《气相色谱分析》PPT课件.ppt

1、第一节、概述 一. 色谱法的产生和发展 1906年，俄国植物学家Tswett为了分离植物色素，将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，形成一圈圈不同颜色的色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法（chromatography）。 在此后的20多年里，几乎无人问津这一技术。 到了1931年，Kuhn等用同样的方法成功地分离了胡萝卜素和叶黄素，从此，色谱法开始为人们所重视， 此后，相继出现了各种色谱方法（见表2-1）。,第二章、气相色谱分析,表2-1 色谱

2、法的发展历史,在分析化学领域: 色谱法是一个相对年轻的分支学科。 早期的色谱技术只是一种分离技术，与萃取、蒸馏等分离技术不同的是其分离效率高得多。 当这种高效的分离技术与各种灵敏的检测技术结合在一起后，才使得色谱技术成为最重要的一种分析方法， 色谱技术几乎可以分析所有已知物质，在所有学科领域都得到了广泛的应用。,表2-2 色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作,二. 色谱法的优点和缺点1. 色谱法的优点分离效率高。几十种甚至上百种性质类似的化合物可在同一根色谱柱上得到分离，能解决许多其他分析方法无能为力的复杂样品分析。分析速度快。色谱法可在几分钟至几十分钟的时间内完成一个复杂样品的分析。 检测灵

3、敏度高。随着信号处理和检测器制作技术的进步，不经过预浓缩可以直接检测 10-9g 级的微量物质。如采用预浓缩技术，检测下限可以达到 10-12g数量级。 样品用量少。一次分析通常只需数纳升至数微升的溶液样品。选择性好。通过选择合适的分离模式和检测方法，可以只分离或检测感兴趣的部分物质。多组分同时分析。在很短的时间内（20min左右），可以实现几十种成分的同时分离与定量。易于自动化。现在的色谱仪器已经可以实现从进样到数据处理的全自动化操作。2. 色谱法的缺点定性能力较差。为克服这一缺点，已经发展起来了色谱法与其他多种具有定性能力的分析技术的联用。,三、色谱法的定义与分类 固定相（stationa

4、ry phase）： 在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的一相。流动相（mobile phase）： 与固定相处于平衡状态、带动样品向前移动的另一相。色谱法： 又称色层法或层析法，是一种物理化学分析方法，它利用不同溶质（样品）与固定相和流动相之间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别，当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次平衡，使各溶质达到相互分离。色谱法的分类方法很多，最常用的分类是根据 流动相的状态将色谱法分成四大类（见表2-3）。,表2-3 色谱法按流动相种类的分类,固定相种类： 气固色谱法(固定相为固体吸附剂) 气液色谱法(固定相为涂在固体担体上或毛细管壁上的液体) 液固色谱法

5、和液液色谱法等。,固定相使用的形式： 柱色谱法(固定相装在色谱柱中)、 纸色谱法(滤纸为固定相) 薄层色谱法(将吸附剂粉末制成薄层作固定相)等。 分离过程的机制： 吸附色谱法(利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离) 分配色谱法(利用不同组分在两相中有不同的分配系数来进行分离) 离子交换色谱法(利用离子交换原理) 排阻色谱法(利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用)等。,第二节、气相色谱仪器 一、气相色谱仪流程图 气相色谱仪是一个载气连续运行、气密的气体流路系统。气路系统的气密性、载气流速的稳定性及测量的准确性，都影响色谱仪的稳定性和分析结果。,高压钢瓶中的载气（气源）经减压阀减

6、低至0.2-0.5MPa，通过装有吸附剂（分子筛）的净化气除去载气中的水分和杂质，到达稳压阀，维持气体压力稳定。样品在气化室变成气体后被载气带至色谱柱，各组分在柱中达到分离后依次进入检测器。,流量计,减压阀结构如下图所示。图中7是高压气瓶与减压阀的连接口，气体经针阀4进入装有调节隔膜的出口腔5，出口压力是靠调节手柄1调节。顺时针拧紧，针阀逐渐打开，出口压力升高；反时针旋松，出口压力减小。,减压阀 稳压阀 稳流阀 进样器 检测器,减压阀结构图,稳压阀结构如下图所示。为后面的针形阀提供稳定的气压，或为后面的稳流阀提供恒定的参考压力。旋转调节手柄，即可通过弹簧将针阀2旋到一定的开度，当压力达到一定值

7、时就处于平衡状态，当气体进口压力P1 稍有增加时，P2 处的压力也增加，波纹管就向右移动，并带动三根连动阀杆（图中只画出一根）也向右移动，使阀开度变小，使出口压力 P3 维持不变，反之亦然。,稳压阀的结构图,稳流阀 结构如下图所示。程序升温用气相色谱仪通常还配有稳流阀，以维持柱升降温时气流的稳定。其工作原理是针阀在输入压力保持不变的情况下旋到一定的开度，使流量维持不变。当进口压力P1 稳定，针阀两端的压力差P=P3-P2 ，当P等于弹簧压力时，膜片两边达到平衡。当柱温升高时，气体阻力增加，出口压力P4 增加，流量降低。因为 P1是恒定的，所以P1-P2 小于弹簧压力，这时弹簧向上压动膜片，球阀

8、开度增大，出口压力 P4增大，流量增加， P2也相应下降，直至P1-P2 等于弹簧压力时，膜片又处于平衡，使气体流量维持不变。,二、进样器 1. 阀进样器-气体样品的进样 2. 隔膜进样器-填充柱液体样品的进样 3. 分流进样器-毛细管柱液体样品的进样,1. 阀进样器-气体样品的进样通常用六通阀进样器，其结构如下图所示。在采样位置时，载气经1流入，直接从2流出，到达色谱柱，气体样品从进样口5流入到接在通道3和6上的定量管7中，并从通道4流出。当六通阀从采样位置旋转60o 至进样位置时，载气经1和6通道与定量管7连通，将定量管中的样品从通道3和2带至色谱柱中。,2. 隔膜进样器-填充柱液体样品的

9、进样液体样品通过气化室转化为气体后被载气带入色谱柱。色谱柱的一端插入气化室中，气化室的另一端有一个硅橡胶隔膜，注射器穿透隔膜将样品注入气化室。这种隔膜进样器的结构如图所示。,隔膜进样器,3. 分流进样器-毛细管柱液体样品的进样由于毛细管柱样品容量在纳升级，直接导入如此微量样品很困难，通常采用分流进样器，其结构如图所示。进入气化室的载气与样品混合后只有一小部分进入毛细管柱，大部分从分流气出口排出，分流比可通过调节分流气出口流量来确定，常规毛细管柱的分流比在1:50-1:500 。,分流进样器,三、检测器 1. 热导检测器(thermal conductivity detector,TCD) 2.

10、 氢火焰离子化检测器(flame ionization detector,FID) 3. 电子捕获检测器(electron capture detector,ECD) 4. 火焰光度检测器 (flame photometric detector，简称FPD),1. 热导检测器(thermal conductivity detector,TCD)原理： 基于载气和样品的导热系数的差异，并用惠斯登电桥检测。 检测器结构： 如图所示。它由一个金属块和装在通气室中的热敏元件组成，热敏元件是具有较大温度系数的金属丝（如铂丝、铼钨丝），TCD一般有四个通气室（只画出两个），各通气室中的金属丝的电阻完全相同

11、。,热导检测器,惠斯登电桥： 如图所示，将四支热丝组成一个惠斯登电桥，往A室通纯载气，往B室通含样品的载气。由于A室和B室的电阻变化造成惠斯登电桥的不平衡，从而有输出电压，电压（或电流）的大小与样品的浓度成正比。,惠斯登电桥,影响热导池检测器灵敏度的因素 桥路工作电流的影响 一般工作电流与响应值之间有三次方的关系，即增加电流能使灵敏度迅速增加；一般桥路电流控制在100200 mA左右(N2作载气时为100150 mA，H2作载气时为150200 mA)。 热导池体温度的影响 池体温度低，池体和钨丝的温差就大，能使灵敏度提高。冷凝。一般池体温度不应低于柱温。 载气的影响 载气与试样的热导系数相差

12、愈大，则灵敏度愈高。故选择热导系数大的气体(例如H2或He)作载气，灵敏度就比较高。通常采用氢作载气。氮作载气，灵敏度低。载气流速要稳定。 热敏元件阻值的影响 选择阻值高，电阻温度系数较大的热敏元件(钨丝) 一般热导袍的死体积较大，且灵敏度较低，这是其主要缺点，微型池体(25mL)的热导池。,2. 氢火焰离子化检测器(flame ionization detector,FID) 原理： 含碳有机物在氢火焰中燃烧时，产生化学电离，发生下列反应： CH + O - CHO+ + e CHO+ + H2O - H3O+ + CO 在电场作用下，正离子被收集到负极，产生电流。,检测器结构： 如图所示，

13、在喷嘴上加一极化电压，氢气从管道7进入喷嘴，与载气混合后由喷嘴逸出进行燃烧，助燃空气由管道6进入，通过空气扩散器5均匀分布在火焰周围进行助燃，补充气从喷嘴管道底部8通入。,操作条件的选择 (1)气体流量 载气流量：一般用N2作载气，载气流量的选择主要考虑分离效能。对一定的色谱柱和试样，要找到一个最佳的载气流速，使柱的分离效果最好。 氢气与氮气流量之比是1:1l:1.5。在最佳氢氮比时，不但灵敏度高，而且稳定性好。 空气流量：空气是助燃气，并为生成CHO提供02。空气流量在一定范围内对响应值有影响。当空气流量较小时，对响应值影响较大，流量很小时，灵敏度较低。空气流量高于某一数值(例如400 ml

14、 min-1)，此时对响应值几乎没有影响。一般氢气与空气流量之比为1:10。 气体中的机械杂质或载气中含有微量有机杂质。 (2)极化电压 在极化电压较低时，响应值随极化电压的增加成正比增加，然后趋于一个饱和值，极化电压高于饱和值时与检测器的响应值几乎无关。一般选100 V到300 V之间。 (3)使用温度 与热导池检测器不同，氢焰检测器的温度不是主要影响因素，从80200，灵敏度几乎相同。80以下，灵敏度显著下降，这是由于水蒸气冷凝造成的影响。,3. 电子捕获检测器(electron capture detector,ECD)原理：以63Ni或3H作放射源，当载气（如N2）通过检测器时，受放射

15、源发射的Beta射线的激发与电离，产生一定数量的电子和正离子，在一定强度电场作用下形成一个背景电流（基流）。在此情况下，如载气中含有电负性强的样品，则电负性物质就会捕捉电子，从而使检测室中的基流减小，基流的减小与样品的浓度成正比。,检测器结构：如图所示，检测器的池体用作阴极，圆筒内侧装有放射源，阳极2与阴极之间用陶瓷或聚四氟乙烯绝缘。在阴阳极之间施加恒流或脉冲电压。,4. 火焰光度检测器 火焰光度检测器(flame photometric detector，简称FPD)是对含磷、含硫的化合物有高选择性和高灵敏度的一种色谱检测器。 这种检测器主要由火焰喷嘴、滤光片、光电倍增管三部分组成，,含S：

16、350-430nm 含P：526nm 含碳有机物，在氢焰高温下进行电离而产生微电流，经收集极收集，放大后可同时记录下来。 因此火焰光度检测器可以同时测定硫、磷和含碳有机物，即火焰光度检测器、氢焰检测器联用。,四种检测器的比较,仪器组成小结,仪器由五部分组成。 1. 载气系统，包括气源、气体净化、气体流速控制和测量： 2. 进样系统，包括进样器、气化室； 3. 色谱柱和柱箱，包括温度控制装置； 4. 检测系统，包括检测器、检测器的电源及控温装置； 5. 记录系统，包括放大器、记录仪，数据处理装置。,第三节、气相色谱分析的理论基础 一、色谱图及相关术语,基线(baseline) 基线漂移(base

17、line drift) 基线噪声(baseline noise),死时间(dead time) tM 保留时间(retention time) tR 调整保留时间(adjusted retention time) tR,区域宽度(peak width) 越窄越好。 (1) 标准偏差(standard deviation) , 0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。 (2) 半蜂宽度(peak width at half-height)Yl/2 又称半宽度或区域宽度 (3) 峰底宽度(peak width at peak base) Y,Y=4 Yl/2=2.35 ,色谱峰的对称性 高斯（Gaus

18、sian）曲线 不对称因子（asymmetry） 拖尾峰（tailing peak） 伸舌峰（leading peak或fronting peak）,高斯（Gaussian）曲线： 在理想情况下，色谱峰的形状可以近似地用高斯曲线描述。图中为标准偏差（拐点处的半峰宽），h为最大峰高，w为峰宽。,不对称因子（asymmetry）： 在实际的色谱过程中，溶质从色谱柱中流出时，很少符合高斯分布，而是具有一定的不对称性。我们可以定义一个不对称因子As来定量地表示色谱峰的不对称程度，如图所示，将10峰高处前半峰的宽度设为a, 同高度处后半峰的宽度设为b，将b与a的比值定义为不对称因子As，即,拖尾峰（ta

19、iling peak）： 当As大于1时，色谱峰的形状是前半部分信号增加快，后半部分信号减少慢。引起峰拖尾的主要原因是溶质在固定相中存在吸附作用，因此，拖尾峰也称为吸附峰。,伸舌峰（leading peak或fronting peak）： 当As小于1时，色谱峰是前半部分信号增加慢，后半部分信号减小快。因为伸舌峰主要是固定相不能给溶质提供足够数量合适的作用位置，使一部分溶质超过了峰的中心，即产生了超载，所以也称超载峰。,分离度色谱分析的目标就是要将混合物中的各组分分离，两个相邻色谱峰的分离度R（resolution）定义为两峰保留时间差与两峰峰底宽平均值之商，即,式中tR1和tR2分别为峰1和

20、峰2的保留时间；w1和w2分别为峰1和峰2在峰底（基线）的峰宽，即通过色谱峰的变曲点（拐点）所作三角形的底边长度。,色谱峰呈高斯分布： 分离度R=1.5(99.7%)即可认为完全分开，满足定量分析的需要。 R=2时，两个峰完全达到了基线分离。通过调节色谱条件还可获得更高的R值，不过这时的代价将是分析时间增加。如果两组分浓度相差不是太大， 分离度R=0.5时，仍然可以看得出两个峰的峰顶是分开的。,选择性系数两个组分达到分离的一个决定性参数就是两组分的相对保留值(relative retention value) ，两个色谱峰真实保留时间之比，称作选择性系数 ，即,计算选择性系数所需参数也可以从色

21、谱图中获得。选择性系数主要由柱温、固定相的性质所决定，不随柱径、柱长，填充情况及流动相流速而变，可用来表示固定相(色谱柱)的选择性。当选择性系数=1时，则说明在给定的色谱条件下，两组分不存在热力学上的差异，无法实现相互分离。,二、气一固、气一液色谱分析的基本原理 色谱柱：填充柱和毛细管柱。 气一固色谱分析：吸附 脱附 气一液色谱分析：溶解 挥发 分配系数K： 气相色谱分析的分离原理：是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数。 分配比k（容量因子或容量比,capacity factor or capacity ratio),式中：ms为组分分配在固定相中的质量, mM为组分分配在流动相中的质量,

22、 ：相比(phase ratio)， 填充柱的值约为635，毛细管柱)的值为501 500 (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重要参数。k值越大，保留时间越长， k值为零的组分，其保留时间即为死时间tM。 (4) 滞留因

23、子(retardation factor) Rs=us/u,三、色谱分离的基本理论 包括两方面： 一 是试样中各组分在两相间的分配情况。这与各组分在两相间的分配系数，各物质(包括试样中组分，固定相，流动相)的分子结构和性质有关。各个色谱峰在柱后出现的时问(即保留值)反映了各组分在两相间的分配情况，它由色谱过程中的热力学因素所控制。 二 是各组分在色谱柱中的运动情况。这与各组分在流动相和固定相两相之间的传质阻力有关，各个色谱峰的半峰宽度就反映了各组分在色谱柱中运动的情况。这是一个动力学因素。,1. 塔板理论,2. 速率理论,色谱过程动力学 色谱过程动力学研究物质在色谱过程中的运动规律，如解释色谱

24、流出曲线的形状、谱带展宽的机理，从而为选择色谱分离条件提供理论指导。用严格的数学公式表述色谱理论需要根据溶质在柱内的迁移过程及影响这一过程的各种因素，列出相应的偏微分方程组，求出描述色谱谱带运动的方程式。其数学处理相当复杂，方程组的求解也非常困难。在实际研究中，通常要进行适当的条件假设并作简化的数学处理。,1. 塔板理论色谱分离过程比拟作蒸馏过程，因而直接引用了处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱过程，塔板理论假定： (1)在这样一小段间隔内，气相平均组成与液相平均组成可以很快地达到分配平衡。这样达到分配平衡的一小段柱长称为理论塔板高度H； (2)载气进人色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每

25、次进气为一个板体积； (3)试样开始时都加在第0号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩散(纵向扩散)可略而不计； (4)分配系数在各塔板上是常数。,塔板理论把气液色谱柱当作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念描述溶质在两相间的分配行为，并引入理论塔板数（the number of theoretical plates）N和理论塔板高度（theoretical plate height）H作为衡量柱效的指标。根据塔板理论，溶质进入柱入口后，即在两相间进行分配。对于正常的色谱柱，溶质在两相间达到分配平衡的次数在数千次以上(约为103106)，最后，挥发度最大（保留最弱）的溶质最先从塔顶（色谱柱出口）逸出（

26、流出），从而使不同挥发度（保留值）的溶质实现相互分离。,理论塔板数N可以从色谱图中溶质色谱峰的有关参数计算，常用的计算公式有以下两式：,式中：b1/2为半峰宽；w为峰底宽（经过色谱峰的拐点所作三角形的底边宽）。 理论塔高度H与理论塔板数N和柱长的关系如下：,塔板理论的优缺点,塔板理论可解释： 流出曲线的形状(呈正态分布) 浓度极大点的位置 计算评价柱效能 不当的基本假设： 纵向扩散是不能忽略的， 分配系数与浓度无关只在有限的浓度范围内成立， 色谱体系几乎没有真正的平衡状态。 不能解释： 塔板高度是受哪些因素影响 在不同流速下可以测得不同的理论塔板数,流速对塔板数的影响,2. 速率理论 为了克服

27、塔板理论的缺陷，Van Deemter等在Martin等人工作的基础上，比较完整地解释了速率理论。后来，Giddings等又作了进一步的完善。速率理论充分考虑了溶质在两相间的扩散和传质过程，更接近溶质在两相间的实际分配过程。 当溶质谱带向柱出口迁移时，必然会发生谱带展宽。谱带的迁移速率的大小决定于流动相线速度和溶质在固定相中的保留值。同一溶质的不同分子在经过固定相时，它们的迁移速率是不同的，正是这种差异造成了谱带的展宽。谱带展宽的直接后果是影响分离效率和降低检测灵敏度，所以，抑制谱带展宽就成了高效分离追求的目标。 引起谱带展宽的主要因素有 涡流扩散（eddy diffusion）、 纵向扩散（

28、longitudinal diffusion） 两相中传质阻力（resistance to mass transfer)引起的扩散。,色谱柱中溶质谱带展宽的几种主要因素的图示。,（一）涡流扩散 （二）纵向扩散 （三）流动相传质阻力引起的扩散 （四）固定相中传质阻力引起的扩散 （五）Van Deemter速率方程式,(一) 涡流扩散当溶质随流动相流向色谱柱出口时，溶质和流动相受到填料颗粒的阻力，不断改变流动方向，致使同一溶质的不同分子在通过填料的过程中所走的路径不一样，所取路径最长和最短的溶质分子（离子）流出色谱柱的时间相差越大，则峰的展宽越严重。溶质分子在前进过程中形成的这种紊乱类似于“涡流”

29、的流动，所以称之为涡流扩散。下图表示涡流扩散引起的色谱峰展宽。,涡流扩散引起的峰展宽的大小由下式决定：,式中：l为填充不规则因子，它由填料颗粒直径dp、粒度范围和柱填充状况决定；L为柱长。由上式可知，采用颗粒细且粒径分布窄的球形填料，并仔细填充避免颗粒破碎，就可以减小涡流扩散引起的峰展宽。但是，颗粒过细又会使柱压升高。,(二) 纵向扩散纵向扩散是溶质分子在移动方向上向前和向后的扩散，即x轴方向的扩散。它是由浓度梯度所引起。样品从柱入口加入，样品带像一个塞子随流动相向前推进，由于存在浓度梯度，塞子必然会自发地向前和向后扩散，引起谱带展宽。纵向扩散引起的峰展宽的大小由下式决定：,式中：gm为弯曲因

30、子或阻碍因子，它反映固定相颗粒的几何形状对溶质分子扩散的阻碍情况，gm通常小于1；v为流动相线速度；Dm为溶质在流动相中的扩散系数,Dm与溶质性质、柱温、压力和流动相性质等许多因素有关。溶质分子在溶液中的扩散系数只有在气体中的约十万分之一，所以气相色谱中的纵向扩散要比液相色谱中大得多。,下图是纵向扩散引起峰展宽的示意图。随着样品带在固定相中的移动，因纵向扩散使样品带宽逐渐增加，相应地，得到的色谱峰就越来越宽而矮。,纵向扩散引起峰展宽的示意图,(三) 流动相传质阻力引起的扩散溶质分子要从流动相转移到固定相中，就要从流动相主体扩散到气-液、气-固、液-液或液-固界面，阻碍这一扩散过程的阻力称流动相

31、传质阻力，如图所示。,流动相传质阻力引起的谱带展宽程度由下式决定：,式中柱系数v由柱填料性质和柱填充过程所决定。,(四) 固定相中传质阻力引起的扩散如图所示，溶质分子到达两相界面后，将继续扩散到固定相内部达到分配平衡，然后又返回到两相界面。溶质在这一移动过程中的阻力称固定相传质阻力。,固定相传质阻力引起的谱带展宽由下式决定：,式中：f为固定相因子，与固定相性质有关；df为固定相厚度；Ds为溶质在固定相中的扩散系数；ke为容量因子。,(五) Van Deemter速率方程式色谱峰的总展宽 是各种因素引起的展宽的总和，即：,色谱柱的总理论塔板高度H可以表示如下：,如果色谱条件已经确定，只有流速是变

32、量时，表示H与v关系的上述van Deemter方程式可以简写如下：,式中第一项 A 与流速无关，表征涡流扩散引起的谱带展宽。 第二项 B/v 表示溶质分子纵向扩散引起的谱带展宽。流速越快，纵向扩散引起的谱带展宽越小。 第三项 Cv 为流动相和固定相中传质阻力引起的谱带展宽。,第四节、色谱分离条件及固定相的选择,一、柱效(柱效因子)、容量比(容量因子)、柱选择性(选择因子)对分离度的影响,容量比(容量因子),柱选择性(选择因子),理论塔板数,色谱分离基本方程式,1柱效 对分离度的影响(柱效因子) 分离度与 n 的平方根成正比。 增加柱长可改进分离度，但增加柱长使各组分的保留时间增长，延长了分析

33、时间并使峰产生扩展，因此在达到一定的分离度条件下应使用短一些的色谱柱。 除增加柱长外，增加n值的另一办法是减小柱的H值。,2分离度与容量比的关系(容量因子),k 值的最佳范围是1 k 10，在此范围内，既可得到大的R值，亦可使分析时间不至过长。使峰的扩展不会太严重而对检测发生影响。,3分离度与柱选择性的关系(选择因子) 是柱选择性的量度， 越大，柱选择性越好，分离效果越好。在实际工作中，可由一定的值和所要求的分离度，计算柱子所需的有效理论塔板数下表列出了一些计算结果。,在给定的值下。获得所需分离度对柱有效理论塔板数的要求,当 1时，分离程度可达98；当 1.5时，分离程度可达997,二、分离操

34、作条件的选择,1载气及其流速的选择 2柱温的选择 3固定液的性质和用量 4担体的性质和粒度 5进样时间和进样 6气化温度,1载气及其流速的选择,塔板高度与载气线速的关系,为了缩短分析时间，往往使流速稍高于最佳流速。 当流速较小时，分子扩散项(B项)就成为色谱峰扩张的主要因素，此时应采用相对分子质量较大的载气(N2，m)，使组分在载气中有较小的扩散系数。 而当流速较大时，传质项(C项)为控制因素，宜采用相对分子质量较小的载气(H2，He)，此时组分在载气中有较大的扩散系数，可减小气相传质阻力，提高柱效。 选择载气时还应考虑对不同检测器的适应性。 对于填充柱，N2的最佳实用线速为1012 cms-

35、1；H2为1520 cms-1 。,2柱温的选择 直接影响分离效能和分析速度。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。 提高柱温使各组分的挥发靠拢，不利于分离，所以，从分离的角度考虑，宜采用较低的柱温。 柱温太低，被测组分在两相中的扩散速率大为减小，分配不能迅速达到平衡，峰形变宽，柱效下降，并延长了分析时间。 选择的原则是：在使最难分离的组分能尽可能好的分离的前提下，尽可能采取较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。,高沸点混合物(300400)，在低于其沸点100200分析。为了改善液相传质速率，可用低固定液含量(质量分数13)的色谱柱，使液膜薄一些，应采用高灵敏度检测器

36、。 沸点不太高的混合物(200300)，柱温比其平均沸点低100，固定液质量分数510。 沸点在100200的混合物，柱温可选在其平均沸点23左右，固定液质量分数1015。 对于气体、气态烃等低沸点混合物，柱温选在其沸点或沸点以上，以便能在室温或50以下分析。固定液质量分数一般在1525。 对于沸点范围较宽的试样，宜采用程序升温(programmed temperature),宽沸程试样在恒定柱温及程序升温时的分离结果比较 1丙烷(一42)2丁烷(一0.5)3戊烷(36)4己烷(68)5庚烷(98)6辛烷(126)7溴仿 (150.5)8问氯甲苯(161.6) 9间溴甲苯(183),3固定液的

37、性质和用量 固定液的性质对分离是起决定作用的。 一般来说，担体的表面积越大，固定液用量可以越高，允许的进样量也就越多。 为了改善液相传质，应使液膜薄一些。目前填充色谱柱中盛行低固定液含量的色谱柱。固定液液膜薄，柱效能提高，并可缩短分析时间。 固定液用量太低，液膜越薄，允许的进样量也就越少。,4担体的性质和粒度 担体的表面结构和孔径分布决定了固定液在担体上的分布以及液相传质和纵向扩散的情况。 担体表面积大，表面和孔径分布均匀。 担体粒度 均匀、细小，这样有利于提高柱效。 但粒度过细，阻力过大，使柱压降增大，对操作不利。 对36 mm内径的色谱柱，使用6080目的担体较为合适。,5进样时间和进样量

38、 进样速度快 进样时间过长，试样原始宽度变大，半峰宽必将变宽，甚至使峰变形。 进样量一般是比较少的。液体试样一般进样0.15L。气体试样0.110 mL， 进样量太多，会使几个峰叠在一起，分离不好。 进样量太少，又会使含量少的组分因检测器灵敏度不够而不出峰。 最大允许的进样量，应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系的范围内。,6气化温度 在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对分离及定量有利，尤其当进样量大时更是如此。 一般气化温度比柱温高3070。,三、固定相的选择,分离常温下的气体及气态烃类：固定液 利用不同检测器具有不同的选择性和灵敏度，可以对未知物大致分类定性。,二、气相色谱定量方

39、法 色谱定量分析的依据是被测物质的量与它在色谱图上的峰面积（或峰高）成正比。数据处理软件（工作站）可以给出包括峰高和峰面积在内的多种色谱数据。因为峰高比峰面积更容易受分析条件波动的影响，且峰高标准曲线的线性范围也较峰面积的窄，因此，通常情况是采用峰面积进行定量分析。,mi=fi Ai,色谱定量分析的依据：,mi ：分析组分i的质量； fi：定量校正因子； Ai：峰面积,定量分析中需要： I. 测量峰面积； II. 求出定量校正因子； III. 选用定量计算方法，将测得组分的峰面积换算为质量分数。,1峰高乘半蜂宽法（约为真实峰面积0.94倍） 适于对称峰。 不适于不对称峰、很窄或很小的峰，,2峰

40、高乘峰底宽度法（约为真实面积的0.98倍） 适于矮而宽的峰,3峰高乘平均峰宽法 适于不对称色谱蜂 平均峰宽是指在峰高0.15和0.85处峰宽的平均值：,I. 峰面积测量法,4蜂高乘保留值法 在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比，,5积分仪（数据处理机） 速度快 线性范围宽，精度一般可达0.22 对小蜂或不对称峰也能得出较准确的结果。 6色谱工作站 积分 对仪器进行实时控制， 自动数据采集和处理， 监控整个分析过程， 给出定量、定性分析结果。,II. 定量校正因子,绝对校正因子 ：单位峰面积所对应的被测物质的浓度（或质量），即 样品组分的峰面积与相同条件下该组分标准物质的校正因子相乘

41、，即可得到被测组分的浓度。绝对校正因子受实验条件的影响，定量分析时必须与实际样品在相同条件下测定标准物质的校正因子。相对校正因子f :某物质i与一选择的标准物质S的绝对校正因子之比。即 相对校正因子只与检测器类型有关，而与色谱条件无关。,校正因子可分为： 1质量校正因子 2摩尔校正因子 3体积校正因子,4相对响应值s 相对响应值是物质i与标准物质s的响应值(灵敏度)之比。单位相同时，它与校正因子互为倒数， 即：,s和f 只与试样，标准物质以及检测器类型有关， 与操作条件和柱温、载气流速、固定液性质等无关。,1. 归一化法 2. 内标法 3. 内标标准曲线法 4. 外标法 5. 标准加入法,II

42、I. 定量计算方法,1. 归一化法 归一化法是将所有组分的峰面积Ai 分别乘以它们的相对校正因子后求和，即所谓归一，被测组分X的含量可以用下式求得：,采用归一化法进行定量分析的前提条件是样品中所有成分都要能从色谱柱上洗脱下来，并能被检测器检测。归一法主要在气相色谱中应用。,2. 内标法 内标法是将已知浓度的标准物质（内标物）加入到未知样品中去，然后比较内标物和被测组分的峰面积，从而确定被测组分的浓度。由于内标物和被测组分处在同一基体中，因此可以消除基体带来的干扰。而且当仪器参数和洗脱条件发生非人为的变化时，内标物和样品组分都会受到同样影响，这样消除了系统误差。当对样品的情况不了解、样品的基体很

43、复杂或不需要测定样品中所有组分时，采用这种方法比较合适。,内标物应满足的要求： 试样中不存在的纯物质，具有较高的纯度； 在所给定的色谱条件下具有一定的化学稳定性； 在接近所测定物质的保留时间内洗脱下来； 与两个相邻峰达到基线分离； 物质特有的校正因子应为已知的或者可测定； 与待测组分有相近的浓度和类似的保留行为； 内标物与欲测组分的物理及物理化学性质(如挥发度，化学结构，极性以及溶解度等)相近等等。,3. 内标标准曲线法（简化的内标法） 减少称样和计算数据的麻烦，适于工厂控制分析的需要 1.制作标准曲线 2.分析时，取和制作标准曲线时所用量同样的试样和内标物，测出其峰面积比，从标准曲线上查出被

44、测物的含量。 此法不必测出校正因子，消除了某些操作条件的影响，也不需严格定量进样，适合于液体试样的常规分析。,称量同样量的试样，加入恒定量的内标物,4. 外标法 直接比较法(单点校正法)： 将未知样品中某一物质的峰面积与该物质的标准品的峰面积直接比较进行定量。通常要求标准品的浓度与被测组分浓度接近，以减小定量误差。 标准曲线法： 将被测组分的标准物质配制成不同浓度的标准溶液，经色谱分析后制作一条标准曲线，即物质浓度与其峰面积（或峰高）的关系曲线。根据样品中待测组分的色谱峰面积（或峰高），从标准曲线上查得相应的浓度。标准曲线的斜率与物质的性质和检测器的特性相关，相当于待测组分的校正因子。 优点是

45、操作简单，计算方便；但结果的准确度主要取决于进样量的重现性和操作条件的稳定性。,5. 标准加入法标准加入法可以看作是内标法和外标法的结合。具体操作是取等量样品若干份，加入不同浓度的待测组分的标准溶液进行色谱分析，以加入的标准溶液的浓度为横坐标，峰面积为纵坐标绘制如图所示的工作曲线。样品中待测组分的浓度 即为工作曲线在横坐标延长线上的交点到坐标原点的距离。由于待测组分以及加入的标准溶液处在相同的样品基体中，因此，这种方法可以消除基体干扰。但是，由于对每一个样品都要配制三个以上的、含样品溶液和标准溶液的混合溶液，因此，这种方法不适于大批样品的分析。,一、填充柱气相色谱 二、毛细管气相色谱 三、裂解

46、气相色谱 四、顶空气相色谱 五、程序升温气相色谱 六、气相色谱的应用,第六节 几种气相色谱法以及气相色谱的应用,一、填充柱气相色谱 填充柱气相色谱的柱管通常为长的不锈钢管，为节省柱温箱空间而将柱管弯成环状。在管内壁涂渍液体物质（气-液色谱）或在管内填充固体吸附剂（气-固色谱）。,1. 气-液色谱原理： 各溶质在气相（流动相）和液相（固定相）间分配系数不同达到分离。固定相： 涂渍在惰性多孔固体基质（载体或担体）上的液体物质，常称固定液。使用过的气-液色谱固定液上千种，常用的固定液有聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇、含5或20苯基的聚甲基硅氧烷、含氰基和苯基的聚甲基硅氧烷、50三氟丙基聚硅氧烷，另外，用于

47、分离手性异构体的手性固定相则主要有手性氨基酸的衍生物、手性金属配合物和环糊精衍生物。常用的基质： 无机载体（如硅藻土、玻璃粉末或微球、金属粉末或微球、金属化合物）和有机载体（如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚乙烯丙烯酸酯）。,2. 气-固色谱气-固色谱的固定相是固体吸附剂，分离是基于样品分子在固定相表面的吸附能力的差异而实现的。常用的固体吸附剂有碳质吸附剂（活性炭、石墨化碳黑、碳分子筛）、氧化铝、硅胶、无机分子筛和高分子小球。气-固色谱不如气-液色谱应用广泛，主要用于永久气体和低沸点烃类的分析，在石油化工领域应用很普遍。,二、毛细管气相色谱 1. 毛细管柱分类 2. 毛细管色谱柱的特点 3. 毛细管柱与

48、填充柱的比较 4. 毛细管柱气相色谱分析体系,毛细管柱可由不锈钢、玻璃、熔融石英制作 常用的毛细管柱是用熔融二氧化硅拉制的空心管，也叫弹性石英毛细管。柱内径通常为0.1-0.5mm，柱长30-50m，绕成直径20cm左右的环状。用这样的毛细管作分离柱的气相色谱称为毛细管气相色谱或开管柱气相色谱，其分离效率比填充柱要高得多。,1. 毛细管柱分类,毛细管柱按其固定液的涂渍方法可分为如下几种。 (1)壁涂开管柱(wall coated open tubular，WCOT) (2)多孔层开管柱(porous layer open tubular，PLOT) (3)载体涂渍开管柱(support coa

49、ted open tubular，SCOT) (4)化学键合相毛细管柱 将固定相用化学键合的方法键合到硅胶涂敷的柱表面或径表面处理的毛细管内壁上。经过化学键合，大大提高了柱的热稳定性。 (5)交联毛细管柱 由交联引发剂将固定相交联到毛细管管壁上。这类柱子具有耐高温、抗溶剂抽提、液膜稳定、柱效高、柱寿命长等特点，因此得到迅速发展。 毛细管柱按其内径可分为如下几种： 小内径毛细管柱：内径小于0.1mm的毛细管柱，主要用于快速分析。 大内径毛细管柱：内径在0.3-0.5mm的毛细管，往往在其内壁涂渍5-8m的厚液膜。,(1)渗透性好。可使用长色谱柱 毛细管色谱柱的比渗透率约为填充柱的100倍，这样就

50、有可能在同样的柱压降下，使用100 m以上的柱子，而载气线速仍可保持不变 (2) 相比大，有利于实现快速分析 固定液液膜厚度小，有利于提高柱效。 (3) 柱容量小，允许进样量少 需要采用分流进样技术 (4) 总柱效高。分离复杂混合物的能力大为提高,2. 毛细管色谱柱的特点,3. 毛细管柱与填充柱的比较,4. 毛细管柱气相色谱分析体系现在的气相色谱仪大都既可做填充柱气相色谱，又可做毛细管柱气相色谱。但在仪器设计上考虑了毛细管气相色谱的特殊要求。,(1) 进样系统毛细管气相色谱的发展主要取决于毛细管柱的制作和进样系统。现在多采用分流进样技术。一般气相色谱的气化室体积为0.5-2mL，而毛细管色谱分

51、离的载气流量只有0.5-2mL/min，载气将样品全部冲洗到色谱柱中需要0.25-4min，这样会导致严重的峰展宽，影响分离效果。而且毛细管柱的柱容量低，通常只能进样几个nL的样品，用微量注射器无法准确进样，分流进样器就是为毛细管气相色谱进样而专门设计的。,(2) 色谱柱连接为了减小色谱系统的死体积，毛细管柱和进样器的连接应将色谱柱伸直，插入分流器的分流点。色谱柱出口直接插入检测器内。 (3) 尾吹由于毛细管柱载气流速低，进入检测器后发生突然减速，会引起色谱峰展宽，为此，在色谱柱出口加一个辅助尾吹气，以加速样品通过检测器。当检测池体积较大时，尾吹更是必要的。 (4) 检测器各种气相色谱检测器都

52、可使用，不过最常用的为灵敏度高、响应速度和死体积小的氢火焰离子化检测器。也可和各种微型化的气相色谱检测器匹配。,三、裂解气相色谱,裂解气相色谱是一种反应气相色谱，是在严格控制的操作条件下，使天然或合成高分子化合物进行高温热裂解，生成的低分子热裂解产物用气相色谱分离分析。因为裂解碎片的组成和相对含量与被测高分子的结构密切相关，所以，每种高分子的裂解色谱图都各有其特征，称热裂解指纹色谱图。,1. 裂解器为了获得重现性好的裂解色谱图，关键是要有一个设计合理，具有死体积小、热容量高和升温速度快的裂解器，它是裂解气相色谱的关键部件。 管式炉裂解器 热丝裂解器 居里点裂解器,管式炉裂解器： 通常由一个外壁

53、加热的石英管制成，采用电热丝加热，裂解温度在300-1000，恒温精度高。当炉温达到设定温度，将样品置于铂金小舟内，用推杆将铂金舟送入裂解炉，样品不与管壁接触。该裂解器的优点是结构简单、能定量进样、操作方便、裂解温度连续可调，但其缺点是升温速率不可调、死体积大和容易产生二次反应。,热丝裂解器： 将直径0.2-0.5mm，长50mm左右的铂丝或镍铬丝绕成螺旋状，样品涂在金属热丝上，热丝用稳定电压加热到所需温度，通电约10秒钟，就可使样品瞬间裂解，裂解产物被载气带入色谱柱。该裂解器结构简单、加热时间短、二次反应少。但缺点是不易定量进样，所以一般只用于定性分析。,居里点裂解器： 是一种高频感应加热裂

54、解器，用铁磁性材料作加热元件,将它置于高频电场中，它会吸收射频能量而迅速升温，达到居里点温度时，铁磁质变为顺磁质，则不再吸收射频能量，温度将稳定在居里点温度。当切断高频电源后温度下降，铁磁性又恢复。将样品附着在加热元件上，样品就可在居里点温度裂解。不同的铁磁质的居里点温度不同，通过调节铁磁质合金的组成就可获得所需温度的加热元件。,2. 合成高分子化合物的定性与定量分析定性分析： 比较被测高分子和标准品的热裂解指纹色谱图。定量分析： 依据一定裂解条件下共聚物组成同裂解单体呈线性关系，用已知组成的标样作工作曲线，定量测定同类共聚物的组成。,3. 微生物的分类鉴定首先要对微生物的培养基、样品采集、处理、制备等进行大量研究，获得多种微生物的标准热裂解指纹色谱图。微生物的裂解谱图，对于所有菌种有许多共同特征峰，但相对峰高和峰面积具有明显区别。同一份样品的重复分析，同一微生物的复制样品，只要采用类似的裂解条件，在一段时间内能得到重现性较好的裂解色谱图。根据标准裂解谱图就可以对微生物进行鉴定。,四、顶空气相色谱（gas chromatography headspase analysis） 是一种间接分析液体或固体中挥发性成分的气相色谱法，也可以看作是一种气相色谱的进样方式