氣相色譜流動相的柱色譜儀器分析方法

氣相色譜流動相的柱色譜儀器分析方法第1頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五色譜法從上個世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)以后，一直用液體作流動相，直到50年代才有科學(xué)家首次用氣體作流動相，成功地創(chuàng)建了GC法.GC法的創(chuàng)立是色譜發(fā)展史上的一次飛躍。它從經(jīng)典LC簡單柱層析分離，發(fā)展成精密的儀器分析，不僅能高效分離，還能高靈敏度定量。由于他們對色譜法的巨大貢獻(xiàn)，1952年獲得了諾貝爾獎。第一臺GC儀的問世是在1956年，GC儀至它誕生以來，不負(fù)眾望，成為了一種應(yīng)用非常廣泛，非常重要的分析儀器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保、化工、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)業(yè)、體育、公安等各個領(lǐng)域。

第一節(jié)概述

第2頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

GC法在預(yù)防醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用也非常廣泛，空氣檢測、水質(zhì)分析、食品檢驗、生物檢測等都要用GC法，對空氣、水、食品和生物制品中毒物、污染物進(jìn)行定量測定。因衛(wèi)生試樣一般成分復(fù)雜，干擾物多，待測組分含量微，尤其需要用GC法，先分離，再定量，分離、定量一次完成。如：蔬菜、水果中農(nóng)藥殘留量分析。食品中VK1和VK2的分析。GC同時具有兩種功能：高效分離

高靈敏度定量

第3頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五一.GC法的分類

g----L色譜（GLC)（分配色譜）

g----s色譜（GSC)(吸附色譜）固定相種類多填充柱色譜特點易制備（i.d.3---6mm)柱容量大

毛細(xì)管柱色譜特點分離效能高（i.d.0.1---0.5mm)柱成品化

GC法柱色譜第4頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

二.GC法特點

1.分離效能高、速度快成分復(fù)雜，難分離的樣品，能在短時間內(nèi)一次分離、測定，出峰時間一般在1~十幾分鐘。如：進(jìn)一針汽油樣（低鏈烷烴混合物），可出20多個峰。可分別定量。

2.選擇性好結(jié)構(gòu)相似、極性相近的組分，能彼此分開。如：測定鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯混合物。再如：測定白酒中甲醇，甲醇和乙醇可彼此分開。

第5頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五3.樣品用量少

進(jìn)樣幾ng或幾pg,進(jìn)樣體積0.1~幾uL,適用于痕量組分分析。4.靈敏度高檢出限：10-11~10-14g檢測下限：10-9~10-12g

適用于微量、痕量組分分析5.應(yīng)用范圍廣g——L——S態(tài)均可分析有機物、無機物均可分析多數(shù)小分子有機物→直接分析難揮發(fā)、易分解的→穩(wěn)定衍生物→分析

無機物→金屬氯化物、金屬螯合物、硅酯衍生物→分析氣態(tài)無機物→直接分析

第6頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五氣路系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)分離系統(tǒng)檢測系統(tǒng)記錄及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三.氣相色譜法的分析流程GC儀載氣瓶流量計汽化室色譜柱檢測器放大器

記錄儀

溫控

溫控微機方框流程圖：第7頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五GC模擬流程圖鋼瓶

鋼瓶減壓閥凈化器針型閥轉(zhuǎn)子流量器壓力表進(jìn)樣器檢測器色譜柱放大器數(shù)據(jù)處理機溫控裝置第8頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五第9頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五第10頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五四.氣相色譜法的分離過程在一定柱溫，分配達(dá)平衡：

K=Cl/CgK小

tR

↓

快先出柱

K大

tR↑

慢后出柱造成差速遷移

利用混合物中各組分物理化學(xué)性質(zhì)差異使其彼此分離。

溶解吸附X(g)X(l)X(g)X(s)

揮發(fā)解吸

(gl色譜)(gs色譜)第11頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

五.氣相色譜圖及常用術(shù)語

色譜圖——組分產(chǎn)生的電信號隨t變化的曲線。

色譜峰——曲線上突出部分，在完全分離的情況下，每一個峰代表一個組分。色譜峰可用三項參數(shù)來描述：

保留值（表示峰的位置）——定性色譜峰峰面積A,峰高h(yuǎn)（表示峰的大?。繕?biāo)準(zhǔn)偏差區(qū)域?qū)挾龋ū硎痉宓膶捳┓鍖扺半峰寬W1/2

tR進(jìn)樣tMW1/2Wb4h/2h空氣峰信號時間圖色譜流出曲線第12頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五1.基線（baseline)——僅載氣通過檢測器時產(chǎn)生的響應(yīng)信號曲線?；€穩(wěn)定基線漂移噪聲小噪聲大儀器靈敏度↑，噪聲↑

第13頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五2.保留值（可用t或V表示，一般多用時間表示）（1）死時間（deadtime)tM——不被固定相滯留的組分從進(jìn)樣到出峰最大值所需時間。（即：不和固定相作用組分隨載氣流經(jīng)柱空隙所需時間。或組分分配在流動相的時間）測定：測空氣或甲烷的tR

tMtR第14頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五（2）保留時間tR(retentiontime)——組分從進(jìn)樣到出峰最大值所需時間。（3）調(diào)整保留時間tR’——組分被固定相滯留所需時間。即：和固定相作用所需時間。關(guān)系式：tR=tM+tR’

或

tR’

=

tR-

tM即：tR包括組分被固定相滯留和不被固定相滯留所需時間總和。（4）相對保留值rij（relativeretentiontime)——在相同操作條件下兩組分的調(diào)整保留值之比。第15頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

作用：定性,它表示色譜柱對兩組分的選擇性。ris=1，兩峰重合，無選擇性；ris1，兩峰頂分開，有選擇性。ris比1愈大，選擇性愈好，所以叫選擇性因子。ris只與組分、固定相性質(zhì)、溫度有關(guān)，其他條件變化時（如：載氣流速、固定相填充疏密等對tR有影響），對t′R1、t′R2影響相同，其比值不變。對某兩組分來說，固定相、柱溫一定，rjs為常數(shù)?？啥ㄐ浴５?6頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五tR進(jìn)樣tMW1/2Wb4h/2h空氣峰信號時間圖色譜流出曲線3、峰面積和峰高——定量定量常用A，峰很窄時可用h，否則誤差大。第17頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

4、區(qū)域?qū)挾?/p>

峰寬W——過峰的拐點做切線，與峰底相交兩點間距離；半峰寬W1/2——1/2h處的峰寬（易測量，常用）標(biāo)準(zhǔn)偏差——0.607h峰寬之半（拐點）（峰服從正態(tài)分布）即：兩拐點間距離為2，W0.0607h=2；tR進(jìn)樣tMW1/2Wb4h/2h空氣峰信號時間圖色譜流出曲線0.607h2第18頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五的大小表示組分經(jīng)分離后流出色譜柱的分散程度，越大，流出組分越集中。色譜峰：對稱峰、拖尾峰、前沿峰原因：與組分、固定相性質(zhì)、操作條件、進(jìn)樣量、進(jìn)樣技術(shù)有關(guān)第19頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五5、容量因子k（分配比）k與保留值的關(guān)系：

組分在固定相保留時間組分在流動相保留時間

即：k為組分在分離過程中，因被固定相滯留所需時間是完全不與固定相作用流經(jīng)色譜柱所需時間的倍數(shù)。第20頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

k，tR’，被固定相滯留作用,

峰越寬（柱效)；k，組分在固定相相對質(zhì)量，柱容量。在完全分離的前提下，峰越窄越好。

k的值應(yīng)適當(dāng)，即固定液用量適當(dāng)。k太小，柱容量太小，分離效果差k太大，tR

，峰變寬，柱效。第21頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

第二節(jié)氣相色譜基本理論GC的基本理論主要有塔板理論和速率理論，塔板理論解決柱效能問題，提出柱效能指標(biāo)；速率理論解決影響柱效能的諸因素問題，可作為選擇最佳色譜條件的理論指導(dǎo)。下面分別介紹。GC法的功能之一是分離，怎樣才能衡量分離效果？哪些因素影響分離效果？怎樣選擇色譜條件以達(dá)到高效分離呢？這就要以GC理論作指導(dǎo)。第22頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

一、塔板理論

1952年，Martin等人提出了塔板理論,此理論是借用了分餾過程的塔板理論。第23頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五第24頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五第25頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

此理論是借用了分餾過程的塔板理論，把色譜過程比作分餾過程，把色譜柱比作分餾塔，用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。塔板理論是一種半經(jīng)驗理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線呈正態(tài)分布。樣品混合在一個塔板內(nèi)，g——l達(dá)到平衡，然后被載氣帶到下一個塔板，經(jīng)過多個塔板，多次分配平衡，各組分彼此分開，因塔板數(shù)很多（103——106），所以各組分的k值即使有微小差別，也能彼此分開。第26頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

H=理論板高n=理論塔板數(shù)ΔV=一個板體積

模型：設(shè)想色譜柱由許多小室構(gòu)成，一個小室為一個理論塔板，每塊塔板內(nèi)一部分空間被涂在擔(dān)體上的固定相占據(jù)，其余空間充滿載氣，載氣在一個塔板內(nèi)占據(jù)的體積為一個板體積，一個理論塔板的高度為理論板高（H），塔板的數(shù)目為理論塔板數(shù)（n)?；炯僭O(shè)：（1）載氣按前進(jìn)方向脈沖式經(jīng)過色譜柱，每次一個小室，即，脈沖式進(jìn)氣，一次一個V；（2）組分在一個塔板內(nèi)，g——l瞬間達(dá)平衡，其k恒定（不隨C變化）；（3）進(jìn)樣到第一塊塔板，縱向擴(kuò)散忽略。

GL

H

1、塔板模型及基本假定第27頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五用塔板模型和基本假設(shè)討論分配過程：設(shè)n=5，k=1，m=1（ug）

進(jìn)樣1.000ugN=0平衡0.5000.500進(jìn)氣0.500N=10.500平衡0.2500.2500.2500.250進(jìn)氣0.2500.250N=20.2500.250平衡0.1250.1250.1250.1250.1250.125第28頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五繼續(xù)間歇進(jìn)氣，瞬間達(dá)平衡。當(dāng)N=5時，柱口開始有組分流出，N=8—9時，流出濃度最大。色譜峰為一不對稱峰（原因n太?。粼O(shè)n>50，可得對稱流出曲線。實際GC分析中，n=103—106，且是連續(xù)進(jìn)氣，流出曲線為正態(tài)分布曲線。第29頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五2、柱效能指標(biāo)n、H

根據(jù)呈正態(tài)分布的色譜流出曲線可以導(dǎo)出計算塔板數(shù)n的公式：理論塔板數(shù)：理論板高：有效塔板數(shù)：有效板高：用扣除tM的tR’計算neff能真實反映柱效能高低。注意：計算時分子，分母單位需一致，都用時間單位（min）或都用長度單位（mm、cm)第30頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五柱效能評價：柱長一定，n或neff，H、Heff，柱效；同一組分，tR一定，峰越窄（w、w1/2），柱效，峰窄，兩組分不易重疊；同一柱子對不同組分的柱效能不同（n不同）。

tR、tR’進(jìn)樣時可測出，w、w1/2由色譜圖可量得，由此，可計算出n、H、neff、Heff，進(jìn)而可進(jìn)行柱效能評價。第31頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五計算實例：1.用GC法分析苯、甲苯混合物。苯tR=

1.25min甲苯tR=3.64minw1/2=0.10minw1/2=0.18mintM=0.36minL=2m。求：n有效、H有效解：苯n有效=5.54(tR’/w1/2)2

=5.54()2=438H有效=2000/438=4.56(mm)甲苯n有效=5.54()2=1840H有效=2000/1840=1.09(mm)第32頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五neff甲苯>neff苯同一色譜柱，對不同組分的n不同.2.柱長2m，tM=0.30min，組分tR=4.5min,w=1.8mm，記錄儀紙速5mm/min，求：n有效、H有效。解：w==0.36minn有效=16()2=2178H有效=2000/2178=0.92(mm)第33頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五3.塔板理論的貢獻(xiàn)與缺點塔板理論的意義和最大貢獻(xiàn)在于它提出了n，H兩個柱效能指標(biāo)，并導(dǎo)出了計算n，H的公式，可計算n，H，用它們可以評價柱效能，另外能解釋色譜峰形狀符合正態(tài)分布。但該理論是在理想情況下導(dǎo)出的，未考慮分子擴(kuò)散因素、其它動力學(xué)因素對柱內(nèi)傳質(zhì)的影響。因此它不能解釋：峰形為什么會擴(kuò)張？影響柱效的動力學(xué)因素是什么？第34頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五三、速率理論（Ratetheory）

1956年，荷蘭化學(xué)工程師vanDeemter提出了色譜過程動力學(xué)速率理論，吸收了塔板理論中的板高H概念，考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過程，從而給出了vanDeemter方程：u為流動相線速度；A，B，C為常數(shù)，其中A—分別表示渦流擴(kuò)散系數(shù)；B—分子擴(kuò)散系數(shù)；C—傳質(zhì)阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質(zhì)阻力系數(shù)）。

該式從動力學(xué)角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各種因素！任何減少方程右邊三項數(shù)值的方法，都可降低H，從而提高柱效。第35頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五1.渦流擴(kuò)散項(Multipathterm,A)

在填充柱中，由于受到固定相顆粒的阻礙，組份在遷移過程中隨流動相不斷改變方向，形成紊亂的“渦流”：從圖中可見，因填充物顆粒大小及填充的不均勻性——同一組分運行路線長短不同——流出時間不同——峰形展寬。

展寬程度以A表示：A=2dp其中dp—填充物平均直徑；—填充不規(guī)則因子。

減小A項擔(dān)體粒度小，均勻（80~100目，100~120目）

填充均勻

空心毛細(xì)管柱，無渦流擴(kuò)散，即A=0。流動方向第36頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五2.分子擴(kuò)散項(Longitudinaldiffusionterm,B/u)組分進(jìn)樣后象塞子一樣塞在柱的一端，然后隨載氣向前移動，隨載氣前進(jìn)的同時，組分有從高濃度向低濃度擴(kuò)散的趨勢，即縱向擴(kuò)散，

使譜峰展寬。其大小為：B=2D—稱為彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對自由分子擴(kuò)散的阻礙情況；D—組分在流動相中的擴(kuò)散系數(shù)。組份為氣體或液體時，分別以Dg或Dm表示；第37頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

討論：

分子量大的組分，Dg小，即B小Dg隨柱溫升高而增加，隨柱壓降低而減小；流動相分子量大，Dg小，即B小；

u增加，組份停留時間短，縱向擴(kuò)散小；（B/u）

對于液相色譜，因Dm較小，B項可勿略。減小B項:球狀顆粒；大分子量流動相；適當(dāng)增加流速；短柱；低溫。第38頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五3.傳質(zhì)阻力項(Mass-transferterm,Cu)傳質(zhì)——組分在g—l兩相中擴(kuò)散分配的過程。傳質(zhì)阻力（resistancetomasstransfer）——影響這一過程進(jìn)行的阻力。傳質(zhì)阻力項C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cs和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl。氣相傳質(zhì)阻力：組分由氣相擴(kuò)散到氣液界面進(jìn)行分配時的所受到的阻力。液相傳質(zhì)阻力:組分從氣液界面擴(kuò)散至固定液內(nèi)部，達(dá)到平衡后再返回氣液界面的傳質(zhì)過程中所受到的阻力。

顆粒直徑固定液膜厚度組分在氣相擴(kuò)散系數(shù)組分在液相擴(kuò)散系數(shù)第39頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五流動相固液界面固定液組分分子ClCg液膜厚：Cl起主要作用，Cg可忽略液膜?。篊g起主要作用第40頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

因傳質(zhì)阻力的存在，使分配不能“瞬間”達(dá)至平衡、有些組分分子來不及進(jìn)入液相就被載氣帶走，出現(xiàn)超前現(xiàn)象；有些組分分子進(jìn)入液相，因被固定相滯留，延遲返回氣相，出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，因此造成峰形展寬。

第41頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五減小C·μ項：

減小填充顆粒直徑dp,即,用小顆粒固定相；采用分子量小的流動相，使Dg增加；減小液膜厚度df，Cl下降。（但此時k又減小。因此，當(dāng)保持固定液含量不變時，可通過增加固定液載體的比表面來降低df）。適當(dāng)增加柱溫，可增加Dl，即，柱溫不易太低，否則Dl小，C；μ不易太大。

第42頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

范氏方程綜合了使峰擴(kuò)張、影響柱效能（H）的諸因素，（柱的填充均勻程度、擔(dān)體粒度、載氣種類、載氣流速、固定液膜厚度、柱溫等），通過選擇色譜條件，使上述各項減小，從而使H，柱效.但有些因素之間有矛盾之處，如:提高載氣流速可減小分子擴(kuò)散，但同時傳質(zhì)阻力項增大；升高柱溫有利于組分傳質(zhì)，但又使分子擴(kuò)散增加。所以要相互兼顧，不能顧此失彼。

第43頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)氣相色譜柱

色譜柱的功能是分離組分，在氣相色譜分析中，各組分能否完全分離，除了與選擇的操作條件是否適當(dāng)有關(guān)外，更主要的是取決于色譜柱，關(guān)鍵是固定相。色譜柱分為兩大類：

填充柱：不銹鋼、玻璃ⅰ.d.2～6nm，長1～4m毛細(xì)管柱：ⅰ.d.0.1～0.5mm，長30～300m

一、固定相的類型及要求1、固體固定相——固體吸附劑——分離永久性氣體，低b.p.氣態(tài)烴。tR短，出峰快，∴用吸附能力強的對固體吸附劑的要求：①有較大比表面﹥200m2/g②有較好的選擇性③有良好的熱穩(wěn)定性 ④有一定機械強度第44頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五常用：分子篩類如：GDX—301，401，501。硅膠氧化鋁碳質(zhì)類：活性炭、石墨化碳黑、碳分子篩缺點：吸附活性不均勻，定量重復(fù)性差2、液體固定相——涂在載體表面的固定液固定液種類多，選擇余地大，和組分作用力較強，分離效果好，應(yīng)用多，∴GC柱絕大部分是用涂有固定液擔(dān)體作固定相。（1）專用色譜載體（擔(dān)體support）——負(fù)載固定液的惰性多孔固體顆粒。

作用：支撐固定液，提供大而惰性的表面。第45頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五要求：

①比表面適當(dāng)（1~20m2)，由合適的表面能

②孔結(jié)構(gòu)合理，利與組分在氣液兩相傳質(zhì)交換。③表面惰性好、熱穩(wěn)定相好④有一定機械強度，顆粒均勻、小第46頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五種類：①硅藻土（常用）

紅色擔(dān)體：硅藻土+粘合劑，900℃煅燒，紅為Fe2O3顏色。

白色擔(dān)體：煅燒時加助溶劑Na2CO3,Fe→鐵硅酸鹽（無色）。

②氟擔(dān)體（耐腐蝕）常用：聚四氟乙烯微球

③玻璃微球、高分子多孔微球常用紅色、白色擔(dān)體性能：

機械強度比表面孔徑表面惰性紅色擔(dān)體好大小差白色擔(dān)體差小大好紅色擔(dān)體分析非極性、弱極性組分白色擔(dān)體分析極性、非極性均可。第47頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五擔(dān)體預(yù)處理

目的：除去或減弱擔(dān)體表面的吸附活性中心，否則與組分作用，造成拖尾峰。

預(yù)處理方法：①酸洗除Fe2O3等分析酸性物質(zhì)。堿洗除表面Al2O3等分析堿性物質(zhì)。②硅烷化去活性，覆蓋活性中心

③釉化K2CO3—Na2CO3溶液侵泡后煅燒，表面玻璃化，屏蔽表面活性中心，堵住微孔。④物理覆蓋如鍍銀等。

第48頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五（2）固定相——涂在擔(dān)體表面的高沸點有機物室溫：液態(tài)或固態(tài)操作溫度：液態(tài)

要求：①選擇性好對沸點、極性、結(jié)構(gòu)相近的組分溶解度不同，在柱中tR不同。②極性適當(dāng)對組分有一定溶解度。③化學(xué)穩(wěn)定性好只溶解不反應(yīng)。④揮發(fā)性小熱穩(wěn)定性好，在擔(dān)體表面附著力較強，高溫不易流失，不分解，柱壽命長。⑤液態(tài)粘度小（否則傳質(zhì)阻力大，分析速度慢）。

分類、選擇：極性用P表示，規(guī)定非極性角鯊?fù)镻=0，極性最強的

’—氧二丙晴P=100,其它極性與之相比，得出相對數(shù)值：第49頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五P級別極性固定液分離組分流出順序0-1非角鯊?fù)榈蚥.p.—先出1～20+1弱SE—30,OV—1非極性,弱極性高b.p.—后出20～40+2弱OV—1740～60+3中等OV—101中等極性b.p.差別大按b.p.順序磷酸三甲酚酯其它極性b.p.差別小按極性順序60～80+4強OV—401極性小—先極性大—后80～100+5強聚乙二醇、OV—501強極性極性小—先100+5強

’—氧二丙晴極性大—后

（氫鍵型）含O.N.F.X等

易形成氫鍵的組分氫鍵弱—先氫鍵強—后第50頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五3、合成固定相（新型）

特點①高分子多孔微球適應(yīng)性廣、峰對稱、穩(wěn)定性高、不易流失、柱容量大、粒度均勻、機械強度好、耐腐蝕②球形多孔硅膠比表面種類多、選擇余地大、機械強度好、高溫穩(wěn)定、作但體涂漬量大③化學(xué)鍵合固定相熱穩(wěn)定性好、基本無流失、峰對稱、傳質(zhì)速度快組分能否分離完全，除控制合適的色譜條件外，關(guān)鍵在固定相的選擇。根據(jù)“相似相溶”的原則選擇固定相，以分離完全為最佳選擇。第51頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五流出順序：（考慮空間位阻和形成氫鍵力）NH2CH3、

NH(CH3)2、

聚乙二醇

N(CH3)3如：分離苯、環(huán)己烷，b.p.81℃80℃均為弱極性苯環(huán)己烷

強極性易極化，產(chǎn)生瞬時偶極固定相選擇實例：

如：分離NH2CH3NH(CH3)

N(CH3)3，可選形成氫鍵的固定相。第52頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五三、填充拄的制備

1、選擇、清洗材料：不銹鋼、玻璃步驟：熱酸或堿洗水洗有機溶劑洗（甲醇或已醇）吹氮氣（△干燥）。若不太臟，可只用有機溶劑洗，然后吹氮氣，干燥。長度：根據(jù)分離難易2、選固定相3、制備柱填料固體吸附劑：篩分選一定篩分范圍的干燥活化第53頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五液體固定相涂固定液按配比稱固定液；用適當(dāng)溶劑溶解；加擔(dān)體（不用玻棒，易損壞固定液膜，手搖動三角瓶或回餾）；紅外燈干燥4、裝柱抽氣法要求：（緊密）、均勻5、老化目的固定液均勻；除去剩余溶劑及揮發(fā)性物質(zhì)。方法：高于柱溫5—10C或比固定液最高使用溫度稍低，通載氣，放空（柱尾端放空，不接檢測器），老化8—24小時，直到接檢測器后基線平穩(wěn)。

第54頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

第四節(jié)氣相色譜檢測器檢測器是氣相色譜儀的另一重要的組成部分，其作用是把從色譜柱流出的各組分的含量變化轉(zhuǎn)變成可測量的電信號（電流或電壓）變化，由記錄儀記錄下來，進(jìn)行定量和定性分析。濃度型檢測器：測量載氣中組分濃度的瞬間變化。輸出的響應(yīng)信號：單位濃度組分所產(chǎn)生的電壓值。（TCD、ECD為濃度型檢測器）質(zhì)量型檢測器：測量單位時間內(nèi)載氣攜帶組分進(jìn)入檢測器的質(zhì)量。輸出的響應(yīng)信號：單位時間內(nèi)進(jìn)入的組分質(zhì)量（FID、FPD、N—P為質(zhì)量型檢測器。）要求：響應(yīng)快、靈敏度高、敏感度好（檢測限低）、線性范圍寬。第55頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五評定檢測器性能的技術(shù)指標(biāo)主要有靈敏度S、敏感度D和線性范圍等。

一、性能指標(biāo)

1、靈敏度（sensitivitys）——單位量物質(zhì)通過檢測器產(chǎn)生信號的大小。（即：通過檢測器的物質(zhì)量變化△Q時響應(yīng)信號的變化率。）

Sc(mv.ml/mg)表示每ml流動相中含1mg某物質(zhì)通過檢測器時產(chǎn)生信號的毫伏數(shù)。

Sm(mv.s/g)表示每秒有1g某物質(zhì)通過檢測器時產(chǎn)生信號的毫伏數(shù)。檢測器的R—Q關(guān)系圖第56頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五相同量的不同物質(zhì)在同一檢測器上的S不同。如：相同量苯、甲苯在FID上的信號不同，苯信號大、甲苯信號小。相同量的同一物質(zhì)在不同檢測器上的S不同。S沒考慮噪聲水平：峰高相同假設(shè)兩者S相同，實際前者更敏感檢測限低。第57頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

∴只用S不能全面評價檢測器性能好壞，還需引進(jìn)D?！逽可通過敏度按扭任意提高（放大），但S↑，噪聲↑測定效果并沒有提高?！嘣赟相同的條件下，噪聲↓，檢測器越敏感，測定效果越好，所以又引出檢測限。

2、檢測限（detectability、D）

質(zhì)量型：產(chǎn)生二倍噪聲信號時，單位時間進(jìn)入檢測器的物質(zhì)量。

濃度型：產(chǎn)生二倍噪聲信號時，隨單位體積載氣進(jìn)入檢測器的組分的量。 第58頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五通常認(rèn)為恰能與噪聲相鑒別的響應(yīng)信號至少應(yīng)等于檢測器噪聲的兩倍。敏感度D定義為：

式中，N為檢測器的噪聲，指在沒有試樣通過檢測器時基線波動的毫伏數(shù)；S為檢測器的靈敏度。從公式可見，靈敏度越大，噪聲越小，則敏感度值越小，即檢出限越低，所以要降低儀器的檢出限，一方面需要提高儀器靈敏度，同時還要盡量降低噪聲水平。

第59頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

幾種常用檢測器的敏感度：

TCDD＝2×10-5mg/mlFIDD=2×10-12g/sECDD=2×10-14g/mlFPDD=10-12g/s(測磷)D=10-11g/s(測硫)在實際分析時用：最小檢測量—產(chǎn)生二倍噪聲信號時所需最小進(jìn)樣量。最小檢測濃度—產(chǎn)生二倍噪聲信號時的最小進(jìn)樣量所對應(yīng)的組分濃度。顯然，敏感度D表示的是檢測器性能的好壞；而最小檢出量除與檢測器性能有關(guān)外，還與色譜柱的柱效率和操作條件有關(guān)。第60頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五3、線性范圍（binearityrange）—檢測信號與被測物質(zhì)的量呈線性的濃度范圍表示方法：檢測上限/檢測下線;最大允許進(jìn)樣量/最小允許進(jìn)樣量不同檢測器的線性范圍不同:

如：熱導(dǎo)池105氫焰107電子捕獲104左右火焰光度:測磷104，測硫102不同物質(zhì)在同一檢測器上的線性范圍也不同。

4、響應(yīng)時間—組分進(jìn)入檢測器到產(chǎn)生信號所需t。響應(yīng)越快，檢測器性能越好?；€漂移—基線隨t定向緩慢變化。對檢測器的要求：靈敏度高、檢測限低（敏感度好）線性范圍寬、噪聲小、基線漂移小，響應(yīng)快、性能穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣、安全。第61頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五二、常用檢測器常用的檢測器有：1.熱導(dǎo)檢測器(Thermalconductivitydetector,TCD);2.氫火焰離子化檢測器(Flameionizeddetector,FID);3.電子捕獲檢測器(Electroncapturedetector,ECD);4.火焰光度檢測器(Flamephotometricdetector,FPD);5.氮磷檢測器（NPD）也稱熱離子檢測器(Thermionicdetector,TID)

由于熱導(dǎo)檢測器靈敏度較低，而衛(wèi)生分析中一般被分析物質(zhì)含量都很低，所以應(yīng)用不多，這里不作介紹。第62頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

2.火焰離子化檢測器（FID）——質(zhì)量型

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(zhì))的檢測。原理：含碳有機物在H2-Air火焰中燃燒產(chǎn)生碎片離子，在電場作用下形成離子流，根據(jù)離子流產(chǎn)生的電信號強度，檢測被色譜柱分離的組分。

第63頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

結(jié)構(gòu)：主體為離子室，內(nèi)有石英噴嘴、發(fā)射極(極化極，此圖中為火焰頂端)和收集極。

FID主要結(jié)構(gòu)如圖所示:123放大器記錄儀50～300VH2Air接色譜柱圖火焰離子化檢測器結(jié)構(gòu)示意圖1.收集極2.發(fā)射極3.火焰第64頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五第65頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

工作過程：來自色譜柱的有機物與H2-Air混合并燃燒，產(chǎn)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(jīng)放大后測量電流信號（10-12A）。

2100oC氫火焰100～300V放大有機物————正離子，電子————I微——記錄

電離電場（高壓）（離子流）

第66頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

機理：有關(guān)機理并不十分清楚，但通常認(rèn)為是化學(xué)電離過程，有機物燃燒產(chǎn)生自由基，自由基與O2作用產(chǎn)生正離子，再與水作用生成H3O+。以苯為例：

CnHm

nCH（自由基）

CH+O2

CHO++eCHO++H20H3+O+COCHO+，H3+O，e在高壓電場中定向移動I微I微的大小與單位時間進(jìn)入檢測器的組分的質(zhì)量有關(guān)，是質(zhì)量型檢測器。第67頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五操作條件選擇及注意事項：N2作載氣靈敏度較高，柱分離效果好。氣流量對靈敏度影響大，較佳流速：H2N2空氣=11510（此時火焰溫度高，有機物離子化程度高，噪聲小，基線平穩(wěn)）控制溫度：比柱溫高50C左右，防止組分、水蒸汽在檢測器冷凝，污染檢測器，應(yīng)經(jīng)常清洗收集極。另外，要注意安全，氫氣鋼瓶一定要用氫氣發(fā)生器或?qū)Ｓ娩撈?，氫氣管路不能漏氣?/p>

第68頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

當(dāng)沒有有機物通過檢測器時，火焰中的離子極少（只是由氣體中雜質(zhì)及流失的固定液在火焰中離解產(chǎn)生的離子），這時形成的微電流稱為基始電流（基流）。通過觀察是否有基流產(chǎn)生，來判斷氫火焰是否點燃。特點：靈敏度高（10-12g/s）、線性范圍寬（107）、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用：痕量有機物分析（在高溫火焰中電離）無機物不響應(yīng)（在高溫火焰中不電離）第69頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五3.電子捕獲檢測器(ECD)

ECD主要對含有較大電負(fù)性原子的化合物響應(yīng)。它特別適合于環(huán)境樣品中鹵代農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯等微量污染物的分析。

結(jié)構(gòu)：放射源：Ni63或H3，無火焰加熱，不用H2、空氣。

圖電子捕獲檢測器第70頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

原理及工作過程：

從色譜柱流出的載氣(N2或Ar)被ECD內(nèi)腔中的放射源電離，形成次級離子和電子(此時電子減速)，在電場作用下，離子和電子發(fā)生遷移而形成電流(基流)。當(dāng)含較大電負(fù)性有機物被載氣帶入ECD內(nèi)時，將捕獲已形成的低速自由電子，生成負(fù)離子，此時，基流下降形成“倒峰”。負(fù)離子再與載氣正離子復(fù)合成中性分子，流出檢測器。第71頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五載氣進(jìn)入檢測器：

放射線N2——N2++e（e在電場定向移動形成基流）含電負(fù)性基團(tuán)進(jìn)入檢測器：（含X，S，P，O，N等元素）

AB

＋

eAB-＋E（捕獲e，基流下降，形成倒峰）

AB-+N2+

AB+N2（出檢測器）

隨單位N2進(jìn)入檢測器的組分的量越大，倒峰（信號）越大，所以是濃度型檢測器。第72頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五操作條件及注意事項：

載氣：高純N29999%，（否則O2捕獲電子，基流下降，將倒峰掩蓋，組分不出峰）

放射源：Ni63，使用溫度350C以下，t1/285年H3使用溫度180C以下，t1/2125年

防止放射污染氣路密閉尾氣用聚四氟乙烯管引至室外，高空排放

特點:高靈敏度D=10-14g/ml高選擇性含強電負(fù)性元素的組分有響應(yīng)線性范圍104

應(yīng)用：測含X，P，N，O等元素的有機毒物，藥物等。如：測有機氯，有機磷，氨基甲酸酯類農(nóng)藥第73頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五4.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(nóng)藥殘留物分析等。FPD結(jié)構(gòu)：

噴嘴+濾光片+光電管。

第74頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

富氫火焰含S或P有機物_——S或P碎片

燃燒

特征光394nm526nm聚光，濾去雜光

光電信增管

光信號電信號放大

記錄原理：待測物在低溫H2-Air焰中燃燒產(chǎn)生S、P化合物的分解產(chǎn)物并發(fā)射特征分子光譜。測量光譜的強度則可進(jìn)行定量分析。第75頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

操作條件及注意事項：富氫火焰，H2流量大，O2H2=12~5檢測器溫度在出峰好的前提下，盡量別控制太高，否則影響靈敏度硫，磷不能同時測，需更換濾光片

特點：高選擇性，對含硫，磷的物質(zhì)有較強響應(yīng)信號。高靈敏度，測P，D=10-12g/s，測S，D=10-11g/s。

線性范圍:測P104，測S102

應(yīng)用：含痕量S、P污染物分析如：含S的氨基甲酸酯類農(nóng)藥，有機磷農(nóng)藥的殘留分析。第76頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

5.氮磷檢測器（NPD）

也叫熱離子檢測器（TID）。NPD的結(jié)構(gòu)與FID類似，只是在H2-Air焰中燃燒的低溫?zé)釟庠俦灰还杷徙滊姛犷^加熱至600~800oC，從而使含有N或P的化合物產(chǎn)生更多的離子，使檢測靈敏度提高。

第77頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五結(jié)構(gòu)原理：

結(jié)構(gòu)與FID檢測器相似，在FID基礎(chǔ)上改進(jìn)的。FID檢測器火焰噴嘴與收集集之間放一銣珠（RbSiO2）（堿金屬化合物），用白金架支托。氮磷檢測器示意圖1．色譜柱出口；2．氫氣；3．空氣；4．噴嘴；5．銣球；6．收集極；7．點火器；8．放大器第78頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

在銣珠表面加熱、分解Rb含N（P）化合物————————

CN——CN-+Rb+冷焰，銣珠電加熱+e

Rb+在電場中定向移動，移向收集極，使原信號（C，H產(chǎn)生的信號）增強。第79頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

操作條件及注意事項：H2，Air流量小，H2圍繞銣珠形成冷焰（火焰溫度低）H2：5~20ml/minAir：100~200ml/min銣珠加熱器，電加熱，H2燃燒不完全應(yīng)通風(fēng)好。銣珠有一定使用壽命，加熱溫度不易太高。固定液不能含-CN，少量揮發(fā)進(jìn)入檢測器會出峰

特點：高選擇性測含N，P化合物高靈敏度比FPD檢測下限高1個數(shù)量級：10-13g/s

應(yīng)用：含N，P的農(nóng)藥殘留測定，如有機磷農(nóng)藥，氨基甲酸酯類農(nóng)藥。測痕量含N，P的藥物及代謝產(chǎn)物。以上講了GC檢測器。一種組分，一個樣品（含1個或多個組分）可能多個檢測器都能測，選一個靈敏度高，選擇性好的檢測器。第80頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

第五節(jié)氣相色譜分離操作條件的選擇氣相色譜法的功能之一是分離，是否能達(dá)到好的分離效果，關(guān)鍵在分離條件的選擇，應(yīng)選擇最佳色譜條件，使樣品中各組分彼此分開且柱效高。如何評價分離效果呢？n,H——柱效能指標(biāo)，可反映峰寬窄，n，H峰越窄，但不能反映組分能否分開。峰窄，但選擇性不一定好。r21——柱選擇性指標(biāo)，反映峰的相對位置，但也不能反映兩組分能否分開，選擇性好，但若峰很寬也分不開。僅考慮單一因素，均不能說明兩組分能否分離，要將柱效和選擇性兩因素綜合考慮。分離度（R）就是綜合考慮上述兩因素的分離效能指標(biāo)，它是評價分離效果的依據(jù)。第81頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五tRtR1tR2W1W2信號時間圖分離度示意圖第五節(jié)氣相色譜分離操作條件的選擇一、分離效能指標(biāo)——分離度兩組分在色譜柱中分離的好壞，取決于這兩個組分的色譜峰之間的距離和色譜峰的峰寬。只有當(dāng)兩色譜峰之間的距離較大，其峰形較窄時，兩組分才有良好的分離。如圖。第82頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五2（tR（2）-tR（1））反映柱選擇性（峰相對位置）R=———————（W1+W2）反映柱效能（峰寬窄）1、分離度（resolution

R

）——定量描述兩組分的分離程度由上式：當(dāng)R=1時，tR=W=4，由統(tǒng)計學(xué)方法證明，分離達(dá)98%。R=15，tR=6分離達(dá)997%，分離完全。R=15——兩組分完全分離的標(biāo)志（此時最短tR）若兩峰靠近，可假設(shè)W1=W2

（tR（2）-tR（1））R=——————W2第83頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五2、R與柱效能n，柱選擇性r21及柱容量k的關(guān)系由R，n，nef的公式，令W1=W2，可導(dǎo)出：

（柱效項）（選擇性）（柱容量項）討論：

n柱效能，即n，R

柱長，n，但tR，峰擴(kuò)散。

選擇合適操作條件，使H，n。

r21柱選擇性，即r21，R，選合適的固定液，使r21k柱容量，即k，Rk太大，傳質(zhì)阻力大，tR，峰擴(kuò)散。（增加固定液用量）k太小，柱容量小，R小，k2~7合適。

第84頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五n，r21，k對R的影響由下圖可看出：R小,因n小,柱效低提高R:改變色譜條件,提高柱效R大,因n大,r21大

R大,因r21很大提高R:增大u,使n增大增加柱溫,出柱快,n增大R小,因柱容量小提高R:增加固定液用量第85頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五由nef關(guān)系式，可算出R=15，r21為一定值時的nef，由nef所需L柱長（完全分離所需柱長），下面講計算實例：例：在一根1m的柱上分離組分，tR分別為45mm，49mm，tM=5mm,W1=W2=5mm（1）求：R，neff2，Heff2（2）

求：若要完全分離所需柱長

解:(1)上式還可表示為：第86頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五（在H不變情況下，增加L）第87頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

二、分離條件的選擇由分離度公式可知，要想得到滿意的分離度，應(yīng)該有較大的相對保留值r21和適當(dāng)大的分配比k，因此固定相或固定液的選擇就是關(guān)健。另外要使n大（H小），柱效高，還需以范氏方程為依據(jù)，選擇合適的分離操作條件。選擇原則：以范氏方程為指導(dǎo)，分離度為指標(biāo)，在較短t內(nèi)完全分離為目的。第88頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

1、色譜柱的選擇

（1）填充柱不銹鋼柱：機械強度好，易吸附，催化玻璃柱：易碎，玻璃壁不易吸附、催化組分

特點：柱容量較大（可控制固定液用量）填料（固定相）選擇范圍寬（非中極）易自行制備

固定相：固體吸附劑——分析氣體樣品固定液——分析除氣體外的其它樣品

第89頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五

擔(dān)體粒度：粒度小，篩分范圍窄（80~100）（100~120），固定液和組分極性相似。

配比：3%~5%，液膜薄，柱效高，但固定液用量不易太少，否則覆蓋不完全，造成：擔(dān)體裸露部分吸附組分，出現(xiàn)不對稱峰，柱效。k，柱容量小，柱效。載樣量小，進(jìn)樣量少要求檢測器靈敏度高。

柱長：1~6m，常用15~30m，在分離完全的前提下盡可能用短柱，否則t長，峰擴(kuò)散。

柱內(nèi)徑：2~6mm。

（2）

毛細(xì)管柱：分離效能很高，產(chǎn)品已成品化，不能自制，價格較貴，分離難分離的樣品。第90頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五2、載氣

載氣種類：N2，H2，氦氣（He），氬氣（Ar）主要用N2

載氣流速：根據(jù)范氏方程

H=A+B/+C以H對作圖第91頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五由圖可看出，當(dāng)〈最佳時，隨，H，柱效，波動會引起H較大改變.實際分析時實際稍大于最佳雖柱效稍有，但波動引起的H的變化較小。

求最佳，H最小當(dāng)范氏方程一階導(dǎo)數(shù)等于0時：第92頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五3、工作溫度

進(jìn)樣器溫度：一般控制在組分平均沸點或略高于平均沸點，以保證組分在瞬間汽化，因組分進(jìn)樣量很微，僅1l左右，所以也可控制在略低于其沸點。

檢測器溫度：與進(jìn)樣器溫度大致相同，若為同一加熱器，溫度完全相同。溫度不宜太低，否則組分在檢測器冷凝，污染檢測器，影響靈敏度。

柱溫及操作方式：溫度影響柱的分離效能。

一般柱溫比進(jìn)樣器，檢測器溫度低30C~70C

柱溫上限〈固定液最高使用溫度，否則固定液揮發(fā)，流失，柱壽命

TC，B/項；TC，C·項

在組分完全分離，tR適當(dāng)，峰形好的前提下，盡量降低柱溫。第93頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五柱溫控制恒溫：樣品組分少，沸點相近程序升溫：樣品復(fù)雜，沸程寬（bp80C~100C），分離效果好程序升溫方式線性升溫——單位時間升溫速度相等非線性升溫（分階升溫）在一定初溫維持一定時間，然后按一定升溫速率升至一定溫度，在維持一定時間，每一次升溫為一階。

第94頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五恒溫：45oC程序升溫：30~180oC恒溫：145oC溫度低，低沸點組分分離效果好，但高沸點組分出不來程序升溫，分離效果好，且分析時間短溫度高，分析時間短，但分離效果差程序升溫與恒溫對分離的影響比較1.丙烷(--42“C)2.丁烷(一O．5℃)3.戊烷(36℃)4.己烷(68℃)5.庚烷(98℃)6.新烷(126“C)7.溴仿(150．5℃)8.間氰甲苯(161．6℃)

9.間溴甲苯(183"C)第95頁，共118頁，2023年，2月20日，星期五4、進(jìn)樣進(jìn)樣量：少。在能準(zhǔn)確定量前提下，盡