項B/u（縱向擴散項）減小分子擴散項的途徑：采用均勻柱料柱溫Dg；柱壓Dg

流動相分子量，Dg

u,（B/u）LC中Dm

較小，B項可勿略低溫短柱大分子量流動相適當增加流速：指因填充物阻礙而使擴散路徑彎曲，擴散降低的程度，球形填料均勻填充，可適當減小。（不如對影響明顯）傳質(zhì)阻力項Cu（1）色譜分離過程中溶質(zhì)在兩相之間進行的質(zhì)量傳遞稱為傳質(zhì)。由于色譜過程處于連續(xù)流動狀態(tài)，溶質(zhì)分子與兩相分子間存在相互作用而使得傳質(zhì)過程不能瞬間完成，從而導致色譜峰展寬。（與分子擴散項的區(qū)別？）流動相氣液界面固定液溶質(zhì)分子顯然u越小，提供給溶質(zhì)在兩相中平衡的時間就越少，傳質(zhì)阻力項增大傳質(zhì)阻力項Cu（2）氣液分配色譜的傳質(zhì)阻力項Cg：小粒度填充物（dp）+小分子量載氣（Dg）Cl：降低固定液含量（df，但是k也減?。?；采用比表面積大的載體（df，但吸附增加可能導致峰脫尾）；提高柱溫（Dl）液液分配色譜中C具體表達式與氣液分配色譜不同，但氣液分配色譜中降低C的措施也適用于液液分配色譜。流動相線速對板高的影響板高H\cm實際測定流速通常高于最佳流速（縮短分析時間）固定相粒度大小對板高的影響粒度直接影響A和C項，間接影響B(tài)項。粒度越細，板高越小，受線速度影響亦小。（HPLC采用小粒徑填料的依據(jù)）14-1-4分離度（1）熱力學提出>1就可能分離；動力學提出n足夠大就能實現(xiàn)分離?？梢娕cn相互影響，都不能真實反映組分的實際分離情況，因此需要引入一個兼顧兩者的綜合性指標：分離度R14-1-4分離度（2）分離度：亦稱分辨率，指相鄰兩組份色譜峰保留時間差值（反映色譜過程熱力學因素）與峰底寬均值（反映色譜過程動力學因素n）的比值。14-1-4分離度（3）保留時間t/min響應信號14-1-5基本色譜分離方程（1）R的定義式并未反映影響分離度的各種因素，既未與影響其大小的因素：柱效n、選擇因子和保留因子k聯(lián)系起來，因此不能提供改善分離效果的手段?；旧V分離方程實現(xiàn)R與上述因素的聯(lián)系。14-1-5基本色譜分離方程（2）對于難分離物質(zhì)可合理認為W1=W2=W、k2=k1=k分離度與柱效的關系增加柱長，可提高分離度，但延長了分析時間及對儀器耐壓的要求，因此變化有限（開管柱柱長變化范圍較大）；因此降低板高，提高柱效，才是提高分離度的好方法。如何降低板高？分離度與選擇因子的關系當=1時，R=0，無法分離兩組分；增大，是改善分離度的有效手段。對一個復雜混合物的分離條件的選擇，主要是提高最難分離物質(zhì)對的值。GC通過選擇合適的固定相和降低柱溫來增大LC通過改變固定/流動相的性質(zhì)和組成，可有效增大分離度與容量因子k的關系如左圖所示：在兼顧分離度和分析時間的考慮下，容量因子k控制在2~10為宜。對于GC，改變柱溫或增加固定液的用量來選擇合適的k值。對于LC，改變流動相的組成可有效的控制k值分離度與分析時間的關系分析時間與R，，k、H/u等參數(shù)有關，R增加1倍，分析時間則是原來的4倍。實際工作中，即要能獲得有效的分離，又要在較短時間內(nèi)完成分析。柱溫對分離度的影響對熱力學因素的影響 柱溫上升，和k均下降，不利于分離對動力學因素的影響 柱溫上升，擴散系數(shù)增加，有利于傳質(zhì)阻力項系數(shù)C，但不利于分子擴散項系數(shù)B分離度隨柱溫增加先變大后減小，應進行優(yōu)化柱溫對氣相色譜的分離影響大，但對液相色譜（一般為室溫）影響較小例1：在一定條件下，兩個組分的調(diào)整保留時間分別為85s和100s，計算達到完全分離時所需的有效塔板數(shù)；若填充柱的有效塔板高度為0.1cm，柱長是多少？解：例2：用一根柱長為1m的色譜柱分離A、B兩種物質(zhì)，其保留時間分別為14.4和15.4min，對應的峰底寬分別為1.07min和1.16min（死時間為4.2min），試計算：物質(zhì)A的理論塔板數(shù)分離度R選擇性因子完全分離所需的柱長完全分離所需的時間

解：14-1-6定性分析（1）樣品的預處理

GC分析對象是在氣化室溫度下能生氣態(tài)的物質(zhì)。為保護色譜柱、降低噪聲、防止生成新物質(zhì)（雜峰），需要在進樣前，對樣品進行處理。水、乙醇和可能被柱強烈吸附的極性物質(zhì)會造成效下降非揮發(fā)性組分會產(chǎn)生噪聲，同時慢慢分解產(chǎn)生雜峰穩(wěn)定性差的組分可能生成新物質(zhì)造成雜峰用已知純物質(zhì)對照定性基于同一定操作條件下，組分保留時間為定值。也可以通過在樣品中加入標準物，看試樣中哪個峰高增加來確定。醇溶液定性色譜圖A：甲醇B：乙醇C：正丙醇D：正丁醇E：正戊醇前提：熟悉樣品性質(zhì)，有時也會誤檢（非質(zhì)譜等檢測器使用）根據(jù)經(jīng)驗公式定性碳數(shù)規(guī)律：在一定溫度下，同系物的調(diào)整保留時間tr的對數(shù)與分子中碳數(shù)n成正比： 知道兩種或以上同系物的調(diào)整保留值便可求出常數(shù)A和C。未知物的碳數(shù)則可從色譜圖查出tr后，以上式求出。沸點規(guī)律：同族具相同碳數(shù)的異構(gòu)物，其調(diào)整保留時間tr的對數(shù)與分子中沸點n成正比輔助手段，目前基本不用，但能記住規(guī)律也好相對保留值r2,1相對保留值r21僅與柱溫和固定液性質(zhì)有關。在色譜手冊中都列有各種物質(zhì)在不同固定液上的保留數(shù)據(jù)，可以用來進行定性鑒定。在樣品和標準中分別加入同一種基準物s，將樣品的ri,s和標準物的ri,s相比較來確定樣品中是否含有i組分，可消除兩次進樣引起的誤差。輔助手段14-1-6定性分析（2）雙柱或者多柱定性 即待測物與標準物在不同性質(zhì)色譜柱上的保留時間相同，可認定是同一種物質(zhì)。這樣可克服在一根柱上不同物質(zhì)可能出現(xiàn)相同的保留時間的情況。配置定性能力強的檢測器如質(zhì)譜和紅外等 質(zhì)譜MS和紅外IR的譜圖特征性很強，定性結(jié)果可靠；MS也非常適用于定量分析。GC-MS、HPLC-MS已在分析測試工作中廣泛應用于分析。質(zhì)譜圖（表）對于一定的化合物，各離子間的相對強度是一定的，因此質(zhì)譜具有化合物的結(jié)構(gòu)特征（定性/結(jié)構(gòu)）。定量？基峰相對峰強度紅外光譜圖16-1-7定量分析峰面積的測量方法定量校正因子常用的定量計算方法峰面積的測量方法對稱形峰面積的測量—峰高乘半峰寬法不對稱峰面積的測量—峰高乘平均峰寬法自動積分儀法工作站（）定量校正因子絕對校正因子 定量分析時必須要在與實際樣品測定完全相同的條件下用標準樣品測定待測物的校正因子。若不能做到，需用相對校正因子。相對校正因子 指待測物i與一選定的標準物s的絕對校正因子之比。需用同時含i和s的標準樣品測定，該值與色譜條件和進樣量無關，只與檢測器類型有關。常用于作為標準物質(zhì)s的有苯（TCD檢測器）和庚烷（FID檢測器）等。有相對質(zhì)量、摩爾、體積校正因子之分。常用的定量計算方法（1）歸一化（NORM）：要求樣品中所有成分都要能從色譜柱上洗脫下來，并能被檢測器檢測。 樣品所有組分的總量： 某組分所占百分含量：該法不受進樣量的影響，但需知道所有組分的校正因子（查表或者用標準樣品測定）；對于同系物可以近似認為它們的校正因子相同（要求不高時）。常用的定量計算方法（2）外標法（ESTD）fi由待測組分的純物質(zhì)獲得（標準曲線法。單點也可以但其濃度要與待測樣品接近）最常用的定量方法，適合大量樣品的常規(guī)分析，但分析條件和進樣量必須重現(xiàn)常用的定量計算方法（3）內(nèi)標法：選擇適當?shù)膬?nèi)標物s，加一定量入到待測試樣中（ms已知），待測物i與內(nèi)標物s的校正因子比值不變fi/fs可查表獲得，亦可由含內(nèi)標物s和待測物s的標準樣品測得亦可固定加標量ms，制作內(nèi)標曲線由于標準物質(zhì)s和被測組分i處在同一基體中，因此可消除基體帶來的干擾。且當儀器參數(shù)和洗脫條件發(fā)生非人為變化時，標準物質(zhì)和樣品組分都會受到同樣影響，這樣消除了系統(tǒng)誤差。內(nèi)標物的選擇依據(jù)樣品中不含內(nèi)標物質(zhì)；峰的位置在各待測物質(zhì)之間或與之相近；穩(wěn)定，易得純品；與樣品能互溶但無化學反應；內(nèi)標物濃度恰當，其峰面積與待測組分相差不大。幾種定量方法的比較方法項目歸一化法內(nèi)標法外標法計算公式由擬合方程計算獲得稱重配樣不需要需要不需要進樣量不需準確不需準確需準確操作條件穩(wěn)定性一次分析過程中條件需穩(wěn)定一次分析過程中條件需穩(wěn)定全部過程中條件需嚴格不變對組分出峰的要求全部組分內(nèi)標物及所測組分所測組分校正因子需全部組分的校正因子（或標樣）需內(nèi)標及所測組分的校正因子(或標樣)不需要使用檢測器通用型檢測器選擇性檢測器有時不適用選擇性檢測器適用范圍多組分試樣中各組分含量的分析微量組分的精確定量日?？刂品治龊痛罅客悩悠返姆治?4-2氣相色譜法氣相色譜過程：將待測樣品蒸發(fā)并注入色譜柱頭，載氣（惰性氣體，與樣品分子不反應，亦無作用力，僅其運載及分配空間的作用）將其帶入柱內(nèi)分離。氣固色譜：固定相為固體吸附劑，利用其對不同物質(zhì)吸附/解吸能力差異實現(xiàn)分離。因固定相對組分的半永久性滯留，較易出現(xiàn)拖尾峰。主要用于永久性氣體和較低分子量的有機化合物的分離分析。氣液色譜：固定相在工作狀態(tài)下液體（涂覆或鍵合在色譜柱內(nèi)壁或惰性固體載體表面），利用其對不同物質(zhì)的溶解能力差異（分配系數(shù)的差異）實現(xiàn)分離。適于除永久性氣體外其他可被氣相色譜分離分析的物質(zhì)，約占氣相色譜應用的90%，通常簡稱為氣相色譜。氣相色譜法的適用范圍可直接測定易氣化、熱穩(wěn)定好，即在氣相色譜儀允許條件（取決于固定液使用溫度上限）下可氣化且不分解的物質(zhì)（b.p<400C，M<500）；不適用于高沸點、難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定物質(zhì)及蛋白質(zhì)、核酸等生物樣品的分析。約占色譜法應用的20%。部分熱不穩(wěn)定或極性強、難以氣化的物質(zhì)（M<500），可通過化學衍生化的方法使之適用與氣相色譜；控制適當?shù)臈l件可實現(xiàn)對大分子物質(zhì)的測定（裂解氣相色譜）氣相色譜的主要應用領域應用領域分析對象舉例環(huán)境水樣中芳香烴，殺蟲劑、除草劑和銻形態(tài)等石油原油成分、汽油中各種烷烴和芳香烴化工噴氣發(fā)動機燃料中烴類，石蠟中高分子烴食品植物精煉油中各種烯烴、醇和酯、亞硝胺，香料中香味成分，人造黃油中的不飽和十八酸，牛奶中飽和和不飽和脂肪酸等生物植物中萜類，微生物中胺類、脂肪酸（酯）類等醫(yī)藥血液中汞形態(tài)，中藥中揮發(fā)油法醫(yī)學血液中酒精，尿中可卡因、安非它命，奎寧及其代謝物，火藥成分，縱火樣品中的汽油等本章內(nèi)容14-2-1氣相色譜儀14-2-2氣相色譜柱類型及固定相14-2-3氣相色譜檢測器14-2-4色譜分離操作條件的選擇14-2-1氣相色譜儀氣相色譜儀流程示意圖氣相色譜儀的基本結(jié)構(gòu)：氣路系統(tǒng)；進樣系統(tǒng)；分離系統(tǒng)；檢測系統(tǒng)；數(shù)據(jù)記錄及處理系統(tǒng)；控溫系統(tǒng)。氣相色譜儀結(jié)構(gòu)示意圖（1）氣路系統(tǒng)進樣系統(tǒng)分離系統(tǒng)（填充柱）檢測系統(tǒng)（TCD）控溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)氣相色譜儀結(jié)構(gòu)示意圖（2）分離系統(tǒng)（毛細管柱）穩(wěn)壓器分子篩脫水管檢測系統(tǒng)（FID）進樣系統(tǒng)載氣系統(tǒng)流量控制器固定限流器數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)控溫系統(tǒng)氣路系統(tǒng)（1）氣路系統(tǒng)：提供純凈、流速穩(wěn)定的載氣的密閉管路系統(tǒng)（最終排入大氣）。常用載氣有高純N2、H2、He、Ar等，通常由高壓鋼瓶供給，N2、H2也可由氣體發(fā)生器供給。載氣純度、流速及穩(wěn)定性影響色譜柱效、檢測器靈敏度及儀器整機的穩(wěn)定性，是獲得可靠色譜定性、定量結(jié)果的重要條件。氣路系統(tǒng)的作用：動力：驅(qū)動樣品在色譜柱中流動，并把分離后的各組分推進檢測器；為樣品的分配提供一個相空間。載氣與組分間無作用力，K、k、等與載氣組成無關。氣路系統(tǒng)（2）載氣的選擇與凈化 雖因影響Dg導致影響柱效并進一步分離度，載氣的選擇及凈化方式（不能含有可在檢測器上響應的雜質(zhì)）主要還是取決于所選用的檢測器。檢測器種類載氣凈化方式熱導檢測器H2/He分子篩/硅膠/活性炭氫火焰H2/N2去含碳有機物電子捕獲N2去H2O、O2氣路系統(tǒng)（3）流速的控制及測定流速的控制：恒溫色譜（穩(wěn)壓閥）；程序升溫色譜（穩(wěn)壓閥＋穩(wěn)流閥）流速的測定：柱前（轉(zhuǎn)子流量計）；柱后（皂膜流量計）；許多現(xiàn)代儀器裝置有電子流量計，并以計算機控制其流速保持不變。進樣氣化系統(tǒng)進樣器：將樣品快速、準確地加到色譜柱頭

氣樣：六通閥或注射器（0.25、1、2.5、10mL） 液樣：微量注射器（0.5、1、2、10L）

固樣：溶解或閃蒸氣化室：將液/固體樣品瞬間氣化。熱容大，死體積小，無催化效應

溫度的選擇：保證樣品瞬間氣化而不分解；通常選在樣品沸點附近，高于最高使用柱溫1050C即可。氣化溫度過高或過低如何判斷？常見GC進樣口和進樣技術(shù)進樣口和進樣技術(shù)特點填充柱進樣口最簡單的進樣口。所有氣化的樣品均進入色譜柱，可接玻璃和不銹鋼填充柱，也可接大口徑毛細管柱進行直接進樣。分流/不分流進樣口最常用的毛細管柱進樣口。分流進樣最為普遍，操作簡單，但有分流歧視和樣品可能分解的問題。不分流進樣雖然操作復雜一些，但分析靈敏度高，常用于痕量分析。冷柱上進樣口樣品以液體形態(tài)直接進入色譜柱，無分流歧視問題。分析精度高，重現(xiàn)性好。尤其適用于沸點范圍寬、或熱不穩(wěn)定的樣品，也常用于痕量分析（可進行柱上濃縮）。程序升溫氣化進樣口將分流/不分流進樣和冷柱上進樣結(jié)合起來，功能多，適用范圍廣，是較為理想的GC進樣口。大體積進樣采用程序升溫氣化或冷柱上進樣口，配合以溶劑放空功能，進樣量可達幾百微升，甚至更高，可大大提高分析靈敏度，在環(huán)境分析中應用廣泛，但操作較為復雜。閥進樣常用六通閥定量引入氣體或液體樣品，重現(xiàn)性好，容易實現(xiàn)自動化。但進樣對峰展寬的影響大，常用于永久氣體的分析，以及化工工藝過程中物料流的監(jiān)測。分流/不分流流路系統(tǒng)容量因子k決定進樣量的大?。簁=K/填充柱=635；毛細管柱=60600因此采用毛細管柱時允許進樣量極小，無法采用微量注射器直接完成！可采用分流進樣法實現(xiàn)對毛細管柱進樣！分流比設定范圍通常為：20200:1，具體根據(jù)樣品實際情況確定，對于痕量組分的測定可不分流。隔墊吹掃目的在于消除硅膠墊中殘留溶劑和降解產(chǎn)物，通?？刂圃?mL/min，與分流比無關控溫系統(tǒng)控溫系統(tǒng)包括對三個部分的控溫，即氣化室、柱箱和檢測器。溫度直接影響色譜柱的分離效率，檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性，因此溫度控制是否準確、升、降溫速度是否快速是色譜儀最重要的指標之一?？販胤绞剑汉銣睾统绦蛏郎販囟冗x擇14-2-2氣相色譜柱類型及固定相色譜柱：由玻璃、石英或不銹鋼制成的圓管，內(nèi)裝固定相。通常有以下兩種形式：填充柱與開管柱的比較（1）參數(shù)內(nèi)徑/mm常用長度/m柱效n/m柱材料柱容量程序升溫應用固定相填充柱2-50.5-31500玻璃不銹鋼mg級較差載體+固定液WCOT0.10.5310-603000熔融石英<100ng較好固定液PLOT0.050.3510-100~2500熔融石英ng-mg尚可固體吸附劑填充柱與開管柱的比較（2）開管柱滲透性好（載氣流動阻力?。?，可使用長的色譜柱，總柱效遠大于填充柱，因此分離效率通常優(yōu)于填充柱，使得開管柱的通用性很好，即一根色譜柱可實現(xiàn)性質(zhì)相差很多的組分的分離，如一根非極性柱HP-1可分離諸如苯甲酸、山梨酸、丁基羥基茴香醚

、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚

、特丁基苯二酚、甲醇、雜醇油、農(nóng)藥、車間空氣等多種組分；填充柱通用性不佳，但可選擇的固定相較多，可根據(jù)樣品選擇特異性較強的固定相。開管柱相比高，傳質(zhì)快，可實現(xiàn)快速分離測定，開管柱柱效高，色譜峰窄，峰高較填充柱為高，但柱容量低，通常采用分流方式，因此靈敏度不一定優(yōu)于填充柱開管柱柱容量小，若樣品成份復雜，極易污染柱子而影響基線及分離效果，對樣品前處理要求較高；填充柱容量較大，可以多次注入較“臟”的樣品，對樣品前處理要求不高。開管柱價格較高，且難以自行制作，但污染后將污染部分切掉可正常使用；填充柱較為便宜，且自行制作較為容易。開管柱流速大，但流量小，因此較填充柱節(jié)省載氣，但交易堵塞。氣固色譜（GSC）—分離小分子量的永久氣體及烴類占應用的10%填充柱多孔層開管柱（PLOT）毛細管柱氣固色譜固定相苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物，亦可引入不同基團使之帶有一定極性吸附劑主要成分T/C性質(zhì)活化方法分離對象活性炭C<300非極性苯浸-通過熱水蒸氣-180C烘干永久性氣體+非極性烴石墨碳黑C>500非極性同上同上+高沸點有機物硅膠SiO2xH2O<400氫鍵型HCl浸-水洗-180C烘干-200C活化永久性氣體+非極性烴氧化鋁Al2O3<400弱極性200-1000C活化烴+有機異構(gòu)物+H的同位素分子篩xMOyAl2O3zSiO2nH2O<400極性350-550C活化永久性氣體+惰性氣體高分子多孔微球多孔聚合物<200不同極性170C除水通氣活化水+多元醇+脂肪酸+胺類+腈類等氣固色譜應用實例1永久性氣體的分離051015色譜柱：60cm固定相：5A分子篩柱溫：室溫3min后10C/min升溫載氣：He檢測器：熱導池氣固色譜應用實例2烴和硫化物的分離色譜柱：PorapackQ30m0.53mm（Plot)柱溫：60C（1min），60130C（5C/min），130240C（30C/min）檢測器：FPD+FID氣液色譜（GLC）載體/擔體固定液壁涂開管柱（WCOT）填充柱毛細管柱固定液載體（1）基本要求：較大的比表面積，分布均勻的孔徑，良好的機械強度、化學惰性和熱穩(wěn)定性，表面不與固定液和樣品起化學反應，且吸附性和催化性能越小越好類型組成制備特點及應用硅藻土單細胞海藻骨SiO2+少量鹽紅色擔體：硅藻土+粘合劑900C煅燒孔徑小、比表面大。對強極性化合物吸附和催化性較強而導致脫尾，適合非極性或者弱極性物質(zhì)白色擔體：硅藻土+20%Na2CO3煅燒與紅色擔體特點不同，適合極性物質(zhì)非硅藻土有機聚合物人工合成：有機玻璃球，F(xiàn)載體，GDX載體表面難以浸潤，用于特定組份的分析硅藻土的顯微結(jié)構(gòu)載體（2）載體的表面處理：載體表面具有活性中心如硅羥基、礦物雜質(zhì)等，會引起色譜峰拖尾，因此使用前要是情況進行適當?shù)幕瘜W處理改進空隙結(jié)構(gòu)，屏蔽活性中心。方法處理過程說明酸洗3-6MHCl浸煮過濾，水、甲醇淋洗、烘干除去Al和Fe等的氧化物。用于分析有機酯和酸。一些脫尾可用以添加H3PO4或KOH解決堿洗5-10%NaOH甲醇液回流，水、甲醇淋洗、烘干除去Al2O3酸性作用點，用于胺類等堿性物質(zhì)硅烷化加入DMCS和HMDS等硅烷化試劑與-SiOH反應除去表面氫鍵活性中心。適于分析易生成氫鍵的組份：水、醇和胺釉化2%Na2CO3浸泡擔體，過濾得濾液水稀3倍，用稀濾液淋洗擔體，烘干后高溫處理表面形成釉層：屏蔽、惰化表面活性中心，并堵塞一些微孔，使空隙更均勻，減小脫尾峰，提高柱效固定液（1）一般為高沸點有機物，均勻地涂在載體表面，在分析條件下呈液膜狀態(tài)要求：選擇性好；在使用溫度下為液體；具有較低的蒸氣壓；熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好；對試樣各組分有適當?shù)娜芙饽芰?；黏度和凝固點低。固定液的選擇性取決于其與組分分子間的作用力

定向力誘導力色散力氫鍵力固定液（2）固定液的特性：指固定液的極性或選擇性，可用于描述和區(qū)別固定液的分離特征。相對極性P：人為規(guī)定角鯊烷P=0，氧二丙腈P=1001：氧二丙腈2：角鯊烷x：待測固定液0-1：非極性1-2：弱極性3：中等極性4-5：強極性特征常數(shù)：羅什耐德常數(shù)和麥克雷諾常數(shù)通過選擇可代表不同作用力類型的標準物質(zhì)，測定它們在待測固定液和參比固定液角鯊烷上保留指數(shù)的差值來表示固定液的特性，據(jù)此可根據(jù)組分與固定液的作用類型來選擇合適的固定液。固定液（3）固定液的分類按相對極性按化學結(jié)構(gòu)固定液類型極性例子分離對象烴類非極性角鯊烷、石蠟烷非極性物質(zhì)硅氧烷類弱極性甲基硅氧烷、苯基硅不同極性物質(zhì)中極性氧烷、氟基硅氧烷強極性氰基硅氧烷醇和醚類強極性聚乙二醇強極性物質(zhì)酯和聚酯類中強極性苯甲酸二壬酯各類物質(zhì)腈及腈醚類強極性氧二丙腈極性物質(zhì)有機皂土弱極性芳香異構(gòu)體常見固定液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)型號名稱極性使用溫度麥克雷諾常數(shù)XYZUS角鯊烷2,6,10,15,19,23-六甲基二十四烷非極性20-150/C000000OV-101聚甲基硅氧烷非極性20-3501757456743234OV-1SE-30聚甲基硅氧烷非極性100-3501655446542227SE-541%乙烯基,5%苯基聚甲基硅氧烷弱極性50-3001974649362312OV-1750%苯基/聚甲基硅氧烷中極性0-375119158162243202884OV-21050%三氟丙基聚甲基硅氧烷極性0-2751462383584683101520OV-22525%氰丙基,25%苯基聚甲基硅氧烷極性0-2652283693384923861813PEG-20M聚乙二醇強極性25-2753225363685725102308FFAP聚乙二醇衍生物強極性50-2503405803976026272546OV-275聚二氰烷基硅氧烷強極性25-2506298727631108494219固定液（4）固定液的選擇：通常按“相似相容”的原則待測樣品固定液流出順序非極性組分非極性沸點低的先流出極性組分極性極性小先流出各類極性混合物極性極性小先流出氫鍵性物質(zhì)氫鍵型或極性固定液不易形成氫鍵的先復雜混合物兩種或兩種以上同系物通常按照分子量順序流出毛細管柱極高的分離效率，使固定液的選擇變得相對簡單，通常實驗室具備2根極性不同的毛細管柱即可實現(xiàn)對大多數(shù)組分的分離。聚二甲基硅氧烷類固定相應用最為廣泛的固定相，具有相當高的熱穩(wěn)定性和很寬的液態(tài)溫度范圍（-60350C），適合相當數(shù)量物質(zhì)的分離固定相結(jié)構(gòu)與類型商品名稱二甲基硅烷OV-1、OV-101、SE-30、HP-1、DB-1含苯基甲基硅氧烷不同比例對應不同型號含腈丙基苯基的甲基硅氧烷不同比例對應不同型號含碳硼烷結(jié)構(gòu)的甲基硅氧烷HT5（SGE）（450C）聚乙烯烴的分離色譜柱：HT5（6m0.53mm0.1m）柱溫：-20C（1min）后升至430C（10C/min）并恒溫5min檢測器：FID聚乙二醇（PEG）類化合物極性固定相，熱穩(wěn)定性在220C以上，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2萬的聚合物（PEG20M或Carbowax20M）聚合物末端羥基可以連接各種官能團，從而可以改變其選擇性，如連接鄰硝基對苯二甲酸，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)（FFAP固定相）有機酸樣品的分離色譜柱：DB-FFAP（30m0.25mm0.25m）柱溫：100C（5min）后升至250C（10C/min）檢測器：FID1.丙酮2.甲酸3.乙酸4.丙酸5.異丁酸6.丁酸7.異戊酸8.戊酸9.異己酸10.己酸11.庚酸12.辛酸13.癸酸14.十二酸15.十四酸16.十六酸17.十八酸18.二十酸手性固定相（1）氨基酸對應體衍生物在Chirasil-Val柱上的分離圖譜（對應體前一個峰為型，后為L型）。色譜柱：Chirasil-Val（20m0.27mm）；柱溫：85C（3min）后升至185C（3.8C/min）；檢測器：FID手性固定相（2）氨基酸對映體衍生物在環(huán)糊精柱上的分離圖譜。色譜柱：Chirasil--Dex26（25m0.25mm0.20m）；柱溫：65C（2min）后升至180C（3.5C/min）；檢測器：FID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）填充老化：通載氣，柱溫高于常用柱溫10C，48小時 作用：去除殘留溶劑、低沸點雜質(zhì)、平穩(wěn)基線

老化溫度下，固定液再分布更趨于均勻——以填充柱為例新柱及柱污染后都應進行老化處理，此時應把色譜柱與檢測器斷開，以避免檢測器14-2-3氣相色譜檢測器根據(jù)對不同物質(zhì)的響應：通用型和選擇型根據(jù)檢測原理不同：濃度型和質(zhì)量型濃度型：熱導檢測器和電子捕獲檢測器質(zhì)量型：氫火焰離子化檢測器和火焰光度檢測器——感應載氣中組分變化并轉(zhuǎn)變成電信號S：檢測器響應信號；k：比例常數(shù)（靈敏度）；c：組分濃度；m：組分質(zhì)量熱導檢測器TCD（1）原理：基于樣品與載氣的導熱系數(shù)差異當R2、R3、R4和E固定不變時，U的大小取決于R1；以熱導池取代R1。熱導池由不銹鋼制成的中空池體（載氣通路）及電阻絲構(gòu)成，兩者之間存在溫差（人為設定）；載氣以恒定流速通過池體時會建立動態(tài)的傳熱平衡，此時電阻絲阻值恒定，信號U恒定（基線，可人為調(diào)0）；當載氣中混有組分時，因組分與載氣導熱能力不同會導致傳熱平衡破壞，電阻絲阻值改變，從而信號U發(fā)生相應的改變（形成色譜峰）熱導檢測器TCD（2）影響熱導池檢測器靈敏度的因素電阻絲與池體溫差：大的溫差有利于提高檢測器的靈敏度，因此在允許的范圍內(nèi)，可采用較大的橋電流（決定電阻絲的溫度，該值上限與所用載氣流速及種類有關，通常為幾十到一、二百毫安）及較低的池體溫度（但避免冷凝樣品，不能低于柱溫）；載氣：組分與載氣導熱系數(shù)相差越大靈敏度越高。因此采用H2、He為載氣時有較高的靈敏度，而采用N2為載氣時靈敏度較低；熱敏元件阻值：阻值高、電阻溫度系數(shù)大的熱敏元件，靈敏度高取決于池體的體積和載氣的純度。某些氣體與蒸氣的熱導系數(shù)氣體105（100C）氣體105（100C）氫224.3甲烷45.8氦175.6乙烷30.7氧31.9丙烷26.4空氣31.5甲醇23.1氮31.5乙醇22.3氬21.8丙醇17.6：J(cmsC)-1不同組分與載氣熱導系數(shù)的差值不同，因此檢測器對不同組分響應的靈敏度也不同，即相同量的兩組份色譜面積是不同的，反之亦然。所有的色譜檢測器均存在這個現(xiàn)象。熱導檢測器TCD（3）熱導檢測器特點：通用型檢測器,可對任何氣體均可產(chǎn)生響應；不破壞樣品（可以其他檢測器串聯(lián)），線性范圍寬；價格便宜、應用范圍廣，但靈敏度較低。為提高檢測靈敏度，通常采用雙臂或四臂熱導池檢測器。常規(guī)熱導池體積較大，不用適于毛細管柱（流量小，柱外擴散嚴重。調(diào)制式單絲TCD——適用于毛細管色譜柱通過色譜柱的載氣（含樣品）與參比用載氣被交替（頻率為10Hz）導入微型陶瓷熱導池（5L）中，產(chǎn)生10Hz的交變信號，該信號正比于熱導系數(shù)的差。放大器只檢測頻率為10Hz的信號，可克服熱噪聲的干擾，靈敏度高、基線漂移小、平衡時間短。較小的池體積及柱后尾吹（補償氣）消除了毛細管柱因柱流量小而造成的色譜峰柱外展寬。氫火焰離子化檢測器FID（1）——以毛細管柱為例FID檢測器組件同時充當了尾吹氣含C、H的有機組分在火焰中發(fā)生化學離子化反應生成CHO+和H3O+等正離子和e，在檢測組件的電場作用下形成電流。氫火焰離子化檢測器FID（2）氫火焰離子化檢測器特點典型的質(zhì)量型檢測器，具有一定的選擇性；對有機化合物具有很高的靈敏度，比TCD高出近3個數(shù)量級，檢出限可達10-12g·g-1；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；結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應迅速；樣品被破壞。FID的響應甲酸乙酸丙酸已酸甲苯甲醇乙醇丁醇已醇241086對于相同質(zhì)量的組分，F(xiàn)ID響應與其所含碳-氫鍵個數(shù)成正比影響FID靈敏度的因素載氣：選擇分子量較大的載氣如N2，有利于靈敏度的提高。H2與air的流量：應控制在適當?shù)姆秶?。SAirFlowSH2Flow載氣和air流量恒定載氣和H2流量恒定FID操做條件檢測器溫度選擇：理論上至少>100oC以避免水汽凝結(jié)（通常儀器設定<150oC時火焰將無法點燃；

檢測器溫度應高于柱溫20oC。氣體種類流量范圍推薦流量載氣（H2、He、N2）填充柱10-60mL/min毛細管柱1-5mL/min檢測氣H224-60mL/min40mL/min空氣200-600mL/min450mL/min柱流+尾吹10-60mL/min50mL/min電子捕獲檢測器ECD穩(wěn)定基流含電負性原子的組分進入后捕獲e形成負離子并與N2+結(jié)合使基流減小形成負峰。優(yōu)點：是最靈敏的GC檢測器之一，也是一種選擇性很強的檢測器，對于含鹵素有機化合物、過氧化物、醌、鄰苯二甲酸酯和硝基化合物的檢測有很高靈敏度，特別適合于環(huán)境中微量有機氯農(nóng)藥的檢測

。缺點：線性范圍較窄，一般為103，且檢測器的性能受操作條件的影響較大，載氣中痕量的氧氣會使背景噪聲明顯增大。火焰光度檢測器FPD又稱S、P檢測器，是對含S、P的有機化合物具有很高選擇性和靈敏度的質(zhì)量型檢測器。結(jié)構(gòu)與FID相似，但檢測的不是組分在氫火焰中被破壞所生成的離子，而是其所產(chǎn)生化學發(fā)光物質(zhì)發(fā)