第16章 氣相色譜分析 16.1 氣相色譜儀器 氣路系統、進樣系統、柱分離系統、溫控系統、各類檢測器 16.2 氣相色譜固定相 氣固色譜固定相（吸附劑）、氣液色譜固定相（載體+固定液） 16.3 氣相色譜分離分析條件 柱長、載氣及其流速、填充顆粒、柱溫、進樣量及進樣方式 16.4 定性分析 保留時間、經驗規(guī)律、保留指數、雙柱定性、儀器聯用定性 16.5 定量分析 校正因子、歸一化法、外標法、內標法 16.6 毛細管色譜簡介 毛細管分類及特點,氣相色譜過程：待測物樣品被被蒸發(fā)為氣體并注入到色譜分離柱柱頂，以惰性氣體（指不與待測物反應的氣體，只起運載蒸汽樣品的作用，也稱載氣）將待測物樣品蒸汽帶入柱內分離。其分離原理是基于待測物在氣相和固定相之間的吸附-脫附（氣固色譜）和分配（氣液色譜）來實現的。因此可將氣相色譜分為氣固色譜和氣液色譜。 氣固色譜：利用不同物質在固體吸附劑上的物理吸附-解吸能力不同實現物質的分離。由于活性（或極性）分子在這些吸附劑上的半永久性滯留(吸附-脫附過程為非線性的)，導致色譜峰嚴重拖尾，因此氣固色譜應用十分有限。只適于較低分子量和低沸點氣體組分的分離分析。對此方法，本章只作簡單介紹。 氣液色譜：通常直接稱之為氣相色譜。它是利用待測物在氣體流動相和固定在惰性固體表面的液體固定相之間的分配原理實現分離。1941年，Martin和Synge(對液-液分配色譜也做了巨大貢獻)提出氣液分配色譜的概念。11年后，即1952年，Jones和Martin通過實驗展示了該方法；3年后，即1955年，首臺氣相色譜儀問世。1985年，估計有10萬臺儀器投入使用！如今呢？說不清了。,一、氣路系統(Carrier gas supply) 氣路系統：獲得純凈、流速穩(wěn)定的載氣。包括壓力計、流量計及氣體 凈化裝置。 載氣：要求化學惰性，不與有關物質反應。載氣的選擇除了要求考慮 對柱效的影響外，還要與分析對象和所用的檢測器相配。 凈化器：多為分子篩和活性碳管的串聯，可除去水、氧氣以及其它雜 質。 壓力表：多為兩級壓力指示：第一級，鋼瓶壓力(總是高于常壓。對填 充柱：10-50 psi；對開口毛細柱：1-25 psi)；第二級，柱頭壓 力指示； 流量計：在柱頭前使用轉子流量計(Rotometer)，但不太準確。通常在 柱后，以皂膜流量計(Soap-bubble meter)測流速。許多現代儀 器裝置有電子流量計，并以計算機控制其流速保持不變。,三、柱分離系統 柱分離系統是色譜分析的心臟部分。分離柱包括填充柱和開管柱(或毛細管柱)。 柱材料：金屬、玻璃、融熔石英、Teflon等 填充柱：多為U形或螺旋形，內徑24 mm，長13m，內填固定相； 開管柱：分為涂壁、多孔層和涂載體開管柱。內徑0.10.5mm，長達幾 十至100m。通常彎成直徑1030cm的螺旋狀。開管柱因滲透 性好、傳質快，因而分離效率高(n可達106)、分析速度快、樣 品用量小。過去是填充柱占主要，但現在，這種情況正在迅 速發(fā)生變化，除了一些特定的分析之外，填充柱將會被更高 效、更快速的開管柱所取代！ 柱溫：是影響分離的最重要的因素。其變化應小0.xoC。選擇柱溫主要是考慮 樣品待測物沸點和對分離的要求。柱溫通常要等于或略高于樣品的平均 沸點(分析時間20-30min)；對寬沸程的樣品，應使用程序升溫方法。,四、溫控系統 溫度控制是否準確、升、降溫速度是否快速是市售色譜儀器的最重要指標之一。 控溫系統包括對三個部分的控溫，即，氣化室、柱箱和檢測器。 控溫方式：恒溫和程序升溫。 溫度選擇：在介紹儀器組成時給出，此處略。,五、檢測器 氣相色譜檢測器種類繁多，本節(jié)將介紹最為常用的幾種檢測器： 1. 熱導檢測器(Thermal conductivity detector, TCD); 2. 氫火焰離子化檢測器(Flame ionized detector, FID); 3. 電子捕獲檢測器(Electron capture detector, ECD); 4. 火焰光度檢測器(Flame photometric detector, FPD); 5. 氮磷檢測器（NPD）也稱熱離子檢測器(Thermionic detector, TID); 6. 原子發(fā)射檢測器(Atomic emission Detector, AED) 7. 硫熒光檢測器（Sulfur chemiluminescence Detector, SCD） 根據檢測器的響應原理，可將其分為濃度型和質量型檢測器。 濃度型：檢測的是載氣中組分濃度的瞬間變化，即響應值與濃度成正比 質量型：檢測的是載氣中組分進入檢測器中速度變化，即響應值與單位時間 進入檢測器的量成正比。,工作過程： 1）在只有載氣通過時，四個臂的溫度都保持不變，電阻值也不變。此時，調節(jié)電路電阻使電橋平衡，AB兩端無電壓信號輸出； 2）當有樣品隨載氣進入兩個樣品臂時，此時熱導系數發(fā)生變化，或者說，測量臂的溫度發(fā)生變化，其電阻亦發(fā)生變化，電橋失去平衡，AB兩端有電壓信號輸出。當載氣和樣品的混合氣體與純載氣的熱導系數相差越大，則輸出信號越強。 特點： 對任何氣體均可產生響應，因而通用性好，而且線性范圍寬、價格便宜、應用范圍廣。但靈敏度較低。 * 1979 年，出現了一種高靈敏度、基線漂移小、平衡時間短的“調制式單絲熱導檢測器：將參比氣（載氣）和樣品、載氣混合氣交替(10Hz)導入微型陶瓷熱導池(5L)中，從而產生10Hz的交變信號，該信號正比于熱導系數的差。因為放大器只檢測頻率為10Hz的信號，因此可克服熱噪聲的干擾。,影響TCD靈敏度的因素： 1）橋電流 i：i 增加熱敏元件溫度增加元件與池體間溫差增加氣體熱傳導增加靈敏度增加。但 i 過大，熱敏元件壽命下降。電流通常選擇在100200 mA之間(N2作載氣，100150 mA；H2作載氣，150200 mA)。 2）池體溫度：池體溫度低，與熱敏元件間溫差大，靈敏度提高。但溫度過低，可使試樣凝結于檢測器中。通常池體溫度應高于柱溫。 3）載氣種類：載氣與試樣的熱導系數相差越大，則靈敏度越高。通常選擇熱導系數大的H2和Ar作載氣。用N2作載氣，熱導系數較大的試樣(如甲烷)可出現倒峰。 4）熱敏元件阻值：阻值高、電阻溫度系數大（隨溫度改變，阻值改變大，或者說熱敏性好）的熱敏元件，其靈敏度高。 綜述：較大的橋電流、較低的池體溫度、低分子量的載氣以及具有大的電阻溫度系數的熱敏元件可獲得較高的靈敏度。,2. 火焰離子化檢測器（FID） 又稱氫焰離子化檢測器。主要用于可在H2-Air火焰中燃燒的有機化合物(如烴類物質)的檢測。 原理：含碳有機物在H2-Air火焰中燃燒產生碎片離子，在電場作用下形成離子流，根據離子流產生的電信號強度，檢測被色譜柱分離的給分。 結構：主體為離子室，內有石英噴嘴、發(fā)射極(極化極，此圖中為火焰頂端)和收集極。 工作過程：來自色譜柱的有機物與H2-Air混合并燃燒，產生電子和離子碎片，這些帶電粒子在火焰和收集極間的電場作用下（幾百伏）形成電流，經放大后測量電流信號（10-12 A）。,FID特點： 1）靈敏度高(10-13g/s)； 2）線性范圍寬(107數量級)； 3）噪聲低； 4）耐用且易于使用； 5）為質量型檢測器，色譜峰高取決于單位時間內引入檢測器中組分的質量。 在樣品量一定時，峰高與載氣流速成正比。因此在用峰高定量時，應控 制流速恒定！ 6）對無機物、永久性氣體和水基本無響應（不足？），因此FID特別適于 水中和大氣中痕量有機物分析或受水、N和S的氧化物污染的有機物分析。 7）對含羰基、羥基、鹵代基和胺基的有機物靈敏度很低或根本無響應。 8）樣品受到破壞。,ECD 特點： 1）響應電流i與濃度c是非線性的，即， 該式類似于比爾定律。其中，i0為基流，K 為電子吸收系數(不同物質K值不同)。 2）對如鹵素基、過氧基、醌基、硝基等含電負性的功能團的分子具有極 高的選擇性和靈敏度；但對含酰胺基和羥基的化合物以及烴類物質不 靈敏。 3）與FID相比，ECD對樣的破壞不大； 4）線性范圍為兩個數量級，相對FID來說，這不算大; 5）要求載氣純度要高(99.99%)，否則雜質會降低基流；（通常將載氣通 入480oC的紫銅屑除O2）。,4. 火焰光度檢測器（FPD） FPD對含S、P化合物具有高選擇性和高靈敏度的檢測器。因此，也稱硫磷檢測器。主要用于SO2、H2S、石油精餾物的含硫量、有機硫、有機磷的農藥殘留物分析等。 FPD結構： 噴嘴+濾光片+光電管。 原理： 待測物在低溫H2-Air焰中燃燒產生S、P化合物的分解產物并發(fā)射特征分子光譜。測量光譜的強度則可進行定量分析。,FPD 特點： 1）對含S、P化合物有較高靈敏度和一定的選擇性； 2）對鹵素氣X2、N2、Sn、Cr、Se和Ge等也有響應； 3）相對其它檢測器如ECD和FID，FPD價格較貴。 4）對測S的靈敏度比硫熒光檢測器*(SCD) 低； *硫熒光檢測器（SCD）：FPD檢測器中含硫化合物燃燒產物可與O3反應并產生與S含量成正比的熒 光，通過測定熒光強度來分析含S化合物。SCD的靈敏度極高。,含S、P化合物在氫焰中的變化過程如下：,5. 氮磷檢測器（NPD） 熱離子檢測器也叫熱離子檢測器（TID） 。NPD的結構與FID類似，只是在H2-Air焰中燃燒的低溫熱氣再被一硅酸銣電熱頭加熱至600800oC，從而使含有N或P的化合物產生更多的離子。產生離子的機理目前仍不清楚。 NPD的特點： 1）對含N 、P化合物的具有選擇性：對P的響應是對N的響應的10倍，是 對C原子的104-106倍。 2）靈敏度高：與FID對P、N的檢測靈敏度相比，NPD分別是FID的500倍 （對P）；50倍（對N）。,6. 原子發(fā)射檢測器（AED）,Microwave,He,化合物分解-原子化-激發(fā),元素特征譜線,同時監(jiān)測15種甚 至更多元素譜線,一個化合物的 掃描光譜圖,170770nm,六、檢測器的性能指標： 理想的檢測器應具有的條件： 1）適合的靈敏度：對一些組分十分靈敏，而對其它則不，其間應相差 達107倍； 2）穩(wěn)定、重現性好； 3）線性范圍寬，可達幾個數量級； 4）可在室溫到400oC下使用； 5）響應時間短，且不受流速影響； 6）可靠性好、使用方便、對無經驗者來說足夠安全； 7）對所有待測物的響應相似或可以預測這種響應； 8）選擇性好； 9）不破壞樣品。 但任何檢測器都不可能同時滿足上述所有要求。,1. 靈敏度S 以一系列已知濃度或質量的組分對響應信號作圖，得到校正曲線，該曲線的斜率 k 即為靈敏度S。 實際工作中可從色譜圖直接求得靈敏度。 對于濃度型： Sc靈敏度(mVmL/mg); Ai峰面積(cm2); Fco檢測器入口流速(mL/min); wi進樣量(mg), C1記錄儀紙速(cm/min) C2記錄儀靈敏度(mV/cm); 對于質量型： Sm靈敏度(mVs/g); wi進入檢測器的樣品量(g),2. 檢測限，DL 與通用的檢測限表示方法相同，即 實際工作中，色譜檢測限表示為 濃度型： 質量型： 注意：檢測限不僅決定于靈敏度，而且受限于噪聲，即檢測限是衡量檢 測器或儀器性能的綜合指標。 3. 線性范圍和響應時間（略）,16.2 氣相色譜固定相 在介紹色譜儀器時，我們提到色譜分離系統是色譜儀器中最為靈魂的部分，而其中分離柱中固定相組成與性質更是直接與分離效能有關。 氣相色譜柱可分為兩類： 1）用于氣固色譜的固定相：固體吸附劑； 2）用于氣液色譜的固定相：固定液+載體。 介紹如下： 一、氣固色譜固定相固體吸附劑 該類型色譜柱是利用其中固體吸附劑對不同物質的吸附能力差別進行分離。主要用于分離小分子量的永久氣體及烴類。 1. 常用固體吸附劑 硅膠(強極性)、氧化鋁(弱極性)、活性炭(非極性)、分子篩(極性，篩孔大小) 2. 人工合成固體吸附劑 高分子多孔微球(GDX)：人工合成的多孔聚合物，其孔徑大小可以人為控制。可在活化后直接用于分離。,高分子多孔微球可分為兩類： 非極性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（國產）；Chromosorb系列（ 國外） 極性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入極性基團：GDX-3和4型（國產）； Porapak N等（國外）,二、氣液色譜固定相載體+固定液 氣液色譜固定相由載體(Solid support material)和固定液(Liquid stationary phase) 構成：載體為固定液提供大的惰性表面，以承擔固定液，使其形成薄而勻的液膜。 1. 載體(也稱擔體) 對載體的要求：粒度均勻、高強度的球形小顆粒；至少1m2/g的比表面(過大可 造成峰形拖尾)；高溫下呈惰性(不與待測物反應)并可被固定液 完全浸潤。 載體類型：分為硅藻土型和非硅藻土型，后者又分為白色和紅色擔體。,載體表面處理：硅藻土含有硅醇基(SiOH)、Al2O3、Fe等，也就是說，它具有活性而不完全化學惰性，需進行化學處理。 其處理過程如下：,前圖為氣固氣譜圖：2m長，填充分子篩(5) 后圖為氣液色譜圖，30m, 0.53WCOT開管柱,2. 固定液及其選擇 對固定液的要求： a) 熱穩(wěn)定性好、蒸汽壓低流失少； b) 化學穩(wěn)定性好不與其它物質反應； c) 對試樣各組分有合適的溶解能力（分配系數K適當）； d) 對各組分具有良好的選擇性。 固定液與組分的作用力： a) 色散力非極性分子之間（瞬時偶極之間靜電吸引）； b) 誘導力極性與非極性分子之間（偶極與瞬時偶極之間靜電吸引）； c) 取向力極性與極性分子之間（偶極與偶極之間靜電吸引） d) 氫鍵力強度介于化學鍵力和范德華力之間的靜電吸引，亦屬取向力。 前三種統屬范德華力，后者屬特殊范德華力。,3. 固定液的選擇 固定液的特性是指其極性和選擇性。 極性的表示方法 (i) 相對極性P：規(guī)定非極性固定液角鯊烷的極性為0，強極性固定液,-氧二丙腈的極性為100，以物質對正丁烷-丁二烯或環(huán)已烷-苯在角鯊烷、,-氧二丙腈及待測固定液上分離得到相對保留值，并取對數： 從下列公式求得待測固定液的相對極性Px： 其中q1, q2, qx分別表示物質對在角鯊烷、,-氧二丙腈和待測固定液的相對保留值。Px在0100之間，每20單位為一級，即將極性分為5級：0, +1(非極性)；+1, +2(弱極性)；+3(中等極性；+4, +5(強極性) (ii) 固定液特性常數I：包括羅氏常數麥氏常數。此處介紹略,固定液分類及選擇：,固定液選擇：按“相似相溶”原理選擇固定液。 非極性組分非極性固定液沸點低的物質先流出； 極性物質極性固定液極性小的物質先流出； 各類極性混合物極性固定液極性小的物質先流出； 氫鍵型物質氫鍵型固定液不易形成氫鍵的物質先流出； 復雜混合物兩種或以上混合固定液,16.3 氣相色譜分離分析條件 根據van Deemter方程和色譜分離方程式，分析條件的選擇在上一章已有論述，此處針對氣相色譜方法作一簡單小結。 1. 柱長L 由分離度R的定義可得(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2 即柱越長，理論塔坂數越高，分離越好。但柱過長，分析時間增加且峰寬也會增加，導致總分離效能下降，因此柱長L要根據R的要求(R=1.5)，選擇剛好使各組分得到有效分離為宜。 2. 載氣及流速u 對van Deemter方程求導得到在流速為 ，柱效最高， 當u較小時，B/u占主要，此時選擇分子量大的載氣，使組分的擴散系數小； 當u較大時，Cu點主要，此時選擇分子量小的載氣，使組分的擴散系數小，減小傳質阻力項Cu。,3.柱溫 4. 載體粒度及篩分范圍 載體粒度越小，柱效越高。但粒度過小，則阻力及柱壓增加。通常，對填充柱而言，粒度大小為柱內徑的1/201/25為宜。 5. 進樣方式及進樣量 要以“塞子”的方式進樣，以防峰形擴張；進樣量，也要以峰形不拖尾為宜。,16.4 定性分析 一、樣品預處理： GC分析對象是在氣化室溫度下能生氣態(tài)的物質。為保護色譜柱、降低噪聲、防止生成新物質（雜峰），需要在進樣前，對樣品進行處理。 水、乙醇和可能被柱強烈吸附的極性物質柱效下降，需除去。 非揮發(fā)份會產生噪聲，同時慢慢分解產生雜峰。 穩(wěn)定性差的組分生成新物質雜峰。 二、定性方法 1、用已知物對照定性 該法是基于在一定操作條件下，各組分保留時間是一定值的原理。 具體做法： 1）分別以試樣和標準物進樣分析，各自的色譜圖； 2）對照。如果試樣中某峰的保留時間和標樣中某峰重合，則可初步確定試樣 中含有該物質。 3）也可通過在樣品中加入標準物，看試樣中哪個峰增加來確定。,2. 據經驗式定性 1）碳數規(guī)律：在一定溫度下，同系物的調整保留時間tr的對數與分子中碳數n成正比： lgtr=An+C (n3) 如果知道兩種或以上同系物的調整保留值，則可求出常數A和C。未知物的碳數則可從色譜圖查出tr后，以上式求出。 2）沸點規(guī)律：同族具相同碳數的異構物，其調整保留時間tr的對數與分子中沸點n成正比： lgtr=ATb+C 3. 據相對保留值 ri,s定性： 用保留值定性要求兩次進樣條件完全一致，這是比較困難的。而用ri,s定性，則只要溫度一定即可。 具體做法： 在樣品和標準中分別加入同一種基準物 s，將樣品的ri,s和標準物的ri,s相比較來確定樣品中是否含有 i 組分。,4. 保留指數(Kovats指數)定性 該指數定性的重現性最佳，當固定液和柱溫一定時，定性可不需要標準物。 設正構烷烴的Kovats指數為碳數100。測定時，將碳數為n 和n+1的正構烷烴加入到樣品 x 中進行色譜分析，此時測得這三個物質的調整保留值分別為： tr(Cn)，tr(x)和tr(Cn+1)，且待測物x的調整保留值介于兩個烷烴之間。 利用此式求出未知物Kovats指數Ix，然后與文獻值對照。 5. 雙柱或多柱定性 可克服在一根柱上，不同物質可能出現相同的保留時間的情況。 6. 與其它方法結合定性 如GC-MS，GC-IR，GC-MS-MS,Kovats指數的計算圖示 (Squalane, 60oC),16.5 定量分析 GC分析是根據檢測器對待測物的響應（峰高或峰面積）與待測物的量成正比的原理進行定量的。因此必須準確測定峰高h或峰面積A。 1. 峰面積A的測量： 對稱峰：峰高h與半峰寬的積： A=1.065 h W1/2 不對稱峰：峰高與平均峰寬的積： A=1/2 h (W0.15+W0.85) 2. 定量校正因子 由于檢測器對不同物質的響應不同，因而兩個相同的峰面積并不一定說明兩個物質的量相等！因此，在計算組分的量時，必須將峰面積A進行“校正”。 1）絕對校正因子 wi=fiAi 或 fi= wi/Ai 通過此式可得到待測物單位峰面積對應的該物質的量。,2）相對校正因子fi 由于絕對校正因子fi與檢測器靈敏度有關，它即不易準確測得(為什么？)，因此定量分析中常用相對校正因子表示：即用一個物質作標準，用相對校正因子將所有待測物的峰面積校正成相對于這個標準物質的峰面積，使各組分的峰面積與其質量的關系有一個統一的標準進行折算。 采用的標準物因檢測器不同而不同：TCD苯；FID正庚烷。 fi(w)=fi(w)/fs(w)=(Aswi/Aiws) 通式 當w分別為質量m、摩爾M、和氣體體積V時，上式分別表示為,3. 相對校正因子的測量 準確稱取被測物與標準物，混合后進樣。從所得色譜圖分別求出它們的峰面積，然后通過前述公式計算校正因子（省去“相對”二字）。 必須注意： 校正因子只與試樣、標準物和檢測器類型有關，與其它所有條件無關！可以查表得到。,4. 定量校正方法 1）歸一化法：要求試樣中所有n個組分全部流出色譜柱，并全部出峰！則其中組分 i 的含量為： fi 為i 物質的相對定量校正因子；Ai為其峰面積。 此法簡單、準確，操作條件影響小。但應用不多。因為誰知道試樣有多少組分？應該出多少峰才叫全部出峰？ 2）外標法：或標準曲線法。以Ai對xi作圖得標準曲線。該法不需校正因子。但進樣 量和操作條件必須嚴格控制！外標法適于日常分析和大批量同類樣品分析。 3）內標法：在配制的每個標準溶液中以及待測試樣中加一固定量為ms的內標物， 以Ai/As對xi作圖，得內標法校正曲線。 對內標物的要求： 樣品中不含內標物；無反應；與各待測物保留時間和濃度相差不大；,16.6 毛細管柱氣相色譜(Capillary GC) 毛細管柱的發(fā)明使得氣相色譜分析發(fā)生了革命性的變化！ 50 年代初，主要進行填充柱的理論和應用研究，并開始進行非填充柱(內徑為十分之幾毫米)的理論可行性研究。 1956 年Golay正式提出了非填充柱（空心柱）的理論并制作出效率極高毛細管柱；次年發(fā)表了該研究論文。 50 年代后期，一些研究人員都制成了各類毛細管柱，經測定，一些毛細管的理論塔板數可達到300,000！ 然而，自毛細管柱發(fā)明以來，20多年都沒有廣泛應用，主要是因為：1）柱容量??；2）柱強度小；3）樣品引入及管與檢測器的連結問題；3）固定液涂漬的重現性不好；4）壽命短；5）柱易堵塞；6）專利1977年才過期。