第三章气相色谱技术

第三章气相色谱分离技术第一节气相色谱系统气相色谱法是一种很重要的，以气体为流动相，以液体或固体为固定相的色谱方法，气相色谱法（GC）有以下特点：（1）高选择性GC能够分离分析性质极为相近的物质。如氢的同位素，有机物的异构体。（2）高效GC可在较短的时间内同时分离分析极其复杂的混合物。如用空心毛细管柱一次可以分析轻油中的200个组分。（3）高灵敏度由于使用了高灵敏度的检测器，可以检测10-11-10-13克物质。检测浓度可达到ppt级。（4）分析速度快GC一般只要几到几十分钟的分析时间，某些快速分析，一秒可以分析十几个组分。GC法的应用相当广泛，在一千万个化合物中，大约有20%的物质可以用GC方法进行分析，如：生物化学分析：GC一开始就是用于生物化学领域，气-液GC的创始人Martin首先进行了脂肪酸和脂肪胺的分析。石油化工分析：用200m的毛细管GC法一次可以分析200个化合物。环境分析：如水中有机物分析。食品分析：如粮食中残留农药的分析。药物临床分析：氨基酸、兴奋剂的分析。法庭分析：各种物证鉴定。空间分析：如飞船中气氛分析。军工分析：如火药、炸药分析。图3-1是GC的流程示意图。345826179图3-1气相色谱流程示意图1—高压瓶，2—减压阀，3—净化器，4—气流调节阀，5—进样口，6—气化室，7—色谱柱，8—检测器，9—记录仪气相色谱仪的种类很多，但主要由分离系统和检测系统组成。3.1.1分离系统分离系统主要由气路系统、进样系统和色谱柱组成，其核心为色谱柱。1.气路系统气路系统指流动相载气流经的部分，它是一个密闭管路系统，必须严格控制管路的气密性，载气的惰性及流速的稳定性，同时流量测量必须准确，才能保证结果的准确性。载气通常用N2，He，H2，Ar等。2.进样系统进样系统包括进样装置和气化室。气体样品可以用注射器进样，也可用旋转式六通阀进样。气化室必须预热至设定温度。3.色谱柱GC中常用的色谱柱有两种。一种是填充柱，有不锈钢、铜、玻璃等材料制成，可制成不同的形状，装填不同的填料，如担体（红色担体，白色担体，非硅藻土型担体）、固定液（角鲨烷，硅油，聚乙二醇，聚苯醚等）。另一种是毛细管柱，其材料多为石英，规格为内径0.1-0.5mm，柱长为10-300m,其内壁可涂上固定液。空心毛细管柱渗透性能好，分离效率高。3．1．2检测系统检测系统主要为检测器，检测器将色谱流出物转变为电信号，由数据记录部分将图谱记录下来，然后进行数据处理。第二节气相色谱常用的检测器气相色谱检测器研究过的有20多种，但常用的商品化的仅有6种。表3-1是6种检测器的性能比较。表3-1常用GC检测器的性能比较检测器响应特性敏感度,g/s响应时间,s最小检测量,gTCD浓度型10-6-10-10g/ml110-6FID质量型2×10-120.15×10-13ECD浓度型10-14g/ml110-14FPDP,质量;S,浓度平方P:10-12;S:10-110.110-10TID质量型N:10-13;P:10-14110-13PID质量型10-130.110-11热导检测器（TCD）；氢火焰离子化检测器（FID）；电子捕获检测器（ECD）；火焰光度检测器（FPD）；热离子检测器（TID）：光离子化检测器（PID）。3.2.1检测器的分类（1）微分型和积分型根据检测器输出信号的变化与组分在色谱流出物中含量之间的关系，检测器可以分为微分型和积分型两种。从前者得到的色谱图了反映组分流出色谱柱时的分布曲线，由一系列峰组成；从后者得到的曲线是阶梯型曲线。（2）浓度型和质量型检测器是利用组分的物理化学性质将组分的量与电量相关联的装置，所得到的电信号反映了组分的量。反映浓度与信号关系的检测器是浓度型检测器。例如利用物质的介电常数、气体密度、热导率、电极电位、电负性、光吸收和发射等性质进行分析的检测器就形成了浓度型检测器。质量型检测器是根据组分与质量有关的物理化学性质而设计的，例如利用物质的质量、电离电流、震荡频率、热电子发射、质谱、C原子个数等原理设计的叫质量型检测器。载气的流速增加，峰高增加。（3）通用型和专用型通用型指对所有组分都有响应的检测器，如热导、氢火焰离子化检测器等。选择专用型指对专有组分才有响应的检测器，如电子捕获检测器、火焰光度检测器、光离子化检测器等。（4）破坏型和非破坏型热导是非破坏型、氢火焰离子化检测器是破坏型的典型代表。3.2.2检测器的一般要求检测器一般都要求灵敏度高、检测限低、死体积小、响应快、线性范围宽、稳定性好。（1）线性范围线性范围是指仪器能检测到组分最大、最小量之比，在这个范围内，信号与浓度成正比，它表明了对样品准确定量的能力。氢火焰离子化检测器的线性范围高达107，电子捕获检测器为103，热导为103。（2）稳定性用基线噪音和漂移来表示，它包括了检测器本身、柱子状态、流动相的纯度等因素。（3）响应时间、时间常数色谱系统的响应时间主要由信号测量的电子系统和检测器本身的时间常数组成，现代电子系统的时间常数可以方便的做到毫秒级的水平，但传统的笔式记录仪的时间常数通常为1秒，它可用于填充色谱柱分离中，不能满足毛细管气相色谱的记录。检测器本身的时间常数主要来源于死体积，它可以引起峰变宽，使检测器不能对组分量的变化作出快速响应。热导检测器的死体积通常为800微升，氢火焰离子化检测器的为0。检测器的时间常数=V0（1-e-1）/F（3-1）式中V0是死体积，F是流量。假设V0是0.5ml，F为60ml/min，则时间常数为0.3秒。一般要求检测器的/小于0.1，为标准高斯峰的标准偏差。3．2．3常用检测器（1）热导检测器（TCD）它是基于物质的热导系数而设计的检测器。用来测量气体热导的热导池一般是由热的良导体不锈钢制成。当流经热导池的气体的热导率发生变化时，热导池池体发生Q的热量变化，引起热敏元件T的温度变化，从而使热敏丝的阻值变化R，这种变化由惠斯顿电桥测定，最后反映出组分的浓度变化C。（2）氢火焰离子化检测器（FID）1958年，J．Harley首先发展了这种检测器，它是GC中最常用的一种，特别适于毛细管GC。它有很多优点，比如通用性强，几乎对所有的样品都有响应，而对水、空气、惰性气体、不电离的物质则几乎没有响应；灵敏度高，线性范围宽，响应速度快。不能用氢火焰离子化检测器检测的物质有：H2、He、O2、N2、Ar、Xe、NO、NO2、N2O、NH3、CS2、COS、H2S、CO、CO2、H2O、HCHO、HCOOH、SiCl2、SiHCl3、SiF4等。氢火焰离子化检测器的设计原理结构图见图3-2，放空收集极助燃气Air极化极氢气载气分离组分图3-2氢火焰离子化检测器的设计原理结构图助燃气通过氢火焰离子化检测器的喷嘴周围，载气带着组分进入喷嘴与氢气混合后在喷嘴出口处燃烧，形成氢氧扩散焰。组分在火焰中离子化，在极化电压作用下，从收集极收集到离子流，经放大后，记录下来。有机分子在火焰中进行的是化学电离。当载气中没有组分时，在火焰中生成大量的H.、OH.、O2H.等基团,当有机组分进入火焰后发生裂解,生成CH.、CH2.、CH3.、等自由基,CH.进一步与激发态的氧原子发生反应,CH+O*=CHO++e（3-2）有机碳的电离效率很低，即生成CHO+的比例很小，但是生成CHO+的量与进入火焰的碳原子总数成正比，此外CHO+与H2O反应生成H3O+，火焰中的OH.、O2等也会发生结合生成负离子，这些正负离子组成了被检测器收集的离子流。氢气与载气（一般为氮气）混合形成燃气，其流量随载气流量增加而增加，当氢气流量较小时，不能维持火焰点燃，通常将其维持在30-60ml/min的水平上。一般情况下，氢气与载气的比例为1：1，氢气与空气的流量比为1：8—1：10，典型的空气流量为500ml/min。极化电压对灵敏度的影响并不明显，一般为150-300mV。（3）电子捕获检测器（ECD）是一种用63Ni或氚做放射源的选择性离子化检测器，它主要用于负电性物质的检测分析，如对含有卤素、S、O、硝基、羧基、氰基、共轭双键体系、有机金属化合物等有很高的灵敏度。它的结构原理图见图3-3。样品图3-3电子捕获检测器结构原理图它包括两个电极和一个放射源，放射源通常为阴极，由放射源辐射出的粒子，即初级电子，检测器中的载气在射线的作用下，电离成正负离子和自由电子（次级电子），即，Ar（或N2）Ar+（或N2+）+e（3-3）初级电子和次级电子在电场的作用下形成电流，称为基始电流Ie。当样品组分进入检测器时，自由电子被负电性物质捕获，电流减小到I，成为测量电流，I=Iee-AC（3-4）A为仪器常数，为电子的吸收系数，C为组分的浓度。当样品的浓度很小时，（Ie-I）/Ie=KC（3-5）电子的吸收系数对灵敏度的影响较大，可以将样品转化为卤素化合物后进行分离检测。只要能使载气分子电离，产生足够大的基流，任何类型的放射源都可以用于电子捕获检测器，如63Ni、90Sr、266Ra等。极化电压有两种供电方式，即直流与脉冲供电，电压幅度在2-100V之间。一般认为，加到检测器的极化电压以获得饱和基流的85%为宜。检测器的温度对灵敏度的影响较大，因此温度精度要达到0.1C。载气的流速增加，灵敏度降低，实际上其有一个合适的流速值。（4）火焰光度检测器（FPD）1966年，Brody和Chaney提出了火焰光度检测器（FPD），它对S、P化合物有极高的选择性和灵敏度，选择比达到104-105，灵敏度达到210-12g/s。是大气污染和残留农药测定的有力工具。图3-4是其结构原理图。滤光片氢气Air载气+样品图3-4火焰光度检测器结构原理图当含S、P的化合物在富氢的火焰中燃烧时，会发出自己的特征光谱，含P化合物的最强谱带波长为526nm，S化合物为394nm。让这些发射光谱透过干涉滤光片后，用光电倍增管接收这些特征谱线。在燃烧的火焰中氢氧的比例为大于3：1。当温度足够高时，氢气分解成氢原子，S、P在火焰中生成氧化物，接着发生还原反应，SO2+8H4H2O+2SS2*（化学发光）（3-6）激发态S2*发出394nm的特征光谱，反射光的强度I与化合物的S含量的关系为，I=k[S2*]=k’[S]2（3-7）由于检测器的响应R与I成正比，所以，R=k”[S]2或者logR=2log[S]+logk”（3-8）对于P化合物，logR=log[HPO]+logk”（3-9）（5）热离子检测器（TID）又称氮磷检测器，它是在FID的喷嘴和收集极间放置一个含有硅酸铷的玻璃珠，适于测定N、P化合物的检测器。其实质是在氢火焰离子化检测器的火焰上加碱金属盐，使之产生微弱的电流，电流的大小与温度有关，温度又与氢气流量有关，因此必须很好地选择和控制流量。此外载气的流量、极化电压、碱金属盐的种类对检测灵敏度多有不同程度的影响。（6）光离子化检测器（PID）利用紫外光激发解离电位较低的化合物，使其电离而产生信号的检测器，其结构图见图3-5。紫外光排气口检流计样品池载气图3-5光离子化检测器示意图光子的能量决定检测器的选择性，光子强度决定灵敏度。使用最多的是10.2eV的紫外灯。第三节气相色谱柱气相色谱柱有两大类，一种是填充柱，一种是毛细管柱。大多数填充柱的内径为3-5mm，主要用不锈钢制成。毛细管柱为200-500微米内径的弹性石英制成，它分为空心和填充两种，空心柱的内壁被均匀地涂上了固定液来实现高效分离。3.3.1担体气液色谱的固定相是由担体和固定液组成，担体是承担固定液的支架，又称为载体。担体一般要求比表面积大，有良好的缝隙结构（分布均匀），固定液能均匀地展成液膜；担体必须具有化学惰性，不与分离组分发生作用，不参与分配平衡；粒度均匀，成球型。（1）常用的担体硅藻土类：红色担体是用硅藻土粉碎后，经900度煅烧制成的，其主要成分为硅忽然铝的氧化物，其中的氧化铁使其成为红色。其比表面积为4m2/g，平均孔径为1微米。其表面活性中心和催化性较强，使得色谱峰容易拖尾。商品化