气相色谱讲座

1、气相色谱理论（II）陈 开2004年11月23日内容提要n 检测器种类及适用范围n 色谱分离操作条件的选择n 休息n 定性定量分析方法原理n 复习提纲n 讨论检测器种类及适用范围n 检测器的作用n 检测器的类型n 检测器选择的原则n 常用的检测器n 检测器的适用范围检测器的作用n 检测器相当于“眼睛”和“笔”u检测器将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为可量测信号的装置n 样品中不含，还是组分未被检出？u检测器的普适能力n 检测器的选择具有灵敏性和选择性两方面的要求u灵敏性越高，选择性越强是衡量检测器选择的标准检测器的类型n 浓度型检测器u 测量组分浓度的变化u 响应值与组分的浓度成正比，比如TC

2、D n 质量型检测器u 测量组分质量流速的变化u 响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比，比如FIDn 普适型检测器：u 对所有物质有响应，比如TCDn 专属型检测器：u 对特定物质有高灵敏响应，比如ECDCR dtdwR 检测器选择的原则n 理想的检测器u较高的灵敏性u稳定、重现性好u非破坏性u普适性：对所有的组分响应程度近似u选择性u较宽的响应线性范围n 实际运用中，我们只能在上述指标中寻找一种平衡。检测器的性能指标n 噪声与漂移u 噪声：无样品通过时，由仪器本身和工作条件等偶然因素引起基线的起伏称为噪声u 漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为漂移n 灵敏度u 响应值，应答值u 浓

3、度型：1ml载气带入1mg样品所产生的信号强度u 质量型：1s带入1mg样品所产生的信号强度u 灵敏度越高，仪器性能越好n 检测限u 组分峰高为噪音二倍时的灵敏度u 检出限越小，仪器性能越好n 线性度和线性范围u 线性度：检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。u 线性范围：检测器在线性工作时，被测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比。常用的检测器n 火焰离子化检测器FID：flame ionization detectorn 热导检测器TCD：thermal conductivity detectorn 电子俘获检测器ECD：electron capture dete

4、ctorn 氮磷检测器NPD：nitrogen phosphor detectorn 光离子化检测器PID: photoionization detectorn 火焰光度检测器FPD：flame photometric detectorn 原子散射检测器AED: atomic emission detectorn 傅立叶变换红外检测器FTIRD: fourier transform infared detector n 质谱检测器MSD：mass spectrometry detector火焰离子化检测器FIDn 一般用的是氢火焰u原理是在氢火焰燃烧时，在火焰的上方会有一个温度很高的区域，样品

5、在这个区域被离子化，形成一些正负离子，在火焰的周围加上一个电场，让离子定向移动，形成电流，经过一系列放大后得到放大信号，也就是检测到的信号。n 特点：质量型检测器n 优点：专属型检测器（只能测含C有机物）u灵敏度高（ TCD）u响应快u线性范围宽n 缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回收（制备纯物质，不采用）火焰离子化检测器FID火焰离子化检测器FIDn 载气的选择：u载气N2气u燃气H2气u助燃气空气n 影响火焰离子化检测器灵敏度的因素 u各种气体流速和配比的选择pN2流速的选择主要考虑分离效能 pN2 : H2 = 1 : 11 : 1.5p氢气 : 空气=1 : 10u极化电压p正常极化电压

6、选择在100300V范围内热导检测器TCDn 检测原理u不同的气体有不同的热导系数n 特点：浓度型检测器n 优点：u通用型，应用广泛u结构简单u稳定性好u线性范围宽u不破坏组分，可重新收集制备n 缺点：与其他检测器比灵敏度稍低（因大多数组分与载气热导率差别不大）热导检测器TCD热导检测器TCDn 影响热导检测器灵敏度的因素u桥路电流桥路电流I ： I，钨丝的温度 ，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。u池体温度池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体

7、温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。u载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。电子俘获检测器ECDn 高选择性检测器u仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g /mLu对大多数烃类没有响应n 较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定n 以63Ni为放射源n 当电负性强的原子通过时，将俘获放射源发出的电子，故名为“电子俘获检测器”氮磷检测器NPDn 对氮、磷有高灵

8、敏度n 在FID检测器的喷嘴与收集极之间加一个含硅酸铷的玻璃球，含氮、磷化合物在受热分解时，受硅酸铷作用产生大量电子，信号强n 适合于做含氮、磷的有机化合物 光离子化检测器PIDn 原理u 光激发: R + hn n R u 光致离子化:R R+ + e-n 紫外激发源：8.3 11.7 eV ( max = 106 150 nm)n 与化合物的离子化势能有关n 适合于分析芳香族化合物以 及含杂原子的化合物火焰光度检测器FPDn 化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400、520 nm 左右的光谱，可被检测u R R + hn nu S2 S2 + hn n ( max = 394

9、 nm)u HPO HPO + hn n ( max = 510-526 nm)n 该检测器是对含硫磷化合物的高选择性检测器原子散射检测器AEDn 适合于多种原子的同时测定n 等离子激发（微波或者ICP）傅立叶变换红外检测器FTIRDn 第一台用于定性的检测器n 非破坏性检测器质谱检测器MSDn 样品经柱子分离后进入离子源，在离子源中化合物的分子被电子流轰击产生各种碎片离子，生成的碎片离子可用Scan和SIM两种模式进行扫描，质谱仪按照原子质量单位设定的方法进行扫描 n 普适性的检测器n 选择性和灵敏性都很高n 化合物的定性能力很强n 尤其适合于毛细管气相色谱色谱分离操作条件的选择n 分离效果

10、的评价和指标n 色谱柱及使用条件的选择n 载气种类和流速的选择n 其它操作条件的选择分离效果的评价和指标n 塔板理论-柱分离效能指标n 速率理论-影响柱效的因素n 分离度塔板理论色谱柱长：色谱柱长：L L，虚拟的塔板间距离：虚拟的塔板间距离：H H，色谱柱的理论塔板数：色谱柱的理论塔板数：n n，则三者的关系为：则三者的关系为： n n = = L L / / H H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：222116545)()(./bRRWtYtn有效塔板数和有效塔板高度单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。用不同物质计算可得到

11、不同的理论塔板数。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。组分在组分在tM时间内不参与柱内分配。时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：需引入有效塔板数和有效塔板高度：222116545)()(./bRRWtYtn有效有效有效nLHWtYtnbRR222/1)(16)(54. 5塔板理论的特点和不足1.1.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 n 越大越大( (塔板高度塔板高度 H H 越越小小) )，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。高，所得色谱峰越窄。2.2.不同物质在同一色谱柱上的分配

12、系数不同，用有效塔不同物质在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柱效能的指标时，应指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。明测定物质。3.3.柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数的分配系数K K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。无法分离。4.4.塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途

13、径。高柱效的途径。速率理论速率方程（也称范速率方程（也称范.弟姆特方程式）弟姆特方程式）: H = A + B/u + Cu H：理论塔板高度，：理论塔板高度，u：载气的线速度：载气的线速度(cm/s)A涡流扩散项：涡流扩散项： A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径固定相的平均颗粒直径：固定相的填充不均匀因子固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，A，H，柱效n。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。B B/ /u u 分子扩散项：分子扩散项： B = 2 Dg ：弯曲因子，填充柱色谱，1。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）存在着浓度差

14、，产生纵向扩散。扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差。分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散，扩散系数：Dg （M载气）-1/2 ； M载气，B值。C C u u 传质阻力项：传质阻力项： 传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即： C =（Cg + CL）LfLDdC2载气流速与柱效-最佳流速载气流速高时：载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的主要因素，随着流速的提高，柱效下降。载气流速低时：载气流速低时： 分子扩散项成为影响柱效的主要因素，随着流速的增加，柱效提高。H H - - u u曲线与最佳流速：曲线与最佳流速： 由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存

15、在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。速率理论的要点n 被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。n 通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。n 速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。n 各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又

16、加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。分离度 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：保留值之差色谱过程的热力学因素； 区域宽度色谱过程的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示： 柱效较高，K(分配系数)较大,完全分离； K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，K较大,但分离的不好； K小，柱效低，分离效果更差。分离度的表达式R=0.8：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度98%；R=1.5：达99.7%（

17、相邻两峰完全分离的标准）。)(.)()()(/)(/)()()()()()(121221121212699122YYttWWttRRRbbRR令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：161112212121121221211212有效nrrWtttrWtttWttWWttRbbbbbRRRRRRRRRR)()()()()()()()()()()()()()()()(有效有效HrrRLrrRn221212221212116116)()(影响分离的因素22114kknR柱选择项柱选择项柱效项柱效项理理HLnuCuBAH/121212RRttk

18、kKK柱效项及其影响因素n 影响色谱峰的宽窄n 主要取决于色谱柱性能及载气流速nR 因为 Rn所以HnLn1或已知RnHL，或所以nRHRLR1或讨论v 增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段v 提高柱效、改善分离的途径：增加柱长；降低板高v 根据速率理论，降低板高、提高柱效的方法是： 1）采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项 ） 2）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项 ） 3）适宜的操作条件： 流动相的性质和流速，柱温等等（B项 ） 选用分子量较大、线速度较小的载气N2气， 控制较低的柱温柱选择项及其影响因素影响峰的间距 主要受固定相性质，以及柱温影响1R因为R，所以1，无法分离01R的影响

19、都很大微小变化对R一倍R2 . 11 . 1讨论v增大柱选择性是改善分离度的最有力手段v 气相色谱中，柱选择性取决于固定相性质和柱温 选择合适的固定相使与不同组分的作用产生差别才能实现分离 一般说，降低柱温可以增大柱的选择性柱容量项及其影响因素n 影响峰位影响峰位n 主要受固定相用量、柱温和载气流速的影响主要受固定相用量、柱温和载气流速的影响kkR100RkRkkk，1，峰扩张，的影响对时RtRk变慢时，Rkk5RtRkk很少，时，10讨论综合考虑分离度、分离时间和峰检测几项因素 控制k的最佳范围 25GC中，增加固定液用量和降低柱温可以增加 k如何根据具体情况改进分离度色谱柱及使用条件的选择

20、1. 固定相的选择固定相的选择 气液色谱，应根据“相似相溶”的原则分离非极性组分时分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。 分离极性组分时分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。组成复杂、较难分离的试样组成复杂、较难分离的试样，通常使用

21、特殊固定液，或混合固定相。2. 2. 固定液配比（涂渍量）的选择固定液配比（涂渍量）的选择 配比配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比，配比通常在5%25%之间。 配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。 配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。 3. 3.柱长和柱内径的选择柱长和柱内径的选择 增加柱长对提高分离度有利（分离度R正比于柱长L2），但组分的保留时间tR ，且柱阻力，不便操作。 柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。 填充色谱柱的柱长通常为1

22、3米，内径34厘米。4.4.柱温的确定柱温的确定 首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。 柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。 柱温，分离度，分析时间。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。 柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升

23、温。程序升温载气种类和流速的选择1. 1. 载气种类的选择载气种类的选择 载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。 载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。 热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。 在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。2. 载气流速的选择载气流速的选择 作图求出最佳流速。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。其它操作条件的选择1.1.进样方式和进样

24、量的选择进样方式和进样量的选择 液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L等。 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。进样要求动作快、时间短。 气体试样应采气体进样阀进样。2.气化温度的选择气化温度的选择 色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化; 气化温度一般较柱温高30 70 防止气化温度太高造成试样分解。休息（15分钟）定性定量分析方法原理n 定性分析n 定量分析定性分析n 利用保留值定性u已知对照物定性u相对保留值定性u利用保留指数定性n 利用化学反应定性n 利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR已知对照物定性n 利用纯物质定性的方法

25、n 利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。n 利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。相对保留值定性n 利用文献保留值定性n 相对保留值r21：相对保留值r21仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。利用保留指数定性n 保留指数又称Kovats指数（），是一种重现性较好的定性参数n 测定方法u将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100（如正己烷的保留指数为600）u其它物质的保留指

26、数（IX）是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z1个碳原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示保留指数计算方法)lglglglg()()()()()()()(ZttttItttZRZRZRXRXZRXRZR11100利用化学反应定性n 收集柱后组分n 进行官能团反应n 非在线定性鉴别n 必须采用非破坏性的检测器利用两谱联用定性n 小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS）n 色谱-红外光谱仪联用仪n 组分的结构鉴定定量分析n 以峰高或峰面积定量n 峰面积的测量n 定量校正因子 n 定量方法iiiACm)(或定量依据峰面积的测量（1）峰高（h）乘

27、半峰宽（Y 1/2）法：近似将色谱峰当作等腰三角形。此法算出的面积是实际峰面积的0.94倍： A = 1.064 hY1/2 （2）峰高乘平均峰宽法：当峰形不对称时，可在峰高0.15和0.85处分别测定峰宽，由下式计算峰面积： A = h（Y 0.15 + Y 0.85 ）/ 2 （3）峰高乘保留时间法：在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比，对于难于测量半峰宽的窄峰、重叠峰（未完全重叠），可用此法测定峰面积： A = hbtR （4）自动积分和微机处理法定量校正因子定量）（或不可以直接用同一检测器响应不同相同量的不同物质对于不同质对于不同检测器响应前提：相同量的同种物iiiACm两

28、种表示方法iiiiiiAmfAfm关）分性质、仪器灵敏度有绝对校正因子（与组if的量或质量进入检测器中的物质imsiisssiisimimAmAAmAmfffgiwimifff，相对重量校正因子相对摩尔校正因子作条件变化无关）相对校正因子（与操相对校正因子的测定siAAsi和测混匀进样基准物纯品过程：精称保留时间接近与前提：sisiismissiisimmAAfAfAfmm注意事项n 相对校正因子与待测物、基准物和检测器类型有关，与操作条件（进样量）无关n 基准物：TCD苯；FID丁庚烷n 以氢气和氦气作载气测的校正因子可通用n 以氮气作载气测的校正因子与两者差别大定量方法n 归一化法n 外标

29、法 n 内标法 n 内标对比法 归一化法n 特点及要求： u归一化法简便、准确；u进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；u仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。100100121niiiiiniiAfAfmmmmc)(%外标法n 外标法也称为标准曲线法n 特点及要求： u外标法不使用校正因子，准确性较高u操作条件变化对结果准确性影响较大u对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析外标法类型a工作曲线法：i纯品工作曲线，同体积样品与之比较 前提：进入检测器样品量与峰面积成正比 b外标一点法：一种浓度对照物对比样品中待测组分含量前提：截距为0，对照品浓度与待测组分浓度接近c

30、外标两点法：前提：选 取两点对照品的浓度，需涵盖待测浓度 siisiiAACC)()(图示内标法n 内标物要满足以下要求：u试样中不含有该物质；u与被测组分性质比较接近；u不与试样发生化学反应；u出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。试样配制n 准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物mSn 计算式：SsiisiSsiisiAfAfmmAfAfmm;100100100SsiiiSsiiiiiAfAfWmWAfAfmWmc%内标法特点n 内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍许变动对定量结果的影响不大。n 每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合大批量试样的快速分析。n 若将内标法中的试

31、样取样量和内标物加入量固定，则：常数SiiAAc %内标对比法n 已知浓度样品对照法n 配制等量加入内标物的样品溶液和对照品溶液对样对样）（）（sisiiiAAAACC)(%)(sisiiAACfCsisimmmm）纯（）样过程：（sisiffAA和的比值消除利用0的截距为前提：sisiAAmm对对样样）（）（）（）（%isisiiCAAAAC例：内标法测定无水乙醇中微量水分60. 4130. 0065. 1)(065. 121iihWA30. 4187. 0065. 1)(065. 121sshWA%23. 0%10037.792572. 058. 030. 4187. 0065. 155.

32、 060. 4130. 0065. 1%100%2mmfAfAOHsssii复习提纲n 检测器部分n 分离条件部分n 定性定量分析部分检测器部分n 对检测器的选择主要有哪两个方面的要求？u灵敏性u选择性u普适性u非破坏性检测器部分n 根据响应信号和分析物化学量之间的关系，检测器主要分为哪两类？u莫尔型u浓度型u质量型u体积型检测器部分n 评价检测器的性能指标主要有u噪声与漂移u灵敏度u检测限u线性度和线性范围检测器部分n 常用的气相色谱检测器有u火焰离子化检测器u电子俘获检测器u紫外二极管阵列检测器u质谱检测器检测器部分n 火焰离子化检测器用到的气体源有uN2气uO2气uH2气u空气检测器部分n 下列检测器中，哪一种的灵敏度较低？uECDuTCDuFIDuMSD检测器部分n 下列检测器中，哪一种带有放射源？uECDuTCDuFIDuMSD检测器部分n 下列检测器中，哪些需要H2做燃气？uECDuFPDuFIDuMSD检测器部分n 质谱检测器有哪两种扫描模式？uSIMuSCANuICPuNP