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1、第2章气相色谱法1第1页，共46页，编辑于2022年，星期一本章内容概述气相色谱分析的理论基础色谱分离条件的选择固定相及其选择气相色谱检测器气相色谱定性方法气相色谱定量方法气相色谱分析的特点及其应用范围2第2页，共46页，编辑于2022年，星期一一概述n色谱分析是一种物质分离技术n特点n高分离效能n高检测性能n快的分析速度n分离原理n使混合物中各组分在两相(固定相和流动相)间进行分配。当流动相中所含的混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相发生作用的大小、强弱也有差异；因此，在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序
2、从固定相中流出3第3页，共46页，编辑于2022年，星期一n色谱方法分类4第4页，共46页，编辑于2022年，星期一n气相色谱仪的组成与分析流程n载气系统n气源n气体净化n气体流速控制与测量n进样系统n进样器n气化室n色谱柱n固定相n流动相n检测器n热导池检测器TCDn氢火焰离子化检测器FIDn记录系统n放大器n记录仪n数据处理系统5第5页，共46页，编辑于2022年，星期一6第6页，共46页，编辑于2022年，星期一岛津GC气相色谱仪家族GC-14BGC-8AGC-14CGC-17AGC-20107第7页，共46页，编辑于2022年，星期一n色谱流出曲线及有关术语n流出曲线(即色谱图)n以色
3、谱电信号(与组份浓度呈正相关关系)为纵坐标、流出时间为横坐标所得的组份及浓度随时间变化的曲线n色谱流出曲线的作用n1、根据色谱峰位置可进行定性分析n2、根据色谱峰面积可进行定量分析n3、根据色谱峰位置与宽度可对色谱柱分离效果进行评价8第8页，共46页，编辑于2022年，星期一n色谱常用术语n基线n只有载气通过检测器时响应信号的记录线n基线漂移：基线随时间定向缓慢变化n基线噪声：由各种因素引起的基线不规则起伏n保留值n试样中各组份在色谱柱中滞留时间的数值。它取决于组分在两相间的分配平衡，为一热力学量n以时间表示：n保留时间tR：指待测组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需时间n死时间tM：指不与固
4、定相作用的气体（如空气、甲烷）的保留时间n调整保留时间tR：指扣除了死时间的保留时间(组份多滞留的时间)：tR=tR-tM；固定相一定，在确定的实验条件下，任何物质都有一定的保留时间，它是色谱定性的基本参数9第9页，共46页，编辑于2022年，星期一n以流出气体体积表示n保留体积VR：指将组分带出色谱柱所需载气的体积。它与保留时间的关系为：VR=tRF0.式中F0为色谱柱出口处载气流速，以mL/Min计n死体积VM：指色谱柱内除了填充物固定相以外的空隙体积、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。它和死体积间的关系为：VM=tMF0n调整保留体积VR：指扣除死体积后的保留体积：VR
5、=VRVM，或VR=tRF0n相对保留值r21n指组分2与另一组分1的调整保留值之比。相对保留值只与柱温及固定相性质有关，与其它色谱操作条件无关，它表示了色谱柱对这两种组分的选择性：r21相差越大，分离越好。r211，不能分离n区域宽度n标准偏差n0.607倍峰高处峰宽度的一半n半峰宽Y1/2n峰高一半处的峰宽n峰底宽Yn峰与基线转折处的切线在基线上的截距10第10页，共46页，编辑于2022年，星期一二气相色谱分析的理论基础n一、气相色谱分析的基本原理n气相色谱种类：n按固定相类型可分为气固色谱与气液色谱n气固色谱n固定相是多孔性的具有较大表面积的固体吸附剂，其分离原理是基于固体吸附剂对试样
6、中各组份的吸附能力的不同n气固色谱的色谱柱为填充柱，柱内填装固定相n气液色谱n固定相是由担体（用来支持固定液的多孔性固体物质）表面涂固定液（高沸点有机物）所组成。气液色谱的分离主要试剂与固定液对试样中各组份的溶解度的不同。n气液色谱的色谱柱为毛细管柱或填充柱，前者在毛细管内壁涂敷固定液，后者在柱内涂敷固定液11第11页，共46页，编辑于2022年，星期一n色谱分离原理n试样气体由载气携带进入色谱柱与固定相接触时很快被固定相溶解或吸附。随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组份有从固定相中挥发或脱附下来，挥发会脱附下来的组份随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附。随着载气的流动，溶解（吸附）与挥
7、发（或脱附）反复交替进行n显然，由于试样中各种组分的性质的差异，固定相对它们的溶解或吸附能力也将不同，易被溶解或吸附的组份，其挥发或脱附也将较为困难，随载气移动的速度必定比不易溶解或吸附的组份慢，在色谱柱内停留的时间长；反之，不易溶解或吸附的组份随载气移动的速度较快，在色谱柱内停留的时间短。所以，经过一段时间间隔后，性质不同的组分便被彼此分离开来12第12页，共46页，编辑于2022年，星期一n分配系数K、分配比k与滞留因子Rsn分配系数n组分在色谱柱内的固定相和流动相间发生的吸附、脱附或溶解、挥发的过程称为分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g/mL）的比值，称为
8、分配系数，用K表示。为一热力学量n分配比k(容量因子、容量比)和相比n分配比k：n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。为一热力学量n分配比越大，保留时间越长；分配比为零，保留时间为死时间n相比：n流动相与固定相体积比，它反映各种色谱柱柱型及其结构的主要特性n填充柱：635n毛细管柱：501500n滞留因子Rsn组分与载气在色谱柱内的流速之比13第13页，共46页，编辑于2022年，星期一n在一定温度下，各物质在两相间的分配系数不相同n分配系数小的组分，分配在气相中的浓度较大，随载气移动快，在色谱柱内停留的时间短n分配系数大的组分，分配在气相中的浓度较小，随载气移动
9、慢，在色谱柱内停留的时间长n因此经过足够多次的分配后，组分便得以彼此分离n为使试样中的各组份的一分离，必须使各组份在流动相和固定相间具有不同的分配系数n在一定温度下，分配系数只与固定相和组份的性质有关。当试样一定时，组分的分配系数主要取决于固定相的性质n若各组分在固定相和流动相间的分配系数相同，则它们在柱内的保留时间相同，色谱峰将重叠；反之，各组分的分配系数差别愈大，各组份分离的可能性也愈大14第14页，共46页，编辑于2022年，星期一n色谱分离的基本理论n色谱分离包含两个内容n组分在柱内的分配情况n与组分的分配系数、各种物质的分子结构和性质有关；为热力学因素n组分在柱内的运动情况n与各种组
10、分在流动相和固定相间的传质阻力有关；为动力学因素n塔板理论-柱效能指标：n把色谱分离过程比拟作蒸馏工程，直接引用处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱分离过程，即把连续的色谱过程看作许多小段平衡过程的重复若色谱柱长为L，塔板间距离（亦称理论塔板高度）为H，色谱柱的理论塔板数为n，则n由塔板理论推导出的理论塔板数n的计算公式如下：n显然，在一定长度的色谱柱内，塔板高度H越小，塔板数n越大，组分被分配的次数越多，则柱效能越高15第15页，共46页，编辑于2022年，星期一n但由于死时间tM（或VM）包含在tR(VR)中，而tM并不参加柱内的分配，所以理论塔板数、理论塔板高度并不能真实反映色谱柱分
11、离的好坏。为了真实地反映柱效能的高低，应该用有效塔板数或有效塔板高度作衡量柱效能的指标n（1）色谱柱的有效塔板数越多，表示组分在色谱柱内达到平衡的次数越多，柱效越高，所得的色谱峰越窄，对分离有利;n（2）如果两组分在同一色谱柱上的分配系数相同，那么无论该色谱柱为它们提供的有效塔板数有多大，此两组分仍无法分离;n（3）由于不同物质在同一色谱柱上分配系数不同，所以同一色谱柱对不同物质的柱效能也不同，因此在用塔板数或塔板高度表示柱效能时，必须说明是对什么物质而言。16第16页，共46页，编辑于2022年，星期一n速率理论影响柱效能的因素n1956年，荷兰学者范弟姆特等人，在总结前人研究成果的基础上，
12、提出了速率理论，并归纳出一个联系各影响因素的经验方程式，即速率理论方程式：nA为涡流扩散项:分子所经过的路径，有的长、有的短，因而引起色谱峰形的扩展。，取决于填充物的平均颗粒直径和固定相的填充不均匀因子pdA2l=17第17页，共46页，编辑于2022年，星期一nB/u分子扩散项：“塞子”前后存在着浓度差nnn摩尔质量大的载气可使B值变小，有利于分离n载气流速愈小，保留时间愈长，分子扩散项的影响也愈大，从而成为色谱峰扩散的主要因素弯曲因子气相分子扩散系数18第18页，共46页，编辑于2022年，星期一nCu项即传质阻力项n气相传质阻力Cg：试样从气相移动到固定相表面所遇到的阻力。对填充柱n液相
13、传质阻力CL：试样从气液界面移动到液相内部，然后又返回到气液界面的过程中所遇到的阻力n范弟姆特等方程式气相分子扩散系数填充物粒径液膜厚度液相分子扩散系数19第19页，共46页，编辑于2022年，星期一三色谱分离条件的选择n分离度n色谱柱效能：n两峰距离：表示色谱柱的选择性n峰的宽度：表示色谱柱效能n分离度n既能反映柱效率又能反映选择性的指标，它定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值：nR之越大，表明相邻两组分分离越好：nR1：两峰有部分重叠；nR1：分离程度可达98；nR=1.5：分离程度可达99.7。n通常以R=1.5作为相邻两组分已完全分离的标志。n对分离较差，峰
14、底宽度难于测量，则用下式表示分离度20第20页，共46页，编辑于2022年，星期一n色谱分离基本方程式n分离度与柱效的关系n分离度与塔板数的平方根成正比，故增加柱长可改进分离度；但增加柱长会延长分析时间，使色谱峰变宽；一般在达到分离时应尽可能使用较短的色谱柱n分离度与容量比的关系nk值的增加会对分离有利。但当k大于10时，对R的改进不明显。一般控制1k10，则即可得到大的R值，也可使分离时间不致过长，色谱峰不至于太宽n改变k的方法是：n改变柱温：影响分配系数n改变相比：即改变固定相的量及柱的死体积(采用细颗粒的固定相，填充紧密且均匀)n分离度与柱选择性的关系n是色谱柱选择性的量度，越大，色谱柱
15、选择性越好，分离效果越好n通过改变固定相，使各组分的分配系数有较大的差别色谱分离基本方程式塔板数与有效塔板数关系用有效塔板数色谱分离基本方程式体系的热力学性质21第21页，共46页，编辑于2022年，星期一n分离操作条件的选择n载气及其流速的选择nHu曲线nn载气选择在曲线的最低处H最小，柱效能最高，为最佳流速，但分析速度较慢，在实际工作中，往往使流速稍高于最佳流速n当载气流速小时，分子扩散项的影响是主要的，应选用摩尔质量大的气体（如N2、Ar）；当载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，应选用摩尔质量较小的气体（如H2、He），可减小传质阻力，提高柱效n载气的选择还应考虑检测器的种类，这将在后
16、面讨论。n载气流速n对于内径为34mm的色谱柱，N2的流量一般为2030mL/min，H2的流量一般为4090mL/min，具体选择应通过试验决定22第22页，共46页，编辑于2022年，星期一n柱温的选择n提高柱温会使分配系数差别变小，不利于分离；但柱温太低会降低组分的扩散速率，使色谱峰变宽，降低柱效，延长分析时间。选择柱温同时还必须考虑固定液的使用温度n柱温的选择n对高沸点(300400)混合物：柱温低于平均沸点100200，并采用低固定相色谱柱(510%)、高灵敏度检测器n对中沸点(200300)混合物：柱温低于平均沸点100，含1015固定相的色谱柱n对气体混合物：柱温在平均沸点以上，
17、含1525固定相的色谱柱n对沸程较宽的试样，可采用程序升温(线形或非线形)23第23页，共46页，编辑于2022年，星期一n固定液性质和用量n固定液量越大，所容许的进样量越多，但色谱柱效能越低，分析时间越长n一般：固定液：担体在5：10025：100n担体的性质和粒度n担体表面积越大、表面和孔径分布均匀，固定液涂覆均匀，液相传质越快，柱效较高n担体粒度太细，阻力增加，对操作不利n一般对36mm内径色谱柱，使用6080目的担体n进样时间和进样量n一般在1秒内完成，越快越好；进样时间长，会导致色谱峰变宽n进样量适当；进样太多，分离不好；太少，不能检出。最大容许进样量应使峰面积或峰高与进样量成线形关
18、系的范围内n液体试样：0.15Ln气体试样：0.110mLn气化温度n气化温度高对分离有利n比柱温高307024第24页，共46页，编辑于2022年，星期一四固定相及其选择n气固色谱固定相n具有一定活性的固体吸附剂n特点n品种有限n性能与制备和活化条件密切相关n易形成拖尾峰n品种n非极性活性炭n极性Al2O3n氢键型硅胶n分子筛n高分子多孔微球n石磨化碳黑n碳多孔小球等等25第25页，共46页，编辑于2022年，星期一n气液色谱固定相n担体n组成：为一种化学惰性、多孔性固态颗粒n作用：提供大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布n要求：n表面为化学惰性，无吸附性或吸附性较弱，更不能
19、与被测物质起化学反应n多孔性n热稳定性和机械性能n粒度均匀、细小以提高柱效，常用的有6080目、80100目n分类n硅藻土型：红色担体、白色担体n非硅藻土型：氟担体、玻璃微球、高分子多孔微球n预处理n酸洗、碱洗：除去铁等金属氧化物杂质及表面的氧化铝等酸性作用点n硅烷化n担体的选择原则n当固定液质量分数大于5时，可选用硅藻土型(白色或红色)担体n当固定液质量分数小于5时，应选用处理过的担体n对于高沸点组分，可选用玻璃微球担体n对于强腐蚀性组分，可选用氟担体26第26页，共46页，编辑于2022年，星期一n固定液n要求n挥发性小n热稳定性好n对试样中各组分有适当的溶解能力n有高的选择性n化学稳定性
20、好n组成n高沸点有机化合物n固定液的极性及其选择方法n相对极性n以，氧二丙晴为100，角鲨烷为0，分为+1、+2、+3、+4、+5共五级。n麦氏常数n依分子间作用力定向力、诱导力、色散力、氢键力，选用五种化合物苯(电子给予体)、乙醇(质子给予体)、甲乙酮(偶极定向力)、硝基甲烷(电子接受体)、吡啶(质子接受体)为探测物、以角鲨烷(非极性)基准物来表征物质的分离特性nI称为总极性，平均值称为平均极性n总极性越大，极性越强27第27页，共46页，编辑于2022年，星期一n固定液的选择n固定液的用量n能均匀覆盖担体表面形成薄的液膜为宜；n一般在525之间；n低的固定液配比，柱效能高、分析速度快，但容
21、许的进样量低被分离对象的极性非极性组分极性组分非极性+极性混合物能形成氢键的组分复杂难分离组分固定液的极性非极性固定液极性固定液极性固定液极性或氢键型固定液特殊固定液或几种固定液混合物组分流出顺序沸点小大极性小大非极性低极性高极性组分与固定液形成氢键能力的大小28第28页，共46页，编辑于2022年，星期一五气相色谱检测器n作用n气相色谱检测器的作用是将色谱柱分离后的各组分，按其物理、化学特性转换为易测量的电信号E。n分类n质量型n检测器的响应值与单位时间内进入检测器的组分质量成正比n氢火焰离子化检测器、火焰光度检测器n浓度型n测量的是载气中某组分浓度随时间的变化关系n热导池检测器、电子俘获检
22、测器n检测器性能指标：n灵敏度：输入单位被测组分时所引起的输出信号n检测限：检测器能确证反应物质存在的最低试样含量n线性范围：信号与被测组分浓度成线性关系的范围n其它：噪音低、死体积小、相应快、对所有物质均有相应29第29页，共46页，编辑于2022年，星期一n热导池检测器（TCD）n特点：n结构简单；n灵敏度适中；n稳定性好；n线性范围宽；n对可挥发的无机物和有机物 均有响应。n结构：n单臂与双臂n池体n参比臂n测量臂n热敏元件(钨丝、铂丝或铼斯)30第30页，共46页，编辑于2022年，星期一n热导池检测器的检测原理n热导池作为检测器是基于不同的气体或蒸汽具有不同的热导系数n说明n热导池检
23、测器操作条件的选择n桥路电流：。太大与太小的问题。一般为100200mA。(N2为载气100150、H2为150200)n池体温度：增加池体与钨丝的温度差可提高灵敏度。适当低可提高灵敏度，但低于柱温会造成组分冷凝n载气：载气与试样的热导系数差相差越大，灵敏度越高。故应选与试样热导系数差别大的载气，如H2、Hen热敏元件电阻值：选阻值高、电阻温度系数大的热敏元件31第31页，共46页，编辑于2022年，星期一n氢火焰离子化检测器（FID）n特点n结构简单；n灵敏度高：10-12g/s；n响应快；线性范围宽；n稳定性好。n氢焰检测器的结构n离子室n离子头n发射极(极化极)n收集极n喷嘴n气体供应n
24、载气用N2、燃气用H232第32页，共46页，编辑于2022年，星期一n氢焰检测器的检测原理n微量有机组份在氢火焰（2100度）能源的作用下离子化，并在发射极和收集极的外电场作用下定向运动而形成微弱的电流（10-610-10A）。n估计每50万个碳原子仅产生一对离子。质量型检测器。n离子化产生的离子数目，以及由此形成的微弱电流的大小，在一定范围内与单位时间进入火焰组份的质量成正比(质量型检测器)。n适于对有机物的分析，不适宜于对在火焰中不电离的物质的分析。33第33页，共46页，编辑于2022年，星期一n氢焰检测器操作条件的选择n载气流量n用N2为载气，流速通过试验选择n氢气流量n太高热噪音大
25、、太低离子数目少。N2:H2一般在1:11:1.5之间n空气流速n提供O2助燃n太低灵敏度小，H2:空气一般在1:10n极化电压n低时，极化电压越大响应值越大；一般选在100300Vn使用温度n影响不大，一般为8020034第34页，共46页，编辑于2022年，星期一色谱检测器氢火焰离子化检测器FID陶瓷检测器，降低峰形脱尾，对极性和高沸点样品提供更准确的结果热导池检测器TCD，灵敏度和稳定性高，线性范围宽PFPF脉冲式火焰光度检测器，特别适用于定量分析TSD，一种最稳定的电热陶瓷检测器，使用寿命长，用于含氮、磷化合物的检测电子俘获检测器ECD，灵敏度和稳定性特高，线性范围更宽35第35页，共
26、46页，编辑于2022年，星期一六气相色谱定性方法n色谱定性分析的目的是确定每个色谱峰所代表的组份。与其它仪器分析方法相比，色谱法的定性分析能力较弱。但联用技术的出现使色谱在定性分析方面十分有效。具体方法如下n利用纯物质对照的定性鉴定n通过比较保留值进行定性分析n通过在在同一色谱柱上、在同一条件下测定标准纯物质和样品，如果它们的色谱峰的保留值数据相同，则基本上可确定它们为同一物质（不一定）n利用加入纯物质以增加峰高的定性鉴定法n当相邻两组分的保留值接近，且操作条件不易控制时，可将纯物质加到试样中，如果某一组分的峰高增加，则表示该组分可能与加入的纯物质相同n为了避免这一现象，可再用另一根装填不同
27、极性固定相的色谱柱进样分析（双柱法）36第36页，共46页，编辑于2022年，星期一n利用文献保留数据的定性鉴定n利用相对保留值的定性鉴定nR21仅与柱温、固定相性质有关，与其它操作条件无关。各种组分在某种固定液中，对某种标准物质的相对保留值，可从文献上查到，将实验测得的相对保留数据与文献记载的相对保留数据对照，可以确定被测组份。在使用文献数据时，要注意使实验测定时使用的固定液及柱温和文献上所记载的保持一致n利用文献保留指数的定性鉴定n保留指数（又称Kovats指数），是一种重现性较其他保留数据都好的定性参数，以I表示。正构烷烃的保留指数人为地定位它的碳数乘以100，待测组分的保留指数则用适当
28、的正构烷烃的保留值来表示37第37页，共46页，编辑于2022年，星期一38第38页，共46页，编辑于2022年，星期一n与质谱、红外光谱联用的定性鉴定n质谱、红外光谱等仪器定性鉴定能力很强，但对于复杂混合物的定性鉴定有困难；而色谱仪分离能力强，能将复杂组分一一分开。通过色谱质谱（GC-MS）、色谱红外联用，可以解决复杂未知物定性问题39第39页，共46页，编辑于2022年，星期一七气相色谱定量方法n峰面积的测量 n峰高乘半峰宽法（对称峰）n峰高乘平均峰宽法(不对称峰）n峰高乘保留时间法(同系物)n剪纸称重法n自动积分仪和微机的应用40第40页，共46页，编辑于2022年，星期一n定量校正因子
29、n质量校正因子n摩尔校正因子n体积校正因子n校正因子的测量方法n准确称量被测组分和标准物质，选择合适的重量使两者的峰面积不要相差太大（要尽量使用色谱纯试剂或纯度大于99的纯样品）然后在实验条件下进样分析（注意进样量应在检测器的线性范围之内），测量各峰面积，然后按上述公式计算校正因子，如果几次测量数值接近，可取其平均值41第41页，共46页，编辑于2022年，星期一n绝对响应值n它的意义是组分i的单位含量所对应的峰面积n定量方法n归一化法n当样品中组分都能流出色谱柱，在检测器上都有信号，可用此法进行定量计算n（当f值相近或相同时）42第42页，共46页，编辑于2022年，星期一n内标法n选择一标
30、准物质(内标物质)，以固定的浓度加入标准溶液和样品溶液中(以抵消实验条件和进样量变化带来的误差)n要求：n内标物应是试样中不存在的物质n内标物的加入量接近于待测组分n内标物的色谱峰位于待测物附近或几个待测组分色谱峰之间n内标法的校准曲线n用Ai/AS对xi作图（其中AS为内标物的峰面积），i组分的质量分数为n内标标准曲线法43第43页，共46页，编辑于2022年，星期一n外标法n取纯物质配成一系列不同浓度的标准样，分别取一定体积，注入色谱仪，测出峰面积，作出峰面积浓度的关系曲线(标准曲线)。然后在体育操作条件下进入同样量的未知试样，从色谱图上测出峰面积，即可从标准曲线上得到待测组分浓度44第4
31、4页，共46页，编辑于2022年，星期一45第45页，共46页，编辑于2022年，星期一八气相色谱分析的特点及其应用范围n优点n分离效率高n具体表现在它能分离、分析很复杂的混合物（如石油馏分中的几十个、上百个组份），或性质极为相近的物质（如同系物、异构体等）；n灵敏度高n它能检出g(10-6)级甚至ng(10-9)级的物质量；n快速n一般在几分钟或几十分钟内可完成一个试样的分析；n应用范围广n分析对象可以是在柱温条件下能气化的有机或无机的试样。n不足之处与解决措施n没有待测物的纯品或相应的色谱定性数据作对照时，则无法从色谱峰得出定性结果n色谱质谱联用n色谱红外光谱联用n不适用于沸点高于450的难挥发物质和对热不稳定的物质的分析；n裂解气相色谱n将高聚物热降解为易挥发的小分子后再进行色谱分析；n反应气相色谱n将难挥发的试样转化为易挥发物后再进行气相色谱分析46第46页，共46页，编辑于2022年，星期一