chapter 2_气相色谱分析

1、授课人：焦哲授课人：焦哲主要内容主要内容固定相选固定相选择、检测择、检测器、定性器、定性定量方法定量方法概述、分概述、分析理论基析理论基础、分离础、分离条件选择条件选择解决哪解决哪些实际些实际问题问题气相色谱气相色谱概论概论气相色谱气相色谱构造构造毛细管毛细管气相色谱气相色谱应用应用 2-1 气相色谱法概述4色谱法特点色谱法特点v色谱作为一种分析方法，它的最大特点在于色谱作为一种分析方法，它的最大特点在于能将一个复杂的混合物能将一个复杂的混合物分离分离为各个有关的组为各个有关的组成。成。v本质上讲，色谱是一个本质上讲，色谱是一个分离过程分离过程，一个建立，一个建立在在吸附吸附、分配分配、离子交

2、换离子交换、亲和力亲和力和和分子尺分子尺次次基础上的分离过程。基础上的分离过程。v快速、高效、灵敏快速、高效、灵敏55利用混合物中各组份在不同的两相中溶解利用混合物中各组份在不同的两相中溶解, ,分配分配, ,吸吸附等化学作用性能的差异附等化学作用性能的差异。 两相中有一相是固定的两相中有一相是固定的, ,叫作叫作固定相固定相, ,有一相是有一相是流动的流动的, ,称为称为流动相流动相，流动相流动相又叫又叫洗脱剂洗脱剂。固定相固定相流动相流动相迁移迁移平衡平衡固定相固定相流动相流动相色谱色谱基本基本原理原理二二. .色谱法的分类色谱法的分类 气相色谱法气相色谱法1 1按固定相与流动相的物态分类

3、按固定相与流动相的物态分类气气-固色固色谱谱法法 （GSC）气气-液色液色谱谱法法（GLC）液液- -固色谱法固色谱法（LSC） 液相色谱法液相色谱法液液- -液液色色谱谱法法（LLC）2.按固定相使用形式分类按固定相使用形式分类填充柱色谱填充柱色谱柱色谱柱色谱毛细管柱色谱毛细管柱色谱平面平面色谱色谱纸色谱纸色谱薄层色谱薄层色谱薄膜色谱法薄膜色谱法超临界流体色谱超临界流体色谱微填充柱色谱微填充柱色谱88吸附色谱吸附色谱排阻色谱排阻色谱（凝胶色谱）（凝胶色谱）分配色谱分配色谱离子交换色谱离子交换色谱Adsorption chromatographyExclusion chromatography

4、Gel-permeation chromatographyPartition chromatographyIon-exchange chromatography亲和色谱亲和色谱Affinity chromatography3.3.按分离机制分类按分离机制分类气相色谱工作流程气相色谱工作流程载气系统载气系统气瓶气瓶注注射射器器流量调节流量调节色谱柱色谱柱 分离系统分离系统压力压力调节调节数据处理数据处理检测器检测器进进样样系系统统载气系统载气系统v气源气源 载气：氮气、氢气、氦气、氩气等，纯度要求大载气：氮气、氢气、氦气、氩气等，纯度要求大于于99.99999.999。v作用作用 推动力推动力

5、为样品的分配提供一个相空间为样品的分配提供一个相空间 进样系统进样系统气相色谱气相色谱仪的关键仪的关键部件之一部件之一色谱柱和柱箱色谱柱和柱箱 一般配备隔热层的不锈钢壳体一般配备隔热层的不锈钢壳体, , 内装一恒温风扇和测温热敏元件内装一恒温风扇和测温热敏元件, , 由由电阻丝加热，电子线路控温电阻丝加热，电子线路控温 通常是由玻璃、石英或不锈钢制成的圆管，管内装有固定相。通常是由玻璃、石英或不锈钢制成的圆管，管内装有固定相。 填充柱填充柱毛细管开管柱毛细管开管柱柱箱柱箱色谱柱色谱柱v检测器作用是将色谱柱分离后各组分在载气中浓度或量检测器作用是将色谱柱分离后各组分在载气中浓度或量的变化转换成易

6、于测量的电信号，然后记录并显示出来。的变化转换成易于测量的电信号，然后记录并显示出来。其信号及大小为被测组分定性定量的依据。其信号及大小为被测组分定性定量的依据。 v早期采用积分仪，现采用积分仪或色谱工作站。早期采用积分仪，现采用积分仪或色谱工作站。检测系统和数据处理系统检测系统和数据处理系统14色谱峰色谱峰基线基线保留时间保留时间峰高峰高峰面积峰面积15死时间死时间tM ：不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间。时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间。保留时间（定性参数）保留时间（定性参数）16保留时间保留时

7、间 tR 试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间，称为保留时间，如图它相应于样品到达柱末端间，称为保留时间，如图它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间的检测器所需的时间 17调整保留时间调整保留时间tR 某组份的保留时间扣除死时间后称为该某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的组份的调整保留时间调整保留时间，即，即 tR = tR-tM tR包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间固定相中滞留所需的时间tR是组份在固定相中停留的总时间是组份在固定相中停留的总时间 调整保留

8、时间是色谱法定性的基本依据。调整保留时间是色谱法定性的基本依据。死体积、保留体积和相对保留值死体积、保留体积和相对保留值保留体积（VR）：VR = tRF0死体积（VM）： VM = tM F0 调整保留体积（VR）： V R = VR VM v相对保留值相对保留值r21，也可以用也可以用表示表示组分2与组分1调整保留值之比r21 = tR2 / tR1= VR2 / V R119定性方法定性方法v用用“标样标样”的保留时间定出被测组份的位置。的保留时间定出被测组份的位置。保留时间相同，可能是同样的组份保留时间不同，肯定不是同样的组份，0.000.050.100.150.200.250.300

9、.350.400.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.005.506.006.507.00AUMinutesUracilEthylparabenPropylparabenv色谱分析的定量参数色谱分析的定量参数峰高和峰面积（定量参数）峰高和峰面积（定量参数）首先建立标准物质浓度和响应值(峰高或峰面积)的标准曲线，然后由待测物的响应值求出它的浓度。g/ml21色谱流出曲线上的重要信息：色谱流出曲线上的重要信息： （l）根据）根据色谱峰色谱峰个数，可判断样品所含个数，可判断样品所含组组份的最少个数份的最少个数（2）根据色谱峰的）根据色谱峰的保留值保留值可以

10、进行可以进行定性分定性分析析（3）根据色谱峰下的）根据色谱峰下的面积或峰高面积或峰高，可以进，可以进行行定量分析定量分析图1 室内空气苯系物色谱图1.苯；2.甲苯；3.乙苯；4.间、对二甲苯；5.邻二甲苯检测器：FID；柱温： 60（1 min） 120 （3min） 240 min/C5omin/C3o23同时起跑先后到达终点什么原因？色谱柱是各组分的跑道技巧技巧/ /体能体能/ /状态状态各组分何技巧？各组分何技巧？ 2-2 气相色谱分析的理论基础气相色谱分析的理论基础 气相色谱对所有组分气相色谱对所有组分都能分离吗？都能分离吗？为什么能得到分离？为什么能得到分离？如何在色谱仪器上实如何在

11、色谱仪器上实现？现？2021年11月22日23时56分色谱分离基本原理（热力学）色谱分离基本原理（热力学）气相色谱分离过程是在色谱柱内完成的。气相色谱分离过程是在色谱柱内完成的。气固色谱的固定相气固色谱的固定相: 多孔性的固体吸附剂颗粒。多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。气液色谱的固定相气液色谱的固定相: 由由 担体和固定液所组成。担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。气固色谱的分离机理气固色谱的分离机理: 吸附与脱附的不断重复过程；气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理： 气液两相间的反复多次分配过程。2021年11月22日23时56分

12、 随着载气的流动，随着载气的流动，溶解、挥发溶解、挥发, ,或吸附、或吸附、脱附的过程反复地进脱附的过程反复地进行。行。2021年11月22日23时56分分配系数（分配系数（partition coefficient） 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。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度(g / mL)比, 称为分配系数，用K 表示，即: 组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度K分配系数分配系数 K 的讨论的讨论 组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度K(1) 一定温度下，一定温度下， K值最小的组分最先流出色谱柱，而值最小的组分最先流出色

13、谱柱，而 K值越大的组分，出峰越慢；值越大的组分，出峰越慢；(2) 试样一定时，试样一定时，K 主要取决于固定相性质；主要取决于固定相性质；(3) 每个组份在各种固定相上的分配系数每个组份在各种固定相上的分配系数 K 不同；不同；(4) 选择适宜的固定相可改善分离效果；选择适宜的固定相可改善分离效果；(5) 试样中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的 K 值是分离的基础；值是分离的基础；(6) 某组分的某组分的 K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。时，即不被固定相保留，最先流出。2021年11月22日23时56分容量因子（容量因子（capacity factor） k 亦称分配比(

14、partition ratio)或容量比(capacity ratio)。定义：k 是指在一定温度、压力下组分在两相间达到分配平衡时，它在两相间的质量比。Msmmk 对于一定的色谱体系，组分的分离最终决定于组分在两相中的质量，而不是平衡浓度，因此分配比更能表征分配达到平衡时的分离情况。 K与 k 的之间存在什么样的关联？分配系数分配系数K K 与柱中固定相和流动相的体与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。并随柱温、柱压变化而变化。容量因子容量因子k k 决定于组分及固定相的热决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、

15、柱压的变化而变化，力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关还与流动相及固定相的体积有关v理论上可以推导出：理论上可以推导出： 1KVVKkMSMRMRVVttk 反映各种色谱柱柱型及其结构特征填充柱（填充柱（Packing columnPacking column）: 635 : 635 毛细管柱（毛细管柱（Capillary columnCapillary column）: 501500: 5015002021年11月22日23时56分色谱分离基本理论（动力学）色谱分离基本理论（动力学） 色谱是一种高效分离色谱是一种高效分离技术，所依据的理论基技术，所依据的理论基础是

16、什么？础是什么？ 如何评价分离效能？如何评价分离效能？ 2021年11月22日23时56分1. 塔板理论塔板理论柱分离效能指标柱分离效能指标色谱柱长：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：222116545)()(./bRRWtYtn式中tR、Y1/2、Wb以同一单位（cm 或 s）表示。nLH 理论塔板数与色谱参数之间的关系为：2021年11月22日23时56分有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度: : 组分在组分在 tM 时间内不参与柱内分配。时间内不参与柱内分配。 有效塔板数和有效塔板高度：有效塔板数和有效塔板高度：2bR221MR)(16)(545Wt

17、Ytt.n/有效有效有效nLH35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。几点说明：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。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。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。2021年11月22日23时56分2. 速率理论速率理论影响柱效能的因素影响柱效能的因素速率方程也称范速率方程也称范弟姆特

18、方程式弟姆特方程式: H = A + B/u + C u H : 理论塔板高度理论塔板高度 u : 载气的线速度载气的线速度(cm/s)减小减小 A、B、C 三项可提高柱效；三个常数的物理意义三项可提高柱效；三个常数的物理意义存在着最佳流速；存在着最佳流速；A、B、C三项各与哪些因素有关？三项各与哪些因素有关？2021年11月22日23时56分(1) A涡流扩散项涡流扩散项 A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径：固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，填充的越均匀，A，H，柱效，柱效 n。表。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。现在涡流扩

19、散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。2021年11月22日23时56分(2) B/u 分子扩散项分子扩散项 B = 2 Dg ：弯曲因子, 填充柱色谱,1107含碳有机物ECD浓度型选择性103卤素等电负性物质FPD质量型选择性S:103P:104含硫、磷化合物TCD浓度型通用型105适用于各种无机气体和有机物的分析，多用于永久气体的分析NPD质量型选择型105适合于含氮和含磷化合物的分析检测器的性能指标检测器的性能指标灵敏度灵敏度：信号对进入检测器的组分量的变化率信号对进入检测器的组分量的变化率浓度型检测器浓度型检测器 质量型检测器质量型检测器色谱出口流量色谱出口流量样品质量样品质量峰

20、面积峰面积QRS响应信号进样量mAqSvC0,mASm峰面积峰面积样品质量样品质量检出限检出限2NccRDS2NmmRDS噪声信号的平均值噪声信号的平均值检出限是衡量检测器性能好坏的综合指标检出限是衡量检测器性能好坏的综合指标定义：在检测器上所产生的信号等于定义：在检测器上所产生的信号等于3 3倍倍噪声信号时的物质的质量噪声信号时的物质的质量 单位：单位：mg/mL 单位：单位：g/s 浓度型检测器浓度型检测器 质量型检测器质量型检测器33最小检出量最小检出量4 4、响应时间、响应时间5 5、线性范围、线性范围DYQhv,02/0q605. 1DYQh2/0605. 1DYAh2/605. 1

21、浓度型检测器浓度型检测器 质量型检测器质量型检测器线性范围线性范围检测器信号大小与被测物质的量成线性关系的范围检测器信号大小与被测物质的量成线性关系的范围RCiCACB绘制工作曲线时，样品的浓度范围绘制工作曲线时，样品的浓度范围应当控制在检测器的线性范围内应当控制在检测器的线性范围内 2021年11月22日23时56分11.7 气相色谱定性鉴定方法气相色谱定性鉴定方法利用纯物质对照的定性鉴定利用纯物质对照的定性鉴定1. 利用保留值的定性鉴定法利用保留值的定性鉴定法 当固定相和操作条件严格固定不变时，每种物质都有确定当固定相和操作条件严格固定不变时，每种物质都有确定的调整保留值（的调整保留值（t

22、R或或VR），），该保留值一般不受共存组分的影该保留值一般不受共存组分的影响，可用作定性鉴定的指标。响，可用作定性鉴定的指标。2. 利用加入纯物质以增加峰高的定性鉴定法利用加入纯物质以增加峰高的定性鉴定法 将纯物质加到试样中，如果某将纯物质加到试样中，如果某组分的峰高增加，则表示组分的峰高增加，则表示该组分可能与加入的纯物质相同。该组分可能与加入的纯物质相同。两种不同组分在同一根色谱柱上可能具有相同的保留值。两种不同组分在同一根色谱柱上可能具有相同的保留值。2-6 气相色谱定性方法气相色谱定性方法2021年11月22日23时56分与质谱、红外光谱联用的定性鉴定与质谱、红外光谱联用的定性鉴定 质

23、谱、红外光谱质谱、红外光谱：纯有机化合物结构鉴定。 气相色谱：气相色谱：有机混合物的快速高效分离。结合：质谱、红外光谱作为气相色谱的组分鉴别器色谱质谱联用仪（简称GCMS）色谱红外联用仪77 2-7 气相色谱定量方法气相色谱定量方法1. 峰面积的测量 峰高（h）乘半峰宽（Y 1/2）法：近似将色谱峰当作等腰三角形。此法算出的面积是实际峰面积的0.94倍： A = 1.064 hY1/2 峰高乘平均峰宽法：当峰形不对称时，可在峰高0.15和0.85处分别测定峰宽，由下式计算峰面积： A = h（Y 0.15 + Y 0.85 ）/ 2 自动积分和微机处理法：78 试样中各组分质量与其色谱峰面积成

24、正比，即： m i = fi Ai 比例系数f i ：绝对校正因子，单位面积对应的物质量： f i =m i / Ai 定量校正因子与检测器响应值成倒数关系： f i = 1 / Si 2. 2. 定量校正因子定量校正因子为什么要引入定量校正因子?同一种物质在不同检测器上有不同的响应信号不同物质在同一检测器上有不同响应信号792. 2. 定量校正因子定量校正因子当mi、mS以摩尔为单位时，所得相对校正因子称为相对摩尔校正因子,用（f M）表示；当mi、mS用质量单位时, 以（f W）,表示。ississiisiiAAmmAmAmfff/相对校正因子f i ：组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校

25、正因子之比。热导检测器 - 标准物为苯氢焰检测器 - 标准物为正庚烷物质质量不易准确测量2021年11月22日23时56分几种常用定量方法几种常用定量方法1. 归一化法归一化法100100121niiiiiniiAfAfmmmmc)(%(1) 归一化法简便、准确；归一化法简便、准确；(2) 进样量的准确性和操作条件的变动对结果影响不大；进样量的准确性和操作条件的变动对结果影响不大；(3) 仅适用于试样中所有组分全出峰的情况仅适用于试样中所有组分全出峰的情况；(4) 各组分各组分f 值很接近（如同系物）时值很接近（如同系物）时, 式中式中f 可约去；可约去；(5) 峰宽接近时，可用峰高代替峰面积

26、。峰宽接近时，可用峰高代替峰面积。2.外标法定量外标法定量v配制一系列已知浓度的标样配制一系列已知浓度的标样外标法定量（二）外标法定量（二）v实际色谱图实际色谱图0 .0 00 .0 50 .1 00 .1 50 .2 00 .2 50 .3 00 .0 00 .5 01 .0 01 .5 02 .0 02 .5 03 .0 03 .5 04 .0 04 .5 05 .0 05 .5 06 .0 06 .5 07 .0 0M in u te s0 .0 00 .0 50 .1 00 .1 50 .2 00 .2 50 .3 00 .0 00 .5 01 .0 01 .5 02 .0 02 .5

27、 03 .0 03 .5 04 .0 04 .5 05 .0 05 .5 06 .0 06 .5 07 .0 0M in u te s0 .0 00 .0 50 .1 00 .1 50 .2 00 .2 50 .3 00 .0 00 .5 01 .0 01 .5 02 .0 02 .5 03 .0 03 .5 04 .0 04 .5 05 .0 05 .5 06 .0 06 .5 07 .0 0M in u te s05010015020025001,0002,0003,0004,0005,000样品浓度响应值峰面积()标准曲线外标法定量（三）外标法定量（三）v计算公式计算公式v特点特点 无需

28、各组份都被检出、洗脱 需要标样 标样及样品测定的条件要一致 进样体积要准确iXiiiXARFCXRXCRFii样品响应值未知组分的浓度标样响应值标样浓度校正因子)()()()(内标法定量（一）内标法定量（一）v配制一系列浓度的标样，其中加有内标样配制一系列浓度的标样，其中加有内标样内标法定量（二）内标法定量（二）v实际色谱图实际色谱图0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.802.002.503.003.504.004.505.005.506.00voltsMinutesM ethylParabenEthylParabenPropylParabenButyl

29、Paraben05010015020025001020304050样品浓度标样峰面积内标样峰面积标准曲线内标法定量（三）内标法定量（三）v计算公式：计算公式：v特点：特点： 无需各组份都被检出、洗脱无需各组份都被检出、洗脱 需要标样，需要内标样需要标样，需要内标样 结果与进样体积无关结果与进样体积无关.)()()()().(siiXiiiXAARFCXCXRSIRRFii内标峰面积样品峰面积未知组分的浓度标样浓度标样响应值内标样响应值校正因子内标法定量（四）内标法定量（四）v对内标物的要求对内标物的要求 化学结构与待测组分相似化学结构与待测组分相似( (同系物、异构体同系物、异构体) ) 在样

30、品中不存在在样品中不存在 不与样品中组份发生任何化学反应不与样品中组份发生任何化学反应 保留值与待测组分接近保留值与待测组分接近 浓度（响应值）与待测组分相当浓度（响应值）与待测组分相当 其色谱峰与其他色谱峰分离好其色谱峰与其他色谱峰分离好2-8 毛细管气相色谱法毛细管气相色谱法提高色谱分离能力的途径提高色谱分离能力的途径 (1)塔板理论：增加柱长，减小柱径，柱子塔板数塔板理论：增加柱长，减小柱径，柱子塔板数； (2)速率理论：减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻速率理论：减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻力力, 可降低塔板高度可降低塔板高度。毛细管色谱柱的结构特点毛细管色谱柱的结构特点(1) 无填料、阻力小，长可达百米，管径无填料、阻力小，长可达百米，管径0.2 mm 。(2) 气流单途径通过柱子，消除了涡流扩散。气流单途径通过柱子，消除了涡流扩散。(3) 固定液直接涂在管壁上，总柱内壁面积较大，涂层固定液直接涂在管壁上，总柱内壁面积较大，涂层很薄，则气相和液相传质阻力大大降低。很薄，则气相和液相传质阻力大大降低。(4) 柱效高达每米柱效高达每米30004