氣相色譜原理和分析方法圖解

1、 氣相色譜法（GC）是英國生物化學家 Martin A T P等人在研究液液分配色譜的基礎上，于1952年創(chuàng)立的一種極有效的分離方法，它可分析和分離復雜的多組分混合物。目前由于使用了高效能的色譜柱，高靈敏度的檢測器及微處理機，使得氣相色譜法成為一種分析速度快、靈敏度高、應用范圍廣的分析方法。如氣相色譜與質(zhì)譜（GCMS）聯(lián)用、氣相色譜與Fourier紅外光譜(GCFTIR）聯(lián)用、氣相色譜與原子發(fā)射光譜（GCAES）聯(lián)用等。 氣相色譜法又可分為氣固色譜（GSC）和氣液色譜（GLC）：前者是用多孔性固體為固定相，分離的對象主要是一些永久性的氣體和低沸點的化合物；而后者的固定相是用高沸點的有機物涂漬在

2、惰性載體上由于可供選擇的固定液種類多，故選擇性較好，應用亦廣泛。 19-1 氣相色譜儀一.GC工作過程 分離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是分離樣品。色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細管柱。 1）填充柱 填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內(nèi)裝固定相，一般內(nèi)徑為24 mm，長13m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。 2）毛細管柱 毛細管柱又叫空心柱，分為涂壁，多孔層和涂載體空心柱。涂壁空心柱是將固定液均勻地涂在內(nèi)徑0l0.5mm的毛細管內(nèi)壁而成，毛細管材料可以是不銹鋼，玻璃或石英。毛細管色譜柱滲透性好，傳質(zhì)阻力小，而柱子可以做到長幾十米。與填充往相比，其分離效率高（理論塔板數(shù)可達106）

3、、分析速度塊、樣品用量小，但柱容量低、要求檢測器的靈敏度高，并且制備較難。 在氣相色譜測定中，溫度是重要的指標，它直接影響色譜柱的選擇分離、檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性?？刂茰囟戎饕笇ιV柱爐，氣化室，檢測器三處的溫度控制。色譜柱的溫度控制方式有恒溫和程序升溫二種。對于沸點范圍很寬的混合物，往往采用程序升溫法進行分析。程序升溫指在一個分析周期內(nèi)柱溫隨時間由低溫向高溫作線性或非線性變化，以達到用最短時間獲得最佳分離的目的。 這個系統(tǒng)是指樣品經(jīng)色譜柱分離后，各成分按保留時間不同，順序地隨載氣進人檢測器檢測器把進入的組分按時間及其濃度或質(zhì)量的變化，轉化成易于測量的電信號，經(jīng)過必要的放大傳遞給記錄儀或計算

4、機，最后得到該混合樣品的色譜流出曲線及定性和定量信息。l氣液色譜固定相l(xiāng) 載體(擔體)和固定液組成氣液色譜固定相 1. 載體(擔體)（l）對載體的要求對載體的要求 具有足夠大的表面積和良好的孔穴結構，使固定液與試樣的接觸面較大，能均勻地分布成一薄膜，但載體表面積不宜太大，否則猶如吸附劑，易造成峰拖尾；表面呈化學惰性，沒有吸附性或吸附性很弱，更不能與被測物起反應；熱穩(wěn)定性好；形狀規(guī)則，粒度均勻，具有一定機械強度。 （2）載體類型載體類型 大致可分為硅藻土和非硅藻土兩類。硅藻土載體是目前氣相色譜中常用的一種載體，它是由稱為硅藻的單細胞海藻骨架組成，主要成分是二氧化硅和少量無機鹽，根據(jù)制造方法不同，

5、又分為: 紅載體和白色載體紅載體和白色載體。 紅色載體是將硅藻土與粘合劑在900煅燒后，破碎過篩而得，因鐵生成氧化鐵呈紅色，故稱紅色載體，其特點是表面孔穴密集、孔徑較小、比表面積較大。對強極性化合物吸附性和催化性較強，如烴類、醇、胺、酸等極性化合物會因吸附而產(chǎn)生嚴重拖尾。因此它適宜于分析非極性或弱極性物質(zhì)適宜于分析非極性或弱極性物質(zhì)。 白色載體是將硅藻土與20的碳酸鈉（助熔劑）混合煅燒而成，它呈白色、比表面積較小、吸附性和催化性弱，適宜于分析各種極性化合物分析各種極性化合物。101，102系列，英國的Celite系列，英國和美國的Chromosorb系列，美國的GasChrom A， CL，

6、P， Q， S， Z系列等，都屬這一類。 （3）載體的表面處理載體的表面處理 硅藻土載體表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基SiOH 或含有礦物雜質(zhì)，如氧化鋁、鐵等，使色譜峰產(chǎn)生拖尾。因此，使用前要進行化學處理，以改進孔隙結構，屏蔽活性中心。處理方法有酸洗、堿洗、硅烷化及添加減尾劑等。 （i）酸洗酸洗：用3-6molcm-3鹽酸浸煮載體、過濾，水洗至中性。甲醇淋洗，脫水烘干?？沙o機鹽，F(xiàn)e,Al等金屬氧化物。適用于分析酸性物質(zhì)。（ii）堿洗堿洗：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，除去氧化鋁，用于分析堿性物質(zhì)。(iii)硅烷化硅烷化：用硅烷化試劑與載體

7、表面硅醇基反應，使生成硅烷醚，以除去表面氫鍵作用力。如：SiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OCH2+ 2HClSiSiO常用硅烷化試劑有二甲基二氯硅烷（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。 （l）對固定液要求首先是選擇性好。固定液的選擇性可用相對調(diào)整保留值2.1，來衡量。對于填充柱一般要求2.1115；對于毛細管柱，2.11.08. 另外還要求固定液有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性；對試樣各組分有適當?shù)娜芙饽芰Γ辉诓僮鳒囟认掠休^低蒸氣壓，以免流失太快。 （2）組分分子與固定液間的作用力 在氣相色譜中，載氣是情性的，且組分在氣相中濃度很低，組分分子間作用力很小，可忽略。在

8、液相中，由于組分濃度低，組分間的作用力也可忽略。液相里主要存在的作用力是組分與固定液分子間的作用力，這種作用力反映了組分在固定液中的熱力學性質(zhì)。作用力大的組分，由于溶解度大，分配系數(shù)大。 這種分子間作用力是一種較弱的分子間的吸引力，它不像分子內(nèi)的化學鍵那么強。它包括有定向力、誘導力、色散力和氫鍵作用力4種。前三種統(tǒng)稱范德華力，都是由電場作用而引起的。而氫鍵力則與它們有所不同，是一種特殊的范德華力。此外，固定液與被分離組分間還可能存在形成化合物或配合物等的鍵合力。 （i）相對極性：1959年由Rohrschneider提出用相對極性P來表示固定液的分離特征。此法規(guī)定非極性固定液角鯊烷的極性為0，

9、強極性固定液，-氧二丙睛的極性為100然后，選擇一對物質(zhì)（如正丁烷一丁二烯或環(huán)乙烷一苯），來進行試驗。分別測定它們在氧二丙腈、角鯊烷及欲測固定液的色譜柱上的相對保留值，將其取對數(shù)后，得到:正丁烷）（丁二烯）(lgrrttq 式中下標1，2和X分別表示氧二丙睛，角鯊烷及被測固定液。由此測得的各種固定液構相對極性均在0100之間。一般將其分為五級，每20單位為一級。相對極性在0+l之間的叫非極性固定液，+2級為弱極性固定液，+3級為中等極性，+4+5為強極性。非極性亦可用“”表示。表19-1列出了一些常用固定液的相對極性數(shù)據(jù)。211100100qqqqPxx）（ii）固定液特征常數(shù) I=IpIs

10、式中I為任一標準物質(zhì)保留指數(shù)差值，Ip和Is分別為任一標準物質(zhì)在被測固定液和參比固定液的保留指數(shù)。表19-2列出一些常用固定液的Rohrschneider常數(shù)。 麥氏常數(shù)是在羅氏方法的基礎上，1970年由McReynolds提出的改進方案。選用苯、正丁醇、2一戊酮、l一硝基丙烷、吡啶、2一甲基一2一戊醇、碘丁烷、2一辛炔、二氧六環(huán)、順八氫化茚10種物質(zhì)，在柱溫120下分別測定它們在226種固定液和角鯊烷上的I值。歸納后發(fā)現(xiàn)前5種物質(zhì)已足以表達固定液的相對極性，把該五項之和稱為總極性。表19-3列出一些常用固定液的McRevnolds常數(shù)。)(lg)(lg)(lg)(lg1001nrnrnrrx

11、CtCtCtxtnI 氣液色譜可選擇的固定液有幾百種，它們具有不同的組成、性質(zhì)、用途。如何將這許多類型不同的固定液做一科學分類，對于使用和選擇固定液是十分重要的?，F(xiàn)在大都按固定液的極性和化學類型分類。按固定液極性分類就是如前所述，可用固定液的極性和特征常數(shù)（羅氏常數(shù)和麥氏常數(shù)）表示。此外，還有用化學類型分類。這種分類方法是將有相同官能團的固定液排列在一起，然后按官能團的類型分類。這樣就便于按組分與固定液結構相似原則選擇固定液。表19-4為化學結構分類的各種固定液(P386表19-3）。（4）固定液的分類固定液的分類 對固定液的選擇并沒有規(guī)律性可循。一般可按“相似相溶相似相溶”原則來選擇。在應用

12、時，應按實際情況而定。（i）分離非極性物質(zhì)：一般選用非極性固定液，這時試樣中各組分按沸點次序流出，沸點低的先流出，沸點高的后流出。（ii）分離極性物質(zhì)：選用極性固定液，試樣中各組分按極性次序分離，極性小的先流出。極性大的后流出。（iii）分離非極性和極性混合物：一般選用極性固定液，這時非極性組分先流出，極性組分后流出。（vi）分離能形成氫鍵的試樣：一般選用極性或氫鍵型固定液。試樣中各組分按與固定液分子間形成氫鍵能力大小先后流出，不易形成氫鍵的先流出，最易形成氫鍵的最后流出。（v）復雜的難分離物質(zhì)：可選用兩種或兩種以上混合固定液。對于樣品極性情況未知的，一般用最常用的幾種固定液做試驗。表19-3

13、列出了幾種最常用的固定液。1常用的固體吸附劑常用的固體吸附劑 主要有強極性的硅膠，弱極性的氧化鋁，非極性的活性炭和特殊作用的分子篩等。使用時，可根據(jù)它們對各種氣體的吸附能力不同，選擇最合適的吸附劑 .（見表19-6）2人工合成的固定相人工合成的固定相 作為有機固定相的高分子多孔微球是一類人工合成的多孔共聚物。它既是載體又起固定液作用，可在活化后直接用于分離，也可作為載體在其表面涂漬固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔徑大小及表面性質(zhì)。圓球型顆粒容易填充均勻，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。在無液膜存在時，沒有“流失”問題，有利于大幅度程序升溫。這類高分子多孔微球特別適用于有機物中痕量水的分析，也可用于多元

14、醇、脂肪酸、脂類、膠類的分析。二氣固色譜固定相 角鯊烷（異三十烷）squalane2，6，10，15，19，23-六甲基二十四烷硅油 silicone ，-氧二丙晴 ，-oxydipropionitrleO(CH2)2CN(CH2)2CNSiOSiOSiCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3n 氣相色譜檢測器是把載氣里被分離的各組分的濃度或質(zhì)量轉換成電信號的裝置。目前檢測器的種類多達數(shù)十種。根據(jù)檢測原理的不同，可將其分為濃度型檢測器和質(zhì)量型檢測器濃度型檢測器和質(zhì)量型檢測器兩種： （l）濃度型檢測器 測量的是載氣中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應值和組分的濃度成正比。如熱導檢測器和

15、電子捕獲檢測器。 （2）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，即檢測器的響應值和單位時間內(nèi)進入檢測器某組分的量成正比。如火焰離子化檢測器和火焰光度檢測器等。.熱導檢測器熱導檢測器 （TCD） 熱導檢測器是根據(jù)不同的物質(zhì)具有不同的熱導系數(shù)原理制成的。熱導檢測器由于結構簡單，性能穩(wěn)定，幾乎對所有物質(zhì)都有響應，通用性好，而且線性范圍寬，價格便宜，因此是應用最廣，最成熟的一種檢測器。其主要缺點是靈敏度較低。1熱導池的結構和工作原理 熱導池由池體和熱敏元件構成，可分雙臂和四臂熱導池兩種。由于四臂熱導池熱絲的阻值比雙臂熱導池增加一倍，故靈敏度也提高一倍。目前儀器中都采用四根金屬絲組成的四

16、臂熱導地。其中二臂為參比臂，另二臂為測量臂，將參比臂和測量臂接人惠斯電橋，由恒定的電流加熱組成熱導地測量線路，如前圖所示。2影響熱導檢測器靈敏度的因素 （l）橋電流橋電流 橋電流增加，使鎢絲溫度提高，鎢絲和熱導池體的溫差加大，氣體就容易將熱量傳出去，靈敏度就提高。響應值與工作電流的三次方成正比。所以，增大電流有利于提高靈敏度，但電流太大會影響鎢絲壽命。一般橋電流控制在1OO20OmA左右（N2作載氣時為100150mAH2作載氣時150200mA為宜）。 （2）池體溫度池體溫度 池體溫度降低，可使池體和鎢絲溫差加大，有利于提高靈敏度。但池體溫度過低，被測試樣會冷凝在檢測器中。池體溫度一般不應低

17、于柱溫。 （3）載氣種類載氣種類 載氣與試樣的熱導系數(shù)相差愈大，則靈敏度愈高。故選擇熱導系數(shù)大的氫氣或氦氣作載氣有利于靈敏度提高。如用氮氣作載氣時，有些試樣（如甲烷）的熱導系數(shù)比它大就會出現(xiàn)倒峰。表19-7列出某些氣體與蒸氣的熱導系數(shù)。（4）熱敏元件的阻值熱敏元件的阻值 阻值高、溫度系數(shù)較大的熱敏元件，靈敏度高。鎢絲是一種廣泛應用的熱敏元件，它的阻值隨溫度升高而增大，其電阻溫度系數(shù)為5.510-3cm-1-1，電阻率為5.51O-6cm。為防止鎢絲氣化，可在表面鍍金或鎳。 二二. .火焰離子化檢測器（火焰離子化檢測器（FIDFID） 火焰離子化檢測器是以氫氣和空氣燃燒的火焰作為能源，利用含碳有

18、機物在火焰中燃燒產(chǎn)生離子，在外加的電場作用下，使離子形成離子流，根據(jù)離子流產(chǎn)生的電信號強度，檢測被色譜柱分離出的組分。它的特點是：靈敏度很高，比熱導檢測器的靈敏度高約103倍；檢出限低，可達10-12gS-1；火焰離子化檢測器能檢測大多數(shù)含碳有機化合物；死體積小，響應速度快，線性范圍也寬，可達106以上；而且結構不復雜，操作簡單，是目前應用最廣泛的色譜檢測器之一。其主要缺點是不能檢測永久性氣體、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氫等物質(zhì)。1. 結構 3.影響操作條件的因素 離子室的結構對火焰離子化檢測器的靈敏度有直接影響，操作條件的變化，包括氫氣、載氣、空氣流速和檢測室的溫度等都對檢測器

19、靈敏度有影響 C6H6裂 解6CH3O2+6CH+ 6e6CHO+6CHO+6H2O6CO +6H3O+ 電子捕獲檢測器也稱電子俘獲檢測器，它是一種選擇性很強的檢測器，對具有電負性物質(zhì)（如含鹵素、硫、磷、氰等的物質(zhì)）的檢測有很高靈敏度（檢出限約1O-14gcm-3）。它是目前分析痕量電負性有機物最有效的檢測器。電子捕獲檢測器已廣泛應用于農(nóng)藥殘留量、大氣及水質(zhì)污染分析，以及生物化學、醫(yī)學、藥物學和環(huán)境監(jiān)測等領域中。它的缺點是線性范圍窄，只有103左右，且響應易受操作條件的影響，重現(xiàn)性較差。1電于捕獲檢測器的結構與工作原理 實際上它是一種放射性離子化檢測器，與火焰離子化檢測器相似，也需要一個能源和

20、一個電場。能源多數(shù)用63Ni或3H放射源，其結構如下圖。 檢測器內(nèi)腔有兩個電極和筒狀的放射源。放射源貼在陰極壁上，以不銹鋼棒作正極，在兩極施加直流或脈沖電壓。放射源的射線將載氣（N2或Ar）電離，產(chǎn)生次級電子和正離子，在電場作用下，電子向正極走向移動，形成恒定基流。當載氣帶有電負性溶質(zhì)進入檢測器時，電負性溶質(zhì)就能捕獲這些低能量的自由電子，形成穩(wěn)定的負離子，負離子再與載氣正離于復合成中性化合物，使基流降低而產(chǎn)生負信號倒峰 。2捕獲機理捕獲機理可用以下反應式表示： N2N2+ + eAB+ eAB-+ EAB-+ N2+N2+ A B四四.火焰光度檢測器火焰光度檢測器(FPD) 火焰光度檢測器，又

21、稱硫、磷檢測器，它是一種對含磷、硫有機化合物具有高選擇性和高靈敏度的質(zhì)量型檢測器，檢出限可達10-12gS-1（對P）或10-11gS-11（對S）。這種檢測器可用于大氣中痕量硫化物以及農(nóng)副產(chǎn)品，水中的毫微克級有機磷和有機硫農(nóng)藥殘留量的測定。1火焰光度檢測器的結構 2火焰光度檢測器的工作原理 根據(jù)硫和磷化合物在富氫火焰中燃燒時，生成化學發(fā)光物質(zhì)，并能發(fā)射出特征波長的光，記錄這些特征光譜，就能檢測硫和磷以硫為例，有以下反應發(fā)生： R S + 2O2C O2 + S O22S O2 + 4H24H2O + 2SS + S390S2*（ 化 學 發(fā) 光 物 ）S2*S 2 + h 當激發(fā)態(tài)S2*分子

22、返回基態(tài)時發(fā)射出特征波長光max為394nm。對含磷化合物燃燒時生成磷的氧化物，然后在富氫火焰中被氫還原，形成化學發(fā)光的HPO碎片，并發(fā)射出max為526nm的特征光譜。這些光由光電信增管轉換成信號，經(jīng)放大后由記錄儀記錄。 原子發(fā)射檢測器是90年代最新型的一種檢測器，其結構見圖19-8。工作原理如下：將被測組分導人一個與光電二極管陣列光譜檢測器耦合的等離子體中，等離子體提供足夠能量使組分樣品全部原子化，并使之激發(fā)出特征原子發(fā)射光譜，經(jīng)分光后，含有光譜信息的全部波長聚焦到二極管陣列。用電子學方法及計算機技術對二極管陣列快速掃描，采集數(shù)據(jù)，最后可得三維色譜光譜圖（見下圖）。 一個優(yōu)良的檢測器應具以

23、下幾個性能指標：靈敏度高，撿出限低，死體積靈敏度高，撿出限低，死體積小，響應迅速，線性范圍寬，穩(wěn)定性好小，響應迅速，線性范圍寬，穩(wěn)定性好。通用性檢測器要求適用范圍廣；選擇性檢測器要求選擇性好。表19-8列出四種常用檢測器的性能指標。1靈敏度 當一定濃度或一定質(zhì)量的組分進入檢測器，產(chǎn)生一定的響應信號R。以進樣量C（單位：mg.cm-3或gs-1）對響應信號(R)作圖得到一條通過原點的直線（見圖19-9）。直線的斜率就是檢測器的靈敏度（S）。因此，靈敏度可定義為信號（R）對進人檢測器的組分量（C）的變化率 cRS 對于濃度型檢測器濃度型檢測器，R取mV，C取mgcm-3，靈敏度S的單位是mVcm3

24、mg-1; 對于質(zhì)量型檢測器質(zhì)量型檢測器，c取gs-1,則靈敏度S的單位為mVsg-1。 在實際工作中，我們常常從色譜圖上測量峰的面積來計算檢測器的靈敏度。根據(jù)靈敏度的定義，可得濃度型檢測器靈敏度計算公式 12CwFCASicic式中：Sc一靈敏度（mVcm3mg-1），Ai一色譜峰面積（cm2），C2一記錄儀靈敏度（mVcm-1），F(xiàn)c一檢測器入口處載氣流速（cm3min-1），wi一進入檢測器的樣品量（mg），C1一記錄紙移動速度（cmmin-1）。 式中：Sm一靈敏度（mVsmg-1），wi一進入檢測器的樣品量（g）。1260CwACSiin例例 191進樣0.5L純苯，得色譜峰高h=6

25、.25cm.半峰寬W1/2=0.25cm苯的密度為0.88gcm-3，記錄紙走速C1=0.5cmmin-1，檢測器入口處載氣流速Fc=30cm3.min-1,記錄儀滿量程為10mV，滿量程寬度25cm，求熱導檢測器的靈敏度。 解: wi0.510-3cm30.88103mgcm-3=0.44mg C210mV/25cm=0.4mVcm-1 Ai1.065hW1/21.0656.25cm0.25cm 1.0656.250.25cm2將以上各式代人（19-6）式，得 S1.0656.250.25cm20.4mVcm- 1 30cm3min-1/(0.44mg0.5cmmin-1) 908mVcm3mg-l 當檢測器輸出信號放大時，電子線路中固有的噪聲同時也被放大，使基線波動，如圖19-12所示。取基線起伏的平均值為噪聲的平均值，用符號RN表示。由于噪聲會影響測量試樣色譜峰的認辨，所以在評價檢測器的質(zhì)量時提出了檢出限這一指標 檢出限定義為：檢測器恰能產(chǎn)生二倍于噪聲信號時的單位時間（單位：S）引入檢測器的樣品量（單位：g），或單位體積（單位：cm3）載氣中需含的樣品量。對于濃度型檢測器，撿出限Dc表示為 Dc=2RN/Sc Dc的物理意義指每毫升載氣中含有恰好能產(chǎn)生二倍于噪聲信號的溶質(zhì)毫克數(shù)。 質(zhì)量型檢測器的檢出限為 Dm=2RN/Sm D