气相色谱法概述

第十四章气相色谱法123气相色谱仪气相色谱柱技术气相色谱法概述4气相色谱法分析条件选择5应用与示例本章要求掌握熟悉了解固定相选择、FID检测器、气相色谱条件选择、定量分析气相色谱仪的一般组成系统、ECD检测器TCD、定性分析、近代气相色谱GC以气体为流动相的柱色谱分离技术GasChromatography英国生物化学家Martin等在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，可分离和分析复杂的多组分混合物。定义7按固定相状态分类气相色谱法类型载体＋固定液相GLC表面活性吸附剂GSC按操作形式分类：柱色谱按填充方式分类按分离机制分类填充柱色谱法毛细管柱色谱法吸附色谱：GSC分配色谱：GLC8特点高选择性高灵敏度：10-13-10-11g高柱效：n—103-106样品用量少分析时间少应用范围广：20%有机物三高二少一广b.p.≤500oCM≤400热稳定需有对照品局限优点11气路系统进样系统色谱分离系统检测系统记录及数据处理系统放空或分步收集温控系统仪器组成气相色谱仪12气相色谱仪13气相色谱仪主要部件及功能1.气路系统•组成载气系统+检测器气路系统carriergas：为样品提供相空间、带动样品迁移检测器气路：部分有燃气（氢气）和助燃气（空气）气源：高压钢瓶或气体发生器净化器：除去水分和杂质气流控制装置：针型阀+流量计（压力表）气相色谱仪152.进样系统（sampleinjectionsystem）•进样器：样品导入装置-手动进样器-自动进样器•气化室：使样品瞬间气化•进样体积：-填充柱：10μL-毛细管柱：1μL微量注射器（液体试样）六通阀（气体试样）气相色谱仪163.分离系统（separationsystem）•色谱柱•柱温箱柱温与柱效（塔板高度H）相关色谱柱置于柱温箱中，柱温箱控制色谱分离的温度气相色谱仪174.检测系统信号及大小是色谱分析定量和定性基础经分离后的组分浓度/质量的变化转换为可测量的电信号气相色谱仪185.数据处理及显示系统积分仪色谱数据处理机色谱工作站气相色谱仪196.温控系统控制进样系统、分离系统和检测系统的温度进样系统：提供气化室温度使试样汽化分离系统：控制色谱柱温度使组分分离检测系统：维持组分在检测器呈气态最重要的选择参数—设置原则：根据待测试样各组分沸点设置柱温低于色谱柱最高使用温度20-50oC温控方式：恒温、程序升温气相色谱仪201）按对信号统计方式分2）按响应特征分3）按检测物质分4）按对组分的破坏性分1.检测器的分类检测器气相色谱仪211）按对信号统计方式分•组分随时间的积累量→直接得出组分含量•通常用来连续测定色谱柱后流出物的总量积分式•组分随时间的瞬时量的变化•曲线上各点表示该瞬时间某组分的量•整个峰面积表明某组分的总量微分式气相色谱仪22浓度型检测器•响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比•进样量一定时，峰高与载气流速成正比•氢焰离子化（FID）、火焰光度（FPD）•检测组分进入检测器的质量流速变化质量型检测器•检测组分浓度的瞬时变化•响应值与组分浓度成正比•进样量一定时，峰面积与载气流速成反比•热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）2）按响应特征分气相色谱仪233）按检测物性质分•基于物质的普通性质测量•如TCD、MS、IR通用型•基于物质的特性测量•如ECD选择型气相色谱仪24a.灵敏度高b.检出限低c.线性范围宽d.稳定性好e.死体积小f.响应迅速2.检测器的性能指标要求：通用型检测器要求适用范围广选择型检测器要求选择性好气相色谱仪25•噪音（N）和漂移（d）•灵敏度（S）•检测限（D、M）•线性范围气相色谱仪26基线噪音：由于各种因素引起的基线波动信号，可以用于检出限的计算。气相色谱仪27•基线漂移：基线随时间定向的缓慢变化气相色谱仪28灵敏度（响应值、应答值）质量型检测器（Sm）气相色谱仪浓度型检测器（Sc）QRSΔΔ1mL载气携带1mg组分通过检测器时产生的电压每秒有1g组分被载气携带通过检测器产生的电压或电流值29检测限（detectability，D）检测器产生2倍于噪声信号时，单位时间内引入检测器的样品量，或单位体积载气中所含的样品量气相色谱仪检测限越小，检测器性能越好D=2N/S最低检出限-组分恰能产生2倍或3倍噪音信号最低定量限-组分恰能产生10倍噪音信号30概念不同检测限D：衡量检测器的性能指标检出限LOD/定量限LOQ：不仅与检测器性能有关，且与色谱峰峰宽和进样量等有关气相色谱仪区别31•指信号与被测物质浓度的关系呈线性时，最大允许进样量与最小检测量之比。•此值反应检测器对样品浓度的适应性-线性范围宽：不论大量或微量组分检测器都能准确测定气相色谱仪线性范围321）热导检测器（TCD）2）氢火焰离子化检测器（FID）3）电子捕获检测器（ECD）4）氮磷检测器（NPD）5）硫磷检测器（SPD）3.常用检测器简介气相色谱仪331.检测原理2.适用对象3.结构及工作原理4.优点和缺点5.影响因素6.使用注意事项1）热导检测器(TCD）气相色谱仪341.检测依据：组分与载气热导系数的差异通用型、浓度型2.适用对象：无机气体和有机物3.结构及工作原理1）热导检测器构件2）热导检测器结构示意图3）热导检测器工作原理气相色谱仪351）热导检测器构件•热导池：一块不锈钢块上钻上孔道，装入热敏元件构成•热敏元件：电阻随温度的升高而增大，且具有较大的温度系数，常用钨丝或铼钨丝•钨丝的电阻温度系数为：6.5×10-3欧/（欧·度）气相色谱仪36•双臂热导池：将两个材质和电阻相同的热敏元件装入一个双腔的池体中构成•测量臂：连接在色谱柱之后的一臂，电阻R1•参考臂：连接在色谱柱之前只通载气的一臂，电阻R2•R1、R2与两个阻值相等的固定电阻R3、R4组成桥式电路（惠斯敦电桥）气相色谱仪372）热导检测器结构示意图气相色谱仪383）热导检测器工作原理•当载气以恒定速度通入电导池，并以恒定电压给热导池通电时，热丝温度升高。•产生的热量经载气带走，并以热传导方式传递给池体•当热量的产生与散失建立动态平衡时，钨丝温度恒定。若测量臂无样品气体通过，只通载气时，两个钨丝温度相等，R1=R2。•根据惠斯敦电桥原理：R1/R2=R3/R4→VAB=0→检流计G中无电流通过（IG=0），检流计指针停在零点。气相色谱仪39•当样品经色谱柱分离后，组分被载气带入测量臂时，若组分与载气的热导率不等，则测量臂的动态平衡被破坏，钨丝温度改变。•若组分的热导率小于载气的热导率，则热传导散热减少，热丝温度升高，电阻R1增大。•R1＞R2；R1/R2≠R3/R4；VAB≠0；IG≠0，检流计指针偏转。•当组分完全通过测量臂后，指针恢复至零点。•用记录器（电子毫伏计）代替检流计，则可记录mV-t曲线，即色谱流出曲线。气相色谱仪40•VAB大小决定于组分与载气的热导率之差，以及组分在载气中之浓度。•载气与组分一定时，峰高（VAB）与组分在载气中的浓度成正比。•TCD是浓度型检测器，在进样量一定时，峰面积与载气流速成反比，用峰面积定量时，需保持流速恒定，因此一般采用峰高定量气相色谱仪41•四臂热导池：将电桥上两个固定电阻（R3、R4）也换成热敏元件构成。•灵敏度在同样条件下是双臂热导池的两倍。气相色谱仪42优点：结构简单测量范围广稳定性好线性范围宽样品不被破坏缺点：灵敏度偏低4.优点和缺点气相色谱仪435.影响因素1）桥路电流2）池体温度3）载气种类气相色谱仪441）桥路电流气相色谱仪电流↗→钨丝温度↗→钨丝与池体温差↗→灵敏度↗→稳定性↘注意事项：无载气时不能加桥电流-开机先通载气-关机先关桥流452）池体温度•温度上升↗→灵敏度↘•热导池温度过低，组分冷凝，污染池体→T检＞T柱，能满足灵敏度即可气相色谱仪463）载气种类•TCD的灵敏度取决于△λ和λ△λ↗→温差↗→灵敏度↗λ↗→桥电流↗→灵敏度↗•常用H2（λ＝22.36）或He（λ＝17.42）N2（λ＝3.14）λ较小，灵敏度小λ样品λN2时，图谱会出现倒峰气相色谱仪471.检测依据2.适用对象3.结构及工作原理4.优点5.缺点6.使用注意事项2）氢火焰离子化检测器（FID）气相色谱仪481.检测依据：有机物在氢焰作用下化学电离形成离子流，通过测定离子流强度进行检测准通用型、质量型2.适用对象：能在氢焰中离子化的绝大多数碳氢化合物3.结构及工作原理1）氢火焰检测器构件2）氢火焰检测器结构示意图3）氢火焰检测器工作原理气相色谱仪491）氢火焰检测器构件•收集极（阳极）•极化环（阴极）•点火线圈气相色谱仪502）氢火焰检测器结构示意图气相色谱仪513）氢火焰检测器工作原理•有机化合物进入氢火焰，在燃烧过程中直接或间接产生离子•检测器的收集极与极化环间加有电压，使离子在收集极与极化环间作定向流动而形成离子流。•离子流强度与进入检测器中组分的量及分子中的含碳量有关，含碳量越高微电流越大。•经放大器放大后由记录器记录电压随时间的变化得色谱曲线。•微电流与组分含量成正比，测定电流（离子流）强度可对物质进行定量。气相色谱仪52优点：a.灵敏度高b.响应迅速c.线性范围宽d.对T不敏感，可作梯度洗脱检测器e.操作稳定，特别适合与毛细管柱配合进行快速痕量分析。f.易于清扫气相色谱仪4.优缺点缺点：对稀有气体、O2、N2、CO2等无信号对含N、S、P等分子量大的有机物信号低破坏性检测①气体及流量使用3种气体：氮气-载气氢气-燃气空气-助燃气三者流量关系一般为N2:H2:Air=1:1~1.5:10。②FID为质量型检测器，一般采用峰面积定量用峰高定量时，需保持载气流速恒定③FID对温度变化不敏感④FID检测器温度必须在120℃以上。⑤毛细管柱接FID时要用尾吹气（makeupgas）6.使用注意事项541.检测依据2.结构及工作原理3.应用4.优点5.缺点6.使用注意事项3）电子捕获检测器（ECD）气相色谱仪551.检测依据放射性物质辐射线的作用下，间接使组分导电，形成离子流，通过测定离子流确定组分浓度选择型、浓度型2.结构及工作原理1）电子捕获检测器构件2）电子捕获检测器结构示意图3）电子捕获检测器工作原理气相色谱仪561）电子捕获检测器构件•类型：放射性和非放射性•放射性检测器：内有一个圆筒状放射源，放射源贴在阴极壁上，内腔中央的不锈钢棒作正极，在两极间施加直接或脉冲电压。气相色谱仪572）电子捕获检测器结构示意图气相色谱仪583）电子捕获检测器工作原理•β放射源不断放射出β粒子，即初级电子。当载气（Ar或N2）分子进入内腔时，不断受到β粒子轰击而离子化，形成正离子和低能电子。•在电场作用下，正离子和低能电子分别向两极运动，形成约10-9～10-8A的基始电流（基流），在记录器上产生一条平直的基线。气相色谱仪59•当电负性组分进入检测器时，立即捕获这些电子，产生带负电荷的分子或离子，释放能量AB+e→AB+E•负电荷分子或离子与前述正离子结合生成中性化合物，被载气带出检测室，结果使基流下降，产生负信号，形成倒峰。气相色谱仪•在一定浓度范围内，响应信号强度与组分浓度C之间的关系为：•式中Ie为信号电流，I0为基流，K为检测器常数，A为组分的电子吸收系数，它与组分的性质有关KACeeII061捕获机理可用以下反应式表示N2βN2++eAB+eAB-+EAB-+N2+N2+AB气相色谱仪62固定相及色谱柱1.气-固色谱固定相2.气-液色谱固定相3.气相色谱柱63•吸附剂石墨化碳黑、硅胶、氧化铝•分子筛4A、5A、13X（数字表孔径10-10m，字母表类型）•高分子多孔微球苯乙烯/乙基乙烯苯与二乙烯苯交联共聚1.气-固色谱固定相耐高温-永久气体/高沸点物质耐高温、峰形好、不拖尾按分子质量顺序分离642.气-液色谱固定相固定液（stationaryliquid）载体（support）涂渍在载体上的高沸点物质，色谱操作温度下为液体惰性固体颗粒，用以支撑固定液①操作温度下应呈液态，蒸气压低-固定液流失②对样品中各组分具有足够的溶解能力③对样