《仪器分析技术》课件-项目六 色谱法

仪器分析技术任务1-色谱法概述气相色谱法学习目标：了解色谱法的由来，掌握相关术语掌握色谱法的分类了解气相色谱法的特点了解气相色谱法的应用色谱法的由来1906年由俄国植物学家茨维特(Mikhail.S.Tswett)创立色谱柱：玻璃管固定相：CaCO3流动相：石油醚色谱图：有颜色的色带茨维特吸附色谱分离实验示意图色谱法的分类流

动

相总

称固定相色谱名称气

体气相色谱（GC）固体气-固色谱（GSC）液体气-液色谱（GLC）液

体液相色谱（LC）固体液-固色谱（LSC）液体液-液色谱（LLC）固定相形式柱纸薄层板填充柱毛细管柱固定相性质在玻璃或不锈钢柱管内填充固体吸附剂或涂渍在惰性载体上的固定液在弹性石英玻璃或玻璃毛细管内壁附有吸附剂薄层或涂渍固定液等具有多孔和强渗透能力的滤纸或纤维素薄膜在玻璃板上涂有硅胶薄层（1）按照流动相和固定相所处的状态（2）按固定相性质和操作方式分类色谱法的分类（3）按色谱分离过程的物理化学原理进行分类气相色谱法的特点分离效能高：色谱法在分离过程中反复多次地利用了被分离组分间（物理的或物理化学）性质上的微小差异，因此可以产生很高的分离效能。快速：色谱法是先分离后检测，对于多组分混合物来讲，一次进样即可同时得到各个组分的定性、定量分析结果。灵敏度高：现代的色谱仪均配有高灵敏度的检测器，可检测10-6~10-9级的组分。应用广泛：只要样品在450℃以下能汽化且不分解均可采用气相色谱法进行分析不足之处：不能直接给出定性结果；固体试样不能直接测定；在操作温度范围（-196~450℃）以内难以挥发或热稳定性差的物质不能使用。气相色谱法的应用范围被分析物的状态：1、对常温呈气态的样品，可直接注人色谱柱进行分析；2、对常温呈液态的样品，需在进样室加热气化后才能进人色谱柱进行分析；环境污染物质、残留农药、香料香精、工作环境中的有机物、石油、煤焦油、有机合成产品和医药品等。对常温呈固态的样品，可选用适当的溶剂溶解制备成溶液，再按液态样品进行分析，或将固态样品进行热裂解或激光裂解使其呈气态后，再按气态样品进行分析。紫外吸收光谱法定义：产生原因：分子中价电子能级的跃迁产生的。基于物质对紫外光的选择性吸收来进行分析测试的方法。远紫外光区：10~200nm；近紫外光区：200~400nm紫外光谱的特点：可用来定性鉴定和结构分析无需加显色剂，测量简单方便灵敏度高，准确度总结色谱法的由来，掌握相关术语色谱法的分类气相色谱法的特点气相色谱法的应用思考题：01茨维特分离叶绿素的过程和原理？任务2-色谱法的分离原理气相色谱法学习目标：掌握色谱分离原理色谱分离过程中的参数分离过程如图所示：混合物中的ABC三个组分在色谱柱里流动的过程中，组分在两相之间进行了多次分配。当流动相携带混合物流经固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分的结构和性质有差异，与固定相发生作用的作用力大小不同，ABC三个组分在两相间的分配系数不同。因此在相同推动力的作用下，各组分在两相间经过反复多次的分配平衡后，在固定相中的滞留时间有长有短，滞留时间短的先出柱，时间长的后柱，最终实现混合物的分离。分离过程气-液色谱法的分离过程是指各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体物质表面上的作用。具有吸附性的物质叫做吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。吸附作用可分为物理吸附和化学吸附。吸附脱附正好与吸附作用相反，是指吸着在固体或液体物质表面上的物质在一定的作用下离开原表面的过程。气-液色谱法的分离过程溶解——挥发溶解过程是指气态或液态组分进入固定液的过程，而挥发过程则是指组分离开固定液回到气态或液态流动相的过程。吸附——脱附色谱分离过程中的参数1、分配过程组分在固定相与流动相之间发生的吸附、脱附（气固色谱法）和溶解、挥发（气液色谱法）的过程。2、分配系数组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相与流动相中浓度之比。色谱分离过程中的参数相比填充色谱柱内流动相与固定相的体积比。色谱分离过程中的参数容量因子在一定温度与压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相中和在流动相中质量之比，用表示。气相色谱法的分离原理总结色谱分离原理总结色谱分离过程中的参数思考题气固色谱法和气液色谱法任务3-色谱法常用术语气相色谱法色谱法常用术语1、色谱图指色谱柱流出组分通过检测系统时所产生的响应信号对时间或流动相流出体积的曲线图(见图5-2)，一般以组分流出色谱柱的时间()或载气流出体积()为横坐标，以检测器对各组分的电信号响应值()为纵坐标。色谱法常用术语2、基线表示在实验条件下，纯载气流经检测器时（无组分流出时）的流出曲线。只反映仪器噪声随时间变化的曲线。操作条件变化不大时，常可得到如同一条直线的稳定基线。（1）基线噪声：各种因素引起的基线起伏。（2）基线漂移：基线随时间单方向的缓慢变化。色谱法常用术语3、色谱峰当有组分进入检测器时，色谱流出曲线就会偏离基线，其输出信号随进入检测器组分浓度的变化而变化，直至组分全部离开检测器，此时绘出的曲线称为色谱峰。前伸峰出现这种情况的原因很多如进样量太大造成色谱柱超载。拖尾峰前沿陡起后部平缓的不对称色谱峰。色谱法常用术语4、色谱峰峰高和峰面积色谱峰封顶到基线间的垂直距离，常用ℎ表示。每个组分的流出曲线与基线间所包围的面积，用A表示。峰高或峰面积的大小与各个组分在样品中的含量呈正比例关系，是色谱分析法的定量参数。色谱法常用术语5、区域宽度色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线中的一个重要参数，从色谱分离的角度出发，区域宽度越窄越好。同行用如下三种方法度量色谱区域宽度。（1）标准偏差（σ）:0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。（2）半峰宽度（W1⁄2）:峰高一半处色谱峰的宽度，其与标准偏差的关系是。峰面积与峰高和半峰宽的关系是：（3）峰底宽度（W)色谱峰两侧的转折点所作线在基线上的截距，其与标准偏差的关系是：色谱法常用术语6、保留值表示试样中各组分在色谱柱内停留的时间或将组分带出色谱柱所需流动相的体积。从进样到色谱柱后出现待测组分信号极大值所需要的时间（如图？中？所示的距离)，以tR表示。tR可作为色谱峰位置的标志。（1）保留时间tR指从进样开始到惰性组分从柱中流出，呈现浓度极大值时所需要的时间（如图？中？所示的距离)，tM反映了色普柱中未被固定相填充的柱内死体积和检测器死体积的大小，与被测组分的性质无关。（2）死时间tM色谱法常用术语6、保留值表示试样中各组分在色谱柱内停留的时间或将组分带出色谱柱所需流动相的体积。扣除死时间后的保留时间（如图？中？所示的距离），以表示。（3）调整保留时间色谱法常用术语6、保留值死体积：不被固定相保留的组分通过色谱柱所小号流动相的体积；保留体积：从进样到组分出现峰最大值时所消耗流动相的体积。调整保留体积：扣除了死体积的保留体积。（4）死体积VM

、保留体积VR、调整保留体积Fc是操作条件下柱内载气的平均流速。相对保留值

一定的实验条件下组分与某一标准组分S的调整保留时间之比色谱法常用术语总结色谱术语总结色谱法常用术语总结思考题画出色谱图，并准确标注任务4-色谱分析基本理论气相色谱法学习目标：塔板理论速率理论气相色谱基本理论塔板理论1、塔板理论就是将色谱分离技术比拟作一个精馏过程，即将连续的气相色谱分离过程看作是许多小段平衡过程的重复。2、理论塔板数n在塔板理论中，每一块塔板的高度称为理论塔板高度，简称板高，用H表示。假设整个色谱柱是直的，则当色谱柱长为L时，所得理论塔板数n为气相色谱基本理论塔板理论L固定时，H越小，n越多；理论塔板数n的经验式为:3、有效理论塔板数气相色谱基本理论速率理论1、速率方程（范第姆特方程式）气相色谱基本理论速率理论2、影响柱效能得因素（1）涡流扩散项A填充柱：直径小、粒度均匀的固定相，并尽量填充均匀，可以减小涡流扩散毛细管柱：A=0。（2）分子扩散项B/u加快载气流速，则可减少由于分子扩散而产生的色谱峰扩张，使用摩尔质量大的载气也可以减小分子扩散项。（3）传质阻力项C∙u传质阻力项包括气相传质阻力和液相传质阻力。气相色谱基本理论（1）速率理论阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响，为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导（2）提高柱效的方法：选择适当的固定相液膜厚度、担体力度、填充均匀程度、柱温、载气种类及流速。（3）选择最佳的条件才能使柱效达到最高，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。速率理论的要点任务5-气相色谱仪及载气系统气相色谱法学习目标：气相色谱仪气相色谱仪基本构造气相色谱法及分类定义气体为流动相的柱色谱分离技术。按固定相分方法名称流动相固定相气－固色谱法气体固体气－液色谱法气体液体气相色谱法及分类按色谱柱的材质分填充柱色谱毛细管柱色谱按分离原理分吸附色谱气相色谱仪气相色谱仪的组成气路系统进样系统分离系统检测系统数据处理系统温度控制系统图1岛津GC2010Plus图2安捷伦7820A图3天美赛里安456C图片4为HN-200D气相色谱仪气相色谱仪气路系统的要求载气纯净、密闭性好、流速稳定、流量测定准确。1、载气：氮气、氩气、氢气、氦气2、主要部件（1）气体钢瓶和减压阀（2）净化管（3）稳压阀（4）针形阀（5）稳流阀3、检漏4、载气流量测定图5氮气钢瓶图6高纯氢气发生器图7低噪音空气泵图8减压阀气相色谱仪净化器作用净化来自于减压阀的气体，从而除去主要污染物，包括水分、氧气、烃类等。稳压阀作用为针形阀提供稳定的气压；在稳流阀前，提供恒定的参考压力；在毛细管柱进样分析时，调节供给载气柱前压。针形阀作用细微均匀调节流速。稳流阀作用自动控制载气的稳定流速。图9气体净化器气相色谱仪检漏皂膜检漏法载气流量测定转子流量计图10所示皂膜流量计图11所示刻度阀或电子气体流量计堵气观察法图10转子流量计图11皂膜流量计任务5-气相色谱仪-进样等系统气相色谱法进样器作用将样品引入色谱系统，并使样品有效汽化，然后由载气将样品快速带入色谱柱中进行分离。组成部分进样器和气化室。进样器（1）手动进样器：类似于我们日常使用的注射器，通常称为微量进样器，通常有1uL、2uL、5uL、10uL、25uL、50uL、100uL、500uL等规格。可用于常压气体样品、液体样品的进样分析。（2）六通阀：原理：将样品取到定量环中，再由载气推动定量环中的组分进入色谱柱。进样器六通阀进样器气化室作用是将液体瞬间汽化为蒸汽，从而更迅速的通过色谱柱。汽化室热容量要大，温度要足够的高，体积要尽量的小，无死角，防止样品扩散，减小死体积，提高柱效能。分离系统分离系统由色谱柱和柱箱组成。色谱柱的作用：将多组分样品分离成单一组分的样品。柱箱的作用：保证色谱柱的温度。色谱柱：填充柱和毛细管柱填充柱：在柱内均匀、紧密填充固定相颗粒（或在固定相粒上涂渍很薄的液膜)的色谱柱；柱箱毛细管柱柱长一般在1~5m，内径一般为2~4mm。柱材料多为不锈钢和玻璃。常见的是不锈钢材质。分离系统毛细管柱气-固色谱：内部装填的为固体吸附剂；气-液色谱：内部是担体+固定液，担体的作用是承载固定液。又称空心柱，常用的毛细管柱为涂壁空心柱，其内壁直接涂渍固定液，柱材料大多用熔融石英，即所谓弹性石英柱。如图4所示。柱长一般在25～100mm，内径一般为0.1～0.5mm柱箱毛细管柱检测系统检测系统检测系统：测量经色谱柱分离后顺序流出物质成分或浓度变化的器件，相当于色谱仪的“眼睛”。检测器的性能指标：灵敏度S：响应值，是指检测信号R对通过检测器组分量Q的变化率，以进入检测器组分量对响应信号作图，得到一条直线，该曲线的斜率k即为灵敏度S。对于浓度型：式中Sc—灵敏度(mVmL/mg);A—峰面积(mm2);F—检测器入口载气流速(mL/min);C1—纪录器或数据处理机灵敏度(mV/mm);C2—纸速导数(min/mm);m—进样量(mg);Sg—灵敏度(mVml/mg);wi—进入检测器的样品量(g)对于质量型：检测系统检测系统检出限：检出限（D）又称敏感度，为产生2倍噪声信号时，单位体积载气或单位时间内进人检测器的组分量，其定义可用下式表示：针对不同类型的检测器，检出限也有不同的单位，如mg/mL，g/S等，检出限与灵敏度成反比，与噪声成正比，是衡量检测器性能的综合指标。灵敏度和检出限是从两个不同角度表示检测器对物质敏感程度的指标。灵敏度越大，检出限越小，则表明检测器性能越好。响应时间：进人检测器的组分输出达到63％所需的时间。一般情况下小于1s。检测器响应时间越小，表明检测器性能越好。检测系统数据处理系统将检测器输出的模拟信号随时间的变化曲线，即色谱图绘物出来。常用的数据处理系统：电子电位差计、积分仪、色谱数据处理机及色谱工作站。温度控制系统对色谱柱、汽化室与检测器进行温度控制。重要的指标，直接影响柱的分离效能、检测器灵敏度和稳定性。气相色谱分析要求恒温箱的使用温度一般为25～450°C，恒温箱一般具有程序升温功能，升温速率可为1~30°C/min，也可根据需要进行几阶升温。检测器和汽化室均有独立的恒温调节装置，与色谱柱恒温箱类似。气相色谱仪-进样等系统总结气相色谱系统总结进样系统分离系统检测系统数据处理系统温控系统任务5气相色谱仪-检测器气相色谱法检测器的类型类型1.热导检测器(Thermalconductivitydetector,TCD);2.氢火焰离子化检测器(Flameionizeddetector,FID);3.电子捕获检测器(Electroncapturedetector,ECD);4.火焰光度检测器(Flamephotometricdetector,FPD);5.氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionicdetector,TID);6.原子发射检测器(AtomicemissionDetector,AED)；7.硫荧光检测器（SulfurchemiluminescenceDetector,SCD）。检测器的类型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。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量成正比。FID、FPD。类型热导池检测器池体和热敏元件原理：由于不同气态物质所具有的热传导系数不同，当它们到达处于恒温下的热敏元件时，其电阻将发生变化，将引起电阻变化通过某种方式转化为可以记录的电压信号，从而实现其检测功能。双臂和四臂定量理论：当载气中待测组分的浓度越大，测量池中气体热导率改变就越显著，温度和电阻值改变也越显著，因此输出的电压信号就愈强，此时色谐峰面积或峰高的大小与组分浓度成正比。热导池检测器结构检测条件的选择载气、桥电流以及检测器的温度载气种类：载气与组分的导热能力相差越大，TCD灵敏度越高。

TCD：H2或He作载气。用H2作载气灵敏度更高，用He做载体更安全。当分析对象是H2或He气时，可考感选用氮气或Ar作载气。桥电流：一般来说灵敏度S值与桥电流成正比，所以增大桥流可快速提高TCD灵敏度。但是过高的桥流甚至将热丝烧断，缩短了TCD的使用寿命。所以，在满足分析灵敏度要求的前提下，尽量选取低桥流。实际工作中可根据仪器说明书推荐的桥流值进行设定。检测器温度：一般要求检测器池体温度即是检测器温度，不能低于样品的沸点，以免被分离后的组分在检测器中冷凝。检测条件总结：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。热导检测器应用特别适用于永久性气体，C1~C3烃类，氮、硫和碳的各类氧化物以及水等挥发性化合物的分析。由于TCD检测器是一种非破坏型检测器，既利于样品的收集，也可与其他检测器串联使用。火焰离子化检测器（FID）氢火焰离子化检测器含碳有机物在H2-Air高温火焰中燃烧产生碳正离子和负电子等碎片离子，在电场作用下形成离子流，离子流产生的电信号强度经过微电流放大器放大后，由记录器绘制出组分的色谱峰。FID，典型的破坏型质量型检测器。原理氢火焰离子化检测器性能特征单，死体积一般小手1uL，响应时间仅为1ms，既可与填充柱联用，也可直接与毛细管柱联用。FID对大多数有机化合物尤其是对碳氢化合物有很高的灵敏度；检出限低，可达10-12g•s-1；线性范围宽，可达107。FID结构简单。FID检测条件的选择毛细管柱插人深度；载气种类与流速。1、毛细管柱插人深度：插人太低，容易使流出组分与喷嘴金属表面接触产生催化吸附；若插人太深，则使柱头进人氢火焰，造成聚酰亚胺层分解，产生大的噪声。通常入人至离喷嘴口平面下1～3mm处。氢气和空气的流速；色谱柱、汽化室和检测器的温度；极化电压；电极形状和距离等。2、载气种类与流速。FID检测条件的选择可选用N2Ar、H2、He作为载气N2、Ar作载气：检测器灵敏度高、线性范围宽3、空气流速：300到500毫升每分钟。空气流速太小，供氧量不足，流苏过大，易使火焰不稳，噪声增大。4、气体纯度：常量分析，达到99.9%即可，但是痕量分析时，则选用的气体纯度要达到99.999%以上；温度：FID作为质量型检测器，监测温度必须要在120摄氏度以上；防止氢气燃烧产生大量水蒸汽冷凝成水，减少灵敏度。氢火焰离子化检测器应用应用一烃类工业、化学、化工、药物、农药、法医化学、食品和环境科学等诸多领域。由于FID其灵敏度高还特别适合作各种样品的痕量分析。应用二电子捕获检测器：简称ECD，属于浓度型检测器。应用三火焰光度检测器：简称FPD，属于质量型检测器，两者属于专属的检测器，而热导池和氢火焰检测器属于光谱的检测器。应用气相色谱仪-检测器总结热导池检测器1、检测器的类型2、检测器的结构、性能参数、检测条件火焰离子化检测器任务6-定性分析方法气相色谱法气相色谱的定性分析气相色谱仪气相色谱仪的检测器就像人的眼睛，能够根据不同的原理将特定信号转换为电信号输出，再利用色谱工作站对信号进行后期处理得到相关参数。但是气相色谱仪并不会像人的大脑一样能够对色谱峰进行识别。图1某农作物中有机氯的测定定性分析定性分析目的确定试样的组成，即明确每个色谱峰各代表什么物质。定性方法利用己知标准物对照定性利用文献保留值定性与其他方法结合定性123利用己知标准物对照定性1、利用保留时间对照定性将标准物与样品在相同色谱操作条件下分别进样分析，比较其保留时间是否一致，以此判断样品中是否有该物质。若二者相同，则说明未知物可能是该标准物；若二者不同，则说明样品中肯定不含有该标准物。利用己知标准物对照定性2、峰高增加法定性又称为标准物加入法。将已知纯物质加入样品中，进样分析后，观察前后色谱图中色谱峰的变化来进行定性，假如加入的标准物与待测物是同一种物质，那么因为量的增加，会发现该物质的色谱峰增大。这种方法特别适合于未知样品中组分色谱峰过于密集，保留时间不易辨别等情况。3、利用文献保留值定性对保留值：又称选择因子。由于相对保留值仅仅与柱温和固定液性质有关，与柱长、固定相填充情况、固定液用量、载气流速等无关，在色谱手册中可以根据查表得到的标准数据进行定性分析。任务6-定量分析方法气相色谱法定量分析基础利用峰高或峰面积来进行定量分析在一定色谱操作条件下，进入检测器的组分i的质量m_i或浓度与检测器的响应信号——色谱峰的峰高ℎi或峰面积Ai成正比。定量分析基本公式如下：式中，fi是非常重要的参数，称为定量校正因子。峰面积的测定方法①峰高乘以半峰宽法当色谱峰形对称且不太窄时，可采用此法。即:

②峰高乘以平均峰宽当峰不对称时，可先分别测出0.15h和0.85h处的峰宽，然后安下式计算峰面积。

③峰高乘以保留值法在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比，因此有:注:对一些对称的狭窄峰，可直接以峰高代替峰面积，这样做既简便快速，又准确。定量校正子的测定方法①绝对校正子绝对校正因子是指单位峰面积或单位峰高所代表的组分的量，即②相对校正因子()相对校正因子指组分i与另一标准物质S的绝对校正因子之比:相对校正因子通常也叫校正因子，是一个量纲为1的量，数值与所用计算单位有关，通常有以下几种表达方式:定量校正子的测定方法③相对校正因子的测定准确取色谱纯(或已知准确含量)的被测组分和基准物质(TCD常用苯，FID常用正庚烷)，配制成已知准确浓度的测试样品。在已定色谱操作条件下，取一定体积的样品进样，准确测量所得组分和基准物质的峰面积，根据上边的公式即可计算出组分的、、如果想要进一步定量出某样品中正丙苯的质量，可以通过进样，测定样品中正丙苯的峰面积，然后通过公式假如：需要测定正丙苯的相对质量校正因子，可以用苯作为基准物，准确称量出正丙苯和苯的质量，混合后进样，分别测定二者的色谱峰面积，则根据公式可以进行计算：即即可求出样品中正丙苯的质量。4、相对响应值方法相对响应值是物质i与标准物质S的响应值(灵敏度)之比，单位相同时，与校正因子互为倒数，即:和只与试样、标准物质以及检测器类型有关，与柱温、载气流速、固定液性质等无关，是一个能通用的参数。定量分析方法总结定量分析基础总结峰面积的测定定量校正子的测定任务6-定量分析方法气相色谱法学习目标：归一化法外标法内标法归一化法方法一：归一化法设试样中有n个组分，各组分的质量分别为m1，m2，…，mn，在一定色谱操作条件下测得各组分峰面积分