分析化學：5.3 色譜分析法基礎(chǔ)

2024/4/30第五章

色譜分析法5.3.1氣相色譜儀5.3.2氣相色譜固定相5.3.3氣相色譜檢測器5.3.4氣相色譜分離操作條件的選擇5.3.5毛細管氣相色譜5.3.6氣相色譜法應(yīng)用

第三節(jié)

氣相色譜法2024/4/305.3.1氣相色譜儀2024/4/30氣相色譜儀2024/4/30氣相色譜儀2024/4/30氣相色譜儀2024/4/30氣相色譜流程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-氣化室；8-分離柱;9-熱導池；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；載氣系統(tǒng)：包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制；2.進樣系統(tǒng)：進樣器及氣化室；3.色譜柱：填充柱或毛細管柱；4.檢測器：可連接各種檢測器，以熱導檢測器或氫火焰檢測器最為常見；5.記錄系統(tǒng)：放大器、記錄儀或數(shù)據(jù)處理儀；6.溫度控制系統(tǒng)：柱室、氣化室的溫度控制。2024/4/305.3.2氣相色譜固定相1．氣固色譜固定相

活性炭：有較大的比表面積，吸附性較強。

活性氧化鋁：有較大的極性。適用于常溫下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等氣體的相互分離。CO2能被活性氧化鋁強烈吸附而不能用這種固定相進行分析。

硅膠：與活性氧化鋁大致相同的分離性能，除能分析上述物質(zhì)外，還能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能夠分離臭氧。2024/4/30氣固色譜固定相

分子篩：

堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子篩等（孔徑：埃）。常用5A和13X（常溫下分離O2與N2）。除了廣泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分離外，還能夠測定He、Ne、Ar、NO、N2O等。

高分子多孔微球（GDX系列）：

新型的有機合成固定相（苯乙烯與二乙烯苯共聚）。型號：GDX-01、-02、-03等。適用于水、氣體及低級醇的分析。2024/4/30氣固色譜固定相的特點（1）性能與制備和活化條件有很大關(guān)系；（2）同一種固定相，不同廠家或不同活化條件，分離效果差異較大；（3）種類有限，能分離的對象不多；（4）使用方便。2024/4/302．氣液色譜固定相

氣液色譜固定相[固定液+擔體（支持體）]：

固定液在常溫下不一定為液體，但在使用溫度下一定呈液體狀態(tài)。固定液的種類繁多，選擇余地大，應(yīng)用范圍不斷擴大。擔體：化學惰性的多孔性固體顆粒，具有較大的比表面積。

可以作為擔體使用的物質(zhì)應(yīng)滿足以下條件：

比表面積大，孔徑分布均勻；化學惰性，表面無吸附性或吸附性很弱，與被分離組份不起反應(yīng)；具有較高的熱穩(wěn)定性和機械強度，不易破碎；顆粒大小均勻、適度。一般常用60~80目、80~100目。2024/4/30擔體（硅藻土）紅色擔體：孔徑較小，表孔密集，比表面積較大，機械強度好。適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。缺點是表面存有活性吸附中心點。白色擔體：煅燒前原料中加入了少量助溶劑(碳酸鈉)。顆粒疏松，孔徑較大。表面積較小，機械強度較差。但吸附性顯著減小，適宜分離極性組分的試樣。填充柱氣液色譜擔體一覽表2024/4/30固定液

固定液：高沸點難揮發(fā)有機化合物，種類繁多。(1)對固定液的要求

應(yīng)對被分離試樣中的各組分具有不同的溶解能力，較好的熱穩(wěn)定性，并且不與被分離組分發(fā)生不可逆的化學反應(yīng)。(2)選擇的基本原則

“相似相溶”，選擇與試樣性質(zhì)相近的固定相。2024/4/30(3)固定液分類方法

如按化學結(jié)構(gòu)、極性、應(yīng)用等的分類方法。在各種色譜手冊中，一般將固定液按有機化合物的分類方法分為：脂肪烴、芳烴、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。(4)最高最低使用溫度高于最高使用溫度易分解，溫度低呈固體。(5)混合固定相對于復(fù)雜的難分離組分通常采用特殊固定液或?qū)煞N甚至兩種以上配合使用。2024/4/30(6)固定液的相對極性

規(guī)定：角鯊?fù)椋ó惾椋┑南鄬O性為零，β，β’—氧二丙睛的相對極性為100。

優(yōu)選固定液表麥氏常數(shù)：x’、y’、z’、u’、s’表示，分別代表了極性分子間存在著的靜電力（偶極定向力）；極性與非極性分子間存在著的誘導力；非極性分子間的色散力；氫鍵等。也可以用五個數(shù)的總和來表示固定相的極性大小，如：β，β’—氧二丙睛五個常數(shù)的總和為4427，是強極性固定相。2024/4/305.3.3氣相色譜檢測裝置

色譜儀關(guān)鍵部件之一，種類較多，原理和結(jié)構(gòu)各異。有的具有廣普性，如熱導檢測器；有的具有高選擇性，僅對某類物質(zhì)有高響應(yīng)。1．檢測器特性

濃度型檢測器：

測量的是載氣中通過檢測器組分濃度瞬間的變化，檢測信號值與組分的濃度成正比。質(zhì)量型檢測器：

測量的是載氣中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測信號值與單位時間內(nèi)進入檢測器組分的質(zhì)量成正比。2024/4/30檢測器性能評價指標

響應(yīng)值（或靈敏度）S

:在一定范圍內(nèi)，信號E與進入檢測器的物質(zhì)質(zhì)量m呈線性關(guān)系：

E=SmS=E/m

單位：mV/（mg/cm-3）；（濃度型檢測器）mV/（mg/s）；（質(zhì)量型檢測器）

S

表示單位質(zhì)量的物質(zhì)通過檢測器時，產(chǎn)生的響應(yīng)信號的大小。S值越大，檢測器（也即色譜儀）的靈敏度也就越高。檢測信號通常顯示為色譜峰，則響應(yīng)值也可以由色譜峰面積（A）除以試樣質(zhì)量求得：

S=A/m2024/4/30最低檢測限（最小檢測量）：噪聲水平?jīng)Q定著能被檢測到的濃度（或質(zhì)量）。

要將信號從本底噪聲中識別出來，則組分的響應(yīng)值就一定要高于N。檢測器響應(yīng)值為2倍噪聲水平時的試樣濃度(或質(zhì)量)，被定義為最低檢測限(或該物質(zhì)的最小檢測量)。線性范圍：

檢測器在線性工作時，被測物質(zhì)的最大濃度(或質(zhì)量)與最低濃度(或質(zhì)量)之比。2024/4/302．熱導檢測器（1）熱導檢測器的結(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。2024/4/30（2）檢測原理平衡電橋。不同的氣體有不同的熱導系數(shù)。

鎢絲通電，加熱與散熱達到平衡后，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）。

進樣后，載氣攜帶試樣組分流過測量臂而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。2024/4/30（3）影響熱導檢測器靈敏度的因素①橋路電流I：

I

，鎢絲的溫度

，鎢絲與池體之間的溫差

，有利于熱傳導，檢測器靈敏度提高。檢測器的響應(yīng)值S∝I3，但穩(wěn)定性下降，基線不穩(wěn)。橋路電流太高時，還可能造成鎢絲燒壞。②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。2024/4/30某些氣體與蒸氣的熱導系數(shù)(λ)，單位：J/cm·℃·s③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。氦氣也具有較大的熱導系數(shù)，但價格較高。2024/4/30

3．氫火焰離子化檢測器（FID：hydrogenflameionizationdetector）

（1）特點a.典型的質(zhì)量型檢測器，b.對有機化合物具有很高的靈敏度，c.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)。d.氫焰檢測器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點。e.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。2024/4/30(2)氫焰檢測器的結(jié)構(gòu)

a.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。

b.

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。使用時需要調(diào)整三者的比例關(guān)系，檢測器靈敏度達到最佳。2024/4/30(3)氫焰檢測器的原理

a.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──→·CHb.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)生如下反應(yīng)：

·CH+O──→CHO++ec.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(yù)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)2024/4/30氫焰檢測器的原理

d.化學電離產(chǎn)生的正離子和電子在外加恒定直流電場的作用下分別向兩極定向運動而產(chǎn)生微電流（約10-6～10-14A）；e.在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進入離子室的被測組分質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測器是質(zhì)量型檢測器；f.組分在氫焰中的電離效率很低，大約五十萬分之一的碳原子被電離；g.離子電流信號輸出到記錄儀，得到峰面積與組分質(zhì)量成正比的色譜流出曲線。A區(qū)：預(yù)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)2024/4/30（4）影響氫焰檢測器靈敏度的因素

①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

=1

1～1

1.5

氫氣

空氣=1

10。②極化電壓正常極化電壓選擇在100～300V范圍內(nèi)。2024/4/304.電子捕獲檢測器高選擇性檢測器，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-1。

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。2024/4/305.具有定性功能的檢測器（聯(lián)用技術(shù)）色譜-質(zhì)譜；色譜-紅外等。

質(zhì)譜作為色譜的檢測器使用需要解決四個問題:(1)色譜柱出口壓力與質(zhì)譜儀高真空之間的匹配；(2)試樣組分與載氣的分離；(3)質(zhì)譜對色譜流出峰的快速測定(電子計算機解決)；(4)質(zhì)譜儀的小型化（小型化的質(zhì)量分析器）。2024/4/305.3.4氣相色譜分離操作條件的選擇

1.色譜柱及使用條件的選擇(1)

固定相的選擇

氣－液色譜，應(yīng)根據(jù)“相似相溶”的原則①分離非極性組分時，通常選用非極性固定相。各組分按沸點順序出峰，低沸點組分先出峰。②分離極性組分時，一般選用極性固定液。各組分按極性大小順序流出色譜柱，極性小的先出峰。

2024/4/30③分離非極性和極性的（或易被極化的）混合物，一般選用極性固定液。此時，非極性組分先出峰，極性的（或易被極化的）組分后出峰。④醇、胺、水等強極性和能形成氫鍵的化合物的分離，通常選擇極性或氫鍵性的固定液。⑤組成復(fù)雜、較難分離的試樣，通常使用特殊固定液，或混合固定相。2024/4/30(2)固定液配比（涂漬量）的選擇

配比：固定液在擔體上的涂漬量，一般指的是固定液與擔體的百分比，配比通常在5%～25%之間。

配比越低，擔體上形成的液膜越薄，傳質(zhì)阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。

配比較低時，固定相的負載量低，允許的進樣量較小。分析工作中通常傾向于使用較低的配比。2024/4/30

(3)柱長和柱內(nèi)徑的選擇

增加柱長對提高分離度有利(分離度R正比于柱長L2)，但組分的保留時間tR

↑，且柱阻力↑，不便操作。

柱長的選用原則是在能滿足分離目的的前提下，盡可能選用較短的柱，有利于縮短分析時間。填充色譜柱的柱長通常為1~3米，內(nèi)徑3~4毫米。2024/4/30(4)柱溫的確定

(1)首先應(yīng)使柱溫控制在固定液的最高使用溫度（超過該溫度固定液易流失）和最低使用溫度（低于此溫度固定液以固體形式存在）范圍之內(nèi)。(2)柱溫↑

，分離度↓

，色譜峰變窄變高。柱溫↑，被測組分的揮發(fā)度↑，即被測組分在氣相中的濃度↑，K↓，tR↓，低沸點組份峰易產(chǎn)生重疊。(3)柱溫↓，分離度↑，分析時間↑。對于難分離物質(zhì)對，降低柱溫雖然可在一定程度內(nèi)使分離得到改善，但是不可能使之完全分離，這是由于兩組分的相對保留值增大的同時，兩組分的峰寬也在增加，當后者的增加速度大于前者時，兩峰的交疊更為嚴重。2024/4/30柱溫的確定

(4)柱溫一般選擇在接近或略低于組分平均沸點時的溫度。(5)組分復(fù)雜，沸程寬的試樣，采用程序升溫。程序升溫2024/4/302.

載氣種類和流速的選擇(1)載氣種類的選擇

載氣種類的選擇應(yīng)考慮三個方面：載氣對柱效的影響、檢測器要求及載氣性質(zhì)。(1)載氣摩爾質(zhì)量大，可抑制試樣縱向擴散，提高柱效。

(2)載氣流速較大時，傳質(zhì)阻力項起主要作用，采用較小摩爾質(zhì)量的載氣(如H2,He)，可減小傳質(zhì)阻力，提高柱效。(3)熱導檢測器需要使用熱導系數(shù)較大的氫氣有利于提高檢測靈敏度。在氫焰檢測器中，氮氣仍是首選目標。

(4)在載氣選擇時，還應(yīng)綜合考慮載氣的安全性、經(jīng)濟性及來源是否廣泛等因素。2024/4/30(2)載氣流速的選擇

作圖求最佳流速。實際流速稍大于最佳流速，縮短時間。2024/4/303.

其它操作條件的選擇(1)進樣方式和進樣量的選擇液體試樣采用色譜微量進樣器進樣，規(guī)格有1μL，5μL，10μL等。進樣量應(yīng)控制在柱容量允許范圍及檢測器線性檢測范圍之內(nèi)。進樣要求動作快、時間短。氣體試樣應(yīng)采氣體進樣閥進樣。2024/4/30(2)氣化溫度的選擇色譜儀進樣口下端有一氣化器，液體試樣進樣后，在此瞬間氣化;氣化溫度一般較柱溫高30~70℃防止氣化溫度太高造成試樣分解。2024/4/305.3.5毛細管氣相色譜分析1.色譜分離能力提高的途徑(1)由塔板理論：增加柱長減小柱徑，即增加柱子塔板數(shù)；(2)由速率理論：減小組分在柱中的渦流擴散和傳質(zhì)阻力，也即降低塔板高度。2024/4/302.毛細管色譜柱的特點（1）不裝填料阻力小，長可達百米，管徑0.2mm。（2）氣流單途徑通過柱子，消除了渦流擴散。（3）固定液直接涂在管壁上，總柱內(nèi)壁面積較大,涂層很薄，則氣相和液相傳質(zhì)阻力大大降低。（4）毛細管柱效高達每米3000～4000塊理論塔板，一支長度100米的毛細管柱，總的理論塔板數(shù)可達104～106。

2024/4/303.毛細管色譜具有的優(yōu)點（1）分離效率高：比填充柱高10～100倍；（2）分析速度快：比填充柱色譜速度快；（3）色譜峰窄、峰形對稱。較多采用程序升溫方式；（4）靈敏度高，一般采用氫焰檢測器；（5）渦流擴散為零。2024/4/304.毛細管色譜的種類與制備方法

涂壁開管柱（wallcoatedopentubular，WCOT柱）：將固定液直接涂敷在管內(nèi)壁上。柱制作相對簡單，但柱制備的重現(xiàn)性差、壽命短。多孔層開管柱（porouslayeropentubular，PLOT柱）：在管壁上涂敷一層多孔性吸附劑固體微粒。構(gòu)成毛細管氣固色譜。載體涂漬開管柱（supportcoatedopentubular，SCOT柱）：將非常細的擔體微粒粘接在管