南京科捷丨化學(xué)實驗室必備：氣相色譜法基礎(chǔ)知識！
用氣體作為流動相的色譜法稱為氣相色譜法。根據(jù)固定相的狀態(tài)不同，又可將其分為氣固色譜和氣液色譜。
氣固色譜是用多孔性固體為固定相，分離的主要對象是一些永久性的氣體和低沸點的化合物。但由于氣固色譜可供選擇的固定相種類甚少，分離的對象不多，且色譜峰容易產(chǎn)生拖尾，因此實際應(yīng)用較少。
氣相色譜多用高沸點的有機化合物涂漬在惰性載體上作為固定相，一般只要在450℃以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽壓且熱穩(wěn)定性好的有機及無機化合物都可用氣液色譜分離。由于在氣液色譜中可供選擇的固定液種類很多，容易得到好的選擇性，所以氣液色譜有廣泛的實用價值。
第一節(jié) 氣相色譜儀
(一）氣相色譜流程
氣相色譜法用于分離分析樣品的基本過程如下圖：
氣相色譜過程示意圖
由高壓鋼瓶1供給的流動相載氣。經(jīng)減壓閥2、凈化器3、流量調(diào)節(jié)器4和轉(zhuǎn)子流速計5后，以穩(wěn)定的壓力恒定的流速連續(xù)流過氣化室6、色譜柱7、檢測器8，最后放空。
氣化室與進樣口相接，它的作用是把從進樣口注入的液體試樣瞬間氣化為蒸汽，以便隨載氣帶入色譜柱中進行分離，分離后的樣品隨載氣依次帶入檢測器，檢測器將組分的濃度（或質(zhì)量）變化轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)放大后，由記錄儀記錄下來，即得色譜圖。
（二）氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)
氣相色譜儀由五大系統(tǒng)組成：氣路系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)以及檢測和記錄系統(tǒng)。
1.氣路系統(tǒng)
氣相色譜儀具有一個讓載氣連續(xù)運行、管路密閉的氣路系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以獲得純凈的、流速穩(wěn)定的載氣。它的氣密性、載氣流速的穩(wěn)定性以及測量流量的準(zhǔn)確性，對色譜結(jié)果均有很大的影響，因此必須注意控制。
常用的載氣有氮氣和氫氣，也有用氦氣、氬氣和空氣。載氣的凈化，需經(jīng)過裝有活性炭或分子篩的凈化器，以除去載氣中的水、氧等不利的雜質(zhì)。流速的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定是通過減壓閥、穩(wěn)壓閥和針形閥串聯(lián)使用后達到。一般載氣的變化程度。
2.進樣系統(tǒng)
進樣系統(tǒng)包括進樣器和氣化室兩部分。
進樣系統(tǒng)的作用是將液體或固體試樣，在進入色譜柱之前瞬間氣化，然后快速定量地轉(zhuǎn)入到色譜柱中。進樣的大小，進樣時間的長短，試樣的氣化速度等都會影響色譜的分離效果和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。
（1）進樣器
液體樣品的進樣一般采用微量注射器。
氣體樣品的進樣常用色譜儀本身配置的推拉式六通閥或旋轉(zhuǎn)式六通閥定量進樣。
（2）氣化室
為了讓樣品在氣化室中瞬間氣化而不分解，因此要求氣化室熱容量大，無催化效應(yīng)。為了盡量減少柱前譜峰變寬，氣化室的死體積應(yīng)盡可能小。
3. 分離系統(tǒng)
分離系統(tǒng)由色譜柱組成。色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細管柱。
（1）填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內(nèi)裝固定相，一般內(nèi)徑為2 ~ 4mm，長1 ~ 3 m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。
（2）毛細管柱又叫空心柱，分為涂壁、多孔層和涂載體空心柱。
空心毛細管柱材質(zhì)為玻璃或石英。內(nèi)徑一般為0.2 ~ 0.5mm，長度30 ~ 300m，呈螺旋型。
色譜柱的分離效果除與柱長、柱徑和柱形有關(guān)外，還與所選用的固定相和柱填料的制備技術(shù)以及操作條件等許多因素有關(guān)。
4. 控制溫度系統(tǒng)
溫度直接影響色譜柱的選擇分離、檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性。控制溫度主要制對色譜柱爐、氣化室、檢測室的溫度控制。色譜柱的溫度控制方式有恒溫和程序升溫二種。
對于沸點范圍很寬的混合物，一般采用程序升溫法進行。程序升溫指在一個分析周期內(nèi)柱溫隨時間由低溫向高溫作線性或非線性變化，以達到用最短時間獲得最佳分離的目的。
5.檢測和放大記錄系統(tǒng)
（1）檢測系統(tǒng)
根據(jù)檢測原理的差別，氣相色譜檢測器可分為濃度型和質(zhì)量型兩類。
濃度型檢測器測量的是載氣中組分濃度的瞬間變化，即檢測器的響應(yīng)值正比于組分的濃度。如熱導(dǎo)檢測器（TCD）、電子捕獲檢測器（ECD）。
質(zhì)量型檢測器測量的是載氣中所攜帶的樣品進入檢測器的速度變化，即檢測器的響應(yīng)信號正比于單位時間內(nèi)組分進入檢測器的質(zhì)量。如氫焰離子化檢測器（FID）和火焰光度檢測器（FPD）。
（2）記錄系統(tǒng)
記錄系統(tǒng)是一種能自動記錄由檢測器輸出的電信號的裝置。
第二節(jié)氣相色譜固定相
氣相色譜固定相可分為液體固定相和固體固定相兩類。
一、液體固定相
液體固定相是將固定液均勻涂漬在載體而成。
（一）固定液
1. 對固定液的要求
固定液一般為高沸點的有機物，能做固定相的有機物必須具備下列條件：
第一，熱穩(wěn)定性好，在操作溫度下，不發(fā)生聚合、 分解或交聯(lián)等現(xiàn)象，且有較低的蒸汽壓，以免固定液流失。通常，固定液有一個“最高使用溫度”。
第二，化學(xué)穩(wěn)定性好，固定液與樣品或載氣不能發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。
第三，固定液的粘度和凝固點低，以便在載體表面能均勻分布。
第四，各組分必須在固定液中有一定的溶解度，否則樣品會迅速通過柱子，難于使組分分離。
2. 固定液和組分分子間的作用力
固定液為什么能牢固地附著在載體表面上，而不為流動相所帶走？為什么樣品中各組分通過色譜柱的時間不同？這些問題都涉及到分子間的作用力。前者，取決于載體分子與固體分子間作用力的大小；后者，則與組分、固定液分子相互作用力的不同有關(guān)。
分子間的作用力是一種極弱的吸引力，主要包括靜電力、誘導(dǎo)力、色散力和氫鍵力等。
如在極性固定液柱上分離極性樣品時，分子間的作用力主要是靜電力。被分離組分的極性越大，與固定液間的相互作用力就越強，因而該組分在柱內(nèi)滯留時間就越長。
又如存在于極性分子與非極性分子之間的誘導(dǎo)力。
由于在極性分子永久偶極矩電場的作用下，非極性分子也會極化產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩。它們之間的作用力叫誘導(dǎo)力。極性分子的極性越大，非極性分子越容易被極化，則誘導(dǎo)力就越大。當(dāng)樣品具有非極性分子和可極化的組分時，可用極性固定液的誘導(dǎo)效應(yīng)分離。例如，苯（B.P.80.1℃）和 環(huán)己烷（ B.P.80.8℃）沸點接近，偶極矩為零，均為非極性分子，若用非極性固定液卻很難使其分離。但苯比環(huán)己烷容易極化，故采用極性固定液，就能使苯產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩，而在環(huán)己烷之后流出。固定液的極性越強，兩者分離得越遠。
3. 固定液的分類
目前用于氣相色譜的固定液有數(shù)百種，一般按其化學(xué)結(jié)構(gòu)類型和極性進行分類，以便總結(jié)出一些規(guī)律供選用固定液時參考。
（1）按固定液的化學(xué)結(jié)構(gòu)分類
把具有相同官能團的固定液排在一起，然后按官能團的類型不同分類，這樣就便于按組分與固定液“結(jié)構(gòu)相似”原則選擇固定液時參考。
（2）按固定液的相對極性分類
極性是固定液重要的分離特性，按相對極性分類是一種簡便而常用的方法（固定液的相對極性測定方法及常用固定液的相對極性）。
4. 固定液的選擇
在選擇固定液時，一般按“相似相溶”的規(guī)律選擇，因為這時的分子間的作用力強，選擇性高，分離效果好。
在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際情況并按如下幾個方面考慮：
第一，非極性試樣一般選用非極性固定液。非極性固定液對樣品的保留作用，主要靠色散力。分離時，試樣中各組分基本上按沸點從低到高的順序流出色譜柱；若樣品中含有同沸點的烴類和非烴類化合物，則極性化合物先流出。
第二，中等極性的試樣應(yīng)首先選用中等極性固定液。在這種情況下，組分與固定液分子之間的作用力主要為誘導(dǎo)力和色散力。分離時組分基本上按沸點從低到高的順序流出色譜柱，但對于同沸點的極性和非極性物，由于此時誘導(dǎo)力起主要作用，使極性化合物與固定液的作用力加強，所以非極性組分先流出。
第三，強極性的試樣應(yīng)選用強極性固定液。此時，組分與固定液分子之間的作用主要靠靜電力，組分一般按極性從小到大的順序流出；對含有極性和非極性的樣品，非極性組分先流出。
第四，具有酸性或堿性的極性試樣，可選用帶有酸性或堿性基團的高分子多孔微球，組分一般按相對分子質(zhì)量大小順序分離。此外，還可選用極性強的固定液，并加入少量的酸性或堿性添加劑，以減小譜峰的拖尾。
第五，能形成氫鍵的試樣，應(yīng)選用氫鍵型固定液，如腈醚和多元醇固定液等。各組分將按形成氫鍵的能力大小順序分離。
第六，對于復(fù)雜組分，可選用兩種或兩種以上的混合液，配合使用，增加分離效果。
（二）載體
載體是固定液的支持骨架，使 固定液能在其表面上形成一層薄而勻的液膜。載體應(yīng)有如下的特點：
第一，具有多孔性，即比表面積大；
第二，化學(xué)惰性且具有較好的浸潤性；
第三，熱穩(wěn)定性好；
第四，具有一定的機械強度，使固定相在制備和填充過程中不易粉碎。
1.載體的種類及性能
載體可以分成兩類：硅藻土類和非硅藻土類。
硅藻土類載體是天然硅藻土經(jīng)煅燒等處理后而獲得的具有一定粒度的多孔性顆粒。按其制造方法的不同，可分為紅色載體和白色載體兩種。
紅色載體因含少量氧化鐵顆粒而呈紅色。其機械強度大，孔徑小，比表面積大，表面吸附性較強，有一定的催化活性，適用于涂漬高含量固定液，分離非極性化合物。
白色載體是天然硅藻土在煅燒時加入少量碳酸鈉之類的助熔劑，使氧化鐵轉(zhuǎn)化為白色的鐵硅酸鈉。白色載體的比表面積小，孔徑大，催化活性小，適用于涂漬低含量固定液，分離極性化合物。
2.硅藻土載體的預(yù)處理
普通硅藻土載體的表面并非完全惰性，而是具有硅醇基（Si-OH），并有少量的金屬氧化物。因此，它的表面上既有吸附活性，又有催化活性。如果涂漬的固定液量較低，則不能見個其吸附中心和催化中心完全遮蓋。用這種固定相分析樣品，將會造成色譜峰的拖尾；而用于分析萜烯和含氮雜環(huán)化合物等化學(xué)性質(zhì)活潑的試樣時，有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和不可逆吸附，為此，在涂漬固定液前，應(yīng)對載體進行預(yù)處理，使其表面鈍化。
常用的預(yù)處理方法有：
（1）酸洗（除去堿性基團）；
（2）堿洗（除去酸性基團）；
（3）硅烷化（消除氫鍵結(jié)合力）；
（4）釉化（表面玻璃化、堵微孔）。
二、氣固色譜固定相
用氣相色譜分析永久性氣體及氣態(tài)烴時，常采用固體吸附劑作固定相。在固體吸附劑上，永久性氣體及氣態(tài)烴的吸附熱差別較大，故可以得到滿意的分離。
1.常用的固體吸附劑
主要有強極性的硅膠，弱極性的氧化鋁，非極性的活性炭和特殊作用的分子篩等。
2.人工合成的固定相
作為有機固定相的高分子多孔微球是人工合成的多孔共聚物，它既是載體又起固定相的作用，可在活化后直接用于分離，也可作為載體在其表面涂漬固定液后再使用。
由于是人工合成的，可控制其孔徑的大小及表面性質(zhì)。
如圓柱型顆粒容易填充均勻，數(shù)據(jù)重線性好。在無液膜存在時，沒有“流失”問題，有利于大幅度程序升溫。這類高分子多孔微球特別適用于有機物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、腈類和胺類的分析。
高分子多孔微球分為極性和非極性兩種：
（1）非極性的是由苯乙烯、二乙烯苯共聚而成。
（2）極性的是苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入極性基團。
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