仪器教案第七章色谱法

1、2022-7-7第二章 气相色谱分析 第一节 色谱分析法概述 第二节 气相色谱分析理论基础 第三节 气相色谱分离操作条件的选择 第四节 气相色谱检测器 第五节 气相色谱定性、定量分析 第六节 色谱质谱联用技术简介 2022-7-7第二章第二章 气相色谱分析法气相色谱分析法 一、一、色谱法的历史色谱法的历史二、色谱法定义二、色谱法定义三、色谱法的分类三、色谱法的分类四、四、色谱法的特点色谱法的特点五、色谱法的应用五、色谱法的应用第一节第一节 色谱分析法概述introductionThe summarization of chromatography2022-7-7俄国植物学家俄国植物学家Tswe

2、tt于于1901年年发现：利用吸附原理发现：利用吸附原理分离植物色素分离植物色素一、色谱分析法的历史一、色谱分析法的历史2022-7-7图示固定相固定相CaCO3颗粒颗粒流动相流动相石油醚石油醚 2022-7-7 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”新名词新名词1907年年在德国生物会议上第一次向世界公开展示在德国生物会议上第一次向世界公开展示显

3、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2022-7-71944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发明发明热导检测器热导检测器1

4、954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2022-7-7二、色谱法的定义二、色谱法的定义色谱法：以试样组分在固定相和流动相间的色谱法：以试样组分在固定相和流动相间的溶解、溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依为依据据而建立起来的各种而建立起来的各种分离分析方法分离分析方法称色谱法。称色谱法。是借助是借助色谱分离原理色谱分离原理而使

5、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。2022-7-7 色谱法实质上是一种物理化学分离分析方法。色谱法实质上是一种物理化学分离分析方法。 它是利用不同物质在两相（固定相和流动相）它是利用不同物质在两相（固定相和流动相）中具有中具有不同的分配系数或吸附能力及其它亲和不同的分配系数或吸附能力及其它亲和作用性能的差异作用性能的差异为分离依据。为分离依据。 当混合物中各组分随流动相移动时，在两相中当混合物中各组分随流动相移动时，在两相中反复进行多次分配，从而使各组分得到分离。反复进行多次分配，从而

6、使各组分得到分离。 实质实质：分离：分离 目的目的：定性分析或定量分析：定性分析或定量分析2022-7-7 以吸附色谱为例说明色谱过程见图示以吸附色谱为例说明色谱过程见图示 吸附吸附 解吸解吸再吸附再吸附 再解吸再解吸 反复多次洗反复多次洗脱脱 差速迁移差速迁移 分离分离 吸附能力的微小差异吸附能力的微小差异 微小差异积累微小差异积累较大差异较大差异吸附能力弱的组分先流出；吸附能力弱的组分先流出； 吸附能力强的组分后流出吸附能力强的组分后流出2022-7-7三、色谱方法的分类三、色谱方法的分类1.定义定义 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、

7、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。2022-7-72.色谱法的分类色谱法的分类(三种三种) （1）按两相分子的聚集状态分：）按两相分子的聚集状态分：2022-7-7（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2022-7-7优点：优点：“三高三高”、“一快一快”、“一广一广”缺点：缺点：2022-7

8、-7五、色谱法的应用五、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分色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分分析；析；(2)(2)在糖类、氨基酸、农药、染料、贵金属、有机在糖类、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用。金属化合物等方面得到了广泛的应用。(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)色谱色谱质谱联用仪已成为研究分子结构的重要质谱联用仪已成为研究分子结构的重要手段。手段。2022-7-7一、气相色谱法的基本概念一、气相色谱

9、法的基本概念二、色谱分离的基本理论二、色谱分离的基本理论第二节第二节 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础 2022-7-7一、气相色谱法的基本概念一、气相色谱法的基本概念1 1色谱常用术语（色谱常用术语（P6P6）色谱图色谱图试样中各组分经色谱柱分离试样中各组分经色谱柱分离后后，按先后次序经过，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。2022-7-72022-7-72022-7-7

10、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，反映检测器系统基线是在实验操作条件下，反映检测器系统噪声噪声随随时间变化的曲线。时间变化的曲线。2022-7-7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cmcm为单位。为单位。202

11、2-7-7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=2.355 c、标准偏差峰宽、标准偏差峰宽 Y0.607h=2 2022-7-7保留值

12、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2022-7-7 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

13、R-t-tM M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时间时间。 死时间（死时间（tM ）：不与固定相作用的组分（空）：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。气）从进样到柱后出现浓度最大值所需要的的时间。2022-7-7 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

14、保）：指扣除死体积后的保留体积留体积VR= tR qv,0 死体积（死体积（VM ）：不与固定相作用的组分从进）：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。若载样到柱后出现浓度最大值所需要的载气体积。若载气的体积流量为气的体积流量为qv,0，则死体积为，则死体积为VM= qv,0 tM2022-7-7相对保留值相对保留值( )( )表示组分的调整保留值与标准物质的调整保留值之表示组分的调整保留值与标准物质的调整保留值之比：比：sRiRsRiRVVtt, 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2022-7-7选择因子选择因子(

15、)( )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：1 ,2,1 ,2,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2022-7-72.2.分配系数与分配比分配系数与分配比定义：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

16、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) )。2022-7-7KK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。msCCK/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(gmL-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) )2022-7-7（2）分配比分配

17、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/tM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。间即为死时间。2022-7-7（3 3）分配系数与分配比的关系分配系数与分配比的关系kVVkVmVmCCKmmmmssms/smV

18、V / 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2022-7-7 根据上式，根据上式， k值可以很方便地从色谱图求得，所值可以很方便地从色谱图求得，所以容量因子以容量因子k是一个重要的色谱参数是一个重要的色谱参数 上式改写上式改写VR VM（1 k） t R tM （1 k） 说明说明k值越大，保留时间越长。值越大，保留时间越长。MMRMRMMRMRVVVVVtttttkt M L/u 可见，保留值与柱长可见，保留值与柱长L成正比，与流动相平均线速成正比，与流动相平均线速度度u成反比。成反比。2022-7-7讨论：讨论： 色谱条件一定时，tR主要取决k或K的大小

19、 2022-7-73.3.色谱分析的实验依据色谱分析的实验依据 色谱峰数色谱峰数= =样品中的组份数；样品中的组份数； 色谱保留值色谱保留值定性依据；定性依据； 色谱峰高或面积色谱峰高或面积定量依据；定量依据； 色谱保留值或区域宽度色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效能评价指色谱柱分离效能评价指标；标； 色谱峰间距色谱峰间距固定相或流动相选择是否合适的依固定相或流动相选择是否合适的依据。据。 相对保留值或选择因子相对保留值或选择因子与柱长、柱径、填充情与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。种类有关。 当当=1=1时两个

20、组分不能分离。时两个组分不能分离。2022-7-7二、色谱分离的基本理论二、色谱分离的基本理论1.塔板理论塔板理论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2022-7-7 塔板理论认为，

21、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一次平衡，在每段内组分在两相间很快达到一次平衡，把每一段称为一块理论塔板。把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。2022-7-7 理论塔板数按下式理论塔板数按下式推算推算：2)(16YtnR221)(54.5YtnR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

22、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。2022-7-7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5min42s5min42s，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.minmi

23、n75604251 sstR2022-7-714446075161622 ).()(YtnRmmcmcmnLH45.1145.01444210答：塔板高度为答：塔板高度为1.45mm1.45mm。2022-7-7有效塔板数（有效塔板数（neff）的计算公式为；）的计算公式为；222/)(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。

24、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。2022-7-7 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。 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。2022-7-72.2.速率理论速率理论J. J. Van Deemter 1956）速率理论认为，速率理论认为，单个

25、组分粒子单个组分粒子在色谱柱内固定在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩相和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散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的。不规则的，是随机的。组分粒子之间组分粒子之间在柱中随流动相前进的在柱中随流动相前进的速度是不速度是不均一的均一的。2022-7-7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减小减小A，B/U，CU三项的值，

26、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。2022-7-7（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匀因子有关：均匀因子有关：pdA2 （动画）（动画）2022-7-7（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 的大小与的大小与气体路径弯曲因子气体路径弯曲因子和组分在气体中的扩散系数和

27、组分在气体中的扩散系数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： 1(动画）动画）2022-7-7（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。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

28、Cl l之和：之和：C=Cg+C12022-7-7gpgDdkkC2221010 )(.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Dg（动画）2022-7-7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，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

29、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。2022-7-7第三节第三节 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择一、分离度和影响分离的因素一、分离度和影响分离的因素二、分离条件的选择二、分离条件的选择三、固定相及其选择三、固定相及其选择2022-7-7一、分离度和影响分离的因素一、分离度和影响分离的因素塔板理论和速率理论塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实都难以描述难分

30、离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。完全分离。 （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。)(2/1211 ,2,YYttRRR2,2/11 ,2/11 ,2,YYttRRR2022-7-7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。难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素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：的综合影响： 保留

31、值之差保留值之差色谱过程不同物质间的影响因素；色谱过程不同物质间的影响因素； 区域宽度区域宽度色谱过程的同种物质的影响因素。色谱过程的同种物质的影响因素。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。讨论：讨论： 色谱分离中的四种情况的讨论：色谱分离中的四种情况的讨论： 柱效较高，柱效较高，K(分配系数之差分配系数之差)较大较大,完全分离；完全分离； K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；分离；柱效较低，柱效较低，K较大较大,但分离的不好；但分离的不好； K小

32、，柱效低，分离效果更差。小，柱效低，分离效果更差。2022-7-7R 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%99.7%R R1.51.5作为完全分开的标志作为完全分开的标志2022-7-7（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选择因子增大，能显著地提高分离度选择因子增大，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：222)11()1(16kRn111

33、4kknR2122121LLRRnn 2022-7-7)1)(1(41kknR与柱选择性的关系与柱选择性的关系越大，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，则即使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，也可以实现分离。色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。 2022-7-7 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

34、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 102022-7-7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：答：色谱柱至少应有答：色谱柱至少应有3.52m3.52m长。长。2221218051 .RRL

35、L(m).52352321 LL2022-7-7例例4.2.4 4.2.4 用用3m3m长的填充柱得到如图长的填充柱得到如图4.2.64.2.6所示的色所示的色谱流出曲线，为了得到谱流出曲线，为了得到R R1.51.5的分辨率，填充柱最的分辨率，填充柱最短需要多少米短需要多少米? ?2022-7-746241171621 minminncm0.06494624cm300H231.1min)114(min)117(16min1min)117(MRttk1154161161231123115116222 .nm0.75cm75cm0.06491154 2L塔板高度为：塔板高度为： 代入公式，得：代

36、入公式，得： 解：2022-7-7二、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2022-7-7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 2022-7-7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、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

37、都将产生相应的改变。2022-7-7汽化温度的选择汽化温度的选择 比试样组分中最高的沸点高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 在在0.1s0.1s内把试样进完内把试样进完 液体进样量为液体进样量为0.10.1L L5 5L L 气体进样量为气体进样量为0.1mL0.1mL5mL5mL2022-7-7三、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的分析。碳氢化合物的分析。 (2)弱极性吸附剂

38、：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。 2022-7-7(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。2022-7-72.2.气气- -液色谱固定相液色谱固定相气气- -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；可以根据

39、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。2022-7-7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2022-7-7固定液的选择原则：固定液的选择原则：(1)(1)非

40、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。2022-7-7第四节第四节 气相色谱检测器气相色谱检测器一、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2022-7-7气相色谱仪的工作过程气相色谱

41、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；2022-7-71-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；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统

42、l气相色谱工作分析过程：气相色谱工作分析过程：样品制备进样组份分离样品制备进样组份分离样品成份检测定性和定量样品成份检测定性和定量2022-7-7二、气相色谱仪主要部件1. 1. 载气系统载气系统 包括气源、净化干燥管和包括气源、净化干燥管和载气流速控制及测量；载气流速控制及测量；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；次通过分子筛、活性炭等）；载气流速控制及测量：压力表、流量计、针形稳压载气流速控制及测量：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。阀，

43、控制载气流速恒定。2022-7-72. 进样装置 进样装置：进样器进样装置：进样器+气化室；气化室； 气体进样器（六通阀）：气体进样器（六通阀）：2022-7-7液体进样器：液体进样器： 不同规格的专用注射不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自；新型仪器带有全自动液体进样器，一次可放动液体进样器，一次可放置数十个试样。置数十个试样。 气化室气化室：将液体试样瞬间气化的装将液体试样瞬间气化的装置。置。2022-7-73. 色谱柱（分离柱）色谱柱色谱柱：色谱仪的核心部件。分为填充柱和毛细管：色谱仪的核心部件。分为填充柱和毛

44、细管柱两种。柱两种。填充柱材质填充柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径：不锈钢管或玻璃管，内径2-6mm，长，长度可根据需要确定，一般度可根据需要确定，一般1-3m。毛细管柱材质毛细管柱材质：一般石英玻璃柱，内径：一般石英玻璃柱，内径0.1-0.5mm，长长25-100m。 2022-7-74. 检测系统 色谱仪的眼睛色谱仪的眼睛 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；经放大后记录和显示，给出色谱图； 2022-7-75. 温度控制系统 温度是

45、色谱分离条件的重要选择参数；温度是色谱分离条件的重要选择参数； 气化室、分离室、检测器气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均三部分在色谱仪操作时均需控制温度；需控制温度； 气化室气化室：保证液体试样瞬间气化；：保证液体试样瞬间气化； 检测器检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝； 分离室分离室：准确控：准确控制分离需要的温度。制分离需要的温度。当试样复杂时，分离当试样复杂时，分离室温度需要按一定程室温度需要按一定程序控制温度变化，各序控制温度变化，各组分在最佳温度下分组分在最佳温度下分离；离；2022-7-7结构流程2022-7-7 三、气相色谱

46、检测器气相色谱检测器 （一）气相色谱检测器的类型（一）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）2022-7-72.

47、2.按照应用范围分按照应用范围分通用通用和和专用专用检测器检测器 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

48、测器有： （3 3）电子俘获检测器，）电子俘获检测器，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2022-7-7（二）几种常用检测器（二）几种常用检测器1.1.热导检测器（热导检测器（TCD)TCD)（1 1） 热导检测器的结构热导

49、检测器的结构（热导池和电路连接组成热导池和电路连接组成） 池体池体（一般用不锈钢制成）（一般用不锈钢制成） 热敏元件热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、机械：电阻率高、电阻温度系数大、机械强度高、对各种成分都呈现惰性的金属丝。（如：强度高、对各种成分都呈现惰性的金属丝。（如：钨丝钨丝）参比臂：参比臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前之前测量臂：测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。紧靠近分离柱出口处。2022-7-72022-7-7（2 2）检测原理）检测原理惠斯通平衡电桥，如图。惠斯

50、通平衡电桥，如图。 电阻丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：电阻丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参参=R测测 ; R1=R2则：则： R参参/R测测= R1 /R2 无无电压电压信号输出；记录仪走直线（基线）。信号输出；记录仪走直线（基线）。进样后进样后:R参参R测测则：则： R参参/R测测 R1 /R22022-7-72.氢火焰检测器（氢火焰检测器（FID）是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，含碳含碳氢火焰检测器的离子化机理：有机物在氢火焰中发氢火焰检测器的离子化机理：有机物在氢火焰中发生化学电离火焰中的正离子以生化学电离火焰中的正离子以H

51、3O+最多，约占最多，约占90%；其他还有其他还有CHO+，CH3O+，C3H+等。等。对在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。2022-7-7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。2022-7-7高选择性、高灵敏度的放射性检测器（放射源高选择性、高灵敏度的放射性检测器（放射源 6363NiNi或或3 3H H，产生，产生射线）射线）

52、2022-7-7选择性高，仅对含有卤素、含氧基团等的化合物有响选择性高，仅对含有卤素、含氧基团等的化合物有响应；应；灵敏度高，检测下限灵敏度高，检测下限1010-14 -14 g /mLg /mL；ECD是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器；是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器；对大多数烃类没有响应；对大多数烃类没有响应；主要缺点：主要缺点：线性范围窄；线性范围窄；应用：近年来广泛用于食品、农副产品中农药残留量应用：近年来广泛用于食品、农副产品中农药残留量的分析以及大气、水中污染物的分析等。的分析以及大气、水中污染物的分析等。2022-7-7化合物中硫、磷在化合物中硫、磷在富氢火富氢火

53、焰焰中燃烧，生成激发态分中燃烧，生成激发态分子碎片，当回到基态时辐子碎片，当回到基态时辐射出不同波长的特征光谱射出不同波长的特征光谱，可被检测。，可被检测。HPOHPO碎片（碎片（480-600nm480-600nm）、）、S2S2（350-350-430nm430nm）；）；该检测器是对含硫、磷化该检测器是对含硫、磷化合物的高选择性检测器，合物的高选择性检测器，又称硫磷检测器。又称硫磷检测器。2022-7-72022-7-7（三）检测器的性能指标（自学）（三）检测器的性能指标（自学）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

54、范围广。应快，稳定性好，灵敏度高，适应范围广。衡量检测器性能的主要指标：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。2022-7-7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、利用保留值定性等。纯物质对照定性、利用保留值定性等。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

55、利用已知的纯物质与未知试样的色谱峰对照进行定利用已知的纯物质与未知试样的色谱峰对照进行定性分析性分析2022-7-7（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时，用相应化合当已知某试样推测为某化合物时，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。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，将试样与纯物质混合后注入色谱柱，若色谱峰

56、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2022-7-7（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，相对保留值的流速有所变化，相对保留值i,s仍然

57、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。2022-7-7 （3）利用保留指数进行进行定性分析）利用保留指数进行进行定性分析 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(1001ZXXXXZZZiiI 2022-7-7二、气相色谱定量方

58、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：iiiiiiHfmAfm2022-7-7（一）色谱峰面积测量方法（一）色谱峰面积测量方法1.1.峰高乘半峰宽法峰高乘半峰宽法21210651940YhYhA .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

59、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 2850150.0103hY1/2Signalt2022-7-7（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。1.1.绝对校正因子绝对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2022-7-7iiViinii

60、mAVfAnfAmf/,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2022-7-7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。2022-7-7绝对校正因子绝对校正因子f fi i的大小