环境工程仪器分析气相色谱分析法课件

1、环境工程仪器分析气相色谱分析法1 环境工程仪器分析气相色谱分析法2 第一节 概 述 色谱法又称色层法或层析法，是一种用色谱法又称色层法或层析法，是一种用 以分离、分析以分离、分析多组分混合物质多组分混合物质的极有效的极有效 的物理及物理化学方法。的物理及物理化学方法。 环境工程仪器分析气相色谱分析法3 历史背景资料历史背景资料 色谱法色谱法是是1901年有年有俄国植物学家茨维特俄国植物学家茨维特提出，提出， 最初的认识在于它的分离价值，用于分离植物最初的认识在于它的分离价值，用于分离植物 中的色素等有色物质。现代的发展，不再局限中的色素等有色物质。现代的发展，不再局限 于有色物质，而且大量用于

2、分离无色物质。于有色物质，而且大量用于分离无色物质。 气相色谱法（气相色谱法（GC）是英国）是英国生物化学家马丁生物化学家马丁等人等人 在研究液液分配色谱的基础上，于在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立年创立 的一种极为有效的分离方法，它可以的一种极为有效的分离方法，它可以分析和分分析和分 离复杂的多组分混合物离复杂的多组分混合物。 气相色谱与质谱（气相色谱与质谱（GC-MS）联用、气相色谱与）联用、气相色谱与 fourier红外光谱（红外光谱（GC-FTIR）联用。气相色）联用。气相色 谱与原子发射光谱（谱与原子发射光谱（GC-AES）联）联用。 环境工程仪器分析气相色谱分析法4 1

3、903年，俄国植物学家年，俄国植物学家Mikhail Tswett最先最先 发明发明.他采用填有固体他采用填有固体CaCO3细粒子的玻璃柱细粒子的玻璃柱 ，将植物色素的混合物（叶绿素和叶黄素），将植物色素的混合物（叶绿素和叶黄素） 加于柱顶，然后用溶剂淋洗，被分离的组分加于柱顶，然后用溶剂淋洗，被分离的组分 在柱中显示了不同的色带，他称之为色谱（在柱中显示了不同的色带，他称之为色谱（ 希腊与众希腊与众chroma=color,”graphein”=write ） 50年代，色谱发展最快（一些新型色谱技术年代，色谱发展最快（一些新型色谱技术 的发展；复杂组分分析发展的要求）。的发展；复杂组分分析

4、发展的要求）。 1937-1972年：年：15年中有年中有15个个nobel奖是有奖是有 关色谱研究的。关色谱研究的。 环境工程仪器分析气相色谱分析法5 环境工程仪器分析气相色谱分析法6 意意 义义 色谱法是利用不同物质色谱法是利用不同物质在流动相和固定在流动相和固定 相两相中分配系数相两相中分配系数的不同，当两相作的不同，当两相作相相 对运动对运动时，各组分在两相中经过时，各组分在两相中经过反复多反复多 次的分配次的分配，使原来，使原来分配系数只有微小差分配系数只有微小差 异的物质异的物质能够得到分离。能够得到分离。 环境工程仪器分析气相色谱分析法7 概念概念 固定相：在色谱法中，将填入玻璃

5、管或不锈钢管内静止固定相：在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止 不动的一相（固体或液体）。不动的一相（固体或液体）。 流动相：自上而下运动的一相（一般是气体或液体）。流动相：自上而下运动的一相（一般是气体或液体）。 色谱柱：装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）色谱柱：装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管） l 色谱分离基本原理色谱分离基本原理 当含有样品的流动相经过固定相表面时，流动相中当含有样品的流动相经过固定相表面时，流动相中 所含混合物就会与固定相发生作用。由于各组分在性所含混合物就会与固定相发生作用。由于各组分在性 质和结构（溶解度、极性、蒸气压、吸附能力）上的质和结构（溶解度、极性

6、、蒸气压、吸附能力）上的 差异，使它们与固定相发生作用的大小、强弱也有差差异，使它们与固定相发生作用的大小、强弱也有差 异（即有不同的分配系数），因此在同一推动力作用异（即有不同的分配系数），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 按先后不同的次序从固定相中流出。按先后不同的次序从固定相中流出。 环境工程仪器分析气相色谱分析法8 各组分被分离后，可进一步进行定性和定量分析各组分被分离后，可进一步进行定性和定量分析 经典：分离过程和其含量测定过程是离线的，经典：分离过程和其含量测定过程是离线的， 既不能连续进行既不能连续

7、进行 现代：分离过程和其含量测定过程是在线的，现代：分离过程和其含量测定过程是在线的， 既能连续进行既能连续进行 经典色谱法：将潮湿的碳酸钙挤出玻璃管，用刀经典色谱法：将潮湿的碳酸钙挤出玻璃管，用刀 将各色带切下，用适宜的方法分析将各色带切下，用适宜的方法分析 现代色谱法：当一个两组分（现代色谱法：当一个两组分（A和和B）的混合物）的混合物 样品在时间样品在时间t1从柱头加入，随着流动相的不断加从柱头加入，随着流动相的不断加 入，洗脱作用连续进行，直至入，洗脱作用连续进行，直至A和和B组分先后流组分先后流 出柱子进入检测器，从而是各组分浓度转换成电出柱子进入检测器，从而是各组分浓度转换成电 信

8、号后在荧光屏上显示出来。信号后在荧光屏上显示出来。 环境工程仪器分析气相色谱分析法9 根据峰的位置根据峰的位置（出峰时间（出峰时间t）：定性）：定性 根据峰的面积根据峰的面积A（或峰高（或峰高h）：定量：定量 环境工程仪器分析气相色谱分析法10 GC专长：同系物（其他方法无法测定）专长：同系物（其他方法无法测定） GC 主要用于分离和定量，可广泛用在环保、临床、主要用于分离和定量，可广泛用在环保、临床、 药物、农药、食品、污染物等方面的测定。药物、农药、食品、污染物等方面的测定。 对不易汽化的高分子，热稳定性差、化学性质极对不易汽化的高分子，热稳定性差、化学性质极 为活泼或者强腐蚀性物质不能用

9、为活泼或者强腐蚀性物质不能用GC测定。应用范测定。应用范 围受到限制，在所有的有机物分析中只有围受到限制，在所有的有机物分析中只有15-20% 能用能用GC进行分离分析。进行分离分析。 环境工程仪器分析气相色谱分析法11 色谱法的分类色谱法的分类 一）按两相状态分一）按两相状态分 气相色谱（气相色谱（GC）：用）：用气相气相做流动相的色谱法。做流动相的色谱法。 气固色谱：固定相为气固色谱：固定相为固体吸附剂固体吸附剂 气液色谱：固定相气液色谱：固定相为液体为液体 （涂在担体上或毛细管壁上）（涂在担体上或毛细管壁上） 液相色谱（液相色谱（LC）：用）：用液相液相做流动相的色谱法。做流动相的色谱法

10、。 液固液固色谱：色谱： 固定相为固定相为固体吸附剂固体吸附剂 液液液液色谱：色谱： 固定相为固定相为液体液体 （涂在担体上）（涂在担体上） 环境工程仪器分析气相色谱分析法12 3.超临界立体色谱（超临界立体色谱（SFC） 用超临界状态的流体做流动相的色谱法。用超临界状态的流体做流动相的色谱法。 超临界状态流体不是一般的气体或流体，超临界状态流体不是一般的气体或流体， 而是临界压力临界温度以上高度压缩的气体，其而是临界压力临界温度以上高度压缩的气体，其 密度比一般气体大得多儿与液体相似，故称为密度比一般气体大得多儿与液体相似，故称为 “高密度气相色谱法高密度气相色谱法” 环境工程仪器分析气相色

11、谱分析法13 超临界流体（超临界流体（SCF）是指在临界温度和临）是指在临界温度和临 界压力以上的流体。界压力以上的流体。 通常有二氧化碳（通常有二氧化碳（CO2 ）、氮气）、氮气 （N2 ） 、氧化二氮、氧化二氮 （N2 O）、乙烯）、乙烯 （C2 H4） 、三氟甲烷、三氟甲烷 （CHF3 ）等。）等。 高于高于临界温度临界温度和和临界压力临界压力而接近而接近临界点临界点的的 状态称为状态称为超临界状态超临界状态。处于超临界状态时。处于超临界状态时 ，气液两相性质非常接近，以至于无法分，气液两相性质非常接近，以至于无法分 辨，故称之为辨，故称之为SCF。 环境工程仪器分析气相色谱分析法14

12、超临界流体相 超临界状态是物质的一种特殊 流体状态，当气液平衡的物质升 温升压时，热膨胀引起液体密度 减小，而压力升高引起的气相密 度变大，当温度和压力达到某一 点时，气液两相界面消失成为一 均相体系，这一点就是临界点。 超临界流体的物理性质特殊， 具有和液体相近的密度，与气体 相近的粘度，但扩散系数为液体 的10100倍，有较好的流动、传 质、传热性能，对许多物质有较 好的渗透行和较强的溶解能力。 环境工程仪器分析气相色谱分析法15 二）按分离原理分二）按分离原理分 1.吸附色谱法（吸附色谱法（adsorption chromatography） 【定义定义】根据吸附剂表面对不同组分物理吸附

13、根据吸附剂表面对不同组分物理吸附 能力的强弱差异进行分离的方法。能力的强弱差异进行分离的方法。 如：气如：气-固色谱法、液固色谱法、液-固色谱法固色谱法吸附色谱法吸附色谱法 2. 分配色谱法（分配色谱法（partition chromatography） 根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相 间分配系数的差异进行分离的方法。间分配系数的差异进行分离的方法。 气气-液色谱法、液液色谱法、液-液色谱法液色谱法分配色谱分配色谱 3.离子交换色谱法（离子交换色谱法（ion exchange chromatography） 根据不同组分离子对固定相亲和力的差异

14、进根据不同组分离子对固定相亲和力的差异进 行分离的方法。行分离的方法。 环境工程仪器分析气相色谱分析法16 4. 排阻色谱法（排阻色谱法（size exclusion chromatography） 又称凝胶色谱法（又称凝胶色谱法（gel chromatography ） 【提示提示】根据不同组分的分子体积大小的差异根据不同组分的分子体积大小的差异 进行分离的方法。进行分离的方法。 其中：以水溶液作流动相的称为凝胶其中：以水溶液作流动相的称为凝胶过滤过滤色谱；色谱； 以有机溶剂作流动相的称为凝胶以有机溶剂作流动相的称为凝胶渗透渗透色谱法。色谱法。 5. 亲和色谱法（亲和色谱法（affinity

15、 chromatography） 利用不同组分与固定相共价键合的高专属反利用不同组分与固定相共价键合的高专属反 应进行分离的方法。应进行分离的方法。 环境工程仪器分析气相色谱分析法17 三）安固定相的形式分三）安固定相的形式分 1.柱色谱法（柱色谱法（column chromatography） 固定相装在柱中，试样沿着一个方向移动而进固定相装在柱中，试样沿着一个方向移动而进 行分离。行分离。 包括包括 填充色谱法：固定相填充满玻璃管和金填充色谱法：固定相填充满玻璃管和金 属管中。属管中。 开管柱色谱法：固定相固定在毛细管内壁（毛开管柱色谱法：固定相固定在毛细管内壁（毛 细管柱色谱法）细管柱色

16、谱法） 2.平板色谱法（平板色谱法（planer chromatography）: 固定相呈平面状的色谱法。包括：固定相呈平面状的色谱法。包括： 纸色谱法：以吸附水分的滤纸作固定相；纸色谱法：以吸附水分的滤纸作固定相； 薄层色谱法：以涂敷在玻璃板上的吸附剂做薄层色谱法：以涂敷在玻璃板上的吸附剂做 固固 定相。定相。 环境工程仪器分析气相色谱分析法18 色谱法的特点 高效能高效能 在分离多组分复杂混合物时，可以高效地将各个在分离多组分复杂混合物时，可以高效地将各个 组分分离成单一色谱峰。例如，一根长组分分离成单一色谱峰。例如，一根长30 m，内，内 径径0.32 mm的的SE-30柱，可以把炼油

17、厂原油分离柱，可以把炼油厂原油分离 出出150180个组分。个组分。 高灵敏度高灵敏度 色谱分析的高灵敏度表现在可检出色谱分析的高灵敏度表现在可检出10-1110-14 g的物质的物质 环境工程仪器分析气相色谱分析法19 高选择性高选择性 色谱法对那些性质相似的物质，如同位素、色谱法对那些性质相似的物质，如同位素、 同系物、烃类异构体等有很好的分离效果。例同系物、烃类异构体等有很好的分离效果。例 如，一个两米长装有有机皂土及邻苯二甲酸二如，一个两米长装有有机皂土及邻苯二甲酸二 壬酯的混合固定相柱，可以很好的分离邻、间、壬酯的混合固定相柱，可以很好的分离邻、间、 对位二甲苯。对位二甲苯。 分析速

18、度快分析速度快 色谱法，特别是气相色谱法分析速度是较快色谱法，特别是气相色谱法分析速度是较快 的。一般分析一个试样只需几分钟或几十分钟的。一般分析一个试样只需几分钟或几十分钟 便可完成。便可完成。 环境工程仪器分析气相色谱分析法20 环境工程仪器分析气相色谱分析法21 环境工程仪器分析气相色谱分析法22 环境工程仪器分析气相色谱分析法23 环境工程仪器分析气相色谱分析法24 环境工程仪器分析气相色谱分析法25 环境工程仪器分析气相色谱分析法26 环境工程仪器分析气相色谱分析法27 第三节第三节 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础 色谱曲线及常用术语色谱曲线及常用术语 色谱曲线色谱曲线 环

19、境工程仪器分析气相色谱分析法28 环境工程仪器分析气相色谱分析法29 现以组分的流出色谱图（图现以组分的流出色谱图（图9-1）来说明有关色）来说明有关色 谱术语。谱术语。 1.基线基线 在实验操作条件下，当色谱柱后没有组在实验操作条件下，当色谱柱后没有组 分进入检测器时所得到的信号分进入检测器时所得到的信号-时间曲线称为基时间曲线称为基 线。它反映检测器系统噪声随时间变化的情况。线。它反映检测器系统噪声随时间变化的情况。 稳定的基线是一条直线。稳定的基线是一条直线。 a. 基线漂移基线漂移 指基线随时间定向的缓慢变化。这指基线随时间定向的缓慢变化。这 种变化是由于操作条件如温度、流动相速度，或

20、种变化是由于操作条件如温度、流动相速度，或 检测器及附属电子原件的工作状态的变更等引起检测器及附属电子原件的工作状态的变更等引起 的。的。 b. 基线噪声基线噪声 指由各种未知的偶然因素如流动指由各种未知的偶然因素如流动 相速度、固定相的挥发、外界电信号干扰等所引相速度、固定相的挥发、外界电信号干扰等所引 起的基线起伏。漂移和噪声给准确测定带来了困起的基线起伏。漂移和噪声给准确测定带来了困 难。难。 环境工程仪器分析气相色谱分析法30 2.死时间死时间t0(dead time) 指不被固定相吸附或溶解的组分（空气、甲烷指不被固定相吸附或溶解的组分（空气、甲烷 等）从进样开始到色谱峰顶所对应的时

21、间，如等）从进样开始到色谱峰顶所对应的时间，如t0 。 3.死体积死体积V0(dead volue) 由进样器到检测器的流路中，未被固定相占有由进样器到检测器的流路中，未被固定相占有 的体积称为死体积。的体积称为死体积。 【提示提示】死体积为导管空间、色谱柱中固定相间死体积为导管空间、色谱柱中固定相间 隙、检测器内腔空隙总和。隙、检测器内腔空隙总和。 当色谱柱载气流速为当色谱柱载气流速为F0(mL/min),它与死时间它与死时间 的关系：的关系：V0=F0t0 环境工程仪器分析气相色谱分析法31 4.保留值：定性参数，是在色谱分离过程中，试保留值：定性参数，是在色谱分离过程中，试 样中各组分在

22、色谱柱中滞留行为的一个指标。样中各组分在色谱柱中滞留行为的一个指标。 （1）保留时间（）保留时间（retention time） 从进样到柱后出现待测组分最大浓度值从进样到柱后出现待测组分最大浓度值 时（色谱峰顶点）所需的时间。如图中时（色谱峰顶点）所需的时间。如图中tR(1)、 tr(2)所示，是待测组分流经色谱柱时，在两相中所示，是待测组分流经色谱柱时，在两相中 滞留的时间和。滞留的时间和。 保留时间和固定相和流动相的性质、固保留时间和固定相和流动相的性质、固 定相的量、柱温、流速和柱体积有关，可用单位定相的量、柱温、流速和柱体积有关，可用单位 min 表示。表示。 环境工程仪器分析气相色

23、谱分析法32 （2）调整保留时间）调整保留时间tR(adjusted retention time) 【定义定义】扣除死时间后的组分保留时间，如扣除死时间后的组分保留时间，如 图中的图中的tR1 、 、 tR2 所示。 所示。 表示某组分因溶解或吸附于固定相后，比表示某组分因溶解或吸附于固定相后，比 非滞留组分在柱中多停留的时间。非滞留组分在柱中多停留的时间。 tR1 =tR-tR0 环境工程仪器分析气相色谱分析法33 （3）保留体积保留体积（retention volume） 【定义定义】从进样到柱后出现待测组分最大浓度从进样到柱后出现待测组分最大浓度 值时所通过的载气体积。值时所通过的载气

24、体积。 当色谱柱载气流速为当色谱柱载气流速为F0(mL/min)时，它与保时，它与保 留时间的关系：留时间的关系：VR=F0tR （4）调整保留体积）调整保留体积（adjusted retention volume） 【定义定义】是指扣除死体积后的是指扣除死体积后的 保留体积，保留体积， 即即 VR=VR-V0=TRF0 【提示提示】在一定的实验条件下，在一定的实验条件下，VR，VR与载气与载气 流速无关。流速无关。 环境工程仪器分析气相色谱分析法34 （5）相对保留值）相对保留值r21 【定义定义】指组分指组分2 和组分和组分 的调整保留值之比。的调整保留值之比。 r21=tR2/tR1=V

25、R2/VR1 【提示提示】相对保留值的特点是只与温度和固定相相对保留值的特点是只与温度和固定相 的性质有关，与色谱柱及其他操作条件无关。反的性质有关，与色谱柱及其他操作条件无关。反 应了色谱柱对待测组分应了色谱柱对待测组分1和和2 的选择性，是气相的选择性，是气相 色谱中最常用的定性参数。色谱中最常用的定性参数。 环境工程仪器分析气相色谱分析法35 从色谱溜出曲线中，可得到许多从色谱溜出曲线中，可得到许多重要信息重要信息 1）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分 的最少个数；的最少个数； 2）根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；）根据色谱峰的保留

26、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；）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）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；分离效能的依据； 5）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（流动相）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（流动相） 选择是否合适的依据。选择是否合适的依据。 环境工程仪器分析气相色谱分析法36 几种分离理论几种分离理论 气相色谱仪气相色谱仪 气相色谱分析方法气相色谱分析方法 应用应用 环境工程仪器分析气相色谱分析法37 气相色谱理论气相色谱理论 一一 分配理论分配理论 物质在固定相和流

27、动相物质在固定相和流动相(气相气相)之间发生之间发生 的吸附、脱附和溶解、解析的过程，叫做的吸附、脱附和溶解、解析的过程，叫做 分配过程。被测组分按其溶解和解析能力分配过程。被测组分按其溶解和解析能力 （或吸附和脱附能力）的大小，以一定的（或吸附和脱附能力）的大小，以一定的 比例分配在固定相和气相之间。在一定温比例分配在固定相和气相之间。在一定温 度下组分在两相之间分配达到平衡时的度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓浓 度比度比称为分配系数称为分配系数K。 K=组分在固定相中的浓度组分在固定相中的浓度/组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度 =CL/Cg 环境工程仪器分析气相色谱分析法38

28、一定温度下，不同物质在两相之间的分配系数一定温度下，不同物质在两相之间的分配系数 是不同的。显然，具有小的分配系数的组分，是不同的。显然，具有小的分配系数的组分， 每次分配后在气相中的浓度较大，因此就较早每次分配后在气相中的浓度较大，因此就较早 地流出色谱柱。而分配系数大的组分，则由于地流出色谱柱。而分配系数大的组分，则由于 每次分配后在气相中的浓度较小，因而流出色每次分配后在气相中的浓度较小，因而流出色 谱柱的时间较迟。当分配次数足够多时，就能谱柱的时间较迟。当分配次数足够多时，就能 将不同的组分分离开来。由此可见，将不同的组分分离开来。由此可见，分配系数分配系数 是色谱分离的依据是色谱分离

29、的依据。 环境工程仪器分析气相色谱分析法39 分配比分配比 在实际工作中，常应用分配比表征色在实际工作中，常应用分配比表征色 谱分配平衡过程。分配比亦称容量因子或谱分配平衡过程。分配比亦称容量因子或 容量比，以容量比，以表示，是指在一定温度、压表示，是指在一定温度、压 力下，在两相间达到分配平衡时，组分在力下，在两相间达到分配平衡时，组分在 两相中的两相中的质量质量比：比： =p/q 式中式中:p为组分分配在固定相中的质量，为组分分配在固定相中的质量， q为组分分配在流动相中的质量。为组分分配在流动相中的质量。 环境工程仪器分析气相色谱分析法40 分配系数分配系数K与分配比与分配比的关系的关系

30、 K=CL/Cg=(p/VL)/(q/Vg)=p/q(VL/Vg)= VL/Vg之比称为相比，以之比称为相比，以表示，它反映表示，它反映 了各种色谱柱柱型的特点。例如，填充了各种色谱柱柱型的特点。例如，填充 柱的值约为柱的值约为635，毛细管柱的值为，毛细管柱的值为 501500。 环境工程仪器分析气相色谱分析法41 二二 塔板理论塔板理论 1941年詹姆斯年詹姆斯(James)和马丁和马丁 （Martin）提出）提出半经验半经验理论，并用数学理论，并用数学 模型描述了色谱分离过程。他们把色谱模型描述了色谱分离过程。他们把色谱 柱比作一个由许多塔板组成的精馏塔，柱比作一个由许多塔板组成的精馏塔

31、， 借用精馏塔中塔板的概念、理论来处理借用精馏塔中塔板的概念、理论来处理 色谱过程、并用理论塔板数作为衡量柱色谱过程、并用理论塔板数作为衡量柱 效率的指标。效率的指标。 环境工程仪器分析气相色谱分析法42 1.塔板理论塔板理论 塔板理论把组分在流动相和固定相间的分配行塔板理论把组分在流动相和固定相间的分配行 为看作在精馏塔中的分离过程，柱中有若干块为看作在精馏塔中的分离过程，柱中有若干块 想象的塔板，一个塔板的长度称为想象的塔板，一个塔板的长度称为理论塔板高理论塔板高 度度。当组分随流动相进入色谱柱后，在每一块。当组分随流动相进入色谱柱后，在每一块 塔板内很快地在两相间达到一次分配平衡，经塔板

32、内很快地在两相间达到一次分配平衡，经 过若干个假想塔板的多次分配平衡后，分配系过若干个假想塔板的多次分配平衡后，分配系 数小的组分先离开色谱柱，分配系数大的组分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。尽管这个概念并不完全符合色后离开色谱柱。尽管这个概念并不完全符合色 谱柱内的真实分离过程，但这个理论谱柱内的真实分离过程，但这个理论成功地解成功地解 释了色谱流出曲线呈正态分布释了色谱流出曲线呈正态分布。 环境工程仪器分析气相色谱分析法43 u塔板理论的假设塔板理论的假设 假设柱内径及柱内填料填充均匀，柱由若干小段假设柱内径及柱内填料填充均匀，柱由若干小段 组成，每段为一个理论塔板

33、。塔板一部分为固定相占组成，每段为一个理论塔板。塔板一部分为固定相占 据，一部分为流动相占据。据，一部分为流动相占据。 在每块塔板上，组分瞬间在两相中达到平衡，且在每块塔板上，组分瞬间在两相中达到平衡，且 纵向扩散可以忽略纵向扩散可以忽略(扩散不影响分配平衡扩散不影响分配平衡)。 流动相通过色谱柱不是连续的，而是脉冲式的间流动相通过色谱柱不是连续的，而是脉冲式的间 歇过程，每次只进一个板体积的流动相（每次进入和歇过程，每次只进一个板体积的流动相（每次进入和 从一个塔板转移到另一个塔板的流动相体积为）。从一个塔板转移到另一个塔板的流动相体积为）。 溶质进样时都加在溶质进样时都加在0号塔板上（快速

34、进样，进样量号塔板上（快速进样，进样量 小，这种假设也接近实际）。小，这种假设也接近实际）。 分配系数和分配比在各塔板上是常数，与浓度无分配系数和分配比在各塔板上是常数，与浓度无 关。关。 环境工程仪器分析气相色谱分析法44 2.柱效能指标（柱效能指标（n n，H H）：）：可由塔板理论导出可由塔板理论导出 （1 1）理论塔板数（）理论塔板数（n n）：柱长）：柱长L L一定时，一定时，n n越大，越大， 柱效就越高柱效就越高 式中：式中：tR tR 、W Wh/2 h/2、 、WbWb应采用同一单位应采用同一单位( (时间或长度时间或长度) ) (2) (2) 理论塔板高度（理论塔板高度（H

35、 H） ：舌色谱柱长为：舌色谱柱长为L。则理。则理 论塔板高度论塔板高度 H=L/n 环境工程仪器分析气相色谱分析法45 【小结小结】色谱峰越窄，即色谱峰越窄，即Wh/2或或 Wb越越 小，理论塔板数小，理论塔板数n就越大（对给定长度的就越大（对给定长度的 色谱柱而言，塔板高度色谱柱而言，塔板高度H越小），组分在越小），组分在 柱内被分配的次数越多，则柱效越高。柱内被分配的次数越多，则柱效越高。 因此因此n和和H课作为描述柱效能的指标。课作为描述柱效能的指标。 环境工程仪器分析气相色谱分析法46 （3）有效理论塔板数（有效理论塔板数（neft）：）： 在实际应用中，常常出现计算出的在实际应用中

36、，常常出现计算出的n值虽然很大值虽然很大 ，但色谱柱效却不高，这是由于保留时间，但色谱柱效却不高，这是由于保留时间tR中包含中包含 了死时间了死时间t0，而，而t0并不参加柱内的分配过程，因此并不参加柱内的分配过程，因此 理论塔板数和理论塔板高度并不能真实地反映色谱理论塔板数和理论塔板高度并不能真实地反映色谱 柱分离效能的好坏。为此，提出了有效塔板数柱分离效能的好坏。为此，提出了有效塔板数neft 和有效高度和有效高度Heft评价柱效能的指标，即：评价柱效能的指标，即： （4）有效塔板高度有效塔板高度(Heft ): Heft = L/neft 环境工程仪器分析气相色谱分析法47 色谱柱的理论

37、塔板数越大，表示组分在色色谱柱的理论塔板数越大，表示组分在色 谱柱中达到分配平衡的次数越多，对分离谱柱中达到分配平衡的次数越多，对分离 越有利。但还不能预言并确定各组分是否越有利。但还不能预言并确定各组分是否 有被分离的可能，因为分离的可能性决定有被分离的可能，因为分离的可能性决定 于试样混合物在固定相中分配系数的差别，于试样混合物在固定相中分配系数的差别， 而不是决定于分配次数的多少。如果两组而不是决定于分配次数的多少。如果两组 分在同一色谱柱上的分配系数相同，无论分在同一色谱柱上的分配系数相同，无论 有效理论塔板数有多大也不能将它们分离有效理论塔板数有多大也不能将它们分离 开来。开来。 环

38、境工程仪器分析气相色谱分析法48 【小结小结】塔板理论在解释塔板理论在解释色谱图的形状，计算色谱图的形状，计算n 和和H方面是成功的。但其某些基本假设不完全方面是成功的。但其某些基本假设不完全 符合色谱的试剂情况（如符合色谱的试剂情况（如K和组分的量无关、和组分的量无关、 组分在两相中分配能迅速达到平衡、纵向扩散组分在两相中分配能迅速达到平衡、纵向扩散 可以忽略等）。塔板理论只能定性地给出塔板可以忽略等）。塔板理论只能定性地给出塔板 高度的概念，未能找出影响板高高度的概念，未能找出影响板高H的因素，也的因素，也 就更无法提出降低板高的途径；这主要是由于就更无法提出降低板高的途径；这主要是由于

39、塔板理论没有考虑到动力学因素对分离过程的塔板理论没有考虑到动力学因素对分离过程的 影响。影响。 环境工程仪器分析气相色谱分析法49 三 速率理论 环境工程仪器分析气相色谱分析法50 环境工程仪器分析气相色谱分析法51 环境工程仪器分析气相色谱分析法52 环境工程仪器分析气相色谱分析法53 四四 分离度（分离度（resolution, R） 分离度是同时反映了色谱柱效能和选择性的一个综合指分离度是同时反映了色谱柱效能和选择性的一个综合指 标。也称分离效能指标或分辨率。其定义为：标。也称分离效能指标或分辨率。其定义为： 对于两个相邻色谱峰，峰底宽度近似相等对于两个相邻色谱峰，峰底宽度近似相等W1W

40、2 R越大，相邻组分分离越好。越大，相邻组分分离越好。 当从理论上可以证明，若峰形对称且满足于正态分布，则当从理论上可以证明，若峰形对称且满足于正态分布，则 当当R 1时，两峰总有部分重叠；当时，两峰总有部分重叠；当R 1时，分离程度可时，分离程度可 达达94，达到了一般的定量分析要求；当，达到了一般的定量分析要求；当R 1.5时，分时，分 离程度可达离程度可达99.7。因而。因而可用可用R 1.5来作为相邻两峰已来作为相邻两峰已 完全分开的标志。完全分开的标志。当当R0.75时，可以认为两个峰不能分开。时，可以认为两个峰不能分开。 环境工程仪器分析气相色谱分析法54 气相色谱仪 气相色谱仪的

41、主要组成部件气相色谱仪的主要组成部件 气体气体 载气：用于传送样品通过整个系统的气体。载气：用于传送样品通过整个系统的气体。 检测器气体：某些检测器所需的支持气体，检测器气体：某些检测器所需的支持气体， 如如FID需要氢气、空气。需要氢气、空气。 进样装置进样装置 将样品蒸汽引入载气。将样品蒸汽引入载气。 对于液体样品，一般采用注射器、自动进样对于液体样品，一般采用注射器、自动进样 器进样。对于气体样品，常用六通阀进样。器进样。对于气体样品，常用六通阀进样。 环境工程仪器分析气相色谱分析法55 色谱柱色谱柱 实现样品组分的分离。实现样品组分的分离。 通用柱，二甲基二苯基聚硅氧烷通用柱，二甲基二

42、苯基聚硅氧烷 检测器检测器 对流出柱的样品组分进行识别和响应。对流出柱的样品组分进行识别和响应。 （FID，ECD） 数据系统数据系统 将检测器的信号转换为色谱图，并进行定性、将检测器的信号转换为色谱图，并进行定性、 定量分析。定量分析。 u一台气相色谱仪可装不同类型的进样口、色谱一台气相色谱仪可装不同类型的进样口、色谱 柱或检测器。可以在柱或检测器。可以在Agilent7890A主机上安装主机上安装 两个进样口和最多三个检测器。两个进样口和最多三个检测器。 环境工程仪器分析气相色谱分析法56 环境工程仪器分析气相色谱分析法57 环境工程仪器分析气相色谱分析法58 环境工程仪器分析气相色谱分析

43、法59 环境工程仪器分析气相色谱分析法60 环境工程仪器分析气相色谱分析法61 环境工程仪器分析气相色谱分析法62 环境工程仪器分析气相色谱分析法63 环境工程仪器分析气相色谱分析法64 环境工程仪器分析气相色谱分析法65 环境工程仪器分析气相色谱分析法66 气相色谱检测器 热导池检测器热导池检测器 （TCD） 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器 (FID) 电子俘获检测器电子俘获检测器 (ECD) 火焰光度检测器火焰光度检测器 (FPD) 氮磷检测器氮磷检测器(NPD) 质谱检测器（质谱检测器（MSD） 硫化学发光检测器（硫化学发光检测器（SCD） 氮化学发光检测器（氮化学发光检测器（NC

44、D） 光离子化检测器（光离子化检测器（PID） 环境工程仪器分析气相色谱分析法67 环境工程仪器分析气相色谱分析法68 1 热导池检测器（热导池检测器（thermal conductivity detector ,TCD ）。）。浓度型浓度型检测器，对检测器，对所有物所有物 质都有响应质都有响应，是应用最广、最成熟的一种通，是应用最广、最成熟的一种通 用型气相色谱检测器。但灵敏度差，常量分用型气相色谱检测器。但灵敏度差，常量分 析可以。热导池检测器的最小检出量达析可以。热导池检测器的最小检出量达10-8 g， 线性范围为线性范围为105。 原理：原理：不同的气态物质具有的不同的气态物质具有的热

45、传导系数热传导系数不不 同，热导池检测器就是基于样品中各组分的同，热导池检测器就是基于样品中各组分的 热传导系数与载气的热传导系数不同的原理热传导系数与载气的热传导系数不同的原理 制成的。制成的。 环境工程仪器分析气相色谱分析法69 TCD对载气的要求对载气的要求 1）载气种类）载气种类 TCD通常用通常用He或或H2做载气，因为他们的热做载气，因为他们的热 导系数远远大于其他化合物。用导系数远远大于其他化合物。用He或或H2做载做载 气的气的TCD灵敏度高、峰形正常、线性范围宽。灵敏度高、峰形正常、线性范围宽。 2）载气纯度）载气纯度 载气纯度影响载气纯度影响TCD灵敏度。实验证明，一灵敏度

46、。实验证明，一 定条件下用定条件下用99.999%的超纯氢气比用的超纯氢气比用99%的氢的氢 气，灵敏度高气，灵敏度高6%13%。 3）载气流速）载气流速 在检测过程中，载气流速要恒定。在柱分在检测过程中，载气流速要恒定。在柱分 离许可的情况下，使用低流速。离许可的情况下，使用低流速。 环境工程仪器分析气相色谱分析法70 某些气体与蒸汽的热导系数某些气体与蒸汽的热导系数 环境工程仪器分析气相色谱分析法71 环境工程仪器分析气相色谱分析法72 环境工程仪器分析气相色谱分析法73 环境工程仪器分析气相色谱分析法74 3电子捕获检测器电子捕获检测器 （electron capture detecto

47、r，ECD ） 是应用广泛的一种选择性、高灵敏度的是应用广泛的一种选择性、高灵敏度的浓度型浓度型检检 测器。它的选择性是指它只对具有测器。它的选择性是指它只对具有电负性电负性的物质的物质 有响应，如卤素化台物，含氧、硫、磷的有机物有响应，如卤素化台物，含氧、硫、磷的有机物 及甾族化合物、多环芳烃等。特别适合环境样品及甾族化合物、多环芳烃等。特别适合环境样品 中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。 电负性愈强，灵敏度愈高电负性愈强，灵敏度愈高。高灵敏度表现在能。高灵敏度表现在能 测出测出10-14gmL-1的电负性物质。电子捕获检测器的电负性物质。电子捕

48、获检测器 对非电负性化合物（一般烷烃等）响应很小，如对非电负性化合物（一般烷烃等）响应很小，如 测定四氯化碳比测定正己烷的灵敏度高测定四氯化碳比测定正己烷的灵敏度高1106倍。倍。 环境工程仪器分析气相色谱分析法75 环境工程仪器分析气相色谱分析法76 环境工程仪器分析气相色谱分析法77 4 火焰光度检测器火焰光度检测器 (flame photometric detector，FPD)是对含磷、含硫是对含磷、含硫 的化合物有高选择性和高灵敏度的一种色谱检的化合物有高选择性和高灵敏度的一种色谱检 测器，因此也称测器，因此也称硫磷检测器硫磷检测器。主要用于。主要用于SO2、 H2S、石油精馏物的含

49、硫量、石油精馏物的含硫量、有机硫、磷化的有机硫、磷化的 农药残留分析。农药残留分析。 原理：待测物在低温氢气原理：待测物在低温氢气空气火焰中燃烧空气火焰中燃烧 产生产生S、P化合物的分解产物并发射特征分子化合物的分解产物并发射特征分子 光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析 环境工程仪器分析气相色谱分析法78 环境工程仪器分析气相色谱分析法79 5 氮磷检测器氮磷检测器 （nitrogen-phosphorus detecter，NPD）又称热）又称热 离子化检测器（离子化检测器（TID）是分析含）是分析含氮、磷氮、磷化合物的化合物的 高灵敏度、高选择性和宽线

50、性范围的检测器。高灵敏度、高选择性和宽线性范围的检测器。 NPD和和FID的差异是：在配口和收集极之间加一的差异是：在配口和收集极之间加一 个铷珠。铷珠通常是采用硅酸铷或硅酸铯等支撑个铷珠。铷珠通常是采用硅酸铷或硅酸铯等支撑 的玻璃或陶瓷珠，珠体约的玻璃或陶瓷珠，珠体约15mm。 环境工程仪器分析气相色谱分析法80 N-P有机物的检测有机物的检测 在一个氢气在一个氢气/空气等离子体环境下，空气等离子体环境下， NPD铷铷 珠被电加热至珠被电加热至600800，形成催化活性的固，形成催化活性的固 体表面，有机氮或有机磷化合物分子被导入到体表面，有机氮或有机磷化合物分子被导入到 催化活性表面周围，

51、被催化成负离子及电子形催化活性表面周围，被催化成负离子及电子形 成电流，输出的电流正比于收集到的离子数，成电流，输出的电流正比于收集到的离子数， 用静电计测量并将其转换为数字形式，传输到用静电计测量并将其转换为数字形式，传输到 一个输出设备。一个输出设备。 环境工程仪器分析气相色谱分析法81 气相色谱的分析方法气相色谱的分析方法 色谱定性分析与定量分析，是以色谱图为色谱定性分析与定量分析，是以色谱图为 依据，根据图中色谱峰的保留值与各色谱依据，根据图中色谱峰的保留值与各色谱 峰之间相对峰面积的大小来实现的。保留峰之间相对峰面积的大小来实现的。保留 值取决于在两相中的分配系数，它与组分值取决于在

52、两相中的分配系数，它与组分 的性质有关，是色谱定性的依据；峰面积的性质有关，是色谱定性的依据；峰面积 大小取决于试样中组分的相对含量，是色大小取决于试样中组分的相对含量，是色 谱定量的依据。谱定量的依据。 环境工程仪器分析气相色谱分析法82 定性分析定性分析 色谱定性就是确定色谱图中每个色谱峰代表色谱定性就是确定色谱图中每个色谱峰代表 何种物质。虽然不同的物质具有不同的保留值，何种物质。虽然不同的物质具有不同的保留值， 但保留值与分子结构的相关规律还不太清楚，但保留值与分子结构的相关规律还不太清楚， 根据保留值定性只是一个相对的方法。另外，根据保留值定性只是一个相对的方法。另外， 多数色谱检测

53、器给出的响应信号，并不是分子多数色谱检测器给出的响应信号，并不是分子 结构的特征信号。因此，色谱法只能定性鉴定结构的特征信号。因此，色谱法只能定性鉴定 人们已知的化合物，不能鉴定尚未被人们所了人们已知的化合物，不能鉴定尚未被人们所了 解的新化合物。解的新化合物。 环境工程仪器分析气相色谱分析法83 根据保留值定性根据保留值定性 与已知物对照定性与已知物对照定性 文献值对照法文献值对照法 联用技术：将色谱与质谱、红外光谱、核磁联用技术：将色谱与质谱、红外光谱、核磁 共振谱等具有定性能力的分析方法联用，复共振谱等具有定性能力的分析方法联用，复 杂的混合物先经气相色谱分离成单一组分后，杂的混合物先经

54、气相色谱分离成单一组分后， 再利用质谱仪、红外光谱仪或核磁共振谱仪再利用质谱仪、红外光谱仪或核磁共振谱仪 进行定性。未知物经色谱分离后，质谱可以进行定性。未知物经色谱分离后，质谱可以 很快地给出未知组分的相对分子质量和电离很快地给出未知组分的相对分子质量和电离 碎片，提供是否含有某些元素或基团的信息。碎片，提供是否含有某些元素或基团的信息。 红外光谱也可很快得到未知组分所含各类基红外光谱也可很快得到未知组分所含各类基 团的信息。对结构鉴定提供可靠的论据。团的信息。对结构鉴定提供可靠的论据。 环境工程仪器分析气相色谱分析法84 气相色谱定量方法气相色谱定量方法 在一定操作条件下，分析组分的质量（

55、）在一定操作条件下，分析组分的质量（） 或其在载气中的浓度是与检测器的响应或其在载气中的浓度是与检测器的响应 讯号（色谱图上表现为峰面积或峰高）讯号（色谱图上表现为峰面积或峰高） 成正比的，可写作：成正比的，可写作： mi=fiAAi 或或 mi=fihhi 这就是色谱定量分析的依据。这就是色谱定量分析的依据。 由上式可见，在定量分析中需要：准确由上式可见，在定量分析中需要：准确 测量峰面积；准确求出比例常数（称为测量峰面积；准确求出比例常数（称为 定量校正因子）。定量校正因子）。 环境工程仪器分析气相色谱分析法85 1.峰面积的测量峰面积的测量 根据峰形的不同，常用而简单的峰面积测量方法有根

56、据峰形的不同，常用而简单的峰面积测量方法有 如下几种：如下几种： 对称峰形面积的测量对称峰形面积的测量-峰高乘半峰宽法峰高乘半峰宽法 根据等腰三角形的计算方法，课近似认为峰面积等根据等腰三角形的计算方法，课近似认为峰面积等 于峰高乘半峰宽于峰高乘半峰宽 A=hY1/2 这样测得的峰面积为试剂峰面积的这样测得的峰面积为试剂峰面积的0.94倍，实倍，实 际上峰面积应为：际上峰面积应为： A=1.065 显然，在做绝对测量时（如测灵敏度），应乘显然，在做绝对测量时（如测灵敏度），应乘 以以1。065，但在相对计算时，但在相对计算时，1.065可以约去。可以约去。 环境工程仪器分析气相色谱分析法86

57、不对称峰形面积的测量不对称峰形面积的测量峰高乘平均峰宽法峰高乘平均峰宽法 对于不对称色谱峰使用峰高乘半峰宽法误差对于不对称色谱峰使用峰高乘半峰宽法误差 较大，因此采用峰高乘平均峰宽法。所谓平均较大，因此采用峰高乘平均峰宽法。所谓平均 峰宽是指在峰高峰宽是指在峰高0.15和和0.85处分贝测峰宽，处分贝测峰宽， 然后求其平均值：然后求其平均值： A=h(Y0.15+Y0.85)/2 环境工程仪器分析气相色谱分析法87 2.定量校正因子定量校正因子 色谱定量分析是基于被测物质的量与其峰面积色谱定量分析是基于被测物质的量与其峰面积 的正比关系。但事实证明，同一种物质在不同的正比关系。但事实证明，同一

58、种物质在不同 检测器上有不同的响应值；不同物质在同一检检测器上有不同的响应值；不同物质在同一检 测器上响应值也不同。为了使检测器产生的响测器上响应值也不同。为了使检测器产生的响 应值能真实地反映出物质的含量，就要对响应应值能真实地反映出物质的含量，就要对响应 值进行校正而引入值进行校正而引入“定量校正因子定量校正因子”。 环境工程仪器分析气相色谱分析法88 积分仪法积分仪法 自动积分仪是测量峰面积最方便的工具，自动积分仪是测量峰面积最方便的工具， 速度快，线性范围宽，精度一般可达速度快，线性范围宽，精度一般可达 0.22，对小峰或不对称峰也能得出，对小峰或不对称峰也能得出 较准确的结果。数字电

59、子积分仪能以数较准确的结果。数字电子积分仪能以数 字的形式把峰面积和保留时间打印出来字的形式把峰面积和保留时间打印出来。 环境工程仪器分析气相色谱分析法89 1）在一定的操作条件下，进样量（）在一定的操作条件下，进样量（mi） 与响应讯号（峰面积与响应讯号（峰面积Ai或峰高或峰高hi）成正）成正 比：比： mi =fi Ai 或或 mi =fi hi 或写作或写作 fiA= mi / Ai 和和 fih= mi / hi fi，绝对校正因子：，绝对校正因子：单位峰面积或峰高对单位峰面积或峰高对 应的组分应的组分i 的质量或浓度的质量或浓度，与检测器性，与检测器性 能、组分和流动相性质及操作条件

60、有关，能、组分和流动相性质及操作条件有关， 不易准确测量。在定量分析中常用相对不易准确测量。在定量分析中常用相对 校正因子。校正因子。 环境工程仪器分析气相色谱分析法90 2）相对校正因子）相对校正因子 组分组分i 与标准物质的绝对校正因子之比，即与标准物质的绝对校正因子之比，即 FisA=fiA/fsA= Asmi/Aims Fish=fih/fsh = hsmi/hims 式中，式中，FisA、Fish分别为组分分别为组分i以峰面积和峰高为以峰面积和峰高为 定量参数时的相对校正因子，定量参数时的相对校正因子，fsA、fsh分别为基分别为基 准组分准组分s以峰面积和峰高为定量参数时的绝对校以