第06章气相色谱分离技术

气相色谱的发展是高效分离的突破口，而高效气相色谱和高效液相色谱是现代分离技术的基础，在气相色谱中新型高选择性的耐高温固定相仍是比较活跃的研究领域。对气相色谱在有机物的痕量分离分析方面的应用仍须关注。液相色谱中选择性色谱柱和选择性流动相的应用发展是今后若干年中的主攻方面。细径柱的合理开发，多维色谱以及以色谱为主的系统分析网络将使复杂系统有机痕量物质的分离和分析跃上新的台阶。第六章气相色谱法五、检测器六、记录仪和数据处理装置§6-3操作条件的选择一、载气流速二、气化室温度三、柱温四、检测器温度§6-1一般流程及分离原理一、一般流程二、分离原理三、色谱流出曲线§6-2系统简介一、色谱柱二、担体三、固定液四、载气§6-5毛细管气相色谱一、毛细管柱的分类二、毛细管色谱的特点三、毛细管色谱系统§6-6应用一、应用范围二、制备衍生物的方法三、应用实例五、柱型、柱长和柱内径六、担体粒度七、固定液用量八、进样时间和进样量九、柱压降§6-4定性和定量一、定性方法二、定量方法0第六章气相色谱法气相色谱法（GasChromatography,GC）属柱色谱，其中GSC属于吸附色谱，而GLC则属于分配色谱。GSC可供选择的吸附剂较少，所以多用GLC。其流动相是气体，又称为载气。固定相是涂在担体上的液体。其特点是：选择性高，分离效果高，灵敏度高，分析速度快，应用范围广。但不能直接给出定性结果，样品必须气化，定量准确性差（误差1~3%）。为克服这些缺点，常采用气相色谱仪与其它近代分析仪器联用，例如：气—质、气—红、气—核磁联用等。§6-1一般流程及分离原理一、一般流程进样器↓气化室↓色谱柱↓检测器↓放空钢瓶→减压阀→净化器→稳压阀→转子流量计→色谱室(色谱炉)放大器→记录仪→数据处理双气路填充柱气相色谱仪流程•1-高压气瓶（载气）；2-减压阀（氢气表或氧气表）；3-净化器；4-稳压阀；5-压力表；6-针阀或稳流阀；7-压力表；8-气化室；9-色谱柱；10-恒温箱附：气相色谱仪主要部件的流程图二、分离原理由于试样中各组分在色谱柱中气相、液相间的分配系数不同，气化后的试样被载气带入色谱柱中运行时，组分就在其中的两相间进行反复多次（103~106次）的分配，由于固定相对各组分的溶解能力不同，所以这些组分在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定柱长后，彼此分离，顺序离开色谱柱进入检测器，产生的信号经放大后，在记录仪上绘制出各组分的色谱图。三、色谱流出曲线图图6-1色谱流出曲线示意图§6-2气相色谱系统简介色谱柱及其固定液是决定被分离混合物各组分能否完全分离的关键部分，而各组分的完全分离又取决于柱效能和选择性，后者主要取决于固定相（担体和固定液）是否选择合适。一、色谱柱(1)填充柱填充柱由玻璃管，铜管，不锈钢管，聚四氟乙烯管，尼龙管等耐腐蚀，耐高温，惰性，内表面光滑，内壁干净，直径均匀的材料制成的U型或螺旋性管，内径2~6mm，柱长1~10m（根据柱温、柱压、样品性质等不同实验条件，选择柱长）。(2)毛细管柱毛细管柱由塑料，玻璃，不锈钢等材料制成，内径0.1~0.5mm，长度50~300m。二、担体担体是固定液的支持物，其作用是负载薄层均匀的固定液液膜。(1)对担体的要求有恰当的表面积，孔径分布均匀，吸附性小，惰性，有一定的机械强度，热稳定性好。(2)类型①硅藻土系列红色：由天然硅藻土与粘结剂煅烧制得，用于分离非极性物质。例如：6201红色担体。白色：天然硅藻土加Na2CO3作助溶剂，煅烧制得。用于分离极性物质。例如：101、102白色担体。②非硅藻土系列氟担体，多孔性高聚物微球，玻璃微球等，多用于特殊目的的分离。例如：多孔性高聚物微球可用于分析样品中的水分，氨气等。通常选用粒度为60~80目或80~100目的担体，为了消除担体表面的吸附性，克服色谱峰拖尾，担体在使用前应经水洗、酸洗或碱洗甚至硅烷化或釉化处理等，以除去粉末和金属氧化物等其它杂质及表面的氧化铝等吸附中心。随着高效色谱柱的发展，对担体性能的要求越来越高，特别是对微量杂质的分析和对高沸点极性化合物的分析，担体性能的优劣有时会成为控制因素。所以要根据分析项目和固定液的含量选择不同的担体。三、固定液固定液的性质及其正确选择是气相色谱分离成功与否的重要一环。固定液一般都是高沸点的有机化合物，在操作温度下为液态，在室温时为固态或液态。(1)对固定液的要求①在操作温度下蒸气压要低(0.01~0.1mmHg),热稳定性好，以免在使用过程中流失（最高使用温度可查阅气相色谱手册）②对样品中各组分有足够的溶解能力，且对分离的组分要有高的选择性（即对不同的组分有不同的分配系数）。③化学稳定性好，不与被分离的各组分、担体及载气发生化学反应。(2)类型按相对极性（ρ）分类：①非极性，例如：SE-30（甲基硅酮）、OV-101（二甲基硅脂）。②中等极性，例如：OV-17（苯基甲基硅酮）③极性，例如：,-氧二丙腈④氢键型，例如：PEG-20M按化学类型分类：将具有相同官能团的固定液分为一类，如下表。按化学结构分类的固定液固定液的结构类型极性固定液举例分离对象烃类（烷烃、芳烃及聚合物）最弱极性角鲨烷、阿皮松、石腊油、聚苯乙烯非极性化合物聚硅氧烷极性范围广甲基聚硅氧烷、苯基聚硅氧烷、卤烷基聚硅氧烷不同极性化合物醇类和醚类强极性聚乙二醇强极性化合物酯类和聚酯类中强极性邻苯二甲酸二壬酯应用范围广腈类和腈醚强极性,-氧二丙腈、苯乙腈极性化合物(3)选择原则固定液的选择取决于被分离物质的性质，一般根据相似性原则，即固定液的性质与被分离组分之间有某些相似。如：极性相似，官能团相似，化学键相似等。具体做法：①分离非极性物质选用非极性固定液。各组分按沸点高低顺序流出：从沸点低到沸点高。②分离强极性物质选用强极性固定液。各组分按极性顺序流出：从极性弱到极性强。对极性和非极性混合物，一般也选极性固定液。③分离酸性和碱性物质，选用强极性固定液，并加入酸性或碱性添加剂（如H3PO4，KOH）以便得到对称峰。④分离异构体，一般选用强极性固定液。⑤难分离样品，多选择混合固定液。例如：串联柱或混合柱。担体和固定液的选择可查阅气相色谱手册，但还要根据实验来决定。四、载气流动相气体即为载气。载气以一定流速携带气体样品或经气化后的样品一起进入色谱柱。对同一色谱柱，在一定的温度下，恒定的气体流速以某一种特定的保留时间来洗脱各个组分。正因为载气流速恒定，所以各组分也就有一种特定的保留体积。常用的载气是氢气、氦气和氮气。载气应该是：不活泼，不与样品或固定液反应；扩散速度小；足够纯；价廉，易购得；与所使用的检测器相适应。五、检测器检测器是将从色谱柱流出的载气中被分离各组分的浓度或质量变化转换为易于测量的电信号（电压或电流）的装置，它决定色谱仪的灵敏度，最小检出量，稳定性，定量准确性和响应时间的快慢。检测器有两种类型：①浓度型，指给出的信号强度与组分浓度成正比，检测组分浓度的瞬间变化；②质量型，指给出的信号强度与单位时间进入检测器中组分的质量正比，测量组分进入检测器的速度变化。前者包括热导池检测器（TCD）：通用型，适用于有机、无机物；电子捕获检测器（ECD）：选择型，对含电负性强的元素的物质有响应。后者包括H火焰离子化检测器（FID）：选择型，适用于有机物。火焰光度检测器（FPD）：选择型，测含残余农药中S、P的含量。(1)热导池检测器TCD惠斯顿电桥参比、测量的两个电桥臂电阻相等，电桥平衡→记录仪无信号→进样，测量臂导热系数改变，两电阻不相等，有信号输出。载气与样品的导热系数相差越大，检测器灵敏度越高，载气一般用H2。(2)H火焰离子化检测器FID样品+载气：N2燃气：H2助燃气：空气H火焰→离子头产生小离子→微量电流（10-7~10-14A）→高电阻（107~1010Ω）→放大→记录(3)电子捕获检测器ECD①N2②N2+样品放射源(3H或63Ni),产生-射线①N2++e（低能量）→电场作用，产生基流②含电负性强的元素的分子捕获电子→负离子→电场作用，与N2+复合,基流减小，产生倒峰(4)火焰光度检测器FPD①有机磷化物②有机硫化物富氢火焰的发射源①生成磷氧化物②生成硫氧化物[H]→外层电子受热激发变为激发态①HPO②S2*基态，并发射出特征分子光谱滤光片λmax①526nm②394nm光电倍增管→测量发射强度检测①P②S六、检测与记录系统、数据处理装置•组分分离后进入检测器，检测器将各组分的量的变化转化为电压或电流的变化，经放大后由记录仪绘出色谱图。•检测器按响应特征可分为浓度型检测器与质量型检测器两类。浓度型检测器的响应信号与进入检测器的组分浓度成正比，如：热导池检测器（TCD）。质量型检测器的响应信号与单位时间内进入检测器的组分质量成正比，如：氢火焰离子化检测器（FID）。•数据处理装置一般联用计算机。§6-3气相色谱分离操作条件的选择一、载气流速流速↑→出峰快→各组分之间的峰间距↓→分离效果差流速↓→出峰慢→各组分之间的峰间距↑→分离效果好最佳流速应当是：出峰快，分离效果好。载气选择：载气应与所用检测器相适应。对TCD，应选用H2或He；对FID，选N2二、气化室温度气化室的温度应高到足以迅速气化样品，又不致引起样品的热解或分子重排，通常气化室的温度比样品沸点高出大约20℃。三、柱温柱温↑→出峰快→各组分之间的峰间距↓→分离效果差柱温↓→出峰慢→各组分之间的峰间距↑→分离效果好柱温要根据样品的沸点和固定液的最高使用温度等来选择，尽管柱温低分离效果好，但样品中含沸点相差较多的成分时，必须使用程序升温（按预定的加热速度随时间作线性增加），而不能任意降低柱温。四、检测器温度检测器和从色谱柱到检测器的接连处都必须热到使样品和离子化过程中生成的水或各种副产物不出现冷凝现象（峰的加宽和各峰的衰减是冷凝作用的表征）。五、柱型、柱长和柱内径色谱柱容量↓→柱效能↑→分离效果好柱长↑,内径↓→分离效果好,但载气流速↓柱压降↑。若使用毛细管柱，则固定液直接涂渍在毛细管内壁上，不需要担体，渗透性大，传质阻力小，可采用很长的色谱柱。所以分离效果好，分析速度快，样品用量小。六、担体粒度担体粒度较小且均匀，分离效果好，若柱内径为4~6mm，则使用60~80目的担体较合适。七、固定液用量固定液用量↓→分析速度↑，操作温度↓，但样品容量↓，并要求使用高度惰性的担体。八、进样时间和进样量进样时间要短，样品必须象“塞子”一样在瞬间进入柱内。进样时间过长，会造成样品在柱中的扩散，使色谱峰变宽，甚至变形。进样量过大，造成色谱柱的超负荷，影响分析效果。九、柱压降入口压力／出口压力↓→分离效果好。§6-4定性和定量方法一、定性类似于薄层和纸色谱，用已知物直接对照法定性，即将标样和试样在同一条件下比较保留时间，最好用双柱定性。若无标样，则采用气—质联用。二、定量(1)归一法ci%=(mi/m)×100%=[mi/(m1+m2+…+mn)]×100%=[Aifi′/(A1f1′+A2f2′+…+Anfn′)]×100%其中相对校正因子：fi′=fi/fs=mi/Ai﹒As/msmi=Aifi′ms/As相对校正因子可在有关文献上查阅或自测。但所有组分的色谱峰应全部出现，峰面积能准确测量，且无杂质峰。(2)内标法当色谱峰出不齐，或峰面积测定有困难时，试样中其他组分无法定性，仅对其中一种已知组分定量，可用内标法。将标样加到试样中，标样的出峰位置距被测组分峰很近。mi=Aifi′ms=Asfs′mi=(Aifi′/Asfs′)×ms若校正因子查不到或不能用，可用组分i标样求出fi′/fs′=(miAs)/(msAi)(3)外标法（工作曲线法）ci/Ai=cs/As，要求仪器稳定，进样量准确，在色谱峰出不齐或找不到合适的内标物质时，可用此法。§6-5毛细管气相色谱一、毛细管柱的分类(1)空心毛细管柱（WCOT）是将固定液直接涂在毛细管内壁表面的一种色谱柱。特点：传质阻力小，分离效能高、分析速度快。用它可进行复杂有机物的分析。（2）填充毛细管色谱柱（SCOT）•先将载体松散地填充在原料管中（一般