气相色谱法-研究生课程(第二周)

1、气相色谱法陈彤 研究生课程概要v1、气相色谱法概述v2、气相色谱仪的基本构成v3、定性和定量分析v4、安捷伦Agilent 6890N气相色谱法概述v色谱法（色谱法（Chromatography)v名称名称起源起源： 1903年年,俄国植物学家俄国植物学家vMikhail Tswett首先采用色谱法首先采用色谱法v分离植物色素。分离植物色素。v v在试验中，分离所用的玻璃试管在试验中，分离所用的玻璃试管v称为称为色谱柱色谱柱，冲洗剂石油醚称为冲洗剂石油醚称为流动相流动相，吸附剂吸附剂CaCO3称为称为固定相固定相色谱法分类色谱法分类v依流动相不同可分为气相色谱法和液相色谱法。依固定相也可以是固

2、体或者液体v色谱法又可分为:气-液色谱法(甲基聚硅氧烷)气-固色谱法液-液色谱法液-固色谱法v气相色谱法是一种以气体为流动相，采用柱色谱的物理分离分析技术。 气相色谱法概述气气-液色谱法液色谱法 在一定温度、压力下，组分在气液两相间分配达到平衡时的质量浓度比称为分配系数，即misiiCCk Csi组分组分i在固定相中的质量浓度；在固定相中的质量浓度；Cmi组分组分i在流动相中的质量浓度。在流动相中的质量浓度。气相色谱法概述气相色谱法概述v色谱法原理：不同物质在两相固定相和流动相之间具有不同的分配系数，这些物质同流动相一起运动时，在两相间进行反复多次的分配，使分配系数不同的物质在移动速度上产生显

3、著差别，从而使各组分达到完全分离。v如果再配上适当的检测器对分离物进行定性定量鉴定，就成为色谱分析法，简称色谱法。气相色谱法概述气相色谱法的特点气相色谱法的特点1、高分离效能高分离效能：能分离分配系数很相近的多种化合物能分离分配系数很相近的多种化合物2、高灵敏度高灵敏度：可以检测低达可以检测低达0.1ng/g的物质的物质3、分析速度快分析速度快：几分钟至几十分钟即可分析一个样品几分钟至几十分钟即可分析一个样品4、用量少用量少：液体样品仅需液体样品仅需1 L、气体样品、气体样品1 5mL。5、缺点缺点：必须有纯物质或相应的定性数据作对照才能得出定必须有纯物质或相应的定性数据作对照才能得出定 性结

4、果；不适于沸点过高（性结果；不适于沸点过高（450C）的难挥发物及）的难挥发物及 热稳定性差的物质的测定热稳定性差的物质的测定气相色谱法概述色谱图及其主要参数色谱图及其主要参数由记录仪得到的色谱图又称流出曲线。它是被分析样品在载气的带动下经过色谱柱分离后进入检测器得到的信号图形，是进行成分定性分析和定量分析的依据。 气相色谱法概述色谱图主要参数色谱图主要参数（1）基 线 （2）保留时间 （3）保留体积 （4）区域宽度和分离度 气相色谱法概述（1）基线）基线 v基线：色谱仪启动后，只有载气通过而没有样气注入时所记录的曲线。基线一般不取零值，仪器性能稳定时，它应当是平行于时间轴的直线。v衡量色谱仪

5、优劣的主要指标: 基线的漂移气相色谱法概述（2）保留时间）保留时间 v进样信号：当试样注入时，由于压力的突然变化或液体瞬间气化切断气流，都会使检测器产生一个不大的输出信号，如图中的O点。v死时间tr0：不能被固定相吸附或溶解的惰性组分（如空气、惰性气体等）从进样到出峰的时间，如图中的OA段，此峰也叫空气峰。tr0反映色谱柱中空隙体积的大小。v保留时间tr：被分析组分从进样到出峰的时间，图中OB段。v校正保留时间：保留时间扣除死时间的数值， 即表示该组分在固定相中停留的时间。气相色谱法概述（3）保留体积）保留体积 v死体积、保留体积、校正保留体积分别指相应的死时间tr0、保留时间tr和校正保留时

6、间内通过色谱柱载气的体积。v如果载气的体积流量恒定不变，则体积保留值等于时间保留值与流量之积。气相色谱法概述（4）区域宽度和分离度）区域宽度和分离度v色谱峰所占区域宽度反映了分离条件的优劣。通常区域宽度有两种表示方法：半峰宽：指色谱峰在峰高一半处的宽度，如图中的CH段。基线宽Wb：指通过流出曲线的拐点所作的切线在基线上的截距，如图中的IJ段。气相色谱法概述分离度（或分辨力）分离度（或分辨力） v只有相邻的色谱峰能明显分开时，才能实现两组分的有效分离。衡量指标用分离度（或分辨力）来表示 气相色谱法概述分离度定义分离度定义相邻两色谱峰保留值（保留时间或保留体积）之差与两峰宽度平均值之比，即2/ )

7、(bararbWWttRR越大分离效果越好，越大分离效果越好，R1时两峰有部分重叠；时两峰有部分重叠；R=1时两个等面积的高斯峰分离效率达时两个等面积的高斯峰分离效率达98%；R=1.5时，其分离效率达时，其分离效率达99.7%，可以认为完全分离。，可以认为完全分离。气相色谱法概述定性和定量分析v定性分析和定量分析1、定性分析 （1）相对保留值法 （2）加入已知物质增加峰高法2、定量分析 气相色谱法概述1.1.定性分析定性分析（1）相对保留值法 rcrircriisVVtta某种物质的校正保留值和基准物质的校正保留值之比某种物质的校正保留值和基准物质的校正保留值之比ais仅与柱温与固定相性质有

8、关，而与其操作条件无关，仅与柱温与固定相性质有关，而与其操作条件无关，用用ais定性就可以消除这些操作条件的影响。定性就可以消除这些操作条件的影响。气相色谱法概述（2）加入已知物质增加峰高法）加入已知物质增加峰高法v应用范围：如果样品成分比较复杂，出峰时间接近或操作条件不易控制稳定时。v过程：首先通过色谱图初步定性，把可能范围缩小到某几种物质，然后用纯物质核对。v方法：把一种或几种纯物质依次分别加入到样品中，如果加入某种纯物质时有一色谱峰相对增高，那么该峰就代表这种物质。气相色谱法概述2.2.定量分析定量分析（1）定量分析原理（2） 峰面积的测量方法（3）定量校正因子 （4）两种常用的定量计算

9、方法气相色谱法概述（1）定量分析原理）定量分析原理v在气相色谱仪中，用检测器将组分质量浓度或质量转换为易于测量的电信号。 v响应与质量浓度成正比的检测器称为浓度型检测器，例如热导池，其响应方程为v若响应与质量流量成正比，则称为质量型检测器，如氢焰离子化检测器，此时 iKR1dtdmKRi2气相色谱法概述v在一定的操作条件下，被测组分的质量与它在色谱图上表现出的面积成正比，用通式表达为v显然，进行定量分析必须准确测出峰面积，求出定量校正因子，并选用合适的计算方法把测量值换算成被测组分在试样中的质量分数。isiiSfm 气相色谱法概述（2） 峰面积的测量方法峰面积的测量方法 峰高乘半峰宽法 2/1

10、2 thS此方法适用于对称性好的正常峰，此方法适用于对称性好的正常峰，其真实峰面积是上述计算值的其真实峰面积是上述计算值的1.065倍。倍。气相色谱法概述 峰高乘平均峰宽法峰高乘平均峰宽法v在峰高的15%和85%处分别测得峰宽，取两者平均值作为峰宽，此法可用于带前伸或拖尾的不对称峰 85. 015. 0tthS气相色谱法概述 峰高乘以保留值法在一定操作条件下，结构相近的同类物质的半峰宽与保留值基本上成正比关系。因此，在相对测量中可用此方法。此方法方便，保留值也容易测准确，适用于工厂分析。 自动积分仪法配备电子自动积分仪，直接测出色谱峰面积，精确度达到0.2%2%，但测量小峰时误差较大。气相色谱

11、法概述（3）定量校正因子）定量校正因子v式中的fsi不仅因不同组分而异，而且还取决于检测器的灵敏度及某些操作条件，给实际应用带来困难，所以在定量分析中都使用相对校正因子。v相对校正因子与操作条件无关，它可由实验确定，其详细介绍可查阅有关技术文献。气相色谱法概述（4）两种常用的定量计算方法）两种常用的定量计算方法 归一化法 外标法气相色谱法概述 归一化法归一化法v当样品中所有组分都能出峰时，同时也得知各组分的校正因子，则可求出各组分的含量iiiiiSfSfC归一化定量计算法的优点：归一化定量计算法的优点：计算方便，准确，进样量的波动不影响分析结果的准确性。计算方便，准确，进样量的波动不影响分析结

12、果的准确性。仪器的操作条件及其波动对分析结果的影响比较小。仪器的操作条件及其波动对分析结果的影响比较小。使用归一化定量法的条件：使用归一化定量法的条件：是必须保证样品中所有组分在一定时间内必须全部出峰，是必须保证样品中所有组分在一定时间内必须全部出峰，且峰形无重叠现象。且峰形无重叠现象。气相色谱法概述 外标法 定量样品校正法v分析中常用的绝对定量方法。首先，用已知组分的纯样品加稀释溶剂，配成一系列不同质量浓度的标准样，在一定条件下进行色谱分析，作出峰面积（或峰高）对质量浓度的关系曲线，称工作曲线。然后在同样的操作条件下取同量被分析试样注入色谱仪，测得待分析组分的峰面积（或峰高），由工作曲线查出

13、被测组分含量。v优点：操作简单，使用方便，分析的准确度主要取决于进样量的重复性和操作条件的稳定性。气相色谱法概述气相色谱仪主要组成部分气相色谱仪的基本构成（一）、载气系统（一）、载气系统气源：根据检测器类型选择；一般采用惰性气体，要求纯气源：根据检测器类型选择；一般采用惰性气体，要求纯度大于度大于99.999%净化干燥管：目的去除载气中的水分和氧气（脱水管和脱净化干燥管：目的去除载气中的水分和氧气（脱水管和脱氧管）氧管）管路：只能使用铜管或不锈钢管管路：只能使用铜管或不锈钢管载气压力控制：一般采用减压阀，载气压力在载气压力控制：一般采用减压阀，载气压力在60-100psi,即即0.42-0.6

14、9MPa.气相色谱仪的基本构成进样系统：进样系统：进样器+汽化室。 气体进样器（六通阀）：气体进样器（六通阀）： 推拉式和旋转式两种。 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。气相色谱仪的基本构成 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。 汽化室汽化室：将液体试样瞬间汽化的装置。无催化作用。气相色谱仪的基本构成v进样口系统v作用：使样品以一种可重复可再现的方式契入到色谱柱中，除特殊要求外，样品引入过程不应发生任何化学反应。v进样口类型v

15、分流分流/不分流进样口（最常用）不分流进样口（最常用）v隔垫吹扫填充进样口v冷柱头进样口v程序升温汽化进样口v挥发进样口气相色谱仪的基本构成分流模式用于含量较高组分分析分流模式用于含量较高组分分析不分流模式用于痕量分析（如二恶英类分析）不分流模式用于痕量分析（如二恶英类分析）气相色谱仪的基本构成气相色谱仪的基本构成气相色谱仪的基本构成气相色谱仪的基本构成气相色谱仪的基本构成气相色谱仪的基本构成三 分离系统 包括： 色谱柱，柱箱色谱柱于柱箱中，(柱箱中有柱温控制装置） 作用：将试样中的各组分分离出。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

16、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 0.1-50气相色谱仪的基本构成(4) 检测系统 通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；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。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。 （一）检测器的分类（一）检测器的分类1、按作用分类：、按作用分类： 通用性检测器通用性检测器 (如如热导和火焰离子化检测器热导和火

17、焰离子化检测器) 选择性检测器选择性检测器 (如如电子捕获和火焰光度电子捕获和火焰光度)2、按原理分类、按原理分类: （1）浓度型检测器）浓度型检测器 测量的是载气中某组分测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化浓度瞬间的变化，如热导如热导检测器和电子捕获检测器。检测器和电子捕获检测器。（2）质量型检测器）质量型检测器 测量的是载气中某组分测量的是载气中某组分进入检测器的质量流速变化进入检测器的质量流速变化，如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。气相色谱仪的基本构成一、热导检测器 Thermal conductivity detector, TCD1. 1. 热

18、导检测器的结构热导检测器的结构 池体池体: 一般用不锈钢制成。 热敏元件热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝(铼钨）制成。 参考臂：参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测量臂测量臂：仅载气携带被分离组分的流过，连接在紧靠近分离柱出口处。气相色谱仪的基本构成2.2.检测原理检测原理 平衡电桥，见图。 不同的气体有不同的热导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参参=R测测 ; R1=R2则：则： R参参R2=R测测R1 无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）。气相色谱仪的基本构成进样后: 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

19、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，即 R参参R测测则： R参参R2R测测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。气相色谱仪的基本构成3. 3. 影响热导检测器灵敏度的因素影响热导检测器灵敏度的因素 桥路电流桥路电流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。检测器的响应值S I3，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：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

20、度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。气相色谱仪的基本构成 载气种类载气种类：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。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。某些气体与蒸气的热导系数，单位：某些气体与蒸气的热导系数，单位：10-5J / cms气相色谱仪的基本构成二、氢火焰离子化检测器 Flame ionization detector, FID1. 1. 特点特点 (1) 典型的质量型检测器。 (2) 对有机化合物具有很高的灵敏度。 (3) 无机气体、水、

21、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应。 (4) 氢火焰离子化检测器具有结构简单，稳定性好，灵敏度高，响应迅速等特点。 (5) 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检出限可达10-12gs-1。气相色谱仪的基本构成2. 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。气相色谱仪的基本构成3. 氢火焰离子化检测器的原理 (1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷入火焰时，在C层发生裂解

22、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+ + COA A区：预热区区：预热区B B层：点燃火焰层：点燃火焰C C层：热裂解区：层：热裂解区：温度最高温度最高D D层：反应区层：反应区气相色谱仪的基本构成氢火焰离子化检测器的原理氢火焰离子化检测器的原理 (4) 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）。(5) 一定范围内，微

23、电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，质量型检测器。(6) 组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离。(7) 离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区气相色谱仪的基本构成4. 影响氢火焰离子化检测器灵敏度的因素 各种气体流速和配比的选择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极化电压极化电压 正常极化电压选择 在100300 V范围内。气相色谱仪的基本构成三、三、 电子捕获检测器电子捕获检测器 Electro

24、n capture detector, ECD 高选择性，(放射源 63Ni，产生射线；只有N2载气时，电离产生正离子和自由电子(基流)。含杂原子试样进入时，会大量捕获电子形成负离子，产生负峰)。 仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检出限10-14 gmL-1。 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。气相色谱仪的基本构成ECD气相色谱仪的基本构成四、 其他检测器1.火焰光度检测器火焰光度检测器(flame photometric detector,FPD) 化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400 nm和550 nm 左右的光谱，可被检测。 该检测器是对含硫、磷化合物的高选择性检测器。2.2.热离子检测器热离子检测器(thermionic detector, TID) 氮、磷检测器；