气相色谱分析组成和基本原理说课材料

1、气相色谱分析组成和基本原理气相色谱仪气相色谱仪2一、分类一、分类 按流动相物态分：按流动相物态分：气相色谱、液相色谱气相色谱、液相色谱第一节第一节 气相色谱法概述气相色谱法概述 按按 系系 统统 特特 征征 分：分：柱色谱、薄层色谱、柱色谱、薄层色谱、 纸色谱纸色谱按按 分分 离离 原原 理理 分：分： 吸附色谱、分配色吸附色谱、分配色 谱、谱、 离子交换色谱、凝胶色谱离子交换色谱、凝胶色谱 1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样器;8-色谱柱;9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；二、二、气相色谱流程气相色谱流程 待测物

2、样品被蒸发为气体并注入到色谱分待测物样品被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶，以惰性气体（指不与待测物反应离柱柱顶，以惰性气体（指不与待测物反应的气体，只起运载蒸汽样品的作用，也称载的气体，只起运载蒸汽样品的作用，也称载气）将待测物样品蒸汽带入柱内分离。气）将待测物样品蒸汽带入柱内分离。三、三、分离过程分离过程1. 载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流 速控制；速控制；2. 进样系统：进样器及气化室；进样系统：进样器及气化室；3. 色谱柱：填充柱（填充固定相）或毛细管柱色谱柱：填充柱（填充固定相）或毛细管柱 （内壁涂有固定液）；（内壁涂有固定液）；4. 检

3、测器：可连接各种检测器，以热导检测器检测器：可连接各种检测器，以热导检测器 或氢火焰检测器最为常见；或氢火焰检测器最为常见；5. 记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪；记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪；6. 温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。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一、分离原理一、分离原理 不同的物质在由两相不同的物质在由两相固定相和流动相构成的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，并在两相间进时，这些物质也随流动相一

4、起运动，并在两相间进行反复多次的分配。行反复多次的分配。分配系数上有微小差别的物质分配系数上有微小差别的物质在移动速度上产生差别，从而使各组份达到分离。在移动速度上产生差别，从而使各组份达到分离。二、分配系数、分配比与滞留因二、分配系数、分配比与滞留因子子分配系数 组分在色谱柱内的固定相和流动相间发生的吸附、脱附或溶解、挥发的过程称为分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g/mL）的比值，称为分配系数，用K表示。分配比 在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比，用k表示。 分配比越大，保留时间越长；分配比为零，保留时间为死时间。滞留因子Rs组分

5、与载气在色谱柱内的流速之比11kmmmRSMSSMRttk三、三、塔板理论塔板理论- -柱分离效能指标柱分离效能指标 把色谱分离过程比拟作蒸馏工程，直接引用处理把色谱分离过程比拟作蒸馏工程，直接引用处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱分离过程，蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱分离过程，即把连续的色谱过程看作许多小段平衡过程的重复。即把连续的色谱过程看作许多小段平衡过程的重复。理论塔板假定理论塔板假定在一小段间隔（在一小段间隔（H）内，气相平均组成和液相平）内，气相平均组成和液相平均组成很快达到平衡；均组成很快达到平衡；载气以脉动式进入色谱柱，且每次进气为一个板载气以脉动式进入色谱柱，且

6、每次进气为一个板体积；体积；试样沿色谱柱方向纵向扩散忽略不计；试样沿色谱柱方向纵向扩散忽略不计；分配系数在各板上是常数。分配系数在各板上是常数。色谱柱长：色谱柱长：L虚拟的塔板间距离：虚拟的塔板间距离：H色谱柱理论塔板数：色谱柱理论塔板数：n则三者的关系为：则三者的关系为： n = L / H理论塔板数与色谱参数理论塔板数与色谱参数之间的关系为：之间的关系为：222/1)(16)(54. 5bRRWtYtn有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。用不同物质计算可得到不同的理

7、论塔板数。 组分在组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：塔板数和有效塔板高度：222/1)(16)(54. 5bRRWtYtn有效有效有效nLHWtYtnbRR222/1)(16)(54.5根据塔板理论得出的结论根据塔板理论得出的结论（1）色谱柱的有效塔板数越多，表示组分在色）色谱柱的有效塔板数越多，表示组分在色谱柱内达到平衡的次数越多，柱效越高，所得谱柱内达到平衡的次数越多，柱效越高，所得的色谱峰越窄，对分离有利的色谱峰越窄，对分离有利 ;（2）如果两组分在同一色谱柱上的分配系数相）如果两组分在同一色谱柱上的分配系数相同，那么无论该色

8、谱柱为它们提供的有效塔板同，那么无论该色谱柱为它们提供的有效塔板数有多大，此两组分仍无法分离数有多大，此两组分仍无法分离;（3）由于不同物质在同一色谱柱上分配系数不）由于不同物质在同一色谱柱上分配系数不同，所以同一色谱柱对不同物质的柱效能也不同，所以同一色谱柱对不同物质的柱效能也不同，因此在用塔板数或塔板高度表示柱效能时，同，因此在用塔板数或塔板高度表示柱效能时，必须说明是对什么物质而言。必须说明是对什么物质而言。四、四、 分离度分离度 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：

9、保留值之差色谱过程的热力学因素； 区域宽度色谱过程的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示： 柱效较高，K (分配系数)较大,完全分离； K 不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，K 较大,但分离的不好； K 小，柱效低，分离效果更差。分离度的表达式：分离度的表达式：)(699. 1)(2)(2)1(2/1)2(2/1)1()2()1()2()1()2(YYttWWttRRRbbRRR =0.8：两峰的分离程度可达89%；R =1.0：分离程度98%；R =1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相邻两峰的

10、峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：161112212121121221211212有效nrrWtttrWtttWttWWttRbbbbbRRRRRRRRRR)()()()()()()()()()()()()()()()(有效有效HrrRLrrRn221212221212116116)()(五、分离操作条件的选择五、分离操作条件的选择载气及其流速的选择载气及其流速的选择塔板高度与载气流速曲线 传质阻力项是影响柱效的主要因素，传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速流速 ，柱效柱效 , ,流速流速 ，柱效，柱效 ，由于流速对这两，由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响项

11、完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个使得存在着一个最佳流速最佳流速值，以塔板高度值，以塔板高度H H对应载气流速对应载气流速u u作图，曲线最低点的流速即作图，曲线最低点的流速即为为最佳流速最佳流速。柱温的选择柱温的选择 柱温是影响分离的最重要的因素。选择柱温柱温是影响分离的最重要的因素。选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。 柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点( (分析时间分析时间20-30min)20-30min)；对宽沸程的样品，应使用；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。程序升温方法。恒

12、温：恒温：4545o oC C程序升温：程序升温：3018030180o oC C恒温：恒温：145145o oC C温度低，分离效果较好，但分析时间长温度低，分离效果较好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，分析时间短，但分离效果差温度高，分析时间短，但分离效果差固定液性质和用量固定液性质和用量 固定液量越大，所容许的进样量越多，但色谱固定液量越大，所容许的进样量越多，但色谱柱效能越低，分析时间越长。柱效能越低，分析时间越长。 担体的性质和粒度担体的性质和粒度 担体表面积越大、表面和孔径分布均匀，固担体表面积越大、表面和孔径分布均匀，固定液

13、涂覆均匀，液相传质越快，柱效较高；定液涂覆均匀，液相传质越快，柱效较高； 担体粒度太细，阻力增加，对操作不利。担体粒度太细，阻力增加，对操作不利。气化温度气化温度 气化温度越高对分离越有利；气化温度越高对分离越有利； 一般选择比一般选择比柱温高柱温高3070。进样时间和进样量进样时间和进样量 一般在一般在1秒内完成，越快越好；进样时间长，秒内完成，越快越好；进样时间长，会导致色谱峰变宽；会导致色谱峰变宽； 进样量适当；进样太多，峰叠在一起，分进样量适当；进样太多，峰叠在一起，分离不好；进样太少，检测器灵敏度不够，不能离不好；进样太少，检测器灵敏度不够，不能出峰。出峰。第三节第三节 固定相及其选

14、择固定相及其选择一、一、气固色谱固定相气固色谱固定相固体吸附剂固体吸附剂 该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。要用于分离小分子量的永久气体及烃类。1. 常用固体吸附剂：硅胶常用固体吸附剂：硅胶(强极性强极性)、氧化、氧化铝铝(弱极性弱极性)、活性炭、活性炭(非极性非极性)、分子筛、分子筛(极极性，筛孔大小性，筛孔大小)2. 人工合成固体吸附剂：高分子多孔微球人工合成固体吸附剂：高分子多孔微球(GDX)：人工合成的多孔聚合物，其孔：人工合成的多孔聚合物，其孔径大

15、小可以人为控制。可在活化后直接径大小可以人为控制。可在活化后直接用于分离。用于分离。二、气液色谱固定相二、气液色谱固定相载体载体+固固定液定液 气液色谱固定相由载体和固定液构成：载气液色谱固定相由载体和固定液构成：载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。定液，使其形成薄而匀的液膜。1.担体担体 (也称载体也称载体)1） 对载体的要求：对载体的要求：u 多孔性、比表面积大；多孔性、比表面积大；u表面是化学惰性的；表面是化学惰性的；u热稳定性、有一定的机械强度；热稳定性、有一定的机械强度；u粒度均匀、细小粒度均匀、细小。 类型类型 组成

16、组成 制备制备 特点及应用特点及应用 红色担体红色担体： 硅藻土硅藻土+粘合粘合剂剂 900oC 煅烧煅烧 孔穴密集、孔径小、比表面大。对强极性孔穴密集、孔径小、比表面大。对强极性化合物吸附化合物吸附和催化性较强，可使和催化性较强，可使它们它们因吸因吸附而附而拖尾。只适于非极性或弱极性物质。拖尾。只适于非极性或弱极性物质。 硅藻土硅藻土 单细胞海藻骨单细胞海藻骨(SiO2+小量盐小量盐) 白 色 担 体白 色 担 体 ： 硅 藻 土硅 藻 土+20%Na2CO3煅烧煅烧 与红色担体性质和特点不同。与红色担体性质和特点不同。白色担体适白色担体适于极性物质。于极性物质。 非硅藻土非硅藻土 有机聚合

17、物有机聚合物 人工合成人工合成：有机玻璃球有机玻璃球,氟氟,GDX 载体载体 由于表面难以浸润，只用于一些特定组分由于表面难以浸润，只用于一些特定组分分析。分析。 2）载体类型：分为硅藻土型和非硅）载体类型：分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色担体和红藻土型，前者又分为白色担体和红色担体。色担体。3）载体表面处理：硅藻土含有硅醇基）载体表面处理：硅藻土含有硅醇基(SiOH)、Al2O3、Fe等，也就是说，它具有等，也就是说，它具有活性而不完全化学惰性，需进行化学处理。活性而不完全化学惰性，需进行化学处理。其处理过程如下：其处理过程如下：2. 固定液及其选择固定液及其选择1）对固定液的要求）对固定液的要求 热稳定性好、蒸汽压低热稳定性好、蒸汽压低流失少；流失少； 化学稳定性好化学稳定性好不与其它物质反应；不与其它物质反应； 对试样各组分有合适的溶解能力（分配对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数系数K 适当）；适当）； 对各组分具有良好的选择性。对各组分具有良好的选择性。2）固定液的组成）固定液的组成 高沸点有机化合物高沸点有机化合物3）固定液的选择）固定液的选择 固定液一般是根据其特性来选择。固定液的固定液一般是根据其特性来选择。固定液的特性是指特性是指考虑极性、酸碱性、氢键作用