第十八章气相色谱法(1)

1、第十八章第十八章 气相色谱法气相色谱法gas chromatography (GC)19061906年年, ,俄国植物学家俄国植物学家TsweetTsweet的实验的实验第一节第一节 概述概述 1941 1941年马丁（年马丁（MartinMartin）和辛格（）和辛格（SyngeSynge）提出了气相色谱法的设想，提出了气相色谱法的设想，19521952年创立了色年创立了色谱法，因此获得了诺贝尔化学奖。谱法，因此获得了诺贝尔化学奖。 特点特点: : 分离效能高、灵敏度高、分析速分离效能高、灵敏度高、分析速度快、应用广泛，主要用于测定沸点相对较度快、应用广泛，主要用于测定沸点相对较低的有机化合

2、物，如苯系物、邻苯二甲酸酯、低的有机化合物，如苯系物、邻苯二甲酸酯、食品中农药残留和食品添加剂（山梨酸、苯食品中农药残留和食品添加剂（山梨酸、苯甲酸等）、血药浓度等。甲酸等）、血药浓度等。 一、气相色谱法的分类一、气相色谱法的分类 1 1、按固定相的物理状态分、按固定相的物理状态分 （1 1）气）气固色谱法固色谱法 （2 2）气）气液色谱法液色谱法 2 2、按分离原理分、按分离原理分 （1 1）吸附色谱法）吸附色谱法 （2 2）分配色谱法）分配色谱法 3 3、按色谱柱分、按色谱柱分 （1 1）填充柱色谱）填充柱色谱 （2 2）毛细管柱色谱）毛细管柱色谱 二、气相色谱法的分析流程二、气相色谱法的

3、分析流程 气相色谱法所用的仪器为气相色谱气相色谱法所用的仪器为气相色谱 仪，其结构分为仪，其结构分为五部分五部分： 1 1、气路系统、气路系统 2 2、进样系统、进样系统 3 3、分离系统、分离系统 4 4、检测系统、检测系统 5 5、记录系统、记录系统 （数据采集与处理系统）（数据采集与处理系统） 结构及分析流程如图结构及分析流程如图流出曲线流出曲线(色谱图色谱图):检测器输出的电信号随时间变化的曲线。检测器输出的电信号随时间变化的曲线。 三、气相色谱常用术语三、气相色谱常用术语 1 1、色谱峰色谱峰 （chromatographic peak)chromatographic peak) 2

4、 2、峰高峰高(peak height)(peak height) 3 3、基线基线(base line)(base line) 4 4、保留值、保留值 (retention value)(retention value) （1 1）用时间表示的保留值）用时间表示的保留值 1 1）死时间死时间t tM M (dead time)(dead time) 2) 2)保留时间保留时间t tR R (retention time) (retention time) 3) 3)调整保留时间调整保留时间t tR R (adjusted retention time)(adjusted retention

5、time) tR= tR _- tM ( 每种时间代表的实际意义是什么?) （2 2）用体积表示的保留值）用体积表示的保留值 （3 3）相对保留值相对保留值r r2121(relative retention (relative retention value )value ) r21= tR2/ tR1 r21= tR2/ tR1 对否对否? 5 5、色谱峰区域宽度、色谱峰区域宽度 (peak width)(peak width) （1 1）标准偏差标准偏差 （standard deviationstandard deviation） （2 2）半高峰宽半高峰宽W Wh/2h/2 （peak

6、 width at half-peak width at half-heightheight） Wh/2=2.354 (3) (3) 峰底宽度峰底宽度W Wb b（peak width at base） Wb = 4 第二节第二节 气相色谱理论和色谱气相色谱理论和色谱 分离条件的选择分离条件的选择 一、塔板理论一、塔板理论(plate theory)（一）（一）分配平衡分配平衡( (以气以气- -液色谱为例液色谱为例) ) 1 1、分配系数分配系数K (distribution coefficient ) K=CL/CG 2 2、分配比分配比k k (partition ratio) k=p/

7、q 3 3、 K K与与k k的关系的关系 GLGGLLVVKVCVCqpk (4)K(4)K、k k与保留值间的关系与保留值间的关系 MRMMRtttttqpkMGLMRtVKVtkt) 1() 1(MGLMRtVKVtkt) 1() 1(GLGGLLVVKVCVCqpk（二）塔板理论（二）塔板理论 1 1、塔板理论的假设、塔板理论的假设 把色谱柱比作分馏塔把色谱柱比作分馏塔 塔板理论的假设塔板理论的假设 (1)(1)在色谱柱中的每一个小段（塔板）在色谱柱中的每一个小段（塔板）内，组分在气相和液相间进行分配时迅速内，组分在气相和液相间进行分配时迅速达到平衡，这一小段柱长称为理论塔板，达到平衡

8、，这一小段柱长称为理论塔板，其长度称为理论塔板高度，简称板高，以其长度称为理论塔板高度，简称板高，以H H 表示。表示。 (2)(2) 载气不是连续流过色谱柱，而是脉载气不是连续流过色谱柱，而是脉冲式，每次通过一个塔板体积。冲式，每次通过一个塔板体积。 (3) (3) 组分都加到第零块塔板上，而组分组分都加到第零块塔板上，而组分沿轴（纵）向扩散可以忽略不计。沿轴（纵）向扩散可以忽略不计。 (4)(4)某一组分的分配系数在所有塔板上均某一组分的分配系数在所有塔板上均为常数，与组分在某一塔板上的量无关。为常数，与组分在某一塔板上的量无关。 以苯和甲苯为例说明分离情况：以苯和甲苯为例说明分离情况：2

9、 2、色谱流出曲线方程式、色谱流出曲线方程式 当当t=tR 时时,e=0,此时此时C有极大值有极大值: 20maxcc（三）柱效能指标（三）柱效能指标 222/)(16)(54. 5bRhRWtWtnHLn222/)(16)(54. 5bRhReftWtWtnefteftHLn同一根色谱柱对不同物质的柱效能是否相同同一根色谱柱对不同物质的柱效能是否相同? （四）塔板理论的评价（四）塔板理论的评价 贡献贡献： （1 1）解释了流出曲线的形状和浓度极大）解释了流出曲线的形状和浓度极大 点的位置；点的位置； （2 2）导出了评价色谱柱柱效能的指标）导出了评价色谱柱柱效能的指标n n和和H H。 不足

10、不足： （1 1）不能解释哪些因素影响板高；）不能解释哪些因素影响板高； （2 2）不能解释载气流速为什么会影响板）不能解释载气流速为什么会影响板高。高。二、速率理论二、速率理论(velocity theory)(velocity theory) 1956 1956年，荷兰学者范底姆特（年，荷兰学者范底姆特（Van Van DeemterDeemter）在塔板理论的基础上提出了速率）在塔板理论的基础上提出了速率理论，导出了速率理论方程式，简称范氏方理论，导出了速率理论方程式，简称范氏方程：程：pdH2uDg2gpDdkk222)1 (01.0lfDdkk22)1 (32uCuuBAH 1 1、

11、涡流扩散项、涡流扩散项A:A: 2 2、分子扩散项、分子扩散项B/uB/u: : 采用分子量较大的气体（采用分子量较大的气体（N N2 2） 、提高载气、提高载气的流速的流速u u、较低的柱温，使、较低的柱温，使H H变小。变小。 3 3、传质阻力项、传质阻力项CuCu: Cu=(C: Cu=(Cg g+C+CL L)u)u gpgDdkkc222)1(01.0lfLDdkkc22)1(32pdA2grDB 2PTMDg1 采用分子量较小的载气、较少的固定液、较采用分子量较小的载气、较少的固定液、较小小的载气流速以使的载气流速以使H H较小。较小。 速率理论的贡献：速率理论的贡献：弥补了塔板理

12、论的不足，弥补了塔板理论的不足，定量的描述了板高与各因素间的关系，对色谱分定量的描述了板高与各因素间的关系，对色谱分离条件的选择具有指导意义。离条件的选择具有指导意义。 三、气相色谱分离条件的选择三、气相色谱分离条件的选择 1 1、分离度、分离度R R(resolution) 柱的总分离效柱的总分离效能指标能指标 R=1R=1，分离达，分离达98%98%；R=1.5R=1.5，分离达，分离达99.7% 99.7% 。1122)(2bbRRWWttR)1(2/)2(2/12hhRRWWttR)(699.1)(2)1(2/)2(2/)1()2(hhRRWWttR 2 2、分离度、有效塔板数（或理论

13、塔板数）、分离度、有效塔板数（或理论塔板数）、 相对保留值、分配比之间的关系相对保留值、分配比之间的关系 设设W Wb1b1=W=Wb2 b2 ，推导可得，推导可得 注意注意： n n、 n nefteft对组分对组分2 2而言。选择适宜的固定液及其而言。选择适宜的固定液及其用量，使用量，使r r2121较大、较大、k k合适，提高柱效，使合适，提高柱效，使R R增加。增加。222121114kkrrnR221212)1(16rrRneft)1162121rrnReft（ 3 3、气相色谱分离条件的选择、气相色谱分离条件的选择 （1 1）载气及其流速的选择：由实验选择）载气及其流速的选择：由实

14、验选择最佳流速最佳流速u u。 （2 2）柱温的选择）柱温的选择 选择原则：选择原则：在使难分离物质对有较好在使难分离物质对有较好分离、分析时间适宜、色谱峰对称的前分离、分析时间适宜、色谱峰对称的前提下，尽量采用较低的柱温。提下，尽量采用较低的柱温。 当沸程大于当沸程大于8080度时需用程序升温，即度时需用程序升温，即柱温按照设定的程序随时间线性或非线柱温按照设定的程序随时间线性或非线性的增加。性的增加。 恒定柱温与程序升温的分离效果比较恒定柱温与程序升温的分离效果比较如图：如图： （3 3）固定液用量的选择：尽量用较少）固定液用量的选择：尽量用较少的固定液，减少液膜厚度。液担比一般的固定液，

15、减少液膜厚度。液担比一般为为 5%25% 5%25% 。 （4 4）气化室温度的选择：高于柱温）气化室温度的选择：高于柱温2050 2050 0C 。 （5 5）色谱柱的选择：）色谱柱的选择： （6 6）进样条件的选择。）进样条件的选择。第三节第三节 色谱柱色谱柱 一、气相色谱柱的分类一、气相色谱柱的分类 1 1、填充色谱柱、填充色谱柱 2 2、毛细管色谱柱、毛细管色谱柱二、气相色谱固定相二、气相色谱固定相（一）气（一）气液色谱固定相液色谱固定相 1 1、固定液、固定液 （1 1）对固定液的要求）对固定液的要求 （2 2）组分与固定液的作用力）组分与固定液的作用力 1 1）静电力、）静电力、2

16、 2）诱导力、）诱导力、3 3）色散力、）色散力、4 4）氢键力、）氢键力、5 5）特殊作用力。）特殊作用力。 （3 3）固定液的分类：）固定液的分类： （4 4）固定液的选择：固定液的极性与组分）固定液的选择：固定液的极性与组分的极性相似。的极性相似。 2 2、担体、担体 ：承担液体的固体。：承担液体的固体。 （1 1）对担体的要求：）对担体的要求： （2 2）担体的种类和性能：常用硅藻土担体，）担体的种类和性能：常用硅藻土担体，又分为红色和白色担体。红色担体表面有又分为红色和白色担体。红色担体表面有活性中心，一般分离非极性或弱极性物质；活性中心，一般分离非极性或弱极性物质；白色担体用于分离

17、极性物质。白色担体用于分离极性物质。 （3 3）担体的处理：有酸洗、碱洗、硅烷化、）担体的处理：有酸洗、碱洗、硅烷化、釉化。釉化。 （二）气（二）气- -色谱固定相色谱固定相 活性炭、氧化铝、硅胶、分子筛等。活性炭、氧化铝、硅胶、分子筛等。 三、填充色谱柱的制备（四步）三、填充色谱柱的制备（四步） 1 1、色谱柱的清洗；、色谱柱的清洗； 2 2、色谱柱的涂渍；、色谱柱的涂渍； （1 1）担体和固定液的用量）担体和固定液的用量 担体体积用量为柱体积的担体体积用量为柱体积的1.21.51.21.5倍，倍，固定液用量按液担比计算。固定液用量按液担比计算。 （2 2）涂渍方法）涂渍方法 1 1）静态涂

18、渍法）静态涂渍法 ；2 2）旋转蒸发法。）旋转蒸发法。 3 3、色谱柱的填充；、色谱柱的填充； 4 4、色谱柱的老化。、色谱柱的老化。 第四节第四节 色谱检测器色谱检测器分为浓度型检测器和质量型检测器两大类分为浓度型检测器和质量型检测器两大类 一、检测器一、检测器(detector)(detector)的性能指标的性能指标（一）灵敏度（一）灵敏度S S（sensitivitysensitivity，S S） S=S= R/ R/ Q Q （二）噪声二）噪声R RN N 和敏感度和敏感度D D 噪声噪声: :基线的波动。基线的波动。 敏感度敏感度(detectability,D(detectab

19、ility,D) )为检测器恰能产生二倍噪声为检测器恰能产生二倍噪声的信号时，单位时间内（单的信号时，单位时间内（单位体积内）需进入检测器的位体积内）需进入检测器的组分质量。组分质量。 实际分析时，常用最低检实际分析时，常用最低检出量出量Q Q0 0表示气相色谱分析的灵表示气相色谱分析的灵敏程度，即恰能产生敏程度，即恰能产生2 2倍噪声倍噪声信号时的进样量，以信号时的进样量，以Q Q0 0表示。表示。SRSRDNN212 （三）线性范围（三）线性范围(linerity(linerity range) range) Q Q最大最大与与Q Q最小最小的比值。的比值。 二、火焰离子化检测器二、火焰离

20、子化检测器 （flame ionization detector,flame ionization detector, FIDFID） 1 1、结构：、结构： 2 2、工作原理：、工作原理： C Cn nH Hn n CHCH 2 CH 2 CH +O +O2 22CHO2CHO+ +e+e- - CHO CHO+ + H+ H2 2O O H H3 3O O+ +CO+CO 3 3、操作条件：、操作条件： 载气流速：空气流速：氢气流速载气流速：空气流速：氢气流速=1=1：1.11.51.11.5：1010 检测器的温度应高于检测器的温度应高于100100度，防止水蒸气冷凝。度，防止水蒸气冷凝

21、。 4 4、应用：、应用： 检测有机物检测有机物. .无机物、水、永久气体（无机物、水、永久气体（H H2 2、N N2 2等）无响应。等）无响应。 三、电子捕获检测器三、电子捕获检测器（electron capture detector, ECD） 1 1、结构：、结构： 2 2、工作原理：、工作原理： N N2 2N N2 2+ + + e+ e- - AB+ e AB+ e- - ABAB- -+E +E AB AB- -+ N+ N2 2+ + AB+NAB+N2 2 3 3、操作条件：载气多用氮气（纯度、操作条件：载气多用氮气（纯度 99.999%99.999%），流速为），流速为4

22、0100ml/min 40100ml/min 。 4 4、检测对象：、检测对象： 含卤素、硫、氮等元素的化合物。含卤素、硫、氮等元素的化合物。 四、火焰光度检测器四、火焰光度检测器 （flame photometric detector, flame photometric detector, FPDFPD） 1 1、结构：、结构： 2 2、工作原理：、工作原理： RS+2ORS+2O2 2SOSO2 2+CO+CO2 2 2SO2SO2 2+8H +8H 2S+4H2S+4H2 2O O S+S S+S S S2 2* * S S2 2* * S S2 2+h+h 3 3、操作条件：、操作条

23、件： 4 4、检测对象：含硫、磷化合物。、检测对象：含硫、磷化合物。五、氮磷检测器五、氮磷检测器（nitrogen nitrogen puosphorus detector,NPDpuosphorus detector,NPD）, ,又称热离子检测器又称热离子检测器 1 1、结构：、结构： 2 2、原理：、原理：（不详）（不详） 3 3、操作条件：、操作条件： 4 4、检测对象：、检测对象： 含氮、磷的有机化合物，含氮、磷的有机化合物，灵敏度更高。灵敏度更高。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、定性分析一、定性分析 （一）利用已知纯物质对照定性（一）利用已知纯物质对照定

24、性 1 1、根据保留值定性、根据保留值定性 2 2、加入已知纯物质增加峰高定性、加入已知纯物质增加峰高定性 3 3、双柱（多柱）定性、双柱（多柱）定性 （二）利用文献保留数据定性（二）利用文献保留数据定性 1 1、相对保留值法、相对保留值法 2 2、保留指数法、保留指数法 3 3、与其它仪器分析方法结合定性、与其它仪器分析方法结合定性 二、定量分析二、定量分析 1 1、定量依据、定量依据 m mi i=f=fi iA Ai i m mi=i=f fhihih h 2 2、峰面积的测量、峰面积的测量 （1)1)峰高乘半高峰宽法峰高乘半高峰宽法 A=hWA=hW1/21/2 (2) (2)峰高乘平

25、均峰宽法峰高乘平均峰宽法 A=hA=h1/2(W1/2(W0.150.15+W+W0.850.85) ) (3)(3)积分法积分法 自动积分装置进行积分自动积分装置进行积分 3 3、定量校正因子、定量校正因子 由于同样质量的不同物质在检测器上产生由于同样质量的不同物质在检测器上产生的峰面积（或峰高）不等，因此，不能用峰面的峰面积（或峰高）不等，因此，不能用峰面积的百分率代表质量的百分率。为了用峰面积积的百分率代表质量的百分率。为了用峰面积的百分率代表质量的百分率，引入校正因子。的百分率代表质量的百分率，引入校正因子。 （1）校正因子的表示方法）校正因子的表示方法 1 1）绝对校正因子）绝对校正

26、因子 fi=mi/Ai 2)2)相对校正因子（校正因子）相对校正因子（校正因子） （2）校正因子的测定方法）校正因子的测定方法 4、定量方法、定量方法 （1）归一化法）归一化法 siisssiisiimAmAAmAmfff/%100 2211nniiifhfhfhfhX （2 2）内标法）内标法 准确称取一定量试样，加入一定量的内标物，准确称取一定量试样，加入一定量的内标物，根据内标物和试样的质量及其在色谱图上相应的峰根据内标物和试样的质量及其在色谱图上相应的峰面积，由下式计算待测组分的含量。面积，由下式计算待测组分的含量。ssiisifAfAmmsssiiimfAfAmmmfAfAXsssi

27、iiissiifmmAAX内标法中以内标物为基准，则内标法中以内标物为基准，则 常采用内标标准曲线法，以减少称量和测量校正常采用内标标准曲线法，以减少称量和测量校正因子的麻烦。若称取相同量的试样，加入恒定量的因子的麻烦。若称取相同量的试样，加入恒定量的内标物，待测组分的含量与内标物，待测组分的含量与Ai/AsAi/As成正比例成正比例 根据查出的根据查出的 样品浓度和样样品浓度和样 液体积求出含量。液体积求出含量。常数siiAAXAi /AscAx/Ascx (3)外标法外标法 即标准曲线法即标准曲线法 也可采用单点校正法也可采用单点校正法 A(h)cAx(hx)cx标准曲线第六节第六节 毛细

28、管柱气相色谱法毛细管柱气相色谱法 一、概述一、概述 毛细管柱气相色谱法毛细管柱气相色谱法(capillary gas chromatography,CGC)是使用具有高分离效是使用具有高分离效能毛细管柱的气相色谱法。高效毛细管柱的商能毛细管柱的气相色谱法。高效毛细管柱的商品化使毛细管色谱开始得到广泛的应用，成为品化使毛细管色谱开始得到广泛的应用，成为气相色谱法发展的主流。采用细而长的毛细管气相色谱法发展的主流。采用细而长的毛细管柱，分离效能高。某香精油样品的填充柱色谱柱，分离效能高。某香精油样品的填充柱色谱和毛细管柱色谱的分离效果比较如图：和毛细管柱色谱的分离效果比较如图： 二、毛细管柱色谱法

29、的基本原理二、毛细管柱色谱法的基本原理 （一）速率方程式（一）速率方程式 H=B/u+Cgu+Clu (涡流扩散项忽略涡流扩散项忽略) 三毛细管柱色谱法的操作条件三毛细管柱色谱法的操作条件（一）载气种类及流速的选择（一）载气种类及流速的选择 毛细管柱色谱常用的载气与填充柱一样，也是毛细管柱色谱常用的载气与填充柱一样，也是N N2 2、H H2 2和和HeHe三种，常用三种，常用N N2 2。 （二）固定液和液膜厚度的选择（二）固定液和液膜厚度的选择 根据样品性质，按根据样品性质，按“相似性相似性”原则来选择极性合适的原则来选择极性合适的固定液。固定液。（三）毛细管柱内径的选择（三）毛细管柱内径

30、的选择 对于薄液膜柱，一般采用对于薄液膜柱，一般采用100100m m直径的柱子，而对于厚直径的柱子，而对于厚液膜柱柱，通常采用液膜柱柱，通常采用0.32mm0.32mm和和0.53mm0.53mm直径的柱子。直径的柱子。（四）毛细管柱长度的选择（四）毛细管柱长度的选择（五）柱温的选择（五）柱温的选择 （六）进样量的选择（六）进样量的选择 分流进样分流进样 四、毛细管色谱柱四、毛细管色谱柱（一）毛细管柱的种类（一）毛细管柱的种类 毛细管柱可分为两类：毛细管柱可分为两类： 1 1、填充型、填充型 2 2、空心柱、空心柱 分为三种：分为三种：壁涂空心柱壁涂空心柱多孔层空心柱多孔层空心柱 涂载体空心

31、柱涂载体空心柱 毛细管柱按材质分又可分为金属管柱、玻璃毛细管柱按材质分又可分为金属管柱、玻璃管柱和石英管柱。目前以石英管柱应用最广。管柱和石英管柱。目前以石英管柱应用最广。 （二）毛细管柱的特点（二）毛细管柱的特点 毛细管柱和填充柱相比：柱效高、柱毛细管柱和填充柱相比：柱效高、柱渗透性好、柱容量小。毛细管柱涂渍的固渗透性好、柱容量小。毛细管柱涂渍的固定液只有几十毫克，能负荷的样品量少，定液只有几十毫克，能负荷的样品量少，因此进样量不能大，一般用分流进样。因此进样量不能大，一般用分流进样。 （三）毛细管柱的评价（三）毛细管柱的评价 对新购置的成品毛细管柱，要对柱效、对新购置的成品毛细管柱，要对柱效、吸附性、酸碱性、热稳定性、极性等指吸附性、酸碱性、热稳定性、极性等指标进行按照规定的试验条件测试。标进行按照规定的试验条件测试。 五、毛细管柱气相色谱仪五、毛细管柱气相色谱仪 许多色谱仪可以做填充柱和毛细管柱许多色谱仪可以做填充柱和毛细管柱分析，也有专用的毛细管色谱仪，结构分析，也有专用的毛细管色谱仪，结构如图所示。如图所示。 六、应用六、应用 应用广泛，特别适合微量成分分析。对多应用广泛，特别适合微量成分分析。对多环芳烃的分析如图所示环芳烃的分析如图所示 第七节第七节 顶空气相色谱法顶空气相色谱法 顶空：样品瓶未被样品充满，瓶的上部是空顶空：样品瓶未被样品充