現代儀器分析第九章第九章氣相色譜法9.1概述9.2氣相色譜固定相9.3檢測器9.4定性和定量分析方法9.5實驗技術9.6氣相色譜法的應用29.1概述多孔固定相對組分的吸附作用吸附解吸過程液膜固定相對組分的溶解能力溶解和揮發過程氣相色譜分離原理(Gaschromatography,GC)3氣相色譜流程(FlowofGC)41）氣路系統氣路系統包括氣源、凈化器、氣體流速控制和測量裝置。常用的載氣有：氮氣、氫氣和氦氣，由高壓鋼瓶或氣體發生器提供。對于常用的FID和FPD還需要氫氣和空氣作燃氣和助燃氣。常用的凈化劑：活性炭（除烴類物質）、硅膠（除水）和分子篩（除O2）流速的調節穩壓閥－－恒溫GC穩壓閥＋穩流閥－－程序升溫GC5載氣流速的測量和計算轉子流量計－－柱前流量的相對值皂膜流量計－－實際流速的大小Fco：真實流速Fo：皂膜流量計實測的流速

Tc：色譜柱溫度Tr：室溫

po：柱出口壓力pw：室溫下水的蒸汽壓pi：柱入口壓力

j：壓力校正因子6

進樣分析廢液樣品入口氣體流動相入口

至氣相色譜柱旋轉式六通閥至氣相色譜柱進樣閥樣品入口裝樣廢液

氣體流動相入口(Load)儲樣管(Injection)3124563124562）進樣系統

a.進樣裝置注射器：填充柱色譜常用10μL，毛細管色譜常用1μL；新型儀器帶有全自動液體進樣器，清洗、潤沖、取樣、進樣、換樣等過程自動完成，一次可放置數十個試樣。六通閥：7液體樣品進樣之前必須在氣化室內變成蒸氣；氣化室位于進樣口下端，由一快金屬制成，外套電熱塊；氣化室溫度一般較柱溫高10

50

C，保證樣品瞬間氣化。b.氣化室83）分離系統填充柱：不銹鋼或玻璃材料制成，內裝固定相，一般內徑2~4mm，長1~10m，形狀有U形和螺旋形兩種。特點：制備簡單，柱容量大。毛細管柱：材料可為不銹鋼、玻璃和石英，柱內徑一般<1mm。長度一般為幾十米。樣品用量小，分離效率高，對檢測器要求高。94）溫控系統對氣相色譜的氣化室、色譜柱和檢測器進行溫度控制的裝置，溫度直接影響色譜柱的選擇分離、檢測器的靈敏度和穩定性。色譜柱溫控：恒溫和程序升溫，對于沸點范圍寬的混合物，采用程序升溫法，按一定程序控制溫度變化，使各組分在最佳溫度下分離；氣化室溫控：保證液體試樣瞬間氣化，一般比柱溫高30~70°C；檢測器溫控：保證被分離后的組分通過時不在此冷凝，與柱溫相同或略高于柱溫，防止樣品在檢測器冷凝。5）檢測記錄系統包括檢測器、放大器和記錄儀。現在一般采用色譜工作站的計算機系統實時控制，自動數據采集和數據處理。10氣相色譜法的特點氣相色譜法是先分離后檢測，可以給出多組分混合物中各個組分的定性定量結果。分離效率高

能同時分離和測定復雜的多組分混合物，毛細管柱一次可以分離150個組分；靈敏度高

GC的使用高靈敏度的檢測器，可低至1.0×10-12~1.0×10-14g；選擇性好

能夠分離性質及其相似的物質，如同分異構體、對應體及復雜混合物，如石油、揮發油和精油等分析速度快采用色譜工作站，自動化程度提高，分析速度快應用范圍廣能夠氣化且熱穩定（Tb<400oC）、不具腐蝕性的液體或氣體均可用GC分析。119.2氣相色譜固定相一.固體固定相固體吸附劑，用來分離和分析永久性氣體及氣態烴類物質。利用吸附劑對氣體的吸附性能差別進行分離。常用的固定相如多孔硅膠(強極性)、活性氧化鋁(弱極性)、活性炭(非極性)、分子篩等；應用范圍：CO、CO2、O2、CH4、C2H4、

C2H6、

He、Ne、N2、NO優點：比表面積大、耐高溫、價廉；缺點：柱效低、重現性差；性能與制備和活化條件有很大關系；種類有限，能分離的對象不多；12二.液體固定相液體固定相＝固定液＋擔體(載體)，是GC中應用最廣泛的固定相。I擔體

一種多孔性的、化學惰性的固體顆粒，為固定液提供具有較大表面積的惰性表面，用于承擔固定液。對擔體的要求：比表面積大，孔徑分布均勻；表面化學惰性，表面無吸附性或吸附性很弱，與被分離組份不起反應；形狀規則、顆粒均勻，一般大小60~80目、80~100目。具有較高的熱穩定性和機械強度，不易破碎；13擔體類型硅藻土擔體表面具有活性中心（硅醇基-Si-OH、Al-O、Fe-O等），吸附使色譜峰拖尾。屏蔽活性中心的處理方法有：酸洗(去除堿性作用基團)、堿洗(去除酸性作用基團)、硅烷化(去除氫鍵作用力)、釉化(表面玻璃化堵住微孔)及加減尾劑14II固定液固定液一般為高沸點有機物，均勻地涂在擔體表面，呈液膜狀態。對固定液的要求：選擇性要好對填充柱α2,1>1.15，對于毛細管柱α2,1>1.15；熱穩定性要好操作溫度下不會發生聚合、分解和交聯的現象，并且有較低的氣壓(<13.33Pa)；化學穩定性好固定液不能與試樣或載氣發生化學反應；對試樣各組分有適當的溶解能力粘度低、凝固點低以便在載體表面均勻分布15b.固定液的分類規定：角鯊烷的極性為0，β,β’-氧二丙睛的極性為100。選擇一對物質如丁二烯－正丁烷，分別測定它們在氧二丙睛、角鯊烷以及欲測固定液的色譜柱上的相對保留值：下標1、2和X分別表示氧二丙睛、角鯊烷及被測固定液16Kovats指數IX在任一色譜條件下，碳數為n的任何正構烷烴，其保留指數為100n，在指定實驗條件下測得組分得調整保留值之后，被測組分的保留指數IX為：

如何測組分的保留指數？將選定的標準和待測組分混合后進行色譜實驗，要求被測組分的保留值在兩個相鄰的正構烷烴的保留值之間。保留指數與相對保留值相似，表示一個組分的相對保留能力的大小，差別在于后者以單個化合物為參比標準，前者以正構烷烴系列為參比標準。17Mcreynolds

常量1970年，Mcreynolds選用苯、正定醇、2-戊酮、1-硝基丙烷和吡啶作為標準物質，分別測定它們在226種固定液和角鯊烷上的ΔI，并把5項的總和稱為總極性，即麥氏常量。18c.固定液選擇“相似相溶”原則：選擇與試樣性質相近的固定相。分離非極性物質，選用非極性固定液。試樣中的組分按照沸點次序流出；分離極性物質，選用極性固定液。試樣中的組分按照極性次序流出；分離非極性和極性混合物，一般選用極性固定液。試樣中的非極性組分先流出，極性組分后流出；分離能形成氫鍵的試樣，選用極性或氫鍵型固定液。試樣中的組分按形成氫鍵能力大小先后流出，最易形成氫鍵的后流出；對于復雜的難分離物質對，選用兩種或兩種以上的混合固定液；樣品進行未知，先選用最常用的固定液試驗再確定；各組分沸點有明顯差異，選用非極性固定相；極性有明顯差異，選用極性固定相。19三.合成固定相合成固定相又稱聚合物固定相，包括高分子多孔微球和鍵合固定相。其中鍵合固定相主要用于液相色譜。高分子多孔微球是一種合成的有機固定相，其中非極性的有苯乙烯和二乙烯苯共聚而成。如國內GDX-101、102型、國外的Chromosorb系列。聚合物固定相既是載體又起固定液作用，可活化后直接用于分離。由于無液膜存在，沒有流失問題，有利于升序升溫分析沸點范圍寬的試樣。各用于有機物中衡量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、腈類和胺類的分析209.3檢測器檢測器的主要性能指標：21檢測器的靈敏度只是反應了檢測器對某物質產生信號的大小，未能反應儀器噪聲的干擾，為此引入檢測限（LimitofDetection,LOD）這一指標。檢測限與靈敏度成反比，與噪聲成正比。LOD是衡量檢測器性能好壞的綜合指標。檢測限越低，越有利于衡量組分的分析。最小檢測量與檢測限是兩個不同的概念，檢測限是衡量檢測器的性能；而最小檢測量不僅與檢測器性能有關，還與色譜柱效及操作條件有關。22(5)響應時間進入檢測器的某一組分的輸出信號達到其值的63％時所需時間，一般小于1s。檢測器的死體積越小，電路系統的滯后現象越小，響應越快。通常用線性范圍內最大進樣量(Qmax

)和最小進樣量(Qmin)之比來表示。

檢測器線性范圍越大，適用性越寬，越有利于定量分析。

TCD線性范圍：1.0×105;FID線性范圍：1.0×107一個性能優良的檢測器應該是：

靈敏度高，檢出限低、死體積小、響應迅速、線性范圍寬和穩定性好。23一.熱導檢測器(Thermalconductivitydetector,TCD)池體：一般用不銹鋼制成；熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數大、鎢絲或錸鎢絲制成；參比臂：僅允許純載氣通過，通常連接在進樣裝置之前；測量臂：需要攜帶被分離組分的載氣流過，連接在緊靠近分離柱出口處。24TCD的檢測原理平衡電橋，下右圖。不同的氣體有不同的熱導系數。鎢絲通電，加熱與散熱達到平衡后，兩臂電阻值：

R1=R2

;

R3=R4

則：R3×R2=R4×

R1

無電壓信號輸出，記錄儀走直線（基線）。

25進樣后:載氣攜帶試樣組分流過測量臂而這時參比臂流過的仍是純載氣，使測量臂的溫度改變，引起電阻的變化，測量臂和參考臂的電阻值不等，產生電阻差，

R3≠R4；

則：R3×R2≠

R4×

R1這時電橋失去平衡，R3、R4兩端存在著電位差，有電壓信號輸出，信號與組分濃度相關。記錄儀記錄下組分濃度隨時間變化的峰狀圖形。26影響TCD靈敏度的因素TCD實際上是一種檢測流出物把熱量從熱絲上帶走的裝置，從熱絲上帶走的熱量的速率越快，其靈敏度就越高。橋電流：增加橋電流，會使熱絲的溫度提高，氣體容易將熱量傳出去，靈敏度提高。TCD的靈敏度S與橋電流I3成正比；

N2：100~150mA，H2：150~200mA池體溫度：降低池體溫度，可使池體與熱絲溫差加大，提高靈敏度。池體溫度不能低于柱溫，防止試樣冷凝。載氣種類載氣與試樣的熱導系數相差越大，靈敏度越高。選擇H2或N2作載氣有利于提高靈敏度

TCD是填充柱色譜中最常用的檢測器，要求樣品的濃度較高。27二.(氫)火焰離子化檢測器

(Flameionizationdetector,FID)1.特點典型的質量型檢測器，對有機化合物具有很高的靈敏度;結構簡單、死體積小、響應快、線性范圍寬、穩定性好；無機、氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質靈敏度低或不響應;比TCD的靈敏度高出近3個數量級，檢測下限可達1.0×10-12g·g-1。

含碳有機物在火焰中的燃燒產生離子，在外加電場的作用下，使離子形成離子流，根據離子流產生的電信號強度，檢測被色譜柱分離出的組分。282.FID工作原理在發射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100~300V）構成一個外加電場。氫焰檢測器需要用到三種氣體N2－載氣攜帶試樣組分；

H2

－燃氣，空氣－助燃氣使用時需要調整三者的比例關系檢測器靈敏度達到最佳。29FID中的燃燒當含有機物

CnHm的載氣由噴嘴噴出進入火焰時，在C層發生裂解反應產生自由基：CnHm──→?CH產生的自由基在D層火焰中與外面擴散進來的激發態原子氧或分子氧發生如下反應：

?CH+O──→CHO++e-生成的正離子CHO+

與火焰中大量水分子碰撞而發生分子離子反應：CHO++H2O──→H3O++CO化學電離產生的正離子和電子在外加恒定直流電場的作用下分別向兩極定向運動而產生微電流（約10-6~10-14A）A區：預熱區B層：點燃火焰C層：熱裂解區：T最高D層：反應區30在一定范圍內，微電流的大小與進入離子室的被測組分質量成正比，所以氫焰檢測器是質量型檢測器；組分在氫焰中的電離效率很低，大約五十萬分之一的碳原子被電離；離子電流信號輸出到記錄儀，得到峰面積與組分質量成正比的色譜流出曲線。313.影響FID靈敏度的因素

氫氮比N2流速→分離效能，H2

→靈敏度

H2

:N2=(1:1)~(1:1.5)空氣流量r空氣

→響應值

r空氣不宜超過800mL?min-1H2

:Air=1:10極化電壓極化電壓

→響應值

，通常極化電壓在150~300

V。32三、其他類型檢測器(otherdetectors)339.4定性和定量分析方法GC分析對象：在氣化室能成為氣態的物質。實際工作中，需對樣品進行預處理。水或空氣中的有機物：樣品濃縮、富集；含大量水、乙醇或能被強烈吸附的物質：除去水分和雜質一般有機酸：使用強極性色譜柱(FFAP)；揮發性弱、熱不穩定的有機酸：進行化學衍生轉變成酯類、醚類再進行色譜分析。一、定性分析方法定性分析：確定色譜圖上各個峰的歸屬。每種物質在一定的色譜條件下有一個確定的保留值，不同的物質可能具有近似或相同的保留值。1.用已知純物質對照定性－－最簡單最可靠的方法保留值法在相同的色譜條件下，將待測物質與已知純物質分別進樣，若兩者的保留值相同，則可能為同一物質。(色譜柱、儀器和操作條件必須完全一致)標準加入法對于復雜樣品，將純物質加入到試樣中，在相同得條件下，觀察加入已知物前后各組分色譜峰的相對變化。相對保留值法(分析條件不一致，但柱溫不變)比較待測組分與基準物的調整保留值，求得αis后與手冊數值比較。

雙柱多柱法把試樣和混合物分別在極性完全不同的兩根或多根柱子進行色譜分離，若標準物和未知物得保留值始終一致，可判斷為同一組分。

352.用經驗規律和文獻值定性碳數規律：一定溫度下，同系物的調整保留時間的對數與分子中碳原子數：沸點規律：同族具有相同的碳數碳鏈的異構體化合物，調整保留時間的對數與它們的沸點：利用Kovats指數定性：Kovats指數一種重現性較好的定性參數，求得IX與文獻數值比較。363.與其他分析儀器聯用的定性聯用技術成為目前復雜樣品定性最有效的工具之一。氣相色譜－質譜聯用（GC-MS）氣相色譜－紅外光譜聯用(GC-FTIR)氣相色譜－原子發射聯用（GC-AES）SampleSeparation(GCorLC)Identification(MS)ABCD

DCBA

BACDShimadzuGC-MS-QP2010型AgilentGC-MS-6890-597537確定絕對校正因子fi’、fi’’，就能計算待測組分在混合物中的含量

相對校正因子f

i

組分的絕對校正因子與標準物質的絕對校正因子之比測量相對校正因子fi

標準物苯（TCD），FID（正庚烷）二、定量分析方法定量分析：確定色譜圖上各個色譜峰對應化合物的量。在一定的操作條件下，待測組分的質量mi與檢測器產生得信號成正比mi=

fi’?Ai或mi=

fi’’?hi

fi’、fi’’分別是峰面積、峰高定量校正因子（絕對校正因子）。38定量計算方法(1)歸一化法：將所有出峰組分的含量之和按100％計算

特點及要求：

歸一化法簡便、準確；操作條件變動對測定結果影響不大；不適用于衡量分析峰面積歸一化法：任一組分峰面積占所有出峰組分峰面積之和的百分比。39(2)外標法（標準曲線法）配制待測組分的系列標準溶液，測定其峰面積或峰高，繪制A-c或h-c標準曲線；在完全相同的條件下，注入相同體積的待測樣品，根據所得峰面積或峰高，從A-c或h-c方程計算可得。適用于大量同類樣品分析單點校正法：配置一個與被測組分濃度c或含量p相似的標準物，在同一條件下對二者進行測定。40(3)內標法在樣品中加入一定量(m)的內標物，根據待測組分的和內標物的峰面積及內標物質量(ms)計算待測組分質量(mi)：內標物要滿足以下要求：試樣中不含有該物質；內標峰應在各待測組分之間或相近；能與樣品互溶但無化學反應；內標物濃度恰當，峰面積與待測組分接近419.5實驗技術一載氣及其流速的選擇載氣的選擇必須考慮檢測器的適應性TCDH2、He或N2

ECDN2FID和FPDN2(H2燃氣，Air助燃氣)載氣的流速分兩類：u較小，分子擴散項B/u起主要作用，選擇N2，Ar作載氣u較大，傳質阻力項C/u起主要作用，選擇H2，He作載氣

實際流速通常稍大于最佳流速，以縮短分析