仪器分析-气相色谱分析

第二章气相色谱分析一、色谱法概论二、气相色谱分析理论基础三、色谱分离条件四、固定相及其选择五、气相色谱检测器六、气相色谱定性方法七、气相色谱定量方法八、毛细管柱气相色谱法第二章气相色谱分析2-1色谱法概论

1903年，俄国植物学家茨维特(MikhailTswett)最先发明。在色谱法中，将装填在玻璃或金属管内固定不动的物质称为固定相（碳酸钙），在管内自上而下连续流动的液体或气体称为流动相（石油醚），装填有固定相的玻璃管或金属管称为色谱柱。2-1-1原理根据混合物中各组分在固定相和流动相中具有不同的分配系数，当两相作相对移动时，各组分在两相间进行反复多次分配，就使性质或结构不同的各组分产生了明显的分离效果，从而依先后顺序流出色谱柱。根据色谱流出曲线给出的各种信息，可对各组分进行分析和测定。2-1-3组成图2-12-1-3组成1、气路系统

载气：H2，N2，He，Ar等净化器：提高载气纯度稳压恒流装置，气体流速控制和测量。2、进样系统进样器：微量注射器、六通阀气化室：瞬间气化，死体积尽可能小3、分离系统色谱柱有填充柱和毛细管柱两大类2-1-3组成4、温控系统色谱柱、气化室、检测室三处温度控制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，温控反复根据需要可以恒温，也可以程序升温。5、检测器把柱后流出的组分信号转变为可测量的信号。2-1-2分类按两相物理状态分类气相色谱：气—固色谱（GSC）、气—液色谱（GLC）液相色谱：液—固色谱（LSC）、液—液色谱（LLC）按固定相的形式分类柱色谱：填充柱色谱、毛细管柱色谱平板色谱：薄层色谱、纸色谱按组份在固定相上的分离机理分类吸附色谱：不同组份在固定相的吸附作用不同分配色谱：不同组份在固定相上的溶解能力不同按其它作用原理：离子交换色谱、凝胶色谱（尺寸排阻色谱）等。2-1-4色谱流出曲线图2-2分离过程2-1-4色谱流出曲线图2-32-1-4色谱流出曲线1、色谱峰：当某组分从色谱柱中流出时，检测器对该组分的响应信号随时间变化所形成的峰形曲线。2、基线：在正常操作条件下，色谱柱后没有组分进入检测器时，检测器的响应信号随时间变化的曲线称为基线。稳定的基线为水平直线。图中直线所示。基线漂移：基线随时间的缓慢变化。基线噪声：由于各种因素引起的基线起伏。2-1-4色谱流出曲线3、保留值：是试样各组分在色谱柱中保留行为的量度，它反映组分与固定相间作用力大小，通常用保留时间和保留体积表示。死时间tM：不被固定相吸附或溶解的组分（如空气、甲烷）从进样到出现其色谱蜂最大值所需的时间，图中O'A'所示。保留时间tR

：指某组分通过色谱柱所需时间，即试样从进样到出现峰极大值时的时间，图中Ｏ‘Ｂ所示。调整保留时间tR’

死时间后的保留时间，它是组分在固定相中的滞留时间。图中A’B所示，即tR’=tR

－tM2-1-4色谱流出曲线死体积VM：色谱柱内载气所占的体积。

VM=tM

*

Fc0

其中，Fc0为柱出口的载气流速mL/min)。保留体积VR：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。

VR=tR

*

Fc0调整保留体积VR’：扣除死体积后的保留体积。

VR’=VR-VM=tR

*

Fc0-tM

*

Fc0=tR’

*

Fc02-1-4色谱流出曲线相对保留值r2,1：组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比,也可用α表示。r2,1只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长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中广泛用于定性的依据！2-1-4色谱流出曲线4、区域宽度标准偏差

：0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半，图中EF的一半。半峰宽W1/2：峰高一半处的峰宽，图中GH

。

W1/2=2.354峰底宽Wb：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离，图中IJ

。

Wb=4

2-2气相色谱分析理论基础2-2-1基本原理组分在固定相和流动相间的分配过程或吸附-脱附过程。2-2-1基本原理分配系数(浓度比)K分配比(质量比)kK与k关系

称为相比，它也是反映色谱柱柱型及其结构的重要特性。对填充柱，

=6~35；对毛细管柱，

=50~1500。2-2-2

塔板理论1941年，Martin等人提出。用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏塔中借用的，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。塔板理论假定:塔板和塔板之间不连续；塔板之间无分子扩散；组分在每块塔板的两相间的分配平衡瞬时达到，达到一次分配平衡所需的最小柱长称为理论塔板高度；一个组分在每块塔板上的分配系数相同；流动相以不连续的形式加入，即以一个一个塔板体积加入;试样开始时全部加在0号塔板.2-2-2

塔板理论例:塔板数n=5;组分分配比k=1;塔板编号r=0,1,…,n-1;样品质量m=12-2-2

塔板理论n太小使色谱峰不对称,当n>50时,色谱峰可近似对称分布;色谱流出曲线可趋近于正态分布曲线;当

N=8-9为色谱峰中心值;色谱法n=103~106;图2-4色谱流出曲线2-2-2

塔板理论色谱流出曲线方程式:C0为进样浓度,C为出口处浓度根据呈正态分布的色谱流出曲线可以导出计算塔板数n的公式，用以评价一根柱子的柱效,理论塔板数由组分保留值和峰宽决定.

理论塔板数：若柱长为L，则每块理论塔板高度H为:H=L/n2-2-2

塔板理论

但上述两式包含死时间tM

，它与组分在柱内的分配无关，因此不能真正反映色谱柱的柱效。通常以有效塔板数neff

和有效塔板高度Heff

表示：2-2-3

速率理论塔板理论存在的假定有缺陷,不能解释塔板高度H受那些因素影响.1956年，荷兰化学工程师vanDeemter提出了色谱过程动力学速率理论。vanDeemter方程：H=A+B/u+C*uu为流动相线速度；A，B，C为常数.其中:A—涡流扩散系数；

B—分子扩散系数；

C—传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）2-2-3

速率理论涡流扩散项A

=2dp

dp—填充物平均颗粒直径；

—填充不规则因子。

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，色谱峰比较窄。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0。图2-52-2-3

速率理论分子扩散项B/u,因浓度梯度而引起.B=2Dg

—弯曲因子，它表示柱填充物对分子扩散的阻碍情况

Dg—组分在流动相中的扩散系数。流动相分子量大，Dg小，B小;

Dg随柱温降低而减小，随柱压降低而减小;

u增加，组分停留时间短，纵向扩散小；(B/u)

对于液相色谱，因Dg

较小，B项可勿略。2-2-3

速率理论传质阻力项Cu:试样组分从气相移动到固定相表面的过程.气液色谱包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数CL

其中:df为固定相液膜厚度,DL为组分在液相的扩散系数.界面流动相固定液组分分子ClCg2-2-3

速率理论速率理论是在塔板理论的基础上,把色谱分配过程与组分在两相中的扩散和传质过程相联系,提出色谱峰受涡流扩散、分子扩散和传质阻力等因素控制，从动力学基础上较好解释影响板高的各种因素，对选择合适的色谱分离条件具有指导意义。它比较全面地概括了柱填充物颗粒度，填充均匀性，固定液液膜厚度，载气种类及流速等对柱效能和色谱峰变宽的影响。2-3色谱分离条件确定分离度计算理论塔板数和柱长度流速控制柱温控制其他选择2-3色谱分离条件2-3-1分离度R

同时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。R定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰峰底宽度平均值之比。2-3-1分离度R利用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度R。R越大，相邻组分分离越好。当R=1.5时，分离程度可达99.7%，因此R=1.5通常用作是否分开的判据。当两组分色谱分离较差,峰底宽度难于测量时,可用半峰宽代替表示分离度,用R’表示。

R=0.59R’2-3-2色谱基本分离方程式对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数K相差小，可合理假设

k1k2=kY1Y2（峰底宽度）2-18P132-3-2色谱基本分离方程式R与n关系(柱效因子):增加柱长改进分离度,但延长了分析时间并使峰扩展,在满足R的条件下使用短柱.R与k关系(容量因子):k↑，R↑，但当k>10，则R的增加不明显。通常k在2～10。

R与α关系(选择因子):α越大，柱选择性越好，对分离有利。α

的微小变化可引起R较大改变。2-3-3分离操作条件载气及其流速:H=A+B/u+Cu板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u2-3-3分离操作条件柱温选择:例一个宽沸程分离,正构烷烃.柱温高,各组分挥发靠拢,不利于分离;柱温低,被测组分扩散速率低,峰行宽,柱效下降.恒温1500C程序升温500C-2500C80C/min2-3-3分离操作条件其他因素固定液的性质和用量:与担体的比例5:100~25:100担体的性质和粒度:表面积大,孔径和表面分布均匀.(3~6mm内径色谱柱,使用60~80目担体)进样时间和进样量:进样速度必须快(<1s),否则峰形展宽.进样量多,峰叠加;进样量少,检测器难于检测.(液体0.1~5uL,气体0.1~10mL)气化温度:保证试样不分解,气化温度一般比柱温高30~700C.2-4固定相及其选择2-4-1气相色谱柱分类：用于气固色谱的固定相：固体吸附剂；是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。常用固体吸附剂——硅胶（强极性）、氧化铝（弱极性）、活性炭（非极性）、分子筛（极性，筛孔大小）人工合成固体吸附剂——高分子多孔微球（GDX）。可在活化后直接用于分离。用于气液色谱的固定相：固定液+载体。载体（也称担体）——惰性的，多孔性固体颗粒。对载体的要求：稳、匀，大。载体类型分为硅藻土型和非硅藻土型，后者又分为白色和红色担体。固定液及其选择：热稳定性好、蒸汽压低——流失少；化学稳定性好——不与其它物质反应；对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数K适当）；对各组分具有良好的选择性。2-4-2气相色谱柱极性极性的表示方法待测固定液的相对极性Px：其中q1q2qx

分别表示物质对在角鲨烷、

,-氧二丙腈和待测固定液的相对保留值。2-4-3固定液选择按“相似相溶”原理选择固定液非极性组分——非极性固定液——沸点低的物质先流出；极性物质——极性固定液——极性小的物质先流出；各类极性混合物——极性固定液——极性小的物质先流出；氢键型物质（醇、胺、水等）——氢键型固定液——不易形成氢键的物质先流出；复杂混合物——两种或以上混合固定液2-5气相色谱检测器2-5-1热导检测器（TCD）2-5-1热导检测器（TCD）原理：不同气态物质所具有的热传导系数不同,被测组分的蒸气与载气具有不同的热导系数；热敏元件阻值随温度变化而改变；利用惠斯登电桥测量。载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。通常选择热导系数大的H2和氦气He作载气。较大的桥电流、较低的池体温度、低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度。特点：对任何气体均可产生响应，而且不破坏样品，多用于10ppm以上组分的测定，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。2-5-2氢火焰离子化检测器

（FID）——结构主要用于可在H2－Air火焰中燃烧的有机化合物（如烃类物质）的检测。结构：主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极和收集极。2-5-2氢火焰离子化检测器

（FID）——原理根据含碳有机物在氢火焰中发生电离的原理进行检测；氢在氧中燃烧生成的火焰为有机物分子的燃烧和电离提供了能源；有机物分子在氢火焰中进行化学电离；化学电离产生的离子在置于火焰附近的静电场中定向移动而形成离子流。2-5-2氢火焰离子化检测器（FID）——灵敏度影响FID灵敏度的因素：载气和氢气流量N2:H2=1:1~1:1.5;空气流速越大,灵敏度越大,到一定值时,空气流速对灵敏度影响不大,H2:Air=1:10～1:20;极化电压在50V以下时,电压越高,灵敏度越高,通常选择100~300V的极化电压;操作温度比柱的最高允许使用温度低约500C（防止固定液流失及基线漂移）.2-5-2氢火焰离子化检测器（FID）——特点灵敏度高(10-12g/s);线性范围宽(107数量级);噪声低;耐用且易于使用;特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受N和S的氧化物污染的有机物分析;对含卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应;样品受到破坏。2-5-3电子捕获检测器（ECD）主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。2-5-3电子捕获检测器（ECD）——原理检测器内有能放出β射线的放射源;载气分子能被β射线电离,在电极间形成一定的基流;样品分子有能捕获电子的官能团；样品俘获电子后使电极间的基流减小，形成倒峰。2-5-3电子捕获检测器（ECD）——特点高选择性检测器,仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物具有极高的选择性和灵敏度,检测下限10-14g/mL;

对含酰胺基和羟基的化合物以及烃类物质不灵敏;应用于农药残留量、大气及水质污染分析,以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域中;线性范围窄,只有103左右;响应易受操作条件的影响,重现性较差。2-5-4火焰光度检测器（FPD）对含S、P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。主要用于SO2、H2S、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。FPD结构：喷嘴+滤光片+光电管。>滤光片放大器记录仪光电管石英窗H2Air载气+组分出口2-5-4火焰光度检测器（FPD）——原理检测器中有富氢火焰，为含硫、磷的化合物提供燃烧和激发的条件；样品在富氢火焰中燃烧时，含硫、含磷化合物能发射出特征光；硫化合物:波长=350~430nm,磷化合物波长=526nm特征光通过滤光片后，由光电倍增管把光强度转换成电信号。2-5-4火焰光度检测器（FPD）——特点1）对含S、P化合物有较高灵敏度和一定的选择性；2）对卤素气X2、N2、Sn、Cr、Se和Ge等也有响应；3）相对其它检测器如ECD和FID，FPD价格较贵；4）对测S的灵敏度比硫荧光检测器*(SCD)低。2-5-5检测器的性能指标--灵敏度S:以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号作图，得到校正曲线，该曲线的斜率k即为灵敏度S。S是检测器性能的重要指标，可用来评价检测器的好坏，并可与其它种类的检测器比较。检测器的灵敏度与样品性质有关；对任何检测器，进样量都是有限度的，叫做最大允许进样量Q最大，超过此限度，则信号就不再与进样量成线性关系；灵敏度越大，检测器的最小检测量Q最小越小。2-5-5检测器的性能指标--检测限D:

也称敏感度，是指检测器恰能产生和噪音相辨别的信号时，在单位体积或单位时间需向检测器送入的样品量。敏感度越小，说明检测器的检测能力越强，所需要的样品量越少。检测限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声，即检测限是衡量检测器或仪器性能的综合指标。3N热导检测器（TCD）氢火焰离子化检测器

（FID）电子捕获检测器（ECD）火焰光度检测器（FPD）2-6气相色谱定性方法在一定操作条件下，各组分保留时间是一定值。利用保留时间定性,分别以试样和标准物进样，分析各自的色谱图对照;利用峰高增量定性,通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰增加来确定.确定试样中的各组分，即每个色谱峰各代表的何种化合物。保留值——定性的依据。2-6-1方法一:用已知物对照定性2-6-2方法二:根据经验式定性碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留时间tR‘的对数与分子中碳数n成正比

lg

tR‘=An+C(n3)沸点规律：同族具相同碳数的异构物，其调整保留时间tR‘的对数与分子中沸点Tb成正比

lg

tR‘=ATb+C2-6-4气相色谱定性方法——方法四双柱或多柱定性,可克服在一根柱上，不同物质可能出现相同的保留时间的情况。2-6-5气相色谱定性方法——方法五与其它方法结合定性,如GC-MS,GC-IR.2-6-3方法三:根据相对保留值ris

定性在样品和标准中分别加入同一种基准物s，将样品的ris和标准物的ris

相比较来确定样品中是否含有i组分。只要固定相性质与柱温确定，相对保留值就是一个定值。2-6-6气相色谱定性方法——方法六方法六:保留指数（Kovats指数）定性该指数定性的重现性最佳,当固定液和柱温一定时,定性可不需要标准物.它是把物质的保留行为用两个靠近它的基准物来标定得到的。

设正构烷烃的Kovats指数为碳数

100。测定时，将碳数为n和n+1的正构烷烃加入到样品x中进行色谱分析，此时测得这三个物质的调整保留值分别为：

tR'(Cn)＜tR'(x)＜tR'(Cn+1)2-6-6气相色谱定性方法

方法六:保留指数（Kovats指数）定性利用下列公式求出未知物Kovats指数Ix，然后与文献值对照。2-7气相色谱定量方法2-7-1峰面积测量法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。峰面积A的测量

对称峰——峰高h与半峰宽的积：

A=1.065

h

W1/2

不对称峰——峰高与平均峰宽的积：

A=1/2h(W0.15+W0.85)2-7-2定量校正因子绝对校正因子mi=fi'Ai

通过此式可得到待测物单位峰面积对应的该物质的量。相对校正因子fi：当用质量m、摩尔M、和气体体积V作计量单位时，则分别表示为质量校正因子fi(m)、摩尔校正因子fi(M)和体积校正因子fi(V)

。2-7-2定量校正因子相对校正因子的测量准确称取被测物与标准物，混合后进样。从所得色谱图分别求出它们的峰面积，然后通过前述公式计算校正因子。校正因子只与试样、标准物和检测器类型有关，与其它所有条件无关！可以查表得到。2-7-3归一化法把所有出峰组分的含量之和按100％计的定量方法。fi为i物质的相对定量校正因子；Ai

为其峰面积。归一化法特点及要求：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，在使用中受到限制。

2-7-4内标法是在一定量试样中准确加入一定量的内标物，根据待测组分和内标物的峰面积及内标物质量计算待测组分质量的方法。一般常将内标物作测定相对定量校正因子的基准物，则fs=1，使计算简化。对内标物的要求：样品中不含内标物；无反应；与各待测物保留时间和浓度相差不大；特点：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。

2-7-5内标标准曲线法若样品用量与加入标准物质量完全固定，则内标法的计算就可以简化为内标标准曲线法，它适用于工厂内成批样品的定量分析。如果经常需要测定同一物质，可固定试样的称取量，并加入恒定量的内标物，此时fi

mS

/fs

m为一常数故：

wi∝Ai/ASFigureInternalworkinggraph适合于液体试样的常规分析

2-7-6外标法所谓外标法就是应用欲测组分的纯物质来制作标准曲线。此时用欲测组分的纯物质加稀释剂(对液体样品用溶剂稀释、气体样品用载气或空气稀释)配成不同含量(％)标准溶液，取固定量标准溶液进样分析，从所得色谱图上测出响应讯号(峰面积或峰高等)、然后绘制响应信汛号(纵坐标)对百分含量(横坐标）的标准曲线。分析试样时，取和制作标