气相色谱理论和条件选择

1、气相色谱理论和条件选择内容提要检测器种类及适用范围色谱分离操作条件的选择休息定性定量分析方法原理复习提纲讨论检测器种类及适用范围检测器的作用检测器的类型检测器选择的原则常用的检测器检测器的适用范围检测器的作用检测器相当于“眼睛”和“笔”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样品中不含，还是组分未被检出？检测器的普适能力检测器的选择具有灵敏性和选择性两方面的要求灵敏性越高，选择性越强是衡量检测器选择的标准检测器的类型浓度型检测器测量组分浓度的变化响应值与组分的浓度成正比，比如TCD 质量型检测器测量组分质量流速的变化响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比，比如FID普适型检

2、测器：对所有物质有响应，比如TCD专属型检测器：对特定物质有高灵敏响应，比如ECD检测器选择的原则理想的检测器较高的灵敏性稳定、重现性好非破坏性普适性：对所有的组分响应程度近似选择性较宽的响应线性范围实际运用中，我们只能在上述指标中寻找一种平衡。检测器的性能指标噪声与漂移噪声：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漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为漂移灵敏度响应值，应答值浓度型：1ml载气带入1mg样品所产生的信号强度质量型：1s带入1mg样品所产生的信号强度灵敏度越高，仪器性能越好检测限组分峰高为噪音二倍时的灵敏度检出限越小，仪器性能越好线性度和线性范围线性

3、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。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。常用的检测器火焰离子化检测器FID：flame ionization detector热导检测器TCD：thermal conductivity detector电子俘获检测器ECD：electron capture detector氮磷检测器NPD：nitrogen phosphor detector光离子化检测器PID: photoionization detector火焰光度检测器FPD：flame photometric detector原子散射检

4、测器AED: atomic emission detector傅立叶变换红外检测器FTIRD: fourier transform infared detector 质谱检测器MSD：mass spectrometry detector火焰离子化检测器FID一般用的是氢火焰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。特点：质量型检测器优点：专属型检测器（只能测含C有机物）灵敏度高（ TCD）响应快线性范围宽缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回

5、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FID载气的选择：载气N2气燃气H2气助燃气空气影响火焰离子化检测器灵敏度的因素 各种气体流速和配比的选择N2流速的选择主要考虑分离效能 N2 : H2 = 1 : 1氢气 : 空气=1 : 10极化电压正常极化电压选择在100300V范围内热导检测器TCD检测原理不同的气体有不同的热导系数特点：浓度型检测器优点：通用型，应用广泛结构简单稳定性好线性范围宽不破坏组分，可重新收集制备缺点：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 测量臂接在色谱柱后 通样品气体+载气，电阻为R1惠斯通电桥 参比臂接在

6、色谱柱前 只通载气，电阻R2 两个等阻值电阻R3 = R4热导检测器TCD影响热导检测器灵敏度的因素桥路电流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。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。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

7、的热导系数，但价格较高。电子俘获检测器ECD高选择性检测器仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g /mL对大多数烃类没有响应较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定以63Ni为放射源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NPD对氮、磷有高灵敏度在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，信号强适合于做含氮、磷的有机化合物 光离子化检测器PID原理光激发: R + hn R光致离子化:R R+ + e-紫外激发源：8.3 11.7 eV (m

8、ax = 106 150 nm)与化合物的离子化势能有关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FPD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R R + hnS2 S2 + hn (lmax = 394 nm)HPO HPO + hn (lmax = 510-526 nm)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AED适合于多种原子的同时测定等离子激发（微波或者ICP）傅立叶变换红外检测器FTIRD第一台用于定性的检测器非破坏性检测器质谱检测器MSD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

9、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 普适性的检测器选择性和灵敏性都很高化合物的定性能力很强尤其适合于毛细管气相色谱色谱分离操作条件的选择分离效果的评价和指标色谱柱及使用条件的选择载气种类和流速的选择其它操作条件的选择分离效果的评价和指标塔板理论-柱分离效能指标速率理论-影响柱效的因素分离度塔板理论色谱柱长：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：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。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。

10、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：塔板理论的特点和不足1.当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，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。2.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，应指明测定物质。3.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K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。4.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高柱效的途径。速率理论速率方程（也称范.弟姆特方程式）: H = A + B/

11、u + Cu H：理论塔板高度，u：载气的线速度(cm/s)A涡流扩散项： A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径：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/u 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，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 u 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C

12、L即： C =（Cg + CL）载气流速与柱效-最佳流速载气流速高时： 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： 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 - u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。通过选择适当的

13、固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。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。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： 柱效较高

14、，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：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度98%；R%（相邻两峰完全分离的标准）。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：影响分离的因素柱选择项柱容量项柱效项柱效项及其影响因素影响色谱峰的宽窄主要取决于色谱柱性能及载气流速讨论增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段 提高柱效、改善分离的途径：增加柱长；降低板高 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

15、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，以及柱温影响讨论增大柱选择性是改善分离度的最有力手段 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影响峰位主要受固定相用量、柱温和载气流速的影响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 kk

16、 影响峰位n 影响峰宽窄影响两峰间距如何根据具体情况改进分离度太小，两组分未分开应改变固定相极性，降低柱温k 太小，n 也太小，应增大固定液用量，降低柱温n 太小，许多组分未分开应设法降低板高，提高柱效色谱柱及使用条件的选择1. 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，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，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，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

17、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，通常使用特殊固定液，或混合固定相。2. 固定液配比（涂渍量）的选择 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.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

18、的柱长通常为13米，内径34厘米。 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，采用程序升温。程序升温载

19、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。 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 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 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

20、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。 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定性分析定量分析定性分析利用保留值定性已知对照物定性相对保留值定性利用保留指数定性利用化学反应定性利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR已知对照物定性利用纯物质定性的方法利用保留值定性：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。利用加入法定性

21、：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。相对保留值定性利用文献保留值定性相对保留值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。利用保留指数定性保留指数又称Kovats指数（），是一种重现性较好的定性参数测定方法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）其它物质的保留指数（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利用化学反应定性收集柱后组分进行官能团

22、反应非在线定性鉴别必须采用非破坏性的检测器利用两谱联用定性小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪组分的结构鉴定SampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMass Selective DetectorDCBA ABCDGas Chromatograph (GC)Mass Spectrometer (MS)SeparationIdentificationBACD定量分析以峰高或峰面积定量峰面积的测量定量校正因子 定量方法峰面积的测量（1）峰高（h）乘半峰宽（Y 1/2）法：近似将色谱峰

23、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 + Y ）/ 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两种表示方法相对校正因子的测定注意事项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）无关基准物：TCD苯；FID丁庚烷以氢气和氦气作载气测的校正因子可通用

24、以氮气作载气测的校正因子与两者差别大定量方法归一化法外标法 内标法 内标对比法 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外标两点法：前提：选 取两点对照品的

25、浓度，需涵盖待测浓度 图示内标法内标物要满足以下要求：试样中不含有该物质；与被测组分性质比较接近；不与试样发生化学反应；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：内标法特点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。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。若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：内标对比法已知浓度样品对照法配制等量加入内标物的样品溶液和对照品溶液例：内标法测定无水乙醇中微量水分复习提纲检测器部分分离条件部分定性定量分析部分检测器部分对检测器的选择主要有哪两个方面的

26、要求？灵敏性选择性普适性非破坏性检测器部分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？莫尔型浓度型质量型体积型检测器部分评价检测器的性能指标主要有噪声与漂移灵敏度检测限线性度和线性范围检测器部分常用的气相色谱检测器有火焰离子化检测器电子俘获检测器紫外二极管阵列检测器质谱检测器检测器部分火焰离子化检测器用到的气体源有N2气O2气H2气空气检测器部分下列检测器中，哪一种的灵敏度较低？ECDTCDFIDMSD检测器部分下列检测器中，哪一种带有放射源？ECDTCDFIDMSD检测器部分下列检测器中，哪些需要H2做燃气？ECDFPDFIDMSD检测器部分质谱检测器有哪两种扫描模式？SIMSCANICPNPD检测器部分氮磷检测器与火焰离子检测器的主要区别在于硅酸铷玻璃球适合于做含氮、磷的有机化合物成本较高选择性更好分离