第2章气相色谱分析

1、第2 章 气相色谱分析Gas Chromatography 19031903年，俄国植物学家Mikhail Tswett Mikhail Tswett 采用填充有固体CaCOCaCO3 3 细粒子的玻璃柱，将植物色素的混合物( (叶绿素和叶黄素) )加于柱顶端，然后以石油醚淋洗，被分离的组份在柱中显示了不同的色带，他称之为色谱。 静止不动的一相（固体或液体）称为固定相固定相 运动的一相（气体、液体或超临界流体）称为流动相流动相 装有固定相的柱子称为色谱柱色谱柱 I:/2014%E6%9C%AC%E7%A7%91/%E4%BB%AA%E5%99%A8%E5I:/2014%E6%9C%AC%E7%

2、A7%91/%E4%BB%AA%E5%99%A8%E5%88%86%E6%9E%90%E5%8A%A8%E7%94%BB%E8%B5%84%E6%9%88%86%E6%9E%90%E5%8A%A8%E7%94%BB%E8%B5%84%E6%96%99/%E5%8F%B6%E7%BB%BF%E7%B4%A0%E5%88%86%E7%A66%99/%E5%8F%B6%E7%BB%BF%E7%B4%A0%E5%88%86%E7%A6%BB.swf%BB.swf.swf.swf2.1 色谱分离原理2.1.1色谱分类方法：1. 按固定相外形分： 柱色谱柱色谱（填充柱、空心柱）、平板色谱平板色谱(。2.

3、按组份在固定相上的分离机理分：吸附色谱吸附色谱：不同组份在固定相的吸附作用不同；分配色谱分配色谱：不同组份在固定相上的溶解能力不同；离子交换色谱离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力不同；凝胶色谱凝胶色谱（尺寸排阻色谱）不同尺寸分子在固定相上的渗透作用。3. 3. 按两相状态分*概念：迎头色谱、顶替色谱和洗脱色谱概念：迎头色谱、顶替色谱和洗脱色谱ABABCABCABCACsCm123迎头色谱样品溶液本身是流动相顶替色谱流动相吸附能力强洗脱色谱流动相吸附能力弱根据组分在两相间的浓度关系是否线性，分线性洗脱色谱线性洗脱色谱和非线性洗非线性洗脱色谱脱色谱2.1.2 2.1.2 线性洗

4、脱色谱及相关术语线性洗脱色谱及相关术语色谱分离色谱分离.swf.swf洗脱色谱分离原理 在色谱法中，当样品加入后，样品中各组分随着流动相的不断向前而在两相间反复进行溶解、挥发，或吸附、解吸，如果各组分在固定相中的分配系数不同分配系数不同，它们就有可能达到分离。色谱流出曲线色谱流出曲线.swf.swf一、基线：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线，S/NS/N二、二、峰高：色谱峰顶点与基线的距离。三、三、保留值(Retention value(Retention value）a.a.死时间(Dead time, tM)：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间

5、，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近相近。据t tM M可求出流动相平均线流速b b. .保留时间tR：试样从进样到出现一个峰极大值时的时间。它包括组分随流动相通过柱子的时间和流动相通过柱子的时间和组分在固定相中滞留的时间组分在固定相中滞留的时间。MLt=uMLu=tU，单位：长度/时间c.调整保留时间tR：某组分的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组分在固定相中的滞留时间。即t tR R = t= tR R t tm md.保留体积V VR R：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。Rc RV =F tF ： 体积/时

6、间e.e.死体积V VM M ; f.f.调整保留体积；g.g.相对保留值g g2,12,1：组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比。 2,12,1只与柱温柱温和固定相固定相性质有关，而与柱内径、柱长L L、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其是GC GC 中广泛用于定性的依据！ 选一对最难分离的物质，此时以a表示分离因子： 2211RMRRMRtttttta121 , 2RRttgh.h.分配系数(K)(K)： 描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附- -脱附过程的参数，称为分配系数。K K 只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。i. 分配比(k)(

7、k)： 在一定温度和压力一定温度和压力下，组分在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比(或摩尔数比），称为分配比,又称保留因子。VM 流动相体积，Vs为固定相体积分配比k k 的求算： 流动相线速为u,试样带线速度为usa,1smsamnnukun/ssaRuu滞留因子滞留因子MtLu saRLut)1 (kttMRMRttk1MRMRMMRVVtttttkK K 与k k 的关系： b b称为相比称为相比，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱， b=0.02-0.5=0.02-0.5；对毛细管柱， b=0.002-=0.002-0.020.02。选择因子与k,K之间的关系：

8、 , ( ) ( )RBBB ARAAtBkKtAkKga/sssmmmmscmVVKkkcmVVbmsVVba a和和k k是计算色谱柱分离效能的重要参数是计算色谱柱分离效能的重要参数：lK K 或k k 反映的是某一组分在两相间的分配；而a是反映两组分间的分离情况l当两组分K K 或k k相同时，a=1=1 时，两组分不能分开；l当两组分K K 或k k 相差越大时，a越大，分离得越好。l即两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分即两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件离的先决条件。 四、区域宽度：用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。通常有三种表示方法： 标准偏差：0.

9、607 0.607 倍峰宽处的一半。 半峰宽Y1/2：峰高一半处的峰宽。Y1/2=2.354 峰底宽Y：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离( (Y= 4) )若标准偏差以时间为单位， 用t 表示， s和t 的关系: 4tYt/RLtst (1) 根据色谱峰的个数，可以判断样品中所合组份的最少个数 (2) 根据色谱峰的保留值可以进行定性分析 (3) 根据色谱峰下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，是评价色谱柱分离效能的依据 (5) 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相)选择是否合适的依据一、塔板理论19521952年，MartinMartin等人提出塔板

10、理论：将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。2.1.3 色谱法基本理论前提：1、两组分的分配系数必须有差异2、区域扩展速率小于区域分离速率塔板理论假定塔板理论假定：1 1）塔板之间不连续；2 2）塔板之间无分子扩散；3 3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H H；4 4）某组分在所有塔板上的分配系数K K 相同；5 5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。分离过程分离过程色谱流出曲线的数学描述当塔板数n n 较少时，组分在柱内达分配平衡的

11、次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；当塔板数n50 n50 时，峰形接近正态分布。色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：C 出口浓度 由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数： 理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。若柱长为L L，则每块理论塔板高度H H 为 理论塔板数n n 越多或理论塔板高度H H 越小、色谱峰越窄，则柱效越高。 LHn222/1)(16)(54. 5YtYtnRR以有效塔板数n neffeff 和有效塔板高度H Heff eff 表示：221 / 25 . 5 4 ()1 6 ()RRe f fe f fe f fttnWWLHn222/1)(16

12、)(54. 5YtYtnRReff222222222212341 6(),/RRtRttnWLnLtHLnLLtstssssss将代 入222)(16tRtRtYtn二、速率理论van Deemtervan Deemter方程：u u 为流动相线速度；A A，B B，C C为常数，A A涡流扩散系数；B B分子扩散系数；C C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数） 1 1）涡流扩散项(A(A）涡流扩散涡流扩散.swf.swf 展宽程度以A A表示： 其中d dp p填充物平均直径；填充不规则因子。 对于空心毛细管柱空心毛细管柱，无涡流扩散，即A = 0A = 0。2 2）分子扩散项(B/u

13、)(B/u)分子扩散.swf浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；D D组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以D Dg g或D Dm m表示；3 3）传质阻力项(C(Cu u ）传质阻力传质阻力.swf.swf 因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。 a a）气液色谱：传质阻力项C C包括气相传质阻力系数C Cs s和液相传质阻力系数C Cl l。b b）液液色谱：传质阻力项C C包括流动相传质阻力系数CmCm和固定相传质阻力系数CsCs。f, 液膜厚度， p, 颗粒直径4 4）流速u

14、u H = A + B/u + Cu H = A + B/u + Cu ：以u u对H H作图，可得H-uH-u曲线2.1.4 2.1.4 分离度及色谱分离方程一、分离度(Resolution, R)(Resolution, R) 反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为： R R 越大，相邻组分分离越好。当R = 1.5 R = 1.5 时，分离程度可达99.7%99.7%，因此R = 1.5R = 1.5 通常用作是否分开的判据。21)2/1()2/1()()(2/1ABARBRYYttR21)()()()(ABARBRYYttR二、色谱分离方程 对于相邻

15、的难分离组分，由于它们的分配系数K K 相差小，可合理假设k k1 1k k2 2=k=k，Y Y1 1 Y2 2=Y=Y。因此可导出R R与n n、a和k k的关系：1()()41nkRkaa1()4effnRaa114RnYt222/1)(16)(54. 5YtYtnRR分离度分离度R R与选择因子与选择因子的关系的关系越大，柱选择性越好，对分离有利。的微小变化可引起R R 较大改变。 如，当从1.01 1.01 增加至1.10(1.10(增加9%)9%)时，R R 则增加9 9 倍( (但1.5, R 1.5, R 增加不大) ) 。改变改变的方法有：的方法有：降低柱温、改变流动相降低柱

16、温、改变流动相及固定相的性质和组成。及固定相的性质和组成。分离度分离度R R 分配比分配比k k 的关系的关系 k k 增加，分离度R R 增加，但当k10k10，则R R的增加不明显。通常k在2-10之间。 改变改变k k 的方法有：适当增加柱温的方法有：适当增加柱温(GC)(GC)、改、改变流动相性质和组成变流动相性质和组成(LC)(LC)以及固定相含量以及固定相含量例1 已知物质A A和B B的分配系数K K分别为6.506.50和6.316.31，已知相比为0.4220.422。试计算：（1 1）两物质的分配比; ;（2 2）选择性系数；（3 3）欲得到分离度为1.51.5时需多少塔板

17、数？（4 4）若柱长为806cm806cm，流动相的流速为7.10cm.s7.10cm.s-1-1，则需多长时间可冲洗出各物质？例2 在3.0m色谱柱上，空气、组分X和组分Y的保留时间分别为1.0、14.0、17.0min，Y的峰宽为1.0min，计算X和Y完全分离时，柱长最短为多少？2.2 气相色谱法Gas Chromatography, GC 一般只要在一般只要在450C以下有以下有1.5kPa-10 kPa的蒸气压的蒸气压且热稳定性能好的有机和无机化合物都可用气相色且热稳定性能好的有机和无机化合物都可用气相色谱法谱法分离分离。2.2.1 气相色谱仪一、气相色谱仪的工作过程1-载气钢瓶；2

18、-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样阀;8-分离柱;9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪.载气系统载气系统进样系统进样系统色谱柱色谱柱检测系统检测系统温控系统温控系统二、气相色谱仪 （一）气路结构（二）进样系统（二）进样系统液体：微量注射器( (穿过隔膜垫) )进样量或体积适宜；“塞子”式进样。柱分离进样体积在1/101/10至20L，毛细管柱分离，体积12L，应采用分流进样装置来实现。体积过大大或进样过慢慢，将导致分离变差( (拖尾) )。（1）进样器 气体试样用试样用六通阀进样。（2）气化室作用：使试样迅速转变为气体。要求： 热容量

19、大 无催化作用 死体积应尽可能小（三）分离系统 分离柱包括填充柱和开管柱( (或称毛细管柱) )。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、Teflon等。 填充柱：多为U形或螺旋形，内径2-4 mm，长1-3 m，内填固定相； 开管柱：分为涂壁、多孔层、化学键合柱（交联柱）和涂载体开管柱。内径0.1-0.5 mm，长达10至100 m。通常弯成直径10-30 cm的螺旋状。 毛细管柱 熔融石英毛细管 渗透性好，厚度小，传质快；相比大，分离快 柱容量小，进样量少，需要分流技术 柱效高（四）温控系统 设定、控制、测量色谱柱炉、气化室、检测室三处温度 气化室温度应使试样瞬间气化但又不分解； 检测器除氢火焰外

20、都对温度敏感； 柱温的变化影响柱的选择性和柱效，因此柱室的温度控制要求精确，温控范围根据需要可以恒温，也可以程序升温。（五）检测器 1.检测器的分类 根据检测器的响应原理：浓度型和质量型检测器。 浓度型：检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与浓度成正比，与载体速度有关。 质量型：检测的是载气中组分进入检测器中速度变化，即响应值与单位时间进入检测器的量成正比。与载体速度无关。2. 检测器的性能指标灵敏度(S)：输入单位被测组分时所引起的输出信号。mRS对于浓度型检测器R-相应的信号高度；m单位时被测组分改变A峰面积(cm2)，Fo检测器入口流速(mL/min); m进样量(mg)，S灵敏度

21、(mVmL/mg)。mAFS0与载气流速有关 对于质量型检测器St灵敏度(mV s/g),m进入检测器的样品量(g), mASt与流速无关 检测限(D)：产生3倍噪音(3 RN)的信号时，单位时间进入检测器的质量（对质量型检测器）或单位体积载气中所含的试样量的质量或体积(对浓度型检测器)。SRDN3理想色谱检测器应具备的特点噪音低死体积小响应快线性范围宽对各类物质均有响应1212Q1.065Q1.065oooYDYD F 质量型 浓度型P45,检出限的测定示意图线性范围：最大进样量与最小检出量的比值。响应时间：检测器响应速度检测检测原理（浓度型）：原理（浓度型）：平衡电桥钨丝通电，加热与散热达

22、到平衡后，进样前两臂电阻值： R参=R测 ；R1=R2则：R参R2=R测R1 无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）(1)热导池检测器（thermal conductivity detector,TCD）3.几种典型的检测器热导检测.swf进样后:载气携带试样组分流过测量臂，这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 则： R参R2R测R1这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。检测器的结构池体：（一般用不锈钢制成）热敏元件：电阻率高、电阻温度系

23、数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：仅允许纯载气通过，连接在进样装置之前。 测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。双臂比四臂灵敏度小一倍。双臂比四臂灵敏度小一倍。影响热导检测器灵敏度的因素(a) 桥路电流I ： I ，钨丝的温度 ，检测器的响应值S I3，但太高，稳定性下降，基线不稳，还可能造成钨丝烧坏。(b) 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。(c) 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

24、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。表 某些气体与蒸气的热导系数（），单位：J / cms(d ) 热敏元件阻值的影响， 阻值高，灵敏。(e) 池体小，灵敏 (2.5ul)(2) 氢火焰离子化检测器(flame ionization detector FID）,简称氢焰检测器。特点(1) 典型的质量质量型检测器；(2) 对有机化合物具有很高的灵敏度；(3) 无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物 质灵敏度低或不响应；(4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高 、响应迅速等特点；(5) 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下 限可达10-12gg-

25、1。检测器的结构在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100-300 V）构成一个外加电场。氢焰检测器需要用到三种气体： N2 ：载气携带试样组分； H2 ：为燃气； 空气：助燃气。 O-HOO-HNN-HNNC-HN二、载体 80-100目 载体应具有的特点多孔性化学惰性热稳定性好有一定的机械强大（一）载体种类及性能 硅藻土 红色担体，表面积大，吸附性强，适合非极性化合物 白色单体，表面积小，适合极性化合物 非硅藻土 （二）硅藻土载体的预处理（三）固体吸附剂 活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛 固定液：担体=5:100，或者25:100四、合成固定相 高分子多孔微球 键合固定相 高分子多孔微球可

26、分为两类： 非极性：苯乙烯+ +二乙烯苯共聚：GDX-1GDX-1和2 2型（国产）； Chromosorb Chromosorb系列（国外）； 极性：苯乙烯+ +二乙烯苯共聚物中引入极性基团： GDX-3 GDX-3和4 4型（国产）；PorapakN PorapakN 等（国外）。根据van Deemtervan Deemter方程和色谱分离方程式，一一. . 柱长和柱内径 由分离度R R的定义可得， (R(R1 1/R/R2 2) )2 2 = n= n1 1/n/n2 2 = L= L1 1/L/L2 2 但柱过长，分析时间增加且峰宽也会增加，导致总分离效能下降，因此柱长L L要根据R

27、 R的要求(R=1.5)(R=1.5)，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。1()()41BHAC uunkRkaa2.2.3 气相色谱分离分析条件二二. . 载气及流速u u 对vanDeemtervanDeemter方程求导得到在流速为 ， 柱效最高， optuB/CminH2ABC填充柱N2 10-12 cm/sH2 15-20 cm/s三三. . 柱温提高温度缩短分析时间，改善传质速率，提高柱效，降低温度选择性加大，需综合考虑 300-400 o C, 柱温低100-200 o C, 低含量固定液 200-300 o C, 柱温低100 o C, 中等含量固定液 100-200 o C,

28、 柱温为2/3 沸点, 较高含量固定液 沸点低于100 o C，高含量固定液，或者固体固定相。四四. . 载体粒度、筛分范围 载体粒度越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。通常，对填充柱而言，粒度大小为柱内径的1/201/201/25/25为宜。五五. . 进样方式及进样量 要以“塞子”的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不拖尾为宜。1.2.4 1.2.4 定性定量分析一、样品预处理 GCGC分析对象是在气化室温度下能生成气态的物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在进样前对样品进行处理。1 1）水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质-柱效下降，柱效下降，需除去需除去。2 2）非挥发份-会产生噪声，同时慢慢分解-产生杂峰产生杂峰。3 3）稳定性差的组分-生成新物质生成新物质