1 第十二章（2） 气相色谱法 Gas Chromatography 2 教学重点： 气相色谱的分离系统载体和固定液 的选择，分离条件的选择 检测系统各种检测器的检测原理 气相色谱的应用 教学难点： 运用气相色谱解决实际分离、分析问题 3 气相色谱法 固定相是用高沸点的有 机物涂渍在惰性载体上 。由于可供选择的固定 液种类多，故选择性较 好，应用亦广泛。 流动相：气体 固定相 气液色谱 气固色谱 是用固体吸附剂为固 定相，分离的对象主 要是一些永久性的气 体和低沸点的化合物. 载体 固定液 4 h、W1/2、Wb、A、 K、k 有关术语 t0、tR、tR、 V0、VR、VR 、r2.1 色谱分析法导论 tR= t0(1+k) 5 速率理论 H理n 理 色谱分析导论 塔板理论 H有效n 有效 6 分离度 定量方法: 归一化法, 内标法, 外标法 7 12(2)-1 概述 气相色谱法（GC）是英国生物化学家马丁等人在研 究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，它可分离和分析复杂的多组分混 合物。 气相色谱法使用了高效的固定相和高灵敏度的检测 器，是一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的 分析方法。 8 气相色谱法的特点：三高一快一广 1.高选择性能分离性质极为接近的物质 如：同位素，异构体等 2. 高效能在很短的时间内就能分离测定性质极为复 杂的混合物 3. 高灵敏度分离微量、痕量组分 用高灵敏度的检测器可测出样品中10 -11 10-13 g组分 样品用量少： 液体0.几L气体几mL固体几g 可测粮食、蔬菜中农药残留量，动物体内药残留量 4.分析速度快样品准备好后，几分钟几十分钟即可 18 9 5. 应用范围广 在柱温条件下有一定蒸气压且稳定性好的样品都 能测定，只要在 450 以下有1.5 10 kPa蒸气压 且不分解的物质原则上都能测定，不论它是气体、液 体和固体。 对于挥发性低和受热易分解的物质，若能通过化 学衍生方法使其转化为挥发性大、热稳定性好的衍生 物，同样可用气相色谱分离和分析。 GC 主要用于分离和定量，可广泛应用在环保、 临床、药物、农药、食品、污染物等方面的测定。 10 对不易气化的高分子，热稳定性差 、化学性质极为活泼或强腐蚀性物质不 能用GC测定。 11 12(2)-2 气相色谱仪 12 图 GC-9A气相色谱仪 日本 东京 Shimadzu 13 14 图7 6890 气相色谱仪 图 毛细管柱色谱 （美国安捷伦科技公司 Agilent) 15 16 17 18 19 一、气路系统 20 气路系统载气连续运行的密闭管路系统 气密性好 载气要纯净、且稳定 单柱单气路，简单， 适于恒温分析 双柱双气路 适于程序升温 转子流量计给出载气流速的相对值 不能反映柱内真实流速 皂膜流量计测柱后的流速，进行校 正后得到柱温下的流速 2. 气路结构 3. 流速的测定和校正 载气流速采用 1. 对气路的要求： 21 校正载气流速： 载气在柱后的真实流速： 皂膜流量计测得载气流速 出口载气流速 经过水蒸气校正的流速 室温时水的饱和蒸气压 柱出口压力，即大气压力 22 Tc：柱温；Tr ：柱后温度 载气平均流速： FC = FO Ti j 温度校正因子 Ti =TC / Tr 柱温、柱压、柱内载气的平均流速： 压力校正因子 23 二、 进样系统 进样装置和气化室 气化室：可控温度 为50400，一般 比柱温高3070 1. 进样装置 液体：常用1、5 、10、25、50 L (一般进样0.110 L） 气体：0.255 mL 注射器或六通阀 ( 一般进样0.110 mL） 2. 气化室 样品在气化室气化， 并很快被带入色谱柱。 24 三、分离系统 把混合物样品中各组分进行分离的装置 （1）填充柱 填充柱由不锈钢, 玻璃 或聚四氟乙烯等材料制成，内装固定 相，一般内径为24mm，长15m 。填充柱的形状有U型和螺旋型二种 。柱内填充固定相，制作简单，柱容 量大，操作方便，分离效率较高，n 在102103之间，应用普遍。 分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部 件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充 柱和毛细管柱。 25 （2）毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱。 涂壁空心柱是将固定液均匀 地涂在内径0. l0. 5mm的毛 细管内壁而成，毛细管材料 可以是不锈钢或石英。柱子 可以做到几十米长。与填充 柱相比，其分离效率高（理 论塔板数可达106）、分析速 度快、样品用量小。但柱容 量低、要求检测器的灵敏度 高，并且制备较难。 26 四、 控制温度系统 在气相色谱测定中，温度是重要的指标， 它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的 灵敏度和稳定性。控制温度主要指对气化 室，色谱柱室，检测器三处的温度控制。 27 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，往往采用程序升温法进 行分析。 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，以达到用最短时间获得 最佳分离的目的。 恒温 150 程序升温50- 250 ，8 /min 28 五、检测和数据处理系统 样品经色谱柱分离后，各成分按保留 时间不同，顺序地随载气进入检测器，把 进入的组分按时间及其浓度或质量的变化 ，转化成易于测量的电信号，经过必要的 放大传递给记录仪或计算机，最后得到该 混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信 息。 29 固体固定相 聚合物固定相 液体固定相* 12(2)-3 气相色谱的固定相 混合组分在色谱柱上能否分离，主要取决于所 用固定相，选择固定相是GC的关键问题 固定相主要分三大类： 30 常用固体吸附剂 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。 使用时，可根据它们对各种气体的吸附能 力不同，选择最合适的吸附剂 . 主要用来分析永久性气体和一些低沸点物 质 一、气固色谱固定相 31 二、聚合物固定相 它既起固定液作用直接用于分离，也可作为载体在 其表面涂渍固定液后再用。 由于是人工合成的，可控制其孔径大小及表面性质 。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无 液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程 序升温。 这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的 分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类等的分析。 32 三、气液色谱固定相* 载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相 1. 载体(担体)承担固定液的惰性物质 （l）对载体的要求 具有足够大的表面积和良好的孔穴结 构，使固定液与试样的接触面较大，能均 匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太 大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾； 表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附 性很弱，更不能与被测物起反应； 热稳定性好；形状规则，粒度均匀， 具有一定机械强度。 载体 固定液 33 （2）载体类型 大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻 土载体是目前气相色谱中常用的一种载体，它 是由单细胞海藻骨架组成，主要成分是二氧化 硅和少量无机盐，根据制造方法不同，又分为: 红色载体和白色载体 34 红色载体白色载体 构成、机械强 度 硅藻土+粘合剂混合煅 烧，强度高 硅藻土+20的碳酸 钠混合煅烧，强度低 颜色氧化铁呈红色白色 比表面积大（310 m2/g）小（13 m2/g） 柱效较高较低 吸附性 催化性有吸附性和催化性弱 适宜涂渍非极性固定液极性固定液 适于分离适于非极性、弱极性化 合物 适于分析各种极性化 合物 缺点表面活性中心不宜覆盖 ，分析极性物质时易拖 尾 机械强度差 红色载体和白色载体 35 常见的载体 载体特点用途产地 白 色 硅 藻 土 载 体 101，102白 色载体 PH7 略呈 碱性 适用于涂渍极性 固定液，分析极 性或碱性物质 上海试剂一 厂 101,102硅烷 化白色载体 经过硅烷化 处理 分析氢键型化合 物 上海试剂一 厂 Celite545 Chromosorb （A、G、W） 比表面积1.0 m2/g，极性 小 一般应用 英国， 美国 36 载体 特点 用途 产地 红 色 硅 藻 土 载 体 6201载体 ，201载体 PH7 略呈酸性 分离非极性 和弱极性物 质 大连红光化工 厂，上海试剂 一厂 釉化6201 载体，301 载体 性能介于红色担体 与白色担体之间 中等极性组 分 大连红光化工 厂，上海试剂 一厂 C22保温 砖 比表面积4.16 m2/g 一般应用 英国 Chromoso rb P 比表面积4.0 m2/g 非极性物质 的分离 美国 Gaschrom R 比表面积4.16 m2/g 美国 Chezasob 比表面积3.0 m2/g 一般应用 捷克 常见的载体 37 载体的表面处理 硅藻土载体表面不是完全惰性的，具 有活性中心。如硅醇基或含有矿物杂质， 如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因 此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙 结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、 碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。 38 （i）酸洗（除去碱性作用基团）：用3-6molL-1 盐酸浸煮载体、过滤，水洗至中性。甲醇淋洗 ，脱水烘干。可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化 物。适用于分析酸性物质。 （ii）碱洗（除去酸性作用基团）：用5%或 10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲 醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质 。 39 (iii)硅烷化（除去表面氢键作用力）：用 硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使 生成硅烷醚。 常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷（ DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。 CH3 CH3 CH3 CH3 40 l非硅藻土载体有有机玻璃微球，聚四氟 乙烯，高分子多孔微球载体等。这类载 体常用于特殊分析，用于极性样品和强 腐蚀性物质HF、Cl2等分析。但由于表面 非浸润性，其柱效低。 41 2固定液高沸点有机物 （1）对固定液要求： A 在操作温度下固定液应是液体，不易挥发、不易 流失（有较低蒸气压） B 良好的热稳定性和化学稳定性 C 选择性好固定液的选择性可用相对保留值2.1 来衡量。对于填充柱一般要求2.11.15；对于毛 细管柱，2.11.08； D 对试样各组分有适当的溶解能力，有合适的K 42 （2）组分分子与固定液间的作用力 在气相色谱中，载气是情性的，且组分在气相 中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略 。在液相中，由于组分浓度低，组分之间的作 用力也可忽略。 液相里主要存在的作用力是组分与固定液分子 间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液 中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解 度大，分配系数大。 2固定液 43 （2）组分分子与固定液间的作用力 这种分子间作用力是一种较弱的分 子间的吸引力，它不像分子内的化学键那 么强。 它包括取向力、诱导力、色散力和氢 键4种作用力。前三种统称范德华力。 44 2固定液 固定液有几百种，根据固定液的化学结构 、官能团性质、固定液