分析化学课件-气相色谱法

热导检测器的特点：
属于通用性检测器，只要热导率与载气不同即可检测. 与其他检测器相比，灵敏度较低. 响应动态范围宽 (105) 对被测组分无破坏性
影响热导检测器灵敏度的因素
1.电桥电流
响应值与桥电流的三次方成正比，故增加桥电流可显著增加响应信号， 但桥电流不可任意增大， 载气N2时: 100-150mA, H2做载气时: 150200mA。
Note: 加桥电流前需先通载气，以免热丝烧断
2. 检测器温度
不得低于柱温，常比柱温高 20~50℃.
3. 载气
载气
灵敏度正比于载气与被测组分 H2
的热导率差，H2> He> N2
He
N2
4. 热丝电阻值
Air
热导率
224.3 175.6 31.5 31.5
载气
热导率
CH4
45.8
propane
26.4
气相色谱仪
随着电子技术和 计算机技术的发 展，气相色谱仪 的各种参数（温 度、载气流速、 自动进样等）控 制均已实现自动 化
气相色谱流程示意图
1. 载气系统（gas supply system）
包括气体钢瓶或气体发生器，压力调节器，净化管，流量控制器， 等。 功能: 提供清洁、流量恒定的载气
2. 进样系统(sample injection system)
◆毛细管柱 ●石英材质, 外涂聚酰亚胺保护层. ● 内径 0.10～0.53mm，常用规格0.10、0.25、0.32、 0.53mm. ● 常用类型：涂壁毛细管 (WCOT) 载体涂层毛细管 (SCOT) 交联毛细管（用于GC-MS） ● 载气流速： 1～2 mL/min ● 应用分流/不分流进样
一、热导检测器（THERMAL CONDUCTIVITY DETECTOR, TCD）
Wheatstone 电桥
R1/R2=R3/R4, i=0 R1/R2≠R3/R4, i≠0 被测组分通过热导池时，由于其热导率与载气不同，带走的 热量不同，导致电桥不平衡，检流计中有电流通过。将微电 流通过电阻转换成电压，即为色谱信号。
第六节 定性分析和定量分析
一、系统适用性试验
用规定的对照品溶液或系统适用性试验溶液进行试验，以判定所用色谱 系统是否规定的要求。 1．色谱柱的理论板数（n） 此参数用于评价色谱柱的分离效能。 2．分离度（R）: 要求>1.5 3．重复性: 用于评价连续进样中色谱系统响应值的重复性。 4．拖尾因子（T） 用于评价色谱峰的对称性。
●气液色谱：利用待测物在载气和固定在惰性固体表面 的液体固定相之间的分配原理实现分离。
气相色谱优缺点
优点： 分离能力强： 理论板数103～106 灵敏度高： 10-11～10-13g 选择性高：可分离对映体等难分离物质 快速：一次分析可在几秒~几十分钟完成 可用于无发色团组分分析
缺点： 1.只适用于热稳定性好、易气化的物质分析 2.分析非挥发性物质时需衍生化 3.由于进样量少，定量进样有一定困难
三、载气（CARRIER GAS）
N2: 最常用的气相色谱载气；热导率低，用于热导检测时的灵敏 度低
H2: 热导率高，使用热导检测器时常用该载气。 易燃，需注意安 全
He: 热导率高，常用于 GC-MS
第三节 柱类型
◆填充柱: ● 玻璃或不锈钢材质 ● 内径 2～4mm, 长 0.5～4m ● 固定相颗粒： 60/80目 或 80/100目 ● 常用载气流速： 20～60 mL/min ● 柱效： 800～1000/m ● 常规药物分析时常用
例：不同固定液对分离的影响
(二) 载体
基本要求
比表面积大; 化学惰性; 热稳定性好; 有一定机械强度
类型 钝化方法
硅藻土 白色载体（Chromosorb W，101等）
红色载体（Chromosorb P，6201等） 非硅藻土类 (玻璃微球，特氟龙)
酸洗（AW） 碱洗 (BW)
减弱载体表面吸附 活性
气相色谱法
气相色谱法（gas chromatography, GC）是以气体 为流动相的色谱法。当气化的被测物质随载气进入色谱 柱时，基于被测物质在气相和固定相之间吸附-解吸附 （气-固色谱）或分配（气-液色谱）差异进行分离。
●气固色谱：利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附 -解吸能力不同实现物质的分离。
二、 实验条件的选择
1. 固定相选择 见第二节.
2. 柱温 色谱柱选定后，柱温是影响分离的最重要条件。柱温降低，分离
度提高，但峰宽增加，分析时间加长。 选择原则：在使难分离物质对得到良好分离，分析时间适宜，峰形对 称的前提下，尽量用低柱温。
• 等温: 在分析过程中柱温保持不变.
•程序升温(temperature programming): 在一个分析周期中，柱温按照
C6H6
裂解
6 CH
3O2 + 6 CH 6CHO+ + 6H2O
6CHO+ + 6e 6CO + 6H3O+
影响FID灵敏度的因素： 1. 气体流速比例: N2:H2 = 1:1~1:1.5；H2:Air = 1:10 2. 检测器温度: >100℃ （常用200-250 ℃）
FID特点
• 质量型检测器 • 结构简单、耐用 • 灵敏度高 (10-13 g/s) • 响应动态范围宽 (107) • 响应值与有机物中含碳原子的数目有关 • 对不可燃化合物（H2O, CO2, SO2, CS2, NOx）无响应
三、电子捕获检测器（Electron capture detector，ECD）
结构:
63Ni or 3H
检测原理: • 放射源发出的β-电子使载气分子离子化，在电场作用下 形成稳定的基流； • 具有强电负性元素的有机分子捕获β-电子，使基流降低， 形成倒峰。
电子捕获检测器的特点
• 对含电负性基团（卤素、硝基、过氧化物）具有选择性响应 (10-15 g/s)
O
聚酯类:丁二酸二甘醇聚酯( Diethylene glycol succinate polyester，DEGS)
● 按极性分类
固定液的极性是指固定液与被测物之间相互作用力的函数， 与纯粹的从化学结构定义的极性不同，它是相对的。
相对极性:
Px
100 (1
q1 q1
qx q2
)
q
lg
t， R苯 t，
包括进样器 (微量进样针或自动进样器)、隔垫和气化 室。 功能: 将试样引入GC系统并蒸发成气体。
3. 色谱柱系统（Column system）
◆色谱柱，柱温箱 ◆ 色谱柱类型:
填充柱（柱内径 2～5mm) 毛细管柱 (柱内径0.1～0.53mm) ◆ 柱温可按程序改变（程序升温）
4. 检测和数据处理系统（Detection and data system）
◆ 检测器，数据获取和处理装置
5. 控制系统（Control system）
温度控制，载气流量控制，（自动进样控制），信号控制
第二节 固定相
一、气-液色谱固定相（Gas-liquid stationary phase） 气-液色谱固定相由固定液(stationary liqiud,immobilized liquid) 和载体（ support）组成 （一）固定液
固定液一般为高沸点物质
要求
(1) 在使用温度下蒸汽压 <10 Pa (2)热稳定性好，化学惰性 (3)选择性好 (4)对被测物有一定溶解度
固定液分类： ●按化学结构分类: 烷烃, 聚硅氧烷, 聚二醇, 酯和聚酯 烷烃类: 异三十烷(squalane ), 阿皮松(Apiezon)
CH3
CH3
CH3
聚硅氧烷类:
H3C
Si
O
Si O n Si
CH3
CH3
R
CH3
R=-CH3, methylsilicone, OV-1, OV-101, SE-30, non-polar R=94% methyl, 5% phenyl, 1% vinyl, SE-54, weakly polar R= 50% methyl, 50% phenyl, OV-17, middle polar R= 50% methyl, 25% cyanopropyl, 25% phenyl, OV-225, polar
三、 样品预处理
1. 分解法 • 热裂解法: 适用于高聚物等大分子分析 • 水解法: 将大分子水解成小分子,蛋白质水解成氨基酸 2. 衍生化法 •酯化(esterification): -COOH-----COOR •硅烷化(silanization): -OH------O-Si(CH3)3
-COOH------COOSi(CH3)3 -NHR------NRSi(CH3)3 •酰化(acylation): -OH------OCOR -NN2-------NHCOR
极性组分：选择极性固定液 偶极作用力为主，按照极性从小到大的顺序出峰
极性与非极性混合组分：选择极性固定液 非极性组分先出峰，极性组分按极性顺序出峰
氢键型组分：选择聚二醇类固定液 按照形成氢键能力大小顺序出峰
复杂组分混合物：可选混合固定液，采用混涂、混装、串联方式。
选择固定液时，要重点关注被分离组分间的主要差异是什么，据此 选择合适的固定液。
R环己烷
或
q
lg
t， R丁二烯
t, R正己烷
P 0-10，+1；21-40, +2;……..; 81-100, +5。P值越大，极性 越强。
一些常用的固定液
固定液的选择
无严格规则，一般可按“相似性原则”（rule of similarity）
非极性组分：选择非极性固定液 色散力为主，按照沸点从低到高的顺序出峰
• 对胺、醇、碳氢化合物基本不敏感
• 响应动态范围较窄 (102)
• 非线性响应:
•
需用高纯
N2
(>9i9.999i%0e)
Kc
作为载气
• 非破坏性检测
其他重要检测器
•火焰光度检测器 (Flame photometric detector，FPD) 对含S和P化合物具有选择性响应
• 热离子检测器 (thermionic detector，TID）：也称氮磷检测 器（Nitrogen phosphorus detector，NPD), 对含N和 P化合物具有选择性响应
聚二醇类: 聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）, Carbowax
H2
H2
HO C
C OH
n
PEG-6000 PEG-20M
酯类:
O
R O
O R
R= octyl, DOP (dioctyl phthalate) R=nonyl, DNP (dinonyl phthalate)
一定程序改变，以利于性质差异大的组分达到合适的分离度。该法适 用于复杂组分（如宽沸程样品、极性差异大的样品）分析。
例：等温和 程序升温 对分离效 果的影响
3. 载气 低线速时，用N2 高线速时，用H2或 He 用TCD时，使用H2或 He可提高灵敏度
4. 其他条件 (1)进样口温度：应保证样品瞬间气化 (2)检测器温度: 高于柱温20-50 ℃
ethanol
22.3
acetone
17.6
二、氢焰离子化检测器（FLAME IONIZATION DETECTOR，FID)
结构
含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离 子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。
离子化机理
机理不十分清楚，化学离子化是可能的离子化机理. 以苯为例:
硅烷化 (DMCS, HMDS)
二、气-固色谱固定相
吸附剂: 石墨化炭黑，硅胶，氧化铝，用于分析低分子量醇、烷烃和 醛酮
分子筛: 用于分析 H2,O2, CO, N2, CO2, CH4等 高分子多孔微球（GDX）: 药物分析中常用语分析乙醇、有机化合物
中微量水分。
例：废气成分检测 固定相：5A 分子筛; TCD检测器
第四节 检测器
浓度型检测器: TCD, ECD 质量型检测器: FID, FPD, NPD
性能指标:
灵敏度 (S): 每1 mL载气中携带 1mg被测组分 进入检测器时产生的 电压值 (对浓度型检测器), 或者每秒钟携带1mg被测组分进入检 测器时产生的电压值（质量型检测器）。
2. 噪声 (N) 和漂移 3. 检测限（D）: D=2N/S
• 质谱检测器 (MSD) • 傅里叶变换红外检测器（FTIR）
第五节 色谱条件选择
一、色谱条件选择的依据
H
2d p
2Dg
u
2k 3(1 k)2
df Dl
ห้องสมุดไป่ตู้
u
R n 1 k2 4 1 k2
Where α is separation factor, k2 is retention factor (capacity factor) of compound 2 which is retained stronger than compound 1.