气相色谱法新版.

第12章气相色谱法GasChromatography气相色谱法（GC）是英国生物化学家MartinATP等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复杂的多组分混合物。目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处理机，使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。如气相色谱与质谱（GC－MS）联用、气相色谱与Fourier红外光谱(GC－FTIR）联用、气相色谱与原子发射光谱（GC－AES）联用等。气相色谱也有一定的局限：在没有纯标样条件下，对样品中未知物的定性和定量较为困难，往往需要与红外光谱、质谱等结构分析仪器联用；沸点高、热稳定性差、腐蚀性和反应活性较强的物质，气相色谱分析比较困难。12.1概述12.2气相色谱仪商品化有填充柱、毛细管柱和制备气相色谱仪等三种。需要说明的是，先进的气相色谱仪往往兼具填充柱、毛细管柱，分析、制备等多种功能。12.2.1填充柱气相色谱仪气相色谱仪由五大系统组成一、气路系统二、进样系统三、分离系统四、检测系统五、记录系统气相色谱结构流程processofgaschromatograph1-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;7-进样器；8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统1气路系统1、载气：相应高压钢瓶供给。常用的载气有：氢气、氮气、氦气，氩气；2、气路结构单柱单气路适用于恒温分析；双柱双气路可补偿由于气流不稳定和固定液流失引起的基线不稳，尤其适合程序升温。3、净化器——活性炭、硅胶、分子筛等，除去烃类杂质、水分、等。4、稳压恒流装置2进样系统1、进样器液体样品——微量注射器:1μL,5μL,10μL等气体样品——注射器:0.1ml-5ml;六通阀P325图15-32、气化室作用：使液体样品完全、迅速气化。3分离系统1、色谱柱填充柱φ2-4mm，L1-3m，一般混合物分析空心毛细管柱φ0.2-0.5mm，L20-300m复杂混合物分析2、色谱炉（柱箱）和温控系统柱温：恒温或程序升温；气化室温度：高于柱温10～50℃检测器温度：控温精度要求高于±0.1℃4检测系统5记录系统记录仪色谱数据处理机等12.2.2.毛细管柱气相色谱仪1载气瓶，2空气瓶，3氢气瓶，4减压阀，5净化管，6稳压阀，7负压稳压阀，8针型阀，9压力表，10FID，11干燥管，12分流器，13毛细管柱，14净化室，15稳流阀。12.2.2.毛细管柱气相色谱仪毛细管柱进样谱带展宽的柱外效应对柱效和定量的精确性影响很大。样品引入色谱柱过程的组分组成失真导致定量误差。因此，进样系统是毛细管色谱仪的关键部件之一。已研发出多种进样器，并不断改进进样技术。制备纯组分的填充柱气相色谱仪，适用于较大样品量制备分离纯组分。需要进样量大，进样装置中装有载气预热管与单向止逆阀。色谱柱内径和长度一般大于填充型分离分析柱，内径≥10mm左右，柱长在3～10m之间。色谱柱后装有分流阀，除少量分离组分进入检测器外，绝大部分组分进入收集系统冷冻收集。12.2.3.制备型气相色谱仪检测器是气相色谱仪的重要部件，其作用是将色谱柱分离后各组分在载气中浓度或量的变化转换成易于测量的电信号，然后记录并显示出来。其信号及大小为被测组分定性定量的依据。19.3.1.检测器的分类1.按流出曲线类型分类：积分型和微分型2.按检测特性分类：浓度型和质量型3.按选择性分类：通用型和选择型12.3.气相色谱检测器一个优良的检测器应具以下几个性能指标：灵敏度高检出限低响应线性范围宽稳定性好响应速度快通用性强12.3.2.检测器的主要性能指标热导检测器(TCD)是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的。热导检测器由于结构简单，性能稳定，几乎对所有物质都有响应，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，因此是应用最广，最成熟的一种检测器。其主要缺点是灵敏度较低。12.3.3.热导检测器(TCD)1、检测原理①被检测组分的蒸汽与载气具有不同的热导系数（λ）H2HeN2空气甲烷正己烷苯丙酮λ(100℃)卡/cm·℃·S53.441.87.57.510.95.04.44.2气体分子越小，迁移速度越快，即分子扩散到热丝表面及离开热丝的速度越快，热导系数就越高，所以H2、He具有较高的λ。②热丝阻值随T而改变电阻温度系数——温度每变化1℃，导体电阻变化值。钨丝——电阻率高，电阻温度系数大。③利用惠斯登电桥测量a/通入载气，调节热导池桥电流为100-200mA，钨丝T↑，部分热量被载气带走，达到平衡时，T恒定。调节池平衡使R1R4=R2R3，AB间电位差=0，记录仪走“基线”。R1参比池，柱前；R2测量池，柱后。固定电阻R3=R4b/进样测量池：载气+组分参比池：载气λX≠λ载R1≠R2R1R4≠R2R3AB间△E≠0，有信号输出信号大小:△λ↑,△R↑，信号↑，故用H2灵敏度高，N2灵敏度低，且当λxλN2（如甲烷）会出负峰Cx↑,△R↑,信号↑2、影响TCD灵敏度的因素①桥电流S∝I3,但I太大，基线不稳，热丝易烧断②载气λ↑,S↑。③热导池体温度△T=T絲-T池T池↓，△T↑，S↑。但T池不低于柱温。3、TCD特点：①适用范围广，对有机物、无机气体均有响应—通用型检测器；②结构简单，性能稳定；③不破坏样品火焰离子化检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。它的特点是：灵敏度很高，比热导检测器的灵敏度高约103倍；检出限低，可达10-12g·S-1；火焰离子化检测器能检测大多数含碳有机化合物；死体积小，响应速度快，线性范围也宽，可达106以上；而且结构不复杂，操作简单，是目前应用最广泛的色谱检测器之一。其主要缺点是不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等物质。12.3.4.氢火焰离子化检测器(FID)12.3.4.氢火焰离子化检测器(FID)1、结构•离子室喷嘴发射极收集极•放大器12.3.4.氢火焰离子化检测器(FID)2、检测原理例：C6H6→6CH·（自由基）6CH·+3O2→6CHO++6e-6CHO++6H2O→6CO+6H3O+②正离子CHO+,H3O+→极化极（—）电子e-→收集极（+）①有机物在氢焰中燃烧并化学电离在电场作用下产生微电流→放大→记录形成离子流3、FID特点①对绝大多数有机物响应，灵敏度高，适用于痕量有机物分析；②不能检测惰性气体、水、空气、CO、CO2、CS2等在氢火焰中不能电离的无机化合物；③检测时样品被破坏。选择性检测器，只对电负性物质（X,S,P,N,O）有响应，用于农药残留量、大气、水中痕量污染物测定。12.3.5.电子捕获检测器(ECD)12.3.5.电子捕获检测器(ECD)实际上它是一种放射性离子化检测器，与火焰离子化检测器相似，也需要一个能源和一个电场。能源多数用63Ni放射源，其结构如下图。火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，检出限可达10-12g·S-1（对P）或10-11g·S-11（对S）。这种检测器可用于大气中痕量硫化物以及农副产品，水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。12.3.6.火焰光度检测器(FPD)12.3.6.火焰光度检测器(FPD)火焰光度检测器的结构氮磷检测器（nitrogenphosphorusdetector,NPD），又称热离子检测器（thermionicdetectorTID），是一种质量检测器，适用于分析N、P化合物的高灵敏度、高选择性检测器。12.3.7.氮磷检测器(NPD)氮磷检测器的使用寿命长、灵敏度极高，可以检测到5×10-13g/s偶氮苯类含氮化合物，2.5×10-13g/s的含磷化合物，如马拉松农药。它对N、P化合物有较高的响应，而对其他化合物的响应值低104～105倍。19.4.1.固体固定相1.固体吸附剂12.4.气相色谱固定相2.高分子多孔微球主要以苯乙烯和二乙烯基苯交联共聚制备，亦或引入极性不同的基团，可获得具有一定极性的聚合物。适用性广；选择性高，分离效果好；热稳定性好；粒度均匀，机拭强度高，不易破碎；耐腐蚀，可用于氨、氯气、氯化氢等分析。3.化学键合固定相一般采用硅胶为基质，利用硅胶表面的硅羟基与有机试剂经化学键合而成。其特点是：使用温度范围宽；抗溶剂冲洗；无固定相流失；寿命长；传质速度快。在很高的载气线速下使用时，柱效下降很小。12.4.1.固体固定相气相色谱载体又称担体，为多孔性颗粒材料。其作用是提供一个大的惰性表面，使固定液能在表面上形成一层薄而均匀的液膜。（l）对载体的要求具有足够大的表面积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应；热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。12.4.2.载体（2）载体类型大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体，它是由称为硅藻的单细胞海藻骨架组成，主要成分是二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法不同，又分为:红载体和白色载体。红色载体是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色，故称红色载体，其特点是表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，如烃类、醇、胺、酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。白色载体是将硅藻土与20％的碳酸钠（助熔剂）混合煅烧而成，它呈白色、比表面积较小、吸附性和催化性弱，适宜于分析各种极性化合物。12.4.2.载体非硅藻土载体有有机玻璃微球载体，氟载体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分析，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2。等分析。但由于表面非浸润性，其柱效低。（3）载体的表面处理硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基SiOH或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。12.4.2.载体（i）酸洗：用3--6mol·cm-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：SiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OCH2+2HClSiSiO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。12.4.2.载体对固定液要求首先是选择性好;还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。12.4.3.1.固定液的基本要求12.4.3.液体固定相在气液色谱分离中，样品组分溶解在固定液中，构成以固定液为溶剂以样品组分为溶质的稀溶液。可根据溶液理论来考察组分在气相中的行为、组分与固定液形成溶液的性质及溶质和溶剂的相互作用。12.4.3.2.固定液与样品分子间的相互作用1.按固定液相对极性分类（i）相对极性：1959年由Rohrschneider提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液β，β′-氧二丙睛的极性为100．然后，选择一对物质（如正丁烷一丁二烯或环乙烷一苯），来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的