气相原理备课讲稿

气相原理色谱法的最早应用是用于分离植物色素.

1903年，茨维特做了一个植物色素分离实验：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。1.1概述13一月20232气相色谱法是以气体为流动相的色谱方法，

1941年，由英国生物化学家Martin和Synge等人创建，提出气液分配色谱的概念。11年后，即

1952年，Jones和Martin通过实验展示了该方法；3年后，即1955年首台气相色谱仪问世。

1956年，速率理论的出现为气相色谱的发展提供了理论依据，使其迅速成为重要的分离分析技术，计算机技术的应用为其开辟了广阔的应用前景。13一月20233过去几十年内，色谱仪器得到了极大的发展，

1970s:电子积分仪及计算机数据处理装置的发展；1980s:计算机技术对仪器各类参数的自动控制。如柱温、流速、自动进样等。13一月202341.2气相色谱法的定义和分类定义：用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。分类：根据固定相的状态不同，气固色谱(GSC)

（吸附原理）、气液色谱(GLC)

（分配原理）气固色谱是用多孔性固体为固定相，分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。但由于气固色谱可供选择的固定相种类甚少，分离的对象不多，且色谱峰容易产生拖尾，因此实际应用较少。吸附-脱附

气液色谱多用高沸点的有机化合物涂渍在惰性载体上作为固定相，一般只要在450℃以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽压且热稳定性好的有机及无机化合物都可用气液色谱分离。由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，所以气液色谱有广泛的实用价值。

溶解-挥发13一月202351.3气相色谱法的特点及应用“三高”“一快”“一广”1.高效能：一般填充柱的理论塔板数可达数千，毛细管柱可达一百多万。2.高选择性：可以使一些分配系数很接近的以及极为复杂、难以分离的物质，获得满意的分离。3.高灵敏度：可以检测1011～1013g物质，适合于痕量分析4.分析速度快：一个试样的分析可在几分钟到几十分钟内完成。5.应用广泛：可以分析气体试样，也可分析易挥发或可衍生转化为易挥发的液体和固体。分析的有机物，约占全部有机物(约300万种)的20%。6.不足之处：对被分离组分的定性能力较差。13一月202361.4气相色谱的应用1、石油和石油化工分析（炼油厂、研究所）

2、食品分析（食品厂、产品质量技术监督检验所、粮油监测站、海产品检测）3、农药残留物分析（米厂、面厂、产品检验所）

4、环境分析（环保监测站）5、饮料、饮品工业（产品检验所、饮料厂）13一月202371.5色谱流出曲线（色谱图）及有关术语从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体，并用记录器记录信号随时间变化的曲线，此曲线就叫色谱流出曲线，当待测组分流出色谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓度，在流出曲线上表现为峰状，叫色谱峰。

色谱图:试样中各组分经色谱柱分离后,在柱的末端收集各组分,经检测器转换为电信号,用纪录仪将各组分浓度记录下来,得到色谱图。13一月20238如图所示为一色谱流出曲线：色谱流出曲线的意义：色谱峰数---样品中单组份的最少个数；

色谱保留值——定性依据；

色谱峰高或面积——定量依据；

色谱保留值或区域宽度——色谱柱分离效能评价指标；

色谱峰间距——固定相或流动相选择是否合适的依据13一月20239色谱术语1）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。基线在稳定的条件下应是一条水平的直线。它的平直与否可反应出实验条件的稳定情况。2）峰高（h）和峰面积：色谱峰顶点与基线的距离叫峰高。色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。3）保留值

a.

死时间(t0)

：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，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。据t0可求出流动相平均流速13一月202310b.保留时间tr：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过柱子的时间t0和组份在固定相中滞留的时间。c.调整保留时间tr’：某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组份在固定相中的滞留时间。即

tr’=tr－t0由于保留时间为色谱定性依据。但同一组份的保留时间与流速有关，因此有时需用保留体积来表示保留值。13一月2023114).分配度R与拖尾因子r1.分离度：表示相邻两个峰分离程度的优劣，是色谱柱分离效能的指标，用“R”表示。

定义：相邻两组分色谱峰保留值只差与两组分色谱峰底宽度总和

之半的比值：

R=1.5时，分离程度可达到99.7%，达到基线分离。2.拖尾因子：r=b/ar=1,峰形为对称的高斯曲线；r﹥1,峰形拖尾；r﹤1，峰形前伸。13一月2023121.6气相色谱构成示意图13一月2023131.7气相色谱构成示意图13一月2023141.8气相色谱基本流路图500次更换进样垫100次更换一般为1:10吸咐不被气化的物质N2尾吹13一月202315第二部分

载气2.1常用载气

1、载气要求：作为气相色谱载气的气体，要求要化学稳定性好；纯度高；价格便宜并易取得；能适合于所用的检测器。

2、常用载气

氮气、氦气、氩气、氢气、二氧化碳等

TCD用氢气、氦气比较好，灵敏度高，

FID用氮气、氦气惰性气体化学稳定性好、价格高。13一月2023172.2载气纯度的重要性载气不纯带来的问题：★载气中氧的存在导致固定相氧化，损坏色谱柱，改变样品的保留值。★载气中水的存在导致部分固定相或硅烷化担体发生水解，甚至损坏柱子。★气体中有机化合物或其它杂质的存在产生基线噪音和拖尾现象。★气体中夹带的粒状杂质可能使气路控制系统失灵。13一月2023182.3保证载气纯度的措施◆保证载气纯度在99.999%以上。◆加装载气净化装置。(分子筛更换或老化)◆10%的钢瓶气保有量。13一月202319第三部分

进样口3.1气相色谱的进样口类型

分流/不分流进样填充柱进样冷柱头进样(OCI)程序升温进样(PTV)分流/不分流进样是当前最为常用的进样方式13一月2023213.2进样口的结构填充柱进样口宽口径进样口分流/不分流进样口

13一月2023223.2进样口的结构冷柱头进样口程序升温进样口13一月2023233.3分流操作示意图

作用是将样品稀释13一月2023243.4分流模式操作要点

★除隔垫吹扫外的所有载气直接进入进样口★柱流量由柱头压控制★分流比的调节由总流量控制器控制★样品在进样口内气化，并按照同样的比例随载气分流★未知样品分析时，初始分流比采用50:1或者100:1★采用合适的分流比避免色谱柱过载，柱过载将导致分离度以及定量准确度变差★选择合适的进样口温度，既要保证目标组分气化，又要注意过高的温度将导致样品分解的可能性增加★配置正确时，分流方式的重现性良好★分流方式可以用于定性和定量★注意定期更换分流出口的捕集阱13一月2023253.5不分流操作示意图（进样状态）13一月2023263.5不分流操作示意图（进样完毕）13一月2023273.6优化隔垫吹扫

作用：保证进样口顶部的干净空间2.防止样品反冲，污染载气流路

一般隔垫吹扫流量设置为3~5mL/min，同时要注意避免采用过大的吹扫流量。13一月2023283.7注意事项★进样口温度过低，将导致高分子量化合物气化不完全，并且不能有效转移到色谱柱中。(样品气化不完全)

★进样口温度过高，导致热稳定性差的化合物分解。

(样品分解)★样品从进样针注入时，不同组分的气化程度不同，高沸点组分残留量比例高。(进样针岐视)

可以采用快速进样、热针进样和三明治进样法改善进样针歧视效应。

13一月2023293.8其他注意事项★谨慎选择进样量，避免样品反冲和溢出★不分流进样时建议开启高压进样功能★采用大分流比分流进样时，建议开启载气节省功能★注意衬管中石英棉的用量和位置，以及和进样针的配合情况★分析高活性样品时，注意衬管和石英棉去活★分析较脏样品时，要增强衬管和石英棉检查的频度

一般情况下进样速度必须很快，因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之变宽，有时甚至使峰变形。一般地，进样时间应在1s以内。13一月202330第四部分

色谱柱4.1色谱柱选择的要素

柱材质固定相内径膜厚长度13一月2023324.1.1柱材质不锈钢和熔融石英共同点：良好的惰性和自由度不锈钢的优势：良好的耐磨性和抗刮伤特性，可以缠绕为更小的尺寸，卓越的温度适应性。熔融石英的优势：易于和保护柱连接，易于确认毛细柱内的高沸点污染物。13一月2023334.1.2固定相固定相选择的基本原则：

相似相溶原理，选用非极性的固定相分析非极性化合物如果化合物可以用不同极性的固定相分析，选用极性最小的固定相。非极性固定相的使用寿命长于极性固定相。应用范围较广的五种固定相，Rtx-1、Rtx-5、Rtx-50、Rtx-1701和Rtx-wax可以满足90%以上的分析需求。13一月2023344.1.3常见固定相的结构和性质

聚硅氧烷13一月202335常见固定相的结构和性质13一月202336常见固定相的结构和性质13一月202337常见固定相的结构和性质13一月202338常见固定相的结构和性质13一月202339常见固定相的结构和性质13一月202340常见固定相的结构和性质13一月202341常见固定相的结构和性质13一月2023424.1.4气相色谱毛细管柱常用固定相13一月2023434.1.5内径内径选择的基本原则：★

0.10mm口径柱适用于快速气相色谱分析。★

0.25mm口径柱具有较高的柱效，用于标准的GC/MS应用和分流/不分流分析。★

0.32mm口径柱中等柱效，多用于不分流进样。★

0.53mm口径柱，可以替代填充柱，适合于痕量分析。增加色谱柱的内径，可以增加分离的样品量，但由于纵向扩散路径的增加，会使柱效降低。13一月2023444.1.6内径对分离度的影响

较小的内径可以获得更好的分离度，或者在更短的时间内获得同样的分离度13一月2023454.1.7膜厚

膜厚选择的基本原则：★增加膜厚可以提高分离度和加强保留，厚些的液膜可以有效降低过载拖尾峰和其他化合物的共流出。★如果样品的浓度范围很宽，就需要更厚的液膜，反之，如果目标组分的分离足够，并且没有共流出的问题，就可以使用比较薄的液膜，对于挥发性有机物来说，厚液膜更为合适。★液膜厚度的改变将直接影响化合物的流出温度。膜越厚，保留越强，流出温度相应也越高。★标准膜厚(0.25~0.5µm)：最广泛的应用，对于流出达到300℃的大多数样品分析效果良好。★薄液膜(0.1~0.2µm)：适合石化分析，甘油三酯等高沸点的物质。★厚液膜(1~5µm)：适合于流出温度在100~200℃之间的低沸点化合物13一月2023464.1.8膜厚对分离度的影响13一月2023474.1.9长度

长度选择的基本原则：★色谱柱越长，柱效越高。★选择可以满足分离度要求的最短的柱子。★如果即使是最长规格的色谱柱依然无法满足分离度的要求，请考虑更换固定相或膜厚。★分离度和柱长的平方根成正比，两倍的柱长只能增加40％的分离度。★标准柱(25~30m)：标准柱长，满足大部分应用。★短柱(5~15m)：通常用于10个组份以下简单样品的快速分析。★长柱(50m以上)：复杂样品分析。13一月2023484.1.10柱长对分析时间的影响

恒温分析：保留时间由柱长决定，柱长加倍分析时间也加倍。

程升分析：

保留时间主要取决于柱温，分离度的提升和恒温分析类似，但分析时间只是略有增加。由于分离度正比于柱长的平方根，所以增加柱长对分离是有利的。但增加柱长会使各组分的保留时间增加，延长分析时间。因此，在满足一定分离度的条件下，应尽可能使用较短的柱子。13一月2023494.2色谱柱的老化为什么必须进行色谱柱老化？新色谱柱含有溶剂和高沸点物质，所以基线不稳，出现鬼峰和噪声；旧柱长时间未用，也存在同样问题。一般采用升温老化，即从室温程序升温到最高温度，并在高温段保持数小时。

新柱老化时，最好不要连接检测器。每天都要进行老化吗？视仪器基线情况，确定是否需要老化以及老化时间。13一月2023504.3柱温的选择柱温是一个重要的色谱操作参数，它直接影响分离效能和分析速度。柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则会造成固定液大量挥发流失。降低柱温可使色谱柱的选择性增大，但升高柱温可以缩短分析时间，并且可以改善气相和液相的传质速率，有利于提高效能。所以，这两方面的情况均需考虑。柱温分为恒温和程序升温两种恒温：对于沸程不太宽的简单样品，可采用恒温模式。一般的气体分析和简单液体样品分析都采用恒温模式。程序升温：对于沸程较宽的复杂样品，如果在一恒温下分很难达到好的分离效果。13一月202351恒温：45oC程序升温：30~180oC恒温：145oC温度低，分离效果较好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，分析时间短，但分离效果差13一月202352第五部分

检测器检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为电信号的装置，是色谱仪的眼睛。通常由检测元件、放大器、数模转换器三部分组成.

被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器、氮磷检测器。5.1检测器定义13一月2023545.2检测器分类根据检测器的响应原理，可将其分为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。如TCD、ECD。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质量成正比。如FID、FPD。根据应用范围，分为通用型检测器和选择型检测器通用型：对所有物质有响应，如TCD、FID。选择型：对特定物质有高灵敏响应，如ECD、FPD、NPD。根据工作过程，分为破坏型检测器和非破坏型检测器破坏型：检测过程中样品遭到破坏，不能回收。如FID、FPD。非破坏型：检测过程中样品不遭到破坏，可以回收。如TCD、ECD。13一月202355符号TCDFIDECDFPDNPDMSD检测方法物理常数法气相电离法气相电离法光度法气相电离法质谱法工作原理热导率差异火焰电离化学电离分子发射热表面电离电离与质量色散结合类型浓度型通用型非破坏性质量型准通用型破坏性质量型选择型非破坏性浓度型选择型破坏性质量型选择型破坏性质量选择型灵敏度≥2500mv.ml/mg≤10-11g/s≤10-13g/s硫≤10-10g/s磷≤10-11g/s氮≤5×10-11g/s磷≤2×10-12g/s线形范围≥104≥106≥102-104硫≥102磷≥103-104105105应用范围所有化合物有机化合物电负性化合物硫、磷化合物氮、磷化合物、农药残留所有化合物(结构检定)5.3常用检测器13一月202356又称氢焰离子化检测器。主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。原理：含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。火焰离子化检测器（FID）flameionizationdetector,FID13一月202357结构：主要为离子室，内有石英喷嘴、发射极（极化极，此图中为火焰顶端）和收集极(1)在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100—300V）构成一个外加电场。(2)氢焰检测器要用到三种气体：N2：载气携带试样组分；H2：为燃气；

空气：助燃气。

使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。13一月20235813一月202359A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区工作过程：来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号（10-12A）。13一月202360影响FID灵敏度的因素：

FID检测器可供色谱工作者选择的参数有：毛细柱插入FID喷嘴深度；载气种类；载气、氢气、空气的流速；温度等。（一）毛细柱插入喷嘴深度

毛细柱插入喷嘴深度对改善峰形十分重要。通常是插入至喷嘴口平面下1～3㎜处。若太浅，组分与金属喷嘴表面接触，产生催化吸附，峰形拖尾。若插入太深，会产生很大噪声，灵敏度要下降。

（二）气体种类、流速和纯度13一月2023611．载气、尾吹气种类和流速载气不但将组分带入FID检测器，同时又是氢火焰的稀释剂。

N2、Ar、He、H2等均可作FID的载气。N2、Ar作载气，灵敏度高、线性范围宽。由于氮气价廉易得、响应值大，故N2是一种常用的载气。载气流速根据色谱柱分离要求调节，因为FID是典型的质量型检测器，峰高与载气流速成正比，而且在一定的流速范围内，峰面积不变。因此作峰高定量，又希望降低检测限时，可适当加大载气流速。当然为了提高定量准确性时，用峰面积定量比用峰高定量好。从线性范围考虑，流速低一点好。毛细管分析是，加尾吹气的目的是为了不使柱后的峰变宽。尽管FID的死体积几乎为零，但在接毛细柱时通常在柱后要加尾吹气。用N2、Ar作尾吹气，灵敏度高、线性范围宽。尾吹气流速视FID结构而定。用He或H2作载气，如用N2或Ar作尾吹气，还可改善线性范围。13一月2023622．氢气、空气的流速氮、氢比：氢气是保证氢火焰燃烧的气体，也为氢解反应和非甲烷烃类还原成甲烷提供氢原子。实验表明，氮气稀释氢焰的灵敏度高于纯氢焰。氮、氢比影响FID的灵敏度和线性范围。而当氮气流速相对固定时，随着氢气流量的增大，响应值也逐渐增大，增至一定值后又逐渐降低；当氮气流速不同时，最佳的氢气流速也不同，即氮气、氢气流速有一个最佳的比值。当氮气、氢气流速比相对最佳值时，不但响应值大，而且流速有微小变化时对信号的影响最小。一般氮气、氢气流速最佳比为（1-1.5）：1。(3)空气的流速空气作为助燃气体，并为离子化过程提供氧气，同进起着清扫离子室的作用。空气的流速也影响灵敏度。随着空气流量的增加，灵敏度也相对渐趋稳定，空气与氢气的比约为（10～20）：1；一般情况下为300～500ml/min比较合适。当然最好根据实际情况进行确定，一般在选定氢气和氮气流速之后，逐渐增大空气流速到基流不再增大，再过量50ml/min就足够了。流速比例调得好则灵敏度大，各种气体流速和配比的选择，一般比较合适的范围：氢：载：空气=1：1～1.5：10～1513一月2023633．气体纯度作常量分析时，载气、氢气和空气纯度在空气99.9%以上即可，但在作痕量分析时，则要求三种气体纯度相就提高。一般要求在99.999%以上，空气中的总烃就小于0.1μL/L。气源中的杂质会产生噪声、基线漂移、假峰、柱流失和缩短柱寿命。通常超纯氮气发生器所产生的氮气纯度可达99.9995%，氢气发生器所产生的氢气纯度可达99.99999%。这些气源用于FID痕量分析，基线稳定性好，使用这些气源是可靠的。13一月202364（三）极化电压：在500V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在500V以上，则灵敏度增加不明显。通常选择100～

300V的极化电压。（四）FID检测器，柱温变化影响基线漂移，检测器温度变化影响FID灵敏度和噪声，但汽化室温度变化对FID无直接影响。由于FID中氢燃烧产生大量的水蒸气，若检测器温度太低，水蒸气不能从检测器中排出，会冷凝成水，使灵敏度下降，噪声增加。若有氯代溶剂或氯代样品时，还易造成腐蚀。所以FID检测器温度务必在200℃以上。13一月202365FID特点：典型的质量型检测器1）灵敏度高(～10-12g/s)；2）线性范围宽(～107数量级)；3）噪声低；4）结构简单、稳定性好、响应迅速等特点;耐用且易于使用；5）为质量型检测器，色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量。在样品量一定时，峰高与载气流速成正比。因此在用峰高定量时，应控制流速恒定！6）对有机化合物具有很高的灵敏度；对无机物、永久性气体和水基本无响应，因此FID特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水、N和S的氧化物污染的有机物分析。7）对含羰基、羟基、卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应。8）样品受到破坏，无法回收。9）比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12g/g。13一月202366注意事项（一）注意安全防氢气泄漏，切勿让氢气泄漏入柱恒温箱中，以防爆炸。注意以下几点即可：在未接色谱柱和柱试漏前，切勿通氢气；卸色谱柱前，先检查一下，氢气是否关好；如果是双柱双检测器我谱仪，只有一个FID检测器工作时，务必要将另一个不用的FID用闷头螺丝堵死；防烫伤，因为FID外壳很烫。（二）保持FID正常性能1．正常点火点火时，FID检测器温度务必在200℃以上。点火困难时，适当增大氢气流速，减小空气流速，点着后再调回原来的比例。检测器要高于柱温20~50℃，防水冷凝。2．定期清洗喷咀注意线性范围与以下条件有关：一般用N2作载气，载气要净化，除有机物；气体流量比等。13一月202367涂料稀释剂的GC分析FID的应用举例FID检测器与TCD一样，应用十分广泛。FID主要特用于烃类的工业分析，也用于化学、化工、药物、农药、法医化学、食品和环境科学等诸多领域。它主要用于各种样品的常量常规分析与痕量分析。近年普遍用于快速GC和全二维GC的检测器。（一）烃类的工业分析。（二）水中挥发性有机物的痕量分析（三）环境检测：用HP-WAX毛细管柱检测涂料溶剂，氦气作载气，FID检测器，用程序升温可得谱图3-16。13一月20236813一月202369第六部分

数据分析6.1定性分析一、样品预处理

GC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）水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质——柱效下降，需除去。2）非挥发份——会产生噪声，同时慢慢分解——产生杂峰。3）稳定性差的组分——生成新物质——杂峰。常用试样的预处理1.化学衍生化2.裂解技术3.分离与富集蒸馏,萃取,吸收,冷冻13一月202371二、定性方法1、用已知物对照定性该法是基于在一定操作条件下，各组分保留时间是一定值的原理。具体做法：1）分别以试样和标准物进样分析得到各自的色谱图；2）对照：如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合，则可初步确定试样中含有该物质。3）也可通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰增加来确定。13一月20237213一月2023736.2定量分析GC分析是根据检测器对待测物的响应（峰高或峰面积）与待测物的量成正比的原理进行定量的。因此必须准确测定峰高h或峰面积A。1.峰面积A的测量：hh对称峰：峰高h与半峰宽的积：A=1.065hW1/2不对称峰：峰高与平均峰宽的积：A=1/2h(W0.15+W0.85)此外，可以以保留时间或距离代替峰宽或峰高的测量。A=1.065htR(或dR)13一月2023746.2.1定量方法(一)1、面积归一法

各组分浓度以面积百分比表示，该结果可以确认大概的浓度，但有误差。2、校准面积归一法

用质量响应因子对峰面积进行修正，用该法测定的浓度比前者准