气相色谱分析法

关于气相色谱分析法§14-1气相色谱法概述分离化学工作者最基本的任务经典分离方法沉降、澄清、萃取、晶化、吸附、过滤、蒸馏等色谱分离柱层析、纸色谱、薄层色谱、气相色谱、液相色谱、电泳物化性相似的复杂有机物的分离？

同分（几何、构像）异构体的分离？bp.80.1Cbp.80.7C第2页,共84页，2024年2月25日，星期天色谱法

一种高效的、应用范围广的分离分析技术，可用于从小分子到大分子各种不同性质物质的分离，包括少量样品的分析及大量样品成分分离制备等。由于仪器进步及各个学科分离分析复杂物质的需要，近几十年来发展很快，是最有效的分离手段，涉及各个学科领域，是现代化学发展的基础之一。第3页,共84页，2024年2月25日，星期天

叶绿素的石油醚溶液流经装有CaCO3的柱子，然后用石油醚淋洗。

CaCO3对叶绿素各成分吸附能力不同，而分离成为不同的色带。

固定相－CaCO3

流动相－石油醚叶绿素b叶绿素a叶黄素胡萝卜素茨维特色谱图（1906，俄）色谱法的起源第4页,共84页，2024年2月25日，星期天色谱法发展的历史1906茨维特创立（色谱名称来源）1941马丁/辛格液液分配色谱1944康斯登/马丁纸色谱1952马丁/辛格气相色谱、塔板理论1956斯塔尔薄层色谱1957戈雷毛细管柱（里程碑）1957霍梅斯GC-MS（提高鉴定能力）1966LOWGC-FTIR70年代HPLC80年代SPC、CCE90年代CEC第5页,共84页，2024年2月25日，星期天与色谱技术相关的Nobel奖项年代获奖学科获奖研究工作1937化学类胡萝卜素化学、维生素A和B1938化学类胡萝卜素化学1938化学聚甲烯和高萜烯化学1950生理学、医学性激素化学及其分离、肾皮质化学及其分离1950化学超铀元素的发现1951化学脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素1958化学胰岛素的结构1961化学光合作用时化学反应的确认1970生理学、医学关于神经元触处迁移物质的研究1970化学糖核苷的发现及其在生物合成碳水化合物中的作用1972化学核糖核酸化学酶结构的研究1972生理学、医学抗体结构的研究第6页,共84页，2024年2月25日，星期天色谱分离基本原理

利用外力使含有样品的流动相通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。样品中各组份在两相中进行不同程度的作用。与固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢；反之，与固定相作用弱的组份随流动相流出的速度快。由于流出的速度的差异，使得混合组份最终形成各个单组份的“带(band)”或“区(zone)”，对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。第7页,共84页，2024年2月25日，星期天色谱法分类色谱法填充柱色谱毛细管柱色谱柱色谱毛细管电泳经典高压平板薄层色谱纸色谱固体吸附剂 吸附液体（固体） 分配键合相 分配气相色谱液相色谱超临界色谱固体吸附剂吸附离子交换树脂静电聚合物间隙筛分液体（固体）分配键合相分配 分配/亲和吸附色谱离子色谱排阻色谱分配色谱亲和色谱第8页,共84页，2024年2月25日，星期天色谱柱：起分离作用的柱。固定相：固定在柱内的填充物。固定相可以是固体，也可以是附载在惰性固体物质(担体)上的液体(固定液)。流动相：沿着柱流动的流体。色谱法的几个基本概念液相色谱：用液体作为流动相的色谱法。气相色谱：用气体作为流动相的色谱法。第9页,共84页，2024年2月25日，星期天气相色谱过程待测物样品被蒸发为气体并注入到色谱分离柱的柱顶，以惰性气体（指不与待测物反应的气体，只起运载蒸气样品的作用，也称载气）将待测物样品的蒸气带入柱内分离。其分离原理是基于待测物在气相和固定相之间的相互作用来实现。按固定相的不同可分为气液色谱和气固色谱。第10页,共84页，2024年2月25日，星期天气固色谱(GSC)利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附-解吸能力不同来实现物质的分离。由于活性（或极性）分子在这些吸附剂上的半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性的)，导致色谱峰严重拖尾，因此,气固色谱应用十分有限，只适于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析。第11页,共84页，2024年2月25日，星期天气液色谱(GLC)通常直接称之为气相色谱。它是利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。1941年，Martin和Synge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。1985年，估计有10万台仪器投入使用！如今呢？说不清！第12页,共84页，2024年2月25日，星期天气相色谱法特点选择性好，分离效能高：能分析分离很复杂的混合物(几十或几百个组分)或性质相近的物质(如同系物和异构体等)。样品用量少，灵敏度高：10-11-10-13g(高灵敏度的检测器)。分析速度快：几或几十分钟。应用范围广：b.P.<400

C。不足之处：不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质及蛋白质、核酸等生物样品的分析。第13页,共84页，2024年2月25日，星期天GC在各领域的主要应用应用领域分析对象举例环境水样中芳香烃，杀虫剂、除草剂和锑形态等。石油原油成分、汽油中各种烷烃和芳香烃。化工喷气发动机燃料中烃类，石蜡中高分子烃。食品、水果、蔬菜植物精炼油中各种烯烃、醇和酯、亚硝胺，香料中香味成分，人造黄油中的不饱和十八酸，牛奶中饱和和不饱和脂肪酸等。生物植物中萜类，微生物中胺类、脂肪酸（酯）类等。医药血液中汞形态，中药中挥发油。法医学血液中酒精，尿中可卡因、安非它命，奎宁及其代谢物，火药成分，纵火样品中的汽油等。第14页,共84页，2024年2月25日，星期天气相色谱仪气相色谱仪流程图第15页,共84页，2024年2月25日，星期天H2N2或Ar气路系统进样系统分离系统检测系统温控系统气相色谱仪结构示意图第16页,共84页，2024年2月25日，星期天色谱柱流量控制器稳压器空气氢气载气分子筛脱水管固定限流器进样口检测器电子部件PC第17页,共84页，2024年2月25日，星期天气源：高压钢瓶或气体发生器。常用载气有氮气、氢气、氦气、氩气等，要求纯度高。作用(提供动力):

驱动样品在色谱柱中流动，并把分离后的各组分推进检测器。载气的选择:气路系统检测器种类载气净化方式热导检测器H2/He分子筛、硅胶、活性炭氢火焰H2/N2去含碳有机物电子捕获N2去H2O、O2第18页,共84页，2024年2月25日，星期天１．进样器：将样品快速、准确地加到色谱柱头。

气样：六通阀或注射器(0.25、1、2.5、10mL)。

液样：注射器(0.5、1、2、10

L)。

固样：溶解或闪蒸。２．气化室：将液(固)体样品瞬间气化。

热容大；死体积小；无催化效应。

温度的选择：样品瞬间气化而不分解；通常选在样品沸点附近，高于柱温10

50

C即可。进样气化系统第19页,共84页，2024年2月25日，星期天温控系统包括对三个部分的控温，即气化室、色谱柱和检测器。温度控制是否准确、升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。控温方式：恒温和程序升温。温度选择:温控系统第20页,共84页，2024年2月25日，星期天§14-2气相色谱固定相气－固色谱固定相:表面具有活性的吸附剂(活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛等)；吸附剂的性能与制备、活化条件有很大关系，重现性较差。气－液色谱固定相:担体表面涂固定液。(1)担体：一种化学惰性的多孔性固体颗粒。担体的作用：提供惰性表面，使固定液以液膜状态均匀地分布在其表面。

第21页,共84页，2024年2月25日，星期天担体的要求①表面积大，孔径分布均匀。

②化学惰性好。③热稳定性好，有一定的机械强度。④颗粒均匀、细小。担体的种类非硅藻土担体：玻璃球、聚乙烯……硅藻土担体红色担体(非极性固定液)白色担体(极性固定液)第22页,共84页，2024年2月25日，星期天(2)固定液：高沸点的有机化合物，常温下是固体或液体，可用作固定液的化合物有1000多种。固定液的要求：①挥发性小，热稳定性高②在操作温度下呈液态③对试样有适当的溶解能力固定液的分类：①按化学类型②按极性大小第23页,共84页，2024年2月25日，星期天极性的规定：角鲨烷(异三十烷)极性

P＝0

β,β’－氧二丙腈极性

P＝100分离物质对正丁烷丁二烯

测定分离物质对在上述两种固定液和被测固定液上的保留值，计算相对极性。角鲨烷：

q烷＝lgtR׳(丁二烯）tR׳(正丁烷）氧二丙腈：

q腈＝lgtR׳(丁二烯）tR׳(正丁烷）第24页,共84页，2024年2月25日，星期天被测固定液：

qx＝lgtR׳(丁二烯)tR׳

(正丁烷)被测固定液的相对极性：Px＝100－100(q腈－qx)q腈－q烷

不同固定液的极性落在0~100之间，每20个相对极性单位为一级，用“＋”表示。强极性：

P＝＋4，＋5中等极性：P＝＋3弱极性：

P＝＋1，＋2第25页,共84页，2024年2月25日，星期天§14-3气相色谱分析理论基础基线:只有载气通过检测器时响应信号的记录§14-3-1色谱流出曲线及相关术语色谱带:组分在柱内的浓度分布构型。色谱峰:检测器产生的信号记录在纸上。基线稳定基线漂移基线(低频)噪声基线(高频)噪声第26页,共84页，2024年2月25日，星期天色谱流出曲线进样基线(噪音)h/峰高(定量)A/峰面积(定量)第27页,共84页，2024年2月25日，星期天保留值:试样的各组份在色谱柱内停留时间的数值.常用时间或相应的载气体积表示。保留时间(retentiontime,tR):待测组份从进样到柱后出现浓度最大值所需要的时间。死时间(deadtime,tM):不与固定相作用的气体(如空气和甲烷)的保留时间。调整保留时间(adjustedretentiontime,tR‘):扣除死时间的保留时间。tR’=tR–tM

固定相一定,在确定的实验条件下,任何物质都有一定的保留值,它是色谱定性的基本参数。第28页,共84页，2024年2月25日，星期天保留体积(retentionvolume,VR):从进样到柱后出现待测组份浓度最大值所通过的载气体积。

VR=tR.F0死体积(deadvolume,VM):色谱柱内除了填充物固定相以外的空隙体积，色谱仪中管路和连接头间的空间，进样系统及检测器的空间总和。VM=tM.F0调整保留体积(adjustedretentionvolume,VR‘):扣除死体积后的保留体积。

VR'=VR-VM或VR'=tR'.F0第29页,共84页，2024年2月25日，星期天相对保留值(relativeretentionvalue,r21):组份2与组份1调整保留值之比。1212'1'2'1'2RRRRRRRR1,2VVttVVttr¹¹==

相对保留值只与柱温及固定相性质有关，与其它色谱操作条件无关，它表示色谱柱对这两种组份的选择性。越大，越容易分离，=1，分离不能实现。第30页,共84页，2024年2月25日，星期天用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素区域宽度(peakwidth):色谱峰宽度。第31页,共84页，2024年2月25日，星期天从色谱流出曲线上可以得到什么信息？根据色谱峰个数可以判断样品中所含组分的最小个数。根据色谱峰的保留值可以进行定性分析。根据色谱峰高或者峰面积可以进行定量分析。根据色谱峰保留值和区域宽度可以评价色谱柱分离效率。可以通过两个色谱峰的距离评价固定相(流动相)的选择是否合适。第32页,共84页，2024年2月25日，星期天

两组份峰间距足够远

由各组份在两相间的分配系数决定，即色谱过程的热力学性质决定。

每个组份峰宽足够小

由组份在色谱柱中的传质和扩散决定，即色谱过程动力学性质决定。因此研究、解释色谱分离行为应从热力学和动力学两方面进行。§14-3-2色谱柱效能完全分离的条件第33页,共84页，2024年2月25日，星期天1.分配系数(Distributionconstant,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。组分一定时，只与两相和温度有关!描述分配过程的参数msccK==溶质在流动相中的浓度溶质在固定相中的浓度第34页,共84页，2024年2月25日，星期天2.分配比(Retentionfactororcapacityfactor/k)反映了组分在柱中的迁移速率，又称保留因子mmssmsVcVcmmk===组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量第35页,共84页，2024年2月25日，星期天填充柱：=6~35毛细管柱：=60~6003.

K与k的关系VVsm=b第36页,共84页，2024年2月25日，星期天—詹姆斯/马丁(1941)小室1小室2小室3小室4小室1小室2小室3小室4

塔板理论(Platetheory)---柱效能指标第37页,共84页，2024年2月25日，星期天理论塔板数理论板高有效塔板数有效板高1.塔板数(n)()板高H第38页,共84页，2024年2月25日，星期天说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等。应定期对柱效进行评价，以防柱效下降、延长柱寿命。2.塔板理论贡献用热力学的观点阐明了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程。解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置。提出了计算和评价柱效的参数。第39页,共84页，2024年2月25日，星期天3.塔板理论不足不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素。不能说明同一溶质为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数。第40页,共84页，2024年2月25日，星期天—VanDeemter/1956吸收了塔板理论中的板高H概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程,从动力学角度很好地解释了影响板高(柱效)的各种因素！速率理论(Ratetheory)---影响柱效能的因素H：单位柱长色谱峰形展宽的程度A：涡流扩散项B：分子扩散项系数C：传质阻力项系数流动相平均线速:uuCuBAH++=第41页,共84页，2024年2月25日，星期天1.涡流扩散项(多途路径项,A)减小A的途径：使用粒度小并且均匀的柱料并均匀填充毛细管柱？：填充物平均粒径填充不规则因子ppd:d2All=第42页,共84页，2024年2月25日，星期天2.分子扩散项(纵向扩散项,B/u)

柱料均匀

柱温

Dg；柱压

Dg

流动相分子量，Dg

u

,（B/u）

LC中Dm

较小，B项可勿略球状颗粒低温短柱大分子量流动相适当增加流速数：组分在流动相扩散系：弯曲因子ggDD2Bgg=第43页,共84页，2024年2月25日，星期天3.传质阻力项(Cu)

物质系统由于浓度不均匀而发生的物质迁移过程，称为传质。影响这个过程进行速度的阻力称为传质阻力。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。流动相传质阻力系数固定相传质阻力系数第44页,共84页，2024年2月25日，星期天塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质组份的实际分离程度：即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离?色谱分离中的四种情况如图所示：n较高，

较大，完全分离n较高，

较小，基本分离n较小，

较大，分离不好n、

均小，无法分离§14-3-3分离度(分辨率)第45页,共84页，2024年2月25日，星期天保留值之差—色谱过程的热力学因素区域宽度—色谱过程的动力学因素难分离物质组份的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：分离度表达式：第46页,共84页，2024年2月25日，星期天W1＝W2=4σR＝

tR(2)－tR(1)4σ

R＝1.0时，4σ分离，分离程度98%R＝1.5时，6σ分离，分离程度达99.7%

对于两个面积相等的对称峰：第47页,共84页，2024年2月25日，星期天响应信号保留时间

t/minR=1.0分离98%R=1.5分离99.7%R=0.75不能分离完全分离之标准第48页,共84页，2024年2月25日，星期天①α＞1是分离的前提

②

n↗，R↗

应用：（1）计算色谱体系所能达到的分离度（2）达到某一分离度所需的柱长

α-1α（

）41

k1+k√

nR＝（）=分配比(k)、理论塔板数(n)、分离因子(α)与分离度(R)的关系第49页,共84页，2024年2月25日，星期天§14-4气相色谱分离操作的选择

流动相的类型及流速常用流动相：N2、H2、He、AruCuBAH++=低时：u占主要地位，用分子量大的Ｎ２和ＡruB高时：占主要地位，用分子量小的H2和ＨeuCu第50页,共84页，2024年2月25日，星期天为缩短分析时间，通常选择较u最佳稍大的流速流速的选择可参照H－u曲线板高H\cmuH-uCSuCmu/Boptu第51页,共84页，2024年2月25日，星期天色谱柱材：不锈钢、玻璃柱内径填充柱：3~4mm空心柱：0.25~0.3mm柱温影响：K、k、Dm、Ds、T↗、K↘柱长填充柱:1－3米空心柱:数十米柱长与柱径柱温:改善分离的重要操作参数第52页,共84页，2024年2月25日，星期天柱温选择：接近或略低于组分的平均沸点，对宽沸点试样可采用程序升温(柱温按设定的程序逐渐升高)第53页,共84页，2024年2月25日，星期天进样量：液体0.1~5μL;气体0.1~10mL进样时间：1s内完成气化温度：使试样能够瞬间气化又不分解固定液配比:决定于组分的k值和允许样品量的大小。分配系数大的用低配比，分配系数小的用高配比进样条件第54页,共84页，2024年2月25日，星期天作用：物质量

mi电信号E(电流、电压、峰面积)类型浓度型：E∝c，A∝1/u(热导池、电子捕获)质量型：E∝m，A与u无关(氢火焰)A—组分的峰面积u—流动相的流速§14-5气相色谱检测器第55页,共84页，2024年2月25日，星期天结构池体：不锈钢、铜热敏元件：铼钨丝、钨丝、铂丝§14-5-1热导池检测(TCD)第56页,共84页，2024年2月25日，星期天热导池第57页,共84页，2024年2月25日，星期天样品池参比池热丝粗细、长短、电阻值完全相同热丝电阻值

R∝热丝温度t∵不同物质有不同的热导系数λ

∴

通过热导池的气体组成及浓度发生变化时，热丝的温度变化，R变化第58页,共84页，2024年2月25日，星期天未进样：R参、R测都通载气，λ相同，两池t相同R参＝R测∴R参R2＝R测R1

电桥平衡△EMN＝0，无信号输出热丝的电阻值变化用惠斯登电桥测量第59页,共84页，2024年2月25日，星期天进样：参比池：载气

λ载样品池：载气＋样品

λ二元第60页,共84页，2024年2月25日，星期天∵λ载≠λ二元

，t参≠t测，R参≠R测∴R参R2≠R测R1，电桥不平衡△EMN≠0，有信号输出∵△E∝△R∝△t∝△λ∝C∴△E∝C第61页,共84页，2024年2月25日，星期天组分的λ与流动相的λ不同时，均可产生信号，故热导池检测器是通用型检测器。影响灵敏度因素有：桥路电流、池体温度、载气种类第62页,共84页，2024年2月25日，星期天结构离子室：金属圆筒离子头：发射极、收集极、喷嘴气体供应§14-5-2氢火焰离子检测器(FID)第63页,共84页，2024年2月25日，星期天有机物氢火焰燃烧裂解、电离正离子负极负离子正极10-6~10-14A电流微电流经放大后，由高阻转为电压信号记录下来。

FID只对电离势低于H2的有机物产生响应，对无机物、永久性气体和H2O基本上没有响应。操作条件载气流量：考虑分离效能

H2流量：考虑灵敏度空气流量：一般H2︰空气＝1︰10第64页,共84页，2024年2月25日，星期天依据：两相及操作条件不变时，物质的tR或VR不变。前提条件：对样品的组成比较清楚，操作条件稳定，若相邻两峰的tR接近，且条件不易控制时，可把纯物质添加到试样中。

§14-6气相色谱定性分析§14-6-1利用纯物质对照定性保留值定性第65页,共84页，2024年2月25日，星期天

将标样和样品在另一根极性相差较大的色谱柱进样分析，如果保留时间仍相同，则可以确定两者为同一物质。添加前添加后双柱定性第66页,共84页，2024年2月25日，星期天实质色谱仪－－质谱仪的进样装置质谱仪－－色谱仪的检测器§14-6-2与质谱、红外光谱联用定性第67页,共84页，2024年2月25日，星期天气相色谱—质谱联用仪第68页,共84页，2024年2月25日，星期天试样色谱柱分子分离器样品分子离子源室质量分析器载气真空系统离子检测室总离子流图质谱图第69页,共84页，2024年2月25日，星期天大气悬浮物中有机物的总离子流图第70页,共84页，2024年2月25日，星期天桉叶油素质谱图第71页,共84页，2024年2月25日，星期天气相色谱—红外光谱联用仪第72页,共84页，2024年2月25日，星期天A＝Simi§14-7气相色谱定量分析定量分析的依据:一定条件下，检测器的相应信号(峰面积或峰高)与进入检测器的组份量(质量或浓度)成正比

mi＝AiSi＝fiAi定量分析的要求:准确测量峰面积；求出定量校正因子；选择定量方法第73页,共84页，2024年2月25日，星期天A＝hW1/2=1.065hW1/2

§14-7-1峰面积测量峰高乘半峰宽法(峰对称且不太窄)A＝0.5h(W0.15+W0.85)

峰高乘平均峰宽法(峰不对称)A＝hW1/2=hbtR峰高乘保留时间法(峰窄或峰宽的同系物)

用峰高代替峰面积自动积分仪或数据工作站第74页,共84页，2024年2月25日，星期天同一检测器，对不同物质的响应值有差别。当m1=m2时，A1≠A2。故不同物质的fi值不同，其物理意义为单位峰面积所代表的物质量A∝mimi＝fiAi§14-7-2定量校正因子定量校正因子fi的引入fi

=Si1fi

=Aimi第75页,共84页，2024年2月25日，星期天

存在进样误差，fi不易准确测量。实际中，以相对定量校正因子fi´代替绝对定量校正因子fi

fi´＝AsmiAims

mi/Ai

ms/As

fi

fs＝＝

相对校正因子fi´是指某组分i与标准物质s的绝对校正因子之比：第76页,共84页，2024年2月25日，星期天Wi%

＝A1f1'+A2f2'+…+Anfn'

fi'Ai×100%对于狭窄的色谱峰，可用峰高h代替AWi%＝×100%h1f1'+h2f2'+…+hnfn´

fi'hi§14-7-3常用的定量方法归一化法:条件是样品中所有组分都能出峰;优点：简便、准确、进样量准确与否对结果没有影响、操作条件的变