仪器分析教案第七章色谱法1

1、2/11/2022国产气相色谱仪HP高压液相色谱仪美国气相色谱仪2/11/2022俄国植物学家俄国植物学家Tswett于于1901年年发现：利用发现：利用吸附原理吸附原理分离植物色分离植物色素素1903年年发表文章：发表文章：On a new category of adsorption phenomena and their application to biochemical analysis1906年年Tswett 创立创立“chromatography”“色谱法色谱法”新新名词名词一、色谱分析法的历史一、色谱分析法的历史2/11/20221907年年在德国生物会议上第一次向世界公开展示

2、在德国生物会议上第一次向世界公开展示显现彩色显现彩色环带的柱管环带的柱管1935年年Adams and Holmes 发明了苯酚发明了苯酚-甲醛型离甲醛型离子交换树脂，进一步发明了子交换树脂，进一步发明了离子色谱离子色谱1938年年Izmailov 发明发明薄层色谱薄层色谱1941年年Martin & Synge 发明了发明了液液-液分配色谱液分配色谱1944年年Consden,Gordon & Martin 发明发明纸色谱纸色谱1952年年Martin & Synge 发明发明气气-液色谱液色谱1953年年Janak发明发明气气-固色谱固色谱1954年年Ray发明发明

3、热导检测器热导检测器2/11/20221954年我国研究成功年我国研究成功第一台色谱仪第一台色谱仪1957年年Martin & Golay 发明发明毛细管色谱毛细管色谱1959年年Porath & Flodin 发明发明凝胶色谱凝胶色谱1960年年液相色谱技术完善液相色谱技术完善色谱法色谱法(chromatography)：以试样组分在固定相和：以试样组分在固定相和流动相间的流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异和作用的差异为依据为依据而建立起来的各种而建立起来的各种分离分析方分离分析方法法称色谱法。称色谱法。是借助是借助色谱

4、分离原理色谱分离原理而使混合物中各组分分离的而使混合物中各组分分离的技技术术；将色谱分离技术应用于分析化学，称为；将色谱分离技术应用于分析化学，称为色谱分色谱分析。析。2/11/2022二、色谱方法的分类二、色谱方法的分类 色谱是一种分离技术色谱是一种分离技术. 色谱柱：进行色谱分离用的细长管。色谱柱：进行色谱分离用的细长管。 固定相：管内保持固定、起分离作用的填充物。固定相：管内保持固定、起分离作用的填充物。 流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。2/11/20222.色谱法的分类色谱法的分类(三种三种)（1 1）按两项存在的物理状态分类）按两项存在

5、的物理状态分类 根据流动相的物态：根据流动相的物态： 气相色谱法气相色谱法(GC)(GC) 液相色谱法液相色谱法(LC)(LC) 根据固定相的物态：根据固定相的物态： 气气- -固色谱法固色谱法 液液- -固色谱法固色谱法 气气- -液色谱法液色谱法 液液- -液色谱法液色谱法2/11/2022（2）按固定相使用的形式分类）按固定相使用的形式分类 柱色谱、柱色谱、 纸色谱、纸色谱、 薄层色谱薄层色谱（3 3）按分离机理分类）按分离机理分类 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、 凝胶色谱凝胶色谱2/11/2022三、色谱法的特点（后）三、色谱法的特点（后）(1)(

6、1)高选择性高选择性(2)(2)高效能高效能(3)(3)高灵敏度高灵敏度(4)(4)分析速度快分析速度快2/11/2022四、色谱法的应用四、色谱法的应用(1)(1)色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分分析；分析；(2)(2)液相色谱法，在糖类、氨基酸、农药、染料、液相色谱法，在糖类、氨基酸、农药、染料、贵金属、有机金属化合物等方面得到了广泛的应贵金属、有机金属化合物等方面得到了广泛的应用。用。(3)(3)色谱分离是一种非常有效的提纯物质的技术，色谱分离是一种非常有效的提纯物质的技术，常用于制备分离，得到高纯样品。常用于制备分离，得到高纯样品。(4)(4

7、)色谱色谱质谱联用仪已成为研究分子结构的重质谱联用仪已成为研究分子结构的重要手段。要手段。2/11/2022第二节第二节 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础 高效能高效能填充柱都有填充柱都有几千块几千块理论塔板理论塔板毛细管柱可达毛细管柱可达10104 4块块10105 5块块理论塔板，可以分析沸理论塔板，可以分析沸点十分相近的组分和极为复杂的多组分混合物点十分相近的组分和极为复杂的多组分混合物高选择性高选择性可分离同系物、同分异构化合物。可分离同系物、同分异构化合物。一、气相色谱法的特点一、气相色谱法的特点2/11/2022高灵敏度高灵敏度可以检测出可以检测出1010-11-11g g

8、1010-13-13g g物质物质痕量杂质分析：可以测出超纯气体、高分子单体、痕量杂质分析：可以测出超纯气体、高分子单体、高纯试剂中质量分数为高纯试剂中质量分数为1010-6-61010-10-10数量级的杂质数量级的杂质大气污染物分析：可以直接检出质量分数为大气污染物分析：可以直接检出质量分数为1010-9-9数数量级的痕量毒物量级的痕量毒物农药残留物的分析：可以检出农副产品、食品、水农药残留物的分析：可以检出农副产品、食品、水质中质量分数为质中质量分数为1010-6-61010-9-9数量级的氯、硫、磷化合数量级的氯、硫、磷化合物物2/11/2022分析速度快分析速度快一般分析可在一般分析

9、可在几分到几十分几分到几十分内可以完成，某些快速内可以完成，某些快速分析分析1s1s内内可以分析数个组分。可以分析数个组分。2/11/2022二、气相色谱法的基本概念二、气相色谱法的基本概念1 1色谱常用术语色谱常用术语色谱图色谱图试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转各组分浓度变化转变为相应的电信号，变为相应的电信号，由记录仪所记录下的由记录仪所记录下的信号信号时间的变化曲线时间的变化曲线，称为，称为色谱流出曲线。色谱流出曲线。2/11/20222/11/20222/11/2

10、0222/11/2022基线基线在操作条件下，没有试样进入检测器，只有在操作条件下，没有试样进入检测器，只有纯流动纯流动相相进入检测器时的流出曲线，记录仪记录的是一条进入检测器时的流出曲线，记录仪记录的是一条直线，这条直线称为基线。直线，这条直线称为基线。噪音：噪音：使基线发生细小的波动的现象使基线发生细小的波动的现象基线是在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随基线是在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的曲线。时间变化的曲线。2/11/2022色谱峰高和峰面积色谱峰高和峰面积峰高峰高(h)(h)：峰高：峰高h h指色谱峰最高点到基线的距离，一指色谱峰最高点到基线的距离，一般用般用cm

11、cm为单位。为单位。2/11/2022峰宽峰宽(Y)(Y)与半峰宽与半峰宽YY1/21/2) )从色谱峰两侧的转折点从色谱峰两侧的转折点( (拐点拐点) )作切线，在基线上作切线，在基线上的截距叫峰底宽的截距叫峰底宽(Y)(Y)；简称；简称峰宽峰宽；峰高一半处色谱峰的宽度叫峰高一半处色谱峰的宽度叫半峰宽半峰宽(Y(Y1/21/2) )。由于色谱峰顶呈圆孤形，色谱峰的半峰宽并不等由于色谱峰顶呈圆孤形，色谱峰的半峰宽并不等于峰底宽的一半。于峰底宽的一半。 a、峰底宽、峰底宽 Y = 4=1.70 Y1/2 b、半高峰宽、半高峰宽 Y1/2 c、标准偏差峰宽、标准偏差峰宽 Y=2 2/11/2022

12、例例4.2.1 4.2.1 已知记录纸的速度是已知记录纸的速度是2.5cmmin2.5cmmin-1-1，测，测得某色谱峰的峰底宽度为得某色谱峰的峰底宽度为3.2cm3.2cm，用时间表示的色，用时间表示的色谱峰宽度为多少谱峰宽度为多少? ?解：解： 3.2cm3.2cm(2.5cmmin(2.5cmmin-1-1答：色谱峰的宽度为答：色谱峰的宽度为1.28min1.28min。2/11/2022保留值保留值表示被测组分从进样到色谱柱后出现浓度最大值所表示被测组分从进样到色谱柱后出现浓度最大值所需要的时间需要的时间( (或所需载气的体积或所需载气的体积) )，叫做保留值。，叫做保留值。 保留时

13、间保留时间( (t tR R):):是指被测组分从进样开始到柱是指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。后出现浓度最大值时所需的时间。组分在流动相中停留的时间组分在流动相中停留的时间 + + 在固定相中所停留的在固定相中所停留的时间时间2/11/2022 调整保留时间调整保留时间( (t tR R) )：组分的保留时间与死：组分的保留时间与死时间的差值：时间的差值： t tR R=t=tR R-t-t0 0它表示与固定相发生作用的组分比载气在色谱柱中它表示与固定相发生作用的组分比载气在色谱柱中多滞留的时间，实际上是多滞留的时间，实际上是组分在固定相中所滞留的组分在固定相中所滞留的

14、时间时间。 死时间（死时间（t0 ）：不与固定相作用的组分（空气）：不与固定相作用的组分（空气）从进样到柱后出现浓度最大值所需要的的时间。从进样到柱后出现浓度最大值所需要的的时间。2/11/2022 保留体积（保留体积（VR ）：从进样开始到柱后出现浓度）：从进样开始到柱后出现浓度最大值所需要的载气体积最大值所需要的载气体积 VR= qv,0 tR 调整保留体积（调整保留体积（ VR ）：指扣除死体积后的保）：指扣除死体积后的保留体积留体积VR= t0 qv,0 死体积（死体积（V0 ）：不与固定相作用的组分从进样）：不与固定相作用的组分从进样到柱后出现浓度最大值所需要的载气体积。若载气到柱后

15、出现浓度最大值所需要的载气体积。若载气的体积流量为的体积流量为qv,0，则死体积为，则死体积为V0= qv,0 t02/11/2022相对保留值相对保留值( )( )表示组分表示组分2 2的调整保留值与组分的调整保留值与组分1 1的调整保留值之比：的调整保留值之比：12,121221,RRRRVVtt 值越大，两组分的色谱峰相距越远，分离得值越大，两组分的色谱峰相距越远，分离得越好越好12,2/11/2022定义：定义：组分在固定相和流动相之间发生的吸附与解组分在固定相和流动相之间发生的吸附与解（脱）附或者溶解与挥发的过程叫（脱）附或者溶解与挥发的过程叫分配过程分配过程。 （1 1）分配系数分

16、配系数( (K K):):在一定温度、压力下，在一定温度、压力下，当组当组分在流动相和固定相两相中达到分配平衡时，组分在流动相和固定相两相中达到分配平衡时，组分在两相中的分在两相中的浓度之比浓度之比，称为分配系数，称为分配系数( (K K) )。2/11/2022KK溶解度或吸附能力溶解度或吸附能力，组分在固定相中的量组分在固定相中的量，在气相中的量，在气相中的量。KK进入固定相的组分进入固定相的组分，组分在固定相中滞留，组分在固定相中滞留的时间越长，流出色谱柱所需的时间也就越长。的时间越长，流出色谱柱所需的时间也就越长。msK/ 组分在固定相中的组分在固定相中的质量浓度质量浓度(gmL(gm

17、L-1-1) )组分在流动相中的组分在流动相中的质量浓度质量浓度(gmL(gmL-1-1) )2/11/2022（2）分配比分配比(k)定义：定义：分配比是在一定温度、压力下，组分在两相分配比是在一定温度、压力下，组分在两相间达到分配平衡时，两相间组分的间达到分配平衡时，两相间组分的质量比质量比：k=ms/mm分配比又称为分配比又称为容量因子或容量比容量因子或容量比分配比分配比k的大小由下式计算：的大小由下式计算：k=tR/t0通过实验来测定分配比通过实验来测定分配比k的数值的数值k k值越大，保留时间越长。值越大，保留时间越长。k k =0=0的组分，其保留时的组分，其保留时间即为死时间。间

18、即为死时间。2/11/2022（3 3）分配系数与分配比的关系分配系数与分配比的关系 kVVkVmVmKmmmmssms/smVV / 相比：表示流动相体积与固定相比：表示流动相体积与固定相体积之比相体积之比2/11/2022 3.3.谱分析的实验依据：谱分析的实验依据： 根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定性分析。性分析。 根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。 根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价。验条件下的分离特性进行评价。 相对保留值相对保

19、留值应该与柱长、柱径、填充情况、流应该与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。类有关。 当当r ri i，s s =1 =1时两个组分不能分离。时两个组分不能分离。2/11/2022三、气相色谱法的基本理论Martin and Synge 1941）七点假设：七点假设：将一根色谱柱视为一个精馏塔将一根色谱柱视为一个精馏塔色谱柱是由一系列连续的、水平的塔板构成色谱柱是由一系列连续的、水平的塔板构成每一块塔板的高度为每一块塔板的高度为H组分气体以脉冲的方式进入塔板组分气体以脉冲的方式进入塔板组分在每一块塔板上迅速达到分配平衡

20、组分在每一块塔板上迅速达到分配平衡分配系数在各塔板上是常数分配系数在各塔板上是常数气体的纵向扩散可以忽略不计气体的纵向扩散可以忽略不计2/11/2022 塔板理论认为，一根柱子可以分为塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。每一段称为一块理论塔板。 设柱长为设柱长为L，理论塔板高度为，理论塔板高度为H，则，则 H = L / n 式中式中n为理论塔板数。为理论塔板数。 同长度的色谱柱塔板数越多，塔板高度同长度的色谱柱塔板数越多，塔板高度H越小，分离效果越好。越小，分离效果越好。2/11/2022 理

21、论塔板数（理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的）可根据色谱图上所测得的保留时间（保留时间（tR）和峰底宽（）和峰底宽（Y）或半峰宽）或半峰宽（ Yh/2 ）按下式）按下式推算推算：2)(16YtnR22)(54.5hRYtn 或或保留时间越长，保留时间越长，Y或或Y1/2越小，色谱峰越窄，越小，色谱峰越窄，理论塔板数越多，组分在两相间达到分配平理论塔板数越多，组分在两相间达到分配平衡的次数也越多，分离能力越强，柱效也就衡的次数也越多，分离能力越强，柱效也就越高。越高。2/11/2022例例2.2 2.2 某色谱柱长某色谱柱长2.1m2.1m，测得某组分的保留时间，测得某组分的保留时间为为5m

22、in42s5min42s，在色谱纸上量得色谱峰的宽度为，在色谱纸上量得色谱峰的宽度为1.2cm1.2cm，已知纸速为已知纸速为2cmmin2cmmin-1-1，求塔板高度。，求塔板高度。 解：将色谱峰的宽度换算成时间：解：将色谱峰的宽度换算成时间：min.min.6002211 cmcmYmin.minmin75604251 sstR2/11/202214446075161622 ).()(YtnRmmcmcmnLH45.1145.01444210答：塔板高度为答：塔板高度为1.45mm1.45mm。2/11/2022有效塔板数（有效塔板数（neff）的计算公式为；）的计算公式为；222/)(

23、16)(54.5wtwtnRhReff Heff=L/neff n = 1+k k2 neff有效塔板数扣除了死时间的影响，有效塔板数扣除了死时间的影响，通常通常用用（n neffeff）来评价柱的效能）来评价柱的效能, ,较为真实地反映了较为真实地反映了柱效能的好坏柱效能的好坏,比较符合实际。比较符合实际。 neff 越大或越大或H Heffeff越小，则色谱柱的柱效越高。越小，则色谱柱的柱效越高。2/11/2022 塔板理论的特点塔板理论的特点 优点：优点：理论直观，能解释流出曲线的形理论直观，能解释流出曲线的形状和浓度极大点状和浓度极大点(色谱峰色谱峰)的位置，应用广的位置，应用广泛。泛

24、。 缺点：缺点：理论建立在几点假设之上，不能理论建立在几点假设之上，不能解释塔板高度量受哪些因素的影响，也解释塔板高度量受哪些因素的影响，也不能指出降低塔板高度的途径。不能指出降低塔板高度的途径。2/11/2022J. J. Van Deemter 1956）速率理论认为，单个组分粒子在色谱柱内固定相和速率理论认为，单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的，在柱中随流动相前进的随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一的速度是

25、不均一的。2/11/2022范第姆特方程式：范第姆特方程式：式中：式中：U为流动相平均线速度；为流动相平均线速度； A为涡流扩散项；为涡流扩散项； B/U为分子扩散项；为分子扩散项； CU为传质阻力项。为传质阻力项。H=A+B/U+CU减少减少A，B/U，CU三项的值，可以降低塔板高度量，三项的值，可以降低塔板高度量，减少色谱峰的扩张，提高柱效。减少色谱峰的扩张，提高柱效。2/11/2022（1 1）涡流扩散项涡流扩散项( (A A) )：A A 的大小，与填充物的平的大小，与填充物的平均颗粒直径均颗粒直径d dp p( (单位为单位为cm)cm)有关，也与固定相填充不有关，也与固定相填充不均

26、匀因子有关：均匀因子有关：pdA2 2/11/2022（2 2）分子扩散项分子扩散项( (B/UB/U) )试样分子沿色谱柱纵的方向扩散，系数试样分子沿色谱柱纵的方向扩散，系数B B 的大的大小与气体路径弯曲因子小与气体路径弯曲因子和组分在气体中的扩和组分在气体中的扩散系数散系数D Dg g( (单位为单位为cmcm2 2.s.s-1-1) )有关：有关：gDB2 毛细管柱：毛细管柱：=1填充柱填充柱： 12/11/2022（3 3）传质阻力项传质阻力项( (CUCU) )定义：定义：被测组分由于浓度不均匀而发生物质迁移过被测组分由于浓度不均匀而发生物质迁移过程，称为传质过程。程，称为传质过程

27、。C C 称为传质阻力系数。称为传质阻力系数。传质过程分为：气相传质过程与液相传质过程传质过程分为：气相传质过程与液相传质过程传质阻力系数传质阻力系数C C等于气相传质阻力系数等于气相传质阻力系数C Cg g和液相传质和液相传质阻力系数阻力系数C Cl l之和：之和：C=Cg+C12/11/2022gpgDdkkC2221010 )(.lfDdkkC221)1 (32液膜厚度液膜厚度fd组分在气体中的扩散系数组分在气体中的扩散系数lD2/11/2022总结：总结：范第姆特方程范第姆特方程H=A+B/U+CUA A，B/UB/U，CUCU越小，色谱柱的塔板高度越小，色谱柱的塔板高度H H 越小，

28、越小，柱效率越高。柱效率越高。改善柱效率的因素：改善柱效率的因素：选择颗粒较小的均匀填料选择颗粒较小的均匀填料选用较低的柱温操作选用较低的柱温操作降低担体表面液层的厚度降低担体表面液层的厚度选用合适的载气及载气流速：流速较小时，选用合适的载气及载气流速：流速较小时，分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素，宜用相对分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素，宜用相对分子质量较大的载气；流速较大时，传质项为控制分子质量较大的载气；流速较大时，传质项为控制因素，宜用相对分子质量较小的载气。因素，宜用相对分子质量较小的载气。2/11/2022第四节 色谱分离条件的选择一、分离度和影响分离的因素一、分离度和影响分离

29、的因素（1）分离度）分离度R及计算及计算定义：相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底定义：相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比，用宽度平均值之比，用R表示。表示。)(/,211221YYttRRR 分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标。分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标。色谱柱的选择性越强，两组分的色谱峰相距越远；色谱柱的选择性越强，两组分的色谱峰相距越远；柱效能越高，色谱峰越窄。柱效能越高，色谱峰越窄。2/11/20222/11/2022R R1 1时，分离程度为时，分离程度为98.7%98.7%R R1.51.5时，分离程度可达时，分离程度可达99.7%99.

30、7%2/11/2022若两组分分离效果较差，可用半峰宽若两组分分离效果较差，可用半峰宽(Y(Y1/21/2) )代替峰底代替峰底宽宽(Y)(Y)计算分离度：计算分离度：22112112,/,/,/YYttRRR 2/11/2022（2 2）色谱分离基本方程式）色谱分离基本方程式由上式可知：由上式可知：增加塔板数可以提高分离度增加塔板数可以提高分离度k k值的最佳范围是：值的最佳范围是：1 1k k1010相对保留值相对保留值增大，能显著地提高分离度增大，能显著地提高分离度两根同种色谱柱的相互关系式：两根同种色谱柱的相互关系式：22211116)()( kRn1114 kknR2122121LL

31、RRnn 2/11/2022 与柱效的关系（柱效因子）与柱效的关系（柱效因子） 与容量因子的关系与容量因子的关系R nR n1/21/2增加柱长增加柱长减小塔板高度减小塔板高度限制：限制：L过长，保留时过长，保留时间延长，分析时间延长，间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。色谱峰扩展。使用性能优良的使用性能优良的色谱柱，并选择色谱柱，并选择最佳分离条件最佳分离条件k值增大，有利于分离，但值增大，有利于分离，但k 10时，对时，对R的的增加不明显，也会显著增加分析时间增加不明显，也会显著增加分析时间k的最佳范围：的最佳范围：1 102/11/2022 与柱选择性的关系与柱选择性的关系 分离度、柱效、

32、柱选择性的关系分离度、柱效、柱选择性的关系r2,1越大，柱选择性越好，分离效果越好。越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。分离。 L = 16R2H有效有效 a aa a-12= n有效有效 H有效有效2/11/2022例例4.2.3 4.2.3 如果柱长如果柱长L L2 2为为1m1m时，分离度及为时，分离度及为0.80.8，要，要实现完全分离实现完全分离( (R R1.5)1.5)，色谱柱，色谱柱L Ll l至少应有多长至少应有多长? ?解：解：

33、答：色谱柱至少应有答：色谱柱至少应有3.52m3.52m长。长。2221218051 .RRLL(m).52352321 LL2/11/2022例例4.2.4 4.2.4 用用3m3m长的填充柱得到如图所示的色谱流出长的填充柱得到如图所示的色谱流出曲线，为了得到曲线，为了得到R R的分辨率，填充柱最短需要多少的分辨率，填充柱最短需要多少米米? ?2/11/202246241171621 minminncm0.06494624cm300H2311114117.min)(min)(, si16min1min)117(0tRtk1154161161231123115116222 .nm0.75cm7

34、5cm0.06491154 2L塔板高度为：塔板高度为： 代入公式，得：代入公式，得： 解：2/11/2022二、分离条件的选择二、分离条件的选择载气及其最佳流速的选择载气及其最佳流速的选择 载气的选择载气的选择 热导池检测器常用氢气、氦气作载气热导池检测器常用氢气、氦气作载气 氢火焰检测器宜用氮气作载氢火焰检测器宜用氮气作载2/11/2022载气流速的选择载气流速的选择范第姆特方程式范第姆特方程式H=A+B/U+CU中，中，A，B，C与载气与载气线速度无关。线速度无关。载气的最佳流速：载气的最佳流速：CBU 2/11/2022柱温的选择柱温的选择柱温改变时，柱效率、分离度柱温改变时，柱效率、

35、分离度R R、选择性及色谱柱的、选择性及色谱柱的稳定性都将产生相应的改变。稳定性都将产生相应的改变。2/11/2022汽化温度的选择汽化温度的选择 比汽化室高比汽化室高30307070或：比试样组分中最高的沸点高或：比试样组分中最高的沸点高30305050进样时间和进样量进样时间和进样量 L L5 5L L 气体进样量为气体进样量为0.1mL0.1mL5mL5mL2/11/2022三、固定相及其选择三、固定相及其选择1气气固色谱固定相固色谱固定相吸附吸附物理化学过程物理化学过程吸附剂分类：吸附剂分类： (1)非极性吸附剂：如活性炭，适用于低沸点的非极性吸附剂：如活性炭，适用于低沸点的碳氢化合物

36、的分析。碳氢化合物的分析。 (2)弱极性吸附剂：如氧化铝吸附剂，适用于分弱极性吸附剂：如氧化铝吸附剂，适用于分析析C1C4烃类及异构体。烃类及异构体。 2/11/2022(3)强极性吸附剂：强极性吸附剂：如分子筛，适于分如分子筛，适于分析析N2，O2，CO，H2等气体和正异构烷等气体和正异构烷烃。烃。 (4)氢键型吸附剂：氢键型吸附剂：如硅胶吸附剂，适如硅胶吸附剂，适用于分析有氢键或用于分析有氢键或极性的化合物。极性的化合物。2/11/2022气气- -液色谱的优点：液色谱的优点：(1)(1)固定液的品种繁多，可选择范围大；固定液的品种繁多，可选择范围大；(2)(2)固定液的用量可以任意变化；

37、可以根据需要选固定液的用量可以任意变化；可以根据需要选用合适的固定液用量，以改善分离效果；用合适的固定液用量，以改善分离效果；(3)(3)气气- -液色谱在通常操作条件下有良好的对称峰；液色谱在通常操作条件下有良好的对称峰；寿命长。寿命长。2/11/2022担体担体担体的作用是提供一个很大的惰性表面，使固定液担体的作用是提供一个很大的惰性表面，使固定液以薄膜状态分布在其表面上以薄膜状态分布在其表面上有白色硅藻土担体和红色硅藻土担体两类有白色硅藻土担体和红色硅藻土担体两类2/11/2022担体的选择的基本原则担体的选择的基本原则(1)固定液用量在固定液用量在5%以上的，采用硅藻土型担体；固以上的

38、，采用硅藻土型担体；固定液用量在定液用量在5%以下的，采用表面处理过的担体。以下的，采用表面处理过的担体。(2)高沸点组分的分离，由于控制的柱温高沸点组分的分离，由于控制的柱温(色谱柱温度色谱柱温度)较高，使用玻璃微球作担体。较高，使用玻璃微球作担体。(3)对高腐蚀性的组分，应选用抗腐蚀性强的聚四氮对高腐蚀性的组分，应选用抗腐蚀性强的聚四氮乙烯担体乙烯担体(氟担体氟担体)。 担体的粒度常选用担体的粒度常选用60目目80目或目或80目目100目，高效目，高效柱可选用柱可选用100目目120目。目。2/11/2022固定液固定液对固定液的要求：对固定液的要求：(1)难以挥发，热稳定性好。难以挥发，

39、热稳定性好。在工作柱温下，固定液粘度小，能均布在担体表在工作柱温下，固定液粘度小，能均布在担体表面上形成液膜。面上形成液膜。(3)(3)对被测组分有一定的溶解度且有较高的选择性。对被测组分有一定的溶解度且有较高的选择性。化学稳定性好，在操作条件下，固定液不与载气、化学稳定性好，在操作条件下，固定液不与载气、担体、被测组分发生不可逆的化学反应。担体、被测组分发生不可逆的化学反应。2/11/2022固定液的分类固定液的分类主要是按固定液的极性分级：主要是按固定液的极性分级：“0”“0”级级非极性固定液非极性固定液“+1” +1” 与与“+2”+2”级级弱极性固定液弱极性固定液“+3”+3”级级中等

40、极性固定液中等极性固定液“+4”+4”与与“+5”+5”级级强极性固定液强极性固定液2/11/2022固定液的选择原则：固定液的选择原则：(1)(1)非极性试样，用非极性固定液；非极性试样，用非极性固定液；(2)(2)极性试样，使用极性固定液；极性试样，使用极性固定液；(3)(3)极性与非极性的混合物，一般选用极性固定液；极性与非极性的混合物，一般选用极性固定液；(4)(4)能形成氢键的试样，选用极性或形成氢键的固能形成氢键的试样，选用极性或形成氢键的固定液；定液；(5)(5)复杂的多组分混合试样，常用两种或两种以上复杂的多组分混合试样，常用两种或两种以上的混合固定液。的混合固定液。2/11/

41、2022第四节 气相色谱检测器一、气相色谱议的基本部件与作用一、气相色谱议的基本部件与作用2/11/2022气相色谱仪的工作过程气相色谱仪的工作过程气相色谱仪分为五个主要组成部分：气相色谱仪分为五个主要组成部分：载气系统：气体流动相的运行系统；载气系统：气体流动相的运行系统；进样系统：样品的导入系统；进样系统：样品的导入系统；分离系统：混合样品的分离；分离系统：混合样品的分离；检测系统：分离后物质检测信号的形成；检测系统：分离后物质检测信号的形成；记录系统：检测信号的记录与运算；记录系统：检测信号的记录与运算；2/11/2022 二、气相色谱检测器气相色谱检测器 （一）气相色谱检测器的类型（一

42、）气相色谱检测器的类型 1.1.气相色谱检测器根据响应原理的不同可分为气相色谱检测器根据响应原理的不同可分为浓度浓度型检测器型检测器和和质量型检测器质量型检测器两类。两类。 （1 1）浓度型检测器：）浓度型检测器：测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化，即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD） （2 2）质量型检测器：）质量型检测器：测量的是载气中某组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）2/11/20222.2.按照应用范围分按照应用范围分通用通用和和专用专

43、用检测器检测器 通用检测器有：通用检测器有： （1 1）热导池检测器，）热导池检测器，TCD (Thermal conductivity TCD (Thermal conductivity detector) detector) 测一般化合物和永久性气体测一般化合物和永久性气体 （2 2）氢火焰离子化检测器）氢火焰离子化检测器,FID (Hydrogen flame ,FID (Hydrogen flame ionization detector) ionization detector) 测一般有机化合物测一般有机化合物 专用检测器有：专用检测器有： （3 3）电子俘获检测器，）电子俘获检测

44、器，ECD (Electron capture ECD (Electron capture detector) detector) 测带强电负性原子的有机化合物测带强电负性原子的有机化合物 （4 4）火焰光度检测器，）火焰光度检测器，FPD (Flame photometric FPD (Flame photometric detector) detector) 测含硫、含磷的有机化合物测含硫、含磷的有机化合物2/11/2022（二）检测器的工作原理（二）检测器的工作原理（1 1）热导池检测器的结构及测量原理）热导池检测器的结构及测量原理热导检测器的依据是组分和载气分别具有不同的热导检测器的依

45、据是组分和载气分别具有不同的热导系数，它的特点是结构简单，稳定性好，操热导系数，它的特点是结构简单，稳定性好，操作容易，灵敏度适中，对无机试样和有机试样都作容易，灵敏度适中，对无机试样和有机试样都能响应，是应用最广泛、最成熟的一种通用型检能响应，是应用最广泛、最成熟的一种通用型检测器。测器。 2/11/20222/11/20222/11/2022氢火焰检测器的结构原理氢火焰检测器的结构原理离子化机理：有机物在氢火焰中发生化学电离火焰离子化机理：有机物在氢火焰中发生化学电离火焰中的正离子以中的正离子以H3O+最多，约占最多，约占90%；其他还有；其他还有CHO+，CH3O+，C3H+等。等。对在

46、氢火焰中不电离的无机化合物，例如对在氢火焰中不电离的无机化合物，例如CO，CO2，SO2，N2等，不能进行检测。等，不能进行检测。2/11/2022特点：灵敏度比热导池检测器高出三个数量级，具特点：灵敏度比热导池检测器高出三个数量级，具有结构简单、灵敏度高、响应速度快、应用广泛，有结构简单、灵敏度高、响应速度快、应用广泛，适宜于痕量分析。适宜于痕量分析。2/11/20222/11/2022（三）检测器的性能指标（三）检测器的性能指标气相色谱分析对检测器的要求：气相色谱分析对检测器的要求：测量准确，响测量准确，响应快，稳定性好，灵敏度高，适应范围广。应快，稳定性好，灵敏度高，适应范围广。衡量检测

47、器性能的主要指标：衡量检测器性能的主要指标：灵敏度、检测限灵敏度、检测限和检测器的线性范围。和检测器的线性范围。2/11/2022灵敏度灵敏度以响应信号以响应信号R对进样量对进样量Q作图，得到一条通过原点的作图，得到一条通过原点的直线，其斜率为：直线，其斜率为：QRS/ 2/11/2022icmmgmVCRS)3/()( dtqdmdVdmCvi0,2/11/2022tdccCSctdcRxdcRxdhAi21211,02102121vvqccmSmdqccStdccCSAi2/11/2022mACCG12GSGqSmvC600,(2)对于质量型检测器对于质量型检测器(1)对于浓度型检测器对于

48、浓度型检测器质量型检测器的灵敏度质量型检测器的灵敏度与载气的流速无关与载气的流速无关3021/:,cmmgmVunitvmAqccSCsgmVunitmAccSm/:2160 2/11/2022检测限检测限D(敏感度敏感度)DNQRS3SND3CC3SND mm3SND 定义：某组分的峰高定义：某组分的峰高(mV)恰为噪音的恰为噪音的3倍时，单位体倍时，单位体积积(或时间或时间)引入检测器的试样量（单位为引入检测器的试样量（单位为g）。）。浓度型检测器质量型检测器检测限检测限D越小，说明噪音越小，检测器的灵敏度越小，说明噪音越小，检测器的灵敏度越高，所需的试样量越少。越高，所需的试样量越少。

49、2/11/2022 最小检出量最小检出量Q0 定义：定义：指检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时指检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时所需进入色谱柱的最小物质量（或最小浓度）。所需进入色谱柱的最小物质量（或最小浓度）。 响应时间：响应时间：要求检测器能迅速、真实地反映通要求检测器能迅速、真实地反映通过它的物质量的变化情况；响应速度要快。过它的物质量的变化情况；响应速度要快。 线性范围：线性范围：指试样量与信号之间保持线性关系指试样量与信号之间保持线性关系的范围，用最大进样量和最小检测出量的比值表的范围，用最大进样量和最小检测出量的比值表示。示。SNcYQmmh3605.122/0 SNcFYQCC

50、h3605.1202/0 hYAh 2/605.1NchC31 注意：2/11/2022第五节第五节 气相色谱定性、定量分析气相色谱定性、定量分析一、气相相色谱的定性方法一、气相相色谱的定性方法依据：依据：利用色谱图确定各色谱峰所代表的化合物。利用色谱图确定各色谱峰所代表的化合物。常用的方法：常用的方法：纯物质对照定性、利用保留值定性、纯物质对照定性、利用保留值定性、利用检测器的选择性定性等。利用检测器的选择性定性等。2/11/2022各种物质在一定的条件下各种物质在一定的条件下( (固定相、操作条件固定相、操作条件) )，均，均有确定不变的保留值有确定不变的保留值利用已知成分的纯物质与未知试

51、样的色谱峰对照进利用已知成分的纯物质与未知试样的色谱峰对照进行定性分析行定性分析2/11/2022（1 1）利用保留值定性）利用保留值定性 当已知某试样推测为某化合物当已知某试样推测为某化合物( (例如已用其他例如已用其他方法确定方法确定) )时，用相应化合物的纯物质进行比较，有时，用相应化合物的纯物质进行比较，有相同的峰形和保留值的则为同一种化合物。相同的峰形和保留值的则为同一种化合物。特点：气相色谱定性最可靠的方法特点：气相色谱定性最可靠的方法注意：注意：如果保留时间相同，峰形不同，仍不如果保留时间相同，峰形不同，仍不能认为是同一种物质时，将试样与纯物质混合后注能认为是同一种物质时，将试样

52、与纯物质混合后注入色谱柱，若色谱峰增高而半峰宽并不相应增加，入色谱柱，若色谱峰增高而半峰宽并不相应增加，则两者可能是同一种物质。则两者可能是同一种物质。缺点：重复性较差缺点：重复性较差2/11/2022（2）利用相对保留值定性）利用相对保留值定性定义：相对保留值是组分定义：相对保留值是组分i i与基准物与基准物S S的调整保留值的调整保留值之比：之比： sR,iR,sR,iR,si,/VVtt 优点：可以消除某些操作条件的影响，只要柱温、优点：可以消除某些操作条件的影响，只要柱温、固定相不变，即使柱径、柱长、填充情况及流动相固定相不变，即使柱径、柱长、填充情况及流动相的流速有所变化，相对保留值

53、的流速有所变化，相对保留值i,s仍然不变，它是色仍然不变，它是色谱定性分析的重要参数。谱定性分析的重要参数。2/11/2022 （3）利用保留指数进行）利用保留指数进行I进行定性分析进行定性分析 Xz+1 ， Xz 分别代表含分别代表含Z+1、Z个碳原子的正构烷烃个碳原子的正构烷烃在测定柱上的调整保留参数，在测定柱上的调整保留参数， Xi代表待测物质在测代表待测物质在测定柱上的调整保留参数。定柱上的调整保留参数。 优点：可以方便求出文献测定条件下的优点：可以方便求出文献测定条件下的I 值而进行定值而进行定性分析，无须标准物质。性分析，无须标准物质。)lglglglg(1001ZXXXXZZZi

54、iI 2/11/2022热导池检测器热导池检测器(FCD)(FCD)：对有机化合物和无机化合物均有响应，对有机化合物和无机化合物均有响应，但灵敏度较低；但灵敏度较低；氢焰检测器氢焰检测器(FID)(FID)：对有机化合物灵敏度高，对无机气体、对有机化合物灵敏度高，对无机气体、水分等响应很小；水分等响应很小；电子捕获检测器电子捕获检测器(ECD)(ECD)：对卤素、氧、氯等电负性强的组分对卤素、氧、氯等电负性强的组分有很高的灵敏度，对不含卤素、氧、氮等电负性强的组分灵有很高的灵敏度，对不含卤素、氧、氮等电负性强的组分灵敏度很低，甚至不产生响应；敏度很低，甚至不产生响应；火焰光度检测器火焰光度检测

55、器(FPD)(FPD)：只对含只对含S S，P P的物质有信号。的物质有信号。利用检测器定性，可以大致判断被测物的类型。利用检测器定性，可以大致判断被测物的类型。 2/11/2022二、气相色谱定量方法二、气相色谱定量方法依据：依据：在一定的条件下，被测组分在一定的条件下，被测组分i i的质量的质量m mi i或其或其在载气中的浓度与检测器的响应信号（色谱上表在载气中的浓度与检测器的响应信号（色谱上表现为峰面积现为峰面积AiAi或峰高或峰高HiHi）成正比：）成正比：色谱定量公式：色谱定量公式：iiiiiiHfmAfm2/11/2022（一）色谱峰面积测量方法（一）色谱峰面积测量方法21210

56、651940YhYhA .2.2.峰高乘平均峰宽法峰高乘平均峰宽法在峰高在峰高0.15处与峰高处与峰高0.85处测量峰的宽度，然后取处测量峰的宽度，然后取平均值，乘以峰的高度：平均值，乘以峰的高度：3.电子积分法电子积分法 hYYA 2850150.0103hY1/2Signalt2/11/2022（二）定量校正因子（二）定量校正因子原因：为了使检测器的响应信号能真实地反映物质原因：为了使检测器的响应信号能真实地反映物质的含量，就要对色谱峰面积进行校正，因此引入定的含量，就要对色谱峰面积进行校正，因此引入定量校正因子。量校正因子。在一定的操作条件下，组分在一定的操作条件下，组分i i的进样量的

57、进样量m m与峰的面积与峰的面积AiAi成正比：成正比：iiAfm iiAmf/绝对校正因子绝对校正因子2/11/2022iiViiniimAVfAnfAmf/,体积校正因子：摩尔校正因子：质量校正因子：进样量：进样量：质量质量m m、摩尔、摩尔n n、体积、体积V V物理意义是每单位峰面积所代表物质的多少物理意义是每单位峰面积所代表物质的多少2/11/2022例例4.2.7 某试样含有某试样含有5g乙醇，测得相应的色谱峰面乙醇，测得相应的色谱峰面积为积为150mm2，求乙醇的，求乙醇的fi。解：解：222,103 . 3150/5mmgmmgfim答：乙醇的绝对校正因子答：乙醇的绝对校正因子

58、fm,i为为3.310-2gmm-2。即每平方毫米色谱峰面积代表即每平方毫米色谱峰面积代表3.310-2g乙醇。乙醇。2/11/2022绝对校正因子绝对校正因子f fi i的大小主要由操作条件和仪器的的大小主要由操作条件和仪器的灵敏度所决定，既不容易准确测量，也无统一标灵敏度所决定，既不容易准确测量，也无统一标准；当操作条件波动时，准；当操作条件波动时，f fi i也发生变化。也发生变化。故故f fi i无法直接应用，定量分析时，一般采用相对无法直接应用，定量分析时，一般采用相对校正因子。校正因子。定义：定义：规定某一个组分为标准物，计算其他组分规定某一个组分为标准物，计算其他组分的绝对校正因

59、子与此标准物绝对校正因子的比值。的绝对校正因子与此标准物绝对校正因子的比值。2/11/2022siissn,n,i,innAAfffM摩尔校正因子：siisSV,V,iV,iVVAAfff体积校正因子：siissm,m,im,immAAfff质量校正因子： 各物质的量以摩尔数计，各物质的量以摩尔数计，Mi , Ms分别表示被测分别表示被测 物与标准物质的相对分子质量（摩尔质量）物与标准物质的相对分子质量（摩尔质量）ismisisis)M( s)M( iMMMfMmAMmAfff 2/11/2022例例4.2.8 准确称取一定质量的色谱纯对二甲苯、准确称取一定质量的色谱纯对二甲苯、甲苯、苯及仲丁

60、醇，混合后稀释，采用氢焰检甲苯、苯及仲丁醇，混合后稀释，采用氢焰检测器，定量进样并测量各物质所对应的峰面积，测器，定量进样并测量各物质所对应的峰面积，数据如下：数据如下： 物质物质 苯苯 仲丁醇仲丁醇 甲苯甲苯 对二甲苯对二甲苯 A/cm2以仲丁醇为标准，计算各物质的相对质量校正以仲丁醇为标准，计算各物质的相对质量校正因子因子。2/11/20222cm40.36325.0gfm 仲丁醇06.140.36325.010.48149.022cmgcmgfffmmm仲丁醇甲苯甲苯2cm10.48149.0gfm 甲苯06.16325.08149.010.440.3mmm（仲丁醇）（甲苯）（甲苯）（仲丁醇）（仲丁醇）（甲苯）甲苯mmAA