气相色谱(GC)基础知识-基本原理课件分析

§10-1色谱法引论一

概述

“色谱法”名称的由来石油醚(流动相)碳酸钙(固定相)}色谱带第一页第二页，共98页。是利用混合物不同组分在固定相和流动相中分配系数(或吸附系数、渗透性等)的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。色谱法第二页第三页，共98页。

色谱法的分类根据流动相的物态可分为气相色谱(GC)液相色谱(LC)超临界流体色谱(SFC){第三页第四页，共98页。根据固定相的外形分柱色谱平板色谱{平板色谱第四页第五页，共98页。根据分离机理可分为吸附色谱分配色谱离子交换色谱排阻色谱第五页第六页，共98页。二

色谱流出曲线及有关术语第六页第七页，共98页。(一）保留值－定性1

死时间t0流动相平均线速度柱长第七页第八页，共98页。2

保留时间tr3

校正(调整)保留时间第八页第九页，共98页。4

死体积V05

保留体积Vr6

校正(调整)保留体积第九页第十页，共98页。7

相对保留值ri,s8

分离因子α>第十页第十一页，共98页。(二）峰高与峰面积－定量（三）区域宽度－柱效峰底宽度W半峰宽W1/2标准偏差σ第十一页第十二页，共98页。(四）色谱流出曲线上的信息第十二页第十三页，共98页。1根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。2根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。3根据色谱峰的面积或峰高,可以进行定量分析4色谱峰的保留值及其区域宽度是评价色谱柱分离效能的依据5色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(或流动相)选择是否合适的依据。第十三页第十四页，共98页。三色谱分析的基本原理

组分保留时间为何不同？

色谱峰为何变宽？第十四页第十五页，共98页。(一）分配系数K和分配比k组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度1分配系数第十五页第十六页，共98页。组分一定时，K主要取决于固定相性质组分及固定相一定时,温度增加,K减小试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础选择适宜的固定相可改善分离效果影响K的因素{固定相温度第十六页第十七页，共98页。2分配比(容量因子)k组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量K与k都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数。K与k都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。k可直接从色谱图上获得。第十七页第十八页，共98页。第十八页第十九页，共98页。3分配系数K与分配比k的关系4

分离因子与分配系数K及分配比k的关系第十九页第二十页，共98页。(二）色谱理论1塔板理论－柱分离效能指标*k=1第二十页第二十一页，共98页。塔板号载气塔板体积数01234柱出口01234567891011121314151610.50.250.1250.0630.0320.0160.0080.0040.0020.00100000000.50.50.3750.250.1570.0950.0560.0320.0180.0100.0050.0020.001000000.250.3750.3750.3130.2350.1650.1110.0720.0450.0280.0160.0100.0050.0020.0010.000.1250.250.3130.3130.2740.220.1660.0940.0700.0490.0330.0220.0140.00800000.0630.1570.2350.2740.2740.2470.2070.1510.1100.080.0570.0400.027000000.0320.0790.1180.1380.1380.1240.1040.0760.0560.0400.0280.020第二十一页第二十二页，共98页。理论塔板数理论塔板高度色谱柱长度柱效能指标当色谱柱长度一定时，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多，柱效能越高，所得色谱峰越窄。第二十二页第二十三页，共98页。

不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。有效塔板数有效板高第二十三页第二十四页，共98页。2速率理论－影响柱效的因素流动相线速度范弟姆特方程第二十四页第二十五页，共98页。1)涡流扩散项A固定相颗粒越小，填充的越均匀A越小，H越小，柱效越高，色谱峰越窄。第二十五页第二十六页，共98页。2)分子扩散项B/u(纵向扩散项)流动相柱内谱带构型相应的响应信号产生原因：浓度梯度影响因素：流动相流速；气体扩散系数第二十六页第二十七页，共98页。3)传质阻力项Cu

气相传质阻力固定相颗粒越小，载气分子量越小气相传质阻力越小第二十七页第二十八页，共98页。

液相传质阻力固定液粘度及液膜厚度越小液相传质阻力越小第二十八页第二十九页，共98页。4)流动相线速度对板高的影响第二十九页第三十页，共98页。例1：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的A=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最佳线速度u和最小塔板高H.解:H=A+B/u+Cu欲求u最佳和H最小,要对速率方程微分,即dH/du＝d(A+B/u+Cu)/du＝-B/u2+C＝0最佳线速:u最佳＝(B/C)1/2＝(0.65/0.003)1/2＝14.7cm/s最小板高:H最小＝A+2(BC)1/2＝0.08+2(0.65×0.003)1/2＝0.17cm第三十页第三十一页，共98页。四分离度定义：tr2,tr1:组分2和组分1的保留时间W2,W1:组分2和组分1的峰底宽度第三十一页第三十二页，共98页。R=1.5完全分离第三十二页第三十三页，共98页。五基本色谱分离方程式对于难分离相邻两组分：W1≈W2≈W第三十三页第三十四页，共98页。P185(10-12)第三十四页第三十五页，共98页。第三十五页第三十六页，共98页。分离度与k、n及的关系

k从1增加到3，R增加到原来的1.5倍(k:2-7)

n增加到原来的3倍，R增加到原来的1.7倍

从1.01增加到1.1，增加约9％，R增加到原来的9倍结论选择合适的固定相(流动相)以增加是改善分离度最有效的方法第三十六页第三十七页，共98页。1)各组分的分配系数必须不同。这一条件通过选择合适的固定相来实现。2)区域扩宽的速度应小于区域分离的速度，即色谱柱的柱效要高。3)在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。使试样中的不同组分分离需要满足的条件第三十七页第三十八页，共98页。例1：有一根lm长的柱子，分离组分1和2得到如下色谱图。图中横坐标l为记录笔走纸距离。若欲得到R=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？第三十八页第三十九页，共98页。解法1R=1.2,1)第三十九页第四十页，共98页。2)第四十页第四十一页，共98页。解法21)同解法12)第四十一页第四十二页，共98页。§10-2气相色谱实验技术一气相色谱仪GC工作过程第四十二页第四十三页，共98页。载气系统进样系统分离系统检测和记录系统温控系统第四十三页第四十四页，共98页。（一）载气系统常用载气：氮气、氦气、氢气及氩气气源净化干燥管载气流速控制装置{载气系统载气选择依据检测器柱效{第四十四页第四十五页，共98页。（二）进样系统注射器气化室进样系统{进样器气化室温度比柱温高出10～50℃第四十五页第四十六页，共98页。取样位置试样导入色谱柱六通阀进样器第四十六页第四十七页，共98页。第四十七页第四十八页，共98页。（三）分离系统(色谱柱)色谱柱填充柱毛细管柱柱内径1-10mm0.05-0.5mm柱长度0.5-10m10-150m总塔板数~103~

106样品容量10-1000

0.1-50第四十八页第四十九页，共98页。1气液色谱固定相

组成{担体(载体)固定液{硅藻土红色白色非硅藻土{1)担体(载体)第四十九页第五十页，共98页。

对载体的要求具有多孔性，即比表面积大。化学惰性，表面没有活性，有较好的浸润性。热稳定性好。有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。第五十页第五十一页，共98页。

担体的表面处理a.

酸洗－浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团b.

碱洗－氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去酸性作用基团c.

硅烷化－除去担体表面的氢键作用力二甲基二氯硅烷第五十一页第五十二页，共98页。2)固定液－高沸点的有机化合物

对固定液的要求热稳定性好，在操作温度下不发生聚合、分解等反应；具有较低的蒸气压，以免流失。化学稳定性好，不与样品或载气发生不可逆的化学反应。粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。对样品中的各组分有适当的溶解度。(填充柱，毛细管柱)第五十二页第五十三页，共98页。

组分与固定液分子间的相互作用静电力－极性分子之间的作用力诱导力－极性与非极性分子之间的作用力色散力－非极性分子之间的作用力氢键力－氢原子与电负性很大的原子(如F、O、N等)之间的作用力第五十三页第五十四页，共98页。

固定液的相对极性P第五十四页第五十五页，共98页。

固定液的选择原则－“相似相溶”a.非极性物质—非极性固定液。沸点越低的组分越早出峰。b.极性物质—极性固定液。极性越小的组分出越早出峰。c.极性与非极性混合物—极性固定液。极性越小的组分出越早出峰。d.易形成氢键物质—极性或氢键型固定液。不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分后出峰。e.复杂难分离样品—多种固定液混合第五十五页第五十六页，共98页。固定液极性适用范围100％二甲基聚硅氧烷非极性脂肪烃化合物，石化产品(50％三氟丙基)甲基聚硅氧烷中等极性极性化合物，如高级脂肪酸聚乙二醇中强极性极性化合物，如醇、羧酸酯等常用毛细管色谱柱固定液第五十六页第五十七页，共98页。2气固色谱固定相永久性气体惰性气体低沸点有机化合物分离对象第五十七页第五十八页，共98页。分离测定有机物中的痕量水高分子多孔微球硅胶－强极性氧化铝－弱极性活性炭－非极性分子筛－强极性高分子多孔微球(GDX)固体吸附剂第五十八页第五十九页，共98页。(四)检测系统1

热导池检测器(TCD)参比测量R1R2ABR1*R参比=R2*R测量只有载气通过时载气+组分R1*R参比≠R2*R测量利用载气与组分热导系数的差异进行测量第五十九页第六十页，共98页。

载气对热导检测器灵敏度的影响某些气体与蒸气的热导系数/10-4J·(cm·s·℃)-1气体热导系数气体热导系数氢气22.4甲烷4.56氦气17.41乙烷3.06氮气3.14丙烷2.64氧气3.18甲醇2.30空气3.14乙醇2.22氩气2.18丙酮1.76第六十页第六十一页，共98页。

影响热导检测器灵敏度的因素载气种类；热丝工作电流；热丝与池体温度差。

适用范围测量对象：通用色谱柱：填充柱

第六十一页第六十二页，共98页。2氢火焰离子化检测器(FID)

火焰离子化机理第六十二页第六十三页，共98页。

适用范围含碳有机化合物

影响检测灵敏度的因素氢氮比；空气流量；极化电压。第六十三页第六十四页，共98页。3电子捕获检测器(ECD)

第六十四页第六十五页，共98页。

电子捕获机理

适用范围卤素及亲电子物质第六十五页第六十六页，共98页。饮用水中三卤甲烷色谱图水氯氯仿二氯溴甲烷二溴氯甲烷溴仿第六十六页第六十七页，共98页。4火焰光度检测器(FPD)

第六十七页第六十八页，共98页。

响应机理

适用范围含硫、磷化合物含磷化合物含硫化合物第六十八页第六十九页，共98页。三九一一乙拌磷地亚农倍硫磷对硫磷丙硫磷乙硫磷乙丙硫磷谷硫磷壤虫磷丰索磷蝇毒磷马拉硫磷一0五九第六十九页第七十页，共98页。5质谱检测器毛细管柱接口离子源离子检测器加热器温度传感器第七十页第七十一页，共98页。6原子发射光谱检测器第七十一页第七十二页，共98页。二色谱分离操作条件的选择1.色谱柱固定相；固定液液膜厚度；柱长等第七十二页第七十三页，共98页。2.载气及其线速的选择检测器载气柱效u较小时，选择分子量较大的载气（N2，Ar）；u较大时，选择分子量较小的载气(H2，He)u的选择第七十三页第七十四页，共98页。3.柱温的选择改变柱温产生的影响柱效增加柱温可加快气相、液相的传质速率，有利于降低塔板高度，改善柱效；但同时又会加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。分离度柱温升高，K减小，分离度下降。分析时间降低柱温，分析时间增加第七十四页第七十五页，共98页。柱温应控制在固定液的最高使用温度和最低使用温度范围之内。使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。柱温一般选择在组分平均沸点左右。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。选择原则第七十五页第七十六页，共98页。程序升温50~250℃，8℃/min恒温150℃正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。第七十六页第七十七页，共98页。4.进样量的选择

进样量柱效进样量过大，使色谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽检测器进样量过大，峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏·进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内第七十七页第七十八页，共98页。§10-3气相色谱分析方法及应用一定性分析1用已知纯物质对照定性保留值定性峰高增加法定性第七十八页第七十九页，共98页。2用经验规律和文献值定性(1)经验规律碳数规律在一定温度下，同系物的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系如果知道两种或更多同系物的调整保留时间，则可求出常数A和C。从色谱图查出未知物的后，根据上式即可求出未知物的碳数。第七十九页第八十页，共98页。(2)相对保留值第八十页第八十一页，共98页。(3)保留指数Z,Z+1:正构烷烃的碳原子数进样第八十一页第八十二页，共98页。例：乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲线如下图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正丁酯310.0mm，正庚烷174.0mm，正辛烷373.4mm。求乙酸正定酯的保留指数。在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知组分进行验证。第八十二页第八十三页，共98页。3联机定性

GC/MS(气相色谱-质谱)例：川桂皮挥发油的化学成分分析色谱柱：SE－54(30m×0.25mm×0.25μm)色谱操作条件载气：氦气，流速1mL/min柱温：初温60℃保持1min，8℃/min升温至150℃，6℃/min升温至190℃，8℃/min升温至250℃，保持1min第八十三页第八十四页，共98页。总离子流色谱图6号峰的质谱图第八十四页第八十五页，共98页。

GC/AES(气相色谱－原子发射光谱)二甲基硒烯丙基甲基硒甲基亚磺基硒酸甲酯二甲基二硒2－丙稀硫硒酸甲酯1－丙稀硫硒酸甲酯双(甲硫)硒烯丙基甲基硫二甲基二硫二烯丙基硫烯丙基甲基二硫二甲基三硫二烯丙基二硫烯丙基甲基三硫二烯丙基三硫GC-AES同时检测大蒜中碳、硫、硒化合物Se(196.1nm)C(193.1nm)S(180.7nm)第八十五页第八十六页，共98页。4几种方法联合定性化合物GC-MS色谱保留指数质谱相似度OV-101柱PEG20M柱9号峰定性数据

9851149β-蒎烯9349811124香叶烯9269861156质谱和保留指数两种鉴定方法的结果例：缬草挥发油化学成分的研究多种方法联合定性可大大提高鉴定的可靠性第八十六页第