气相色谱(GC)基础知识——基本原理PPT课件

1、10-1 色谱法引论色谱法引论一一 概述概述 “色谱法色谱法” 名称的由来名称的由来石油醚石油醚(流动相流动相)碳酸钙碳酸钙( (固定相固定相) )色色谱谱带带是利用混合物不同组分在是利用混合物不同组分在和和中分配系数中分配系数(或吸附系数、渗透或吸附系数、渗透性等性等)的差异，使不同组分在作相对的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。离的分析方法。色谱法色谱法 色谱法的分类色谱法的分类根据流动相的根据流动相的物态可分为物态可分为气相色谱气相色谱(GC)液相色谱液相色谱(LC)超临界流体色谱超临界流体色谱(SFC)根据固定相的外形

2、分根据固定相的外形分柱色谱柱色谱平板色谱平板色谱平平 板板 色色 谱谱根据分离机理根据分离机理可分为可分为吸附色谱吸附色谱分配色谱分配色谱离子交换色谱离子交换色谱排阻色谱排阻色谱二二 色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语( (一）保留值一）保留值定性定性1 死时间死时间t00tLu 流动相流动相平均线速度平均线速度柱长柱长2 保留时间保留时间tr3 校正校正(调整调整)保留时间保留时间4 死体积死体积V0cFtV 005 保留体积保留体积VrcrrFtV 6 校正校正(调整调整)保留体积保留体积7 相对保留值相对保留值ri,s8 分离因子分离因子( (二）峰高与峰面积二）峰高与峰面积定

3、量定量（三）区域宽度（三）区域宽度柱效柱效峰底宽度峰底宽度W半峰宽半峰宽W1/2标准偏差标准偏差 35. 242/1WW( (四）色谱流出曲线上的信息四）色谱流出曲线上的信息1 根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。组份数。2 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。3 根据色谱峰的面积或峰高根据色谱峰的面积或峰高, 可以进行定量分可以进行定量分析析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，是评价固定相色谱峰两峰间的距离，是

4、评价固定相(或流动或流动相相)选择是否合适的依据。选择是否合适的依据。三三 色谱分析的基本原理色谱分析的基本原理组分保留时间为何不同？组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？色谱峰为何变宽？( (一）分配系数一）分配系数K和分配比和分配比kmsccK 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1 分配系数分配系数组分一定时，组分一定时，K主要取决于固定相性质主要取决于固定相性质组分及固定相一定时组分及固定相一定时, ,温度增加温度增加, ,K减小减小试样中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础值是分离的基础选择适宜的固定相可改善分离效果选

5、择适宜的固定相可改善分离效果影响影响K的因素的因素 固定相固定相温度温度2 分配比分配比(容量因子容量因子)kmsmmk 组分在固定相中的质量组分在固定相中的质量 组分在流动相中的质量组分在流动相中的质量K与与k都是与组分及固定相的热力学性质有都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数。关的常数。K与与k k都是衡量色谱柱对组分保留能力的参都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。数，数值越大，该组分的保留时间越长。k k可直接从色谱图上获得。可直接从色谱图上获得。3 分配系数分配系数K与分配比与分配比k的关系的关系smmmssmsVVkVmVmccK /4 分离因子分

6、离因子与与分配系数分配系数K及及分配比分配比k的关系的关系( (二）色谱理论二）色谱理论1 塔板理论塔板理论柱分离效能指标柱分离效能指标* k=1222/11654. 5 WtWtnrrnLH 理论塔板数理论塔板数理理论论塔塔板板高高度度色谱柱长度色谱柱长度当色谱柱长度一定时，塔板数当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大越大( (塔板高度塔板高度 H 越小越小) )，被测组分在柱内，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能越高，所被分配的次数越多，柱效能越高，所得色谱峰越窄。得色谱峰越窄。222/11654. 5 WtWtnrreffeffeffnLH 不同物质在同一色谱柱上的分配系数不不同物质在

7、同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。柱效能的指标时，应指明测定物质。有效塔板数有效塔板数有效板高有效板高2 速率理论速率理论影响柱效的因素影响柱效的因素CuuBAH 流动相流动相线速度线速度范弟姆特方程范弟姆特方程1) 涡流扩散项涡流扩散项ApdA 2 固定相颗粒越小，填充的越均匀固定相颗粒越小，填充的越均匀A越小，越小，H越小，柱效越高，色谱峰越窄。越小，柱效越高，色谱峰越窄。2) 分子扩散项分子扩散项B/u(纵向扩散项纵向扩散项)gDB 2 流动相流动相柱内谱带构型柱内谱带构型相应的响应信号相应

8、的响应信号产生原因：产生原因：浓度梯度浓度梯度影响因素：影响因素：流动相流速；流动相流速；气体扩散系数气体扩散系数)1(载载气气MDg 3) 传质阻力项传质阻力项CuuCuCCulg gpgDdkkC222)1(01. 0 气相传质阻力气相传质阻力固定相颗粒越小，载气分子量越小固定相颗粒越小，载气分子量越小气相传质阻力越小气相传质阻力越小lflDdkkC22)1(32 液相传质阻力液相传质阻力固定液粘度及液膜厚度越小固定液粘度及液膜厚度越小液相传质阻力越小液相传质阻力越小4) 流动相线速度对板高的影响流动相线速度对板高的影响CuuBAH 例例1：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的：已知一色谱柱

9、在某温度下的速率方程的A=0.08cm; B=0.65cm2/s; C=0.003s, 求最佳线速求最佳线速度度u和最小塔板高和最小塔板高H. 解解: H=A+B/u+Cu欲求欲求 u最佳和最佳和H最小最小,要对速率方程微分要对速率方程微分,即即 dH/dud(A+B/u+Cu)/du-B/u2+C0最佳线速最佳线速: u最佳最佳(B/C)1/2 (0.65/0.003)1/214.7cm/s最小板高最小板高: H最小最小A+2(BC)1/2 0.08+2(0.650.003)1/20.17cm四四 分离度分离度)WW()tt (2)WW(21ttR211r2r211r2r 定义：定义：tr2

10、, tr1: 组分组分2和组分和组分1的保留时间的保留时间W2, W1: 组分组分2和组分和组分1的峰底宽度的峰底宽度R=1.5完全分离完全分离五五 基本色谱分离方程式基本色谱分离方程式)(212112WWttRrr 对于难分离相邻两组分：对于难分离相邻两组分：W1W2WWttWttRrrrr1212 22162 Wtnreff反映柱效，则有反映柱效，则有若以组分若以组分222122211616 RtttRnrrreffRttWrr12 P185 (10-12)22220222221 kktttttnnrrrreff 11422kknR 14 effnR分离度与分离度与k、n及及 的关系的关系

11、 k从从1增加到增加到3，R增加到原来的增加到原来的1.5倍倍 (k: 2-7) n增加到原来的增加到原来的3倍倍，R增加到原来的增加到原来的1.7倍倍 从从1.01增加到增加到1.1，增加约增加约9，R增增 加到原来的加到原来的9倍倍 结论结论选择合适的固定相选择合适的固定相(流动相流动相)以增加以增加 是改善分离度最有效的方法是改善分离度最有效的方法 1) 各组分的分配系数必须不同。这一条件各组分的分配系数必须不同。这一条件通过选择合适的固定相来实现。通过选择合适的固定相来实现。2) 区域扩宽的速度应小于区域分离的速度，区域扩宽的速度应小于区域分离的速度，即色谱柱的柱效要高。即色谱柱的柱效

12、要高。3) 在保证快速分离的前提条件下，色谱柱在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。应足够长。使试样中的不同组分分使试样中的不同组分分离需要满足的条件离需要满足的条件例例1：有一根有一根 l m长的柱子，分离组分长的柱子，分离组分1和和2得到如下色谱图。图中横坐标得到如下色谱图。图中横坐标l为为记录笔走记录笔走纸距离。若欲得到纸距离。若欲得到 R=1.2的分离度，有效塔的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？板数应为多少？色谱柱要加到多长？22116 Rneff需需要要解法解法11 . 154554912 rrtt R=1.2,)(278811 . 11 . 12 . 11622

13、块块需要需要 effn1) 14 effnR2)需需要要原原来来需需要要原原来来LLnneffeff effeffHnL 原来原来需要需要原来原来需要需要effeffnnLL )(1239545491616222块块原来原来 Wtneff)(25. 2123927881mL 需需要要8 . 054549 原原R解法解法2)(25. 28 . 02 . 112mL需需要要 需要需要原来原来需要需要原来原来需要需要原来原来LLRRnneffeff2 1) 同解法同解法12)22116 Rneff10-2 气相色谱实验技术气相色谱实验技术一一 气相色谱仪气相色谱仪GC工作过程工作过程载气系统载气系统

14、进样系统进样系统分离系统分离系统检测和检测和记录系统记录系统温控系统温控系统（一）载气系统（一）载气系统常用载气：常用载气：氮气、氦气、氢气及氩气氮气、氦气、氢气及氩气气源气源净化干燥管净化干燥管载气流速控制装置载气流速控制装置 载气系统载气系统载气选择依据载气选择依据检测器检测器柱效柱效 （二）进样系统（二）进样系统注射器注射器气化室气化室进样系统进样系统 进样器进样器气化室气化室温度比柱温高温度比柱温高出出1050取样位置取样位置 试样导入色谱柱试样导入色谱柱六通阀进样器六通阀进样器（三）分离系统（三）分离系统(色谱柱色谱柱)g g 1 气液色谱固定相气液色谱固定相 组成组成担体担体(载体

15、载体)固定液固定液硅藻土硅藻土红色红色白色白色非硅藻土非硅藻土 1) 担体担体(载体载体)对载体的要求对载体的要求 具有多孔性，即比表面积大。具有多孔性，即比表面积大。 化学惰性，表面没有活性，有较好的化学惰性，表面没有活性，有较好的浸润性。浸润性。 热稳定性好。热稳定性好。 有一定的机械强度，使固定相在制备有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。和填充过程中不易粉碎。SiOHO SiOHSiCH3CH3ClCl+Si O SiSiCH3CH3OO+ HCl 担体的表面处理担体的表面处理a. 酸洗酸洗浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团b. 碱洗碱洗氢氧化钾甲

16、醇溶液浸泡，除去酸氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去酸 性作用性作用基团基团c. 硅烷化硅烷化除去担体表面的氢键作用力除去担体表面的氢键作用力二甲基二甲基二氯硅二氯硅烷烷2) 固定液固定液高沸点的有机化合物高沸点的有机化合物 对固定液的要求对固定液的要求 热稳定性好，在操作温度下不发生聚合、分热稳定性好，在操作温度下不发生聚合、分解等反应；具有较低的蒸气压，以免流失。解等反应；具有较低的蒸气压，以免流失。 化学稳定性好，不与样品或载气发生不可逆化学稳定性好，不与样品或载气发生不可逆的化学反应。的化学反应。 粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。布。 对样品中的

17、各组分有适当的溶解度。对样品中的各组分有适当的溶解度。(填充填充柱柱 ，毛细管柱，毛细管柱 )15. 1 08. 1 组分与固定液分子间的相互作用组分与固定液分子间的相互作用 静电力极性分子之间的作用力静电力极性分子之间的作用力 诱导力极性与非极性分子之间的作用力诱导力极性与非极性分子之间的作用力 色散力非极性分子之间的作用力色散力非极性分子之间的作用力 氢键力氢原子与电负性很大的原子氢键力氢原子与电负性很大的原子(如如F、O、N等等) 之间的作用力之间的作用力 固定液的相对极性固定液的相对极性P)()(lg)()(lg正丁烷正丁烷丁二烯丁二烯或或环己烷环己烷苯苯rrrrttqttq 角角鲨鲨

18、烷烷氧氧二二丙丙腈腈:2;, :1 )()(100100211qqqqPxx 固定液的选择原则固定液的选择原则“相似相溶相似相溶”a. 非极性物质非极性物质非极性固定液非极性固定液。 沸点沸点越低的组分越早出峰。越低的组分越早出峰。b. 极极性物质性物质极性固定液极性固定液。 极性极性越小的组分出越早出峰。越小的组分出越早出峰。c. 极极性与非极性混合物性与非极性混合物极性固定液极性固定液。 极性越小的组分出越早出峰。极性越小的组分出越早出峰。d. 易易形成氢键物质形成氢键物质极性或氢键型固定液。极性或氢键型固定液。 不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组

19、分后出峰。的组分后出峰。e. 复杂难分离样品复杂难分离样品多种固定液混合多种固定液混合常用毛细管色谱柱固定液常用毛细管色谱柱固定液2 气固色谱固定相气固色谱固定相永久性气体永久性气体惰性气体惰性气体低沸点有机化合物低沸点有机化合物分离对象分离对象分离测定有机物中的痕量水分离测定有机物中的痕量水高分子多孔微球高分子多孔微球硅胶强极性硅胶强极性氧化铝弱极性氧化铝弱极性活性炭非极性活性炭非极性分子筛分子筛强极性强极性高分子多孔微球高分子多孔微球(GDX)固体吸附剂固体吸附剂(四四) 检测系统检测系统1 热导池检测器热导池检测器 (TCD)参比参比测量测量R1R2ABR1*R参比参比=R2*R测量测量

20、只有载气通过时只有载气通过时载气载气+组分组分R1*R参比参比R2*R测量测量利用载气与组分热导系数的差异进行测量利用载气与组分热导系数的差异进行测量载气对载气对热导检测器灵敏度的影响热导检测器灵敏度的影响某些气体与蒸气的热导系数某些气体与蒸气的热导系数/10-4J(cms)-1影响热导检测器灵敏度的因素影响热导检测器灵敏度的因素载气种类；载气种类；热丝工作电流；热丝工作电流；热丝与池体温度差。热丝与池体温度差。适用范围适用范围 测量对象：通用测量对象：通用 色谱柱：填充柱色谱柱：填充柱 2 氢氢火焰离子化检测器火焰离子化检测器 (FID) CH6HC66裂解裂解 CHO6e6O3CH62 O

21、H6CO6OH6CHO632火焰离子化机理火焰离子化机理 适用范围适用范围 含碳有机化合物含碳有机化合物 影响检测灵敏度的因素影响检测灵敏度的因素氢氮比；空气流量；极化电压。氢氮比；空气流量；极化电压。3 电子捕获检测器电子捕获检测器 (ECD) eNN22 ABeABABNNAB22 电子电子捕获机理捕获机理 适用范围适用范围 卤素及亲电子物质卤素及亲电子物质饮用水中三卤甲烷色谱图饮用水中三卤甲烷色谱图水水氯氯氯仿氯仿二氯溴甲烷二氯溴甲烷二溴氯甲烷二溴氯甲烷溴仿溴仿4 火焰光度检测器火焰光度检测器 (FPD) 222SOCOO2RS S2OH4H4SO222 *2C390SSS )nm394

22、(hSSmax*2 )nm526(hHPOHPOmax* 响应机理响应机理 适用范围适用范围 含硫、磷化合物含硫、磷化合物含磷化合物含磷化合物含硫化合物含硫化合物三三九九一一一一乙乙拌拌磷磷地地亚亚农农倍倍硫硫磷磷对对硫硫磷磷丙丙硫硫磷磷乙乙硫硫磷磷乙乙丙丙硫硫磷磷谷谷硫硫磷磷壤壤虫虫磷磷丰丰索索磷磷蝇蝇毒毒磷磷马马拉拉硫硫磷磷一一0五九五九5 质谱检测器质谱检测器毛毛细细管管柱柱接口接口离子源离子源离子检测器离子检测器加加热热器器温温度度传传感感器器6 原子发射光谱检测器原子发射光谱检测器二二 色谱分离操作条件的选择色谱分离操作条件的选择1. 色谱色谱柱柱固定相；固定相；固定液液膜厚度；固定

23、液液膜厚度；柱长等柱长等检测器检测器载气载气柱柱效效u 较小时，选择分子量较较小时，选择分子量较大的载气（大的载气（N2，Ar）；）；u 较大时，选择分子量较较大时，选择分子量较小的载气小的载气(H2，He) u的选的选择择3. 的选择的选择改变柱温产改变柱温产生的影响生的影响柱柱效效增加柱温可加快气增加柱温可加快气相、液相的传质速相、液相的传质速率，有利于降低塔率，有利于降低塔板高度，改善柱效；板高度，改善柱效；但同时又会加剧纵但同时又会加剧纵向扩散，从而导致向扩散，从而导致柱效下降。柱效下降。 分离度分离度柱温升高，柱温升高， K 减小，分离度减小，分离度下降。下降。分析时间分析时间降低柱

24、温，分析降低柱温，分析时间增加时间增加 柱温应控制在固定液的柱温应控制在固定液的最高使用温度最高使用温度和和最低使用温度范围之内。最低使用温度范围之内。 使最难分离的组分有尽可能好的分离前使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。间适宜，峰形不拖尾为度。 柱温一般选择在组分平均沸点左右。柱温一般选择在组分平均沸点左右。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。温。选择原则选择原则程序升温程序升温50250，8/min恒温恒温150 正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较正构烷烃恒温和程

25、序升温色谱图比较程序升温不仅可以改善分离，而且可程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。以缩短分析时间。 4. 进样量的选择进样量的选择 进样量进样量柱柱效效进样量过大，使色进样量过大，使色谱柱超载，柱效急谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽剧下降，峰形变宽检测器检测器 进样量过大，峰高进样量过大，峰高或峰面积与进样量或峰面积与进样量的线性关系被破坏的线性关系被破坏 进样量应控制在柱容量允许范围进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内及检测器线性检测范围之内10-3 气相色谱分析方法及应用气相色谱分析方法及应用一一 定性分析定性分析1 用已知纯物质用已知纯物质 对照定性对照定性

26、保留值定性保留值定性峰高增加法定峰高增加法定性性 (1) 经验规律经验规律碳数规碳数规律律在一定温度下，在一定温度下，的调整保留时间的的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系对数与分子中碳数成线性关系)3(lg nCAntr如果知道两种或更多同系物的调整保留时间，则如果知道两种或更多同系物的调整保留时间，则可求出常数可求出常数A和和C。从色谱图查出未知物的。从色谱图查出未知物的 后，后，根据上式即可求出未知物的碳数。根据上式即可求出未知物的碳数。rt(2) 相对保留值相对保留值(3) 保留指数保留指数lglglglg100)()1()()(ZrZrZrxrxttttZI Z, Z+1:正构烷

27、烃的碳原子数正构烷烃的碳原子数进样)(xrt)(Zrt)1( Zrt例：乙酸正丁酯在阿皮松例：乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲线如下柱上的流出曲线如下图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正丁酯丁酯310.0 mm，正庚烷，正庚烷174.0 mm，正辛烷，正辛烷373.4 mm。求乙酸正定酯的保留指数。求乙酸正定酯的保留指数。6 .7750 .174lg4 .373lg0 .174lg0 .310lg7100 xI在与文献值对照时，一在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知等

28、。而且要用几个已知组分进行验证。组分进行验证。 联机定性联机定性GC/MS(气相色谱气相色谱- -质谱质谱) )例：川桂皮挥发油的化学成分分析例：川桂皮挥发油的化学成分分析色谱柱：色谱柱：SE54(30m0.25mm0.25m) 色谱操作条件色谱操作条件载气：氦气，流速载气：氦气，流速1mL/min柱温：初温柱温：初温60保持保持1min，8 /min升温至升温至150 ，6 /min升温至升温至190 ，8 /min升升温至温至250 ，保持，保持1min总离子流色谱图总离子流色谱图6号峰的质谱图号峰的质谱图GC/AES(气相色谱原子发射光谱气相色谱原子发射光谱)二甲基硒二甲基硒烯丙基甲基硒

29、烯丙基甲基硒甲基亚磺基硒酸甲酯甲基亚磺基硒酸甲酯二甲基二硒二甲基二硒2丙稀硫硒酸甲酯丙稀硫硒酸甲酯 1丙稀硫硒酸甲酯丙稀硫硒酸甲酯 双双(甲硫甲硫)硒硒烯丙基甲基烯丙基甲基硫硫二甲基二硫二甲基二硫二烯丙基硫二烯丙基硫烯丙基甲基二硫烯丙基甲基二硫二甲基三硫二甲基三硫二烯丙基二硫二烯丙基二硫烯丙基甲基三硫烯丙基甲基三硫二烯丙基三硫二烯丙基三硫GC-AES同时检测大蒜中碳、硫、硒化合物同时检测大蒜中碳、硫、硒化合物Se(196.1 nm)C(193.1 nm)S(180.7 nm)4 几种方法联合定性几种方法联合定性质谱和保留指数两种鉴定方法的结果质谱和保留指数两种鉴定方法的结果例：缬草挥发油化学成

30、分的研究例：缬草挥发油化学成分的研究多种方法联合定性可大大提高鉴定的可靠性多种方法联合定性可大大提高鉴定的可靠性二二 定量分析定量分析1 定量基础定量基础iiiAfm )(峰面积峰面积iiihfm )(峰峰高高或或ississiisiiAmAmAmAmfff /单位峰面积单位峰面积(或单位峰高或单位峰高)的组分的量的组分的量定量校正因定量校正因子子相对校正因子相对校正因子2 常用的几种定量分析方法常用的几种定量分析方法(1)归一化法归一化法%1002211 nniiiAfAfAfAfC试样中所有组分试样中所有组分均须出峰均须出峰要求要求操作条件如进样量、载气流速等操作条件如进样量、载气流速等变化时对结果的影响较小。变化时对结果的影响较小。优点优点C8芳烃异构体归一化定量分析芳烃异构体归一化定量分析(2)外标法外标法(校准曲线法校准曲线法)iiiAfm iiihfm 或或不使用校正因子