第七章-氣相色譜法

第七章氣相色譜法基本要求：1.了解氣相色譜法的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍2.理解固定相及重要操作條件選擇的原則3.理解常用檢測器原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍4.理解常用定性方法及定量方法的優(yōu)缺點(diǎn)氣相色譜法是一種以氣體為流動相的柱色譜分離分析方法，它又可分為氣液色譜法和氣固色譜法。它的原理簡單，操作方便。在全部色譜分析的對象中，約20%的物質(zhì)可用氣相色譜法分析。氣相色譜法具有分離效率高、靈敏度高、分析速度快及應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。氣相色譜法能分離性質(zhì)極相似的物質(zhì)，如同位素、同分異構(gòu)體、對映體以及組成極復(fù)雜的混合物，如石油、污染水樣及天然精油等。它的分離能力主要是通過選擇高選擇性固定相和增加理論塔板數(shù)來達(dá)到。氣相色譜法使用高靈敏度的檢測器，有的檢測器其檢測下限可達(dá)10-12—10-14g，是痕量分析不可缺少的工具之一。例如，它可檢測食品中10-9數(shù)量級的農(nóng)藥殘留量、大氣污染中10-12氣相色譜法測定一個樣品只需幾分鐘到幾十分鐘，分析速度很快，如用微機(jī)控制整個操作過程和數(shù)據(jù)處理系數(shù)，分析周期更短。在儀器允許的氣化條件下，凡是能夠氣化且熱穩(wěn)定、不具腐蝕性的液體或氣體，都可用氣相色譜法分析。有的化合物因沸點(diǎn)過高難以氣化或熱不穩(wěn)定而分解，則可以通過化學(xué)衍生化的方法，使其轉(zhuǎn)變成易氣化或熱穩(wěn)定的物質(zhì)后再進(jìn)樣分析。7.1氣相色譜儀氣相色譜儀的型號和種類較多，但它們都是由氣路系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、色譜柱、溫度控制系統(tǒng)、檢測器和信號記錄系統(tǒng)等部分組成，如圖7-1所示。圖7-1氣相色譜儀示意圖氣相色譜法中把作為流動相的氣體稱為載氣。載氣自鋼瓶經(jīng)減壓后輸出，通過凈化器、穩(wěn)壓閥或穩(wěn)流閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)后，以穩(wěn)定的流量連續(xù)不斷地流過氣化室、色譜柱、檢測器，最后放空。被測物質(zhì)（若液體須在氣化室內(nèi)瞬間氣化）隨載氣進(jìn)入色譜柱，根據(jù)被測組分的不同分配性質(zhì)，它們在柱內(nèi)形成分離的譜帶，然后在載氣攜帶下先后離開色譜柱進(jìn)入檢測器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出信號，并記錄成色譜圖。7.1.1氣路系統(tǒng)氣相色譜儀的氣路是一個載氣連續(xù)運(yùn)行的密閉系統(tǒng)，常見的氣路系統(tǒng)有單柱單氣路和雙柱雙氣路。單柱單氣路適用于恒溫分析；雙柱雙氣路適用于程序升溫分析，它可以補(bǔ)償由于固定液流失和載氣流量不穩(wěn)等因素引起的檢測器噪聲和基線漂移。氣路的氣密性、載氣流量的穩(wěn)定性和測量流量的準(zhǔn)確性，對氣相色譜的測定結(jié)果起著重要的作用。1.載氣氣相色譜常用的載氣為氮?dú)?、氫氣和氦氣等。載氣的選擇主要由檢測器性質(zhì)及分離要求所決定。載氣在進(jìn)入色譜儀前必須經(jīng)過凈化處理。例如載氣中若含有微量水會使聚酯類固定液解聚，載氣中的氧在高溫下易使某些極性固定液氧化。對電子捕獲檢測器，載氣中水份含量更是嚴(yán)重影響儀器的穩(wěn)定性和檢測靈敏度。某些檢測器除載氣外還需要輔助氣體，如火焰離子化和火焰光度檢測器需用氫氣和空氣作燃?xì)夂椭細(xì)?。各氣路都?yīng)有氣體凈化管。常用的氣體凈化劑為子篩、硅膠、活性炭等。載氣流量由穩(wěn)壓閥或穩(wěn)流閥調(diào)節(jié)控制。穩(wěn)壓閥有兩個作用，一是通過改變輸出氣壓來調(diào)節(jié)氣體流量的大小，二是穩(wěn)定輸出氣壓。恒溫色譜中，整個系統(tǒng)阻力不變，用穩(wěn)壓閥便可使色譜柱入口壓力穩(wěn)定。在程序升溫中，色譜柱內(nèi)阻力不斷增加，其載氣流量不斷減少，因此需要在穩(wěn)壓閥后連接一個穩(wěn)流閥，以保持恒定的流量。色譜柱的載氣壓力（柱入口壓）由壓力表指示，壓力表讀數(shù)反映是柱入口壓與大氣壓之差，柱出口壓力一般為常壓。柱前流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)指示，柱后流量必要時(shí)可用皂膜流量計(jì)測量。7.1.2進(jìn)樣系統(tǒng)液體樣品在進(jìn)柱前必須在氣化室內(nèi)變成蒸氣。氣化室由繞有加熱絲的金屬塊制成，溫控范圍在50—500℃.液體樣品的進(jìn)樣通常采用微量注射器，氣體樣品的進(jìn)樣通常采用醫(yī)用注射器或六通閥。7.1.3色譜柱色譜柱是色譜儀的心臟，安裝在溫控的柱室內(nèi)，色譜柱有填充柱和開管柱（亦稱毛細(xì)管柱）兩大類。填充柱用不銹鋼或玻璃等材料制成，根據(jù)分析要求填充合適的固定相。填充柱制備簡單，對于氣液色譜填充柱，制備方法如下。根據(jù)固定液與載體的合適配比（通常為5-20%）。稱取一定量固定液，并溶解于合適的有機(jī)溶劑中，然后加入定量載體混合均勻，在紅外燈下烘烤，讓溶劑慢慢揮發(fā)殆盡。最后，將此已涂布有固定液的載體填充至色譜柱內(nèi)。對氣固色譜柱，只需將合適的吸附劑直接填充進(jìn)柱。填充固定相時(shí)要求均勻緊密，以保證良好的柱效。開管柱用石英制成，其固定相涂布在毛細(xì)管內(nèi)壁，或使某些固定相通過化學(xué)反應(yīng)鍵合在管壁上。開管柱分離效率高，對較復(fù)雜樣品都采用開管柱。具體內(nèi)容在開管柱一節(jié)中詳細(xì)介紹。7.1.4溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)用于設(shè)置、控制和測量氣化室、柱室和檢測室等處的溫度。氣化室溫度應(yīng)使試樣瞬間氣化但又不分解，通常選在試樣的沸點(diǎn)或稍高于沸點(diǎn)。對熱不穩(wěn)定性樣品，可采用高靈敏度檢測器，則大大減少進(jìn)樣量，使氣化溫度降低。檢測室溫度的波動影響檢測器（火焰離子化檢測器除外）的靈敏度或穩(wěn)定性，為保證柱后流出組分不致于冷凝在檢測器上，檢測室溫度必須比柱溫高數(shù)十度，檢測室的溫度控制精度要求在±0.1℃柱室溫度的變動會引起柱溫的變化，從而影響柱的選擇性和柱效，因此柱室的溫度控制要求精確。溫控方法根據(jù)需要可以恒溫，也可以程序升溫。當(dāng)被測樣品復(fù)雜，其中的組分的k′范圍過寬，而分離在恒溫下進(jìn)行，這往往會帶來兩個麻煩。首先是高沸點(diǎn)樣品保留時(shí)間過長，而使色譜峰既寬又矮，使分離變壞，且難以準(zhǔn)確定量。更嚴(yán)重的是某些高沸點(diǎn)組分遲遲不流出。若對未知樣品，則會誤認(rèn)為組分已全部洗脫出柱，但到了以后的分析中，它又被洗脫出來，造成組分的漏檢和誤檢。其次對沸點(diǎn)過低的組分，峰會相互緊挨，而不能很好分離。解決此麻煩的辦法是采用程序升溫氣相色譜法。即根據(jù)樣品組成的性質(zhì)使柱溫按照人為優(yōu)化的升溫速率改變，從而使各組分能在各自獲得良好分離的溫度下洗脫。程序升溫方式應(yīng)根據(jù)樣品中組分的沸點(diǎn)分布范圍來選擇，可以是線性或多階線性等（如圖7-2）。程序升溫的優(yōu)點(diǎn)有分離改進(jìn)、峰窄、檢測限下降以及省時(shí)等。圖7-3為程序升溫色譜與恒溫色譜的比較。圖7-2程序升溫方式圖7-3恒溫色譜(a)與程序升溫色譜(b)分離直鏈烷烴的比較柱長6m，柱徑1.6mm，固定液ApiezonL，載體100-120目VarAport30，He流速10mL/min。恒溫分離時(shí)，檢測器靈敏度比程序升溫時(shí)高16倍7.2檢測器7.2.1檢測器類型氣相色譜檢測器約有10多種，常用的是熱導(dǎo)檢測器、火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器、火焰光度檢測器等。這四種檢測器都是微分型檢測器。微分型檢測器的特點(diǎn)是被測組分不在檢測器中積累，色譜流出曲線呈正態(tài)分布，即呈峰形。峰面積或峰高與組分的質(zhì)量或濃度成比例。氣相色譜檢測器可分為通用性檢測器，如熱導(dǎo)和火焰離子化檢測器，以及選擇性檢測器，如電子捕獲、火焰光度檢測器。通用性指對絕大多數(shù)物質(zhì)都有響應(yīng)，選擇性指只對某些物質(zhì)有響應(yīng)，對其它物質(zhì)無響應(yīng)或響應(yīng)很小。根據(jù)檢測原理，又可將檢測器分為濃度型和質(zhì)量型。熱導(dǎo)和電子捕獲檢測器屬濃度型；火焰離子化、火焰光度檢測器屬質(zhì)量型。濃度型檢測器指其響應(yīng)與進(jìn)入檢測器的濃度的變化成比例；質(zhì)量型檢測器指其響應(yīng)與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測器的物質(zhì)量成比例。7.2.2優(yōu)良檢測器的性能指標(biāo)1.靈敏度高單位物質(zhì)量通過檢測器時(shí)產(chǎn)生的信號大小稱為檢測器對該物質(zhì)的靈敏度S。以組分的濃度(c)或質(zhì)量(m)對響應(yīng)信號(R)作圖，得一條通過原點(diǎn)的直線，如圖7-4所示。直線的斜率就是檢測器的靈敏度。通式為：(7.1)由此可知，靈敏度是響應(yīng)信號對進(jìn)入檢測器的被測物質(zhì)量的變化率。圖7-4檢測器響應(yīng)曲線2.檢測限低檢測限D(zhuǎn)又稱檢測度或敏感度，定義為當(dāng)檢測器產(chǎn)生的信號（峰高）恰是噪聲的2倍時(shí)，單位時(shí)間或單位體積內(nèi)進(jìn)入檢測器的最小物質(zhì)量（圖7-5）。圖7-5檢測器噪聲檢測限可表示為：(7.2)式中，RN為噪聲信號，單位為mV。由此可見，檢測限不僅決定于靈敏度，而且受制于噪聲，所以它是衡量檢測器性能好壞比較全面的指標(biāo)。通常情況下，D值越小的檢測器，越有利于痕量分析。3.最小檢測量低最小檢測量mmin是針對色譜體系提出的一個檢測指標(biāo)，它與檢測限不同。因?yàn)閷?shí)際工作中，被測組分不可能單獨(dú)與檢測器發(fā)生關(guān)系，檢測器總是處在與氣化室、色譜柱、記錄系統(tǒng)等構(gòu)成的一個完整的色譜體系中。色譜體系的最小檢測量指色譜峰高等于2倍噪聲時(shí)被測組分的進(jìn)樣量。見圖7-5。它與檢測器本身性能與色譜操作之間存在以下關(guān)系（對質(zhì)量型檢測器）。(7.3)由此可見，最小檢測量mmin與檢測限和半峰寬（以載氣流過的體積表示）成正比，色譜峰越窄，mmin越小。與最小檢測量緊密相關(guān)的就是最小檢測濃度(Cmin)。它可表示為：(7.4)即最小檢測量與進(jìn)樣量Q之比，它表示在一定進(jìn)樣量時(shí)，色譜體系所能檢測出的組分最低濃度。4.線性范圍寬檢測器的線性范圍是指檢測器響應(yīng)信號與被測組分質(zhì)量或濃度呈線性關(guān)系的范圍。通常以線性范圍內(nèi)最大進(jìn)樣量(mmax)與最小進(jìn)樣量(mmin)的比值，或以最大允許進(jìn)樣濃度與最小檢測濃度的比值表示。比值越大，線性范圍越寬，越有利于定量測定。圖7-4中mmin—mmax范圍即為檢測器進(jìn)樣量的線性范圍，它的實(shí)際意義是，當(dāng)組分的進(jìn)樣量變化mmax/mmin倍時(shí)，仍呈線性關(guān)系。7.2.3熱導(dǎo)檢測器熱導(dǎo)檢測器(thermalconductivitydetector,TCD)是氣相色譜常用的檢測器。其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，對有機(jī)物或無機(jī)物都有響應(yīng)，適用范圍廣，但靈敏度較低，一般適宜作常量或10-6數(shù)量級分析。熱導(dǎo)檢測器的線性范圍約為104。結(jié)構(gòu)與原理熱導(dǎo)檢測器的主要部件是一個熱導(dǎo)池，它由池體和熱敏元件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。熱導(dǎo)池池體由不銹鋼制成。池體上有四個對稱的孔道。在每個孔道中固定一根長短和阻值相等的螺旋形熱絲(鎢或錸鎢合金)，與池體絕緣。該金屬熱絲稱為熱敏元件。圖7-6熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)圖7-7熱導(dǎo)池惠斯頓電橋測量線路由四根熱線組成的四臂熱導(dǎo)池，其中二臂為參比臂，二臂為測量臂。將參比臂和測量臂接入惠斯頓電橋，通入恒定的電流，組成熱導(dǎo)池測量線路，如圖7-7所示。R2、R3為參比臂，R1、R1為測量臂，R1=R2，R3=R4。熱導(dǎo)檢測器是根據(jù)不同物質(zhì)與載氣具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)λ這一原理而設(shè)計(jì)的。熱導(dǎo)系數(shù)λ反映了物質(zhì)的傳熱本領(lǐng)，熱導(dǎo)系數(shù)大的組分，傳熱的本領(lǐng)大；反之，傳熱的本領(lǐng)小。某些氣體的熱導(dǎo)系數(shù)見表7-1。當(dāng)無樣品，僅有純載氣通過時(shí)，電流流過熱絲產(chǎn)生的熱量與載氣帶走的熱量建立熱動平衡，這時(shí)參比臂和測量臂熱絲的溫度相同，R1×R4=R2×R3，電橋處于平衡狀態(tài)，無信號輸出，此時(shí)記錄儀上記錄的是一條直線。表7-1某些氣體的熱導(dǎo)系數(shù)λ×103/J·cm-1·s·℃氣體0℃100℃相對分子質(zhì)量氫174.1223.42氦145.6174.94甲烷30.145.616氮24.331.428氬16.721.640戊烷13.022.272已烷12.620.986當(dāng)樣品組分隨載氣通過測量臂時(shí)，組分與載氣組成的二元體系的熱導(dǎo)系數(shù)與純載氣的熱導(dǎo)系數(shù)不同，由于熱傳導(dǎo)帶走測量臂的熱量，引起熱絲溫度變化，使電阻值改變。而參比臂電阻值保持不變，這時(shí)，R1×R4≠R2×R3，電橋失去平衡，A、B兩點(diǎn)間的電位不等，于是輸出信號。信號大小與組分含量成比例。2.影響靈敏度的因素(1)橋電流電橋通過的電流稱為橋電流，橋電流是熱導(dǎo)檢測器的一個重要操作參數(shù)。熱導(dǎo)池的靈敏度與橋電流三次方成正比。但橋電流過大，熱絲溫度迅速增加，影響其壽命，同時(shí)由于與池體壁溫差過大，使噪聲增大。橋電流的選擇要根據(jù)池體溫度和載氣性質(zhì)。若池體溫度較低，橋電流可適當(dāng)大些。用氫氣或氦氣作載氣時(shí)，橋電流可選在180-200mA，用氮?dú)饣驓鍤庾鬏d氣時(shí)，應(yīng)選在80-120mA。(2)載氣載氣與組分的熱導(dǎo)系數(shù)差別越大，相應(yīng)的輸出信號也越大。所以一般采用熱導(dǎo)系數(shù)大的載氣如氫氣或氦氣，而不采用熱導(dǎo)系數(shù)小的氮?dú)饣驓鍤狻Ｈ绻M分的熱導(dǎo)系數(shù)比載氣的熱導(dǎo)系數(shù)大，就會得到負(fù)信號，而且線性差，靈敏度也低。使用氫氣作載氣比氮?dú)庾鬏d氣的最小檢測量低一個數(shù)量級。(3)溫度熱導(dǎo)檢測器對溫度變化十分敏感，柱室溫度的波動會使熱絲溫度發(fā)生變化，而檢測室溫度的波動將影響熱傳導(dǎo)的穩(wěn)定性，所以必須嚴(yán)格控制柱室和檢測室的溫度，否則靈敏度和穩(wěn)定性下降。檢測室溫度較低為宜，但必須高于柱溫，以防止組分蒸汽檢測室中冷凝，熱導(dǎo)池若被冷凝的組分沾污，基線漂移增加，穩(wěn)定性下降。7.2.4火焰離子化檢測器火焰離子化檢測器(flameionizationdector,FID)是一種高靈敏度通用性檢測器。它幾乎對所有的有機(jī)物都有響應(yīng)，而對無機(jī)物、惰性氣體或火焰中不解離的物質(zhì)等無響應(yīng)或響應(yīng)很小。它的靈敏度比熱導(dǎo)檢測器高102—104倍，檢測限達(dá)10-13g/s，對溫度不敏感，響應(yīng)快，適合連接開管柱進(jìn)行復(fù)雜樣品的分離，線性范圍為1071.結(jié)構(gòu)與原理火焰高子化檢測器是根據(jù)有機(jī)物在氫氧焰中燃燒產(chǎn)生離子而設(shè)計(jì)的，主要部件是用不銹鋼制成的離子室，結(jié)構(gòu)見圖7-8。離子室由收集極、發(fā)射極（或稱極化極）、氣體入口和火焰噴嘴等部分組成。氫氣與載氣預(yù)先混合，從離子室下部進(jìn)入噴嘴，空氣從噴嘴周圍引入助燃，生成的氫氧焰為離子化能源。噴嘴本身作為發(fā)射極，火焰上方的圓筒狀電極為收集極，在兩電極間施加極化電壓產(chǎn)生電場。無組分進(jìn)入火焰時(shí)，兩極間不應(yīng)有電流流過，但實(shí)際上仍有微弱電流產(chǎn)生，這是由于雜質(zhì)在火焰中解離的結(jié)果，此微弱電流稱為基始電流。圖7-8火焰離子化檢測器當(dāng)有機(jī)物隨載氣進(jìn)入火焰時(shí)，發(fā)生離子化反應(yīng)，CnHm在火焰中發(fā)生裂解，生成自由基CH·。CH·與空氣中氧作用，生成CHO+和e：生成的離子被發(fā)射極捕獲而產(chǎn)生電流，經(jīng)高阻（107—1010Ω）放大后由記錄系統(tǒng)記錄。產(chǎn)生的離子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入火焰的碳原子數(shù)量有關(guān)，所以火焰離子化檢測器是質(zhì)量型檢測器。它對絕大多數(shù)有機(jī)化合物有很高的靈敏度，有利于分析痕量有機(jī)物。對氫火焰中不電離的CO、CO2、SO2、H2S、NH3、空氣、水和惰性氣體等不能檢測。由于對空氣和水無響應(yīng)，因此特別適合于大氣和水污染物質(zhì)的分析。2.影響靈敏度的因素氫火焰離子化檢測器的噴嘴內(nèi)徑、電極形狀及間距、極化電壓的高低均影響其檢測靈敏度。但這些參數(shù)都已有廠家經(jīng)過優(yōu)化選擇，唯獨(dú)氣體流量之比應(yīng)仔細(xì)選擇。氫氣流量有一最佳值，在最佳值時(shí)可得到最大的響應(yīng)。氫氣與載氣的流量比一般為1：1左右。氫氣與空氣的流量比約為1：10，因?yàn)閷?dǎo)入的空氣中的一部分須通過擴(kuò)散進(jìn)入火焰，為了保證有足夠的氧氣與組分分子接觸，必須提供充足的空氣?？諝獾淖畹土髁繛?00mL·min-1，低于此流量時(shí)，響應(yīng)值隨空氣流量增加而增加，到達(dá)400mL·min-1后，響應(yīng)值趨于穩(wěn)定。7.2.5電子捕獲檢測器電子捕獲檢測器(electroncapturedetector,ECD)只對電負(fù)性物質(zhì)有響應(yīng)，物質(zhì)的電負(fù)性越強(qiáng)，檢測靈敏度越高，其最小檢測濃度可達(dá)10-14g·mL-1，線性范圍為103電子捕獲檢測器是一種放射性離子化檢測器，結(jié)構(gòu)見圖7-9。與火焰離子化檢測器相似，同樣需要能源和電場。在檢測器內(nèi)裝有一個圓筒狀β放射源如63Ni為負(fù)極，另一電極為正極，兩極之間用聚四氟乙烯絕緣，極間施加直流或脈沖電壓，極間距離根據(jù)放射源和供電形式精確確定。圖7-9電子捕獲檢測器當(dāng)載氣（氮?dú)饣驓鍤猓┻M(jìn)入檢測室，受β放射源發(fā)射出的β粒子（初級電子）的不斷轟擊而電離，生成正離子和次級電子。當(dāng)外加電場存在時(shí)，初級電子和次級電子向正極遷移并被收集，形成一恒定的微電流（10-9—10-8A)當(dāng)電負(fù)性物質(zhì)(AB)隨載氣進(jìn)入檢測器后，立即捕獲這些自由電子而生成穩(wěn)定的負(fù)離子，負(fù)離子再與載氣正離子復(fù)合成中性化合物：其結(jié)果使基流下降，產(chǎn)生負(fù)信號而形成負(fù)峰。電負(fù)性組分的濃度越大，負(fù)峰越大；組分中電負(fù)性元素的電負(fù)性越強(qiáng)，捕獲電子的能力越大，倒峰也越大。7.2.6火焰光度檢測器火焰光度檢測器（flamephotometrydetector，F(xiàn)PD）是一種對硫、磷化合物有高響應(yīng)值的選擇性檢測器，又稱“硫磷檢測器”。它對硫、磷的響應(yīng)比烴類高1萬倍，適合于分析含硫、磷的有機(jī)化合物和氣體硫化物，在大氣污染和農(nóng)藥殘留分析中應(yīng)用很廣，檢測限可達(dá)10-13g·s-1（P）、10-11g·s-1(S)。火焰光度檢測器對硫和磷的線性范圍分別為103和10火焰光度檢測器是根據(jù)硫、磷化合物在富氫火焰中燃燒時(shí)能發(fā)射出特征波長的光而設(shè)計(jì)的。它由燃燒系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)見圖7-10。圖7—10火焰光度檢測器當(dāng)含硫的化合物隨載氣進(jìn)入富氫火焰中燃燒時(shí)，其機(jī)理一般認(rèn)為：當(dāng)激發(fā)態(tài)S*2分子返回基態(tài)時(shí)發(fā)射出特征波長的光(λmax為394nm)，并由光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)微電流放大器放大，最后送至記錄系統(tǒng)。含磷的化合物首先燃燒成磷的氧化物，然后在富氫火焰中被氫還原形成化學(xué)發(fā)光的HPO碎片，它可發(fā)射出λmax為526nm的特征光。四種常用檢測器的性能列于表7-2中。表7-2常用檢測器的性能檢測器性能熱導(dǎo)火焰離子化電子捕獲火焰光度類型濃度質(zhì)量濃度質(zhì)量通用性或選擇性通用基本通用選擇選擇檢測限10-8mg·mL-110-13g·s-110-14g·mL-110-13g·10-11g·s-1線性范圍104107102—104104(P)103(S)適用范圍有機(jī)物和無機(jī)物含碳有機(jī)物鹵素及親電子物、農(nóng)藥含硫、磷化合物、農(nóng)藥7.3填充柱氣相色譜固定相氣相色譜根據(jù)使用的固定相性質(zhì)分為氣固色譜和氣液色譜。氣固色譜固定相為吸附劑，氣液色譜填充柱固定相由固定液和載體組成。由于使用惰性氣體作流動相，可以認(rèn)為組分與流動相分子之間基本沒有作用力，決定色譜分離的主要因素是組分和固定相分子之間的相互作用力，所以固定相的性質(zhì)對分離起著關(guān)鍵的作用。7.3.1載體色譜用的載體是為固定液提供一個具有較大表面積的惰性表面。理想的載體應(yīng)是能牢固地保留固定液并使它呈均勻薄膜狀的無活性物質(zhì)。因此要求載體具有化學(xué)惰性，無表面吸附作用，孔穴均勻，比表面大，耐熱性強(qiáng)，無催化活性以及有一定機(jī)械強(qiáng)度和浸潤性。氣液色譜一般都使用硅藻土載體。硅藻土載體由天然硅藻土經(jīng)煅燒制得。按制造方法不同，分為紅色載體和白色載體。紅色硅藻土載體其孔徑小，約2μm，比表面大，約4m2·g-1，機(jī)械強(qiáng)度較好，但表面存在活性吸附中心，有一定的催化活性，對極性化合物易產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象。它適宜涂布非極性固定液，分析非極性和弱極性化合物。國產(chǎn)6201、201、301，國外的ChromosorbP,Chezasorb和GasChromR白色硅藻土載體其孔徑較大，約8—9μm，比表面小，約1m2·g-1。機(jī)械強(qiáng)度不如紅色載體，但表面吸附和催化活性小，適宜涂布極性固定液，分析極性或氫鍵型化合物。國產(chǎn)101、102，國外的Chromosorb(A、G、W)、Celite545、GasChrom(A、P、Q、S、Z)硅藻土載體表面由于存在硅醇基Si—OH，易與極性物質(zhì)形成氫鍵，造成拖尾，拖尾程度按下列順序：氨>水>肼>乙二醇>酸>醇>胺>酯>醚>烴。因此，必須用酸洗、堿洗、硅烷化等方法進(jìn)行處理，目的是要分別消除堿性作用中心、酸性作用中心、硅醇基活性氫與組分的作用，以減少峰的拖尾，或不可逆吸附，改進(jìn)分離。7.3.2固定液1.對固定液的要求氣液色譜中使用的固定液是高沸點(diǎn)有機(jī)物，它涂布在惰性載體表面。理想的固定液應(yīng)滿足如下要求：對被測組分化學(xué)惰性。熱穩(wěn)定性好，在操作溫度下固定液的蒸氣壓很低，不易流失。對不同的物質(zhì)具有較高選擇性。粘度小、凝固點(diǎn)低，從而可降低固定液的最低使用溫度，擴(kuò)大溫度使用范圍。對載體表面具有良好浸潤性，易涂布均勻。2．組分與固定液分子間的作用力固定液能將不同組分分離是由于組分在固定液中的溶解度不同，而溶解度的差別與組分和固定液分子間的相互作用力大小有關(guān)。顯然，與固定液作用力大的組分較遲流出，與固定液作用力小的組分先流出。分子間的作用力主要有定向力、誘導(dǎo)力、色散力和氫鍵力等。（1）定向力又稱靜電力或Keeson力。這是由于具有永久偶極矩的極性分子之間的靜電作用力而產(chǎn)生的。（2）誘導(dǎo)力又稱Debye力。在具有永久偶極的極性分子誘導(dǎo)下，使非極性分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩。這種誘導(dǎo)力也可以產(chǎn)生在極性分子相互之間。（3）色散力又稱London力。由于電子運(yùn)動使非極分子內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位置的瞬間變化而產(chǎn)生瞬間偶極作用力。這是非極性分子相互之間唯一的作用力。（4）氫鍵力分子中，與電負(fù)性原子構(gòu)成共價(jià)鍵的氫原子，同時(shí)又能與另一個電負(fù)性原子以靜電作用力形成類似配價(jià)鍵狀態(tài)，這種力稱為氫鍵力，是一種特殊的定向力。常見的氫鍵強(qiáng)弱次序?yàn)椋篎-H……F>O-H……F>O-H……N>N-H……N3．固定液特征常數(shù)（1）Kovats保留指數(shù)也稱保留指數(shù)，是Rohrschneider和McReynolds常數(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。人為規(guī)定，在任一色譜條件下，對碳數(shù)為n的任何正構(gòu)烷烴，保留指數(shù)為100n。如正己烷，保留指數(shù)為600。在指定實(shí)驗(yàn)條件下測得組分的調(diào)整保留值后，被測組分的保留指數(shù)IX可按下式計(jì)算： (7.5)式中，t′R,X、t′R,n和t′R,n+2分別為被測組分、碳數(shù)為n和n+z的正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留時(shí)間。Z為兩正構(gòu)烷烴碳原子數(shù)之差，一般為數(shù)個。由上式可知，欲測定一個組分的保留指數(shù)，必須同時(shí)測定兩個經(jīng)過選擇的相鄰正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留時(shí)間，而這兩個調(diào)整保留時(shí)間必須在被測組分的前后。保留指數(shù)與相對保留值相似，也是用來表示一個組分的相對保留能力的大小。兩者之間的差別在于，相對保留值以任意選定的單個化合物為參比標(biāo)準(zhǔn)，保留指數(shù)以正構(gòu)烷烴系列為參比標(biāo)準(zhǔn)。氣液色譜柱上，在恒定的溫度下獲得如下數(shù)據(jù)：組分空氣正己烷樣品組分正庚烷保留時(shí)間/min0.224.135.206.35試計(jì)算樣品組分的保留指數(shù)。解：由題意知，在樣品組分之前出峰的正構(gòu)烷烴是正己烷，碳數(shù)n=6，代入式（7.5），樣品組分的保留指數(shù)為： 這一結(jié)果表明該組分在此色譜體系下的保留值相當(dāng)于具有6.538個碳原子數(shù)的正構(gòu)烷烴的保留值。事實(shí)上不可能存在這種正構(gòu)烷烴，但I(xiàn)值為保留值文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一比較提供了一種更可行的途徑。（2）Rohrschneider和McReynolds常數(shù)Rohrschneider于1966年提出用保留指數(shù)的差值△I來表示固定液的相對極性?！鱅值越大，表示固定液和組分之間的作用力越大，固定液的選擇性越高。他選用五種分別代表不同作用力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來測定固定液的特征：苯（電子給予體）表示易極化物質(zhì)，乙醇（質(zhì)子給予體）代表氫鍵型化合物，甲乙酮（質(zhì)子接受體）代表接受氫鍵能力強(qiáng)的化合物，硝基甲烷（質(zhì)子接受體）代表特殊氫鍵化合物，吡啶（質(zhì)子接受體）代表氮雜環(huán)上可形成大π鍵的物質(zhì)，也是易極化物質(zhì)。若分別測定它們在被測固定液和參比固定液角鯊?fù)椋ǚ菢O性）上的保留指數(shù)，并計(jì)算出在兩種固定液上的保留指數(shù)差值，即△I。1970，McReynolds對Rohrschneider的工作加以改進(jìn)，選用苯、正丁醇、2-戊酮、1-硝基丙烷、吡啶、2-甲基-2-戊醇、碘丁烷、2-辛炔、二氧六環(huán)、順八氫化茚十種物質(zhì)，在柱溫120℃下分別測定它們在226種固定液和角鯊?fù)樯系摹鱅值。由于前五種物質(zhì)的△I值已足以表達(dá)固定液的相對極性，所以把該五項(xiàng)之和稱為總極性。表7-3列出一些常用固定液的McReynolds常數(shù)。X′、Y′、Z′、U′、S′分別表示五種物質(zhì)的△I表7-3McReynolds常數(shù)苯丁醇2-戊酮1-硝基吡啶丙烷固定液型號平均總極性最高使用極性溫度，℃X′Y′Z′U′S′角鯊?fù)镾Q0000000100甲基硅橡膠SE-30155344644143217300苯基(10%)甲基聚硅氧烷OV-34486811248885423350苯基(20%)甲基聚硅氧烷OV-769113111171128118592350苯基(50%)甲基聚硅氧烷DC-710107149153228190165827225苯基(60%)甲基聚硅氧烷OV-221601881912832532191075350三氟丙基(50%)甲基聚硅氧烷QF-11442333554633053001500250氰乙基(25%)甲基硅橡膠XE-602043813404933673571785250聚乙二醇-20000PEG-20M3225363685725104622308225己二酸二乙二醇聚酯DEGA3786034606656585532764200丁二酸二乙二醇聚酯DEGS4927335818337916863504200三（2-氰乙氧基）丙烷TCEP593857752102891582941451754.固定液的選擇當(dāng)樣品中的組分分子進(jìn)入色譜柱后，有兩種力促使不同的組分子先后流出色譜柱。一種是建立在拉烏爾定律基礎(chǔ)上的純組分的蒸汽壓的大小，即它們的相對揮發(fā)度的大小。另一種力是組分分子與固定液分子之間的分子作用力。由于這兩種力的共同作用結(jié)果決定了固定液的選擇性大小。這種選擇性可以由式7.6表達(dá)出來。 (7.6)p0表示純組分的蒸汽壓，γ°是組分在分配體系中的活度系數(shù)，即反映了在進(jìn)行兩相分配時(shí)，組分（溶質(zhì)）與固定液（溶劑）之間的作用的大小。作用越大，則γ°值越遠(yuǎn)離1。由式(7.6)可知，兩組分要獲得良好選擇性，必須滿足兩個條件：蒸汽壓有足夠差別或活度系數(shù)要有足夠差別。例如分離苯和環(huán)己烷時(shí)，由于它們的沸點(diǎn)十分接近，前者為80.1℃，后者為80.8℃，因此在同一柱溫下，它們的P0值十分接近，要獲得良好分離只有選擇與兩者的作用力有足夠大差別的固定液。顯然選擇非極性固定難以分離，而選擇極性固定液使苯分子容易被極化而保留，環(huán)己烷則不易被極化而先流出柱子。這一次序正好與沸點(diǎn)順序相反。因此從式根據(jù)以上理論，固定液選擇的原則大致如下。對非極性混合物一般選擇非極性固定液，組分和固定液分子間的作用力主要是色散力。各組分按沸點(diǎn)順序出峰，即低沸點(diǎn)的先流出，高沸點(diǎn)的后流出。如果非極性混合物中含有極性組分，測沸點(diǎn)相近的極性組分先流出。對中等極性混合物一般選擇中等極性固定液，這時(shí)組分和固定液分子間的作用力主要是色散力和誘導(dǎo)力。若誘導(dǎo)力很小，則組分基本上按沸點(diǎn)順序出峰。但在分離沸點(diǎn)相近的非極性和可極化組分的混合物時(shí)，則誘導(dǎo)力起主要作用。對強(qiáng)極性組分一般選擇強(qiáng)極性固定液，這時(shí)組分和固定液分子間的作用力主要是定向力。極性越大，作用力越大，各組分按極性順序出峰，即極性小的先流出。如果極性組分中含有非極性組分，則非極性組分最先流出。對易形成氫鍵的組分應(yīng)選用氫鍵型固定液或極性固定液，如腈醚、多元醇等，此時(shí)組分按其與固定液分子間形成氫鍵能力的大小順序出峰，不易形成氫鍵的先流出，易形成氫鍵的后流出。表7-3列出的12種常用固定液，它的特點(diǎn)是極性均勻遞增，反映分子間的全部作用力，可作為色譜分離的優(yōu)選固定液。3．手性選擇劑光學(xué)異構(gòu)體在生物活性、毒性及其代謝機(jī)制方面都不相同。例如手性藥物分子的兩種對映體的藥理作用相同或完全不同，它們的藥效差別很大或完全相反。因此外消旋體的拆分極為重要。常見的拆分方法有直接結(jié)晶法、酶拆分法、化學(xué)拆分法以及色譜分析法。色譜分析法又可分為間接法和直接法。間接法就是讓手性衍生化試劑與被分析組分反應(yīng)，使對映體轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍τ丑w后，利用其物理和化學(xué)性質(zhì)的不同，可以在普通的非手性固定相上進(jìn)行分離。然后再經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化，使其再生出原對映體。由于間接法具有以下缺點(diǎn)，使用受到極大的限制。這些缺點(diǎn)是：必須進(jìn)行樣品預(yù)處理，使其轉(zhuǎn)變成非對映體，因而費(fèi)時(shí)；被分析組分必須具有可反應(yīng)的活性基團(tuán)；手性衍生化試劑的純度要很高，且與兩種對映體的衍生化速率相同；檢測器對兩種外消旋體的響應(yīng)也應(yīng)相同；為了避免衍生化反應(yīng)中的立體轉(zhuǎn)換，反應(yīng)條件應(yīng)恰當(dāng)選擇。要解決以上問題很不容易。但是間接法在直接法無法采用時(shí)，或被分析物的檢測靈敏度達(dá)不到時(shí)，有其特別用處。直接法就是采用手性選擇劑（手性固定相和手性流動相添加劑，后者只用于液相色譜和毛細(xì)管電泳法中）進(jìn)行分離。由于手性固定相可成千次使用，不要更換各種手性添加劑，而且對分離機(jī)理的解釋和確定分子構(gòu)型顯示出它的優(yōu)越性，因此手性固定相得到迅速發(fā)展。尋找合適的手性固定相也成了分離對映體的關(guān)鍵。(1)天然手性物質(zhì)環(huán)糊精（Cyclodextrin,CD）是由淀粉經(jīng)酶發(fā)酵而生成的。它是一個含有多個D-（+）-吡喃葡萄糖單元，通過1，4-α-甙鍵首尾相接形成一個大環(huán)分子。它的結(jié)構(gòu)如圖7—11。其幾種常用環(huán)糊精的物理性質(zhì)見表7-4。圖7—11環(huán)糊精結(jié)構(gòu)表7-4幾種常用環(huán)糊精的物理性質(zhì)環(huán)糊精含葡萄糖相對分子量質(zhì)量空穴尺寸（nm）水溶性單元外徑內(nèi)徑深度α-CD69730.1370.570.78β-CD711350.1530.780.78γ-CD812970.1690.950.78從環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)看，每個葡萄糖單元上含兩個二級羥基，處于洞穴大口，C-6上的一級羥基處在小口處，故唇口較親水，而洞穴內(nèi)部是由兩圈C-H鍵組成醚環(huán)構(gòu)成。當(dāng)被拆分組分進(jìn)入環(huán)糊精洞穴中，形成穩(wěn)定性不同的包絡(luò)物，就成了此手性固定相能識別對映體的必要條件。下面以心得安這一藥來說明其分離機(jī)理，心得安的結(jié)構(gòu)如下：由X射線結(jié)晶學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)投影所形成的β-環(huán)糊精包絡(luò)物結(jié)構(gòu)如圖7-12所示。圖7—12環(huán)糊精與心得安包絡(luò)物的計(jì)算機(jī)投影圖(a)d型(b)l型此對映體二級胺所處的位置決定了新形成的包絡(luò)物的穩(wěn)定性。因?yàn)閐型結(jié)構(gòu)中N原子與β-CD上離得最近的是2-羥基和3-羥基，其距離分別為0.33nm和0.28nm。此距離是形成氫鍵的合理距離，作用強(qiáng)，保留值大。反之l型結(jié)構(gòu)中的N原子與相隔一個葡萄糖單元的2-羥基和3-羥基的距離分別為0.38和0.45nm，從而使兩者之間的氫鍵力大大削弱，保留值變小。這樣d型和l型就能獲得良好分離。為了改進(jìn)對不同對映體的分離，還可以將環(huán)糊精上的羥基進(jìn)行衍生化，改變兩洞穴口基團(tuán)性質(zhì)，使它的應(yīng)用前景更為廣闊。（2）合成的手性固定相合成手性固定相就是根據(jù)所要分離的對映體的性質(zhì)，通過合理的分子設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)。要使手性固定相有效識別對映體，在固定相設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循Dalgleish提出的“三點(diǎn)作用模式”理論。即手性固定相與其中一個對映體最少必須有三個作用中心發(fā)生相互作用，而其中一個作中心必定是由立體化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的（圖7-13）。圖7—13三點(diǎn)相互作用模式很顯然，一種對映體同時(shí)有A、B、C三個作用中心與手性固定相作用，而另一種映體則不可能實(shí)現(xiàn)。因此作用力的強(qiáng)弱決定了對映體的保留值大小。例如要分離β-3,4——二羥基苯丙氨酸對映體，可以將L-精氨酸通過化學(xué)鍵合至硅膠上作為手性固定相。根據(jù)“三點(diǎn)作用”理論（圖7-14），即能成功地拆分此對映體。為了增加手性固定相的穩(wěn)定性，提高使用溫度，氨基酸的衍生物可通過合適化學(xué)反應(yīng)鍵合到非揮發(fā)性的聚硅氧烷上后，再用作固定相。圖7-14β-3,4——二羥基苯丙氨酸對映體拆分機(jī)理7.3.3固體吸附劑在氣固色譜分析中，固定相是一種表面具有一定活性的固體吸附劑。固體吸附劑的吸附能力很強(qiáng)，最適于分離氣體和低沸點(diǎn)烴類。對固體吸附劑要求吸附容量大，熱穩(wěn)定性好，在使用溫度下不發(fā)生催化活性。但由于吸附等溫線的非線性而產(chǎn)生不對稱峰。吸附劑的吸附焓大而使保留值過長。炭炭是非極性吸附劑。把炭黑置于惰性氣體中加熱至3000℃得到石墨化炭黑。石墨化炭黑可分離醇、酸、酚、胺等多種極性化合物且峰不拖尾，也可分離某些異構(gòu)體。國外商品名為Carbopack。炭分子篩，又稱碳多孔小球，由聚偏二氯乙烯小球經(jīng)高溫?zé)峤馓幚淼玫健Ｌ糠肿雍Y孔徑具有典型的非極性表面，適于分析低碳烴和氣體及短鏈極性化合物。國產(chǎn)的TDX系列，國外的CarbosieveB2．氧化鋁氧化鋁是一種中等極性吸附劑，熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都很好，主要用于分析C1-C4烴類及其異構(gòu)體。氧化鋁的含水量對分離影響很大，一般要求小于1%。3．硅膠硅膠是一種強(qiáng)極性吸附劑。硅膠常用于分析硫化物，如在40℃時(shí)，在4min內(nèi)可分離COS、H2S和SO2。國產(chǎn)的DG系列多孔硅珠，國外的Chromosil、Porasil、Spherosil4．分子篩分子篩是強(qiáng)極性吸附劑，是人工合成的硅鋁酸鹽，主要組成為MXO.Al2O3.SiO2（M表示Na+或Ca2+），常用型號有13X和5A，前者屬鈉型，后者屬鈣型。分子篩使用前必須經(jīng)過活化，活化溫度300-500℃，以除去孔穴中吸附的水分子。充分活化的分子篩在室溫條件下可使H2、O2、N2、CH4和CO5．高分子多孔微球高分子多孔微球是一種新型的合成有機(jī)固定相。它可分為極性和非極性兩種。如果在聚合時(shí)，引入不同極性的基團(tuán)，就可以得到具有一定極性的高聚物，如國產(chǎn)的GDX-3型和4型，401有機(jī)載體，國外的PorapakN等均屬此類。非極性的是由二乙烯基苯與苯乙烯共聚而成，如國產(chǎn)的GDX-1型和2型，國外的Chormosorb-104等均屬此類。高分子多孔微球的比表面大，機(jī)械強(qiáng)度較好，耐腐蝕。它可分析極性的多元醇、脂肪酸、腈類、胺類或非極性的烴、醚、酮等，而且峰形對稱，拖尾現(xiàn)象很少，尤其適合于分析有機(jī)物中的微量水，它的最高使用溫度為250℃7.4開管柱氣相色譜法7.4.1開管柱的優(yōu)缺點(diǎn)1957年，Golay以內(nèi)壁涂布了一薄層固定液的毛細(xì)管代替普通的填充柱，發(fā)現(xiàn)其分離能力遠(yuǎn)高于填充柱。由于固定液附著在管內(nèi)壁，中心是空的，因此稱開管柱（圖7-16）。也稱毛細(xì)管柱。圖7-15開管柱剖面圖總柱效高開管柱內(nèi)徑一般為0.1-0.7mm，內(nèi)壁固定液膜極薄，中心是空的，因此傳質(zhì)阻力很小，而且渦流擴(kuò)散項(xiàng)不存在，譜帶展寬變小。由于開管柱的阻力很小，因此柱長可為填充柱的幾十倍，其總柱效顯然比填充柱高得多。分析速度快開管柱的相比約為填充柱的數(shù)十倍。由于液膜極薄，分配比K′很小，相比大，組分在固定相中的傳質(zhì)速度極快，因此有利于提高柱效和分析速度。柱容量小開管柱的相比高，K′必然很小，因此使最大允許進(jìn)樣量受到限制，對單個組分而言，約0.5ug就達(dá)到極限。為將極微量樣品導(dǎo)入開管柱，一般需采用分流進(jìn)樣法。分流進(jìn)樣法就是將均勻揮發(fā)的樣品進(jìn)行不等量的分流，只讓極小部分樣品（約幾十分之一或幾百分之一）進(jìn)入柱內(nèi)。進(jìn)入柱內(nèi)的樣品量占注射樣品量的比例，稱為分流比。采用分流法進(jìn)樣的最大缺點(diǎn)是大部分樣品放空，這對痕量分析來說極為不利，而且容易使寬沸程樣品在分流以后失真，因此近年來發(fā)展了大口徑開管柱。它的分離能力比填充柱高，分析速度快，而K′比普通開管柱大，可以采用氣化后直接進(jìn)樣而不分流。大口徑開管柱的內(nèi)徑一般大于0.5mm，液膜約1μm厚，而小口徑開管柱的液膜只有0.2μm左右。7.4.2開管柱類型涂壁開管柱（wallcoatedopentublarcolumn,WCOT）最早的涂壁開管柱是將固定液直接涂布在光滑的玻璃柱內(nèi)壁（圖7-17(a)）。由于表面積有限，可涂固定液量很少，加之玻璃表面的浸潤性差，對表面張力大的固定液的涂布更困難，液膜不易均勻，分離能力差。一般通過提高玻璃的臨界表面張力，改變非浸潤性。通常采用氯化氫或氟化腐蝕玻璃表面的方法，使其表面粗糙化，減少固定液液滴的接觸角，使固定液鋪展開來。表面粗糙化雖然改進(jìn)了對固定液的浸潤性，但表面的活性也隨之增大，吸附嚴(yán)重。通常采用硅烷化的方法，使表面的活性硅醇基被硅烷醚基取代。常用的硅烷化試劑有：三甲基氯硅烷、六甲基二硅氨烷，或者是兩者的混合物。以六甲基二硅氨烷為例，其反應(yīng)如下：—Si—O—Si—+(CH3)3—Si—N—Si(CH3)3—Si—O—Si—+NH3OHOHHOOSi(CH3)3Si(CH3)32.多孔層開管柱（porous-layeropentublarcolumn，PLOT）在管壁上涂有一層多孔材料,如分子篩、氧化鋁、石墨化炭黑及高分子多孔微球等，就成了吸附型多孔層開管柱。若將普通的載體沉積于表面，再涂布合適的固定液，就制成分配型的多孔層開管柱（Support-coatedOpenTublarColumn,SCOT）。所有的SCOT柱都屬PLOT柱，但并非所有的PLOT柱都是SCOT柱（圖7-17）。與WCOT柱相比，SCOT柱與PLOT柱的柱容量大，固定液流失小。圖7—16開管柱類型若從其他角度出發(fā)，開管柱還可以分為：鍵合型開管柱將固定液通過化學(xué)鍵合的方法，與玻璃表面的硅醇基反應(yīng)而鍵合到開管柱內(nèi)壁。這類柱子的熱穩(wěn)定性好，固定液的使用溫度的上限大為提高。交聯(lián)型開管柱在自由基的引發(fā)下，或在高能輻射誘導(dǎo)下，產(chǎn)生原位分子間的共價(jià)交聯(lián)，從而使固定液固化。固定液通過交聯(lián)以后，具有耐高溫、抗溶劑沖洗、化學(xué)穩(wěn)定性好、柱流失小、柱壽命長等優(yōu)點(diǎn)，并且有利于大口徑厚液膜柱的制備。目前，開管柱都用高純度的熔融二氧化硅或天然石英拉制成開管柱。為了保持其柔性，不易斷裂，在柱子外表面包以聚酰亞胺高分子材料。由于它容易操作，石英的惰性好，分離能力強(qiáng)，其應(yīng)用廣泛程度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過填充柱。對復(fù)雜樣品的分離，基本都采用化學(xué)鍵合開管柱。例如在光學(xué)異構(gòu)體的分離中更顯示出優(yōu)越性。將開管柱柱壁首先進(jìn)行化學(xué)改性，然后進(jìn)行手性固定相鍵合。圖7-17中的手性固定相為鍵合在開管柱壁上的L-纈氨酸衍生物。圖7-17氨基酸對映體的分離分離中采用的開管柱柱長39m內(nèi)徑0.30mm，柱溫110℃。當(dāng)有些氨基酸的揮發(fā)性不好，不能直接進(jìn)樣分析，而需預(yù)先通過化學(xué)衍生化，使它轉(zhuǎn)變成更具揮發(fā)性的N7.4.3填充柱與開管柱的比較填充柱與開管柱相比的最大優(yōu)點(diǎn)是前者制備方便、廉價(jià)、允許進(jìn)樣量大，而開管柱一般都購買商品柱。由于柱長可達(dá)數(shù)十米，因此總柱效高，有利分離。兩者的比較見表7-5。表7-5氣相色譜填充柱與開管柱的比較填充柱WCOTSCOT柱長，m1-510-10010-100內(nèi)徑，mm2-40.1-0.70.5柱效，n/m5×102-1×1031×103-4×1036×102-1.2×103允許進(jìn)樣量，μg0.1-1030.01-10.01-1柱壓高低低7.5定性和定量分析色譜分析時(shí)，有些試樣可以直接用注射器抽取進(jìn)行分析，但對不少試樣需要進(jìn)行預(yù)處理，如試樣中干擾物質(zhì)的消除或低濃度試樣的濃縮。此外，對一些極性較大的有機(jī)酸、醇等，它們的揮發(fā)性過低，或?qū)τ谝恍岱€(wěn)定性差的試樣須進(jìn)行化學(xué)衍生化，如重氮甲烷甲酯化、三甲基硅烷化等，使它們轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的、易揮發(fā)的物質(zhì)后進(jìn)行色譜分析。7.5.1定性分析氣相色譜法定性主要采用未知組分的保留值與相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的保留值進(jìn)行比較，必要時(shí)還須應(yīng)用其它化學(xué)方法或儀器分析方法聯(lián)合鑒定，才能準(zhǔn)確判斷存在的組分。利用保留值定性利用保留值定性是最常用的也是最簡單的方法。在相同條件下，如果標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的保留值與被測物中某色譜峰的保留值一致，可初步判斷二者可能是同一物質(zhì)。也可以在樣品中加入一已知的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，若某一峰明顯增高，則可認(rèn)為此峰代表該物質(zhì)。在無純的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí)，可將得到的相對保留值ri,s與文獻(xiàn)報(bào)道的ri，s值比較，但必須在相同條件下進(jìn)行。在定性分析時(shí)，相對保留值α，往往用ri,s表示。i代表需定性的某一組分，s代表標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)。利用保留值定性必須注意，在同一柱上，不同的物質(zhì)常常會有相同的保留值，所以單柱定性是不可靠的，解決的辦法是選擇極性不同的二根或二根以上柱子再進(jìn)行比較，若在二根極性不同的柱上，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與被測組分的保留值相同，則可確定該被測組分的存在。Kovats保留指數(shù)是廣泛采用的定性指標(biāo)，在無純的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對照時(shí)，可利用文獻(xiàn)中的保留指數(shù)定性。在與文獻(xiàn)相同的條件下，根據(jù)式（7-5）測定被測物的保留指數(shù)，然后與文獻(xiàn)值比較定性。該方法的誤差小于1%。也可利用比保留體積定性。保留體積VR、V′R不受載氣流量變化的影響，但受柱溫、固定液含量、柱長、柱內(nèi)徑等影響。而比保留體積Vg僅是溫度的函數(shù)。Vg定義為0℃時(shí)，單位重量固定液所具有的凈保留體積（mL·g-1 (7.7)式中，VN為凈保留體積；WS為固定液質(zhì)量。凈保留體積指經(jīng)過校正后的調(diào)整保留體積： (7.8)FC為經(jīng)過校正后的柱內(nèi)載氣平均流量：(7.9)F為在室溫下，用皂膜流量計(jì)測得的柱后體積流量。TC和Tr分別為柱溫和室溫(K),Po為柱出口壓力,Pw為飽和水蒸汽壓力。式中，j為壓力校正因子，可由柱的入口壓力Pi和出口壓力P0計(jì)算： (7.10)表7-7列出了不同進(jìn)口壓力比時(shí)的j值。表7-7壓力校正因子Pi/P0jPi/P0j1.001.001.800.6951.100.9521.900.6681.200.9072.000.6431.300.8652.100.6191.400.8262.200.5971.500.7902.300.5761.600.7562.400.5571.700.7252.500.539由式6.15知，在氣相色譜中，經(jīng)過三項(xiàng)校正的V′R即為VN，所以 (7.11)則 (7.12)或 (7.13)式中，ρ為固定液密度；K為分配系數(shù)。色譜——質(zhì)譜聯(lián)用定性色譜一質(zhì)聯(lián)用是分離、鑒定未知物最有效的手段。利用氣相色譜的高分離能力和質(zhì)譜的高鑒別能力，將多組分混合物先通過氣相色譜儀分離成單個組分，然后逐個送至質(zhì)譜儀中，獲得質(zhì)譜圖。根據(jù)質(zhì)譜圖上碎片離子的特征信息和分子裂解規(guī)律可推測其分子結(jié)構(gòu)。也可以與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照，查找出結(jié)構(gòu)。更方便的是對計(jì)算機(jī)貯存的質(zhì)譜圖進(jìn)行檢索。也可以由色譜與傅里葉變換紅外光譜聯(lián)用，即可確定每個峰的歸屬。例2在一色譜柱上，戊烷的實(shí)驗(yàn)條件和保留數(shù)據(jù)如下：戊烷的保留時(shí)間為4.50min,空氣峰保留時(shí)間為30s，用皂膜流量計(jì)測得載氣流量為75.0mL·min-1,柱溫100℃，室溫24℃，柱前壓力表讀數(shù)為0.60×105Pa,大氣壓為1.01×105Pa。固定液重量4.20g,密度ρ為0.95g.mL-1(100℃)。試計(jì)算：

（2）戊烷的分配系數(shù)。解：（1）注意，壓力表讀數(shù)為柱入口壓與大氣壓之差，則入口壓為1.61×105Pa。從表7-7查得壓力校正因子j=0.756,從文獻(xiàn)可查得24℃時(shí)飽和水蒸氣壓為0.2983×104Pa,根據(jù)式（7.8），凈保留體積為：因此由式（7.7），比保留體積為：（2）根據(jù)式（7.11），凈保留體積：得分配系數(shù)：或根據(jù)式（7.13）得：7.5.2定量分析色譜定量分析的依據(jù)是組分的量（mi）與檢測器的響應(yīng)信號（峰面積Ai或峰高h(yuǎn)i）成比例：(7.14)因此必須求得峰面積和定量校正因子f:（簡稱校正因子）。峰面積的測量一個色譜峰的面積，在理想狀態(tài)下視作一個等腰三角形，利用幾何學(xué)方法即可求得，但此面積與相應(yīng)高斯曲線的積分面積相比，只有0.94，因此準(zhǔn)確的面積可按下式計(jì)算。(7.15)若峰拖尾或前伸，或峰太窄，太矮都會帶來測量誤差。目前的色譜儀都配有電子積分儀或微處理機(jī)，甚至計(jì)算機(jī)工作站。電子積分儀的原理是將色譜信號直接輸入電壓頻率轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將色譜信號以脈沖方式輸出并累加，（脈沖總數(shù)正比于峰面積）然后以積分形式打印出峰面積。電子積分儀測量峰面積的準(zhǔn)確性超過其它任何方法，而且快速。由于動態(tài)線性范圍廣，因此對痕量和常量組分的測定都合適。許多積分儀都具有校正數(shù)據(jù)的能力，并可打印出峰面積或峰高，保留時(shí)間，并根據(jù)選擇的定量方法給出樣品中組分的濃度。先進(jìn)的色譜儀具有內(nèi)存的電子積分和數(shù)據(jù)處理能力，并可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將檢測器給出的大量信息輸入中心計(jì)算機(jī)，以進(jìn)行面積測量和一系列數(shù)據(jù)處理。校正因子(1)絕對校正因子由式（7.14）可得到絕對校正因子：(7.16)由此可知，絕對校正因子表示單位峰面積或單位信號所代表的組分量。fi值與檢測器性能、組分和流動相性質(zhì)及操作條件等有關(guān)。（2）相對校正因子由于不易得到準(zhǔn)確的絕對校正因子，在實(shí)際定量分析中采用相對校正因子。組分的絕對正因子fi和標(biāo)準(zhǔn)物的絕對校正因子fS之比即為該組分的相對校正因子f'i：(7.17)式中，mi和ms分別為組分和標(biāo)準(zhǔn)物的量之比；Ai和AS分別為組分和標(biāo)準(zhǔn)物的峰面積。（3）相對校正因子的測定相對校正因子，一般都應(yīng)由實(shí)驗(yàn)者自己測定。準(zhǔn)確稱取組分和標(biāo)準(zhǔn)物，配制成一溶液，取一定體積注入色譜柱，經(jīng)分離后，測得各組分的峰面積，再由式（7.17）可計(jì)算出該組分的相對校正因子。標(biāo)準(zhǔn)物可以是外加的，也可以指定某一被測組分。相對校正因子與組分和標(biāo)準(zhǔn)物的性質(zhì)及檢測器類型有關(guān)，與操作條件無關(guān)。當(dāng)無法得到被測的純組分時(shí)，也可利用文獻(xiàn)值。文獻(xiàn)中的相對校正因子常用苯（對熱導(dǎo)檢測器）或庚烷（對火焰離子化檢測器）作標(biāo)準(zhǔn)物。測定相對校正因子時(shí)應(yīng)注意：組分和標(biāo)準(zhǔn)物的純度應(yīng)符合色譜分析要求，一般不小于98%。在某一濃度范圍內(nèi)，響應(yīng)值與濃度呈線性關(guān)系，組分的濃度應(yīng)在線性范圍內(nèi)。定量方法(1)歸一化法歸一化法簡便、準(zhǔn)確，且操作條件的波動對結(jié)果的影響較小。當(dāng)樣品中所有組分經(jīng)色譜分離后均能產(chǎn)生可以測量的色譜峰時(shí)才能使用。樣品中組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Pi可按下式計(jì)算：(7.18)式中，A1…An和f'1…f'n分別為樣品中各組分的峰面積和相對校正因子。如果樣品中各組分的相對校正因子相近，如同分異構(gòu)體，上式可簡化為：也可采用峰高歸一化法： (7.19)式中，f'h,i為峰高相對校正因子，測定f'h，i的方法與f'i同。由于峰高相對校正因子易受操作條件影響，因此必須嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件。(2)內(nèi)標(biāo)法選擇一種與樣品性質(zhì)相近的物質(zhì)為內(nèi)標(biāo)物，加入到已知質(zhì)量的樣品中，進(jìn)行色譜分離，測量樣品中被測組分和內(nèi)標(biāo)物的峰面積，被測組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可按下式計(jì)算： (7.20)在測定相對校正因子時(shí)，常以內(nèi)標(biāo)物本身作為標(biāo)準(zhǔn)物，則f's=1。式中，Ai和As分別為樣品中被測組分和內(nèi)標(biāo)物峰面積；f'i為相對校正因子；m和ms分別為樣品和內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量。內(nèi)標(biāo)物色譜峰位置盡量靠近被測組分，但不與其重疊，且其含量應(yīng)與組分含量接近。內(nèi)標(biāo)法定量準(zhǔn)確，對進(jìn)樣量和操作條件控制的要求不很嚴(yán)格，但必須準(zhǔn)確稱量樣品和內(nèi)標(biāo)物。此法適用于只需對樣品中某幾個組分進(jìn)行定量分析的情況。(3)校準(zhǔn)曲線法用被測組分的純物質(zhì)配制一系列不同含量的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在一定色譜條件下分別進(jìn)樣分離，測得相對應(yīng)的響應(yīng)值（峰高或峰面積），繪制含量——響應(yīng)曲線，通過原點(diǎn)的直線部分為校準(zhǔn)曲線的線性范圍。在同樣條件下測得被測組分的響應(yīng)值，再從曲線上查得相應(yīng)的含量。在已知樣品校準(zhǔn)曲線呈線性的前提下，配制一個與被測組分含量相近的標(biāo)準(zhǔn)物，在同一條件下先后對被測組分和標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行測定，被測組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可按下式計(jì)算： (7.21)式中，Ai和AS分別為被測組分和標(biāo)準(zhǔn)物的數(shù)次峰面積的平均值；PS為標(biāo)準(zhǔn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。也可用峰高代替峰面積進(jìn)行計(jì)算。校準(zhǔn)曲線法要求操作條件穩(wěn)定，進(jìn)樣體積一致。此法適用于樣品的色譜圖中無內(nèi)標(biāo)峰可插入，或找不到合適的內(nèi)標(biāo)物的情況。7.6氣相色譜法的應(yīng)用氣固色譜的分離原理是基于不同的物質(zhì)（特別對于氣體）在固體表面的吸附能力不同。它常用于永久性氣體及低碳數(shù)化合物的分離。例如采用10m長，直徑為0.53mm的多孔層分子篩柱可以分離He、Ne、Ar、O2、N2及甲烷等氣體；采用多孔層高聚物開管柱（長25m，內(nèi)徑0.53mm）可以分離He、空氣、CH4、CO2、CO、C2H4及C2H6等氣體，也可用來分離低碳數(shù)的鹵代烴。用PorapakQ(25m長，0.53mm內(nèi)徑）可以分離低碳數(shù)的醇類（如甲醇、乙醇、異丙醇）、脂類（如乙酸甲酯、乙酸乙酯）烴類（正戊烷、正己烷）等。氣液色譜的應(yīng)用面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)廣于氣固色譜法。只要在氣相色譜儀允許的條件下可以氣化而不分解的物質(zhì)，都可以用氣相色譜法分析。對部分熱不穩(wěn)定物質(zhì)，或者難以氣化的物質(zhì)，通過化學(xué)衍生化的方法，仍可以用氣相色譜法分析。所謂化學(xué)衍生化，就是通過合適的化學(xué)反應(yīng)，使原先熱不穩(wěn)定性物質(zhì)或難以氣化物質(zhì)轉(zhuǎn)變成三甲基硅烷基衍生物或酯類、醚類等衍生物，以降低沸點(diǎn)和極性，增加穩(wěn)定性和揮發(fā)度。對被分析對象的分離，主要是選擇良好的固定液及優(yōu)化的操作條件，而對固定液，不是只有唯一的選擇。下面舉例說明用氣相色譜法對不同類物質(zhì)的分離。對低沸點(diǎn)烴類分離可以用角鯊?fù)橹騁D