气相色谱法课件(简单实用)

1、气相色谱分析法 学习指导 了解：1.色谱法及其分类； 2.色谱流出曲线及有关术语； 3.气相色谱仪的基本组成及各部件的作用； 理解：1.柱效能评价指标及分离度； 2.气相色谱固定相的分类及分离条件的选择 掌握：1.气相色谱法分离的基本原理； 2.气相色谱法定性和定量分析的方法。第一讲 气相色谱基本理论n色谱法基本知识n色谱流出曲线及相关术语n气相色谱法分离原理n气相色谱仪n塔板理论和速率理论一、色谱法的基本知识 1.色谱法的发展史：n1906年，Tswett研究植物叶子色素分离， 提出色谱法概念；n1931年, Kuhn和Lederer分离了60余种色素；n1941年，Martin和Synge

2、提出气体流动相；n1952年，James和Martin发表了气相色谱法；n1957年，Golay提出开管柱气相色谱仪；n60年代末，出现高效液相色谱法；n80年代初，出现毛细管超临界流体色谱法；n90年代末，毛细管电色谱；一、色谱法的基本知识 n2.色谱法的概念：色谱法是一种物理化学分离法。它是利用混合物中各组分在两相中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，组分在两相中进行反复多次的分配，从而实现各组分的完全分离。n3.固定相和流动相：在色谱柱内固定不动的一相称为固定相；携带被分离试样流过色谱柱的一相称为流动相。固定相可以是固体吸附剂或承担在载体上的固定液；流动相可以是气体或液体。n4.色谱

3、法的特点：色谱法具有分离效率高、分析速度快、灵敏度高、应用范围广的优点；同时色谱法的定性效果并不理想，是其一大缺陷。一、色谱法的基本知识 5.色谱法的分类：色谱法的分类有多种方式。 （1）按照两相状态不同分类，包括气相色谱法（气固色谱和气液色谱）和液相色谱法（液固色谱和液液色谱）； （2）按照固定相的作用方式不同进行分类，包括柱色谱（填充柱色谱和毛细管柱色谱）和平面色谱（纸色谱和薄层色谱）； （3）按照色谱分离原理不同分类，包括吸附色谱法、分配色谱法、离子交换色谱法、体积排阻色谱法等； （4）按照进样方式的不同进行分类，包括常规色谱、顶空色谱和裂解色谱等。二、色谱流出曲线及相关术语 1.色谱流

4、出曲线：指从色谱柱流出的组分通过检测器时所产生的响应信号，随时间或流动相流出体积变化的曲线图。 2.基线：没有组分进入检测器时，反映系统噪声随时间变化的线称为基线。即图中OO线。稳定的基线应该是一条水平的直线。但是在某些因素的影响下，基线不能保持水平的直线，而是起伏不定的锯齿状，称为基线噪声。或者基线随时间缓慢定向地变化，称为基线漂移。在这两种情况下进行测定，都会造成极大的误差。3.色谱峰高：色谱峰顶到基线的垂直距离。如图AB线所示。表示为“h”。对于一组正态分布的色谱峰，其峰高的大小在特定情况二、色谱流出曲线及相关术语 二、色谱流出曲线相关术语 n6.色谱流出曲线所提供的信息n（1）根据出峰

5、的个数，确定试样中所含组分数；（2）根据色谱峰的保留值进行定性分析；（3）根据色谱峰的峰面积或峰高进行定量分析；（4）根据区域宽度可以评价色谱柱分离性能(有局限性)。三、气相色谱分离原理 色谱分离的基本原理是利用载气携带待分离的试样进入色谱柱，使试样中各组分与柱内固定相之间发生相互作用。由于各组分在组成、结构、性质上的差异，使它们与固定相的作用能力并不相同，经过反复多次的作用后，这种作用能力上的差异就会产生很大的分离效果，各组分按先后次序从色谱柱内流出，从而完成色谱分离过程。三、气相色谱分离原理 1.气固色谱法的分离原理 气固色谱法中的固定相是一种具有表面活性的吸附剂，当样品随着载气流过色谱柱

6、时，由于吸附剂对各组分吸附能力的不同，经过反复多次吸附与解吸附（脱附）的分配过程最后达到彼此分离。吸附能力小的组分在固定相上的滞留时间短，较易脱附，先随着载气流出色谱柱，吸附能力大的组分后流出。在一段时间间隔后，使得性质不同的各组分达到彼此分离。三、气相色谱分离原理 2.气液色谱法的分离原理： 气液色谱法中的固定相是涂渍在载体上的不易挥发的高沸点有机化合物（固定液）。当载气把被分析的气体混合物带入色谱柱后，由于各组分在载气和固定液的气液两相中的分配系数不同，随着载气的流动，样品各组分从固定液中解析（挥发）的能力就不同。经过反复多次的溶解挥发过程，使得分配系数有微小差异的各组分，能产生很大的分离

7、效果。在固定液中溶解度小的组分，挥发越快，移动速度也越快，先流出色谱柱。反之溶解度大的组分则移动速度较慢，这样各组分将会先后流出色谱柱，达到分离的目的。三、气相色谱分离原理 3.分离度：指相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分峰底宽平均值之比。以“R”表示。即： 式中tR1和tR2为相邻两组分1和2的保留时间；Y1和Y2为此相邻两峰的峰底宽。 由上式可见，两相邻组分的保留时间相差越远，两峰相距就越远。一般当R=1时，分离程度可达98%，当R=1.5时，分离程度可达99.7%；而一般将R1.5，作为相邻两峰完全分离的指标。)(212112YYttRRR四、气相色谱仪 载气净化器流量计色谱柱柱箱汽化室

8、检测器记录器进样放空气相色谱仪流程图六部分组成：载气系统进样系统分离系统检测系统数据记录系统温度控制系统四、气相色谱仪 1.载气系统： 载气由压缩气体钢瓶供给，经减压阀、稳压阀控制压强和流速，由压强计指示气体压强，然后进入检测器热导池的参考臂，继而进入色谱柱。最后通过热导池、流量计而放入大气。 气相色谱对载气的基本要求：（1）纯净：通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的水分、氧等有害杂质。（2）稳定：采用稳压阀或双气路方式：（3）常用的载气：氮气、氢气、氦气、氩气。载气四、气相色谱仪 2.进样系统：包括进样装置和汽化室。 进样通常用微量注射器和进样阀将样品引入。液体样品引入后需要瞬间汽化。汽化

9、在汽化室进行。 汽化室的要求是：体积小、热容量大、对样品无催化作用。载气入口接色谱柱散热片加热块汽化室示意图微量注射器四、气相色谱仪 3.分离系统： 由色谱柱和柱箱组成。 毛细管柱：填充柱：色谱柱：均匀紧密填充，柱长15m，柱内径2 4mm，材料多为不锈钢或玻璃。涂壁空心柱，柱长25100m，柱内径0.1 0.5mm，柱效高。 柱箱： 恒温箱 色谱柱、汽化室、检测器需要温度控制 程序升温技术四、气相色谱仪 4.检测系统 作用：将色谱分离后的各组分的量转变成可测量的电信号。 要求：灵敏度高、线性范围宽、响应速度快、结构简单、通用性强。 器检测器、火焰光度检测质量型：氢火焰离子化电子捕获检测器浓度

10、型：热导检测器、检测器类型：四、气相色谱仪 4.检测系统（1）热导检测器（TCD）：基于各种物质有不同的导热系数设计的检测器。 热导检测器的主要特点: 结构简单 对无机物和有机物都有响应 属于浓度型、通用型检测器、灵敏度不高某些气体和蒸汽的热导系数气体 00C1000C气体 00C1000CH217.41 22.4甲烷3.014.56He14.57 17.41乙烷1.803.06N22.433.14丙烷1.512.64空气2.173.14正丁烷 1.342.34CO21.472.22甲醇1.422.30四、气相色谱仪 4.检测系统（2）氢火焰离子化检测器（FID）： 有机物在火焰中电离形成离子

11、流，根据离子流的出现和大小进行分析。 氢火焰离子化检测器的特点： 灵敏度高，线性范围宽 适于有机物的检测 不能检测惰性气体、空气、水、CO、CO2、NO、SO2等气体 属于质量型、多用型载气+样品组分H2空气极化极收集极放放大大记记录录离子流方向四、气相色谱仪 4.检测系统（3）电子捕获检测器（ECD）： 载气在-射线源的照射下发生电离 形成稳定的基流。 电子俘获检测器的特点： 对卤素、硫、磷、氮、氧有很强的响应，属于专用型检测器； 灵敏度高，可用于痕量农药残留物的分析； 线性范围较窄 eNN22射线放大放大检测检测正极负极四、气相色谱仪 4.检测系统（4）火焰光度检测器（FPD）：是一种对硫

12、磷选择性的检测器，这两种元素燃烧中被激发，从而、发射特征的光信号：载气+组分H2PMT滤光片1800-29000C四、气相色谱仪 QRS 4.检测系统（5）检测器的性能指标 灵敏度：指样品量变化引起信号变化的程度，程度越大灵敏度越高。 即：单位浓度（或质量）的物质通过检测器时所产生信号的大小。 检测限：产生二倍于噪声信号时所需的最小进样量。 线性范围：指检测器信号与样品量之间成正比关系的范围。 噪声和漂移： 响应时间：进入检测器的组分输出达63%所需的时间。SND2五、塔板理论和速率理论 n1.塔板理论n设想色谱柱内有多块塔板，色谱分离过程就是在这样一段段塔板上完成的。在每一小段（塔板）内，一

13、部分空间为固定相占据，另一部分空间充满流动相。当待分离的组分随流动相进入色谱柱后，就在两相间进行分配。在色谱柱内完成一次分配的一段称作一个理论塔板，一个理论塔板的长度称为理论塔板高度H。由于色谱柱内的塔板数相当多，经过反复多次的分配平衡，即使组分分配系数只有微小差异，仍然可以获得很好的分离效果。分配系数小的组分，先离开色谱柱，分配系数大的组分后离开色谱柱。五、塔板理论和速率理论n塔板理论四个基本假设：n（1）载气进入色谱柱不是连续而是脉动式的。每次进气为一个板体积；n（2）试样开始都加在第一块塔板上，且忽略试样沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）；n（3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间可达平衡，达到

14、一次平衡所需的柱长为理论塔板高度H；n（4）某组分在所有塔板上的分配系数相同。五、塔板理论和速率理论n理论塔板数与理论塔板高度n理论塔板数的经验公式为：n若柱长为L，则理论塔板高度H为：n当色谱柱长L固定时，理论塔板数n越多、理论塔板高度H越小、色谱峰越窄，则柱效越高。n和H都可以用来描述柱效率。222/1)(16)(54.5YtYtnRRnLH 五、塔板理论和速率理论n有效塔板数与有效塔板高度n在实际应用中，经常出现计算出的n值很大，但色谱柱的实际分离效能并不高的现象。这是因为，保留时间中包括了与色谱分离过程无关的死时间，即理论塔板数不能真实反映色谱柱的实际分离效能。因此，引入有效塔板数和有

15、效塔板高度来评价色谱柱实际的分离效能。222/1)(16)(54.5YtYtHLnRR有效有效五、塔板理论和速率理论n2.速率理论：速率理论指出填充柱的柱效受分子扩散、传质阻力、载气流速等因素的影响，从而较好地解释了影响色谱柱效能的各种因素。色谱过程的动力学理论可以概括为速率理论方程（范式方程）： n式中，H为塔板高度；A称为涡流扩散项；B/u称为纵向扩散项（分子扩散项）；B为纵向扩散系数；Cu称为传质阻力项；C为传质阻力系数；u是载气的线速度。当u一定时，只有当A、B、C均较小，H才能小，柱效才会高。CuuBAH五、塔板理论和速率理论n（1）涡流扩散项A：n由上式可见，A与色谱柱填充方式的不

16、均匀因子和填充物的平均颗粒直径dp有关，与流动相的性质，线速度和组分性质无关，使用粒度细和颗粒均匀的填料，均匀填充，可以减小涡流扩散，提高柱效。n（2）分子扩散项B/u：也称为纵向扩散项。纵向扩散使色谱峰扩张。B称为分子扩散系数n影响分子扩散项的因素有弯曲因子和组分在气相中的扩散系数。为了减小分子扩散项，可采用较高的载气流速，使用相对分子质量较大的载气，控制较低的柱温。pdA2gDB2五、塔板理论和速率理论n（3）传质阻力项Cu：包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl。n气相传质阻力与填充物颗粒直径的平方成正比，与组分在载气流中的扩散系数成反比。n液相传质阻力与固定液的液膜厚度和组分在

17、液相中的扩散系数有关。除上述造成谱峰扩宽的因素外，还应该考虑柱内径，柱长等因素的影响。 gpgDdkkC222)1(01.0lflDdkkC222)1(8第二讲 气相色谱法应用n分离操作条件的选择n气相色谱法定性分析n气相色谱法定量分析一、分离操作条件的选择 1.载气的选择（1）载气种类： 根据检测器选择：TCD一般选择He或H2作载气； FID一般选择Ar或N2作载气； ECD一般选N2作载气； FPD一般选H2或He作载气；（2）载气流速： 一般色谱柱常用流速20100mL/minCBu最佳一、分离操作条件的选择 2.色谱柱（固定相）的选择（1）气固色谱的固定相固体吸附剂 种类：强极性硅胶

18、：氢键型 中等极性氧化铝： 图5-16 分子筛 非极性活性炭：炭质吸附剂、石墨化炭黑 特殊作用分子筛：强极性 优点：吸附容量大、热稳定性好、无流失现象、价格便宜 缺点：进样量须严格控制；重现性差、柱效低、吸附剂活 性中心易中毒、不宜分析高沸点和有活性的组分。 一、分离操作条件的选择 （2）气液色谱的固定相 固定液 要求：a.高沸点、低蒸汽压、不挥发； b.稳定性好、不分解、呈液态、黏度低； c.溶解度大、选择性好； 图5-17 固定液 d.化学稳定性好 分类：按照“相对极性（P）”大小进行分类 两种基准物质：,- 氧二丙腈：P=100 角鲨烷：P=0 在0100之间分为五级： +1级:非极性；

19、+2级:弱极性；+3、+4级:中等极性；+5级:强极性一、分离操作条件的选择 （2）气液色谱的固定相 固定液 选择：一般按照“相似相溶”原理进行 a.分离非极性物质，选择非极性固定液； b.分离极性物质，选择极性固定液； c.分离非极性和极性混合物，选择极性固定液； d.能形成氢键的物质，选用氢键型固定液； e.复杂组分，可选择混合固定液； f.含异构体的试样，选特殊作用的固定液。 一、分离操作条件的选择 （2）气液色谱的固定相 载体（担体） 要求：表面化学惰性、无吸附性、无催化作用、热稳定性 好、比表面积大、孔径分布均匀、机械强度好。 无机载体：硅藻土型：红色和白色 种类： 玻璃微球：用于分

20、离高沸点物质 有机聚合物：氟载体：用于强极性和腐蚀性物质 其他聚合物载体一、分离操作条件的选择 （2）气液色谱的固定相 载体（担体） 预处理：酸洗法、碱洗法、硅烷化处理、釉化处理 选择：a.固定液用量5%，一般选用硅藻土型载体； 固定液用量5%，一般选用表面处理过的载体。 b.腐蚀性样品选用氟载体；高沸点组分用玻璃微球。 c.载体粒度一般选用6080目； 高柱效达100 120目。一、分离操作条件的选择 （2）气液色谱的固定相 色谱柱的制备 a.色谱柱的选择与清洗； b.固定液的涂渍； c.色谱柱的装填； d.色谱柱的老化： 图5-18 色谱柱 目的：彻底除去固定相中残存的溶剂和某些易挥发杂质

21、； 使固定液更均匀、牢固地涂布在载体表面上。 方法：在稍高于操作柱温下，以较低流速连续通入载气， 待基线平直、稳定，且无干扰峰时即可。一、分离操作条件的选择 3.柱温的选择 原则：使物质既分离完全，又不使峰形扩张、拖尾。 方法：一般选择各组分沸点平均温度或稍低些。 注意：（1）柱温不能高于固定液的最高使用温度； （2）柱温必须高于固定液的熔点。 4.汽化室温度的选择 原则：既保证样品迅速完全气化，又不引起样品分解。 方法：一般气化室温度比柱温高3070或比样品组分中 最高沸点高3050。 5.进样量的选择 一般在0.110uL范围内。二、气相色谱定性分析 依据：在一定固定相和一定操作条件下，每

22、种物质都有各 自确定的保留值或确定的色谱数据。 1.保留值定性 方法：将未知物和已知标准物质在相同色谱条件下进行分 析，作出色谱图后进行对照比较。（1）相对保留值定性；（2）已知标准物增加峰高法定性。 2.保留指数定性 3.与其他方法结合定性)()()()(xlglglglg100ZRnZRZRXRttttnZI三、气相色谱定量分析 依据：仪器检测器的响应值（峰高或峰面积）与被测组分 的量（质量或浓度）在特定的色谱条件下成正比。 公式： 式中：mi 组分i的质量； fi 组分i的校正因子； Ai 组分i的峰面积； hi 组分i的峰高。)(iiiihAfm三、气相色谱定量分析 1.峰面积的测定（

23、1）峰高乘以半峰宽：相对峰面积： 绝对峰面积：（2）峰高乘以峰底宽的一半： 相对峰面积： 绝对峰面积：（3）峰高乘以平均峰宽：（4）峰高乘以保留时间：（5）面积积分仪RtbhAYhA21032. 1)2185. 015. 0YYhA（YhA212/1065. 1YhA2/1YhA三、气相色谱定量分析 2.定量校正因子的测定（1）绝对校正因子：（2）相对校正因子：组分i 与标准s 的绝对校正因子之比。 相对质量校正因子： 相对摩尔校正因子： 相对体积校正因子：（3）相对响应值：ismMMMffssiisimAmAmfff/MVffiiiAmf iifS1三、气相色谱定量分析 3.定量分析方法（1）归一化法：要求所有组分都出峰，且完全分离。 对于同分异构体或同系物： 优点：不要求准确进样，操作条件影响不大 缺点：校正因子的测定较困难，需要基准物质%100%100%1002211iiiinniiiiAfAfAfAfAfAfmm样%100iiiAA三、气相色