气相色谱PPT[稻谷文苑]

1、色谱法色谱法 generalization of chromatograph analysis u色谱法是一种物理或物理化学分离分析方法，特别适宜于分离 多组分的试样，是各种分离技术中效率很高和应用最广的一种 方法。 u它是利用各物质在两相中具有不同的分配系数，当两相作相对 运动时，这些物质在两相中进行多次反复的分配来达到分离的 目的。 1实用内容 色谱法的起源和发展 一、色谱法的起源和发展 俄国植物学家M.Tswett于1906年首次提出色谱法。 固定相(stationary phase)：填入玻璃柱内静止不动的一相(固 体或液体)。 流动相(mobile phase)：自上而下流动的一相(

2、液体、气体或 超临界流体)。 色谱柱(chromatographic column)：装有固定相的柱子。 2实用内容 色谱法的起源和发展 茨维特茨维特(Tswett)的实验的实验 茨维特：俄国植物学家主要茨维特：俄国植物学家主要 从事植物色素的研究工作从事植物色素的研究工作 ，在，在1906 年发表的文章中年发表的文章中 ，首次提出色谱的概念。，首次提出色谱的概念。 他用碳酸钙作固定相，石他用碳酸钙作固定相，石 油醚作移动相，在玻璃管油醚作移动相，在玻璃管 内分离叶绿素，使人们认内分离叶绿素，使人们认 识到色谱技术对物质分离识到色谱技术对物质分离 和定性的潜力这通常被认和定性的潜力这通常被认

3、为是色谱学的开始为是色谱学的开始 l原理原理 使混合物中各组分使混合物中各组分 在两相间进行分配在两相间进行分配, , 其中一相是不动的其中一相是不动的 ( (固定相固定相),),另一相另一相 ( (流动相流动相) )携带混合携带混合 物流过此固定相物流过此固定相, ,与与 固定相发生作用固定相发生作用, ,在在 同一推动力下同一推动力下, ,不同不同 组分在固定相中滞组分在固定相中滞 留的时间不同留的时间不同, ,依次依次 从固定相中流出从固定相中流出, ,又又 称色层法称色层法, ,层析法层析法 3实用内容 固定相固定相CaCO3颗粒颗粒 流动相流动相石油醚石油醚 4实用内容 1906 色

4、谱法 1930 离子交换色谱法（IEC) 1938 薄层色谱法(TLC) 1941 分配色谱法(LLC) 1944 纸色谱(PC) 1952 气相色谱法(GC) 1959 凝胶色谱 (GPC) 1968 高效液相色谱法 (HPLC) 1988 超临界流体色谱(SFC) 5实用内容 二、色谱法的分类 （一）按两相状态分类 按流动相的状态分类 ： 气相色谱法(GC)：用气体作为流动相的色谱法 液相色谱法(LC)：用液体作为流动相的色谱法 超临界流体色谱法(SFC)：以超临界流体作为流动相的色谱法 按固定相的状态分类： 气相色谱法分：气-固色谱法(GSC)和气-液色谱法(GLC) 液相色谱法分：液-

5、固色谱法(LSC)和液-液色谱法(LLC) 6实用内容 （二）按分离机理分类 吸附色谱法：利用物理吸附性能的差异 分配色谱法：利用分配系数的不同 离子交换色谱法：利用离子交换原理 尺寸排阻色谱法：利用分子在固定相中的选择渗透 （三）按操作形式分类 1.柱色谱法 填充柱色谱 毛细管柱色谱 纸色谱法 2.平面色谱法 薄层色谱法 薄膜色谱法 7实用内容 表1-1 气相色谱法的发展简史 年代发明者发明的色谱方法或重要应用 1906Tswett最先提出色谱概念。 1941Martin, Synge预言了气相色谱。 1952Martin, James从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法 1956Van

6、Deemter等提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。 1958Golay发明毛细管柱气相色谱。 1960 前后 IG McWilliam发明氢火焰离子化检测器(FID) J E Lovelock发明电子捕获检测器(ECD) 1979 Dandeneau, Hewlett-Pachard 制造出熔融石英毛细管柱，为现代气相色谱法的 发展奠定了基础。 1 概述 1.0 气相色谱法的发展简史 8实用内容 1 概述 1.1 气相色谱法的分类 按固定相的物态分类 气-固色谱法(GSC) 气-液色谱法(GLC) 按柱径和填充分类 填充柱色谱法(2-4mm) 毛细管柱色谱法(0.1-0.53mm) 按分离机

7、制分类 吸附色谱法(吸附剂固定相) 分配色谱法(液体固定相) 9实用内容 载体载体 系统系统 检测检测 系统系统 进样系统进样系统 ( (气化气化) ) 温控温控 系统系统 色谱色谱 工作站工作站 分离系统分离系统 ( (色谱柱色谱柱) ) 1 概述 1.2气相色谱仪的一般流程 10实用内容 气相色谱法 定义定义：以气体为流动相的柱色谱分离技术 11实用内容 一.基本原理 气固色谱、气液色谱：分配系数差异气固色谱、气液色谱：分配系数差异 气气固色谱固色谱中被分离物随着载气的流动，被测组分中被分离物随着载气的流动，被测组分 在吸附剂表面进行吸附，脱附，再吸附，再脱附在吸附剂表面进行吸附，脱附，再

8、吸附，再脱附这样这样 反复的过程不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分反复的过程不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分 离的目的。离的目的。 气气液色谱液色谱中被分离物随着载气的流动，被测组分中被分离物随着载气的流动，被测组分 在固定液中进行溶解，挥发，再溶解，再挥发在固定液中进行溶解，挥发，再溶解，再挥发的过程，的过程， 使不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。使不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。 12实用内容 二、气相色谱流出曲线和有关术语二、气相色谱流出曲线和有关术语 图图1 色谱流出曲线色谱流出曲线 13实用内容 1、基线基线（base line） 当色

9、谱柱中没有组分进入检测器时，在实验操作条当色谱柱中没有组分进入检测器时，在实验操作条 件下，反应检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。件下，反应检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。 2、保留值保留值（retention value） 表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值，表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值， 通常用时间或用将组分带处色谱柱所需载气的体积来通常用时间或用将组分带处色谱柱所需载气的体积来 表示。任何一种物质都有一定的保留值。表示。任何一种物质都有一定的保留值。 气相色谱基本术语 14实用内容 3、死时间、死时间（dead time） 指不被固定相吸附或溶解的气体（如

10、空气、甲烷）从指不被固定相吸附或溶解的气体（如空气、甲烷）从 进样开始到柱后出现浓度最大值时所需时间。进样开始到柱后出现浓度最大值时所需时间。 保留时间保留时间（retention time）tR 指被测样品从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时指被测样品从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时 间间OB。 4、调整保留时间、调整保留时间（adjusted retention time） tR=tR-tm 某组分由于溶解或吸附与固定相，比不溶解或不被吸某组分由于溶解或吸附与固定相，比不溶解或不被吸 附的组分在色谱柱中多只溜的时间。附的组分在色谱柱中多只溜的时间。 气相色谱基本术语 15实用内

11、容 三.气相色谱仪工作原理 气相色谱分离是利用试样中各组分在色谱柱中 的气相和固定相间的分配系数不同，当汽化后的 试样被载气带入色谱柱中运行时，组分就在其中 的两相间进行反复多次（103106）的分配（吸附- -脱附-放出）由于固定相对各种组分的吸附能力 不同（即保存作用不同），因此各组分在色谱柱 中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，变彼 此分离，顺序离开色谱柱进入检测器，产生的离 子流信号经放大后，在记录器上描绘出各组分的 色谱峰。 16实用内容 四.气相色谱仪的工作过程 17实用内容 五.气相色谱仪的组成 气路系统 进样系统 分离系统 温控系统 监测记录系统 18实用内容 气路系统 气路

12、系统是指流动相连续运行的密闭管路系统。它包 括气源、净化器（净化剂有活性炭、硅胶、分子筛） 气体流速控制和测量装置。通过该系统可获得纯净的、 流速稳定的载体（氮气、氦气、氢气）。 返回 19实用内容 进样系统 进样系统包括进样装置和气化室 （液体样品在进柱之前必须在气化 室内变成蒸气）。 作用：是把待侧样品（气体或液体） 快速而定量的加到色谱柱中进行色 谱分离。 返回返回 20实用内容 分离系统 色谱仪的分离系统是色谱柱（填充柱、毛细管柱）。 气相色谱仪 21实用内容 色谱柱 气相色谱分析中，某组分的完全分离取决于色谱 柱的效能和选择性，后者取决于固定相的选择性。 一、气一、气固色谱固定相固色

13、谱固定相 气-固色谱法中常用固定相 非极性活性炭-永久性气体,低沸点烃类 弱极性氧化铝-烃类及有机异构物 强极性硅 胶-永久性气体及低级烃 22实用内容 1、载体 （担体） 载体应是一种化学惰性、多孔型的固体颗粒，它的 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。对载体的要求： 表面是化学惰性的，表面没有吸附性或很弱，更不 能与被测物起化学反应； 多孔性，即表面积大，使固定液与试样接触面大； 热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎； 对担体粒度的要求：均匀，细小（过细柱压增大） 二、气液色谱固定相二、气液色谱固定相 23实用内容 A、对固定液的要求 挥发性小

14、 操作温度下有较低蒸气压，以免流失； 热稳定性好 操作温度下不发生分解； 对试样各组分有适当的溶解能力。 具有高的选择性 对沸点相同或相近的不同物质有 尽可能高的溶解能力； 化学稳定性好 不与被测物质起化学反应。 2、固定液、固定液 24实用内容 固定液选择相似相溶原理 选择固定液的基本原则： 分离非极性物质 选用非极性固定液 甲基硅油 , 被分离组分和固定 液之间的作用力是色散力。各组分按沸点顺序先后流出 色谱柱。沸点低的组分先流出，沸点高的组分后流出。 如果被分离组分是同系物，由于色散力与分子量成正比， 各组分按碳顺序分离。 B、固定液的选择 25实用内容 分离强极性样品分离强极性样品 选

15、用强极性固定液选用强极性固定液，氧二丙睛，聚丙二醇己二氧二丙睛，聚丙二醇己二 酸等。被分离组分和固定液之间的作用力主要是取向力酸等。被分离组分和固定液之间的作用力主要是取向力 （定向力），这时试样中的各组分主要按极性顺序分离，（定向力），这时试样中的各组分主要按极性顺序分离， 极性小的物质先流出色谱柱，极性大的后流出。极性小的物质先流出色谱柱，极性大的后流出。 分离极性和非极性混合物时分离极性和非极性混合物时 可选用非极性固定液也可选用极性固定液，应视组分的可选用非极性固定液也可选用极性固定液，应视组分的 性质而定。如果沸点为主要矛盾，则应选用非极性；若性质而定。如果沸点为主要矛盾，则应选用非

16、极性；若 极性差别为主，应选极性固定液。极性差别为主，应选极性固定液。 26实用内容 分离中等极性样品 选择中等极性固定液邻苯二甲酸二壬酯、聚乙二醇 己二酸、甲基硅油。被分离组分和固定液分子之间的作用 力是色散力和诱导力，组分按沸点顺序分离。 对于能形成氢键的组分 一般选用强极性和氢键型固定液，多元醇固定液。此时 样品中各组分按和固定液之间形成氢键能力大小的顺序分 离，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的后流出。 对于复杂的难分离的物质，可以选用两种或两种以上的 混合物固定液。 27实用内容 固定液的性质对分离是起决定作用的。一 般来讲，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

17、越多。 固定液量太低，液膜越薄，允许的进样量也 就越少 固定液用量根据具体情况决定。 固定液的配比（固定液与担体质量比）： 一般用5：100到25：100，也有低于5：100的。 3、固定液的性质和用量、固定液的性质和用量 返回 28实用内容 温控系统 温控系统是指对气相色谱的气化室、色 谱柱和检测器进行温度控制。 色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升 温。 气化室温度比柱温高10500C 检测器温度与柱温相同或略高于柱温， 以防止样品在检测器冷凝。 返回 29实用内容 检测记录系统 检测记录系统包括：检测器、放大器 和记录仪。 毛细管柱具有柱容量小，出峰快的特 点。 固定相的选择一般可按“相似

18、相溶” 原则来选择固定液。 30实用内容 气相色谱的检测器 浓度型检测器浓度型检测器 热导池检测器热导池检测器(TCD) 电子捕获检测器（电子捕获检测器（ECD) 质量型检测器质量型检测器 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器(FID) 火焰光度检测器火焰光度检测器(FPD) 浓度型检测器：浓度型检测器：测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即 检测器的响应值和组分浓度成正比。 质量型检测器：质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度 变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的 质量成正比 。 31实用内容 1、热导池的结构、热导池的结构 双臂热导池 四臂热导池 一、热导池检测

19、器一、热导池检测器 （thermal conductivity detector）TCD表示表示 热导池由池体（不锈钢块）和热敏元件（铼钨合金热导池由池体（不锈钢块）和热敏元件（铼钨合金 ）构成）构成 。 双臂热导池：一臂参比池；一臂测量池双臂热导池：一臂参比池；一臂测量池 四臂热导池：两臂是参比；两臂是测量四臂热导池：两臂是参比；两臂是测量 32实用内容 2、热导池检测的基本原理、热导池检测的基本原理 将电桥在未通入试样与通入试样后平衡性的差异（以电位差的形式 来表现）记录下来，得到色谱峰，反映待测物浓度。 33实用内容 （1）桥路工作电流 一般桥路电流控制在100200mA左右。 氮气作载

20、气100150mA 氢气作载气150200mA （2）热导池温度的影响 一般池体温度不应低于柱温。 3、影响热导池检测器灵敏度的因素、影响热导池检测器灵敏度的因素 34实用内容 （3）载气的影响）载气的影响 载气与试样的热导数相差越大，则灵敏度越高。载气与试样的热导数相差越大，则灵敏度越高。 一般选择热导系数大的载气一般选择热导系数大的载气：H2、He（灵敏度较（灵敏度较 高）。高）。 （4）热敏元件阻值的影响）热敏元件阻值的影响 选择阻值高、电阻温度系数大的热敏元件（钨丝）选择阻值高、电阻温度系数大的热敏元件（钨丝） （5）热导池的死体积较大，灵敏度较低）热导池的死体积较大，灵敏度较低 应使

21、用具有微型池体（应使用具有微型池体（2.5L）的热导池。）的热导池。 35实用内容 二、氢火焰离子化检测器二、氢火焰离子化检测器（flame ionization detector）FID 对含碳有机化合物有很高的灵敏度。适用于 痕量有机物的分析。 特点：结构简单、灵敏度高、响应块、稳定性好、 死体积小、线性范围宽。 36实用内容 1、氢火焰检测器的结构、氢火焰检测器的结构 离子化室、火焰喷嘴、一对电极、外罩 37实用内容 2、氢焰检测器作用原机理、氢焰检测器作用原机理 A A区：预热区区：预热区 B B层：点燃火焰层：点燃火焰 C C层：热裂解区：层：热裂解区： 温度最高温度最高 D D层：

22、反应区层：反应区 (1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴 喷出进入火焰时，在C层发生裂解 反应产生自由基 ： CnHm CH (2)产生的自由基在D层火焰中与外 面扩散进来的激发态原子氧或分 子氧发生如下反应： CH + O CHO+ + e 38实用内容 (3)生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子 离子反应： CHO+ + H2O H3O+ + CO (4)(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作 用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）； (5) 在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分 质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。

23、 (6) 组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳 原子被电离。 (7)离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成 正比的色谱流出曲线 39实用内容 （1）气体流量 载气流量 一般用氮气作载气，最佳载气流速 氢气流量 氢气流量与载气流量之比影响氢火焰的 温度及火焰中的电离过程。 H2：N21：11：1.5（最佳氢氮比） 空气流量 空气是助燃气 空气流量高于某一数值（400mLmin-1）对影响值 几乎没有影响。 一般 H2：空气1：10 3、操作条件选择、操作条件选择 40实用内容 （3）极化电极 极化电压的大小直接影响响应值。 一般选100V300V （4）使用温度 氢焰检测器

24、的温度不是主要影响因素 80200灵敏度几乎相同。 80以下灵敏度显著下降。（水蒸气冷凝所致） 41实用内容 三、电子捕获检测器（三、电子捕获检测器（electron capture detector 它是一种具有选择性，高灵敏度的浓度型检测器。 它对具有电负性的物质（卤素、硫、磷、氮、氧）有响应，电 负性越强，灵敏度越高。 能检测10-14gmL-1物质。 电子捕获型检测器结构 42实用内容 进入检测器的载气在放射源的照射下发生电离， 产生的各种离子在恒定电场的作用下形成恒定的基流。 当有电负性较大的试样进入时，会捕获带正电的离子， 而使基流降低，形成倒峰，组分浓度越高，倒峰愈大。 电子捕获

25、型检测器，高灵敏度，高选择性，常用于 痕量的具有特殊官能团的组分分析。食品，农副产品中 农药残留量分析；大气、水中痕量污染物分析。 注意：载气纯度应在4个9以上。 线性范围较宽 103左右 进样量不可超载。 43实用内容 四.火焰光度检测器 (flame photometric detector FPD) 气相色谱仪用的一种对含磷、含硫化合物有高选择型、高灵敏度的 检测器。试样在富氢火焰燃烧时，含磷有机化合物主要是以HPO碎片的 形式发射出波长为526nm的光，含硫化合物则以S2分子的形式发射出波 长为394nm的特征光。光电倍增管将光信号转换成电信号，经微电流放 大纪录下来。此类检测器的灵敏

26、度可达几十到几百库仑/克，最小检测 量可达10-11克。同时，这种检测器对有机磷、有机硫的响应值与碳氢 化合物的响应值之比可达104，因此可排除大量溶剂峰及烃类的干扰， 非常有利于痕量磷、硫的分析，是检测有机磷农药和含硫污染物的主 要工具。 44实用内容 检测器的性能指标检测器的性能指标 要求：响应快、灵敏度高、稳定性好、线性范围宽。 1、灵敏度（响应值或应答值）、灵敏度（响应值或应答值） 一定浓度或一定质量 的试样进入检测器后，就产 生一定的相应信号R。如果 以进样量Q对检测器作图， 就可得到一直线。 图中直线的斜率就是检测器 的灵敏度。 Q R S 45实用内容 2、检出限、检出限D（de

27、tection limit） 检出限也称敏感度。是指检测器恰能产生和噪声相 鉴别的信号时，在单位体积或时间需向检测器进入的 物质质量（单位为g） 通常认为恰能鉴别的响应信号重力应等于检测器噪 声的3倍。 检出限以D表示，则可定义为 N为检测器噪声，指由于各种因素所引起的基线在段时 间内左右偏差值（单位mv），S为检测器的灵敏度。 一般；D值越小说明仪器越敏感。 S N D 3 46实用内容 要求检测器能够迅速的和真实的反应通过 它的物质的浓度变化情况，即要求相应速度快。 检测器体积要小，电路系统的滞后现象尽 可能小，一般小于1s，记录仪的全行程时间要 （1s）。 3、响应时间（、响应时间（re

28、sponse time） 47实用内容 六六.分离操作条件的选择分离操作条件的选择 1、载气及其流速的选择、载气及其流速的选择 Cu u B AH 用在不同流速下测得的塔板高 度H对了流速u作图，得Hu 曲线图（图2-7） 曲线的最低点，塔板高度H最小。 此时，柱效最高。该点所对应的 流速为最佳流速u最佳。 一般采用稍高于最佳流速的10% 作为载气流速 2-7 塔板高度与载气流速的关系 48实用内容 2、柱温的选择、柱温的选择 柱温：重要的操作变数，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温度，否则挥发流失。 柱温选择的原则： 在使最难分离的组分能尽可能好的分离前提下，尽可能采取 较低的柱温，但以保留的时间为宜，峰形不脱尾为度。 对于高沸点混合物（300400）希望在较低温度下进行 （低于沸点100200）分析柱温：重要的操作变数，直接 影响分离效能和分析速度 。 49实用内容 沸点不太高的混合物（200300）可在中等柱 温下进行，固定液质量分数510柱温比平均沸 点低100。 沸点在100200的混合物，柱温可选在其平均 沸点2/3左右