第二章 气相色谱法ppt课件.ppt

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1、Gas Chromatography,GC,第二章 气相色谱分析法,基本要求：,1、了解色谱法的分类，掌握色谱流出曲线和相关术语；,2、掌握色谱分析的基本原理；,3、理解柱效率的物理意义及其计算方法；,4、理解速率理论方程对实际分离的指导意义；,5、掌握分离度的计算方法以及影响分离度的重要色谱参数；,6、理解固定相及重要操作条件选择的原则；,7、理解常用检测器原理、优缺点及适用范围；,8、掌握常用定性方法和定量方法的优缺点。,第一节 概述,第二节 色谱理论基础,第三节 气相色谱法,色谱法是一种分离方法。它的特点是：有两相，一是固定相，一是流动相，两相作相向运动。将色谱法用于分析中，则称为色谱分

2、析。,-集富集、分离和检测于一体的高自动化、高选择性和高灵敏度的分析方法,一、色谱法简介,二、色谱法的分类,第一节 概述, 1931年，德国库恩（Kuhn)利用色谱法分离研究维生素和胡萝卜素，获1938年诺贝尔化学奖 1940年，马丁（Martin) 和辛格(Synge)提出液相分配色谱法，固定相是吸附在硅胶上的水，流动相：某种有机溶剂。1941年，马丁（Martin) 和辛格(Synge)提出用气体代替液体作流动相的可能性。,石油醚,1、色谱法发展历史,一、色谱法简介, 1903年俄国植物学家茨维特分离植物色素发明色谱原型装置。 -起名Chromatography,1944年，Consden

3、 提出纸色谱。,1949年，Macllean Al2O3中加入淀粉粘合剂，薄层色谱。,1952年，James, Martin发表了从理论到实践均比较完整的气液色谱方法而获得1952年诺贝尔化学奖。,1957年，Golay 提出开管柱气相色谱。,1956年，Van Deemter 提出色谱过程速率理论。,1965年，Giddings 总结、扩展了前人的色谱理论为色谱的发展奠定了理论基础。,60年代，高压泵和化学键合固定相用于液相色谱，高效液相色谱（HPLC）,80年代初，毛细管超临界流体色谱（SFC）得到发展，Jorgenson 毛细管电泳（CIE）.,90年代，毛细管电色谱（集HPLC、CIE

4、的优点）。,19371972年，15年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的。,气相色谱技术的发展,1948年， 8天分离16种氨基酸的色谱图,1958年， 22小时分离19种氨基酸的色谱图,1982年,约30 分钟分离18种氨基酸的色谱图,2、色谱法的装置,石油醚,色谱柱：,固定相：,流动相：,填装有固定相的玻璃管或金属管,在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的一相。,与固定相处于平衡状态、带动样品向前移动的另一相。,色谱法具有：分离作用 分析作用,（又称色层法或层析法）,利用物质在两相中的分配系数的微小差异，当互不相溶的两相做相对运动时，被测物质在两相之间进行连续多次分配，这样原来微小的分

5、配差异被不断放大，从而使各组分得到分离的方法。,3、色谱法的定义,色谱法,4.分离原理,(2)当两相作相对运动时样品各组分在两相中反复多次受到各种作用力的作用，从而使混合物中各组分获得分离。,(1)利用物质在两相中的分配系数（由物理化学性质：溶解度、吸附能力、离子交换能力或其它亲和能力等决定）的微小差异,二、色谱分类,1、按流动相、固定相的物理状态分类,色谱类型,流动相,气体,气相色谱法（GC）,固定相,固体,气-固色谱法,液体,气-液色谱法,液体,液相色谱法（LG）,固体,液-固色谱法,液体,液-液色谱法,超临界流体,超临界流体色谱法（SFC）, 分类依据： 两相状态，分离机理，固相容器形状

6、,三、气相色谱分离过程及有关术语,气相色谱是以气体（此气体称为载气）为流动相的柱色谱分离技术,（一）气相色谱法,(二)气相色谱分离过程,以A、B二组分混合物为例，用图示的方法表示二组分在色谱柱中的分离过程,在图中：,A：,B：,载气,进样（混合物）,色谱柱,检测器,记录仪,A,B,A,（三） 色谱图及有关术语,1、色谱图,（色谱流出曲线）,色谱分析过程所得到的检测信号随时间变化的曲线,图 色谱流出曲线,2、常用术语,基线：无试样（单纯流动相），通过检测器时检测到的信号即为基线。,色谱峰 色谱流出曲线突起部分 峰形对称（呈高斯分布）,.峰高 峰顶点-基线垂直距离,保留值,保留值通常用时间、距离或

7、用将组分带出色谱柱所需流动相的体积来表示。,保留值用来衡量试样中各组分在色谱柱中保留行为的量度。,在一定的固定相和操作条件下，任一物质都有一确定的保留值。,故：保留值是定性分析的重要参数,（1）保留时间（tR）：某组分通过色谱柱所需时间即组分从进样到出现色谱峰最大值时所需的时间。,（2）死时间（tM ）：不与固定相作用的物质（不保留）如空气，从进样到出现其色谱峰最大值时所需的时间。,（3）调整保留时间(tR ) tR= tRtM 意义：等于样品在固定相中的停留时间。,试样从进样到出现峰极大点时所通过的流动相的体积（mL）.,（4）保留体积（VR）：,VR = tRF0,（F0 载气的流量mL/

8、min),（5）死体积（VM）:不被保留的组分通过色谱柱所需的载气的体积（mL）。,（6）调整保留体积（VR ）：扣除死体积后的保留体积（mL）,VM = tM F0 （F0为流动相流速）,实际指色谱柱中未被固定相占据的体积即色谱柱内流动相的体积。,V R = VR VM,（7）相对保留值r21：,组分2与组分1调整保留值之比： r21 = tR2 / tR1= VR2 / V R1,它与流动相的流速和色谱柱的物理指标无关；仅与柱温和固定相的性质有关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。,选择因子a,定义与相对保留值(r21)基本相同,不同之处在于选择性系数是两个相邻峰的调整保留值之比（后峰比

9、前峰，a1），而不是被测物与标准物质的调整保留值之比（可小于1）,它是评价固定液选择性的指标。选择性系数越大，该柱对此相邻峰的分离越好。,色谱峰的区域宽度：,用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法：,（1）标准偏差()：,即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半,（2）半峰宽(Y1/2或W1/2)：,色谱峰高一半处的宽度 Y1/2 =2.35 ,（3）峰底宽(Y或Wb)：,总结：,利用色谱图可以解决下列问题：,（1） 样品中所含组分的最少个数,（2） 保留值-定性分析,（3） 色谱峰面积（或峰高）-定量分析,（4） 色谱峰的保留值和区域宽度-评价色谱柱的分离效能,（5） 根据相邻色谱峰之间的距离

10、来选择合适的色谱分离条件,第二节 色谱理论基础,色谱理论,色谱过程中的热力学因素,塔板理论,色谱过程中的动力学因素,速率理论,分离条件的最优化问题分离条件优化,一、塔板理论,（一） 分配平衡,组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。,1. 分配系数K,在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度比，称为分配系数，用K 表示，即：,K 只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。,(Distribution constant),分配系数 K的讨论,试样一定时，K主要取决于固定相性质一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；每个组份在各种固定相上的

11、分配系数K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。,2、分配比k,（容量因子）,(Partition ratio or capacity factor),3、分配比与分配系数,分配比k与分配系数K的关系为：,分配比越大，保留时间越长。 可由保留时间计算出分配比，两者有以下关系：,相对保留值r21或,选择性因子,与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关。,r21表示了固定相对这两种组分的选择性。,（） r21 =1，两个组分的色谱峰必将重合，不能分离,( 2 ) r21越大，则分离得越好,（二） 塔板

12、理论,塔板理论把气液色谱柱当作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念描述溶质在两相间的分配行为，并引入理论塔板数（the number of theoretical plates）N和理论塔板高度（theoretical plate height）H作为衡量柱效的指标。,根据塔板理论，溶质进入柱入口后，即在两相间进行分配。对于正常的色谱柱，溶质在两相间达到分配平衡的次数在数千次以上，最后，挥发度最大（保留最弱）的溶质最先从塔顶（色谱柱出口）逸出（流出），从而使不同挥发度（保留值）的溶质实现相互分离。,色谱分离过程,当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附。 随着载气的不断通入，

13、被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附， 挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附。 随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。,2. 结论,色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：n，,理论塔板数与色谱参数之间的关系为：,则三者的关系为：,n = L / H,有效塔板数和有效塔板高度,单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 组分在t0时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：,3.塔板理论的特点：,(1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数

14、越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。 (2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。 (3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数 K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。 (4)塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。,n = L / H,塔板数n多，理论塔板高小，柱效能高，色谱峰窄。,因而n或H是描述柱效能的一个重要指标,塔板理论:,4 塔板理论的贡献,塔板理论有助于我们形象的理解色谱的分离过程。导出色谱流出曲线方程，它符合高斯分布，与实验现象相吻合。导出理论塔板数的计算公式，作为柱效的评价

15、指标。,5 塔板理论的局限,塔板高度H是一个抽象的物理量，它的色谱本质是什么？它与哪些参变量有关，又怎样影响峰的扩张？对实验的指导意义有限。不能解释流速对理论塔板数的影响。有些假设不合理，如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等。,在实验中，如何比较不同色谱柱的柱效？,在相同的实验操作条件下，用同一物质通过不同色谱柱，根据所得的色谱峰分别计算出neff , neff越大，则柱效能越高,思考：,某人制备了一根色谱柱，用组分，为测试样测得该柱的理论塔板数为和，因而推断和组分在该柱上一定能得到很好的分离，该推断正确吗？,思考：,答：不正确。,？,因为塔板数n多，只能说明柱效能高，色谱峰窄；不能判断二组分

16、是否能被分离,怎样判断二组分能否被色谱柱分离？,二、 速率理论,速率方程（也称范第姆特Van Deemter方程式）,1956年荷兰学者范第姆特（van Deemter)等提出了色谱过程的动力学理论。,H = A + B/u + Cu,H：理论塔板高度,u：流动相流速,控制流动相流速，减小A、B、C三项可提高柱效,A、B、C为常数,运用流体分子规律研究色谱过程中产生色谱峰扩展的因素，导出了理论塔板高度与流动相线速度的关系，揭示了影响塔板高度的动力学因素。,1. 涡流扩散项A,A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不均匀因子,固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，A，H， 柱效n

17、表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻， 色谱峰较窄。但dp，同时引起柱流阻增加,H = A + B/u + Cu,1、使用适当小颗粒和粒度均匀的填充物；,为了减少涡流扩散，提高柱效的有效途径：,2、使填充物均匀而紧密的填充在柱中,涡流扩散项A 由不等路径造成的色谱峰扩展。由于柱填料粒径大小不同，粒度分布范围不一致及填充的不均匀，形成宽窄、长短不同的路径，因此流动相沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动，有些溶质分子沿较窄且直的路径运行，以较快的速度通过色谱柱，发生分子超前，反之，有些分子发生滞后，从而使色谱峰产生扩散。,2. 分子扩散项B/U,B = 2 Dg ：弯曲因子，表示固定相对分子扩散的阻

18、碍作用。 Dg：试样组分分子在流动相（气相）中的扩散系数。,分子扩散导致色谱峰变宽，H(n)，柱效变差。分子扩散项B/U与流速有关，流速，滞留时间，扩散 扩散系数：Dg （M载气）-1/2 ； M载气，B值 ; T， Dg ,B分子扩散系数,减少分子扩散B/U ，提高柱效的有效途径：,1、使用分子量较大的载气；,2、采用较高的载气线速度,3、控制柱温,分子扩散项 由于分子的纵向扩散造成的色谱峰扩展。即由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以塞子的形式存在于色谱柱的很小一段空间中，由于在塞子前后存在浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散，引起色谱峰扩展。,即大流速、低柱温、相对分子质量大的载气,3

19、.传质阻力项Cu 传质阻力系数C, 组分在气相和液相两相间进行反复分配时，遇到阻力。,传质阻力系数包括气相传质阻力系数Cg 和液相传质阻力系数Cl 。 即： C =（Cg + Cl）,传质阻力分为： 气相传质阻力 液相传质阻力,气相传质阻力项Cg 试样组分从气相移动到固定相表面的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子随流动相向前运动，发生分子超前，引起色谱峰扩展。,容量因子,粒度小、相对分子质量小的载气、高柱温,液相传质阻力项CL 试样组分从固定相表面移动到固定相内部的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。

20、在此过程中，部分组分分子先离开固定相表面，发生分子超前，引起色谱峰扩展。,液相扩散系数,液膜厚度,增加担体的比表面积、高柱温,减少传质阻力Cu，提高柱效的有效途径：,1、使用分子量较小的载气；,2、采用较低的载气线速度,3、控制柱温,气相色谱中的速率方程,速率方程给我们的什么启示？,为柱型的研究和发展提供理论依据为操作条件的选择提供理论指导为色谱柱的填充提供理论指导,对柱型研究和发展的影响（1）,A=0?Golay1957年提出毛细管柱的概念（opentube）毛细管柱A=0，H=B/u+CuH，N，分离能力大大提高,对柱型研究和发展的影响（2）,B=0?溶质在液体中的扩散系数DL10-5cm

21、2/s溶质在气体中的扩散系数Dg10-1cm2/sDL Dg当采用液体作流动相时 B0液体作流动相时可用更细的固定相，A HPLC柱效比GC要高23个数量级,4载气流速对塔板高度的影响,H= A + Bu + Cu,（1）对于一定的色谱柱和试样有一最佳流速，使柱效最高。,曲线的最低点，塔板高度H最小，柱效最高，其相应的流速是最佳流速uopt。,对该式微分：,H = A + B/u + Cu,(2) 分子扩散项和传质阻力项对塔板高度的贡献,u较低时，分子扩散项B/u是影响H的主要因素。,u较高时，传质阻力项Cu是影响H的主要因素,宜采用分子量较大的载气,宜采用分子量较小的载气,u/cm.s-1,

22、H,Hmin,uopt,B/u,最佳条件,A,图 各项因素对板高H的影响,Cu,对色谱柱的填充提供理论指导（1）,柱径：柱径越小，固定相越难填充均匀。柱长L：柱长增加，总塔板数增加，但分离时间将增加。固定相粒径dp：根据速率方程，粒径减小，A项减小，C项减小，柱效增加。但粒径太小，不易填充均匀，A项又增大。,对色谱柱的填充提供理论指导（2）,液膜厚度df：从柱效角度考虑，液膜越薄，柱效越高（根据速率方程），但允许的进样量减小。固定液与担体的配比一般在5:100-25:100之间，但现在更低配比的固定相也应用广泛。更重要的是：不同沸点的物质，应采用不同配比的固定相。,5. 速率理论的要点,(2)

23、通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。,H = A + B/u + Cu,(1) 速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响,(3) 各种因素相互制约，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。,影响谱带扩展的其他因素,非线性分配色谱载体表面活性吸附中心造成的拖尾柱外效应色谱柱外引起色谱峰扩展的因素：如进样系统及进样方式、系统连接管、检测器死体积，检测器响应时间常数等因素引起的谱带宽展。,三、分离度,总分离效能指标,选择性 K, k, 柱 效 n,色谱分离中的四种典型情况, 分离效果差，柱效低，选择性（ ）低 完全分离，柱效高，峰窄

24、，选择性（ ）低 ；完全分离，选择性（ ）增加，柱效低，峰宽完全分离，柱效高，选择性（）好,R 1.0：两峰部分重叠；R =1.0：分离程度98%，基本分离；R =1.5：分离程度达99.7% ， 完全分离。,. 分离度定义式,R =1.5是相邻两峰完全分离的标志。,R1,. 色谱基本分离方程式,要改善物质对的分离（提高R），即提高两相邻物质的分离度，可以采取以下措施：,提高柱效n 提高选择性系数 增大容量因子k,分离度与柱效的关系,当固定相确定，被分离物质对的r21确定后，分离度将取决于neff。,讨论：,说明较长的柱可以提高分离度，但延长了分析时间。因此提高分离度的好方法是制备出一根性能优

25、良的柱子，通过降低板高H，以提高分离度。,对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即,例：,某二组分在1m长的色谱柱上初试分离，所得分离度为1, 要使二组分完全分离，则柱长至少应为多少米？,解：,分离度与容量因子的关系,分离度与容量因子有关，容量因子越大，分离越好。 k 1 3 5 7 9 11 13 k/k+1 0.50 0.75 0.83 0.88 0.90 0.92 0.93 1.00但当容量因子大于10，k/(k+1)的改变不大，而分析时间将大大延长。因此，k的最佳范围是1k10。,改变容量因子的方法有：,改变柱温改变相比，即改变固定相的量和改变柱死体积，其中死体积对k/(k

26、+1)的影响很大，使用死体积大的柱子，分离度将受到很大损失。在高效液相色谱中改变流动相的配比是最简便、最有效的方法,越大，分离效果越好。增大是提高分离度最有效的手段。 改变柱温也可改变。 因此在气相色谱中，增大最有效的手段是改变固定相，选择合适的固定相种类是解决分离问题的关键在高效液相色谱中，流动相的种类和配比是改善分离最简便有效的方法。,分离度与相对保值（r21）的关系,在实际中，基本色谱分离方程式是很有用的公式，它将柱效、选择性、分离度三者的关系联系起来了，知道其中两个指标，就可计算出第三个指标。,3基本色谱分离方程式的应用,例：有一根 lm长的柱子，分离组分1和2得到如图的色谱图。图中横

27、坐标l为记录笔走纸距离。若欲得到 R=12的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？,解：先求出组分2对组分1的相对保留值r2，1,求若使R=1.2,所需塔板数可计算,即,因此,欲使分离度达到1.2,需有效塔板数为2788块,则所需柱长为 L=2788/13291m=2.25m,neff16（0.8）21.1/(1.1-1)21239,例： 已知一色谱柱在某温度下的速率方程的A=0.08cm; B=0.65cm2/s; C=0.003s, 求最佳线速度u和最小塔板高H.,解:,欲求 u最佳和H最小,要对速率方程微分,即 dH/dud(A+B/u+Cu)/du-B/u2+C0最佳线速: u

28、最佳(B/C)1/2最小板高: H最小A+2(BC)1/2,可得：u最佳(0.65/0.003)1/214.7cm/s H最小0.08+2(0.650.003)1/20.17cm,例： 已知物质A和B在一个30.0cm柱上的保留时间分别为16.40和17.63分钟.不被保留组分通过该柱的时间为1.30分钟.峰宽为1.11和1.21mm,计算: (1) 柱分辨本领;(2) 柱的平均塔板数目;(3) 塔板高度;(4) 达到1.5分离度所需的柱长度;(5) 在较长柱上把物质B洗脱所需要的时间.,解: (1) R=2(17.63-16.40)/(1.11+1.21)=1.06 (2) nA=(16.4

29、0/1.11)2=3493 nB=16(17.63/1.21)2=3397 nav=(3493+3397)/2=3445=3.44103 (3) H=L/n=30.0/3445=8.70810-3cm =8.7110-3cm (4) n2=34452.25/1.124=6.90103 源于(n1/n2=R1/R2)2 L=nH=6.901038.7110-3=60.1cm (5) tr2=tr1(R2/R1)2=17.631.52/1.062 =35.3分钟,规律： 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难分离物质对的分离度大小受色

30、谱过程中两种因素的综合影响： 保留值之差选择性色谱过程的热力学因素； 区域宽度柱效色谱过程的动力学因素。 提高 n 和 r21 是提高分离度的有效途径 k的范围 1 k 10, R，n， r21 R ，n， r21 R ，n ， r21 R ，n ， r21 ,4、分离操作条件的选择,（1）载气及其流速的选择,对van Deemter方程求导得到在流速为 ，柱效最高， 当u较小时，B/u占主要，此时选择分子量大的载气，使组分的扩散系数小； 当u较大时，Cu占主要，此时选择分子量小的载气，使组分的扩散系数小，减 小传质阻力项Cu。,根据速率方程，可计算求出最佳流速，此时柱效最高。在实际工作中，为

31、缩短分析时间，往往使流速稍高于最佳流速。 具体的：对于填充柱，氮气的实用最佳线速为10-15cm/s；氢气为15-25cm/s；氦气介于两者之间。若填充柱内径为4mm，则体积流速为氮气30-40ml/min，氢气40-60ml/min。,流动相（载气）种类,流动相的种类要视检测器种类确定。常用的有氢气（热导用）、氮气（氢火焰用）、氦气（均可用，但价格较高）。氢气和氦气适合于快速分析。氮气做载气峰型较好，柱效较高。,（2）柱温的选择,直接影响分析效能和分析速度。每一种固定液都有它的最高使用温度，柱温不可超过这一温度，否则固定液挥发流失。,柱温太高，组分挥发度靠拢，不利于分离。但柱温太低，被测组分

32、的扩散速度下降，分配不能快速达到平衡，影响峰型，柱效下降，并使分析时间大大延长。,柱温选择的原则是，在保证难分离物质有良好分离的前提下（分离度满足要求），尽可能采取较高柱温，以缩短分析时间，保证峰型对称。,混合物bp 柱温 固定液含量 300 低于bp100-200 1-3%200-300 低于bp100 5-10%100-200 平均bp的2/3 10-15%气体 室温 15-25% 吸附剂沸程范围100 程序升温,具体的,（3）固定液的性质和用量,一般而言，担体的表面积越大。固定液用量可以更高，允许的进样量也就越多。,（4）担体的性质和粒度,要求担体表面积大，表面和孔径分布均匀，且担体粒度

33、越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。通常，对填充 柱而言，粒度大小为柱内径的1/201/25为宜。,（5）进样方式和进样量,要以“塞子”的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不拖尾为宜。,液体试样一般进样量0.1-5l。 气体试样一般进样量为0.1-10ml。 具体视柱类型，固定液含量（不能超过柱容量） 、进样方式、检测器的灵敏度和线性范围等确定。,（6）气化温度,一般进样方法下，汽化温度比柱温高30-70。进样量大时高一些好，保证瞬间汽化。保证不可超过试样的分解温度。其它气化温度与具体进样方式有关。,检测器温度,一般大于或等于柱温，具体与检测器种类有关。,四 气相色谱固定相,

34、根据固定相形态的不同，将气相色谱分为气固色谱和气液色谱两类。,（一）气固色谱固定相,固体固定相包括吸附剂和聚合物两类。将其直接装入柱中就可用于分离。,1、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。,（1）常用的固体吸附剂,为有机固定相的高分子多孔微球是一类人工合成的多孔共聚物。它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。,2聚合物,高分子多孔微球分为极性和非极性两种：(i)非极性的是由苯乙烯，二乙烯苯共聚而成，如国内的GDX1型和2型，国外的Chro

35、mosorb系列等；(ii)极性的是在苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入了极性官能团，如国内的GDX 3型和4型，国外的Porapak N等。,（二）气液色谱固定相,（1）担体的作用：,为固定液提供一个大的惰性表面，以承担固定液，使它能在表面展成薄而均匀的液膜。,1、担体,由担体（载体）与固定液构成,(3)担体类型,(2)对担体的要求,比表面积大；化学惰性和热稳定性好；不能与被测物起反应；形状规则，粒度均匀，机械强度高。,硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体，它是由称为硅藻的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。,大致可分为硅藻土和非硅藻

36、土两类。,硅藻土型担体（1）,硅藻土型担体（2）,红色担体适合涂非极性固定液，分析非极性和弱极性样品。白色担体适合涂渍极性固定液，分析极性样品。适合制备低含量的固定相。担体表面的活性与去活酸洗、碱洗、硅烷化、釉化,非硅藻土型,聚四氟乙烯担体表面惰性，耐腐蚀，适合于分离强极性化合物、腐蚀性化合物。玻璃微球担体表面积小，适合于低固定液含量，适合分离高沸点、强极性化合物。,常用的气相色谱载体,(1)对固定液要求,2、固定液,固定液一般为高沸点有机物，均匀地涂在载体表面，呈液膜状态。,选择性好。,填充柱r2,11.15；毛细管柱，r2,11.08。,蒸气压小，热稳定性好可溶性好化学稳定性好黏度小,固定

37、液分类及其应用,（2）组分与固定液之间的相互作用力,静电力（定向力） u1为固定相的偶极距、u2为被测物的偶极距、K为常数、T柱温、为分子间距诱导力色散力 色散力与沸点成正比，任何物质间都有色散力氢键,对固定液的选择并没有规律性可循。一般可按“相似相溶”原则来选择。,(3)固定液的选择,*分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。,*分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。,*分离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出，极性大的后流出。,第三节 气相色谱法,（Ga

38、s chromatograph GC）,气相色谱法是以气体作为流动相的一种色谱法。,通过与其他近代分仪器联用，成为结构分析最有力的手段。,根据固定相的状态不同,又可分为:,气固色谱,气液色谱,固定相,多孔性的固体,分离的对象,主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物,高沸点的有机物涂渍在惰性载体上,如：GC/MS(气相色谱与质谱联用）,一、气相色谱仪,二、气相色谱定性与定量分析,三、毛细管柱气相色谱法,四、气相色谱分析的特点及其应用范围,一、 气相色谱仪,仪器组成部分：,气路系统,进样系统,分离系统,温控系统,检测和记录系统,气相色谱仪,气体净化装置,进样器,柱温箱,气路系统：是一个载气连续运行

39、的密闭管路系统，通过它可获得纯净，流速稳定的载气。,（一）气路系统：,其组成：,高压气瓶 减压阀 净化器 稳压器流量计,气路系统有：单柱单气路和双柱双气路,其组成：,（二）进样系统,进样器 汽化室,作用：,把样品快速而定量地加到色谱柱上端。,毛细管柱,（三）分离系统:,主要由色谱柱组成，是色谱仪的核心部件，。,作用就是分离样品,色谱柱分类：,填充柱,（1）组成：柱管 固定相 （2） 柱管：L1-3m 2-4mm （3）填充柱的形状： U型和螺旋型 （4） 材料： 不锈钢或玻璃材料,1.填充柱（Packed column）,（1）毛细管 固定相（2）柱管：L 30m-50m 0.1mm0.5mm

40、（3）材料：不锈钢，玻璃或石英（4）特点： 柱效能高和分析速度快,2. 毛细管柱（capillary column）,（四）温度控制系统,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。,控制温度主要指对色谱柱炉,气化室，检测器三处的温度控制。,色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种,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。,对于沸点范围很宽的混合物, 采用程序升温法进行分析.,将进入检测器的各组分的浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪，最后记录得到该混合样品的色谱流出曲线,（五）检测和记录系

41、统,组成：检测器 记录仪,作用：,气相色谱检测器,热导池检测器,电子俘获检测器,氢火焰电离检测器,火焰光度检测器,检测器的分类方式,根据检测原理的不同，可将检测器分为浓度型检测器：检测器的响应值与组分的浓度成正比，如TCD、ECD。质量型检测器：检测器的响应值与单位时间内进入检测器的组分的量成正比，如FID、FPD。破坏型和非破坏型检测器通用型和选择性检测器,1、热导检测器（TCD）,结构,热丝,结构：热导池（池体和热敏元件） 惠斯登电桥,原理,热导检测器是基于不同的物质具有不同的热导系数来设计的。当恒定的电流与载气通过热丝时，电压输出为零。当载气携带试样组分进入测量池时，由于被测组分与载气的

42、热导系数不同，使参比池和测量池中热丝的温度发生差异。温度变化导致热丝的电阻有差异。电阻的差异导致电桥有信号输出（电压）。,被测组分的蒸气与载气具有不同的热导系数；热敏元件阻值随温度变化而变化；利用惠斯登电桥测量,热导检测器操作条件的选择,桥电流载气种类 被测组分蒸气的热导系数与纯载气的热导系数相差越大，输出信号就越大，测量的灵敏度越高。 由于被测组分的热导系数一般较小，故应选择热导系数大的载气。 常用载气热导系数大小顺序为：H2HeN2温度：温度低好，但不能低于柱温,TCD的响应特性,通用型检测器灵敏度较低，适合于大于几十ppm组分测定 对卤化物、重金属酯响应较小浓度型检测器非破坏型检测器,2

43、、氢火焰离子化检测器 (FID),结构,原理,火焰离子化检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。,蒸气分子受激发后被离子化，在电场作用下定向运动形成离子流，然后进行放大和记录。 氢焰检测器的离子化作用机理： （发生在内层火焰中） （发生在中层火焰中）,影响检测器性能的因素,离子化效率与火焰温度、稳定性等直接相关收集效率与极化极和收集极的形状结构等密切相关与极化电压密切相关,FID操作条件的选择,气体流量载气流量 ：根据色谱柱条件选取氢气流量：用氮气作载气时，氢气与氮气

44、的流量之比为1:1-1:1.5，此时不仅灵敏度高，且稳定性好。空气流量：一般，氢气与空气流量之比为1:10。气体纯度：要求高，对基线影响很大极化电压：250V左右使用温度：大于80,FID的响应特性,选择性检测器：对大多数有机物有响应，对无机物无响应，对含硫、卤素、氧、氮、磷的有机物响应很小。质量型检测器灵敏度高，一般比热导检测器高几个数量级，能检测ppb级物质，适合于痕量分析。线性范围宽，在107以上。结构简单、价格低廉。,3、电子俘获检测器(ECD),电子俘获检测器也称电子捕获检测器，它是一种选择性很强的检测器，对具有电负性物质 (如含卤素、硫、磷、氰等的物质)的检测有很高灵敏度(检出限约

45、10-14g/mL ),实际上它是一种放射性离子化检测器，与火焰离子化检测器相似，也需要一个能源和一个电场。能源多数用63Ni或3H放射源.,结构,原理,载气电离，生成基流：电负性的组分俘获电子：负离子与载气电离产生的正离子复合：由于被测组分俘获电子，使基流降低，产生负信号，形成倒峰。组分浓度越高，倒峰越大。,ECD的工作参数,放射源：63Ni 或 3H电子收集载气的影响温度的影响,ECD的响应特性,ECD是高选择性检测器，对含电负性原子或基团的化合物有高的响应。如卤素化合物、含氧、磷、硫的有机化合物和甾族化合物、金属有机化合物及螯合物等。灵敏度高，可检测ppt级电负性物质。适合于痕量分析。线

46、性范围较窄，一般为103。响应易受操作条件的影响，重现性较差.,火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。,4、火焰光度检测器(FPD),结构,原理,含硫试样在富氢火焰下燃烧，发生下述反应：,根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，生成化学发光物质，并能发射出特征波长的光，记录这些特征光谱，就能检测硫和磷。,S原子在适当温度下生成激发态S*2，当其跃迁回基态时，发射出350-430nm的特征光谱。含磷试样以HPO*形式发射526nm的特征光谱。这些光经滤光片照射在光电倍增管上，产生光电流，经放大后信号由记录仪记录下来。,检测器操作条件的选择,载气

47、：用氦气较好，氮气的灵敏度较低。对纯度要求与氢焰检测器相当，要求富氢火焰，温度：要求高于柱温，通常高50。,响应特性,选择性好，对含磷或含硫的化合物有很高的灵敏度，对烃类及其它化合物的响应值很小。,二、气相色谱定性、定量分析,（一）定性分析,（二）定量分析,1 利用保留值及其规律定性 各物质在一定的色谱条件下均有确定不变的保留值，因此保留值可作为定性指标。利用纯物对照定性利用文献值对照定性,(一)定性分析,纯物质对照定性,实现方法利用保留时间和保留体积定性,用相对保留值定性 用已知物增加峰高法定性,应用范围：适用于简单混合物，对该样品已有了解并具有纯物质的情况。优点：应用简便，不需要其他仪器。

48、缺点：定性结果的可信度不高。提高可信度的方法：双柱、双体系定性,文献值对照定性分析 （GC）,实现方法测定相对保留值ri,s测定保留指数I 优点：无需纯物质；保留指数具有较好的重现性和精密度；只与固定相和柱温有关。缺点：对结构复杂的物质，缺乏数据。 适用范围：适用于简单混合物，无需纯物质。,2 与其它仪器或化学方法联合定性,离线联用方式化学法仪器法在线联用方式化学法仪器法,离线联用方式,收集方法：GC中一般采用液氮冷阱冷却后收集 应用范围：无标准物时，可对较为复杂的混合物进行定性分析缺点：麻烦,在线联用方式,用化学方法辅助定性柱前反应：在色谱柱前装上预处理柱，带有某些官能团的化合物在预柱中发生

49、物理化学变化，其色谱峰会消失或移动，与反应前色谱图比较，可初步判断试样中含那些官能团。柱后反应：在色谱柱后装上型毛细管分流器，将各组分导入官能团试剂反应管，利用官能团反应对组分进行定性。,与其它仪器联用定性 混合物经色谱分离后，将各组分直接由接口导入其它仪器中进行定性。常用的联用方法有：GC-MS、GC-FTIR、LC-MS 其它仪器相当于色谱仪的检测器。使用范围：复杂样品的定性。优点：不需要标准物，定性结果可信度高，操作方便。缺点：需要特殊仪器或设备。,GC-MS,1、定量分析依据：,mi=fiAi,利用被测组分的质量与色谱峰的峰面积成正比，即：,式中mi为被测组分i的质量； Ai为被测组分

50、i的峰面积； fi为被测组分i的定量校正因子,（二）定量分析,（1）准确测量检测器的响应信号 峰面积或峰高；（2）准确求得比例常数 校正因子；（3）正确选择合适的定量计算方法，将测得的峰面积或 峰高换算为组分的百分含量。,可见，进行色谱定量分析时需要：,2 峰面积的测量与计算,积分仪或色谱工作站 简便、速度快，精度高，可达0.2-2%，对小峰及不对称峰的结果准确，是色谱发展趋势。手动测量与计算,峰高乘半峰宽法：适于对称峰峰高乘峰底宽度法：适于矮宽峰峰高乘平均峰宽法：适于不对称峰峰高乘保留值法：适于狭窄峰，快速简便，常用于工厂控制分析。,3、定量校正因子f,校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子