第9章 气相色谱法

1、1第八章第八章 气相色谱法气相色谱法 色谱法早在1903年由俄国植物学家茨维特分离植物色素时采用。 他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。第一节 概述2一、原理一、原理不同的物质在由两相固定相和流动相构成的体系中，具有不同的分配系数。当两相做相对运动时，这些物质也随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配。分配系数上有微小差别的物质在移动速度上产生差别，从而使各组份达

2、到分离。 3流动相方向流动相方向达到暂时平衡达到新的暂时平衡4二、分类二、分类 按流动相物态分：气相色谱、液相色谱 按系统特征分：柱色谱、薄层色谱、纸色谱 按分离原理分：吸附色谱、分配色谱、 离子交换色谱、凝胶色谱 5 利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法吸附色谱法。 利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法分配色谱法。 利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色离子交换色谱法。谱法。 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法，称为凝胶色谱法凝胶色谱法或排阻色谱排阻色谱

3、法。法。67三、特点：三、特点：高分离效能，几十万理论塔板数高选择性，可分离异构体，同位素高灵敏度，10-12-10-14g可检出 分析速度快，几分钟至几十分钟应用范围广：气体、易挥发的液体和固体 8第二节 色谱流出曲线及有关术语（一）色谱流出曲线和色谱峰 由检测器输出的电信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是色谱峰。 如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线（气固吸附色谱）或分配等温线（气液分配色谱）的线性范围内，则色谱峰是对称的。9第二节 色谱流出曲线及有关术语（二）基线 在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。

4、（三）峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h）表示。10第二节 色谱流出曲线及有关术语 色谱流出曲线l色谱流出曲线和色谱峰l基线（a）l峰高（h）信号进样空气峰色谱峰ha11第二节 色谱流出曲线及有关术语（四）保留值（四）保留值 1. 死时间死时间t0 溶剂或载气通过相颗粒间所剩留的空间、管路空间的总和的时间，它正比于色谱柱的空隙体积，如下图。信号进样t012第二节 色谱流出曲线及有关术语2. 保留时间保留时间tR 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间，如下图。信号进样tR13第二节 色谱流出曲线及有关术语3. 调整保留时间调整保留时间tR l某组分的保留时间扣除死时

5、间后，称为该组分的调整保留时间，即 tR= tR t0 l由于组分在色谱柱中的保留时间tR包含了组分随流动相通过柱子所须的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，所以tR实际上是组分在固定相中保留的总时间。l保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积来表示保留值。144. 4. 容量因子容量因子（平衡时）固定相中的量/流动相中的量 k tR / t05.5.半峰宽半峰宽(W(W1/21/2) ) : : 峰高值的1/2处所对应的峰宽6.6.理论塔板数理论塔板数N N： N为分离效率的指标。将色谱柱视为一个精馏塔，假设在每一块塔板上，溶质

6、在两相中很快达到平衡，然后随流动相从一个塔板向另一个塔板转移。N有效=5.54(tR/w1/2)2 （块/柱）15选择性差，柱效高选择性好，柱效低选择性和柱效均好7. 7. 分离度分离度 ( (RsRs) )： Rs 1.5基本分离 )(2/1 Rs1212wwRRtttt168. 8. 分配系数分配系数K K和分配比和分配比k k(1). 分配系数分配系数K 分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次的分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附-脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配系数K。 它是指在一定温度和压力下，组分在固

7、定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即 K=溶质在固定相中的浓度溶质在固定相中的浓度 / 溶质在流动相中的浓度溶质在流动相中的浓度 = = C Cs s / / C Cm m 17(2).分配比分配比 k 分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。即 k = 组分在固定相中的质量 / 组分在流动相中的质量 = ms / mm k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与

8、流动相及固定相的体积有关。18气相色谱仪结构图：载气源减压净化进样色谱柱检测器第三节 仪器结构19FlowControllerRegulatorsAirHydrogenCarrier GasMol-SieveTrapsFixedInjectionPortDetectorRestrictorsColumnHRESETor20211、载气源：、载气源：N2、H2、He、Ar 2、减压阀、净化剂、减压阀、净化剂 3、进样系统：六通阀、气化室、进样系统：六通阀、气化室 4、分离柱、分离柱A柱材料：金属或玻璃管，毛细管22B 固定相担体：硅藻土、玻璃球、氟塑料担体应具备的特点：多孔、比表面积大、化学惰性

9、、热稳定性、有一定的机械强度固定液：有机化合物23固定液：有机化合物固定液应具备的特点：高沸点、热稳定性、化学稳定、低凝固点和粘度，对分离组份有一定的溶解能力固定液的种类：常用：苯基甲基聚硅氧烷、聚乙二醇2000等固定液的选择：相似相溶，考虑极性、酸碱性、氢键作用24 吸附剂：活性炭和分子筛，氧化铝、硅胶、等 合成固定相：高分子多孔微球、既是担体又起固定液作用255、检测器、检测器a. 热导检测器（TCD）：惠斯顿电桥测电导值的变化b. 氢火焰检测器（FID）：色谱柱流出物在氢焰中燃烧形成离子，电场作用下离子流动，检测离子流。c. 电子俘获检测器（ECD）：X、O、S、P等电负性的物质捕获载气

10、被电离后形成的离子。d. 火焰光度（FPD）或称硫磷检测器：S、P的有机物燃烧发出特征光波 S：394nm，P：526nm 26H2H2H2H2H2H2CH4CH4CH4CH4CH4CH4CHO+CHO+CHO+CHO+CHO+CO2CO2CO2H 02H 02H 02H 02H2H2H2H2H2H2columnjet 火焰离子化检测器示意图火焰离子化检测器示意图火焰离子化机理火焰离子化机理27火焰离子化检测器的特点火焰离子化检测器的特点 可用于可用于检测绝大多数有机化合物，并可检测检测绝大多数有机化合物，并可检测ng/mL级痕量物质，易于进行痕量有机物的分析级痕量物质，易于进行痕量有机物的分

11、析。它具有结构。它具有结构简单、灵敏度高、响应快、线性范围宽、选择性好、低简单、灵敏度高、响应快、线性范围宽、选择性好、低干扰性、坚固易于使用等优点。但检测时样品被破坏，干扰性、坚固易于使用等优点。但检测时样品被破坏， 不能检测惰性气体、空气、水、不能检测惰性气体、空气、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2、H2S。28优点：是最灵敏的优点：是最灵敏的GC检测器之一，检测器之一，也是一种选择性很强的检测器，也是一种选择性很强的检测器，对于含卤素有机化合物、过氧化对于含卤素有机化合物、过氧化物、醌、邻苯二甲酸酯和硝基化物、醌、邻苯二甲酸酯和硝基化合物的检测有很高灵敏度，特别合物的检测有很高灵敏

12、度，特别适合于环境中微量有机氯农药的适合于环境中微量有机氯农药的检测检测 。ECD原理示意图原理示意图 缺点：缺点：线性范围较窄线性范围较窄，一般为，一般为103，且检测器的性能受操作条，且检测器的性能受操作条件的影响较大，载气中痕量的件的影响较大，载气中痕量的氧气会使背景噪声明显增大。氧气会使背景噪声明显增大。 29 是一种对是一种对含磷、硫有机化合物含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器。型检测器。PFPD结构示意图结构示意图 30l噪声和漂移噪声和漂移l灵敏度灵敏度l检出限检出限l最小检测量最小检测量l线性范围线性范围l响应时间响应时间第四节

13、检测器的性能指标31l评价检测器稳定性的指标，同时还影响检测器的灵敏度。评价检测器稳定性的指标，同时还影响检测器的灵敏度。 1、噪声和漂移、噪声和漂移主要有检测器构件的工作稳定性、电子线路的噪声以及流主要有检测器构件的工作稳定性、电子线路的噪声以及流过检测器的气体纯度等过检测器的气体纯度等 与色谱峰信号相似的基线波动，往往是由于载气纯度降低、色谱柱固定与色谱峰信号相似的基线波动，往往是由于载气纯度降低、色谱柱固定相流失或检测器被污染所造成的，很难通过滤波器除去，故对实际分析相流失或检测器被污染所造成的，很难通过滤波器除去，故对实际分析影响较大影响较大 基线随时间的单向缓慢变化，通常表示为单位时

14、间基线随时间的单向缓慢变化，通常表示为单位时间(0.5或或1.0小时小时)内基线信号值的变化，即：内基线信号值的变化，即：Dr= R/ t 单位：单位：mV/h或或pA/h多是仪器系统某些部件未进入正常工作状态，如温度、载多是仪器系统某些部件未进入正常工作状态，如温度、载气流速，以及色谱柱固定相的流失。气流速，以及色谱柱固定相的流失。 漂移漂移来源：来源：噪声噪声 反映检测器背景信号的基线波动，用反映检测器背景信号的基线波动，用N表示。表示。分类：分类：长期噪声长期噪声短期噪声短期噪声 基线的瞬间高频率波动，是一般检测器所固有的背景信号基线的瞬间高频率波动，是一般检测器所固有的背景信号原因原因

15、32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21icciAC FSwCRSc灵敏度灵敏度响应信号的变化量响应信号的变化量组分量的变化量组分量的变化量浓度型检测器浓度型检测器质量型检测器质量型检测器单位：单位：mV ml/mg2160imiC ASwC单位：安培单位：安培 s/g记录仪灵敏度记录仪灵敏度 mV/cm样品质量样品质量mg走纸速度走纸速度 cm/min检测器入口载气检测器入口载气流速度流速度cm3/min灵敏度的测量应在检测器的线性范围内进行灵敏度的测量应在检测器的线性范围内进行 332NccRDS2NmmRDS浓度型检测器浓度型检测器质量型检测器质量型检测器

16、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2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 34102110211.0651.06560CCCmmWFWDCWWDC最小检测量与检测器性能、色谱柱效和操作条件有关最小检测量与检测器性能、色谱柱效和操作条件有关浓度型检测器浓度型检测器质量型检测器质量型检测器35检测器信号大小与被测物质的量成检测器信号大小与被测物质的量成线性关系线性关系的范围的范围RCiCACB 绘制工作曲线时，

17、样品的浓度绘制工作曲线时，样品的浓度范围应当控制在检测器的线性范围范围应当控制在检测器的线性范围内。内。 36定义：某一组分从进入检测器到响应值达到其实际值定义：某一组分从进入检测器到响应值达到其实际值的的63%所经过的时间，用所经过的时间，用 表示表示 。产生原因：主要是检测器的死体积和电子放大线路的滞产生原因：主要是检测器的死体积和电子放大线路的滞后现象引起色谱系统对输出信号的滞后时间。后现象引起色谱系统对输出信号的滞后时间。要求：越小越好要求：越小越好 37第五节 色谱定性和定量分析一一 、色谱的、色谱的定性定性分析分析 色谱定性分析就是要确定各色谱峰所代表的化合物。由于各种物质在一定的

18、色谱条件下均有确定的保留值，因此保留值可作为一种定性指标。 但是不同物质在同一色谱条件下，可能具有相似或相同的保留值，即保留值并非专属的即保留值并非专属的。因此仅根据保留值对一个完全未知的样品定性是困难的。如果在了解样品的来源、性质、分析目的的基础上，对样品组成作初步的判断，再结合下列的方法则可确定色谱峰所代表的化合物。38（一）利用纯物质对照定性（一）利用纯物质对照定性 在一定的色谱条件下，一个未知物只有一个确定的保留时间。因此将已知纯物质在相同的色谱条件下的保留时间与未知物的保留时间进行比较，就可以定性鉴定未知物。若二者相同，则未知物可能是已知的纯物质；不同，则未知物就不是该纯物质。 纯物

19、质对照法定性只适用于组分性质已有所了解，组成比较简单，且有纯物质的未知物。39（二）相对保留值法（二）相对保留值法 相对保留值is 是指组分i与基准物质s调整保留值的比值 is = tri / trS= Vri / Vrs 它仅随固定液及柱温变化而变化，与其它操作条件无关。 相对保留值测定方法：在某一固定相及柱温下，分别测出组分i和基准物质s的调整保留值，再按上式计算即可。 用已求出的相对保留值与文献相应值比较即可定性。 通常选容易得到纯品的，而且与被分析组分相近的物质作基准物质，如正丁烷、环己烷、正戊烷、苯、对二甲苯、环己醇、环己酮等。40 （三）加入已知物增加峰高法（三）加入已知物增加峰高

20、法 当未知样品中组分较多，所得色谱峰过密，用上述方法不易辨认时，或仅作未知样品指定项目分析时均可用此法。首先作出未知样品的色谱图，然后在未知样品加入某已知物，又得到一个色谱图。峰高增加的组分即可能为这种已知物。 41二、二、定量定量分析分析 定量分析的任务是求出混合样品中各组分的百分含量。色谱定量的依据是，当操作条件一致时，被测组分的质量（或浓度）与检测器给出的响应信号成正比。即： i = fi Ai 式中i为被测组分i的质量； Ai为被测组分i的峰面积； fi为被测组分i的校正因子。 可见，进行色谱定量分析时需要：（1）准确测量检测器的响应信号 峰面积或峰高；（2）准确求得比例常数 校正因子

21、；（3）正确选择合适的定量计算方法，将测得的峰面积或 峰高换算为组分的百分含量。42（一）峰面积测量方法（一）峰面积测量方法 峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测量的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法。（1）对称形峰面积的测量 峰高乘以半峰宽法 对称峰的面积 A = 1.065 h W1/2（2）不对称形峰面积的测量 峰高乘平均峰宽法 对于不对称峰的测量如仍用峰高乘以半峰宽，误差就较大，因此采用峰高乘平均峰宽法。A = 1/2 h（W0.15 + W0.85）式中W0.15 和 W0.85分别为峰高0.15倍和0.85倍处的峰宽。 43（二）定量校正因子（二

22、）定量校正因子 色谱定量分析的依据是被测组分的量与其峰面积成正比。但是峰面积的大小不仅取决于组分的质量，而且还与它的性质有关。即当两个质量相同的不同组分在相同条件下使用同一检测器进行测定时，所得的峰面积却不相同。因此，混合物中某混合物中某一组分的百分含量并不等于该组分的峰面积在各组分峰面积总一组分的百分含量并不等于该组分的峰面积在各组分峰面积总和中所占的百分率和中所占的百分率。这样，就不能直接利用峰面积计算物质的含量。为了使峰面积能真实反映出物质的质量，就要对峰面积进行校正，即在定量计算是引入校正因子。 通过相对校正因子，可以把各个组分的峰面积分别换算成与其质量相等的标准物质的峰面积，于是比较

23、标准就统一了。这就是归一法求算各组分百分含量的基础。 校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。44相对校正因子的测定方法相对校正因子的测定方法 相对校正因子值只与被测物和标准物以及检测器的类型有关，而与操作条件无关。因此， fi 值可自文献中查出引用。若文献中查不到所需的fi 值，也可以自己测定。常用的标准物质，对热导检测器（TCD）是苯，对氢焰检测器（FID）是正庚烷。 测定相对校正因子最好是用色谱纯试剂。若无纯品，也要确知该物质的百分含量。测定时首先准确称量标准物质和待测物，然后将它们混合均匀进样，分别测出其峰面积，再进行计算。45（三）定量计算方法（三）定量计算方法1. 1. 归一化法归

24、一化法 把所有出峰组分的含量之和按100%计的定量方法称为归一化法。其计算公式如下： Pi % = (mi / m) 100% = Aifi / (A1f1 + A2f2 + +Anfn) 100% 式中Pi %为被测组分i的百分含量； A1、A2 An为组分1 n的峰面积；f1、f2 fn为组分1 n的相对校正因子。 当fi 为质量相对校正因子时，得到质量百分数；当fi 为摩尔相对校正因子时，得到摩尔百分数。46 归一化法的优点是简单、准确，操作条件变化时对定量结果影响不大。但此法在实际工作中仍有一些限制，比如，样品的所有组分必须全部流出，且出峰。某些不需要定量的组分也必须测出其峰面积及fi

25、 值。此外，测量低含量尤其是微量杂质时，误差较大。472. 2. 内标法内标法 当样品各组分不能全部从色谱柱流出，或有些组分在检测器上无信号，或只需对样品中某几个出现色谱峰的组分进行定量时可采用内标法。 所谓内标法，是将一定量一定量 的纯物质作为内标物加入到准确准确称量的试样称量的试样 中，根据试样和内标物的质量以及被测组分和内标物的峰面积可求出被测组分的含量。 由于被测组分与内标物质量之比等于峰面积之比，即 mi / ms =Aifi / Asfs所以 mi = ms Aifi / Asfs 式中下标s代表内标物，i代表组分。若试样质量为m，则 Pi % = (mi / m) 100% = ms Aifi / Asfsm 100%48 内标法的关键是选择合适的内标物，它必须符合下列条件： （1）内标物应是试样中原来不存在的纯物质，性质与被测物相近，能完全溶解于样品中，但不能与样