1、第二十一章 气相色谱法,,发展英国Martin等人于1941年首次提出了用气体作流动相；1952年第一次用气相色谱法分离测定复杂混合物；1955年第一台商品气相色谱仪；近年电子计算机技术。,,第一节 概论,一、分类 按固定相的聚集状态: GSC、GLC 按分离原理：GSC属于吸附色谱，GLC属于分配色谱。 按色谱操作形式：柱色谱（分填充柱色谱毛细管柱色谱）,,二、特点： 高效能：neff可达103106 高选择性：特别复杂试样 高灵敏度：可以检测10111013g物质 分析速度快、操作简单：色谱操作及数据处理自动化 应用广泛：气体和易挥发或可衍生化为气体弱点：受试样蒸气压限制和定性困难。,,G
2、C的应用,,第二节 气相色谱仪,Carrier Gas2. Sample Introduction3. Column4. Detector5. Computer - Data System - Integrator,,六个系统,载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制; 进样系统：进样器及气化室； 分离系统：色谱柱； 检测系统：可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检测器最为常见； 温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。 数据处理系统：放大器、记录仪或数据处理仪,,气相色谱仪1,,气相色谱仪2,,气相色谱仪3,,1-载气钢瓶；2-减压阀； 3-净化干燥管； 4-稳压阀； 5-流量计; 6-
3、压力表； 7-进样器； 8-色谱柱； 9-检测器；10-放大器；11-温度控制器； 12-记录仪；,气相色谱仪的基本流程 载气调节 调节气化室、色谱柱和检测器调至最佳工作状态 进样 入气化室后被气化 被载气带入色谱柱分离 各组分按进入检测器 放大后到记录仪。,,（一）气路系统,包括气源、净化干燥管和载气流速控制； （1）常用的载气有：氢气、氮气、氦气；（2）净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；（3）载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。,,（二） 进样系统：,包括：进样装置和气化室 进样装置： （1）不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用1
4、0L；毛细管色谱常用1L； （2）新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。,,自动进样装置,,2.2 隔膜进样器-填充柱液体样品的进样,液体样品通过气化室转化为气体后被载气带入色谱柱。色谱柱的一端插入气化室中，气化室的另一端有一个硅橡胶隔膜，注射器穿透隔膜将样品注入气化室。,,2.3 分流进样器-毛细管柱液体样品的进样,由于毛细管柱样品容量在纳升级，直接导入如此微量样品很困难，通常采用分流进样器，其结构如图所示。进入气化室的载气与样品混合后只有一小部分进入毛细管柱，大部分从分流气出口排出，分流比可通过调节分流气出口流量来确定，常规毛细管柱
5、的分流比在 1：501：500。,,（三） 分离系统色谱柱（核心）,柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。填充柱柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。 气-固色谱：固体吸附剂；气-液色谱：担体+固定液 （柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将 柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。）,,（四） 检测系统,色谱仪的眼睛。 通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图； 检测器类型：广普型对所有物质均有响应；专属型对特定物质有高灵敏
6、响应； 常用的检测器：热导检测器（TCD）、 氢火焰离子化检测器（FID） 、 电子捕获检测器（ECD） 等等；,,（五） 温度控制系统,温度是色谱分离条件的重要选择参数；气化室、柱室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度； （1）气化室：保证液体试样瞬间气化； （2）检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝； （3）柱室：有恒温和程序升温模式。准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，柱室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离；,,柱温模式,柱室温度：有恒温和程序升温模式。 分离简单成分时可以采取恒温模式；复杂成分需要程序升温模式。,,程序升温示例,不难看出：采用程序升温后不
7、仅改善分离，而且可以缩短分析时间，得到的峰形也很理想。,,（六）数据处理系统,由记录仪、积分仪、数据处理机组成。 对色谱图给出的信息进行处理，打印出操作条件、定性和定量分析结果。 现代气相色谱仪可带色谱工作站和相应的色谱软件，具有数据处理及控制实验条件等功能。,,第三节 色 谱 柱,色谱柱由柱体和柱内的固定相组成是气相色谱 仪的心脏部分。 按色谱柱的柱内径和固定相填充方式分为： (1)填充柱（packed column）分析用填充柱：2-6mm 制备用填充柱：6-500mm,,(2)毛细管柱（open tubular column）0.1-0.5mm，长10-100m（中空，内壁涂固定液） 优
8、缺点比较：填充柱制备容易，可以供选择的吸附剂，可以解决各种分离问题，但分离效能比较低。毛细管柱则反之。,,按分离基质分类：气固色谱气液色谱,,气固色谱固定相,吸附剂、分子筛、高分子多孔微球及化学键合相等 高分子多孔微球（GDX）-具有吸附、分配及分子筛三种作用 耐高温，最高使用温度为200300； 峰形好，一般不拖尾； 无柱流失现象，柱寿命长； 一般按分子量顺序分离的特点,,种类：活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。硅胶：与活性氧化铝大致
9、相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。,,气固色谱固定相,分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。高分子多孔微球（GDX系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。,,活性炭分离气体混合物,,氧化铝分离汽油,,分子筛分离永久性气体,,气液色谱固定相,对固定液的要求
10、 在操作温度下蒸气压要低； 稳定性好； 对被分离组分的选择性要高； 对试样中各组分有足够的溶解能力。,,固定液的分类 化学分类：依据结构分类 烃类：烷烃与芳烃，角鲨烷（异卅烷、C30H62)，标准非极性固定液。 硅氧烷类：甲基、苯基、氰基、氟硅氧烷等，最通用 聚醇：如聚乙二醇PEG20M ，氢键型 聚酯：丁二酸二乙二醇聚酯 ( PDEGS或DEGS),,极性分类 用相对极性 P 来表示q1(lgr1) : 苯与环己烷在,-氧二丙腈柱上的相对保留值的对数。 q2 (lgr2) : 角鲨烷柱上的相对保留值的对数。 qx (lgrx) : 在待测柱上的相对保留值的对数。,,相对极性Px分类：, -氧
11、二丙腈：P =100 角鲨烷： P =0 其余：Px=0-100 分为5级,表8-2 优选固定液 麦氏常数：x、y、z、u、s表示，分别代表了极性分子间存在着的静电力（偶极定向力）；极性与非极性分子间存在着的诱导力；非极性分子间的色散力；氢键等。也可以用五个数的总和来表示固定相的极性大小，如：，氧二丙睛五个常数的总和为4427，是强极性固定相。,,固定液的选择相似性原则,,固定液的选择主要差别,组分极性差别较大：选用极性固定液。 沸点差别较大：选用非极性固定液。例：苯与环己烷 (苯80.1，环己烷80.7) 。苯为弱极性，环己烷为非极性，极性差别是主要矛盾。非极性固定液很难分开。中等极性的固定
12、液，如用邻苯二甲酸二壬酯，则苯的保留时间是环己烷的1.5倍。,,载体（担体）,要求：,表面积大，孔径分布均匀； 表面吸附性很弱； 热稳定性、化学稳定性好； 粒度均匀，有一定的机械强度。,硅藻土型载体 红色载体 常与非极性固定液配伍 白色载体 常与极性固定液配伍,表5-1填充柱气液色谱担体一览表,,除去载体表面的铁等金属氧化物。 用于分析酸性化合物。,将载体与硅烷化试剂反应，除去载体表面的硅醇基。 分析形成氢键能力较强的化合物。,酸洗法,碱洗法,硅烷化法,除去载体表面的Al2O3等酸性作用点。 用于分析胺类等碱性化合物。,载体的钝化,,第四节 气相色谱检测器,色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理
13、和结构各异。有的具有广普性，如热导检测器；有的具有高选择性，仅对某类物质有高响应。1检测器特性浓度型检测器：测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测 信号值与组分的浓度成正比。质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。,,检测器性能评价指标,（一）灵敏度（或响应值）S ：评价检测器质量和与其它类型检测器相比较的重要指标。在一定范围内，信号R与进入检测器的量Q呈线性关系：S = R / Q S 表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。S值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就越高。,,（1）浓度型检测器：S
14、= h / C 单位： mV/（mg / cm3） ；（2）质量型检测器：S = A / m 单位： mV /（mg / s） ；,,最低检测限（最小检测量）：,噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。,从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于N。检测器响应值为2倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。线性度与线性范围 ：检测器的线性度定义为：检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。而检测器的线性范围定义为：检测器在线性工作时，被测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比。,,检测器的分类,气相色谱
15、检测器种类繁多，介绍最常用的几种检测器： 1.热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD); 2.氢火焰离子化检测器(Flame ionized detector, FID); 3.电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD); 4.火焰光度检测器也称硫磷检测器(Flame photometric detector, FPD); 5.氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionic detector, TID);,,2热导检测器,（1） 热导检测器的结构池体：一般用不锈钢制成。热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、
16、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,,2.检测原理,2. 1 平衡时（无样品通过时）:电桥如右图。不同的气体有不同的热导系数。,钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参/ R测=R1/ R2 无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）,,2.2进样后:,载气携带试样组分流过测量臂使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，而这时参考臂流过的仍是纯载气，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 则： R参/ R测 R1/ R2,这时电桥失去平衡，a、b
17、两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。,,1）在只有载气通过时，四个臂的温度都保持不变，电阻值也不变。此时，调节电路电阻使电桥平衡，AB两端无电压信号输出；2）当有样品随载气进入两个样品臂时，此时测量臂的热导系数发生变化，电阻亦发生变化，电桥失去平衡，AB两端有电压信号输出。当载气和样品的混合气体与纯载气的热导系数相差越大，则输出信号越强。,TCD工作过程：,,（3）影响热导检测器灵敏度的因素,桥路电流I ： I，钨丝的温度 ，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流
18、太高时，还可能造成钨丝烧坏。 池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。,,表7-3 某些气体与蒸气的热导系数()，单位：J / cms,载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。,,TCD 特点：对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。 TCD的使用注意：较大的桥电流、较低的池体
19、温度、低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度。,,2.氢火焰离子化检测器（FID）,又称火焰离子化检测器。主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。原理：含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。,,结构：主体为离子室，内有点火线圈、发射极又叫极化极（阴极），此图中为火焰顶端和收集极（阳极）。 工作过程：来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号（10-12
20、A）。,,,(2) 氢焰检测器的结构,a. 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。b. 氢焰检测器需要用到三种气体：N2 ：载气携带试样组分；H2 ：为燃气；空气：助燃气。使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。,,(3) 氢焰检测器的原理,a. 当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ：CnHm CH b. 产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应： CH + O CHO+ + e c. 生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：CHO+ + H2O H
21、3O+ + CO,A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区： 温度最高 D层：反应区,,氢焰检测器的原理,d. 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）； e. 在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器； f. 组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离； g. 离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。,A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区： 温度最高 D层：反应区,,影响FID灵敏度的因素：,1）载气和氢气流速：通常以N2
22、为载气，其流速主要考虑其柱效能。也要考虑其流速与H2流速相匹配。一般N2:H2 = 1:11:1.5。 2）空气流速：流速越大,灵敏度越大，到一定值时，空气流速对灵敏度影响不大。一般地，H2:Air = 1:10。 3）极化电压：在50V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在50V以上，则灵敏度增加不明显。通常选择100300V的极化电压。 4）操作温度：比柱的最高允许使用温度低约 50oC(防止固定液流失及基线漂移),,FID 特点：,1）灵敏度高(10-13g/s)；线性范围宽(107数量级)；噪声低；耐用且易于使用；2）为质量型检测器，色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量。在样品量
23、一定时，峰高与载气流速成正比。因此在用峰高定量时，应控制流速恒定！,,3）对无机物、永久性气体和水基本无响应（不足？），因此FID特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水、N和S的氧化物污染的有机物分析。 4）对含羰基、羟基、卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应。 5）样品受到破坏。,,3. 电子捕获检测器(ECD),高选择性检测器 ECD主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。 仅对含有卤素、磷、硫、氧等电负性元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g /mL， （对大多数烃类没有响应。）,,ECD原理及工作过程：,从色
24、谱柱流出的载气(N2或Ar)被ECD内腔中的放射源电离，形成次级离子和电子(此时电子减速)，在电场作用下，离子和电子发生迁移而形成电流(基流)。 当含较大电负性有机物AB被载气带入ECD内时，将捕获已形成的低速自由电子，生成负离子并与载气正离子复合成中性分子，此 时，基流下降形成“倒峰”。,AB为电负性物质,,ECD 特点：,1）响应电流i与浓度c是非线性的。 2）对如卤素基、过氧基、醌基、硝基等含电负性的功能团的分子具有极高的选择性和灵敏度；但对含酰胺基和羟基的化合物以及烃类物质不灵敏。 3）与FID相比，ECD对样的破坏不大； 4）线性范围为两个数量级，相对FID来说，这不算大; 5）要求
25、载气纯度要高(99.99%)，否则杂质会降低基流；（通常将载气通入480oC的紫铜屑除O2）。,,4. 氮磷检测器（NPD）,也叫热离子检测器。NPD的结构与FID类似，只是在H2-Air焰中燃烧的低温热气再被硅酸铷电热头加热至600800oC，从而使含有N或P的化合物产生更多的离子。产生离子的机理目前仍不清楚。 NPD的特点： 1）对含N 、P化合物的具有选择性：对P的响应是对N的响应的10倍，是对C原子的104-106倍。 2）灵敏度高：与FID对P、N的检测灵敏度相比，NPD分别是FID的500倍（对P）；50倍（对N）。,,5. 火焰光度检测器（FPD）,FPD对含S、P化合物具有高选
26、择性和高灵敏度的检测器，也称硫磷检测器。主要用于SO2、H2S、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农残分析等。FPD结构：喷嘴+滤光片+光电管。,,原理：待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物并发射S、P特征分子光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。,,FPD 特点：,1）对含S、P化合物有较高灵敏度和一定的选择性；2）相对其它检测器如ECD和FID，FPD价格较贵。,,5.具有定性功能的检测器（联用技术）,色谱-质谱；色谱-红外等。质谱作为色谱的检测器使用需要解决四个问题： （1）色谱柱出口压力与质谱仪高真空之间的匹配； （2）试样组分与载气的分离； （3）质谱对色谱流出峰的快速测定（电子计算机解决）； （4）质谱仪的小型化（小型化的质量分析器）。,,小结,1. 重点要掌握（ TCD，FID）的：原理，检测器使用条件，范围，分离条件的选择。 2.了解ECD，NPD，FPD 3. 检测器性能评价指标灵敏度（或响应值）S最低检测限 D线性度与线性范围 Line range,
