8第八章 气相色谱法

要求
作用
红色担体（非极性）
硅藻土型 白色担体（极性）
类型
非硅藻土型
GDX 多孔 多孔玻璃 多孔硅珠
氟载体 无孔 洗涤剂 玻璃微珠、素瓷
减弱或消除载体表面的吸附活性
•酸洗法： 6mol/L HCl溶液浸泡20-30min-分析酸 性化合物 •碱洗法： 5% KOH甲醇溶液浸泡或回流-分析胺类 •硅烷化法： 载体与硅烷化试剂反应，除去载体表面 的硅醇基-分析易形成氢键的化合物
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
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气相色谱仪
区别 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
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气相色谱仪
线性范围 • 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
主要作用力：色散力
应用范围：用于分离非极性与弱极性物质 出峰顺序：按沸点顺序分离→沸点低先出峰 相同沸点→极性大先出峰
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⑵中等极性固定液 种类：较大烷基+少量极性基团/可诱导极化的基团
苯基聚硅氧烷（OV-17）、腈丙基聚硅氧烷（OV-1701）
主要作用力：诱导力&色散力 应用范围：适用于弱极性和中等极性物质的分离
钝化
气相色谱柱
填充柱
• 内径 4～6mm • 常用柱长 2～4m • 不锈钢管
毛细管柱
• 内径 0.05～0.2mm • 柱长 50～100m • 弹性石英毛细管
毛细管色谱柱
开管型毛细管柱（内径：0.1～0.5mm）
• 壁涂毛细管柱（WCOT）：固定液易流失，柱寿命短 • 载体涂层毛细管柱（SCOT）：减少流失，柱寿命长 • 多孔层开管柱（PLOT）
第八章 气相色谱法
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气相色谱法类型 固定相及色谱柱 气相色谱仪 气相色谱条件选择 应用与示例
本章要求 掌握 固定相选择、 FID检测器、 气 相色谱条件选择、定量分析
熟悉
气相色谱仪的一般组成系统、 ECD检测器
了解
TCD、定性分析、近代气相色谱
定义 Gas Chromatography
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气相色谱仪
• • • • 噪音（N）和漂移（d） 灵敏度（S） 检测限（D、M） 线性范围
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气相色谱仪
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。
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气相色谱仪
• 基线漂移：基线随时间定向的缓慢变化
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气相色谱仪
灵敏度（响应值、应答值）
ΔR S ΔQ
浓度型检测器（Sc）
1mL载气携带1mg组分通过检测器时产生的电压
质量型检测器（Sm）
每秒有1 g组分被载气携带通过检测器产生的电压或电流值
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气相色谱仪
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 D= 2N / S
检测限越小，检测器性能越好
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气相色谱仪
3）按检测物性质分
通用型
• 基于物质的普通性质测量 • 如TCD、MS、IR 选择型 • 基于物质的特性测量 • 如ECD
Hale Waihona Puke Baidu
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气相色谱仪
2. 检测器的性能指标
要求： a. 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
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
GC 以气体为流动相的柱色谱分离技术
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。
特点 优点 三高 二少 一广
高选择性 高灵敏度：10-13-10-11g 高柱效：n—103-106 样品用量少 b.p. ≤ 500oC 分析时间少 应用范围广：20%有机物 M ≤ 400 局限 热稳定

中等极性化合物
极性化合物
中等极性固定液 极性固定液
强极性化合物 （能形成氢键的）
氢键型固定液
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被分离物质种类 酯 醇

固定液种类 酯类或聚酯类 聚乙二醇类
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（2）按主要差别 • 样品各组分的沸点差别为主 选非极性固定液，按沸点高低出峰→沸点低先出 • 样品各组分的极性差别为主 选极性固定液，按极性大小出峰→极性小先出
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）
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气相色谱仪
• 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）
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例如：分离苯和环己烷
苯 80.1 ℃ 弱极性 环己烷
沸点 极性
80.7℃
非极性
△b.p太小
稍有差别
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① 非极性固定液－－很难分离 ② 中等极性固定液 -邻苯二甲酸二辛酯 ③ 强极性固定液（氢键型） -聚乙二醇-400 -β,β’－氧二丙腈
tR,苯＝1.5tR,环己烷
tR,苯＝3.9tR,环己烷 tR,苯＝6.3tR,环己烷
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气相色谱仪
仪器组成 气路系统
温 控 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
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放空或分步收集
气相色谱仪
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气相色谱仪
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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
carrier gas：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）
需有对照品
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气相色谱法类型
按固定相状态分类
载体＋固定液相 表面活性吸附剂 GLC GSC
按操作形式分类：柱色谱 按填充方式分类 填充柱
开管柱：弹性石英交联毛细管柱 吸附色谱：GSC
分配色谱：GLC
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按分离机制分类
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
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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
2. 进样系统（sample injection system） • 进样器：样品导入装置
-手动进样器 -自动进样器 微量注射器（液体试样） 六通阀（气体试样）
• 气化室：使样品瞬间气化
• 进样体积：
填充型毛细管柱
• 内径： ≤1.0mm • 与普通填充柱相比：分析速度快、柱效高
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特点
• 渗透性好、气阻小—高载气流速→分析速度快 • 无涡流扩散、传质阻力小→柱效高、分离度高 • 柱内径小、固定液膜薄→柱容量小、影响灵敏度 • 使用温度高→适于高沸点组分、灵敏度高、基线平稳 • 载气流量小→适于GC-MS联用 • 适于痕量分析
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固定液的分类 化学分类法：按固定液化学结构
烃：非极性（角鲨烷相对极性=0） 硅氧烷：通用型（弱极性→极性）应用最广 酯：中强极性 聚醇：氢键型（药分中聚乙二醇最常用）
极性分类法：按固定液的相对极性或特征常数
非极性、中等极性、极性、氢键型固定液 影响固定液选择的主要作用力：极性、诱导极性、氢键作用
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（3）难分离物质对
采用混合固定液： -调节比例混合后涂渍于载体上 -涂渍于载体之后按比例混装入柱 -串联不用极性的色谱柱
注意
1. 考虑最高和最低使用温度：最高使用温度比混合固定液 的沸点低150～200℃。 2. 考虑使用压力：固定液在p<13.33Pa（0.1mmHg）时寿 命较长；p>68.66Pa(0. 5mmHg)时固定液流失，影响柱寿 命及数据稳定性。
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气相色谱仪
2）按响应特征分 浓度型检测器
• 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）
质量型检测器
• 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
种类：聚乙二醇PEG、三乙醇胺
主要作用力：氢键 出峰顺序：按形成氢键的能力大小顺序分离，最不易 形成氢键的最先出峰。
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3. 固定液选择
极性是选择的重要依据
一般规律：
先找作用力差异，再按沸点高低
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（1）按相似性原则 按待分离组分与固定液极性或官能团相似原则选择 相似性强→作用力大→后流出 被分离物极性 非极性 弱极性化合物 固定液极性 非极性固定液
涂渍在载体上的高沸点物质，色谱 操作温度下为液体
载体（support）
惰性固体颗粒，用以支撑固定液
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对固定液的要求 总体要求使样品中各组分呈良好分离，延长柱使用寿命
具体要求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对样品中各组分具有较高选择性-各组分的分配系数差别大 ④稳定性好（不分解、不反应） ⑤黏度小、凝固点低 ⑥对载体有良好浸润性，使之易形成均匀薄膜
-线性范围宽：不论大量或微量组分检测器都能准确测定
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气相色谱仪
3. 常用检测器简介 1）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）
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气相色谱仪
1）热导检测器(TCD）
1. 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
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β,β’-氧二丙腈为100 角鲨烷C30H62为0 0、1-非极性 2、3-中等极性 Px参数法 4、5-极性
5种探测物 角鲨烷为基准 罗氏常数法
麦氏常数法 10种探测物 角鲨烷为标准 以保留指数之差衡量极性
习惯法
非极性 中等极性 极性 氢键型
⑴非极性固定液 种类：饱和烃类和甲基聚硅氧烷类
角鲨烷（C30H62）、二甲基聚硅氧烷(OV-1)
出峰顺序：按沸点顺序分离→沸点低先出峰 沸点相同→极性小先出峰
诱导力起主要作用
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⑶极性固定液 种类：含有较强极性基团
聚酯类、腈类-氧二丙腈(CH2CH2CN)2O
主要作用力：静电力和诱导力为主、 色散力为次 适用范围：用于分离极性化合物 出峰顺序：按极性大小顺序分离→极性小先出峰
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⑷氢键型固定液（强极性固定液）
-填充柱：10μL -毛细管柱：1μL
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3. 分离系统（separation system） • 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
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气相色谱仪
4. 检测系统 经分离后的组分浓度/质量的变化 转换为可测量的电信号
信号及大小是色谱分析定量和定性基础
1. 气-固色谱固定相
•吸附剂
石墨化碳黑、硅胶、氧化铝
•分子筛
4A、 5A、13X（数字表孔径10-10 m，字母表类型）
耐高温-永久气体/高沸点物质
•高分子多孔微球
苯乙烯/乙基乙烯苯与二乙烯苯交联共聚
按分子质量顺序分离 耐高温、峰形好、不拖尾
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2. 气-液色谱固定相
固定液（stationary liquid）
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（4）酸碱组分的分离 -采用有酸/碱基团的高分子多孔微球 -极性固定液中加少量酸/碱添加剂—克服拖尾
4. 载体（担体） 组成
化学惰性的多孔微球
表面积大（具多孔性且孔径均匀分布） 表面吸附性能弱 热和化学稳定性好 颗粒大小均匀 有一定机械强度 GSC— 载体本身是固定相 GLC—仅作为液相的支持体
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气相色谱仪
1.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
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1）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
温控方式： 恒温、程序升温
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气相色谱仪
检测器 1. 检测器的分类 1）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
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1）按对信号统计方式分
积分式 • 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 微分式 • 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
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5. 数据处理及显示系统 积分仪 色谱数据处理机 色谱工作站
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6. 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