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1、气相色谱法气相色谱法气相色谱分类气相色谱仪器简介气相色谱固定相气相色谱检测器气相色谱操作条件的选择毛细管气相色谱法简介气固色谱和气液色谱用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。根据固定相的状态不同，又可将其分为气固色谱和气液色谱。气固色谱是用多孔性固体为固定相，分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。但由于气固色谱可供选择的固定相种类甚少，分离的对象不多，且色谱峰容易产生拖尾，因此实际应用较少。气液色谱用高沸点的有机化合物涂渍在惰性担体上作为固定相。由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，所以气液色谱有广泛的实用价值。气相色谱仪简介气相色谱仪简介气相色谱仪由五大
2、系统组成气路系统进样系统分离系统控温系统检测和记录系统。气相色谱仪气路系统气路系统气相色谱仪具有一个让载气连续运行、管路密闭的气路系统。通过该系统，可以获得纯净的、流速稳定纯净的、流速稳定的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性，对色谱结果均有很大的影响，因此必须注意控制。常用的载气有氮气和氢气，也有用氦气、氩气和空气。载气的净化，需经过装有活性炭或分子筛的净化器，以除去载气中的水、氧等不利的杂质。流速的调节和稳定是通过减压阀、稳压阀和针形阀串联使用后达到。一般载气的变化程度1%。载气的处理皂膜流量计进样系统进样系统在气相色谱仪中，进样系统的作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱
3、之前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中。进样量的大小，进样时间的长短，试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。进样系统包括进样器和气化室两部分。进样器进样器: :液体样品的进样一般采用微量注射器。气体样品的进样常用色谱仪本身配置的推拉式六通阀或旋转式六通阀定量进样。气化室气化室: :为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解，因此要求气化室热容量大，无催化效应。为了尽量减少柱前谱峰变宽，气化室的死体积应尽可能小。气体进样旋转式六通阀注射进样器分离系统分离系统分离系统指色谱柱色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2 4mm
4、，长1 3 m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂担体空心柱。空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.2 0.5mm，长度30 300m，呈螺旋型。色谱柱的分离效果除与柱长、柱径和柱形有关外，还与所选用的固定相和柱填料的制备技术以及操作条件等许多因素有关。控制温度系统控制温度系统温度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、气化室、检测室的温度控制。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，一般采用程序升温法进行。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
5、间获得最佳分离的目的。恒温与程序升温检测和放大记录系统检测和放大记录系统检测器是将载气里被分离组分的量转变为可测量的信号（一般电信号）的装置。气相色谱检测器有浓度型和质量型两种。常用的检测器有热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）、氢焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）等。记录系统是一种能自动记录由检测器输出的电信号的装置。气相色谱固定相气相色谱固定相可分为固体固定相和液体固定相两类。液体固定相是将固定液均匀涂渍在担体而成。固体固定相用气相色谱分析永久性气体及气态烃时，常采用固体吸附剂作固定相。在固体吸附剂上，永久性气体及气态烃的吸附热差别较大，故可以得到满意的分离。常用
6、的固体吸附剂常用的固体吸附剂 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。也常用一些人工合成的固定相。人工合成固定相作为有机固定相的高分子多孔微球是人工合成的多孔共聚物，它既是担体又起固定相的作用，可在活化后直接用于分离，也可作为担体在其表面涂渍固定液后再使用。人工合成固定相有许多特殊的优点。高分子多孔微球分为极性和非极性两种：（1）非极性的是由苯乙烯、二乙烯苯共聚而成。（2）极性的是苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入极性基团。人工合成的固定相的优点人工合成的固定相的优点改变制备条件及原料可以合成各种比表面及孔径的聚合物。因而可根据样品的性质进行选择，使分离效果最佳。无有
7、害的吸附活性中心，极性组分也能获得正态峰。无流失现象，柱寿命长。具有强疏水性能，特别适于分析混合物中的微量水分。粒度均匀，机械强度高，具有耐腐蚀性能。热稳定性好，最高使用温度为200300C。柱超负荷后恢复快，还适用于制备色谱。液体固定相液体固定相-对固定液的要求对固定液的要求固定液一般为高沸点的有机物，能做固定相的有机物必须具备下列条件：热稳定性好，在操作温度下，不发生聚合、分解或交联等现象，且有较低的蒸汽压，以免固定液流失。通常，固定液有一个“最高使用温度”。化学稳定性好，固定液与样品或载气不能发生不可逆的化学反应。固定液的粘度和凝固点低，以便在担体表面能均匀分布。各组分必须在固定液中有一
8、定的溶解度，否则样品会迅速通过柱子，难于使组分分离。在选取合适的固定液时，这是特别需要考虑的方面。固定液和组分分子间的作用力固定液和组分分子间的作用力分子间的作用力是一种极弱的吸引力，主要包括静电力（定向力）、诱导力、色散力和氢键力等。非极性分子间的作用力主要是色散力，分子量越大，分子体积越大，色散力越强。存在于极性分子与非极性分子之间的是诱导力。由于在极性分子永久偶极矩电场的作用下，非极性分子也会极化产生诱导偶极矩。它们之间的作用力叫诱导力。在极性固定液柱上分离极性样品时，分子间的作用力主要是静电力。被分离组分的极性越大，与固定液间的相互作用力就越强，因而该组分在柱内滞留时间就越长。固定液和
9、组分分子间的作用力固定液和组分分子间的作用力极性分子的极性越大，非极性分子越容易被极化，则诱导力就越大。当样品具有非极性分子和可极化的组分时，可用极性固定液的诱导效应分离。苯（B.P.80.1）和 环己烷（ B.P.80.8）沸点接近，偶极矩为零，均为非极性分子，若用非极性固定液却很难使其分离。但苯比环己烷容易极化，故采用极性固定液，就能使苯产生诱导偶极矩，而在环己烷之后流出。固定液的极性越强，两者分离得越远。固定液的分类固定液的分类目前用于气相色谱的固定液有数百种，一般按其化学结构类型和极性进行分类，其分类的本质是固定液与组分间的相互作用力的不同。按固定液的化学结构分类按固定液的化学结构分类
10、:把具有相同官能团的固定液排在一起，然后按官能团的类型不同分类，这样就便于按组分与固定液“结构相似”原则选择固定液时参考。按固定液的相对极性分类按固定液的相对极性分类:极性是固定液重要的分离特性，按相对极性分类是一种简便而常用的方法固定液的选择固定液的选择在选择固定液时，一般根据固定液的分类按“相似相溶”的规律选择，因为这时的分子间的作用力强，选择性高，分离效果好。在应用中，应根据实际情况并按如下几个方面考虑：第一，非极性试样一般选用非极性固定液。非极性固定液对样品的保留作用，主要靠色散力。分离时，试样中各组分基本上按沸点从低到高的顺按沸点从低到高的顺序流出色谱柱序流出色谱柱；若样品中含有同沸
11、点的极性和非极性化合物，则极性化合物先流出。固定液的选择固定液的选择第二，中等极性的试样应首先选用中等极性固定液。在这种情况下，组分与固定液分子之间的作用力主要为诱导力和色散力。分离时组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱，但对于同沸点的极性和非极性物，由于此时诱导力起主要作用，使极性化合物与固定液的作用力加强，所以非极性组分先流出。第三，强极性的试样应选用强极性固定液。此时，组分与固定液分子之间的作用主要靠静电力，组分一般按极性从小到大的顺序流出；对含有极性和非极性的样品，非极性组分先流出。几种常见固定液的相对极性固定液的分类担体担体担体是固定液的支持骨架，使固定液能在其表面上形成一层薄而
12、匀的液膜。担体应有如下的特点： 第一，具有多孔性，即比表面积大； 第二，化学惰性且具有较好的浸润性； 第三，热稳定性好； 第四，具有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。担体可以分成两类：硅藻土类和非硅藻土类。担体的种类及性能担体的种类及性能硅藻土硅藻土类担体类担体是天然硅藻土经煅烧等处理后而获得的具有一定粒度的多孔性颗粒。按其制造方法的不同，可分为红色担体和白色担体两种。 红色担体红色担体因含少量氧化铁颗粒而呈红色。其机械强度大，孔径小，比表面积大，表面吸附性较强，有一定的催化活性，适用于涂渍高含量固定液，分离非极性适用于涂渍高含量固定液，分离非极性化合物化合物。 白色担体白色
13、担体是天然硅藻土在煅烧时加入少量碳酸钠之类助熔剂，使氧化铁转化为白色的铁硅酸钠。白色担体的比表面积小，孔径大，催化活性小，适用于涂渍低适用于涂渍低含量固定液，分离极性化合物含量固定液，分离极性化合物。 硅藻土类担体在使用前必须进行预处理。硅藻土的显微图像硅藻土担体的预处理硅藻土担体的预处理普通硅藻土担体的表面并非完全惰性，而是具有硅醇基（Si-OH），并有少量的金属氧化物。因此，它的表面上既有吸附活性，又有催化活性。如果涂渍的固定如果涂渍的固定液量较低，则不能使其吸附中心和催化中心完全遮盖。液量较低，则不能使其吸附中心和催化中心完全遮盖。用这种固定相分析样品，将会造成色谱峰的拖尾，并可能发生化
14、学反应和不可逆吸附，为此，在涂渍固定液前，应对担体进行预处理，使其表面钝化。常用的预处理方法有：（1）酸洗（除去碱性基团）；（2）碱洗（除去酸性基团）；（3）硅烷化（消除氢键结合力）；（4）釉化（表面玻璃化、堵微孔）。典型色谱柱及其性质气相色谱检测器好的气相色谱检测器必须满足多方面的要求。根据检测器原理和响应方式的不同，可以将检测器分为质量型检测器和浓度型检测器。常用的检测器有：热导池检测器，氢火焰离子化检测器，电子捕获检测器检测器的性能指标对色谱分析的质量有非常重要的影响。浓度型检测器和质量型检测器浓度型检测器浓度型检测器测量的是载气中组分浓度的瞬间变化，即检测器的响应值正比于组分的浓度组分
15、的浓度。如热导池检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）。质量型检测器质量型检测器测量的是载气中所携带的样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内组分进入检测器的质量单位时间内组分进入检测器的质量。如氢焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）。理想的检测器的要求热导池检测器（热导池检测器（TCDTCD）热导池检测器是一种结构简单，性能稳定，线性范围宽，对无机、有机物质都有响应，灵敏度适中的检测器，因此在气相色谱中广泛应用。热导池检测器是根据各种物质和载气的导热系数不同，采用热敏元件进行检测的。通常载气与样品的导热系数相差越大，灵敏度越高。由于被测组分的导热系数一般
16、都比较小，故应选用导故应选用导热系数高的载气热系数高的载气。常用载气的导热系数大小顺序为H2 He N2。因此在使用热导池检测器时，为了提高灵敏度，一般选用H2为载气。当桥电流和钨丝温度一定时，如果降低池体的温度，将使得池体与钨丝的温差变大，从而可提高热导池检测器的灵敏度。但是，检测器的温度应略高于柱温，以防组分在检测器内冷凝。热导池检测器（热导池检测器（TCDTCD）氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器( (FID)FID)简称氢焰检测器。它具有结构简单，灵敏度高，死体积小，响应快，稳定性好的特点，是目前常用的检测器之一。FID仅对含碳有机化合物有响应，对某些物质，如永久性气体、水、一氧化碳
17、、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等不产生信号或者信号很弱。氢焰检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳化合物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器电子捕获检测器电子捕获检测器电子捕获检测器（ECD）在应用上仅次于热导池和氢火焰的检测器。它只它只对对具有电负性的元具有电负性的元素，如含有卤素、硫、磷、氮的物质素，如含有卤素、硫、磷、氮的物质有响应有响应，且电负性越强，检测器灵敏度越高。电子捕获检测器是一个具有高灵敏度和高选择性的检测器，它经常用来分析痕量的具有电负性元素的组分，如
18、食品、农副产品的农药残留量，大气、水中的痕量污染物等，电子捕获检测器是浓度型检测器，其线性范围较窄，因此，在定量分析时应特别注意。电子捕获检测器电子捕获检测器检测器的性能指标检测器的性能指标通用性检测器要求适用范围广；选择性检测器要求选择性好。表征检测器性能的参数有: 噪声和漂移 灵敏度(响应值或应答值) 检测限(检出限) 最小检出量（不要求） 线性范围和响应时间噪声和漂移无样品通过检测器时,由仪器本身和工作条件等的偶然因素引起的基线起伏称为噪声用基线峰峰值的宽度表示基线随时间向某一方向的缓慢变化称为漂移检出限检出限检出限定义为：检测器检测器恰能产生二(或三)倍于噪音（ 2RN ）时的单位时间
19、（单位：s）引入检测器的样品量（单位：g）或单位体积（单位：cm3 ）载气中需含的样品量。浓度型检测器，检出限 Dc = 2RN / Sc Dc的物理意义指每毫升载气中含有恰好能产生二倍于噪声信号的溶质毫克数。质量型检测器，检出限 Dm = 2RN / Sm Dm的物理意义指每秒通过的溶质克数，恰好能产生二倍于噪声的信号（ 2RN ）。检出限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声，所以它是衡量检测器性能的综合指标。灵敏度灵敏度当一定浓度或一定质量的组分进入检测器，产生一定的响应信号R。以进样量c（单位：mg.cm-3 或g.s-1）对响应信号（R）作图得到一条通过原点的直线。直线直线的斜率就是检测器
20、的灵敏度（的斜率就是检测器的灵敏度（S S）。）。灵敏度可定义为信号（R）对进入检测器的组分量（C）的变化率： S = R / C 对于浓度型的检测器， R取mV， C取mg.cm-3 ，灵敏度S的单位是mV.cm3 mg -1，对于质量型检测器， C取g.s-1 ，灵敏度S的单位是mV.s .g-1 。线性范围和响应时间线性范围线性范围: :检测器的线性范围定义为在检测器检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比。响应时间响应时间: :响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其值的63%所需的时间。一般小于1s。色谱分离操作条件的选择一个混合物能
21、否为色谱柱所分离，取决于固定相与混合物中各组分分子间的相互作用的大小是否有区别，但在色谱分离过程中各种操作因素的选择是否合适，对于实现分离的可能性也有很大的影响。在通常的气相色谱分析中，需要选择的分离条件主要有：载气的种类和流速色谱柱的性质：固定液的种类，担体的性质和粒度，色谱柱的柱温和柱长进样时间和进样量载气流速载气及其线速的选择载气及其线速的选择 根据van Deemter方程的数学简化式为 H = A + B / u + C u 可得到H-u关系曲线。图中曲线的最低点，塔板高度最小，柱效最高，所以该点对应的流速即为最佳流速载气种类 各项因素对板高H的影响当u值较小时，分子扩散项B/u将成
22、为影响色谱峰扩张的主要因素，此时，宜采用相对分子质量较大的载气（N2、Ar），以使组分在载气中有较小的扩散系数。当u较大时，传质项Cu将是主要控制因素。此时宜采用相对分子质量较小，具有较大扩散系数的载气（H2、He），以改善气相传质。H = A + B / u + C u 柱温柱温柱温是一个重要的色谱操作参数，它直接影响分离效能和分析速度。柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则会造成固定液大量挥发流失。某些固定液有最低操作温度。一般地说，操作温度至少必须高于固定液的熔点，以使其有效地发挥作用。降低柱温可使色谱柱的选择性增大，但升高柱温可以缩短分析时间，并且可以改善气相和液相的传质速率，有利于提
23、高效能。所以，这两方面的情况均需考虑。在实际工作中，一般根据试样的沸点选择柱温、固定液用量及担体的种类。对于宽沸程混合物，一般采用程序升温法进行。程序升温柱长柱长由于分离度正比于柱长的平方根，所以增加柱长对分离是有利的。但增加柱长会使各组分的保留时间增加，延长分析时间。因此，在满足一定分离度的条件下，应尽可能使用较短的柱子。担体的粒度担体的粒度由范氏速率理论方程式可知，担体的粒度直接影响涡流扩散和气相传质阻力，间接地影响液相传质阻力。随着担体粒度的减小，柱效将明显提高，但粒度过细，阻力将明显增加，使柱压降增大，对操作带来不便。速率理论方程式A项中的是反映担体填充不均匀性参数，降低，即担体粒度均
24、匀，形状规则，有利于提高柱效。进样时间和进样量进样时间和进样量进样速度必须很快，因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之变宽，有时甚至使峰变形。一般地，进样时间应在1s以内。色谱柱有效分离试样量随柱内径、柱长及固定液用量不同而异。柱内径大，固定液用量高，可适当增加试样量。但进样量过大，会造成色谱柱超负荷，柱效急剧下降，峰形变宽，保留时间改变。最大允许的进样量，应控制在使峰面积和峰高与进样量呈线性关系的范围内。毛细管气相色谱法毛细管气相色谱法是采用高分离效能的毛细管柱毛细管柱分离复杂组分的一种气相色谱法。毛细管柱与填充柱相比在柱长、柱径、固定液液膜厚度、容量都有较大的差别由此而
25、决定了毛细管气相色谱法许多特殊的优点及优良的分离能力上。毛细管柱的内径一般小于1mm，它可分为填充型和开管型两大类。与普通气相色谱仪相比，毛细管气相色谱仪多加了分流进样和尾吹气系统毛细管色谱柱比普通色谱柱有更好的分离效果毛细管色谱流程毛细管色谱柱的特点毛细管色谱柱的特点渗透性好（载气流动阻力小），可使用长的色谱柱。柱容量小，允许进样量小。由于毛细管柱涂渍的固 定液仅几十毫克，液膜厚度为0.35 1.5m，柱容量小。总柱效高。毛细管柱（开口柱）的涡流扩散项为零。毛细管的气相、液相传质阻力项的影响因素复杂。 填充型填充型毛细管色谱柱它分为填充毛细管柱（先在玻璃管内松散地装入担体拉成毛细管后再涂固定
26、液）和微型填充柱（与一般填充柱相同，只是径细，担体颗粒在几十到几百微米）。 目前填充柱毛细管已使用不多。开管型毛细管色谱柱按其固定液的涂渍方法不同，可分为：涂壁开管柱涂壁开管柱：将内壁经预处理再把固定液涂在毛细 管内壁上。多孔层开管柱：多孔层开管柱：在管壁上涂一层多孔性吸附剂固体 微粒，不再涂固定液。实际是一种气固色谱开柱管。担体涂渍开柱管：担体涂渍开柱管：为了增大开柱管内固定液的涂渍量，先在毛细管内壁涂一层担体，如硅藻土担体，在此担体上再涂固定液。 交联型开柱管：采用交联引发剂，在高温处理下，把固定液交联到毛细管内壁上。目前大部分的毛细管属于此类型。键合型开柱管： 将固定液用化学键合的方法键合到涂敷硅胶的柱表面或经表面处理的毛细管内壁上，由于固定液是化合键合的，大大提高了热稳定性。
