第3章气相色谱

第一节概述一、色谱分离原理利用混合物中各组分在两相间的分配不同，将各组分分开。两相其中一相是不动的，称为固定相。另一相是携带混合物流过此固定相的流体，称为流动相。二、特点：快速、高效，应用范围广泛。第1页/共86页三、色谱分类按照流动相的不同可分为气相色谱气固色谱：固定相为固体气液色谱：固定相为液体液相色谱液固色谱：固定相为固体液液色谱：固定相为液体第2页/共86页气固色谱：利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附-解吸能力不同实现物质的分离。由于活性（或极性）分子在这些吸附剂上的半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性的)，导致色谱峰严重拖尾。气固色谱应用十分有限。气固色谱只适于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析。气液色谱：通常直接称之为气相色谱。它是利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。第3页/共86页第二节气相色谱仪第4页/共86页

载气→减压→净化→稳压→

→色谱柱→检测器→记录仪

进样一、气相色谱仪组成：a.载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量b.进样系统：包括进样器、气化室。c.分离系统:包括色谱柱.d.检测系统：包括检测器、检测器的电源和控温装置。e.记录系统：包括放大器、记录仪，有的仪器有数据处理装置。

第5页/共86页二、载气系统(Carriergassupply)气路系统：获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体净化装置。载气：要求化学惰性，不与有关物质反应。载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配。第6页/共86页净化器：多为分子筛和活性碳管的串联，可除去水、氧气以及其它杂质。压力表：多为两级压力指示第一级，钢瓶压力第二级，柱头压力指示；流量计：在柱头前使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确。通常在柱后，以皂膜流量计(Soap-bubblemeter)测流速。许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。第7页/共86页三、进样系统(Sampleinjectionsystem)1微量注射器(穿过隔膜垫)第8页/共86页规格型号价格

1ul（SGE)750.001ul（国产）45.00

5ul（SGE)680.005ul（国产）45.0010ul（SGE)360.0010ul（国产）25.0025ul（SGE)360.0025ul（国产）25.0050ul（SGE)380.0050ul（国产）25.00

第9页/共86页2六通阀进样要求：进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至20

L对毛细管柱分离，体积约为10-3

L，此时应采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过慢，将导致分离变差(拖尾)。第10页/共86页四、分离系统

柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和开管柱(或毛细管柱)。柱材料：金属、玻璃、融熔石英、Teflon等填充柱：多为U形或螺旋形，内径2-4mm，长1-3m，内填固定相.开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径0.1-0.5mm，长达几十至100m。通常弯成直径10-30cm的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质快，因而分离效率高(n可达106)、分析速度快、样品用量小。第11页/共86页Gascolumn第12页/共86页柱温：是影响分离的最重要的因素。其变化应小于±0.x℃。选择柱温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(分析时间20-30min)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。第13页/共86页温控系统温度控制是否准确,升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。控温系统包括对三个部分的控温，即，气化室、柱箱和检测器。控温方式：恒温和程序升温。第14页/共86页五、检测器气相色谱检测器种类繁多1.热导检测器(Thermalconductivitydetector,TCD);2.氢火焰离子化检测器(Flameionizeddetector,FID);3.电子捕获检测器(Electroncapturedetector,ECD);4.火焰光度检测器(Flamephotometricdetector,FPD);5.氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionic detector,TID);6.原子发射检测器(AtomicemissionDetector,AED)7.硫荧光检测器（SulfurchemiluminescenceDetector,SCD）

第15页/共86页六、记录系统由计算机控制记录与数据处理。第16页/共86页色谱术语2保留时间：死时间（tM）：指不被固定相吸附或溶解的气体从进样开始到柱后浓度最大值时所需时间。保留时间（tR）：指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需时间。1基线：未进样时，仅让载气通过色谱柱所得到的一条直线。第17页/共86页

调整保留时间（tR’）：扣除死时间后的保留时间，即tR’=tR–tM.。3保留体积：

死体积（VM）：色谱柱在填充后固定相颗粒间所留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。VM＝tM·F0第18页/共86页保留体积VR

——指从进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积，即VR=tRF0

调整保留体积VR’

——

指扣除死体积后的保留体积。

VR'=tR'·F0

或VR'=VR-VM

相对保留值r21——指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比：

第19页/共86页4峰宽的表示：标准偏差（σ）：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。半峰宽度（Y½）：又称半宽度或区域宽度，即峰高为一半处的宽度，它与标准偏差的关系为：

峰基宽度（Wb）：自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距，它与标准偏差的关系为：Wb=4σ第20页/共86页色谱流出曲线的作用①定性：根据保留时间可确定流出的组分到底是什么物质。②定量：通过计算峰面积确定该物质在总组分中的含量。③评价色谱柱的柱效：根据色谱峰的形状可以判断出色谱柱的柱效及分离度。④分离度：R>1.5时，两峰完全分离第21页/共86页第22页/共86页第三节气相色谱固定相一．气固色谱固定相

1．常用的固体吸附剂

强极性:硅胶;

弱极性:氧化铝;

非极性:活性炭;

特殊作用:分子筛等。第23页/共86页2．人工合成的固定相高分子多孔微球作用：它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类、胶类的分析。第24页/共86页高分子多孔微球可分为两类：非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（国 产）；chromosorb系列（国外）极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团： GDX-3和4型（国产）；PorapakN等（国外）第25页/共86页二、气液色谱固定相1.载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相

载体(担体)：它是一种化学惰性、多孔性的固体微粒。其作用是提供一个大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。(1)对担体的要求①表面积大，孔径分布均匀；②化学惰性好，其表面没有吸附性或吸附性很弱，与被分离组分不起任何化学反应；③热稳定性好，具有一定机械强度，不易破碎。④粒度均匀，大小适度，常用60－80目、80－100目。第26页/共86页

红色担体是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色。

表面孔穴密集、孔径较小、表面积较大， 机械强度好，适宜于分析非极性或弱极性物 质，表面有吸附中心，涂极性固定液时分布不 均匀，因而对极性试样分离较差。

白色担体是将硅藻土与20％的碳酸钠（助熔剂）混合煅烧而成，它呈白色。

表面孔径较大，表面积较小、机械强度差，表 面吸附中心较少，适宜于分析各种极性化合物。

有机玻璃微球担体，氟担体，高分子多孔微球等。 这类载体常用于特殊分析，如氟担体用于极性样品 和强腐蚀性物质HF、Cl2等的分析。但由于表面非浸润性，其柱效低。（2）担体类型硅藻土非硅藻土第27页/共86页2．固定液

（1）对固定液的要求：c.沸点高，挥发性小，热稳定性好，在操作温度下不分解。d.化学稳定性好，不与被测物质发生不可逆的化学反应。

a.对试样各组分有适当的溶解能力。

b.具有高的选择性。即对沸点相近或相同的物质要有尽可能高的分离能力。固定液的选择性可用相对调整保留值

2.1来衡量。对于填充柱一般要求

2.1＞1.15；对于毛细管柱，

2.1＞1.08.第28页/共86页

(2)固定液的分离特征：

固定液的分离特征是选择固定液的基础。

在气相色谱中通常用“极性”来说明固定液和被测组分的性质。如果组分与固定液分子性质（极性）相似，固定液与被测组分两种分子间的作用力就强，被测组分在固定液中的溶解度就大，分配系数就大。被测组分在固定液中的分配系数的大小与被测组分和固定液两种分子之间的相互作用力的大小有关。第29页/共86页(3)固定液的特性相对极性：1959年由Rohrschneider提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液β,β′-氧二丙睛的极性为100．然后，选择一对物质（如正丁烷一丁二烯或环乙烷一苯），来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到:式中下标1，2和X分别表示氧二丙睛，角鲨烷及被测固定液。各种固定液构相对极性均在0～100之间。第30页/共86页

各种固定液相对极性均在0～100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。

0～+l-------非极性固定液

+2------弱极性固定液

+3级------中等极性

+4～+5------强极性非极性亦可用“－”表示。第31页/共86页第32页/共86页

按固定液极性分类:可用固定液的极性表示。按化学类型分类：将有相同官能团的固定液排列在一起，然后按官能团的类型分类。(4)固定液的分类第33页/共86页第34页/共86页(5)固定液选择按“相似相溶”原理选择固定液。非极性组分—非极性固定液—沸点低的物质先流出;

极性物质—极性固定液—极性小的物质先流出；非极性与极性混合物—极性固定液—极性小的物质先流出；难分离的混合组分—两种或以上混合固定液第35页/共86页第四节气相色谱分析理论基础

一、气相色谱分析的基本原理1．气—

固色谱分析：固定相：分子筛，活性碳，Al2O3，硅胶，高分子多孔微球。被分离物质：O2,N2,CH4,CO等永久性气体；C1-C4的低氰类有机化合物。机理：利用固定相对不同组分的吸附能力不同。第36页/共86页3.总机理：在一定温度下，待测组分在两相中分配系数K不同。两相作相对运动时，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。2．气—

液色谱分析：固定液+担体机理：待分离组分在固定液中溶解度不同。第37页/共86页4．分配比（容量因子）：以κ表示，是指在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比：5．分配比к与分配系数K的关系：

VM：色谱柱中流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积。VS：色谱柱中固定相的体积，在气－液色谱分析中VS为固定液的体积，在气－固色谱分析中为吸附剂表面容量。VM/VS：相比，用β表示。第38页/共86页由式可见：

（1）分配系数是组分在两相中浓度之比，分配比则是组分在两相中分配总量之比。它们都与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。（2）分配系数只决定于组分和两相性质，与两相体积无关。分配比不仅决定于组分和两相性质，且与相比有关，亦即组分的分配比随固定相的量而改变。（3）对于一给定色谱体系(分配体系)，组分的分离最终决定于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的参数。第39页/共86页1．塔板理论

塔板理论假定：(1)在一小段间隔内，气相组成与液相组成很快达到分配平衡。用塔板高度H表示；(2)载气进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进气为一个板体积；(3)试样开始时都因在第0号塔板上，且试样沿柱方向的扩散可略而不计；(4)分配系数在各塔板上是常数。二、色谱柱的柱效

第40页/共86页第41页/共86页色谱峰越窄，色谱柱的n有效越多，表示组分在柱内达到平衡的次数越多，柱效能越高。第42页/共86页2．速率理论

1956年荷兰学者范弟姆特(Vandeemter)等提出了色谱过程的动力学理论，他们吸收了塔板理念的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出了塔板高度H与载气线速度u的关系：

H=A+B/u+Cu

其中A称为涡流扩散项,B/u为分子扩散项，Cu为传质阻力项。第43页/共86页(1)涡流扩散项A

气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似“涡流”的流动，因而引起色谱的扩张。由于A=2λdp，表明A与填充物的平均颗粒直径dp的大小和填充的不均匀性λ有关，而与载气性质、线速度和组分无关，因此使用适当细粒度和颗粒均匀的担体，并尽量填充均匀，是减少涡流扩散，提高柱效的有效途径。第44页/共86页(2)分子扩散项B/u

由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空间中，在“塞子”的前后(纵向)存在着浓差而形成浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散。而B=2rDg

r是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数(弯曲因子)。与填充物有关。

Dg为组分在气相中的扩散系数。Dg∝

第45页/共86页(3)传质阻力项Cu

C=Cg+ClCg：气相传质阻力系数，组分从气相移动到固相表面进行浓度分配时所受的阻力。Cg∝

Cl：液相传质阻力系数，组分从固定相的气液界面移动到液相内部进行质量交换，达到分配平衡，返回气液界面所受的阻力。Cl∝Df：固定液的液膜厚度Dl：组分在液相中的扩散系数第46页/共86页第47页/共86页例题有一根1m长的色谱柱，A、B两组分的保留时间和峰基宽度分别为tR(A)=4.40min,tR(B)=5.00min,Wb(A)=0.59min,Wb(B)=0.67min.试计算这两种组分的分离度。欲使其分离完全，柱长应为多少米？第48页/共86页第49页/共86页第五节气相色谱分离分析条件一、选择依据

vanDeemter方程和色谱分离方程式第50页/共86页二、气相色谱条件选择1.载气种类及流速u

当u较小时，B/u占主要，此时选择分子量大的载气，使组分的扩散系数小；当u较大时，Cu占主要，此时选择分子量小的载气，使组分的扩散系数小，减小传质阻力项Cu。第51页/共86页选择流速和载气应同时考虑对柱效和分析时间的影响选择流速和载气应同时考虑对柱效和分析时间的影响第52页/共86页2.柱长L和柱内径由分离度R的定义可得(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2

即柱越长，理论塔坂数越高，分离越好。但柱过长，分析时间增加且峰宽也会增加，导致总分离效能下降，因此柱长L要根据R的要求(R=1.5)，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。

柱内径越大，柱效能越低，不利于分离。常用的柱内径为3-4mm。第53页/共86页3.柱温柱温降低升高传质快、柱效高纵向扩散强、峰拖尾过高造成固定液流失分析时间长恒温程序升温(宽沸程混合物)实验确定第54页/共86页一般原则是：在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。柱温的选择还应考虑固定液的使用温度，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失，对分离不利。第55页/共86页

对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中按一定速度提高柱温。在程序开始时，柱温较低，低沸点的组分得到分离，中等沸点的组分移动很慢，高沸点的组分还停留于柱口附近；随着温度上升，组分由低沸点到高沸点依次分离出来。采用程序升温后不仅改善分离，而且可以缩短分析时间，得到的峰形也很理想。第56页/共86页程序升温与恒温对分离的影响比较恒温：45oC程序升温：30~180oC恒温：145oC温度低，分离效果好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，分析时间短，但分离效果差第57页/共86页第58页/共86页4进样量和进样速度进样量应控制在峰高或峰面积与进样量呈线性关系范围内。液体：0.1-5uL气体：0.1-10mL进样速度必须很快，一般在1s内完成。5汽化温度在保证试样不分离的情况下，适当提高汽化室温度对分离有利。第59页/共86页第六节气相色谱检测器检测器的作用是将经色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转换为相应的电信号。检测原理不同浓度型检测器质量型检测器检测器的响应值和组分的浓度成正比。TCD,ECD检测器的响应值与单位时间进入检测器某组分的质量成正比。FID,FPD第60页/共86页一.热导检测器(TCD)1构成：由池体和热敏元件构成。将参比池和测量池组成电桥。第61页/共86页2.原理：由于不同气态物质所具有的热传导系数不同。

第62页/共86页3.工作过程：1）在只有载气通过时，两个池的温度都保持不变，电阻值也不变。此时，调节电路电阻使电桥平衡，AB两端无电压信号输出；2）当有样品随载气进入测量池时，此时热导系数发生变化，或者说，测量池的温度发生变化，其电阻亦发生变化，电桥失去平衡，AB两端有电压信号输出。当载气和样品的混合气体与纯载气的热导系数相差越大，则输出信号越强。第63页/共86页4.影响TCD灵敏度的因素1）桥电流i：i增加—热敏元件温度增加—元件与池体间温差增加—气体热传导增加—灵敏度增加。但i过大，热敏元件寿命下降。电流通常选择在100-200mA之间(N2作载气，100-150mA；H2作载气，150-200mA)。2）池体温度：池体温度低，与热敏元件间温差大，灵敏度提高。但温度过低，可使试样凝结于检测器中。通常池体温度应高于柱温。3）载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。通常选择热导系数大的H2和Ar作载气。用N2作载气，热导系数较大的试样(如甲烷)可出现倒峰。4）热敏元件阻值：电阻率高、电阻度系数大的热敏元件，其灵敏度高。总结：较大的桥电流、较低的池体温度、与试样热导系数相差大的载气以及具有大的电阻度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度。第64页/共86页二.氢火焰离子化检测器（FID）

主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。1.原理：含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。2.结构：主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极(极化极，此图中为火焰顶端)和收集极。第65页/共86页3.工作过程：来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号（10-12A）。第66页/共86页4.火焰离子化机理：有机物燃烧产生自由基，自由基与O2作用产生正离子，再与水作用生成H3O+。以苯为例：第67页/共86页5.影响FID灵敏度的因素1）气体流量：当用N2作载气时，一般N2:H2=1:1-1:1.5；当以He为载气时，则氢气流速=1/3He+10mL。载气与空气流速比为1:102）极化电压：在50V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在50V以上，则灵敏度增加不明显。通常选择100-300V的极化电压。4）操作温度：比柱的最高允许使用温度低约50oC(防止固定液流失及基线漂移)。 第68页/共86页第七节气相色谱定性分析一、样品预处理

GC分析对象是在气化室温度下能生气态的物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在进样前，对样品进行处理。

非挥发组份—会产生噪声，同时慢慢分解—产生杂峰。稳定性差的组分—生成新物质—杂峰。第69页/共86页

二、定性方法1、用已知物对照定性

1）分别以试样和标准物进样分析.2）对照。如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合，则可初步确定试样中含有该物质。

3）也可通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰增加来确定。第70页/共86页第71页/共86页2.双柱或多柱定性

可克服在一根柱上，不同物质可能出现相同的保留时间的情况。3.与其它方法结合定性

（1）与红外光谱、质谱等仪器等联用（2）与化学方法配合进行定性分析第72页/共86页第八节气相色谱定量分析

气相色谱定量分析根据是在一定操作条件下，色谱图的峰面积或峰高与进入检测器的组分的量成正比。一.峰面积测量方法

峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测量的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法。第73页/共86页

l.当峰形近似为等腰三角形时，根据三角形的面积计算公式，可近似为：峰高乘半峰宽法对称峰的实际面积为：

作相对计算时，1.065可约去。第74页/共86页2.当峰形不对称时，在峰高0.15倍和0.85倍处分别测出峰宽，取平均值得平均峰宽。峰高乘平均峰宽法第75页/共86页3.当峰较窄，或有的峰窄有的峰宽的同系物时在一定的操作条件下，同系物的半宽度与保留时间成正比，即：在相对计算时，b可约去，于是：A=htR4.积分仪峰高乘保留时间法第76页/共86页二、定量校正因子

l.定量校正因子

由于同一检测器对不同物质具有不同的响应值，即对不同物质，检测器的灵敏度不同。两个相等量的物质得不出相等峰面积。相同的峰面积并不意味着相等物质的量。在计算时需将面积乘上一个换算系数，使组分的面积转换成相应物质的量，即

mi=fiAi

式中mi为组分i的量，Ai为峰面积，fi为绝对校正因子。它可表示为

fi=mi/Ai=1/Si

绝对校正因子定义为：单位峰面积组分的量。第77页/共86页2.相对校正因子

fi主要由仪器的灵敏度决定，不易准确测定，也无法直接应用。在实际工作中，