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1、1,第十六章 气相色谱法,16-1 气相色谱仪16-2 气相色谱固定相16-3 气相色谱操作条件的选择16-4 气相色谱检测器16-5 毛细管柱色谱法简介 试题,2,16-1 气相色谱仪,3,气相色谱平面结构流程 process of gas chromatograph,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样阀;8-分离柱;9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪.,4,5,一、气路系统,6,2、气路结构单柱单气路：适用于恒温分析双柱双气路：适用于程序升温分析,气路系统包括载气钢瓶、减压阀、
2、净化干燥管、针形阀、流量计、压力表等部件,1、载气：氢气、氮气、氦气和氩气,7,气体：推拉式六通阀或旋转式六通阀。,二、进样系统：,2.气化室：由电加热的金属块构成，使试样能瞬间气化。,1.进样器：,液体：微量注射器；,8,三、分离系统,2.毛细管柱(内壁涂有固定液)玻璃或石英材质，内径0.20.5mm，长30300m，螺旋形,1.填充柱(填充固定相)不锈钢、玻璃、铜等材质，内24mm，长110m，U型或螺旋形,9,五、检测和记录系统：检测器是将通过色谱柱分离后的各组分的量转变为易测量的电信号的装置。,四、温控系统：控制和测量柱室、气化室及检测器的温度。,10,16-2 气相色谱固定相,a、活
3、性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。,一、气-固色谱固定相,气-固色谱固定相通常是具有一定活性的吸附剂颗粒，经活化处理后直接填充到色谱柱中使用。,1.固体吸附剂,11,b、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。c、硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，而且能够分离臭氧。d、分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐，多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定
4、He、Ne、Ar、NO、N2O等。,12,e、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)，适用于水、气体及低级醇的分析。,特点：固体固定相的性能与制备和活化条件有很大关系，同一种固定相，不同的活化条件，分离效果差异较大，使用时应注意。固体固定相种类有限，常用于永久性气体和低沸点物质的分析。,2.聚合物固定相,13,将涂敷好的固定相均匀装填到空柱中就构成了色谱柱。将固定液直接涂敷在毛细管柱壁上就构成了毛细管色谱柱。,二、气-液色谱固定相,气-液色谱固定相涂敷有固定液的担体（支持体）,14,可以作为担体使用的物质应满足以下条件：a、比表面积大，孔径分布均匀；b、化学
5、惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组分不起反应；c、具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；d、颗粒大小均匀、适度。,1.担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积，固定液能均匀的分布在其表面。,15,(1)硅藻土类由硅藻土制得的多孔性颗粒,红色担体：孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。白色担体：煅烧前原料中加入了少量助熔剂（碳酸钠）。颗粒疏松，孔径较大。表面积较小，机械强度较差但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。,硅藻土类担体,16,担体的表面处理,因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活
6、性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化等。,硅藻土担体表面不是完全惰性的，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。,17,（i）酸洗：用3-6molcm-3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。适用于分析酸性物质。（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。,18,(2)非硅藻土
7、类有玻璃微球、石英微球和聚四氟乙烯等。,填充柱气液色谱担体一览表,19,2.固定液：气相色谱固定液主要是一些高沸点的有机化合物,a.高沸点，难挥发；,d.应对被分离试样中的各组分具有适当且不同的溶解能力；,c.化学稳定性好；,e.具有高选择性。,1)对固定液的要求,b.热稳定性好；,20,2)固定液与组分分子间的作用力,这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。它包括有范德华力（定向力、诱导力、色散力）和氢键力。,定向力,Mobile Phase Flow,21,利用极性固定液来分离非极性组分(分子)和可极化组分(分子)的混合物。,诱导力,强极性固定液可以使易极化
8、的非极性化合物产生诱导力，从而增强它们之间的作用力，保留时间加长；而强极性固定液和难极化的非极性化合物作用力弱，保留时间短，因此可以把它们分开。,苯和环己烷的沸点仅差0.6，但它们在丁二酸乙二醇聚酯上固定相上的分配系数有很大差别,0 5 10 15 20 25 30 tR/sec,环己烷,苯,b.p.80.70 80.10,22,非极性分子的“瞬间”偶极矩,同步电场,极化周围的分子,非极性固定液分离非极性组分(分子)混合物,色散力,23,F H F O H O O H N N H NNC N N,键合力 与固定相分子之间形成化合物或配合物,氢键力,二甲胺 三甲胺 二甲胺遇到氢键型固定液即可给质
9、子，又可接受质子，因而有双重作用力，保留时间长；而三甲胺只有一种接受质子作用力，因此保留时间低于二甲胺，它们在甘油固定液上可以很好地分离。,二甲胺和三甲胺的分离就是靠氢键力不同,24,3)固定液的分类,脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等,b.按化学结构分类,a.按相对极性分类,分类方法：按化学结构、极性、应用等分类。,25,规定角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，,-氧二丙腈的相对极性为100，又把0100分成五级，每20为一级。,按固定液的极性分类有：,（1）固定液的相对极性（relative polarity，P）：,角鲨烷（异三十烷）squalane2，6，10，15，19，23-
10、六甲基二十四烷,，-氧二丙腈，-oxydipropionitrle,26,固定液的相对极性分为五级,每20单位为一级 非极性固定液 0-+1“-”弱极性固定液+1-+2 中等极性固定液+3 强极性固定液+4-+5,27,28,用x、y、z、u、s分别代表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，麦氏常数总和越大，表示分子间作用力越大。例如，,-氧二丙腈五个常数的总和为4427，是强极性固定相。,（2）固定液的麦氏常数：,29,表16-3 色谱常用固定液的品种,30,如：当需要醇的保留作用比
11、芳烃大的柱子时，应选用y与 x比值较高的固定相；当为了得到醇的保留值比酮大的柱子时，需选用y与 z比值较高的固定相。,麦氏常数表：按极性大小选择固定液,对于含有不同官能团化合物的分析，选用不同麦氏常数的数据；,31,（3）固定液的化学结构：,32,（1）分离非极性组分，选用非极性固定液。（2）分离极性组分，选用极性固定液。（3）分离非极性和极性组分的混合物，选用极性固定液。（4）分离能形成氢键的组分，选用极性或氢键型的固定液。（5）分离复杂的组分，可选用两种或两种以上混合固定液。,4)固定液的选择,选择原则：“相似相溶”选择与试样性质相近的固定相。,33,16-3 气相色谱检测器,2.质量型检
12、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。例如有氢焰离子化检测器(FID)，火焰光度检测器(FPD)。,一、检测器的分类,1.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。例如有热导池(TCD),电子捕获(ECD)。,34,二、检测器性能评价指标,在一定范围内，响应信号R与进入检测器的被测组分量Q呈线性关系：R=S 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，检测器的灵敏度也就越高。,灵敏度可定义为响应信号对进入检测器的被测组分量的变化率：S=R/Q,1.灵敏度S:检测
13、器的灵敏度亦称响应值。,35,对于质量型检测器，灵敏度定义为每秒内有1g被测组分进入检测器时，检测器所产生的毫伏数。,检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积A除以试样质量m求得：,S=A/m,对于浓度型检测器，灵敏度定义为单位体积载气中含有单位质量的被测组分时，检测器所产生的毫伏数。,36,要降低仪器的最低检测限，必须在提高仪器的灵敏度的同时最大限度地抑制噪声。,图16-15 本底噪声与信号识别,2.检出限D:当检测器恰能产生三倍于噪声信号时，单位时间进入检测器的试样量。,检出限 D=3RN/S,37,下图为某检测器对两种组分的RCi图。,3线性范围,检测器的线性范围定义为在检测
14、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。,R为检测器响应值，Ci为进样浓度。对于组分A进样浓度在CA。至CA之间为线性，线性范围为CACA。对于组分B则在CB至CB之间为线性，线性范围为CB/CB。不同的组分的线性范围不同。不同类型检测器的线性范围差别也很大。如氢焰检测器的线性范围可达107，热导检测器则在105左右。,38,二、热导池检测器(TCD),1.热导池检测器的结构,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，
15、则连接在紧靠近分离柱出口处。,热导池示意图双臂热导池四臂热导池,39,进样后，载气携带试样组分流过测量臂，而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，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R2R测R1,2.热导池的检测原理：,图16-7 热导池检测器电桥线路,基于不同的物质有不同的热导系数。,钨丝通电，加热与散热达到平衡后两臂电阻：R参=R测，R1=R2；则：R参R2=R测R1；无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。,平衡电桥失去平衡，M、N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曲线。,40,（3）载
16、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。氢气、氦气具有较大的热导系数（氦气价格较高）。,3.热导池的操作条件的选择,（1）桥路电流I：检测器的响应值S I 3，钨丝与池体之间的温差大，有利于热传导，检测器灵敏度提高。但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。,（2）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。,41,表：某些气体与蒸气的热导系数（），单
17、位：J/cms,H2:热导系数与组分相差较大，灵敏度高,N2:热导系数与组分相差较小，灵敏度低,TCD的特点：,结构简单，性能稳定，线性范围宽，对所有物质均有响应，灵敏度低。,42,三、氢火焰离子化检测器(FID),1.氢焰检测器的结构,2)在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100 300V）构成一个外加电场。,1)离子室,（不锈钢圆筒）,3)气体,N2：载气；,H2：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。,43,有机化合物的离子化是化学电离过程，首先形成含碳的自由基，自由基又与氧作用产生正离子。化学电离产生的正离子及电子在电场作用下形成离子流而产生
18、信号。,氢火焰示意图,A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区（温度最高区）D层：反应区,2.氢焰检测器的机理,44,例如，当含有有机物 C6H6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：C6H6 6CH 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：6CH+3O2 6CHO+6e-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 H3O+CO,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）；,45,离子电流需经放大后通过高电阻转换成电压信号输出到记录仪，得到峰
19、面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。,图：氢焰检测器示意图,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。组分在氢焰中的电离效率很低（约五十万分之一）。,46,3.影响氢焰检测器灵敏度的因素,(1)各种气体流速和配比的选择：N2流速的选择主要考虑分离效能，N2 H2=1 11 1.5 氢气 空气=1 10。,(2)极化电压：正常极化电压选择在100300V范围内。,图：气体流速调节装置,(3)温度的选择：温度在80200，灵敏度几乎相同；温度在80 以下，灵敏度显著下降。,47,4.氢焰检测器的特点,(1)对有机化合物具有很高的灵敏度，比热导检测器的灵敏度高近3个数量级，检测下限
20、达10-12gmL-1。,(2)具有结构简单、稳定性好、响应迅速等特点。,(3)对无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应。,48,检测器有很高灵敏度和选择性，仅对含有电负性元素的物质(卤素、磷、硫、氧等元素)的化合物有响应，检测下限可达10-14gmL-1，对大多数烃类没有响应。较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。,四、电子捕获检测器（ECD）,49,火焰光度检测器对含磷、硫的有机化合物具有高灵敏度和选择性，主要由火焰喷嘴、滤光片和光电倍增管组成。,五、火焰光度检测器（FPD）,50,图：喷射式分子分离器,*具有定性功能的检测器（联用技术）,质谱作为色谱的检
21、测器使用需要解决：色谱柱出口压力与质谱仪高真空之间的匹配；试样组分与载气的分离。,喷射式分子分离器：由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中，如右图所示。,51,16-4 气相色谱操作条件的选择,载气流速低时：分子扩散项成为影响柱效的主要因素，随着流速的增加，柱效提高。,一、载气及其流速的选择,（1）载气流速的选择：,由速率方程 H=A+B/u+Cu 可以看出：,载气流速高时：传质阻力项是影响柱效的主要因素，随着流速的提高，柱效下降。,由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响存在着一个最佳流速值。,52,以塔板高度H 对应载气流速u 作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。在实际工
22、作中，为了缩短分析时间，常使流速高于最佳流速。,H=A+B/u+Cu,53,载气流速高时：传质阻力项成为影响柱效的主要因素，应采用相对分子质量小的氢气、氦气作载气，可减小传质阻力，提高柱效。,（2）载气种类的选择：,应考虑三个方面：载气对柱效的影响、检测器及载气性质。,载气流速低时：分子扩散项成为影响柱效的主要因素，应采用相对分子质量大的氮气、氩气作载气。载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。,当然，载气的选择还要考虑与检测器相适应。热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。,54,柱温升高，可以减小传质阻力，利于提高柱效；但加剧了分
23、子的纵向扩散，导致柱效下降。柱温升高，可以缩短分析时间；但会降低柱的选择性。分离度下降，被测组分的挥发度靠拢，低沸点组份峰易产生重叠。,二、柱温的选择,应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液会固化）范围之内。,柱温选择的一般原则是在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。,柱温的选择直接影响柱的选择性、柱效能和分析时间。,55,对于组分复杂，沸程很宽的试样，采用程序升温。,即在分析过程中按一定速度提高柱温，在程序开始时，柱温较低，低沸点的组分得到分离，中等沸点的组分移动很慢，高沸点的组分还
24、停留于柱口附近；随着温度上升，组分由低沸点到高沸点依次分离出来。采用程序升温后不仅改善分离，而且可以缩短分析时间，得到的峰形也很理想。,56,a 改善分离效果；b 缩短分析周期；c 改善峰形；d 提高检测灵敏度。,程序升温好处：,57,配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。,三、固定液配比的选择,固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的配比，配比通常在5%25%之间。,58,减小担体粒度，柱效将明显提高，但粒度过细时，阻力将明显增加。,四、担体粒度的选择,担体粒度直接影
25、响涡流扩散相和传质阻力项。,颗粒大小均匀适度，常用60 80目、80 100目。,59,填充色谱柱的柱长通常为1 3米，内径3 4毫米。,五、柱长和柱内径的选择,增加柱长对提高分离度有利（分离度R2正比于柱长L），但组分的保留时间tR 增加，且柱阻力变大，不便操作。,柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。,60,在色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，需要在此瞬间气化，气化温度一般较柱温高30 70，应防止气化温度太高而造成试样分解。,六、进样条件的选择,液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L等。气体试样应采用气体进样阀进样。
26、进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。进样要求动作快、时间短。,1.进样时间和进样量,2.气化温度的选择,61,16-5 毛细管柱色谱法简介,提高色谱分离能力的途径：,1.由塔板理论：增加柱长，即增加柱子塔板数；,2.由速率理论：减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻力。,采用毛细管色谱柱：不装填料，阻力小，长度可达百米的毛细管柱，管径0.2 mm。,H=L/n,H=A+B/u+Cu,62,1.分离效率高：比填充柱高10100倍；2.分析速度快：用毛细管色谱分析比用填充柱色谱速度快；3.色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温方式；4.灵敏度高。一般采用氢焰检测器。,一、毛细管色谱的特点
27、,63,气流单途径通过柱子，消除了组分在柱中的涡流扩散。固定液直接涂在管壁上，总柱内壁面积较大,涂层很薄，则气相和液相传质阻力大大降低。毛细管色谱柱柱效高达每米30004000块理论塔板，一支长度100米的毛细管柱，总的理论塔板数可达104106。,图：毛细管色谱流程示意图,64,菖蒲油(calmus oil)填充柱与毛细管色谱图比较,65,（1）允许通过的载气流量很小。（2）柱容量很小，允许的进样量小。需采用分流技术，（3）分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。,二、毛细管色谱结构流程及操作条件,毛细管柱内径很细，因而带来三个问题：,解决方法：灵敏度高的氢焰检测器，采用尾吹技术。,毛细管色
28、谱结构流程,66,毛细管柱色谱仪和填充柱柱色谱仪结构流程比较,分流比：放空的试样量与进入毛细管柱的试样量之比。一般在50：1到500：1之间调节。,67,68,3.载体涂渍开管柱（support coated open tubular，SCOT柱）：将非常细的担体微粒粘接在管壁上，再涂固定液，柱效较高。,三、毛细管色谱柱的分类,毛细管柱按其制备方法可分为以下几种：,1.涂壁开管柱（wall coated open tubular，WCOT柱）：将固定液直接涂敷在管内壁上。柱制作相对简单，但柱制备的重现性差、寿命短。,2.多孔层开管柱（porous layer open tubular，PLOT柱）：在管壁上涂敷一层多孔性吸附剂固体微粒，构成毛细管气固色谱。,4.化学键合或交联柱：将固定液通过化学反应键合在管壁上或交联在一起。使柱效和柱寿命进一步提高。,
