气相色谱法课件

1、基础化学 第2版第十三章 气相色谱法第十三章 气相色谱法第一节 概述 第二节 基本理论 第三节 色谱柱和检测器 第四节 定性与定量分析方法 学习要点1.气相色谱法的分类、特点及基本理论。2.气相色谱仪的基本组成及工作流程。3.气相色谱法的基本概念（色谱流出曲线、保留值、 分配系数比、分离度）、色谱分离条件的选择。4.定性和定量分析方法。 学习目的 通过本章学习气相色谱法的基本概念、基本理论，掌握物质分离分析的操作技术，为以后学习药物分析等专业课程奠定基础。 知识要求 掌握气相色谱法的基本概念、定量分析方法。 熟悉速率理论、塔板理论；熟悉气相色谱仪的主要构造；熟悉定性分析方法。 了解固定相和流动

2、相的选择；了解分离条件的选择。 能力要求 学会气相色谱法的操作；学会定量分析计算。 学习目标一、气相色谱的分类 1. 按固定相的物态分类 气-固色谱法、气-液色谱法 2. 按色谱柱管径大小、固定相填充方式分类 填充柱色谱法、毛细管柱色谱法 3. 按色谱原理分类 吸附色谱法、分配色谱法 第一节 概述二、气相色谱法的特点1分离效能高; 2分析速度快;3灵敏度高; 4样品用量少;5应用范围广。三、气相色谱仪的基本组成及工作流程 气相色谱仪示意图 1.载气系统 2.进样系统 3.分离系统 4.检测系统 5.记录系统 工作流程： 载气从高压钢瓶输出后，经减压、稳压、稳流和净化处理，流经气化室，将气态试样

3、带入色谱柱，分离后的组分随载气依次流出色谱柱，进入检测器，检测器将载气中各组分浓度或质量的变化转换为强弱不同的电信号，放大后得到色谱流出曲线，经色谱工作站进行数据处理和分析。 基本组成： 1载气系统气源、气体净化器、气体流速控制和测量装置。 2进样系统进样器、气化室和控温装置。 3分离系统色谱柱、柱箱。气相色谱仪的心脏部分。 4检测系统检测器、控温装置。 5记录系统 放大器、记录仪或数据处理装置。气相色谱仪的基本组成及工作流程 第二节 基本原理一、基本概念 试样中各组分经色谱柱分离后，随流动相依次流出色谱柱进入检测器，检测器的响应信号时间曲线称为色谱流出曲线，又称色谱图。色谱流出曲线 1基线

4、在操作条件下，色谱柱后没有组分流出，仅有流动相进入检测器时的流出曲线称为基线，基线的波动程度反映仪器检测系统噪声的大小。2色谱峰 当样品中的组分随流动相进入检测器时，检测器的响应信号大小随时间变化所形成的峰形曲线称为色谱峰。 （一）色谱流出曲线 3峰面积和峰高 （1）峰面积：是指峰与峰底之间的面积，用A表示。 （2）峰高：是指色谱峰最高点到峰底的垂直距离，用h表示。 4区域宽度 用于衡量色谱柱效能，包括峰宽、半峰宽和标准偏差。 （1）峰宽 是色谱峰两侧拐点处的切线在基线上截取的距离， 用W表示。 （2）半峰宽 是色谱峰高一半处的峰宽用W1/2表示。 （3）标准偏差 是0.607倍峰高处峰宽的一

5、半，用表示。 基本概念 W、W1/2和表示正态分布色谱峰不同峰高处的区域宽度，是衡量色谱柱效能的三种指标，其中W1/2值最容易测量，常用W1/2评价柱效。W、W1/2和之间存在以下数学关系：（二）保留值1保留时间 是组分从进样到出现信号最大值时的时间，用 tR表示。2保留体积 是组分从进样到出现信号最大值所需要流过流动相的体积，用VR表示。 式中，Fc是流动相的体积流速(ml/min)。 3死时间 是不被固定相滞留组分的保留时间，用tM或t0表示，tM反映流动相通过色谱柱所需要的时间。 基本概念4死体积 是不被固定相滞留组分的保留体积，用VM或V0表示。5调整保留时间 是指组分的保留时间与死时

6、间之差用 表示。 是固定相滞留组分的时间。 基本概念6调整保留体积 组分的保留体积与死体积之差，用 表示。（三）分配系数和分配比1分配系数 色谱过程中，处于动态平衡时组分在固 定相与流动相中的浓度之比为分配系数。K随温度变化而变化，与固定相、流动相的体积无关。 基本概念2分配系数比 是指混合物中相邻两组分的分配系数或容量因子或调整保留值之比。 分配系数比与柱效参数及定性参数密切相关, 容量因子或分配系数不等是混合试样分离的前提条件。塔板理论的假设： (1) 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到； (2) 将载气看作成脉动（间歇）过程； (3) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略； (4) 每次分

7、配的分配系数相同。（一）塔板理论 半经验理论：将色谱分离过程比作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）。二、基本理论 色谱柱长：L; 虚拟的塔板间距离：H; 色谱柱的理论塔板数：n;则三者的关系为： n = L / H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配。 基本原理练习：某组分通过3m长的色谱柱时，保留时间为6min，峰底峰宽为30s，已知死时间为1min，试计算组分在色谱柱上的理论塔板数、有效塔板数、理论塔板高度和有效塔板高度。解：组分在该色谱柱上的理论塔板数为 有效塔板数： 理论塔板高度： 有效塔板高度

8、： 基本原理 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不同的理论塔板数。组分在tM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： 基本原理1.速率方程（范.弟姆特方程式） H = A + B/u + Cu H：理论塔板高度 u：载气的线速度(cm/s) 注：减小A、B、C三项可提高柱效； 存在着最佳流速； A、B、C三项各与哪些因素有关？(二)速率理论 基本原理A-涡流扩散项 固定相颗粒越小，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。对于空心毛细管柱，涡流扩散项为零。 基本原理B/u -分子扩散项(1)存在着浓度差，产生纵向扩散

9、(2)扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差 (3)分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散(4)选择分子量大的载气(如N2)，以减小纵向扩散，增加柱效 基本原理 降低固定相液膜厚度，并增加组分在固定相中的扩散系数，可以减少传质阻力，提高柱效。 C u-传质阻力项 基本原理 综合考虑的峰间距离和峰宽两方面的因素，常用分离度作为色谱柱的总分离效能指标。 （三）分离度当R=1.5时，两峰完全分开，分离程度达到99.7。定量分析常以R=1.5作为相邻两组分色谱峰完全分离的标志。 基本原理第三节 色谱柱和检测器一、色谱柱 按柱的直径分为两类： 一类是填充柱，多数是内径46mm的不锈钢管柱，填充吸附剂

10、（气-固色谱）或液态固定相（气-液色谱），常用柱长为24m； 另一类是毛细管色谱柱，常用的是内径为0.1 0.5mm的玻璃或石英毛细管，柱长几十米至百米。（一）气-液色谱填充柱 1.对固定液的要求 2.固定液的选择 遵循“相似相溶”原则 3.载体 载体分为硅藻土型和非硅藻土型 （二）气-固色谱填充柱 硅胶、氧化铝、石墨化碳黑、分子筛、高分子多孔微球及化学键合相等都可作为气-固色谱填充柱的固定相。它们的共同特点是具有一定的吸附活性。 （三）毛细管色谱柱 毛细管柱分为开管型和填充型，开管型毛细管柱主要有两种：一种是涂壁毛细管柱（WCOT），是将固定液直接涂在毛细管内壁制成；另一种是载体涂层毛细管柱

11、（SCOT）。 （一）检测器类型 浓度型检测器： 测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测 信号值与组分的浓度成正比。如热导检测器。 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，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。二、检测器（二）检测器的性能指标 1噪声和漂移 噪声：无样品通过时，仪器本身和工作条件等偶然因素引起基线的起伏（以噪声带衡量）。 漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化（以一小时内的基线水平变化来表示）。 又称响应值或应答值。指单位物质的含量（质量或浓度）通过检测器时产生的信号变化率。浓度型检测器用Sc表示，质量型检测器用Sm表示。 E = Sm

12、S = E / m 单位： mV/（mg / cm3）（浓度型检测器） mV /（mg / s） （质量型检测器）2灵敏度 检测器3检测限 噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于N。 检测器响应值为2倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。 检测器（三）常用的检测器 1热导检测器(TCD)利用被测组分与载气的热导率不同，检测组 分的浓度变化。 特点：结构简单、稳定性好、线性范围宽、测定范围广，且样品不被破坏，易与其他仪器联用；但灵敏度较低，噪音较大。 检测器 2.电子捕获检测器（ECD） 利用

13、电负性物质捕获电子的能 力，通过测定电子流进行检测的浓度型检测器。 其特点：具有选择性高、灵敏度高的特点。 检测器3.氢焰离子化检测(FID) 利用样品组分在氢焰的作用下，燃烧变成离子，在电场作用下形成离子流（电流），通过测定离子流强度进行检测的检测器。其特点：灵敏度高，噪音小，死体积小，线性范围宽，但一般只能测定有机物，检测时样品遭到破坏。 检测器4.火焰光度检测器（FPD）是对含硫、含磷化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器，又称硫磷检测器。火焰光度检测器与氢焰检测器联用，可以同时测定硫、磷和含碳有机物。 检测器三、分离条件的选择（一）色谱柱的选择 根据不同的分析试样和分析要求可选择填充柱和

14、毛细管柱。 在保证分离的条件下，应采用尽可能短的色谱柱。（二）载气种类和流速的选择1. 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。 2. 载气流速的选择 由图可见存在最佳流速（uopt）。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。（三）柱温的选择 选择柱温的基本原则：在使最难分离的组分有较好分离度的前提下，尽量采取低柱温，并应以保留时间适宜且色谱峰不拖尾为度。（四）进样条件的选择 1.进样速度 进样速度要快，一般在很短时间（1秒）内完成进样，否则，样品原始宽度增大，使色谱峰扩张甚至变形。 2.进样量 进样量应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系 的

15、范围内。对于填充柱，液体进样量一般小于5L，气体进样量为0.11mL。 3.气化温度 气化温度取决于样品的挥发性、稳定性、沸点及进样量。适当提高气化温度对样品的分离及定量有利。一般可高于柱温3050。第四节 定性与定量分析方法一、定性分析方法 （一）根据色谱保留值进行定性分析 1. 利用保留时间定性 在相同的色谱条件下，将标准品与样品分别进样，两者保留时间相同，可能为同一物质。 2.利用相对保留值定性 相对保留值是任一组分（i）与 标准物(s)的调整保留值之比即 与组分性质、柱温和固定相性质有关。将测得的相对保留值与手册或文献报道的相对保留值对比，完成定性判断。 3.利用峰高增量 若样品复杂，

16、可将已知物加到样品中，混合进样，若被测组分峰高增加了，则可能含有该物质。（二）利用联用仪器定性 小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS)SampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMass Selective DetectorDCBA ABCDGas Chromatograph (GC)Mass Spectrometer (MS)SeparationIdentificationBACD色谱-红外光谱仪联用仪：组分的结构鉴定二、定量分析方法（一）定量校正因子 在一定的操作条件下，被测组分的质量（mi）与检测器

17、产生的响应信号（Ai）成正比。即： 式中为绝对校正因子。 在气相色谱分析中，由于同一检测器对不同物质具有不同的响应值，若用峰面积进行定性分析，则相对校正因子fi： 式中分别为组分i和标准物质s的绝对校正因子。其中最常用的是相对质量校正因子，即： （二）定量计算方法1.归一化法： 特点及要求： 归一化法简便、准确； 进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大； 仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。 外标法也称为标准曲线法。特点及要求： 外标法不使用校正因子，准确性较高，操作条件变化对结果准确性影响较大。 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。2.外标法 3内标法 将一种

18、纯物质（内标物）作为标准物加到待测样品中，进行色谱定量的方法。 特点及要求： (1) 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。 (2) 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。 (3) 若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：内标物要满足以下要求： （a）试样中不含有该物质； （b）与被测组分性质比较接近； （c）不与试样发生化学反应； （d）出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。 试样配制：准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物mS 计算式：内标法4内标对比法 将被测组分的纯物质配制成标准溶液，再取一定量的标准溶液加入定量的内标物；

19、将内标物按相同量加入到同体积的样品溶液中。将两种溶液分别进样相同体积。按下式计算含量： 三、色谱系统适用性试验 药典规定，在气相色谱法或高效液相色谱法进行定性、定量分析前，需按各品种要求对仪器进行适用性试验，即用规定的对照品对仪器进行试验与调整，使达到规定的要求。其试验包括分析状态下色谱柱的最小理论塔板数、分离度、重复性和拖尾因子。 （一）色谱柱的理论塔板数(n) 选定条件，注入样品溶液或各品种规定的内标物溶液，记录。测出样品主要成分或内标物的保留时间和半峰宽，计算色谱柱的理论塔板数。 为保证定量分析的准确性，要求定量峰与其他峰或内标峰之间有较好的分离度。进行分离度的计算。 （二）分离度(R) 取各品种项下的对照溶液，连续进样5次，除另有规定外，其峰面积测量值的相对标准偏差应小于2.0。 （四）拖尾因子(T ) 保证测量精度，在采用峰高法测量时，应检查待测峰的拖尾因子是否符合各品种的规定；或不同浓度进样的校正因子误差是否符合要求。 （三）重复性四、应用与示例 无水乙醇中微量水分的测定（内标法） 样品配制 准确量取被检无水乙醇100ml，称重79.37g。用减重法 加入无水甲醇（内标物）约0.25g，精确称定为0.2572g，混匀待用。 实验条件 色谱柱：上试401有机载体（或GDX-203）。2m柱长， 120柱温，160气化室温，TCD检测器，H2作