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第 16 章 气相色谱法 （ Gas Chromatography, GC). GC 是以 气体 作为 流动相 的一种色谱法. 分离依据： 主要是利用物质的 沸点 、 极性 及 吸附性质 差异来实现混合物的分离 分类 按色谱柱分 填充柱 GC 开管柱 GC 按固定相状态分 固定相 应用范围. 气相色谱仪流程图. http://www.separationsnow.com/coi/cda/detail.cda?id=17060&type=EducationFeature&chId=3&page=1.
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GC是以气体作为流动相的一种色谱法 分离依据：主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质差异来实现混合物的分离 分类 • 按色谱柱分 填充柱GC 开管柱GC • 按固定相状态分 固定相 应用范围
气相色谱仪流程图 http://www.separationsnow.com/coi/cda/detail.cda?id=17060&type=EducationFeature&chId=3&page=1
Fixed Mol-Sieve Traps Restrictors H or Injection Regulators Detector Port Flow RESET Controller Column Carrier Gas Air Hydrogen 气相色谱仪
气相色谱仪的结构 • 气路系统 • 进样系统 • 分离系统（柱系统） • 控制温度系统 • 检测系统 • 记录系统
气路系统 1. 气源 提供载气和/或辅助气体的高压钢瓶或气体发生器 载气 常用的有氮气、氢气、氦气、氩气等，要求纯度高 作用 一 作为动力，它驱动样品在色谱柱中流动，并把分离后的各组分推进检测器 二 为样品的分配提供一个相空间 柱出口实测流速 柱出口处压力 扣除水蒸气压并经温度校正的柱出口实测流速 流动相在柱内的平均流速 压力校正因子 柱入口处压力
2. 气路控制系统 直接影响分析重现性, 故采用多级控制方法 典型双柱仪器系统的气路控制示意图 1－载气（氮气或氦气），2－氢气，3－压缩空气，4－减压阀（若采用气体发生器就可不用减压阀），5－气体净化器，6－稳压阀及压力表，7－三通连接头，8－分流/不分流进样口柱前压调节阀及压力表，9－填充柱进样口柱前压调节阀及压力表，10－尾吹气调节阀，11―氢气调节阀，12－空气调节阀，13－流量计（有些仪器不安装流量计），14－分流/不分流进样口，15－分流器，16－隔垫吹扫气调节阀，17－隔垫吹扫放空口，18－分流流量控制阀，19－分流气放空口，20－毛细管柱， 21－FID检测器，22－检测器放空出口，23－填充柱进样口，24－隔垫吹扫气调节阀，25－隔垫吹扫放空口，26－填充柱，27－TCD检测器，28－TCD放空口。
色谱进样系统 一般包括进样器和气化室 注射器 进样器 六通阀
流动相和试样进色谱柱 流动相入口 流动相进色谱柱 流动相入口 试样入口 试样出口 试样入口 试样出口 六通阀
六通阀进样原理 流动相和试样进色谱柱 流动相进色谱柱 流动相入口 载样（load) 进样（injector)
分离系统 由柱箱和色谱柱组成 柱箱：一般为配备隔热层的不锈钢壳体, 内装一恒温风扇和测温热敏元件, 由电阻丝加热，电子线路控温 色谱柱：通常是由玻璃、石英或不锈钢制成的圆管，管内装有固定相。 分为装满填料的填充柱和空心的开管柱 Packed GC column Capillary GC column
填充柱与开管柱的比较 不同色谱柱的截面示意图 A-填充柱；B-壁涂开管柱（WCOT）；C-多孔层开管柱（PLOT）
控制温度系统 在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。 恒温或程序升温 色谱柱炉 气化室 检测器 保证液体试样瞬间气化 保证被分离后的组分通过时不在此冷凝
气相色谱的固定相 • 液体固定相 固定液+载体 • 固体固定相 固体吸附剂 聚合物
载体 要求：有较大的比表面积，有分布均匀的孔径，良好的机械强度、化学惰性和热稳定性，表面不与固定液和样品起化学反应，且吸附性和催化性能越小越好。 类型 硅藻土 非硅藻土 红色载体 白色载体 普通硅藻土载体的表面并非完全惰性，而是具有硅醇基（Si-OH），并有少量的金属氧化物。因此，它的表面上既有吸附活性，又有催化活性。 载体的表面处理 酸洗 碱洗 硅烷化 （消除氢键结合力） （除去碱性基团） （除去酸性基团）
载体的选择 载体的粒度越小，填装越均匀，柱效越高，但柱压会增大，一般粒度直径为柱内径的1/201/25为宜。
固定液 • 一般为高沸点有机物，均匀地涂在载体表面，在分析条件下呈液膜状态 • 要求 选择性好，在使用温度下为液体，具有较低的蒸气压，热稳定性和化学稳定性好，对试样各组分有适当的溶解能力，黏度低。 • 固定液的选择性取决于其与组分分子间的相互作用力 静电力 诱导力 色散力 氢键力
被测固定液 角鲨烷 氧二丙腈 相对极性 • 固定液的特性 固定液特征参数 罗什耐德(Rohrschneider)常数 麦克雷诺 (McReynolds)常数
按化学结构分类 • 固定液分类 按相对极性分类
一般按相似相溶原则 常见固定液的结构和性质 • 固定液的选择
固定液的一般选择方法 a、分离极性化合物，采用极性固定液。样品各组分与固定液分子间作用力主要是定向力，各组分出峰次序按极性顺序，极性小的先出峰，极性越大，出峰越慢。 b、分离非极性化合物，应用非极性固定液，样品各组分与固定液分子间作用力是色散力，没有特殊选择性，各组分按沸点顺序出峰，沸点低的先出峰。对于沸点相近的异构物的分离，效率较低。 c、分离非极性和极性化合物的混合物时，可用极性固定液，非极性组分先流出，固定液极性越强，非极性组分越易流出。 d、对于能形成氢键的样品，如醇、酚、胺和水的分离，一般选择极性或氢键型的固定液，依组分和固定液分子间形成氢键能力大小进行分离。 e、“相似相容性原则”是选择固定液的一般原则，有时利用现有的固定液不能达到满意的分离结果时，往往采用“混合固定液”，应用两种或两种以上性质各不相同的，按适合比例混合的固定液，使分离有比较满意的选择性，又不致使分析时间延长。 f、在实际工作中选择固定液往往是参考资料或文献介绍的实例来选用固定液。
气固色谱固定相 无机吸附剂
开管柱 分类：壁涂开管柱（WCOT） 广泛应用 载体涂渍开管柱（SCOT）应用不太普遍 多孔层开管柱（PLOT）主要用于永久气体和低分子量有机化合物的气固色谱分离 WCOT柱的尺寸分类 WCOT柱常用的固定液有OV-1、SE-30、OV-101、SE-54、OV-17、OV-1701，FFAP及PEG-20M等
分类 浓度型检测器 质量型检测器 热导检测器 电子捕获检测器 根据检测原理的不同 气相色谱检测器 氢火焰离子化检测器 火焰光度检测器 流速对质量型检测器与浓度型检测器的影响 • 浓度型：增大流速，峰高不变，峰面积减小 • 质量型：增大流速，峰高增大，峰宽减小，峰面积不变。 浓度型 质量型 流速对两类检测器信号的影响
根据检测器对不同物质的响应情况 通用型检测器 气相色谱检测器 选择性检测器 对检测器的要求 主要有噪声小、死体积小、响应时间短、稳定性好、对所测化合物的灵敏度高、线性范围宽等
检测器的性能指标 • 噪声和漂移 • 灵敏度 • 检出限 • 线性范围 • 响应时间
噪声和漂移 噪声 反映检测器背景信号的基线波动，用N表示。 • 评价检测器稳定性的指标，同时还影响检测器的灵敏度。 主要有检测器构件的工作稳定性、电子线路的噪声以及流过检测器的气体纯度等 与色谱峰信号相似的基线波动，往往是由于载气纯度降低、色谱柱固定相流失或检测器被污染所造成的，很难通过滤波器除去，故对实际分析影响较大 来源： 分类 短期噪声 基线的瞬间高频率波动，是一般检测器所固有的背景信号 长期噪声 基线随时间的单向缓慢变化，通常表示为单位时间(0.5或1.0小时)内基线信号值的变化，即：Dr=R/t 单位：mV/h或pA/h 多是仪器系统某些部件未进入正常工作状态，如温度、载气流速，以及色谱柱固定相的流失。 漂移 原因
信号对进入检测器的组分量的变化率 响应信号的变化量 灵敏度 组分量的变化量 灵敏度 灵敏度的测量应在检测器的线性范围内进行 质量型检测器 浓度型检测器 单位：安培s/g 单位：mVml/mg
检出限 定义：在检测器上所产生的信号等于2倍噪声信号时的物质的质量 浓度型检测器 质量型检测器 噪声信号的平均值 单位：mg/mL 单位：g/s 检出限是衡量检测器性能好坏的综合指标
CA CB 线性范围 检测器信号大小与被测物质的量成线性关系的范围 绘制工作曲线时，样品的浓度范围应当控制在检测器的线性范围内
时间常数（响应时间） 定义：某一组分从进入检测器到响应值达到其实际值的63%所经过的时间，用表示 。 产生原因：主要是检测器的死体积和电子放大线路的滞后现象引起色谱系统对输出信号的滞后时间。 要求：越小越好
热导检测器(Thermal Conductivity Detectors,TCD) 热导池电桥测量线路 单丝热导池
影响热导池检测器灵敏度的因素 • 桥电流 在允许的工作电流范围内，工作电流越大，灵敏度越高，一般控制在100-200mA左右 钨丝与池体温差越大，灵敏度越高, 但避免冷凝样品，一般不低于柱温 热导系数大的载气，灵敏度高，常用载气热导系数大小顺序：H2>He>N2 阻值高、电阻温度系数大的热敏元件，灵敏度高 2.池体温度 3.载气 4.热敏元件阻值 还取决于池体的体积和载气的纯度
CO H 0 2 + 2 + CHO CHO CO H 0 + 2 2 CHO + + CHO CHO CO 2 H 0 2 H 0 2 H H 2 2 CH 4 H H 2 2 CH 4 H H CH 2 2 4 H H CH 2 2 4 column CH H H 4 2 2 jet CH H H 4 2 2 火焰离子化检测器 火焰离子化机理
火焰离子化检测器的特点 可用于检测绝大多数有机化合物，并可检测ng/mL级痕量物质，易于进行痕量有机物的分析。它具有结构简单、灵敏度高、响应快、线性范围宽、选择性好、低干扰性、坚固易于使用等优点。但检测时样品被破坏，不能检测惰性气体、空气、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2、H2S
电子捕获检测器(Electrom-capture Detector,ECD) 优点：是最灵敏的GC检测器之一，也是一种选择性很强的检测器，对于含卤素有机化合物、过氧化物、醌、邻苯二甲酸酯和硝基化合物的检测有很高灵敏度，特别适合于环境中微量有机氯农药的检测。 缺点：线性范围较窄，一般为103，且检测器的性能受操作条件的影响较大，载气中痕量的氧气会使背景噪声明显增大。 ECD原理示意图
火焰光度检测器(Flame Photometric Detector, FPD) 是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器 PFPD结构示意图
H Hu Csu Cmu A B/u u 色谱分离操作条件的选择 • 柱长的选择L n W t 在满足一定分离度的条件下，尽可能使用较短的柱子 • 载气及其流速的选择 依据范氏方程 当u较小时，宜选择相对分子质量较大的载气（N2, Ar) 当u较大时，宜选择相对分子质量较小的载气（H2, He） 同时需考虑与检测器相适应 Hmin uopt
3.柱温的选择 • 前提：不能高于固定液的最高使用温度 • 一般原则：在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，同时兼顾保留时间适宜，峰形不拖尾时，采取适当低的柱温 • 对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法 4.进样条件的选择 • 气化室温度 保证样品迅速完全气化又不致引起样品分解 • 进样量 最大允许进样量控制在使半峰宽基本不变，峰高与进样量成线性关系 • 决定色谱峰最大浓度的因素： 进样量越大，峰高越大 相同保留时间，塔板数越大，峰高越大 固定进样量和塔板数，保留时间越小，峰高越大，即色谱峰高且窄；反之，保留时间长的组分色谱峰低且宽。 5.检测器的选择 • 根据分析对象和分析要求合理选择
气相色谱法的特点 优点 • 分析速度快 • 高效、高分离度 • 灵敏的检测器（ppb) • 能偶联到质谱，实现分析 • 高的定量准确度（<1% RSD） • 所需的样品量少(1 µl) 缺点 • 适用于分析挥发性样品，不适用于热不稳定 的化合物 • 不适用于制备色谱 • 进行结构分析时，需要质谱方法的参与 • 大多数检测器是破坏性的检测器
