气相色谱法及其应用

1、气相色谱法及其应用气相色谱法及其应用指导教师：指导教师：赵建军赵建军 主要内容主要内容 气相色谱法的基本理论气相色谱法的基本理论 气相色谱仪的构造及各部分功能气相色谱仪的构造及各部分功能 气相色谱分析方法及其应用气相色谱分析方法及其应用 色谱法引论色谱法引论 “色谱法色谱法” 名称的由来名称的由来石油醚石油醚(流动相流动相)碳酸钙碳酸钙( (固定相固定相) )色色谱谱带带是利用混合物不同组分在是利用混合物不同组分在和和中分配系数中分配系数(或吸附系数、渗透或吸附系数、渗透性等性等)的差异，使不同组分在作相对的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分运动的两相中进行反复分配，实现

2、分离的分析方法。离的分析方法。色谱法色谱法 色谱法的分类色谱法的分类根据流动相的根据流动相的物态可分为物态可分为气相色谱气相色谱(GC)液相色谱液相色谱(LC)超临界流体色谱超临界流体色谱(SFC)根据分离机理根据分离机理可分为可分为吸附色谱吸附色谱分配色谱分配色谱离子交换色谱离子交换色谱排阻色谱排阻色谱第一部分：第一部分：气相色谱基本理论一、简介一、简介: :气相色谱法（气相色谱法（GCGC）是英国生物化学家）是英国生物化学家 Martin A Martin A T PT P等人在研究液液分配色谱的基础上，于等人在研究液液分配色谱的基础上，于19521952年创年创立的一种极有效的分离方法它

3、可分析和分离复杂的多立的一种极有效的分离方法它可分析和分离复杂的多组分混合物。组分混合物。 目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处理机，使得气相色谱法成为一种分析速度测器及微处理机，使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。如气相色谱快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。如气相色谱与质谱（与质谱（GCGCMSMS）联用、气相色谱与）联用、气相色谱与FourierFourier红外光红外光谱谱(GC(GCFTIRFTIR）联用、气相色谱与原子发射光谱（）联用、气相色谱与原子发射光谱（GCGCAESAES）联用等。）联用

4、等。二、二、分类气相色谱法可分为气固色谱（气相色谱法可分为气固色谱（GSCGSC）和气液色谱（）和气液色谱（GLCGLC）nGSCGSC是用多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永是用多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物；久性的气体和低沸点的化合物；nGLCGLC的固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上由的固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上由于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广泛。泛。 三、三、气相色谱分离原理 当载气携带样品进入色谱柱时，基于不同组分在两当载气携带样品进入色谱柱时，基于不同组

5、分在两相间的溶解或吸附能力不同（分配系数不同），当两相相间的溶解或吸附能力不同（分配系数不同），当两相作相对运动时，试样中各组分就在两相中进行反复多次作相对运动时，试样中各组分就在两相中进行反复多次的分配，使得原来分配系数只有微小差异的各组分产生的分配，使得原来分配系数只有微小差异的各组分产生很大的分离效果，从而各组分彼此得以分离开来很大的分离效果，从而各组分彼此得以分离开来 四、分离分析中的应用四、分离分析中的应用气体、易挥发的物质及可转化为易挥气体、易挥发的物质及可转化为易挥发化合物的液体或固体物质发化合物的液体或固体物质适用对象适用对象1、适用对象、适用对象2 2、应用领域1）石油化工分

6、析石油化工分析原油分析，炼厂气分析，油品分析，油品添加剂分析原油分析，炼厂气分析，油品分析，油品添加剂分析等等2）环境分析环境分析大气污染分析，饮用水分析，水资源分析，土壤分析大气污染分析，饮用水分析，水资源分析，土壤分析等等3）食品分析食品分析农药残留分析，香精香料分析，食品添加剂分析等农药残留分析，香精香料分析，食品添加剂分析等4）药物和临床分析药物和临床分析血液中乙醇，麻醉剂及氨基酸的分析；某些挥发性药血液中乙醇，麻醉剂及氨基酸的分析；某些挥发性药品的分析品的分析第二部分第二部分 气相色谱仪系统及功能气相色谱仪系统及功能GC工作过程示意图工作过程示意图载气系统载气系统进样系统进样系统分离

7、系统分离系统检测和检测和记录系统记录系统温控系统温控系统一、载气系统一、载气系统常用载气：常用载气：氮气氮气、氦气氦气、氢气氢气及氩气及氩气气源气源净化干燥管净化干燥管载气流速控制装置载气流速控制装置 载气系统载气系统载气选择依据载气选择依据检测器检测器柱效柱效 二、进样系统二、进样系统注射器注射器气化室气化室进样系统进样系统 进样器进样器气化室气化室温度比柱温高温度比柱温高出出1050取样位置取样位置 试样导入色谱柱试样导入色谱柱六通阀进样器六通阀进样器三、分离系统三、分离系统( (色谱柱色谱柱) ) 分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用

8、是分离样品。色谱柱主要有两类：填件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。充柱和毛细管柱。 1.1.毛细管柱毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径在内径0.050.050.5mm0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。料可以是不锈钢，玻璃或石英。 毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充往相比，其分离效子可以做到长几十米。与填充往相

9、比，其分离效率高（理论塔板数可达率高（理论塔板数可达10106 6）、分析速度块、样品）、分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。并且制备较难。 色谱柱色谱柱填充柱填充柱毛细管柱毛细管柱柱内径柱内径1-10 mm0.05-0.5 mm柱长度柱长度 0.5-10 m10-150 m总塔板数总塔板数103 106样品容量样品容量 10-1000 0.1-502.2.填充柱填充柱 填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为一般内径为1 110 mm10 mm，长，长0.50.

10、510m10m。填充柱的形状。填充柱的形状有有U U型和螺旋型二种。型和螺旋型二种。g g 固定液的选择原则固定液的选择原则“相似相溶相似相溶”a. 非极性物质非极性物质非极性固定液非极性固定液。 沸点沸点越低的组分越早出峰。越低的组分越早出峰。b. 极极性物质性物质极性固定液极性固定液。 极性极性越小的组分出越早出峰。越小的组分出越早出峰。c. 极极性与非极性混合物性与非极性混合物极性固定液极性固定液。 极性越小的组分出越早出峰。极性越小的组分出越早出峰。d. 易易形成氢键物质形成氢键物质极性或氢键型固定液。极性或氢键型固定液。 不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键不易形成氢键的组分先出峰，

11、易形成氢键的组分后出峰。的组分后出峰。e. 复杂难分离样品复杂难分离样品多种固定液混合多种固定液混合固定液固定液极性极性适用范围适用范围100二甲基聚硅氧二甲基聚硅氧烷烷非极性非极性脂肪烃化合物，石脂肪烃化合物，石化产品化产品(50三氟丙基三氟丙基)甲基甲基聚硅氧烷聚硅氧烷中等极性中等极性极性化合物，如高极性化合物，如高级脂肪酸级脂肪酸聚乙二醇聚乙二醇中强极性中强极性极性化合物，如醇、极性化合物，如醇、羧酸酯等羧酸酯等常用毛细管色谱柱固定液常用毛细管色谱柱固定液四、控温系统四、控温系统n在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器

12、的灵敏直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对度和稳定性。控制温度主要指对色谱柱、气色谱柱、气化室、检测器化室、检测器三处的温度控制。三处的温度控制。 n色谱柱的温度控制方式有：色谱柱的温度控制方式有： 恒温和程序升温恒温和程序升温n程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由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，以达到用低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。最短时间获得最佳分离的目的。 n对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。升温法进行分析。程序升温程序升温50

13、250，8/min恒温恒温150 正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较程序升温不仅可以改善分离，而且可程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。以缩短分析时间。五、检测系统五、检测系统 气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。目前检测器的种类多达或质量转换成电信号的装置。目前检测器的种类多达数十种。根据检测原理的不同，可将其分为浓度型检数十种。根据检测原理的不同，可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种：测器和质量型检测器两种： n （l l）浓度型检测器浓度型检测器 测量的是载气中某组

14、分浓测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。如热导检测器和电子捕获检测器。比。如热导检测器和电子捕获检测器。n （2 2）质量型检测器质量型检测器 测量的是载气中某组分进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量成正比。如火焰离子化检测内进入检测器某组分的量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。器和火焰光度检测器等。1 . 热导池检测器热导池检测器 (TCD)参比参比测量测量R1R2AB工作原理：纯载气是一条工作原理

15、：纯载气是一条直线，当有有试样气通过直线，当有有试样气通过时，由于导热系数与载气时，由于导热系数与载气不同，测量池中热敏电阻不同，测量池中热敏电阻上的温度发生变化，其阻上的温度发生变化，其阻值随之改变，电桥平衡遭值随之改变，电桥平衡遭破坏，破坏，ABAB两点间的电位不两点间的电位不再相等，记录仪上即出现再相等，记录仪上即出现峰电位。待测组分的导热峰电位。待测组分的导热系数越大，测量池中热敏系数越大，测量池中热敏电阻上的温度变化越大，电阻上的温度变化越大，其电阻值也越大。其电阻值也越大。利用载气与组分热导系数的差异进行测量利用载气与组分热导系数的差异进行测量影响热导检测器灵敏度的因素影响热导检测

16、器灵敏度的因素载气种类；载气种类；热丝工作电流；热丝工作电流；热丝与池体温度差。热丝与池体温度差。适用范围适用范围 测量对象：通用测量对象：通用 色谱柱：填充柱色谱柱：填充柱 2 .氢氢火焰离子化检测器火焰离子化检测器 (FID) CH6HC66裂解裂解 CHO6e6O3CH62 OH6CO6OH6CHO632火焰离子化机理火焰离子化机理 火焰离子化检测器是以火焰离子化检测器是以氢气和空气燃烧的火焰氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有作为能源，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，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

17、产生的电信号强度进行（被色谱柱分离出的）组分的检测。根据离子流产生的电信号强度进行（被色谱柱分离出的）组分的检测。 适用范围适用范围 含碳有机化合物含碳有机化合物 影响检测灵敏度的因素影响检测灵敏度的因素 氢氮比；空气流量；极化电压。氢氮比；空气流量；极化电压。3 .3 .电子捕获检测器电子捕获检测器 (ECD)(ECD) eNN22 ABeABABNNAB22 电子电子捕获机理捕获机理 适用范围适用范围 卤素及亲电子物质卤素及亲电子物质其主要缺点是不能检测永久性气体、水、一氧化碳、其主要缺点是不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等物质。二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等

18、物质。饮用水中三卤甲烷色谱图饮用水中三卤甲烷色谱图水水氯氯氯仿氯仿二氯溴甲烷二氯溴甲烷二溴氯甲烷二溴氯甲烷溴仿溴仿4、火焰光度检测器火焰光度检测器 (FPD) 222SOCOO2RS S2OH4H4SO222 *2C390SSS )nm394(hSSmax*2 )nm526(hHPOHPOmax* 响应机理响应机理 适用范围适用范围 含硫、磷化合物含硫、磷化合物含磷化合物含磷化合物含硫化合物含硫化合物三三九九一一一一乙乙拌拌磷磷地地亚亚农农倍倍硫硫磷磷对对硫硫磷磷丙丙硫硫磷磷乙乙硫硫磷磷乙乙丙丙硫硫磷磷谷谷硫硫磷磷壤壤虫虫磷磷丰丰索索磷磷蝇蝇毒毒磷磷马马拉拉硫硫磷磷一一0五九五九5、质谱检测器

19、、质谱检测器毛毛细细管管柱柱接口接口离子源离子源离子检测器离子检测器加加热热器器温温度度传传感感器器n电子轰击电子轰击n化学电离化学电离n场致电离场致电离n激光激光n-均属于离子源均属于离子源n基线：是柱中仅有流基线：是柱中仅有流动相通过时，检测器动相通过时，检测器 响应讯号的记录值响应讯号的记录值 。稳定的基线应该是一稳定的基线应该是一条水平直线条水平直线n峰高：色谱峰顶点与峰高：色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，基线之间的垂直距离，以以h h表示表示 。n峰宽：色谱峰两侧拐峰宽：色谱峰两侧拐点上的切线在基线上点上的切线在基线上的截距的截距 ，以，以W W表示。表示。n半峰宽：峰高一半时半峰宽

20、：峰高一半时峰的宽度，以峰的宽度，以W1/2W1/2表表示。示。一、色谱图一、色谱图第三部分气相色谱分析方法及应用第三部分气相色谱分析方法及应用二、保留值定性分析依据二、保留值定性分析依据1 .1 .死时间死时间t t0 00tLu 流动相流动相平均线速度平均线速度柱长柱长2 .保留时间保留时间tr3 .校正校正(调整调整)保留时间保留时间4 4 . .死体积死体积V V0 0cFtV 005 5 . . 保留体积保留体积V Vr rcrrFtV 6 6 . .校正校正( (调整调整) )保留体积保留体积三、峰高与峰面积定量分析的依据三、峰高与峰面积定量分析的依据四、区域宽度柱效四、区域宽度柱

21、效峰底宽度峰底宽度W半峰宽半峰宽W1/2标准偏差标准偏差 35. 242/1WW五、五、 分离度分离度)WW()tt (2)WW(21ttR211r2r211r2r 定义：定义：tr2, tr1: 组分组分2和组分和组分1的保留时间的保留时间W2, W1: 组分组分2和组分和组分1的峰底宽度的峰底宽度R=1.5完全分离完全分离六、色谱流出曲线上的信息六、色谱流出曲线上的信息1. 根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。2. 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。3. 根据色谱峰的面积或峰高根据色谱峰的面积

22、或峰高, 可以进行定量分析可以进行定量分析4. 色谱峰的保留值及其区域宽度是评价色谱柱分离效能的依据色谱峰的保留值及其区域宽度是评价色谱柱分离效能的依据5. 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(或流动相或流动相)选择是否合选择是否合适的依据。适的依据。 七、气相色谱定性与定量分析方法七、气相色谱定性与定量分析方法（一）定性分析（一）定性分析用已知纯物质用已知纯物质 对照定性对照定性保留值定性保留值定性峰高增加法定峰高增加法定性性 （二）定量分析（二）定量分析 任何一种物质，在色谱分析的过程中，任何一种物质，在色谱分析的过程中，其峰高或峰面积与其存在的的浓度或含量其峰高或峰面积与其存在的的浓度或