第十章 气相色谱法

1、第第10章章 气相色谱法气相色谱法 气相色谱法的分离原理和仪器结构 塔板理论、速率理论及总分离效能指标 气相色谱检测器 色谱定性和定量方法 毛细管气相色谱法10.110.1 色谱法概述色谱法概述叶绿素分离俄国植物学家茨维特色谱法的分离原理利用待分离的各种组分在两相中的分配的能力（即分配系数）的不同来进行分离的。色谱法色谱法由来由来固定相固定相：将填入管内静止不动将填入管内静止不动 的一相的一相（固体或液体）（固体或液体）流动相流动相：自上而下运动的一相自上而下运动的一相 （气体或液体）（气体或液体）色谱柱色谱柱：装有固定相的管子装有固定相的管子 （玻璃或不锈钢）（玻璃或不锈钢） 利用色谱流出曲

2、线：利用色谱流出曲线： 色谱峰色谱峰流出时间流出时间进行进行定性、定性、 色谱峰色谱峰面积面积进行进行定量。定量。气相色谱法气相色谱法 气相色谱法是以气体作流动相的色谱法。气相色谱法的流动相，称为载气。其作用只是载送试样，不与物质起任何化学反应。 以气相色谱仪作为分析工具气相色谱法分析流程气相色谱法分析流程10.2 10.2 气相色谱仪气相色谱仪载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统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-进样器和汽化室 8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪载气系统载气系统作用：获得纯净、流速稳定的

3、载气的装置。载气种类：氦气、氢气、氮气。 要求化学惰性，不与有关物质反应。载气选择依据 组分性质 检测器 柱效000wccaPPTFFjPT进样系统进样系统作用：定量引入样品、使样品瞬间气化装置进样系统进样器气化室微量注射器(液体进样器)六通阀(进气进样器)气化室温度比柱温高出1050；让试样瞬间气化而不被分解进样要求：快速，即“塞子”式进样。 进样量过大或进样过慢，将使分离变差(峰拖尾)。分离系统分离系统作用：将混合组分分离色谱柱种类：填充柱和毛细管柱填充柱 毛细管柱气相色谱仪的分离系统即色谱柱，由柱管和装填其中的固定相所组成，是色谱分析的心脏部分。检测系统和放大系统检测系统和放大系统作用：

4、将被分离组分的量转为易于测量的电信号。分类：根据检测原理不同，检测器可分为浓度型检测器和质量型检测器。 被分离后的组分依次进入检测器后，检测器产生的信号值R与该组分的浓度或质量成正比。R ciR mi作用：将检测器得到的电信号R，由记录仪记录下来即得色谱流出曲线。检测系统放大系统温度控制系统温度控制系统气化室：保证液体试样瞬间气化；检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；色谱柱：控制需要的温度，确保组分分离。温度是色谱分离条件的重要选择参数10.3 10.3 色谱法基本理论色谱法基本理论 以组分的浓度变化为纵坐标，流出时间为横坐标所得到的色谱图称为色谱流出曲线。 在一定的进样量范围内，色谱

5、流出曲线遵循正态分布，是色谱定性、定量以及评价色谱分离情况的基本依据。色谱流出曲线的有关术语色谱流出曲线的有关术语基线基线： 在实验条件下，仅有流动相通过检测器时的流出曲线。 稳定的基线为水平直线 当基线走直后方可进样噪音：各种因素所引起的基线起伏。漂移：基线随时间定向的缓慢变化（仪器未稳定造成）。峰高：峰高：色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高，用 h 表示峰面积峰面积：峰与峰底之间的面积称为峰面积，用 A 表示。定量定量保留值保留值保留值：表征试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值。定性 用时间表示的保留值t/min 保留时间tR： 指待测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需时间。 死

6、时间tm： 指不与固定相作用的气体(如空气、甲烷等)的保留时间。 调整保留时间tR：扣除死时间后的 保留时间。 tR = tRtM保留值保留值 用体积表示的保留值 保留体积VR： 从进样开始到柱后出现待测组分浓度最大值时所通过的载气体积。 VR=tRF0 F0为色谱柱出口处载气流速(mLmin-1) 死体积Vm： 指色谱柱内除了固定相外的空隙体积、色谱仪中管路和连接头之间的空间、进样系统及检测器的空间的总和。 Vm=tmF0 调整保留体积VR：扣除死体积后的 保留体积。 VR=tRF0相对保留值相对保留值相对保留值相对保留值r r2121：指在相同的操作条件下，组份2的调整保留值与组份1的调整

7、保留值之比。/) 1 (/)2(/) 1 (/)2(21RRRRVVttr优点：r21只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长L、填充情况及流动相流速无关。 r21是GC中广泛用于定性的依据！区域宽度区域宽度区域宽度即色谱峰的宽度，用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。标准偏差：指流出曲线上二拐点(0.607倍峰高处)间距离之半。半峰宽 Y1/2：峰高一半处的峰宽(GH) 。基线宽度Wb(峰底宽Y)：通过流出曲线的拐点所作的切线在基线上的截距(IJ)。 Wb=4 1/222ln 22.35Y色色谱流出曲线解决的问题谱流出曲线解决的问题 色谱保留值定性依据； 色谱峰高或面积定量依据；

8、色谱峰位置或区域宽度色谱柱分离效能、组分能否分离。 根据色谱峰的数目，可判断样品中所含组分的最少个数。 色色谱分离基本原理谱分离基本原理色谱柱的作用：将混合组分分离。分离柱种类：填充柱和毛细管柱。填充柱填充柱 毛细管柱毛细管柱固定相： 多孔性的固体吸附剂颗粒分离机理:固体吸附剂对不同组分的吸附能力的不同气相色谱气固色谱气液色谱固定相：固定相为液体（担体所支持的液体）分离机理:固体液体对不同组分的溶解能力的不同气相色谱分析的分离原理：气相色谱分析的分离原理：不同组分在固定相与流动相之间不断进行溶解、挥发（气液色谱），或吸附、解吸过程而相互分离。试样中的各组分就在两相中进行反复多次的分配，使原来分

9、配系数只有微小差异的各组分产生很大的分离效果，从而各组分彼此分离开来。 分配系数分配系数K K分配过程：组分在两相之间发生的吸附、脱附或溶解、挥发的过程。msccK 组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度分配系数K：在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度(g/mL)之比值，即KAKB物理意义：组分保留程度的量度: K值小，先出柱子；K 值大，后出柱子影响因素：K 只与固定相和温度有关， 与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。 分配系数分配系数K 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 一定温度下，试样中的各组分具有不同的 K 值是分离的基础；K值最小

10、的组分最先流出色谱柱，而 K值越大的组分，出峰越慢；组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出； 选择适宜的固定相可改善分离效果。分配比分配比k k分配比k：亦称容量因子，是指在一定温度、压力下，分配达到平衡时组分在两相中的质量比smmkm 组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量/sssmmmmsCmVVKkkCmVVVm与Vs之比称为相比，用表示，反映了色谱柱的柱型及其结构的重要特性。k与保留值的关系为： tR=tm(1+k) k=tR/tm=VR/Vm k与K都与组分及固定相、流动相的性质有关，随柱温、柱压的变化而变化。 K决定于组分本身以及固、流两相的性质，与两相体积无关；而k除此

11、之外还与相比有关。 对于一给定的色谱体系，组分的分离最终决定于组分分配在两相中的相对量，而非相对浓度。分配系数和分配比分配系数和分配比分配比k是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。色谱分离基本理论色谱分离基本理论塔板理论 柱分离效能指标柱分离效能指标该理论将色谱柱视为精馏塔，认为色谱柱由一系列相等的水平塔板组成；将色谱分离过程比作蒸馏过程，即把连续的色谱过程认为是许多小段平衡过程的重复。 在某一小段空间内，如果组分在气液两相达到了浓度分配平衡，这一小段柱长称为一个理论塔板的高度，用H表示； 载气进入色谱柱是脉动式的，每次进气为一 个板体积； 试样进入柱内都加在第一块板上，沿色谱柱方向上的扩散忽

12、略不计； 各塔板上的分配系数是常数。塔板理论的假定塔板理论的假定塔板理论塔板理论示意示意图示的色谱柱由5块塔板(n=5)组成，假设某组分的分配比k=1，由载气携带一定量的物质带入色谱柱。组分从5块塔板的色谱柱中冲洗出的流出曲线呈峰形状，但不对称。如果板数n50时，就可得到对称的峰形曲线。22()022Rttcce塔板理论塔板理论 色谱柱长 L 色谱柱的理论塔板数 n ： 组分在柱子中经过分配平衡的次数； 塔板高度 H ：组分在柱子中经过一次分配平衡 所需要的柱长，即塔板间距离 。三者的关系为： LnH 当色谱柱长度一定时，理论塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越

13、多，柱效能越高，所得色谱峰越窄。n或H可作为描述柱效能的指标练习练习例 已知某组分峰的峰底宽为40s，保留时间为400s ，计算此色谱柱的理论塔板数。解: tr= 400s, W=40s n = 16 ( tR / W)2 = 16 （400 / 40）2 = 1600 块塔板数与色谱参数关系塔板数与色谱参数关系由于死时间t0包括在tR中，而实际t0不参与柱内分配，所以需扣除理论塔板数与色谱参数之间的关系为： 221/25.54()16()RRttnYY式中tR、Y1/2、Y 以同一单位表示/221/25.54()16()RRttnYY有效LHn有效有效有效塔板数n有效和有效塔板高H有效：用热

14、力学观点定量说明了溶质在色谱柱中移动的情况：解释了流出曲线的形状；提出了计算和评价柱效能大小的参数小结小结n(H)或n有效(H有效)的大小，不能判定各组分是否可被分离，分离的可能性决定于各组分在固定相、流动相中的分配系数K(或k)； 由于同一色谱柱对不同物质计算所得的塔板数n值不同，则柱效能不同，所以当用n或表示柱效能时，必须说明对什么物质而言。意义连续的色谱分离过程看成简单的分配过程，无法解释同一色谱柱在不同载流下柱效能不同，也无法找出影响n或H的因素。不足色谱分离基本理论色谱分离基本理论速率理论 柱效能影响因素柱效能影响因素 色谱过程动力学理论 AuuBCH气相色谱速率方程(范弟姆特方程式

15、)：载气线速度，cm/s塔板高度 = =涡流扩散项 + +分子扩散项+传质阻力项 H ， n , 柱效能就越高，色谱峰越窄影响柱效的因素影响柱效的因素涡流扩散项涡流扩散柱中气体通过填充物颗粒时，不断改变流动方向，因而形成紊乱的类似“涡流”的流动，引起色谱峰变宽，柱效下降。A = 2dP 填充物不均匀因子dP 填充物的平均颗粒直径A与载气的性质、流速以及组分性质无关。使用粒度细且均匀的担体并填充均匀，可减小A值，提高柱效影响柱效的因素影响柱效的因素分子扩散项试样以“塞子”形式进入色谱柱，在柱的轴向上存在浓差造成浓度梯度，使运动着的分子产生纵向扩散。分子扩散 B = 2Dg气体扩散路径的弯曲因子物

16、理意义：固定相颗粒的存在使分子不能自由扩散，降低扩散程度。1Dg组分在气相中的扩散系数(cm/s)1gDMM 载载气气的的相相对对分分子子质质量量要降低B/项，可采用分子量较大的载气，控制较低的柱温，采用较高的载气流速。影响柱效的因素影响柱效的因素传质阻力项传质阻力C C = (= (C Cg g+C+CL L) ) 气相气相传质阻力：传质阻力：试样组分从气相移动到固定相表面进行浓度分配时所受到的阻力。2220.01(1)k kk kpggdCD采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气降低Cg液相液相传质阻力：传质阻力：试样组分从气液界面移动到液相内部，进行质量交换达到分配平衡后返回气液界面时

17、所受到的阻力。2223 (1)k kk kfLLdCD降低固定液的含量，增大组分在液相中的扩散系数，减小CL 。影响柱效的因素影响柱效的因素完整的范弟姆特方程式：2222220.0122(1)3 (1)k kk kk kk kgpfpgLDddHduuDD 当固定液含量较高，载流为中等流速时，C主要受CL影响 当采用低固定液含量和高载气流速时，C主要受Cg影响。该方程式对于分离条件的选择具有实际的指导意义：填充物的均匀程度、担体的粒度、载气种类、载流、柱温、固定相的液膜厚度等均对柱效、峰扩张造成影响。10.4 10.4 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择 根据分离对象选择适当的固定相，提高试

18、样组分被分离的可能 创造一定的实验条件，使这种可能性得以实现难分离物质的分离度受色谱过程中两种因素的影响： 两组分色谱峰之间的距离相差足够大 热力学因素决定保留值。 峰必须窄 动力学因素决定区域宽度。分离度分离度分离度R相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值（设Y1=Y2）R2R1122()YYttR当R1时，两峰有部分重叠；当R1时，分离程度可达98；当R1.5时，分离程度可达99.7。相邻两峰完全分开的标志。色谱分离中的几种情况色谱分离中的几种情况K(分配系数)较大，柱效高，峰窄，完全分离；K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离； K较大，柱效较低，但分离的不好；

19、K小，柱效低，分离效果更差。分离度是柱效能、选择性影响因素的总和，故可作为色谱柱的总分离效能指标。 载气及流速的选择色谱操作条件的选择色谱操作条件的选择以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点流速即最佳流速涡流扩散项A与流速u无关；u小时，分子扩散项的影响为主，选择N2和Ar (M大)，流速，nu大时，传质阻力项的影响为主，选择H2和He (M小)，流速 ，nH - u曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。H = A + B/u + Cu色谱操作条件的选择色谱操作条件的选择 柱温的选择 控

20、制在固定液的最高和最低使用温度范围之内。 柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。 柱温，分离度，分析时间。对于难分离物质对，降低柱温虽可在一定程度内使分离改善，但不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。 柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。 对于组分复杂，沸程宽的试样，应采用程序升温。色谱操作条件的选择色谱操作条件的选择色谱操作条件的选择色谱操作条件的选择 柱长和柱内径的选择原则：在满足分离度的前提下，尽可能使用

21、短柱。填充柱以26 m为宜。 固定液用量用量视担体表面积而定。表面积，用量，允许的进样量；但往往为提高柱效，缩短分析时间，使用低固定液的用量。 担体性质担体的粒度影响涡流扩散项(A)和气相传质阻力项(Cu)，粒度细小均匀的担体，柱效较高；粒度过细，柱阻力过大，对操作不利。色谱操作条件的选择色谱操作条件的选择 进样量和时间 液体试样采用色谱微量进样器进样 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围内 进样要求动作快、时间短 气化温度 气化温度一般较柱温高3070 防止气化温度太高造成试样分解10.5 10.5 固定相及其固定相及其选择选择一、 气固色谱固定相(吸附剂)气相色谱固定相的特点：

22、 吸附剂表面多孔，具有一定的吸附活性。常用的吸附剂有： 非极性的活性炭、弱极性的氧化铝、 强极性的硅胶和有特殊吸附作用的分子筛等。二、 气液色谱固定相 担体 作用：具有较大惰性表面积承载固定液（膜） 要求：比表面大；粒度均匀，筛分范围要窄；机械强度好；化学稳定性及热稳定性好。 分类：硅藻土， 非硅藻土10.5 10.5 固定相及其固定相及其选择选择 固定液 要求：选择性好，对被分离组分的分配系数要有适当的差值； 热稳定性好，即沸点高，挥发性小； 对被测组分有适当的溶解能力； 化学稳定性好，不与被测组分发生不可逆的化学反应。 选择原则：“相似相溶”10.5 10.5 固定相及其固定相及其选择选择

23、 固定液 出峰顺序： 分离非极性物质：选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰； 分离极性物质：用极性固定液，各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰； 分离非极性和极性混合物：选用极性固定液，非极性组分 先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。 分离能形成氢键的试样：用极性或氢键型固定液。不易形成氢键先出峰。 复杂的难分离物质：用两种或两种以上混合固定液。10.6 10.6 气相气相色谱检测器色谱检测器 检测器类型浓度型检测器 检测信号值与组分通过检测器的浓度成正比。质量型检测器 检测信号值与单位时间内进入组分检测器组分的质量成正比。 被分离后的组分依次进入检测器后，

24、检测器将组分定量地转换为电信号，产生的信号值 R与该组分的浓度或质量成正比。 检测器作用热导检测器热导检测器(TCD)(TCD)结构：池体： 一般用不锈钢制成热敏元件：钨丝参考臂：仅纯载气通过，连接在进样装置之前，电阻为R2 。测量臂：接在色谱柱后，通样品气体+载气，电阻为R1 。两个等阻值电阻R3 = R4惠斯通电桥检测原理：不同的物质具有不同的热导系数氢火焰检测器氢火焰检测器结构：在发射极和收集极之间加有一定的直流电 压(100-300V)构成一个外加电场。需要用到三种气体：N2：载气携带试样组分H2：燃气空气：助燃气原理：CnHm CH CH + O CHO+ + eCHO+ + H2O

25、 H3O+ + CO正离子和电子在外加电场下运动产生微电流：Im微电流10.7 10.7 色谱定性定量分析色谱定性定量分析色谱定性鉴定方法利用保留值 用已知纯物质对照定性要求：纯标准样和未知组分必须在相同的实验条件下进行。 用经验规律和文献值进行定性分析当没有待测组分的纯标准样时，可用文献值定性，或用气相色谱中的经验规律定性。碳数规律 ；沸点规律 根据相对保留值定性 利用加入纯物质以增加峰高进行定性。 10.7 10.7 色谱定性定量分析色谱定性定量分析色谱定量方法依据：当操作条件一定时，被测组分的质量mi与检测器的响应（峰面积或峰高）成正比：mi ：待测组分质量fi ：待测组分的定量校正因子

26、Ai ：待测组分的峰面积(%)100(%)iimwm待测组分的质量分数 wi : 定量要解决的问题: 峰面积的测量和计算 校正因子的测量与计算 色谱定量方法及其应用iiimfA定量校正因子定量校正因子 由于同一检测器对不同物质的响应不同，为了使检测器产生的响应信号能真实地反映物质的含量，就要对响应值进行校正，因此引入“定量校正因子”为什么要用定量校正因子fi ? 相对校正因子 fi 绝对定量校正因子不易准确测量f i称为绝对校正因子 物理意义：单位峰面积所代表的物质质量，由仪器灵敏度决定定量校正因子与检测器响应值成倒数关系： fi = 1 / SiiiimfAissimAmAisfff相对相对

27、校正因子表示方法校正因子表示方法iiiiswsssisfmAm AfmAm Af质量校正因子isissMwisiisfA m MMffA m MMf摩尔校正因子体积校正因子22.422.4isisVMisisfA m MffA m Mff(相对)值只与试样、标准物质以及检测器类型有关，而与操作条件及柱温、固定液性质无关。常用定量方法常用定量方法归一化法12100100iiinmmwmmmm1122100iinnf Af Af Af A待测组分的质量分数 wi : 100iiiif Af A 仅适用于试样中所有组分全出峰的情况 进样量的准确性和操作条件的变动对结果影响不大 峰宽接近时，可用峰高代替峰面积特点及要求：常用定量方法常用定量方法内标法将一定量的纯物质作为内标物加入到试样中，根据被测物和内标物的质量以及其在色谱图上相应的峰面积比，求出某组分的含量。 iiiiiissssssmf Af Ammmf Af A %100100100iisisssiiissf Ammf Amf AcWWWf A一般内标法中，常以内标物为基准，则fs=1，上式可简化为：%100siiismAcfWA常用定量方法常用定量方法外标法将待测组份的纯物质配制成不同浓度的标准溶液，浓度与待测组分相近，取固定量上述溶液色谱分析，得到标准样品的对应