第三篇气相色谱法.docx
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第三篇气相色谱法
第三章气相色谱法
GasChromatography
气相色谱法又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）：
气固色谱（GSC）前者是用多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物；
气液色谱（GLC）的固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上．由于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广泛。
填充柱气相色谱与毛细管气相色谱
填充柱（Packedcolumns）
内径：
r：
2-6mmL：
2-6m
载样品大，可以用于制备，
可以选择的固定相种类多，制作方便，价格低，
但：
分离效能低。
空心柱：
（Opentubularcolumns）
内径-0.5mm长：
10-100m
气阻小，分析速度快，
柱长，分离效能高
但：
制作困难，价格高，进样量小，要有分流系统。
3-1气相色谱仪
一.GC工作过程
二.气路系统
三.进样系统
四.分离系统
色谱柱主要有两类：
填充柱和毛细管柱。
1）填充柱填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，
内装固定相，一般内径为2～6mm，长1～6m。
填充柱的形状有U型和螺旋型二种。
2）毛细管柱：
又叫空心柱，
毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。
柱长几十米。
其分离效率高（理论塔板数可达106）
分析速度块、样品用量小，
但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，
并且制备较难。
五.控制温度系统
控制温度主要指对色谱柱炉、气化室、检测器三处的温度控制。
色谱柱的温度控制方式有：
恒温和程序升温二种。
六.检测和数据处理系统
浓度或质量信号转化成电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到色谱流出曲线及定性和定量信息。
3-2气相色谱固定相
（1）.固体吸附剂
（2）.液体固定相
一、气液色谱固定相
由载体（担体）和固定液组成
1.载体（担体）
（l）对载体的要求：
①具有足够大的表面积（1-20平方米）和良好的孔穴结构；
②表面呈化学惰性；
③热稳定性好；
④形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。
（2）载体类型：
硅藻土和非硅藻土两类。
硅藻土：
红色载体和白色载体。
红色载体（特性：
结构紧密，填充密度0.5g/cm3，
孔径较小1u，表面积4m2/g，机械强度好，
用于非极性固定液）
白色载体（特性：
结构疏松
填充密度0.3g/cm3
孔径较粗8u
表面积1m2/g
机械强度差，易产生细粉
极性中心较红色少，用于极性固定液）
非硅藻土载体：
有机玻璃微球载体，
氟载体，
高分子多孔微球等。
这类载体常用于特殊分析，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2。
等分析。
（3）载体的表面处理
具有活性中心。
如硅醇基
或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。
因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。
处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。
（i）酸洗：
用3--6mol/l盐酸浸煮载体、过滤，水洗至中性。
甲醇淋洗，脱水烘干。
可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化物。
用于分析酸性物质。
（ii）碱洗：
用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质。
（iii）硅烷化：
用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚，以除去表面氢键作用力。
如：
常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。
2．固定液
（l）对固定液要求：
①选择性好。
②良好的热稳定性和化学稳定性；
③对试样各组分有适当的溶解能力；
④有较低蒸气压，以免流失太快。
（2）组分分子与固定液间的作用力
①作用力：
组分与固定液分子间的作用力，
②作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数大。
③包括有定向力、诱导力、色散力和氢键作用力4种。
④前三种统称范德华力，都是由电场作用而引起的。
而氢键力则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。
⑤此外，形成化合物或配合物等的键合力。
（3）固定液的特性：
固定液的特性主要是指它的极性或选择性。
（i）相对极性：
规定非极性固定液角鲨烷的极性为0。
强极性固定液β，β′-氧二丙睛的极性为100。
选择一对物质（如正丁烷一丁二烯或环乙烷一苯），试验。
测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的色谱柱上的相对保留值。
将其取对数后，得到:
式中下标1，2和X分别表示氧二丙睛，角鲨烷及被测固定液。
由此测得的各种固定液构相对极性均在0～100之间。
一般将其分为五级，每20单位为一级。
相对极性在0～+l之间的叫非极性固定液，
+2级为弱极性固定液，
+3级为中等极性，
+4～+5为强极性。
（ii）固定液特征常数
罗氏常数（Rohrschneider常数）
ΔI=Ip—Is
式中ΔI为任一标准物质保留指数差值，
标准物质：
苯、乙醇、甲乙酮、硝基甲烷、吡啶
Ip和Is分别为任一标准物质在被测固定液和参比固定液（角鲨烷）的保留指数。
（4）固定液的分类
按固定液的极性和化学类型分类。
极性分类：
可用固定液的极性和特征常数（罗氏常数和麦氏常数）表示。
化学类型：
将有相同官能团的固定液排列在一起，然后按官能团的类型分类。
（5）固定液的选择
“相似相溶”原则
（i）分离非极性物质：
非极性固定液
按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。
（ii）分离极性物质：
极性固定液
按极性次序分离，极性小的先流出。
极性大的后流出。
（iii）分离非极性和极性混合物：
极性固定液
非极性组分先流出，极性组分后流出。
（vi）分离能形成氢键的试样：
极性或氢键型固定液。
形成氢键能力大小先后流出
（v）复杂的难分离物质：
两种或两种以上混合固定液。
二．气固色谱固定相
1．常用的固体吸附剂
硅胶：
强极性
氧化铝：
弱极性
活性炭、分子筛：
非极性和特殊作用
机理：
吸附能力不同
2．人工合成的固定相
高分子多孔微球：
直接用于固定相，也可作为载体。
特性：
可控制其孔径大小及表面性质。
颗粒容易填充均匀，
数据重现性好。
没有“流失”问题，
有利于大幅度程序升温。
特别适用痕量水的分析、多元醇、脂肪酸、脂类、胶类的分析。
3-4.毛细管气相色谱柱
优缺点：
1、总柱效高2、分析速度快3、柱容量小
一、概况
1、毛细管柱的分类和命名
毛细管；填充毛细管柱；空心毛细管柱：
按制备方法，所用材料不同分类
1）WCOT柱（wallcoatedOpenTubular）
壁涂开管柱，经典一种，固定相直接涂在毛细管内壁
特点：
表面光滑，润湿性差，重复性不好。
2）WTOT柱（wallTreatedOpenTubular）
壁处理开管柱：
内壁用盐酸、氢氟酸等腐蚀气体腐蚀软质玻璃。
在内表面生成，NaCl，NaF，CaCl2，“刷子”，表面粗糙化处理，
HCl→→硅烷化处理→→涂布
3）PLOT柱（PorousLayerOpenTubular）
多孔层开管柱：
内壁涂上一层多孔性物质。
如：
分子筛，氧化产品，石墨化炭，高分子多孔微球
4）、SCOT柱（SupportCoatedOpenTubular）
载体涂渍开管柱：
用硅藻土，二氧化硅，石墨化碳，涂渍在管壁上，然后，再涂渍各种固定相。
特点：
重复性好；易于涂渍各种固定相；柱容量大
5）化学键合相毛细管：
柱内壁，硅胶涂敷或HCl处理，固定相化学键合。
特点：
稳定性好，热稳定性。
6）FSOT（FusedSilicaOpenTubucar）
溶融氧化硅开管柱
石英毛细管柱
特点：
柔性好；内壁惰性
2、制柱材料
金属：
不锈钢、铜等
尼龙、塑料
玻璃
石英、多用。
3、玻璃毛细管的拉制
4、毛细管的表面处理（粗糙化）
光滑——不易铺展均匀，润湿性差
处理方法：
化学反应法；沉积细颗粒法；玻璃管预处理法
（1）化学反应法：
①HCl气体，通入毛细管，两头封闭，350℃加热1～2hr→→丙酮洗→→氮气吹干
有-OH、NaCl
②氟化氢，氟醚或氟化氰氨处理
③其他，Ba（OH）2与CO2反应，表面生成BaCO3↓
（2）沉积细颗粒法
将1-10微米的细颗粒物质沉积在表面
动态法：
悬浮液通过柱
静态法：
悬浮液充满柱—抽真空
（3）玻璃预处理法：
没拉制前粗糙化
a：
LiCl黏合剂+载体
b：
玻璃粉+载体
c：
硅藻土→→→→→→内表面
表面有活性→要处理
4、毛细管的表面钝化
玻璃毛细管表面活性中心：
碱金属氧化物，硅羟基
石英细管表面活性中心：
表面硅羟基，表面酸性
消除方法：
a：
消除活性基因b：
遮住活性中心c：
改变表面润湿性
1）、硅烷化
常用的硅烷化试剂有：
二甲基二氯硅烷DMCS
三甲基氯硅烷TMSS
六甲基二硅胺烷HMDS
二苯基四甲基二硅胺烷DPTMDS
四苯基二甲基二硅胺烷TPDMDS
三苯基硅胺烷TPSA
最常用HMDS和TMCS混合物
硅烷化方法与优点
方法：
甲苯液动态法或静态法涂布一遍，以2℃/min升到400℃，四小时，甲苯、甲醇和乙醚淋洗，氮气干燥
优点：
化学惰性；润湿能力强
2）、用FEG-20M钝化（聚乙二醇）
1-5%的PEG20M，二氯甲烷溶液
动态法：
高纯N2充满，两端封住，280℃加热24小时，二氯甲烷淋洗
3）、用表面活性剂钝化
常用表面活性剂，苄基三苯基氯化磷（BTPPC）
方法：
1%的BTPPC动态法处理，二氯甲烷溶媒氮气吹干
4）、用固定相自身钝化
动态法涂布：
最高使用温度以上20℃保持几小时，达到目的。
5、固定液的涂渍
动态法；静态法
1）动态法：
浓度10-60%不等，根据固定液粘度
液塞长度：
20%的L。
液膜厚度计算
df=ΔVsC/100πdL
ΔVs——固定液的实际消耗量，体积
C——涂渍液中固定液的体积百分浓度
d——柱直径
L——柱长
特点：
对粘度低的非极性固定液，方便。
但：
重复性差。
2）、静态法：
浓度：
%W/V
充满，一头封口，一头真空、温度低于bp10-20度
df=dC/400
d：
毛细管的直径、C：
浓度。
特点：
重复性好，柱效也高，但周期长
3）、老化
控制N2流量，8-12小时
老化温度
6、固定化固定相毛细管柱的制备
涂布：
——柱流失
固定化：
交联crosslinling
键合bonding
1）：
固定化涂渍方法
①早期：
原位加热缩合法：
二氯二甲基硅烷
碱性水解
缩合：
硅氧烷自由端羟基与玻璃表面的硅羟基缩合成交聚物-Si-O-Si-
网状交联缩合法
②1958年方法改进，网状交联缩合法
用二氯苯基硅烷与二氯甲基硅烷或四氯化硅水解，存在许多：
非端羟基
2）、固定化固定相毛细管柱的优点
（1）可用溶剂洗涤。
（2） 减少流失。
（3）减少超载峰的拖尾。
（4）固定相膜不易剥落（特别是进口端）可以经受大量溶剂冲洗。
7、有机胶法制备SCOT柱
有机胶：
（聚甲基丙烯酸二乙胺基乙酯醋酸盐）
有机胶→→（作为吸附剂吸附405白色载体）→→形成均匀的载体表面→→钝化→→涂布
优点：
柱效高；较大的样品容量
8、柱性能的评价
理想的毛细管柱：
高分离效率，较大容量，惰性，热稳定性，选择性。
评价困难：
选择什么样的试验物质
选择什么样的色谱条件
选择什么样的结果计算方法
评价原则：
① 柱评价应在一次色谱的实验中完成
②试验混合物应包含各类化合物
③对各种液相所制备的柱，应用同一方法进行评价
④应包含定量方面的某些信息
⑤评价条件应标准化，以便比较
1）、评价方法
①样品：
各种化合物，
②色谱条件：
最佳，系统要合理、t0要小
③仪器的灵敏度高
④进样量小
2）、分离效率
理论塔板数n
3）、有效理论塔板数
4）、分离数Tz
两相邻同系物色谱峰之间能够插入被分离峰的数目。
5）、涂渍效率C·E%
C·E%=[h理论/h实验]×100
h理论：
在最佳流速处的h
6）柱容量
a：
不同化合物在同一柱上的容量不同
b：
当超负荷时，缓慢上升，迅速返回（前拖尾）
7）柱惰性（对物质的吸附作用）
三个因素来决定：
a：
峰形的对称性
b：
极性组分的延长保留值
c：
极性与非极性组分峰面积之比
①峰形
拖尾
表示：
不对称因子As
拖尾因子TF
As=（a+b）/2a
a为50%h处前半宽、b为50%h处后半宽
TF=100%×a/b
a为10%h处前半宽、b为10%h处后半宽
As与TF%
不对称因子As
As=1、不拖尾
As<1、前拖尾、载样量
As>1、后拖尾、吸附
拖尾因子TF%
TF%=100%、不拖尾
TF%<100%、前拖尾
TF%>100%、后拖尾
②测量柱的酸碱性
标准品
2，6二甲胺（DMA）
2，6二甲酚（DMP）
如Ap/Aa﹥1酸性
﹤1碱性
=1﹤中性
8）热稳定性
稳定性好的毛细管柱应有的性质
a：
k不降低。
b：
分离效率应保持基本不变。
c：
流失产物没有超过给定的范围。
D：
标准化合物保留指数应保持不变。
E：
非极性固定液对于极性强的溶质的吸附性应保持稳定。
3-5.气相色谱检测器
根据检测原理的不同，分为浓度型检测器和质量型检测器：
检测器分类
（l）浓度型检测器：
检测器的响应值和组分的浓度成正比。
如TCD,ECD。
（2）质量型检测器：
检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。
如FID,FPD。
另：
根据检测的对象来分：
通用性DET和选择性DET。
－.热导检测器（TCD）
工作原理：
热导系数不同。
1．热导池的结构和工作原理
构成：
池体和热敏元件构成。
可分双臂和四臂热导池两种。
目前仪器中都四臂热导地。
二臂为参比臂，另二臂为测量臂。
2．影响热导检测器灵敏度的因素
（l）桥电：
A≈I的3次方
桥电流增加，有利于提高灵敏度，电流太大会影响钨丝寿命。
一般桥电流控制在1OO～20OmA左右
（2）池体温度：
池体温度降低，可使池体和钨丝温差加大，有利于提高灵敏度，但池体温度过低，被测试样会冷凝在检测器中。
池体温度一般不应低于柱温。
（3）载气种类
载气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。
选择热导系数大的氢气或氦气。
氮气作载气时，有些试样（如甲烷）的热导系数比它大就会出现倒峰。
（4）热敏元件的阻值
阻值高、温度系数较大的热敏元件，灵敏度高。
钨丝是一种广泛应用的热敏元件，
（5）浓度型DET
是浓度型DET，要求Fc要稳定，死体积要求200ul
（6）TCD检测器特性：
结构简单，性能稳定，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，应用最广。
缺点：
灵敏度较低
二.火焰离子化检测器（FID）
组成：
离子化室；能源；电场
1.结构
2．火焰离子化机理
普遍认为这是一个化学电离过程。
有机物在火焰中先形成自由基，然后与氧产生正离子，再同水反应生成H30+离子。
3.影响操作条件的因素
a：
氢气的流量：
载气的流量是由最佳分离条件来决定；
氢气的流量：
能提高响应值
一般来说：
N2：
H2=1：
1～1：
b：
空气的流量：
一般来说：
氢气：
空气=1：
10
c：
极化电压
低电压时，随着极化电压的增加迅速增加，当为50V时，增加不明显，一般150～300V，为完全收集。
d：
不同化合物的响应
FID，对永久性气体，Air、……基本上无信号
FID对烃类的响应最高，用于归一化方法分析
FID对含氟、氮、卤素、硫、磷、硅等有机物，响应下降
FID对H2O，HCHO，HCOOH，CS2等无响应，可作溶剂
e：
特性：
①灵敏度高，比TCD高102-104倍，
②响应快，检测限小，10-12g/s，
③线性范围宽线性范围107
④对温度不敏感
⑤应用广泛
三.电子捕获检测器（ECD）
1．电于捕获检测器的结构与工作原理
放射性离子化检测器。
结构与FID相似，能源和电场。
能源多数用63Ni或3H放射源，
放射源的β射线将载气（N2或Ar）电离，产生次级电子和正离子，在电场作用下，电子向正极走向移动，形成恒定基流。
当载气带有电负性溶质进入检测器时，电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气正离于复合成中性化合物，使基流降低而产生负信号——倒峰。
2．捕获机理
捕获机理可用以下反应式表示：
3．操作因素
①放射源Ni63半衰期长，使用温度350℃
②用H3时要注意温度，温度太高，要泄露，泄露，基线波动，环境污染。
③载气：
常用N2，
除去O2，H2O
O2，H2O有一定的导电性，降低灵敏度，
④严防固定相流失对放射源污染。
使用时，Tc低于最高使用浓度很多。
⑤样品量要小
基始电流同一数量级时，要恢复，要很长时间。
⑥各化合物的响应是不同的。
4．特性：
① 只有亲电子的化合物有信号。
如卤素化合物，含的化合物，含硝基化合物，含芳烃等，而对一般链状化合物无响应。
②响应无规律：
自身的纯物质校正
③它对氯化物敏度特别高，10-14～10-12克/ml
④线性范围103
四.火焰光度检测器（FPD）
火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，
1．火焰光度检测器的结构
2．火焰光度检测器的工作原理
S在富氢火焰中燃烧：
当激发态S2*分子返回基态时发射出特征波长光λmax为394nm。
对含磷化合物燃烧时生成磷的氧化物，在富氢火焰中被氢还原，形成化学发光的HPO碎片，并发射出λmax为526nm的特征光谱。
3、操作参数
①气路：
Air+载气四周H2燃烧
②火焰是富氢火焰，O/H=～
③操作条件：
磷、硫，有各自的最佳操作条件
④检测室，排气管和光电管
⑤载气：
如He，H2作载气。
4、特性：
①质量型，破坏型检测器，对硫、磷有选择性。
②磷的信号与磷的量成线性。
硫的信号与硫量的平方有进似线性关系。
③敏感度与线性范围。
Mt（克/秒）线性范围
P10-12-10-13103
S10-10-10-11102
④注意S对P的干扰较大
五.原子发射检测器（AED）
工作原理如下：
被测组分→等离子体→原子化→原子发射
光谱→分光→二极管阵列→采集数据→三维色
六、碱焰离子化检测器（AFID）NPD
主要用于：
有机磷的专用检测器。
还可用于，含卤素、氮、硫等元素的有机化合物
1：
结构：
用FID改装，只需在喷口附近加上涂有碱金属盐的铂圈或压制盐片；常用碱金属，硫化铷，溴化、氯化、钾，氟化钠等
当含氮、磷等杂原子的有机化合物在火焰中燃烧时，由于碱盐的蒸发和解离，使离子流的信号大大增加。
2：
特性
对磷、氮、卤素等杂原子化合物有利响应比火焰离子化检测器高1000倍。
检测限高，线性范围103
用于：
农药分析、环境保护工作；但：
响应不易稳定。
七、光离子化检测器（PID）
结构：
电离室紫外光源光窗相隔
被测物在电离室内吸收紫外光
高能灯通用型DET
低能灯选择检DET
八、检测器的性能指标
指标：
灵敏度高，检出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽，稳定性好。
1．灵敏度
当一定浓度或一定质量的组分进入检测器，产生一定的响应信号R。
以进样量C（单位：
或g·s-1）对响应信号（R）作图得到一条通过原点的直线。
直线的斜率就是检测器的灵敏度（S）。
定义：
信号（R）对进入检测器的组分量（C）的变化率
对于浓度型检测器，ΔR取mV，ΔC取mg·cm-3，灵敏度S的单位是mV·cm3·mg-1，
对于质量型检测器，Δc取g·s-1,则灵敏度S的单位为mV·s·g-1。
在实际工作中，测量峰的面积来计算检测器的灵敏度。
根据灵敏度的定义，可得浓度型检测器灵敏度计算公式
式中：
Sc一灵敏度（mV·cm3·mg-1），
Ai一色谱峰面积（cm2），
C2一记录仪灵敏度（mV·cm-1），
Fc′一检测器入口处载气流速（cm3·min-1），
wi一进入检测器的样品量（mg），
C1一记录纸移动速度（cm·min-1）。
质量型检测器灵敏度计算公式为：
式中：
Sn一灵敏度（mV·s·mg-1），
wi一进入检测器的样品量（g）。
2．检出限（敏感度）
检测限定义为：
检测器恰能产生二倍于噪声信号时的单位时间（单位：
S）引入检测器的样品量（单位：
g），或单位体积（单位：
cm3）载气中需含的样品量。
对于浓度型检测器，
检测限Dc表示为
Dc=2RN/Sc
Dc的物理意义指每毫升载气中含有恰好能产生二倍于噪声信号的溶质毫克数。
质量型检测器
质量型检测器的检出限为
Dm=2RN/Sm
Dm的物理意义指每秒通过的溶质克数，恰好产生二倍于噪声的信号。
热导检测器--
热导检测器的检出限一般约为10-5mg·cm-3，即每毫升载气中约有10-5mg溶质所产生的响应信号相当于噪声的2倍。
火焰离子化检测器的检出限一般为10-12g·S-1。
火焰离子化检测器
检出限与灵敏度成反比，与噪音成正比。
所以它是衡量检测器性能好坏的综合指标。
3．最小检测量
在实际工作中，检测器不可能单独使用，它总是与柱、气化室、记录器及连接管道等组成一个色谱体系。
最小检测量指产生二倍噪声峰高时，色谱体系（即色谱仪）所需的进样量。
对于浓度型检测器组成的色谱仪，最小检测量（单位：
mg）为：
质量型检测器的最小检测量（单位：
g）为：
由此看出，最小检测量与检出限是两个不同的概念。
检出限只用来衡量检测器的性能,而最小检测量不仅与检测器性能有关，还与色谱柱效及操作条件有关。
4．线性范围
检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或叫最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比。
5．响应时间
响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其真值的63％所需的时间。
一般都小于1s。
3-6毛细管柱的进样方式
一、分流进样法
如样品直接进柱→超负荷→得不到高效分离能力。
间接进样法：
进入柱子（小部分）；被放空（大部分）
特点：
1、极少量的样品进入柱子，不会超负荷
2、较大量的载气放空，小量载气进入柱子，确保最佳流速。
3、气化室内流量大，样品在气化室内不会残留，避免了非瞬间进样引起的谱带扩展。
（1）分流进样器的线性
要求：
分流的比例与组分的化学性质，沸点以及浓度大小等因素无关。
否则：
即产生样品的失真。
（2）样品失真的原因。
除了分流进样器本身设计不合理外还有：
a：
分流比对样品失真的影响
分流比：
通常1：
100——1：
200之间。
如分流比＜1：
100时：
样品失真，
当分流比＞1：
100时：
样品不失真，线性好
原因：
bp高，汽化慢，分流比低时，它会在一段较长的时间里进入柱子；bp差别大的样品失真。
b：
进样室的温度
进样室的温度应接近于样
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