第十章-气相色谱法

1、第十章 气相色谱法【教学分析】本章介绍了色谱法常用的术语和分类。简述了气相色谱法的分析流程、原理以及气相色谱仪的基本结构和使用规则。重点介绍了色谱图及其相关术语、色谱参数和定量分析的三种方法。由于学校没有此仪器，学生较为陌生，讲起来很吃力，只能把理论的东西交给学生。本章内容多，仪器复杂，使用难，课后补充适当习题，增强学生的记忆。【教学目的】1.了解色谱分析法的基本概念。 2.了解气相色谱分析法的基本原理。 3.了解气相色谱仪的结构。 4.了解气相色谱分析的定性方法，掌握定量方法。 5.掌握气相色谱分析的流程和色谱图。6.掌握气相色谱仪操作条件的选择和使用方法。【教学重点、难点】1.色谱分析法的

2、基本概念。 2.气相色谱分析的定量方法。 3.气相色谱仪的结构和一般操作技术。【教学方法和手段】讲授法。【总课时】8课时。【教学过程及板书设计】10-1 概述【板书】一、色谱法分类 1.色谱法的来历：1906年由俄国植物学家茨维特提出，最初的认识是在于它的分离价值，用于分离植物中的色素等有色物质。现代的发展，不再局限于有色物质，而且大量用于分离无色物质。【板书】2.色谱法：也称色层法或层析法，是一种多组分混合物的分离、分析方法，主要利用物质物理性质的差异进行分离并测定混合物中各组分的含量。（或者叙述为：利用试样中各组分在固定相和流动相中不断分离、吸附和脱吸或在两相中其它作用力的差异，而使各组分

3、得到分离的分析方法。）【板书】3.气相色谱法的特点：优点：分离效率高、灵敏度高（气相色谱可检测10111013的物质）、选择性好（它是将待测物质先进行分离、然后检测）、应用范围广、分析速度快、样品用量少、定性定量准确。缺点：不适于高沸点、难挥发、热稳定性差的高分子化合物和生物大分子化合物分析。【板书】4.相：体系中某一具有相同成分及相同化学、物理性质的均匀部分。【板书】5.固定相：色谱柱内不移动的，起分离作用的物质。（有两种状态：在使用温度下呈液态的固定液和呈固态的吸附剂）【板书】6.流动相：在色谱过程中用以携带试样和洗脱组分的流体。（有两种状态：呈液体的和呈气体的）【板书】7.色谱柱：内装固

4、定相用以分离混合物组分的柱管。【板书】8.液相色谱：流动相为液体的。【板书】9.气相色谱：流动相为气体的。【板书】10.载气：用作流动相的气体(常用 N2、H2、Ar和He)。【板书】11.载液：用作流动相的液体(如石油醚)。 气相色谱法：气固色谱法和气液色谱法【板书】12.色谱法分类 液相色谱法：液固色谱法和液液色谱法【板书】二、气相色谱分析流程 载气(常用 N2 和 H2,Ar)由高压钢瓶供给，经减压，净化，调节和控制流量后进入色谱柱。待基线稳定后，即可进样。样品经气化室气化后被载气带入色谱柱，在柱内被分离。分离后的组分依次从色谱柱中流出，进入检测器，检测器将各组分的浓度或质量的变化转变成

5、电信号(电压或电流)。经放大器放大后，由记录仪或微处理机记录电信号时间曲线，即浓度(或质量)时间曲线（色谱图）。根据色谱图，可对样品中待测组分进行定性和定量分析。（由此可知：色谱柱和检测器是气相色谱仪的两个关键部件。）10-2 气相色谱法基本原理和色谱图【板书】一、基本原理利用混合物中各组分在流动相和固定相中具有不同的溶解和解析能力（气液色谱），或不同的吸附和脱吸能力（气固色谱），或其他性能的差异。当两相作相对运动时，样品各组分在两相中反复多次受到上述各种作用力的作用，从而使混合物的组分获得分离。【板书】二、色谱图及相关术语 1.色谱图：色谱柱流动物通过检测器系统时所产生的响应信号对时间或载气

6、流出体积的曲线图。 2.色谱峰：色谱柱流出组分通过检测器系统对所产生的响应信号的微分曲线。对称峰：符合正态分布。不对称峰：拖尾峰、前延峰。【板书】3.峰底：峰的起点和终点之间连接的直线。【板书】4.峰高（h）：从峰的最大值到峰底的距离（或色谱峰顶与基线之间的垂直距离）。【板书】5.峰宽（W）：峰两侧拐点处所作切线与峰底相交两点间的距离。【板书】6.半峰宽（Wh/2）：过峰高的中点作平行于峰底的直线，此直线与峰两侧相交点之间的距离。【板书】7.峰面积（A）：峰与峰底之间的面积。 8.基线：仅有载气通过检测器系统时所产生的响应信号的曲线(它反映检测系统噪声随时间变化的情况，稳定的基线应是一条水平直

7、线)。【板书】三、色谱参数 1.保留值（滞留值）：组分在色谱柱中停留时间的数值。【板书】2.死时间（tM）：不被固定相吸附或溶解的组分(如空气,甲烷等)从进样开始到出现峰最大值所需的时间。【板书】3.保留时间（tR）：组分从进样到出现峰最大值所需的时间。【板书】4.调整保留时间（tR）：保留时间与死时间的差值。 tR= tRtM【板书】5.死体积（VM）：不被固定相吸附或溶解的组分(如空气,甲烷等)从进样开始到出现峰最大值所需的体积。由死时间和校正后的柱后载气流速FC的乘积来计算。VM = tMFC【板书】6.保留体积（VR）：组分从进样到出现峰最大值所需的载气体积。 VR = tRFC【板书

8、】7.调整保留体积（VR）：保留体积与死体积的差值。VR= VRVM【板书】8.相对保留值（r2.1）：两组分调整保留值（调整保留时间或调整保留体积）的比值。 相对保留值（r2.1）tR2/ tR1VR2/ VR110-3 气相色谱仪【板书】一、基本结构气路系统、进样系统、分离系统、检测系统、记录系统。【板书】1.气路系统：气源，气体净化，气体流量控制和测量装置。 气体分类：a.载气(常用 N2、H2、Ar和He) b.燃气(H2)c.助燃气（空气或氧气） 气体的净化：a.变色分子筛（除水分） b.活性碳（除硅氢化合物） c.脱氧剂（除氧气） d.碱石灰（除二氧化碳） 气体流量检测：要求载气流

9、量稳定，变化幅度应小于1。通过减压阀、稳压阀、针形阀等来控制调节气体的流量。 载气流量的测量：a.转子流量计（浮子流量计）b.皂膜流量计【板书】2.进样系统：包括进样器，气化室和控温装置。液体进样：采用微量注射器（0.110L），进样时间越短越好。气体进样：采用六通阀（0.110mL）。原则：进样量大，色谱柱负担重，进样时间长，样品原始区域宽度变大，均会使色谱峰变宽甚至变形。气化室：样品注入室，将液体或固体样瞬间转化为蒸气。气化温度的选择主要取决于待测试样的挥发性、沸点范围、稳定性等因素。气化温度一般选在组分的沸点左右或稍高于其沸点，以保证试样完全气化。对于热稳定性较差的试样，气化温度不能过高

10、，以防试样分解。【板书】3.分离系统：主要部件是色谱柱，由柱管和固定相组成。按照柱管的粗细和固定相的填充方式分为填充柱和毛细管柱。柱温选择原则：使难分离物质能得到良好的分离，分析时间适宜且峰形不托尾的前提下，尽可能采用较低的柱温。同时，选用的柱温不能高于色谱柱中固定液的最高使用温度(通常低20-50)。对于沸程宽的多组分混合物可采用“程序升温法”，使混合物中低沸点和高沸点的组分都能获得良好的分离。色谱柱长和内径的选择：能使待测组分达到预期的分离效果，尽可能使用较短的色谱柱。一般常用的填充柱为l3m，填充色谱柱内径为34mm。进样时间选择：进样迅速(塞子状)防止色谱峰扩张。进样量的选择：在检测器

11、灵敏度允许下，尽可能少的进样量：液体样0.110uL,气体试样为0.110mL。【板书】4.检测系统：主要部件是检测器。把样品的物理化学信号转变成电流信号的一种装置。热导池检测器，常用 TCD 表示。是根据当载气中混有其他气体时，载气的热导率要发生改变的原理制成的。基本原理(惠斯登电桥原理)： 热导池作为检测器，是基于不同的物质具有不同的热导系数。当电流通过钨丝被加热到一定温度，钨丝的电阻值也就增加到一定值(一般金属丝的电阻值随温度升高而增加)。在未进试样时，通过热导池两个池孔(参比池和测量池)的都是载气。由于载气的热导作用使钨丝的温度下降，电阻减小，此时热导池的两个池孔中钨丝温度下降和电阻减

12、小的数值是相同的。在试样组分进入以后，载气流经参比池，而载气带着试样组分流经测量池，由于被测组分与载气组成的混合气体的热导系数和载气的热导系数不同，因而测量池中钨丝的散热情况就发生变化，使两个池孔中的两根钨丝的电阻值之间有了差异。此差异可以利用电桥测量出来。电桥平衡时：R1R4 =R2R3 。在载气流速恒定时，在两池中的钨丝温度下降和电阻减小的数值是相同的，即 R1 = R2 ，因此当两个池都通过载气时，处于平衡状态,能满足(R1+R1)R4 =(R2+R2)R3 。此时C、D 两端的电位相等，E=0,就没有信号输出，电位差计记录的是一条零位直线，称为基线。如果从进样器注入试样，经色谱柱分离后

13、，由载气先后带入测量池。此时由于被测组分与载气组成的二元导热系数与纯载气不同，使测量池中钨丝散热情况发生变化，导致测量池中钨丝温度和电阻值的改变，而与只通过纯载气的参比池内的钨丝的电阻值之间有了差异，这样电桥就不平衡，即：R1 R2，(R1+R1)R4 (R2+R2)R3 。这时电桥 C、D之间产生不平衡电位差，就有信号输出。在记录纸上即可记录出各组分的色谱峰。氢火焰离子化检测器，简称氢焰检测器，常用 FID 表示。是根据气体的导电率与该气体中所含带电离子的浓度呈正比这一事实而设计的。一般情况下，组分蒸汽不导电，但在能源作用下，组分蒸汽可被电离生成带电离子而导电。a.氢焰检测器的结构：氢焰检测

14、器主要部分是一个离子室。离子室一般用不锈钢制成，包括气体入口，火焰喷嘴，一对电极和外罩。b.火焰离子化检测器的工作原理：被测组分被载气携带，从色谱柱流出，与氢气混合一起进入离子室，由毛细管喷嘴喷出。氢气在空气的助燃下经引燃后进行燃烧，以燃烧所产生的高温(约 2100 ) 火焰为能源，使被测有机物组分电离成正负离子。在氢火焰附近设有收集极(正极)和极化极(负极)，在两极之间加有 150V 到 300V 的极化电压，形成一直流电场。产生的离子在收集极和极化极的外电场作用下定向运动形成电流并被收集，经微电流放大器放大，信号输入记录仪。 检测器的分类： a.浓度型检测器：测量的是载气中某组分浓度瞬间的

15、变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。如热导池检测器和电子捕获检测器等。 b.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，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的质量成正比。如氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。 检测器的性能指标灵敏度(高),稳定性(好),响应(快),线性范围(宽)。灵敏度应答值：单位物质量通过检测器时产生的信号大小。响应信号(R)进样量(Q)作图,可得到通过原点的直线，该直线的斜率就是检测器的灵敏度，以S表示。 火焰离子化检测器应用：对电离势低于H2的有机物产生响应，而对无机物，久性气体和水基本上无响应，所以火焰离子化检测器只能分析有机物(含碳化合物

16、)，不适于分析惰性气体、空气、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2及H2S等。【板书】5.记录系统：由微电流放大器和记录仪组成。 微电流放大器：把检测器收集到的微弱电流加以放大，使之有足够的输出功率从而使记录仪工作的一种装置。 记录仪：能自动记录电信号在装置，现多采用微机处理，把记录系统和数据处理系统合二为一。二、气相色谱仪的使用及注意事项使用检测器时，应选择适当的载气和工作电流。为了保护热丝，对于热导池检测器：开机时要先通载气后通电，关机时要先断电后停载气；对氢火焰离子化检测器，不点火时严禁通氢气，通了氢气后要及时点火，并保证火焰是点着的。关机时先关氢气、空气，在关各电器部件的电源，待层析

17、室温度降至近室温时再关载气。10-4 气相色谱法的定性和定量分析【板书】一、定性分析气相色谱的优点是能对多种组分的混合物进行分离分析，(这是光谱，质谱法所不能的)。但由于能用于色谱分析的物质很多，不同组分在同一固定相上色谱峰出现时间可能相同，就凭色谱峰对未知物定性有一定困难。对于一个未知样品，首先要了解它的来源，性质，分析目的；在此基础上，对样品可有初步估计；再结合已知纯物质或有关的色谱定性参考数据，用一定的方法进行定性鉴定。【板书】1.利用保留值定性：在相同实验条件下，分别测定未知物和已知物的保留值，通过对照初步判定某色谱峰所代表的物质。【板书】2.利用保留指数定性：将待测物的保留指数计算出

18、来，根据所用固定相和样温直接与文献数据对照，即可确定物质的组分。【板书】二、定量分析 依据：检测器对某一组分i的响应信号(峰面积Ai或峰高hi)与该组分通过检测器的含量(质量mi或浓度Ci)成正比。 或 式中：fi 面积校正因子fhi峰高校正因子要准确进行定量分析，必须准确地测量响应信号，求出定量校正因子fi 或fhi，以上两式是色谱定量分析的理论依据。【板书】1.峰面积的测量 峰高乘半峰宽法（对称峰）：A1.065hWh/2（1.065校正系数）峰高乘平均峰宽法（不对称峰）：在峰高0.15和0.85处分别测出峰宽，由上式计算峰面积，此法测量时较麻烦，但计算结果较准确。【板书】2.定量校正因子

19、 由于同一检测器对不同物质的响应值不同，所以当相同质量的不同物质通过检测器时，产生的峰面积(或峰高)不一定相等。为使峰面积能够准确地反映待测组分的含量，就必须先用已知量的待测组分测定在所用色谱条件下的峰面积，以计算定量校正因子。 式中： fi 绝对校正因子，即是单位峰面积所相当的物质量。它与检测器性能、组分和流动相性质及操作条件有关，不易准确测量。在定量分析中常用相对校正因子，即某一组分与标准物质的绝对校正因子之比。 式中： Ai、As分别为组分和标准物质的峰面积； mi、ms分别为组分和标准物质的量。mi、ms可以用质量或摩尔质量为单位，其所得的相对校正因子分别称为相对质量校正因子和相对摩尔

20、校正因子，用 fm 和 fM 表示。使用时常将“相对”二字省去。校正因子一般都由实验者自己测定。准确称取组分和标准物，配制成溶液，取一定体积注入色谱柱，经分离后，测得各组分的峰面积，再由上式计算fm 或 fM 。【板书】3.定量分析结果计算【板书】归一化法：如果试样中所有组分均能流出色谱柱，并在检测器上都有响应信号，均能出现色谱峰，即可用此法计算各待测组分的含量。其计算公式如下： 例题：课本P180 （例101）特点：归一化法简便，准确，进样量多少不影响定量的准确性，操作条件的变动对结果的影响也较小，尤其适用多组分的同时测定。试样中所有组分必须全部出峰，需测定校正因子和控制一定条件。【板书】内标法:当试样中所有组分不能全部出峰，只需测定能出峰的某一个或几个组分的含量时，