气相色谱原理与方法

第十二（2）章气相色谱法GasChromatography§12(2)-1概述气相色谱法（GC）是英国生物化学家马丁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。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。气相色谱法的特点：三高一快一广1.高选择性—能分离性质极为接近的物质如：同位素，异构体等2.高效能—在很短的时间内就能分离测定性质极为复杂的混合物3.高灵敏度—分离微量、痕量组分用高灵敏度的检测器可测出样品中10-11~10-13g组分样品用量少：液体0.几L气体1mL固体几g可测粮食、蔬菜中农药残留量，动植物体内药残留量4.分析速度快—样品准备好后，几分钟~几十分钟即可5.应用范围广在柱温条件下有一定蒸气压且稳定性好的样品都能测定，只要在–196~450℃温度范围内有27~1330Pa蒸气压且不分解的物质原则上都能测定，不论它是气体、液体和固体对于挥发性低和受热易分解的物质，若能通过化学衍生方法使其转化为挥发性大、热稳定性好的衍生物，同样可用气相色谱分离和分析GC专长：同系物（其它方法无法测定）GC主要用于分离和定量，可广泛应用在环保、临床、药物、农药、食品、污染物等方面的测定对不宜汽化的高分子，热稳定性差、化学性质极为活泼或强腐蚀性物质不能用GC测定。应用范围受到限制，在所有的有机物分析中只有15~20%能用GC进行分离分析。气相色谱法又可分为:气固色谱（GSC）气液色谱（GLC）：气固色谱：是用多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物.气液色谱：固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上．由于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广泛。§12(2)-2气相色谱仪1图4102G型气相色谱仪102型气相色谱仪（常用于学生实验）图5GC-7890气相色谱仪带色谱工作站图6GC-7890气相色谱仪外观内部结构图7GC-9A气相色谱仪日本东京Shimadzu图76890气相色谱仪图8毛细管柱色谱（美国安捷伦科技公司Agilent)一.气路系统气路系统—载气连续运行的密闭管路系统1.对气路的要求：2.气路结构3.流速的测定和校正载气流速采用气密性好载气要纯净、且稳定单柱单气路，简单适于恒温分析双柱双气路适于程序升温转子流量计—给出载气流速的相对值不能反映柱内真实流速皂膜流量计—测柱后的流速，进行校正后得到柱温下的流速owooopppFF)(校正载气流速：载气在柱后的真实流速：皂膜流量计测得载气流速出口载气流速经过水蒸气校正的流速室温时水的饱和蒸气压柱出口压力，即大气压力Tc：柱温；Tr：柱后温度载气平均流速：FC=FO′•Ti•j温度校正因子Ti=TC/Tr]1)/(1)/([2332oioippppj]1)/(1)/([233200oioircwocppppTTpppFF柱温、柱压、柱内载气的平均流速：压力校正因子三.进样系统—进样装置和汽化室汽化室：可控温度为50~400℃，一般比柱温高30~70℃1.进样装置•液体：0.5、1、5、10、25、50L(一般进样0.1~10L）•气体：0.25~5mL注射器或六通阀(一般进样0.1~10mL）2.汽化室•样品在汽化室汽化，并很快被带入色谱柱四.分离系统—把混合物样品中各组分进行分离的装置分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。（1）填充柱填充柱由不锈钢,玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，内装固定相，一般内径为2～6mm，长1～5m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。柱内填充固定相，制作简单，柱容量大，操作方便，分离效果足够高，n在102~103之间，应用普遍（2）毛细管柱毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l～0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充柱相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度快、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。五.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。控制温度主要指对色谱柱炉，汽化室，检测器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。六.检测和数据处理系统样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进入检测器，把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。固体固定相聚合物固定相液体固定相§12(2)-3气相色谱的固定相混合组分在色谱柱上能否分离，主要取决于所用固定相，选择固定相是GC的关键问题固定相主要分三大类：常用固体吸附剂主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。使用时，可根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最合适的吸附剂.主要用来分析永久性气体和一些低沸点物质一．气固色谱固定相二、聚合物固定相它既起固定液作用直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔径大小及表面性质。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析,也可用于多元醇、脂肪酸、脂类等的分析。三、气液色谱固定相载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相1.载体(担体)——承担固定液的惰性物质（l）对载体的要求①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；②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；③热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。（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:红色载体和白色载体红色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。国产：6201，201；301等白色载体: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。国产：101，102系列，英国和美国的Chromosorb系列等比较两种载体的优缺点红色载体白色载体柱效较高较低强度高低比表面大（3~10m2/g）小（1~3m2/g）活性中心有少适宜涂渍非极性固定液极性固定液适于分离非极性、弱极性化合物极性化合物常见的载体载体特点用途产地白色硅藻土载体101，102白色载体PH7略呈碱性适用于涂渍极性固定液，分析极性或碱性物质上海试剂一厂101,102硅烷化白色载体经过硅烷化处理分析氢键型化合物上海试剂一厂Celite545Chromosorb（A、G、W）比表面积1.0m2/g，极性小一般应用英国，美国表常见的载体担体特点用途产地红色硅藻土载体6201载体，201载体PH7略呈酸性分离非极性和弱极性物质大连红光化工厂，上海试剂一厂釉化6201载体，301载体性能介于红色担体与白色担体之间大连红光化工厂，上海试剂一厂C－22保温砖比表面积4.1~6m2/g一般应用英国ChromosorbP比表面积4.0m2/g非极性物质的分离美国GaschromR比表面积4.1~6m2/g美国Chezasob比表面积3.0m2/g一般应用捷克非硅藻土载体有有机玻璃微球，聚四氟乙烯，高分子多孔微球载体等。这类载体常用于特殊分析，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。（i）酸洗：用3--6mol·L-1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。SiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OCH2+2HClSiSiOCH3CH3CH3CH32．固定液—高沸点有机物（l）对固定液要求：A在操作温度下固定液应是液体，不易挥发、不易流失（有较低蒸气压）B良好的热稳定性和化学稳定性C选择性好——固定液的选择性可用相对调整保留值2.1来衡量。对于填充柱一般要求2.1＞1.15；对于毛细管柱，2.1＞1.08；D对试样各组分有适当的溶解能力，有合适的K（2）组分分子与固定液间的作用力在气相色谱中，载气是情性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略。在液相中，由于组分浓度低，组分之间的作用力也可忽略。液相里主要存在的作用力是组分与固定液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数大。2．固定液（2）组分分子与固定液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。它包括取向力、诱导力、色散力和氢键4种作用力。前三种统称范德华力。而氢键力则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。2．固定液（3）固定液的分类固定液有几百种，根据固定液的化学结构、官能团性质、固定液相对极性及分析对象有几种分类方法，目前最常用的是用相对极性表示。相对极性：1959年提出用相对极性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（如丁二烯——正丁烷或环乙烷——苯）来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及待测固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到:正丁烷）（丁二烯）(lgrrttq（3）固定液的分类式中:下标1，2和X分别表示氧二丙睛，角鲨烷及被测固定液中丁二烯与正丁烷相对保留值的对数由此测得的各种固定液的相对极性均在0～100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。相对极性在0～+l之间的叫非极性固定液+2为弱极性固定液+3为中等极性+4～+5为强极性。211100100qqqqPxx）（正丁烷）（丁二烯）(lgrrttq非极性亦可用“－”表示。表中列出了一些常用固定液的相对极性数据。（4）固定液的选择对固定液的选择并没有规律性可循。一般可按“相似相溶”原则来选择。在应用时，应按实际情况而定。（i）分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。（ii）分离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出。极性大的后流出。（iii）分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定