2气相色谱分析

第 2 章 气相色谱分析,一、定义：色谱法 (chromatography)，是一种物理或物理化学的分离分析方法。 俄国植物学家茨维特（Tsweett）在1906年 提出的，当时使用的装置（右图）： 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。 其中的一相固定不动，称为固定相； 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。 混合物最有效的分离、分析方法。,（动画）,2.1 概述,以前学过的分离方法有： 1. 沉淀法 是利用物质溶解度的不同而进行分离。 2. 蒸馏法 是利用有机物沸点的差异进行分离。 3. 萃取法 是利用组分在水相和有机相（互不相溶）中的分配系数不同进行而分离。 色谱法分离原理：利用物质在固定相和流动相中的分配系数不同，使混合物中的各组分分离。,1按固定相的形态分类,二、色谱法的分类,2按两相分子的聚集状态分类,流动相 固定相 类型,超临界流体色谱法流动相为超临界流体,分配色谱 吸附色谱 离子交换色谱 空间排阻色谱,3. 按分离机制分类,色谱法简单分类,三、 色谱法的特点,（1）分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。 （2） 灵敏度高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。 （3） 分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。 （4） 应用范围广 气相色谱：沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。,气相色谱分析于1952年出现，经过50年的发展已成为重要的近代分析手段之一。 气相色谱分离中气体流动相所起作用较小，根据所用固定相状态的不同，气相色谱可分为两类：,目前，大部分气相色谱是以液体为固定相的气液色谱。,气相色谱分析的特点 1.高效率。 2.高选择性。 3.高灵敏度。 4.分析速度快。 5.应用广泛。 气相色谱法有上述优点，但也有它的缺点，如不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析；定性较为困难，从色谱图上不能直接给出它定性的结果。,四、气相色谱仪,五、气相色谱结构流程,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；7-针形阀；8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；,气路系统,进样系统,色谱柱,检测系统,温控系统,结构流程,（单柱单气路）,（双柱双气路）,六、气相色谱仪主要部件,1. 载气系统,包括气源、净化干燥管和载气流速控制器；,常用的载气有：氢气、氮气、氦气； 净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）； 载气流速控制器：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。,2. 进样系统,进样装置：进样器气化室； 气体进样器（六通阀）：试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱；,液体进样器：,不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。,气化室：将液体试样瞬间气化的装置。,3. 分离系统（色谱柱）及温度控制系统,色谱柱：色谱仪的核心部件。 柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径36毫米，长度可根据需要确定。 柱填料：粒度为60100目的色谱固定相。 气固色谱：固体吸附剂 气液色谱：载体 固定液 有关固定液性质及其选择见后续章节。,温度是色谱分离条件的重要选择参数。气化室、色谱柱、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；,气化室：保证液体试样瞬间气化； 检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；,色谱柱：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，色谱柱度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离。,气化室检测器色谱柱,所谓的程序升温，是指在一个分析周期内，温度随时间由低温向高温线性或非线性地变化，以使沸点不同的组分各在其最佳柱温下流出，从而改善分离效果，缩短分析时间。,4. 检测系统,通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图； 检测器：广谱型对所有物质均有响应； 专属型对特定物质有高灵敏响应； 5、记录及数据处理系统 可以采用：积分仪、色谱工作站,混合物样品（A+B）色谱柱中分离检测器记录下来。组分从色谱柱流出时，各个组分在检测器上所产生的信号随时间变化，所形成的曲线叫色谱图。 记录了各个组分流出色谱柱的情况，又叫色谱流出曲线.,七、色谱流出曲线术语,基线 无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。,稳定情况下，一条直线。 基线上下波动称为噪音。,（动画）,峰高与区域宽度,峰高：色谱峰顶点向基线作垂线的距离，单位：mm或cm,半峰宽（Y1/2）：色谱峰高一半处的宽度。单位：mm或min。 峰底宽（Y）：色谱峰两拐点的切线在基线上截距间的距离。单位：mm或min。 标准偏差（）：即峰高0.607倍处色谱峰宽度的一半。 与半峰宽和峰宽的关系：Y1/22.354 ； Y4 ,峰面积,色谱峰与峰底之间的面积。 单位：mm2或mmmin,对称的色谱峰：,不对称的色谱峰：,（1）时间表示的保留值 死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；,保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间； 调整保留时间（tR）：tR tRtM,保留值,保留值是试样各组分，即溶质在色谱柱或色谱体系中保留行为的度量，反映了溶质与色谱固定相作用力类型和大小，与两者分子结构有关，是重要的色谱热力学参数和色谱定性的依据。,（2）用体积表示的保留值,死体积（VM）：VM tM F0 F0为柱出口处的载气流量， 单位：ml / min。,保留体积（VR）： VR tRF0,调整保留体积(VR)： V R VR V0,(3) 相对保留值21 （选择性因子21）,组分2与组分1调整保留值之比：21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1,相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。,利用色谱流出曲线可以解决以下问题： 1、根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性分析; 2、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量测定; 3、根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱的分离 情况进行评价。,2.2 色谱分析理论基础,使用外力使含有混合样品的流动相（气体、液体或超临界流体）通过一固定于色谱柱上且与流动相互不相溶的固定相表面。 样品中各组分在两相中作用力不同，与固定相作用强的组分随流动相流出的速度慢，反之，与固定相作用弱的组分随流动相流出的速度快。由于流出的速度的差异，使得混合组分最终形成各个单组分的“带(band)”或“区(zone)”，对依次流出的各个单组分物质可分别进行定性、定量分析。,一、 色谱分离过程,混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应,二、 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、挥发等过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g / mL）比，称为分配系数，用K 表示。,分配系数是色谱分离的依据。,1、分配系数K （ partion factor）,分配系数 K 的讨论,一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢； 试样一定时，K主要取决于固定相性质； 每个组份在各种固定相上的分配系数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 （partion ratio）k,在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：,1. 分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有 关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。 2. 分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参 数，数值越大，该组分的保留时间越长。 3. 分配比可以由实验测得。,分配比也称：容量因子（capacity factor）,3、分配比与分配系数的关系,VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积； Vs为固定相体积，对不同类型色谱柱，Vs的含义不同； 气液色谱柱： Vs为固定液体积； 气固色谱柱：Vs为吸附剂表面容量；,式中为相比率。 填充柱相比：635；毛细管柱的相比：501500。 容量因子越大，保留时间越长。,分配平衡是在流动相和固定相之间进行的，因此分配比也可以用组分停留在两相之间的保留值来表示。,4. 分配比与保留时间的关系,例：在2m长的色谱柱上，测得某组分保留时间为6.6min，峰底宽为0.5min，死时间为1.2min，柱出口用皂膜流量计测得载气流速为40mL/min，固定相体积为2.1mL,求：1）分配比;2）死体积;3）调整保留体积;4）分配系数 解：1）分配比 k=tR/tm=(6.6-1.2)/1.2=4.5 2)死体积 VmtmFc=1.240=48 mL 3)调整保留体积 VR=(tR-tm) Fc=(6.6-1.2)40=216 mL 4）分配系数 K=k =k (Vm/ Vs)=4.5(48/2.1)=103,组分保留时间：色谱分配过程的热力学因素控制； （待测组分和固定相的结构和性质） 色谱峰变宽：色谱分配过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，分子扩散）,组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？,溶质分布谱带展宽,两种色谱理论：塔板理论和速率理论；,色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。,塔板理论的假设： 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速 达到； (2) 将载气看作成脉动（间歇）过程； (3) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略； (4) 组分在各塔板上的分配系数相同。,三、塔板理论,1. 塔板理论（plate theory） 将色谱柱当作一个精馏塔，将色谱分离过程比作精馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于精馏塔的塔板上的平衡过程）；,假设色谱柱长：L；虚拟的塔板间距离：H； 色谱柱的理论塔板数：n； 则三者的关系为： n L / H,保留时间包含死时间tM，在死时间内不参与分配!,理论塔板数与色谱参数之间的关系为：,2. 有效塔板数和有效塔板高度,组分在tM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. 塔板理论的特点和不足,(1)当色谱柱长度一定时，塔板数n越大，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。,(2)一般情况下，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n多大，该两组分都无法分离。,(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。,四、 速率理论-影响柱效的因素,1. 速率方程（也称范第姆特方程式） 1956年，荷兰化学工程师van Deemter提出了色谱过程动力学速率理论：吸收了塔板理论中的板高H概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而给出了van Deemter方程： H = A + B/u + Cu u 为流动相线速度； A，B，C为常数，其中 A分别表示涡流扩散系数； B分子扩散系数； C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。,减小A、B、C三项可提高柱效； A、B、C三项各与哪些因素有关？,A 涡流扩散项,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；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。,（动画）,B/u 分子扩散项,(1) 存在着浓度差，产生纵向扩散; (2) 扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差; (3) 分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散; (4) 扩散系数：Dg (M载气)-1/2 ； M载气，B值。,（动画）,B 2Dg ： 弯曲因子，填充柱色谱， 1。 Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）,k为容量因子； Dg 、DL为扩散系数。 减小担体粒度，选择小分子量的气体（H2或He）作载气，可降低传质阻力。,C u 传质阻力项,传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即： C （Cg + CL）,气相色谱,方程对分离条件的选择具有指导意义，从方程上可以看出，填充均匀程度、担体粒度、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等都对柱效有影响。,2. 柱效的影响因素,载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速，柱效。 载气流速低时： 分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速，柱效 。,H - u曲线与最佳流速： 由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。,（动画）,1）流动相流速,一般来说，填料粒度降低，柱效提高。但粒径越小，填充均匀的技术越困难，柱的渗透性也下降，分离速度下降。 3）色谱柱温 温度影响扩散系数，从而影响分子扩散和传质速率。柱温升高，分子扩散导致柱效降低；而改善传质导致柱效升高。根据色谱系统性质选择合适的温度。,2）填料粒径,3. 速率理论的要点,(1)组分分子在柱内运行的多路径造成的涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展、柱效下降的主要原因。,(2)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。,(3)速率理论为色谱分离和操作条件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。,(4) 各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响。故要选择最佳条件，才能使柱效达到最高。,五、组分分离-基本分离方程,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。,色谱分离中的四种情况如图所示：,一、分离度,保留值之差色谱过程的热力学因素； 区域宽度色谱过程的动力学因素。,难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：,色谱分离中的四种情况的讨论：, 柱效较高，K（分配系数）较大，完全分离； 柱效较高，K较小，峰较窄，没有完全分离； 柱效较低，K较大，分离效果较差； 柱效低，K小，分离效果很差。,分离度也称分辨率，指相邻两色谱峰保留值之差与两峰底宽平均值之比。,单独用柱效或柱选择性并不能真实地反映组分在色谱柱中的分离情况，所以在色谱分析中，需要引入分离度R概念。,式中：分子反映了溶质在两相中分配行为对分离的影响， 是色谱分离的热力学因素。 分母反映了动态过程溶质区带的扩宽对分离的影响，是 色谱分离的动力学因素。 从中得到：两溶质保留时间相差越大，色谱峰越窄，分 离越好。,R0.8：两峰的分离程度可达89%； R1：分离程度98%； R1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。,R 的定义并未反映影响分离度的各种因素。也就是说，R 未与影响其大小的因素：柱效n、选择因子 和保留因子 k 联系起来。 对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数 K 相差小，可合理假设Y1 Y2=Y，k1=k2=k。因此可导出R与n、 和 k 的关系：,分离方程,以n有效表示，则有：,分离度与柱效能，选择性的关系,柱效能指色谱柱在分离过程中的分离效能，常用n，来描述，n 越大，越小，柱效越高，对单个组分而言。 对多个组分的分离来说，无法用n ,H 来描述，n 大，小，几个峰未必分的开。,选择性描述两个相邻组分在同一固定相中热力学分布行为的重要参数，用相对保留值表示. 越大，保留时间相差大，分离越好（但未考虑峰宽因素）,a:柱效项：塔板数决定，n 越大，柱效越高分离的越好。可通过增加柱长和缩短H值实现。,b：选择性项： 越大，tR（）与tR（1） 相差越大，分的越好。增大是提高分离度的效方法，可通过改变固定相实现。,C：柱容量项：k大一些对分析有利; 太大，tR长，柱容量合适,分的才好。可通过改变柱温和相比实现。 一般k ,例2、 有一根 lm长的柱子，分离组分1和2。空气的保留时间为5s，组分1和2的保留时间分别为45和49s。如果，试求该柱的分离度？如若使R=1.2，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？,例2、 有一根 lm长的柱子，分离组分1和2。空气的保留时间为5s，组分1和2的保留时间分别为45和49s。如果，试求该柱的分离度？如若使R=1.2，有效塔板数应为多少？色谱往要加到多长？ 解：先求出组分2对组分1的相对保留值r2，1（即值） 分离度 n有效 （块） 为使R1.2，所需塔板数 （块） 柱长应加到,1. 种类 （1）活性炭 有较大的比表面积，吸附性较强。 （2）活性氧化铝 有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、 C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。,2-3 气相色谱固定相,一、气固色谱固定相,（3）硅胶 与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。 （4）分子筛 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3、4、5分子筛等（孔径：埃）。常用5（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。,2、气固色谱固定相的特点,（1）性能与制备和活化条件有很大关系； （2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件， 分离效果差异较大； （3）使用方便。 （4）种类有限，能分离的对象不多；,（5）高分子多孔微球（GDX系列） 新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。 型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。,固体吸附剂为多孔性固体材料，具有很大比表面积和较密集的吸附活性点，其色谱性能常受预处理、操作条件和环境条件的影响，重复性较差，易形成不对称拖尾峰，保留值随进样量变化，在高温下有催化活性。 为克服上述不足，可对吸附剂进行一定处理，最方便的方法是涂“去尾剂”，用去尾剂覆盖吸附剂表面的某些活性中心，使吸附剂表面能趋于均匀，以解决峰不对称问题。,气液色谱固定相 固定液担体（载体） ：固体小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。 担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。,二、气液色谱固定相,（1）作为担体的物质应满足的条件,比表面积大，孔径分布均匀； 化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分 离组分不起反应； 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎； 颗粒大小均匀、适度。一般常用60100目。,1. 担体,（2）担体种类（硅藻土和非硅藻土）,红色担体： 含有少量氧化铁颗粒呈红色，孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。 白色担体： 煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。 颗粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。,表 气液色谱担体,2. 固定液,（1）对固定液的要求 应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。 （2）选择的基本原则 “相似相溶”，选择与试样性质相近的固定液。,固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。,（3）固定液和组分分子间的作用力,分子间的作用力是一种极弱的吸引力，主要包括静电力、诱导力、色散力和氢键力等。,如在极性固定液柱上分离极性样品时，分子间的作用力主要是静电力。被分离组分的极性越大，与固定液间的相互作用力就越强，因而该组分在柱内滞留时间就越长；,又如存在于极性分子与非极性分子之间的作用力叫诱导力，极性分子的极性越大，非极性分子越容易被极化，则诱导力就越大，当样品具有非极性分子和可极化的组分时，可用极性固定液的诱导效应分离。,例如，苯（B.P.80.1）和 环己烷（ B.P.80.8）沸点接近，偶极矩为零，均为非极性分子，若用非极性固定液却很难使其分离。但苯比环己烷容易极化，故采用极性固定液，就能使苯产生诱导偶极矩，而在环己烷之后流出。固定液的极性越强，两者分离得越远。,如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。,（4）固定液分类方法,1. 检测器类型,浓度型检测器：测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测信号值与组分的浓度成正比。比如热导检测器，TCD； 质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。比如氢火焰离子化检测器，FID；,2-4 气相色谱检测器,热导检测器 thermal conductivity detector，TCD,原理： 基于载气和样品的导热系数的差异，并用惠斯登电桥检测。 检测器结构： 如图7-14所示。它由一个金属块和装在通气室中的热敏元件组成，热敏元件是具有较大温度系数的金属丝（如铂丝、铼钨丝），TCD一般有四个通气室，各通气室中的金属丝的电阻完全相同。,惠斯登电桥： 如图所示，将四支热丝组成一个惠斯登电桥，往A和C室通纯载气，往B和D室通含样品的载气。由于A、C室和B、D室的电阻变化造成惠斯登电桥的不平衡，从而有输出电压，电压（或电流）的大小与样品的浓度成正比。,载气与试样的热导系数相差越大，检测灵敏度越高，故氢气或氦气作载气时比氮气的灵敏度高。 热导检测器对所有物质都有相应，最适合分析无机气体和有机物。,气体和有机物蒸气导热系数,氢火焰离子化检测器 flame ionization detector， FID,（1） 典型的质量型检测器； （2）氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、 灵敏度高、响应迅速等特点； （3）比热导检测器的灵敏度高出近3个数量 级，检测下限可达ngg-1。,缺点是对无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应；但对有机化合物具有很高的灵敏度。,氢火焰离子化检测器（FID），是除热导氢焰检测器的主要部件为离子室，一般用不锈钢制成，内有火焰喷射嘴、极化电极（阴极）和信号收集极（阳极）等构件。 氢焰检测器是根据含碳有机物在氢火焰中发生电离的原理而进行检测的。当被测组分随载气进入氢火焰时，在燃烧过程中发生离子化反应，生成数目相等的正负离子，在电场中分别向两极定向移动而形成离子流，再经发大后在记录仪上以电压信号显示出来，信号大小与单位时间内进入火焰的被测组分的量成正比，据此测量有机物含量。它对大多数有机物有很高的灵敏度，比热导池检测器的灵敏度高倍，而且结构简单，稳定性好，响应好，适宜于进行痕量有机物分析，因而在有机物分析中得到广泛应用。,电子捕获检测器 electron capture detector，ECD,电子俘获检测器是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器,检测下限10-14 g /mL。对含有卤素、羰基、氨基等的化合物有很高的响应，但对无电负性的物质如烷烃等几乎无响应。已广泛应用于农药残留量、大气及水质污染分析，以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域。它的缺点是线性范围窄，受操作条件影响比较大，重现性差。,利用电负性物质捕获电子的能力，通过测定电子流进行检测。在电子捕获检测器内一端有一个放射源作为负极，另一端有一正极。两极间加适当电压，当载气进入检测器时，受多条射线的辐照发生电离，生成的正离子和电子分别向负极和正极移动，形成恒定的基流。含有电负性元素的样品进入检测器后，就会捕获电子而生成稳定的负离子，生成的负离子又与载气正离子复合，导致基流下降。因此，样品经过检测器，会产生一系列的倒峰。,火焰光度检测器（FPD）是一种对含硫、磷化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，仪器主也由火焰喷嘴、滤光片和光电倍增管三部分组成。 火焰光度检测器是根据硫、磷化合物在富氢火焰中燃烧时，发射出波长分别为394nm和526nm的特征光的原理而进行检测的。检测过程如下：载气与空气和氢气混合后，在喷嘴上燃烧。当含硫或磷的有机物进入此富氢火焰中燃烧时，含硫有机物以激发态分子的形式发射出波长为394nm的特征光，含磷有机物以碎片的形式发射出波长为526nm的特征光。这些特征光通过滤光片照射到光电倍增管上，将光信号转换成电信号，经放大后在记录仪上记录下来。 它对含有磷、硫的有机化合物具有高选择性和高灵敏度，是一种专属型检测器，可用于大气中痕量硫化物以及农副产品、水中的机机磷和有机硫农药残留量的测定。,火焰光度检测器 flame photometric dector，FPD,氮磷检测器 Nitrogen-Phosphorus dector，NPD 是一种质量型检测器，适用于分析氮、磷化合物，对含氮、磷化合物有高的选择性和灵敏度。和氢火焰离子化检测器的构造比较类似。它的优点是使用寿命长，灵敏度极高，对氮、磷化合物的响应较高，而对其他化合的响应值低104-105倍。可应用下农药 、石油、医药等多个领域。,一个优良的检测器应具有以下几个性能指标：灵敏度高；检出限低；死体积小；响应迅速；线性范围宽和稳定性好。通用性检测器要求适用范围广；选择性检测器要求选择性好。,2. 检测器性能指标,a. 灵敏度：以进样量c对响应信号R作图得到一条通过原点的直线。直线的斜率就是检测器的灵敏度S。因此，灵敏度可定义为信号R对进入检测器的组分量Q的变化率 ：,S值越大，检测器的灵敏度也就越高。,式中：Ai色谱峰面积（cm2）， qv, 0柱出口处载气流速（mLmin-1）， m进入检测器的样品量（mg或mV）。,在实际工作中，我们常常从色谱图上测量峰的面积来计算检测器的灵敏度。根据灵敏度的定义，可得浓度型检测器灵敏度计算公式：,对于液体或固体样品，进样量单位取mg，则灵敏度 Sc的单位为（mVmLmg-1）：即单位体积（mL）载气中含有单位质量（mg）的待测组分在检测器上产生的mV数； 对于气体样品，进样量以体积mL表示时，则灵敏度Sc的单位为mVmLmL-1：即单位体积（mL）载气中含有单位体积（mL）的待测组分在检测器上产生的mV数。,质量型检测器灵敏度计算公式为：,式中：Sm灵敏度（mVsg-1），m进入检测器的样品量（g）。,由上式可见，对质量型检测器，Sm值与载气流速无关，其原因在于它对载气没有响应。,b. 检出限,噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。,从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于N。 检测器响应值为3倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。,D3RN/S,对于浓度型检测器， D的物理意义指每毫升载气中含有恰好能产生三倍于噪声信号的溶质毫克数。 对于质量型检测器， D的物理意义指每秒通过的溶质克数，恰好能产生三倍于噪声的信号。 无论哪种检测器，检出限都与灵敏度成反比，与噪声成正比。检出限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声，所以它是衡量检测器性能的综合指标。,检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时所需进入色谱柱的最小物质量（或最小浓度），以Q0表示。 最小检测量是产生三倍噪声峰高时，色谱体系（由柱、气化室、记录仪和连接管道等组成一个色谱体系）所需的进样量。 浓度型检测器组成的色谱仪，最小检测量为： Q0 = 1.065Y1/2qv,0 D 质量型检测器组成的色谱仪，最小检测量为： Q0 = 1.065Y1/2 D 最小检测量和检出限是两个不同的概念。检出限只用来衡量检测器的性能；而最小检测量不仅与检测器性能有关，还与色谱柱效及操作条件有关。,c.最小检出量（最低检测限）,d. 线性范围 检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比。 e. 响应时间 响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其值的63%所需的时间。一般小于1s。,2-5 气相色谱分离条件的选择,1. 固定相的选择 气液色谱，在选择固定液时，一般按“相似相溶”的规律选择，因为这时的分子间的作用力强，选择性高，分离效果好。 在应用中，应根据实际情况并按如下几个方面考虑：,分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。,非极性固定液对样品的保留作用，主要靠色散力。分离时，试样中各组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱；若样品中含有同沸点的烃类和非烃类化合物，则极性化合物先流出。,中等极性的试样应首先选用中等极性固定液。在这种情况下，组分与固定液分子之间的作用力主要为诱导力和色散力。分离时组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱，但对于同沸点的极性和非极性物，由于此时诱导力起主要作用，使极性化合物与固定液的作用力加强，所以非极性组分先流出。 强极性的试样应选用强极性固定液。此时，组分与固定液分子之间的作用主要靠静电力，组分一般按极性从小到大的顺序流出；对含有极性和非极性的样品，非极性组分先流出。, 分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。,分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。,醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。,组成复杂、较难分离的试样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。,2、固定液配比（涂渍量）的选择,配比：固定液在载体上的涂渍量，一般指的是固定液与载体的百分比，配比通常在5%25%之间。 配比越低，载体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。 但配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。,3、 载体及其粒度的选择,载体粒度以柱径的1/201/25为宜。范氏速率理论方程式可知，载体的粒度直接影响涡流扩散和气相传质阻力，间接地影响液相传质阻力。随着载体粒度的减小，柱效将明显提高，但粒度过细，阻力将明显增加，使柱压降增大，对操作带来不便。并且载体粒度均匀，形状规则，有利于提高柱效。 试样相对分子质量大，沸点高，极性大，固定液使用量少，多选用白色载体。 试样相对分子质量小，沸点你、非极性，固定液使用量多，多选用红色载体。 强极性、热和化学不稳定的化合物，可选用玻璃载体。,4、 柱长和柱内径的选择,增加柱长对提高分离度有利（R正比于柱长L2），但组分的保留时间tR，且柱阻力，不便操作。 柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下， 尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。 填充色谱柱的柱长通常为26m。 可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长或 实验确定。 柱内径一般为36mm。,5、 载气种类及线速度的选择,载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、 检测器要求及载气性质。,载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气，可减小传质阻力，提高柱效。,载气流速的选择：,由图可见存在最佳流速（uopt）。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。,气相色谱中温度的选择包括三个部分：气化室温度、柱温和检测器温度。 三者中，柱温是影响色谱分离效能和分析时间的重要操作参数。,6、 温度的选择,气化温度的选择,色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化；气化温度一般较柱温高3070； 防止气化温度太高造成试样分解。,柱温的选择,首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。,柱温，分离度R。柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度c，K，低沸点组分峰易产生重叠。,柱温，分离度，分析时间。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。,柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点的温度。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,程序升温,检测器的温度一般均高于柱温，以防止污染或出现异常响应。,检测器的选择,7、 进样方式和进样量的选择 液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L等。气体试样应采气体进样阀进样。 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。色谱柱有效分离试样量，随柱内径、柱长及固定液用量不同而异。柱内径大，固定液用量高，可适当增加试样量。但进样量过大，会造成色谱柱超负荷，柱效急剧下降，峰形变宽，保留时间改变。理论上允许的最大进样量是使下降的塔板数不超过10%。总之，最大允许的进样量，应控制在使峰面积和峰高与进样量呈线性关系的范围内。 进样要求动作快、时间短。因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之变宽，有时甚至使峰变形。一般地，进样时间应在1s以内。,2-6 气相色谱定性方法,定性分析的任务是确定色谱图上各个峰代表什么物质。 1. 利用保留值定性： 保留值是试样各组分，即溶质在色谱柱或色谱体系中保留行为的度量，反映了溶质与色谱固定相作用力类型和大小，与两者分子结构有关，是重要的色谱热力学参数和色谱定性的依据。 利用保留值已知物对照定性。例如利用保留时间定性 ：在相同色谱条件下，将标准物和样品分别进样，两者保留值相同，可能为同一物质。 此方法要求操作条件稳定、一致，必须严格控制操作条件，尤其是流速。,峰高加入法,进样量“低”,利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱 峰的相对变化。如样品复杂，流出峰距离太近，或操作条件 不易控制，可将已知物加到样品中，混合进样，若被测组分 峰高增加了，则可能含该已知物。,2. 利用文献保留值定性,利用相对保留值21定性 相对保留值21仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。,3. 保留指数,又称Kovats指数（），是一种重现性较好的定性参数。 测定方法： 将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100（如正己烷的保留指数为600）。 其它物质的保留指数（IX）是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z1个碳原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示：,保留指数计算方法,4. 与其他分析仪器联用的定性方法,小型化的台式色质谱联用仪（GCMS；LCMS） 色谱红外光谱仪联用仪；,2-7 气相色谱定量方法,色谱定量分析是根据检测器对溶质产生的响应信号与溶质的量成正比的原理，通过色谱图上的峰面积或峰高，计算样品中溶质的含量。,mi=fi Ai mi=fihi mi被测组分i的质量，fi比例系数 Ai、hi被测组分的峰面积及峰高,峰高可从色谱图中直接测定。 色谱峰面积以峰高与半峰高宽相乘而得。,1. 定量校正因子,相对校正因子f is ：即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。,绝对校正因子：比例系数f i ，单位面积对应的物质质量，即 f i mi / Ai,为什么要测定定量较正因子？,为什么要测定定量较正因子？ 色谱定量分析的依据是被测组分的量与其峰面积成正比。但是峰面积的大小不仅取决于组分的质量，而且还与它的性质有关。即当两个质量相同的不同组分在相同条件下使用同一检测器进行测定时，所得的峰面积却不相同。也就是说，在同一类型的检测器上，重量或浓度相同的不同种物质产生的信号是不一样的。因此，混合物中某一组分的百分含量并不等于该组分的峰面积在各组分峰面积总和中所占的百分率。这样，就不能直接利用峰面积计算物质的含量。为了使峰面积能真实反映出物质的质量，使产生的响应信号能定量代表物质的含量，就要对峰面积进行校正，即在定量计算是引入校正因子。,例： 将纯苯与某组分A配成混合溶液，进行气相色谱分析，苯的样品量为0.435g时，峰面积为4.00 cm2 ，组分A的量为0.653g，峰面积为6.50cm2，求组分A以苯为标准时的相对较正因子。 解：fis=Asmi/Aims=(4.000.653)/ (6.500.435) =0.92,2. 常用的几种定量方法 （1）归一化法：,特点及要求： 归一化法简便、准确； 进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大； 仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。,例：某混合物中只含有乙苯及二甲苯异构体，用FID检测器检测到如下数据，计算各组分的含量：,解：由于混合物中只含有以上四种组分且色谱图上均有响应，故可用归一法计算。 mi(乙苯）（1200.97）/ (1200.97+ 751.00 + 1400.96 +1050.98) 27.15,（2）外标法,外标法也称为标准曲线法。,特点及要求： 外标法不使用校正因子，准确性较高， 操作条件变化对结果准确性影响较大。 对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。,（3）内标法,内标物要满足以下要求： （a）试样中不含有该物质； （b）与被测组分性质比较接近； （c）不与试样发生化学反应； （d）出峰位置应位于被测组分附近。,是将一定量的纯物质作为内标物，加入到准确称取的试样中，根据被测物和内标物的质量及其在色谱图上相应的峰面积比，求出某组分的含量。,试样配制：准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物ms 计算式如下：,例：测定苯二甲酸混合物中间苯二甲酸含量，称取样品0.3578g，内标物癸二酸0.1029g，将样品及内标物甲酯化后进行气相色谱分析，测得间苯二甲酸二甲酯的峰面积为23.7单位，癸二酸二甲酯的峰面积为24.5单位，已知这两种酯的重量校正因子分别为0.77和1.00，求间苯二甲酸的含量。已知癸二酸分子量为202，癸二酸二甲酯分子量为230，间苯二甲酸分子量为166，间苯二甲酸二甲酯分子量为194。,解：先计算癸二酸二甲酯的量ms ms=(0.1029/202)230=0.1172 再计算间苯二甲酸二甲酯的量mi mi=ms(fiAi/fsAs)=0.1172(23.70.77)/(24.51.00)=0.0873 求间苯二甲酸含量： Cm/W(0.0873/194) 166/0.3578=20.9%,2-8 毛细管柱气相色谱法,是用毛细管柱作为气相色谱柱的一种高效、快速、高灵敏的分离分析方法。 1957年由美国工程师Golay M J E提出，在细长的毛细管内壁涂上固定液用于色谱分离，也称为开管柱。 克服了填充柱的填料颗粒不均匀、多路径使涡流扩散严重、渗透性差、柱效低的缺点。,毛细管柱,填充柱,毛细管柱是用熔融二氧化硅拉制的空心管，也叫弹性石英毛细管。柱内径通常为0.1-0.5mm，柱长30-50m，绕成直径20cm左右的环状。用这样的毛细管作分离柱的气相色谱称为毛细管气相色谱或开管柱气相色谱，其分离效率比填充柱要高得多。,开管柱 分类：壁涂开管柱（WCOT） 广泛应用 载体涂渍开管柱（SCOT）应用不太普遍 多孔层开管柱（PLOT）主要用于永久气体和低分子量有机化合物的气固色谱分离,WCOT柱的尺寸分类,WCOT柱常用的固定液有OV-1、SE-30、OV-101、SE-54、OV-17、OV-1701，FFAP及PEG-20M等,不同色谱柱的截面示意图 A-填充柱；B-壁涂开管柱（WCOT）；C-多孔层开管柱（PLOT）,1、渗透性好，可使用长色谱柱。柱渗透性好，即载气流