近代仪器分析：气相色谱法

1、色谱分析法,色谱法的分离原理,利用样品混合物中各组分理、化性质的不同以及在两相间分配系数的差异, 当两相相对移动时，各组分在两相中反复多次重新分配，结果使混合物得到分离。 两相中，固定不动的一相称固定相(Stationary phase)；移动的一相称流动相(Mobile phase)。,色谱法,气相色谱法,第一节 概述,气相色谱法：以气体为流动相的柱色谱分离技术,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-进样器；8-色谱柱; 9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；,气相色谱仪,三、气相色谱法的特点和应用,“三高” “一快” “

2、一广”,第二节 气相色谱法的基本原理,一、基本概念 二、塔板理论（平衡理论） 三、速率理论,理论基础,一、基本概念,1流出曲线和色谱峰 2基线、噪音和漂移 3保留值：色谱定性参数 4色谱峰的区域宽度：色谱柱效参数,1流出曲线和色谱峰,流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线 色谱峰：流出曲线上突起部分,不对称因子,fs在0.951.05之间,fs小于0.95,fs大于1.05,2基线、噪音和漂移,基线：当没有待测组分进入检测器 时，反映检测器噪音随时间 变化的曲线（稳定平直直线） 噪音：仪器本身所固有的，以噪音 带表示（仪器越好，噪音越小） 漂移：基线向某个方向稳定移动 （仪器未稳定造成）

3、,3保留值：色谱定性参数,保留时间tR：从进样开始到组分出现浓度极大点时 所需时间，即组分通过色谱柱所需要的时间 死时间tm：不被固定相溶解或吸附的组分的保留时 间（即组分在流动相中的所消耗的时间），或流动 相充满柱内空隙体积占据的空间所需要的时间，又 称流动相保留时间,调整保留时间tR：组分的保留时间与死时间之差值， 即组分在固定相中滞留的时间,保留体积VR：从进样开始到组分出现浓度极大点时 所消耗的流动相的体积,死体积Vm：不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流 动相的体积，又指色谱柱中未被固定相所占据的空 隙体积，即色谱柱的流动相体积（包括色谱仪中的 管路、连接头的空间、以及进样器和检测器的

4、空间）,调整保留体积VR：保留体积与死体积之差，即组分 停留在固定相时所消耗流动相的体积,相对保留值ri,s（选择性系数）：调整保留值之比,分配系数,一定温度下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度比,K只与固定相和被分离物质的性质有关,K值的差别是分离的先决条件，差别越大，分离的可能性越大,K值大的组分后出峰,4色谱峰的区域宽度：色谱柱效参数,峰宽W：正态分布色谱曲线两拐点切线与基线相交 的截距,标准差：正态分布色谱曲线两拐点距离的一半 对应0.607h处峰宽的一半 注：小，峰窄，柱效高 半峰宽W1/2：峰高一半处所对应的峰宽,色谱曲线所提供的信息,色谱峰的个数 - 样品中所含组分的最

5、小个数,保留值 - 定性,面积（峰高）- 定量,峰间距 - 评价固定相（流动相）选择是否合适,5相平衡参数,容量因子（容量比，分配比）k：指在一定温度和压力下，组分在色谱柱中达分配平衡时，在固定相与流动相中的质量比更易测定,分配系数K ：,二、塔板理论,色谱柱每个H高度内有一块塔板，共有若干块塔板 组分在每块塔板两相间分配达平衡，K小的先出柱 多次分配平衡，K有微小差异组分仍可获较好分离,（一）塔板理论四个基本假设 （二）色谱峰的二项式分布 （三）色谱峰的正态分布 （四）理论板数和理论塔板高度的计算,假想：,（一）塔板理论的四个基本假设,1在柱内一小段高度内组分分配瞬间达平衡 （H理论塔板高度

6、） 2载气非连续而是间歇式（脉动式）进入色谱柱， 每次进气一个塔板体积 3样品和载气均加在第0号塔板上，且忽略样品 沿柱方向的纵向扩散 4分配系数在各塔板上是常数,（四）理论板数和理论塔板高度的计算,理论塔板高度H为使组分在柱内两相间达到 一次分配平衡所需要的柱长 理论塔板数N组分流过色谱柱时，在两相间 进行平衡分配的总次数,小结,塔板理论的贡献：从热力学角度 提出了评价柱效高低的n和H的计算式,塔板数 n是色谱柱的特征参数。当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。,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

7、的指标时，应指明测定物质。,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。,四、速率理论,（一）塔板理论优缺点 （二）Van Deemteer 方程式,（一）塔板理论优缺点,成功处： 解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的tR 评价柱效（n，H）,存在问题: 1）做出了四个与实际不相符的假设 忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程 2）只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的 影响因素 3）排除了一个重要参数流动相的线速度u， 因而无法解释柱效与流速关系 更无法提出降低板高的途径,（二）Van Deemteer 方程式,吸收了塔

8、板理论的有效成果H， 并从动力学角度较好地解释了影响柱效的因素,1. 涡流扩散项（多径扩散项）：A,产生原因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒 的阻力路径不同涡流扩散 next,影响因素：固体颗粒越小，填充越实，A项越小,讨论：,注：颗粒太小，柱压过高且不易填充均匀 填充柱60100目 空心毛细管柱（0.10.5mm），A=0，n理较高 next,2. 纵向扩散项（分子扩散项）：B/u,产生原因： 峰在固定相中被流动相推动向前、展开 两边浓度差,影响因素：,讨论：,注：为降低纵向扩散，宜选用分子量较大的载气、 控制较高线速度和较低的柱温,选择载气原则：兼顾分析时间和减小纵向扩散 u 较小时，

9、选M较大的N2气（粘度大） u 较大时，选M较小的H2气，He气（粘度小）,3. 传质阻抗项：Cu,产生原因：样品在气液两相分配，样品未及溶解就 被带走，从而造成峰扩张,影响因素：,讨论：,注：固定液应完全覆盖载体表面，不可以太薄， 否则柱子寿命短，k太小； T不可以超过固定液最佳使用温度,小结：范氏方程说明了在色谱分离条件的选择中，填充 均匀程度、填充物的粒度、流动相的种类及流速、 固定相的液膜厚度等对柱效和峰展宽的影响,分离度,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谱过程中两种因素的综合影响：保留值之

10、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。 色谱分离中的四种情况如图所示：, 柱效较高，K(分配系数)较大,完全分离； K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离； 柱效较低，K较大,但分离的不好； K小，柱效低，分离效果更差。,1分离度定义式,分离度：相临两组分间峰顶间距离是峰底宽平均值的几倍 （衡量色谱分离条件优劣的参数）,讨论：,令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：,结论：,增加柱效（n有效）是提高分离度的一个直接有效手段 提高柱效：增加柱长；降低板高 根据速率理论，降低板高，提高柱效的方法是： 1）采用粒度较小

11、、均匀填充的固定相（A项 ） 2）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项 ） 3）适宜的操作条件： 流动相的性质和流速，柱温等等（B项 ） 选用分子量较大、线速度较小的载气N2气， 控制较低的柱温,第三节 气相色谱柱及分离条件的选择,色谱柱组成,一、气液分配色谱柱 二、气固吸附色谱柱,一、气-液分配色谱柱,固定相：载体+固定液,（一）载体 （二）固定液,（一）载体,1作用：承载固定液的作用,2要求： 比表面积大（多涂渍固定液） 无吸附性（不吸附被测组分） 化学惰性（不与固定液发生化学反应） 热稳定性好 一定的机械强度，不易破碎； 颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、80100目。,3分类： （

12、1）硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒 红色：吸附力强，与非极性物质配伍 白色：吸附力弱，与极性物质配伍,红色担体：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。 缺点是表面存有活性吸附中心点。 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。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。,4载体的处理方法钝化，减弱吸附性 酸洗：用于分析酸类和酯类 碱洗：用于分析胺类等碱性化合物 硅烷化：用于具有形成氢键能力的较强的化合物 表面釉化,（2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球， 氟塑载体，含氟化合物,填充柱气液色谱

13、担体一览表,（二）固定液,1要求： （1）操作柱温下固定液呈液态（易于形成均匀液膜） （2）操作条件下固定液热稳定性和化学稳定性好 （3）固定液高沸点难挥发（柱寿命长，检测本底低） （4）固定液对样品应有较好的溶解度及选择性,2分类： 化学分类法 极性分类法,化学分类法,极性分类法：,a相对极性法,b固定液常数法（罗氏特征常数法和麦氏常数法）,规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零， ，氧二丙睛的相对极性为100，,3固定液的选择：,（1）按相似相溶原则选择 （2）按组分性质的主要差别选择,（1）按相似相溶原则选择,a按极性相似原则选择： 固定液与被测组分极性“相似相溶”，选择性好 非极性组分

14、选非极性固定液， 按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱 中等极性组分选中等极性固定液， 基本按沸点顺序出柱 强极性组分选极性固定液 按极性顺序出柱，极性强的后出柱,注：对于中等极性组分，若沸点相同， 则按极性顺序出柱，极性较强的后出柱,b按化学官能团相似选择： 固定液与被测组分化学官能团相似，作用力强， 选择性高 酯类选酯或聚酯固定液 醇类选醇类或聚乙二醇固定液,（2）按组分性质的主要差别选择,组分的沸点差别为主 选非极性固定液 按沸点顺序出柱 沸点低的先出柱 组分的极性差别为主 选极性固定液 按极性强弱出柱 极性弱的先出柱,例：苯（80.10C），环己烷（80.70C） 选非极性柱 分不开； 选中

15、强极性柱 较好分离，环己烷先出柱,醇、胺、水等强极性和能形成氢键化合物的分离： 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。,二、气-固吸附色谱柱,固定相： 1）吸附剂活性炭（非极性） 硅胶，AL2O3（极性，吸附力强） 2）分子筛：吸附+分子筛 3）高分子多孔微球GDX 有机合成高分子聚合物 吸附+分配机制,活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。 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。 硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除

16、能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。,分子筛： 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。 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。,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；

17、（3）种类有限，能分离的对象不多； （4）使用方便。,分离条件的选择：,色谱条件包括分离条件和操作条件 分离条件是指色谱柱 操作条件是指载气流速、进样条件及检测器,1色谱柱的选择 2柱温的选择 3载气与流速的选择 4进样条件的选择,1色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）,（1）固定相的选择 （2）柱长的选择,（1）固定相的选择,固定液的选择： 1）按 “相似相溶”原则：极性相似或官能团相似 2）按组分性质主要差别： 沸点相差大的选非极性固定液 沸点相差小的选极性固定液 3）柱温 固定液最高使用温度防止固定液流失,载体的选择：种类，粒度，分布,固定液配比的选择： 配比：固定液在担体上的涂渍量，一般

18、指的是固定液与担体的百分比，配比通常在5%25%之间。 高沸点组分比表面积小的载体 低固定液配比（1%3%） 低柱温 低沸点组分高固定液配比（5%25%） 加大k值，达到良好分离 配比越低，担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；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。,（2）柱长的选择,注：根据R1.5选择L，不可以无限延长柱子。 填充色谱柱的柱长通常为13米，内径34厘米。,2柱温的选择,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，被测组分的挥发

19、度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。 对于难分离物质，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时的温度，宽沸程样品应采用程序升温。,续前,程序升温好处： 改善分离效果 缩短分析周期 改善峰形 提高检测灵敏度,1. 载气种类的选择 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

20、尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。 热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。 在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。,2. 载气流速的选择 作图求出最佳流速。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。,3载气与流速的选择,4进样条件的选择,气化室温度一般稍高于样品沸点 检测室温度应高于柱温30500C 进样量不可过大，否则造成拖尾峰,注： 检测器灵敏度足够进样量尽量小 最大允许进样量使理论塔板数降低10%的进样量,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，1

21、0L等。 进样要求动作快、时间短。 气体试样应采气体进样阀进样。,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。,第四节 检测器,检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为 电信号的装置,一、气相色谱检测器分类 二、常用检测器的特点和检测原理 三、检测器的性能指标,一、气相色谱检测器分类：按检测原理分,浓度型检测器：测量组分浓度的变化 响应值与组分的浓度成正比（TCD）,质量型检测器：测量组分质量流速的变化 响应值与单位时间进入检测器的 组分质量成正比（FID）,二、常用检测器的特点和检测原理,（一）热

22、导检测器（TCD） （二）氢焰检测器（FID） （三）电子捕获检测器（ECD） （四）具有定性功能的检测器（联用技术）,（一）热导检测器（TCD）,1特点 2结构 3检测原理 4影响因素,1特点：浓度型检测器,优点： 1）通用型，应用广泛 2）结构简单 3）稳定性好 4）线性范围宽 5）不破坏组分，可重新收集制备,缺点：与其他检测器比灵敏度稍低 （因大多数组分与载气热导率差别不大）,2结构,检测原理：,不同的气体有不同的热导系数，依据组分与载气的热导率差别进行检测 。,钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参R2=R测R1 无电压信号输出；记录仪走直

23、线（基线）。 进样后，载气携带试样组分流过测量臂, 而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 则： R参R2R测R1 这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。,影响热导检测器灵敏度的因素,桥路电流I ： I，钨丝的温度 ，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。 池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，

24、以防止试样组分在检测器中冷凝。 载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。,（二）氢焰检测器（FID）,1特点 2结构 3检测原理和离子化机理,1特点：质量型检测器,优点：专属型检测器（只能测含C有机物）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。 具有结构简单、稳定性好、灵敏度高（比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限达10-12gg-1 ）、响应迅速、线性范围宽等特点。,缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回收 （制备纯物质，不采用）,

25、氢焰检测器的结构：,(1) 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。 (2) 氢焰检测器需要用到三种气体： N2 ：载气携带试样组分； H2 ：为燃气； 空气：助燃气。 使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。,氢焰检测器的原理,1.当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ： CnHm CH 2.产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应： CH + O CHO+ + e 3.生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应： CHO+ + H2O H3O+ + CO

26、,A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区： 温度最高 D层：反应区,影响氢焰检测器灵敏度的因素,各种气体流速和配比的选择： N2流速的选择主要考虑分离效能， N2 H2 = 1 11 1.5 氢气 空气=1 10。 极化电压： 正常极化电压选择在100300V范围内。,（三）电子捕获检测器 (ECD),高选择性检测器 仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g /mL， 对大多数烃类没有响应。 较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。,（四）具有定性功能的检测器（联用技术）,质谱作为色谱的检测器使用需要解决四个问题： （1）色谱柱出口压力与质谱

27、仪高真空之间的匹配； （2）试样组分与载气的分离； （3）质谱对色谱流出峰的快速测定（电子计算机解决）； （4）质谱仪的小型化（小型化的质量分析器）。,第一和第二个问题的解决： 采用分子分离器； 分子分离器类型： 微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。 喷射式分子分离器： 由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中，如图所示。可做成多级。,三、检测器的性能指标,（一）噪声与漂移 （二）灵敏度 （三）检测限,（一）噪声与漂移,1噪声：无样品通过时，由仪器本身和工作条件等 偶然因素引起基线的起伏称为,2漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为 （以一小时内的基线水平变化来表示）,（二）灵敏度（响应

28、值，应答值）,1浓度型检测器的灵敏度（Sc）,灵敏度越高，噪音越大,2质量型检测器的灵敏度（Sm）,（三）检测限（敏感度）： 组分峰高为噪音二倍时的灵敏度 检测限小，仪器性能好,质量型检测器,浓度型检测器,第五节 定性定量分析,一、定性分析 二、定量分析,一、定性分析,1利用保留值定性 1）已知对照物定性：定性专属性差 注：不同组分如在某一色谱条件下保留值相同，应 更改色谱柱再检测，初步推算是否为一个纯物质峰 2）相对保留值定性 2 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。,3利用化学反应定性：收集柱后组分，官能团反应 定性鉴别（非在线） 4利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR,二、定量分析：,以峰高或峰面积定量,（一）峰面积的测量 （二）定量校正因子 （三）定量方法,（一）峰面积的测量,2非正常峰（不对称峰）,1对于正常峰,3自动求和（自动积分仪或色谱工作站）： 直接给出A，h，W1/2,注：当色谱操作条件一定时，在一定进样量范围内 （不超载），W1/2与进样量无关,A = 1.