第二章色谱分析法导论

第二章色谱分析法导论第1页，共188页。

色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方法是这样的：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。第2页，共188页。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。第3页，共188页。第4页，共188页。现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原理仍然是一样的。我们仍然叫它色谱分析。第5页，共188页。一、色谱分离基本原理：由以上方法可知，在色谱法中存在两相，一相是固定不动的，我们把它叫做固定相；另一相则不断流过固定相，我们把它叫做流动相。第6页，共188页。色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。第7页，共188页。使用外力使含有样品的流动相（气体、液体）通过一固定于柱中或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。当流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中的各组分与固定相发生相互作用。第8页，共188页。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中先后流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。第9页，共188页。二、色谱分类方法：色谱分析法有很多种类，从不同的角度出发可以有不同的分类方法。第10页，共188页。（一）从两相的状态分类：色谱法中，流动相可以是气体，也可以是液体，由此可分为气相色谱法（GC）和液相色谱法（LC）。固定相既可以是固体，也可以是涂在固体上的液体，由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气-液色谱、气-固色谱、液-固色谱、液-液色谱。分类情况如下：第11页，共188页。色谱法液相色谱法气相色谱法气-液色谱法气-固色谱法液-固色谱法液-液色谱法第12页，共188页。（二）按固定相的形式分类：柱色谱：固定相装在色谱柱中；纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相；薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相。第13页，共188页。第14页，共188页。（三）按分离原理分类：可分为：吸附色谱法：利用吸附剂（固定相一般是固体）表面对不同组分吸附能力的差别进行分离的方法；第15页，共188页。分配色谱法：利用不同组分在两相间的分配系数的差别进行分离的方法。第16页，共188页。离子交换色谱：利用溶液中不同离子与离子交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方法。空间排斥（阻）色谱法：利用多孔性物质对不同大小的分子的排阻作用进行分离的方法。第17页，共188页。

三、气相色谱仪通常由五部分组成：Ⅰ载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。Ⅱ进样系统：进样器、汽化室。Ⅲ分离系统：色谱柱、控温柱箱。Ⅳ检测系统：检测器、检测室。Ⅴ记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。第18页，共188页。

H2,N2或Ar气路系统进样系统检测系统分离系统温控系统第19页，共188页。§9.2色谱流出曲线（色谱图）及有关术语（一）气相色谱法分离的过程：分离过程（以分离A、B两组分为例）为：

第20页，共188页。混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应第21页，共188页。第22页，共188页。四、色谱流出曲线：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。第23页，共188页。如图所示为一色谱流出曲线：第24页，共188页。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。基线漂移基线噪声第25页，共188页。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。第26页，共188页。3）保留值

a.死时间(tM)：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tM可求出流动相平均流速u第27页，共188页。b.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tM和组份在固定相中滞留的时间。第28页，共188页。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。

第29页，共188页。d.死体积VM：色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和。忽略后两项可得到：其中，F0为柱出口的载气流速（mL/min)。第30页，共188页。e.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。

第31页，共188页。f.调整保留体积：某组份的保留体积扣除死体积后的体积。第32页，共188页。g.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。第33页，共188页。注意：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！具体做法：固定一个色谱峰为标准s，然后再求其它峰i对标准峰的相对保留值，此时以

表示：又称选择因子。第34页，共188页。h.区域宽度：色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，可用于衡量色谱柱的柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。宽度越窄，其效率越高，分离的效果也越好。第35页，共188页。区域宽度通常有三种表示方法：标准偏差

：峰高0.607倍处峰宽处的一半。半峰宽Y1/2：峰高一半处的峰宽。Y1/2=2.354峰底宽Y：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离。Y=4

第36页，共188页。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。第37页，共188页。§2-2气相色谱分析理论基础色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但当两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。

第38页，共188页。一、描述分配过程的参数1、分配系数(K)：如前所述，分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次地吸附一脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配系数。第39页，共188页。它是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即

K只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。第40页，共188页。分配系数K的讨论试验样品一定时，K主要取决于固定相性质，一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。第41页，共188页。在一定条件下，各种物质的K是不同的。K较小的组分在色谱分析中每次分配后在气相中的浓度较大，因此较早流出色谱柱。K较大的组分每次分配后在气相中浓度较小，因此较晚流出色谱柱。第42页，共188页。当分配次数足够多时，就能将具有不同K的组分分开。所以，我们可以认为，气相色谱法是利用不同的物质具有不同的K而进行分离的。而K的不同则是由于各组分在固定相中的溶解度（对气-液色谱）或吸附能力（对气-固色谱）不同而造成的。

第43页，共188页。2.分配比：在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比。它反映了组分在柱中的迁移速率。又称保留因子。也叫容量因子或容量比。

第44页，共188页。分配比k的求算：k也等于组分的校正保留时间与死时间的比值因此，k可通过实验测得。由此也可知道，k可表示出组分在柱中停留时间的长短。k越大，停留时间也就越长。第45页，共188页。

称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，=6~35；对毛细管柱，=60~600。3.K与k的关系：第46页，共188页。4.

选择因子

：色谱柱对A、B两组分的选择因子

定义如下：A为先流出的组分，B为后流出的组分。第47页，共188页。注意：K或k反映的是某一组分在两相间的分配；而

是反映两组分间的分离情况！当两组分K或k相同时，=1时，两组分不能分开；当两组分K或k相差越大时，

越大，分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。

和k是计算色谱柱分离效能的重要参数！第48页，共188页。二、塔板理论塔板理论是描述色谱柱中组分在两相间的分配状况及评价色谱柱的分离效能的一种半经验式的理论。塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，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。

第49页，共188页。第50页，共188页。塔板理论假定：1）塔板之间不连续；2）塔板之间无分子扩散；3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H；4）某组分在所有塔板上的分配系数相同；5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。

第51页，共188页。(一）、色谱分离过程：塔板理论是把色谱柱假想为一个精馏塔，塔内存在许多塔板，组分在每个塔板的气相和液相间进行分配，达成一次分配平衡。然后随着流动相按一个塔板、一个塔板的方式向前移动。经过多次分配平衡后，分配系数小的组分，先离开蒸馏塔（色谱柱），分配系数大的组分后离开蒸馏塔（色谱柱），从而使分配系数不同的组分彼此得到分离。第52页，共188页。分离过程如下图所示第53页，共188页。第54页，共188页。下面我们再举一个例子说明组分在色谱柱中的分配情况。为简单起见，设色谱柱由5块塔板（n=5，n为柱子的塔板数）组成，并以r表示塔板编号．r=0，1，2，3，4；某组分的分配比k=1。根据上述假定．在色谱分离过程中。该组分的分布可计算如下：

第55页，共188页。开始时，将单位质量（即m=1）的该组分进入0号塔板上，然后将流动相以一个板体积（△V）一个板体积的脉动形式进入色谱柱；此时组分将安下表所示在固定相和流动相进行分配：第56页，共188页。

板号r载气体积0123进样mM0.5mS0.5△VmM0.250.25mS0.250.252△VmM0.1250.125+0.1250.125mS0.1250.125+0.1250.1253△VmM0.0630.063+0.1250.063+0.1250.063mS0.0630.063+0.1250.063+0.1250.063第57页，共188页。按上述分配过程，对于n=5，k=1，m=1的体系，随着进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量（气相和液相的总质量）见下表：第58页，共188页。rn01234出口010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.032第59页，共188页。60.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2740.2740.11880.0040.0320.0860.1960.2740.13390.0020.0180.0590.1410.2360.138100.0010.0100.0380.1000.1890.118第60页，共188页。

n

r01234出口1100.0050.0240.0690.1450.0951200.0020.0160.0460.1070.0731300.0010.0080.0300.0760.05414000.0040.0190.0530.03815000.0020.0120.0360.02816000.0010.0080.0240.018第61页，共188页。由表中可见，当n=5时，即5个塔板体积的流动相进入柱中时，组分就开始从柱口流出。并且呈现先小后大的情况。第62页，共188页。以上是当塔板数为5时的情况，出现的峰形不对称，这是由于塔板数太少的原因。当塔板数大于50时，峰形就是对称的。在实际色谱柱中，n值很大（约为106～109）。所以色谱峰一般为正态分布。第63页，共188页。（二）柱效能指标：对于一个色谱柱来说，其分离能力（叫柱效能）的大小主要与塔板的数目有关，塔板数越多，柱效能越高。色谱柱的塔板数可以用理论塔板数和有效塔板数来表示。第64页，共188页。式中：tR为某组分的保留时间；Y1/2为某组分色谱峰的半宽度；Y为色谱峰的峰底宽度。由式可见，柱子的理论塔板数与峰宽和保留时间有关。保留时间越大，峰越窄，理论塔板数就越多。柱效能也就越高。1．理论塔板数n：对于一个柱子下说，其理论塔板数可由下式计算：第65页，共188页。对于一个柱长固定为L的柱子，其理论塔板高度H为每一个塔板的高度，即组分在柱内每达成一次分配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。第66页，共188页。2．有效塔板数n有效：在以上计算理论塔板数的式子中使用的是保留时间，它包括了死时间，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。为此，引入了有效塔板数的概念。第67页，共188页。同理有效塔板高度为：第68页，共188页。3.塔板理论的特点：(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。

第69页，共188页。

（4）塔板理论很好的解释了色谱流出曲线的形状。存在问题:1）做出了四个与实际不相符的假设忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程2）只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的影响因素3）排除了一个重要参数——流动相的线速度u，因而无法解释柱效与流速关系更无法提出降低板高的途径第70页，共188页。三．速率理论——范弟姆特方程式：

塔板理论是一个半经验性的理论。它定性的给出了板高的概念，但不能指出影响板高的因素。速率理论就是在塔板理论的基础上，给出了影响塔板高度的因素：

第71页，共188页。u为流动相线速度；A，B，C为常数，其中A—分别表示涡流扩散系数；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）。该式从动力学角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素！任何减少方程右边三项数值的方法，都可降低H，从而提高柱效。第72页，共188页。1）涡流扩散项(A)在填充柱中，由于受到固定相颗粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动相不断改变方向，形成紊乱的“涡流”：从图中可见，因填充物颗粒大小及填充的不均匀性——同一组分运行路线长短不同——流出时间不同——峰形展宽。展宽程度以A表示：A=2dp其中dp—填充物平均直径；

—填充不规则因子。可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小A，提高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0。流动方向第73页，共188页。第74页，共188页。2）分子扩散项(B/u)纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。当样品被注入色谱柱时，它呈“塞子”状分布。随着流动相的推进，“塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为B=2D

—称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；D—组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以Dg或Dl表示；第75页，共188页。讨论：分子量大的组分，Dg小，即B小Dg

随柱温升高而增加，随柱压降低而减小；流动相分子量大，Dg小，即B小；u增加，组份停留时间短，纵向扩散小；（B/u）

对于液相色谱，因Dm较小，B项可勿略。球状颗粒；大分子量流动相；适当增加流速；短柱；低温。第76页，共188页。3）传质阻力项(Cu)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。气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，二者传质过程不完全相同。下面分别作讨论。a）气液色谱：传质阻力项C包括气相传质阻力系数Cs和液相传质阻力系数Cl。第77页，共188页。流动相固液界面固定液组分分子ClCg第78页，共188页。讨论：减小填充颗粒直径dp；采用分子量小的流动相，使Dg增加；减小液膜厚度df，Cl下降。但此时k又减小。因此，当保持固定液含量不变时，可通过增加固定液载体的比表面来降低df。但比表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。增加柱温，可增加Dl，但k值也减小，为保持合适Cl值，应控制柱温。第79页，共188页。4）流速u由方程H=A+B/u+Cu知道：当u一定时，仅在A、B、C较小时，H较小，柱效较高；反之则柱效较低，色谱峰将展宽。以u对H作图，可得H-u曲线（如图），从该曲线得到：第80页，共188页。板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u第81页，共188页。涡流扩散项A与流速u无关；低流速区(u小)，B/u大，分子扩散项占主导，此时选择分子量大的气体如N2和Ar为载气，可减小扩散，提高柱效；高流速区(u大)，Cu大，传质阻力项占主导，此时选择分子量小的气体如H2和He为载气，可增加扩散系数，提高柱效；

LC的Hmin和uopt均比GC的小一个数量级，即在

LC中，较低流速可获得较大的柱效。曲线的最低点对应最佳线速uopt()下的最小板高Hmin()；第82页，共188页。

§2-3色谱分离条件的选择一、分离度（resolution）相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比，用R表示。分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标。★R越大，表明两组分分离效果越好★保留值之差取决于固定液的热力学性质★色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素及柱效能高低 第83页，共188页。色谱分离中的四种典型情况①分离效果差，柱效低，选择性（

）低②完全分离，柱效高，峰窄，选择性（

）低；③完全分离，选择性（

）增加，柱效低，峰宽④完全分离，柱效高，选择性（

）好第84页，共188页。

对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰：R=1,分离程度为98%；R=1.5，分离程度可达99.7%。所以R=1.5时可认为色谱峰已完全分开。第85页，共188页。

二、色谱分离基本方程 设两相邻峰的峰宽相等，即Y1=Y2，则 又知第86页，共188页。另称为柱效项；称为柱选择项；容量因子项。相对保留因子第87页，共188页。有关色谱方程的讨论：1）分离度R与柱效的关系分离度R与理论塔板数n有关，即R受热力学性质的影响。对具一定相对保留值

的物质对，R与有效塔板数neff有关，说明neff可正确代表柱效能。由色谱方程可得：因此可通过增加柱长提高分离度。然而，分析时间也相应增加，且峰宽也展宽！为提高柱效，用减小塔板高度H的方法比增加柱长更有效。第88页，共188页。2）分离度R与保留因子

的关系

越大，柱选择性越好，对分离有利。

的微小变化可引起R较大改变。如，当

从1.01增加至1.10(增加9%)时，R则增加9倍(但>1.5,R增加不大)。改变

的方法有：降低柱温、改变流动相及固定相的性质和组成。第89页，共188页。3）分离度R分配比k的关系

k增加，分离度R增加，但当k>10，则R的增加不明显。通常k在2~10之间。改变k的方法有：适当增加柱温(GC)、改变流动相性质和组成(LC)以及固定相含量。第90页，共188页。

例题：设有一对物质，其r2,1=α=1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？解：要实现完全分离，R≈1.5,故所需有效理论塔板数为：

使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm,故所需柱长应为：第91页，共188页。例：两物质A和B在30cm长的色谱柱上的保留时间分别为16.4和17.63min，有一不与固定相作用的物质，其在此柱上的保留时间为1.30min。物质A和B的峰底宽分别为1.11和1.21min。试问：1）柱分辨率R；2）柱平均理论塔板数nav3）平均塔板高度Hav4）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？5）使用上述较长的柱进行分析时，其分析时间为多长？第92页，共188页。1）柱分辨率R；第93页，共188页。2）柱平均理论塔板数nav第94页，共188页。3）平均塔板高度Hav第95页，共188页。44）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？第96页，共188页。5）使用上述较长的柱进行分析时，其分析时间为多长？第97页，共188页。

三、色谱条件的选择 1、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关）

实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高于最佳流速。第98页，共188页。2、柱温的选择柱温是影响分离的最重要的因素。其变化应小±0.xoC。选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分析时间20-30min)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。第99页，共188页。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，但分离效果差程序升温与恒温对分离的影响比较第100页，共188页。

3、固定液与担体的选择（与相比有关）由实验手册查出参考值，再由实验选择。4、汽化室与检测室温度（与被测对象的利用度有关）汽化温度、检测室温度高于柱温30-70度。5、进样量：（与柱容量有关）根据担液比及柱子形式决定进样量，进样方式为柱塞进样。

第101页，共188页。

§2-4固定相及其选择一、固定相的类型：吸附剂型固定相固定相{担体+固定液型固定相常用吸附剂型固定相有：

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常用担体+固定液型固定相中：常用担体有：1、红色担体：（101型担体）特点是：表面空隙小、比表面积大、机械强度高、担液能力强、表面有吸附中心。2、白色担体：（6201型担体）特点是：表面空隙较大、比表面积较小、机械强度较差、担液能力中、表面无吸附中心。3、非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃微球担体、高分子微球担体等。

特点是：表面空隙适中、比表面积适中、机械强度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。硅藻土型担体用前要预处理：酸洗、碱洗、硅烷化。第103页，共188页。

二、固定液的类型：

第104页，共188页。

三、固定液的极性：固定液与待测化合物之间的作用力主要属定向力、诱导力、色散力、氢键力等弱相互作用为主，所以固定相的极性对分离过程非常重要，固定相极性用相对极性P的公式表示：规定：β,β’-氧二丙腈固定液的P=100、角鲨烷固定液的P=0、测试标样为环己烷-苯

第105页，共188页。

按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级：0~20为0~+1，称非极性固定液；

20~40为+1~+2，称弱极性固定液；

40~60为+2~+3，称中极性固定液；

80~100为+4~+5,称强极性固定液；

固定液的极性与待测组分极性的选择原则为：“相似相溶原理”

第106页，共188页。

四、固定液选择示例

第107页，共188页。

第108页，共188页。

§2-5气相色谱检测器一、气相色谱检测器的类型气相色谱检测器根据响应原理的不同可分为浓度型检测器和质量型检测器两类。浓度型检测器：测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化，即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD）。质量型检测器：测量的是载气中某组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）。 第109页，共188页。1.热导检测器(TCD)TCD是一种应用较早的通用型检测器，又称导热析气计。现仍在广泛应用。第110页，共188页。

1．特点2．结构3．检测原理4．影响因素及注意事项第111页，共188页。1．特点：浓度型检测器

优点：

1）通用型，应用广泛2）结构简单3）稳定性好4）线性范围宽5）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（因大多数组分与载气热导率差别不大）第112页，共188页。2.热导检测器的结构池体（一般用不锈钢制成）热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝、铼钨丝制成。参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。第113页，共188页。3.检测原理

平衡电桥，右图。不同的气体有不同的热导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：

R参=R测;R1=R2

则：R参·R2=R测·R1

无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。

第114页，共188页。进样后:

载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参≠R测

则：R参·R2≠R测·R1

这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。第115页，共188页。影响TCD灵敏度的因素及注意事项：1）桥电流i：i增加——热敏元件温度增加——元件与池体间温差增加——气体热传导增加——灵敏度增加。但i过大，热敏元件寿命下降。电流通常选择在100~200mA之间(N2作载气，100~150mA；H2作载气，150~200mA)。先通载气，再给桥流

2）池体温度：池体温度低，与热敏元件间温差大，灵敏度提高。但温度过低，可使试样凝结于检测器中。通常池体温度应高于柱温。第116页，共188页。3）载气种类：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He作载气。用N2作载气，热导系数较大的试样(如甲烷)可出现倒峰。λ载>λ组，出正峰λ载=λ组，不出峰λ载<λ组，出倒峰λH2>λHe>λN2——选氢气做载气第117页，共188页。4）热敏元件阻值：阻值高、电阻温度系数

大（随温度改变，阻值改变大，或者说热敏性好）的热敏元件，其灵敏度高。综述：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。第118页，共188页。注意事项（1）浓度型检测器，A∝1/u，以A定量，应保持u一定（峰面积定量依据）（2）热导池的死体积大，灵敏度低。第119页，共188页。1979年，出现了一种高灵敏度、基线漂移小、平衡时间短的“调制式单丝热导检测器：将参比气（载气）和样品、载气混合气交替(10Hz)导入微型陶瓷热导池(5L)中，从而产生10Hz的交变信号，该信号正比于热导系数的差。因为放大器只检测频率为10Hz的信号，因此可克服热噪声的干扰。第120页，共188页。2.氢火焰离子化检测器（FID）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。第121页，共188页。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。结构：主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极(极化极，此图中为火焰顶端)和收集极。第122页，共188页。第123页，共188页。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）。第124页，共188页。火焰离子化机理：有关机理并不十分清楚，但通常认为是化学电离过程：有机物燃烧产生自由基，自由基与O2作用产生正离子，再与水作用生成H3O+。以苯为例：C6H6——CH·自由基CH·+O*——CHO++eCHO++H2O——H3O++CO在电场作用下，正离子和电子被收集到两极，产生电流。第125页，共188页。影响FID灵敏度的因素：1）载气和氢气流速：通常以N2为载气，其流速主要考虑其柱效能。但也要考虑其流速与H2流速相匹配。一般N2:H2=1:1~1:1.5；2）空气流速：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。一般地，H2:Air=1:10。第126页，共188页。3）极化电压：在50V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在50V以上，则灵敏度增加不明显。通常选择

100～

300V的极化电压。4）操作温度：不是主要影响因素，80～200℃，灵敏度几乎相同。第127页，共188页。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。第128页，共188页。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。第129页，共188页。FID特点：1）灵敏度高(～10-13g/s)；2）线性范围宽(～107数量级)；3）噪声低；4）耐用且易于使用；第130页，共188页。3.电子捕获检测器(ECD)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。第131页，共188页。第132页，共188页。原理及工作过程：从色谱柱流出的载气(N2)被ECD内腔中的

放射源电离，形成次级离子和电子(此时

电子减速)，在电场作用下，离子和电子发生迁移而形成电流(基流)。当含较大电负性有机物被载气带入ECD内时，将捕获已形成的低速自由电子，生成负离子并与载气正离子复合成中性分子，此时，基流下降形成“倒峰”。第133页，共188页。第134页，共188页。4.火焰光度检测器（FPD）FPD是对含S、P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。因此，也称硫磷检测器。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。第135页，共188页。FPD结构：喷嘴+滤光片+光电管。第136页，共188页。>滤光片放大器记录仪光电管石英窗H2Air载气+组分出口第137页，共188页。原理：待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物被激发并发射特征分子光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。第138页，共188页。含S、P化合物在氢焰中的变化过程如下：RS+Air+O2→SO2+CO2SO2+8H→2S+4H2OS+S→S2＊→S2+hν第139页，共188页。第140页，共188页。5.氮磷检测器（NPD）氮磷检测器也叫热离子检测器（TID）。NPD的结构与FID类似，只是在H2-Air焰中燃烧的低温热气再被一硅酸铷电热头加热至600~800oC，从而使含有N或P的化合物产生更多的离子。产生离子的机理目前仍不清楚。第141页，共188页。NPD的特点：1）对含N、P化合物的具有选择性：对P的响应是对N的响应的10倍，是对C原子的104-106倍。第142页，共188页。2）灵敏度高：与FID对P、N的检测灵敏度相比，NPD分别是FID的500倍(对P)；50倍(对N)。第143页，共188页。二、检测器的性能指标：理想的检测器应具有的条件：1）适合的灵敏度：对一些组分十分灵敏，而对其它则不，其间应相差达107倍；2）稳定、重现性好；3）线性范围宽，可达几个数量级；4）可在室温到400℃下使用；第144页，共188页。5）响应时间短，且不受流速影响；6）可靠性好、使用方便、对无经验者来说足够安全；7）对所有待测物的响应相似或可以预测这种响应；8）选择性好；9）不破坏样品。但任何检测器都不可能同时满足上述所有要求。第145页，共188页。第146页，共188页。1.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。实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度。第147页，共188页。对于浓度型：Sc—灵敏度(mVmL/mg);A—峰面积(cm2);qvo—校正到检测器温度和大气压时的载气流量(mL/min);m—进样量(mg)第148页，共188页。对于质量型：Sm—灵敏度(mV·s/g);m—进入检测器的样品量(g)第149页，共188页。2.检测限，D

与通用的检测限表示方法相同，即注意：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。第150页，共188页。

3、最小检出量带入4、响应时间5、线性范围

第151页，共188页。§2-6气相色谱定性方法一、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。

第152页，共188页。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）非挥发成份——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。第153页，共188页。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——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。第154页，共188页。第155页，共188页。2.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：lgtR’=An+C(n3)如果知道两种或以上同系物的调整保留值，则可求出常数A和C。未知物的碳数则可从色谱图查出tR’后，以上式求出n。

第156页，共188页。3.

据相对保留值ri,s定性：

用保留值定性要求两次进样条件完全一致，这是比较困难的。而用ri,s定性，则只要温度一定即可。具体做法：在样品和标准中分别加入同一种基准物s，将样品的ri,s和标准物的ri,s相比较来确定样品中是否含有i组分。第157页，共188页。4.保留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。

利用此式求出未知物保留指数Ix，然后与文献值对照。第158页，共188页。设正构烷烃的保留指数为碳数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)和tr’(Cn+1)，且待测物x的调整保留值介于两个烷烃之间。第159页，共188页。第160页，共188页。［例］乙酸正丁酯在阿皮松L柱上进行分析（柱温100℃）。由图中测得调整保留时间为：乙酸正丁酯310.0mm，正庚烷174.Omm，正辛烷373.4mm，求乙酸正下酯的保留指数。

解：已知n=7即乙酸正丁酯的保留指数为775.6。在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知组分进行验证。第161页，共188页。5.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。6.与其它方法结合定性如GC-MS，GC-IR第162页，共188页。

§2-7气相色谱定量法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。mi=fi′•Ai第163页，共188页。一.峰面积A的测量：hh第164页，共188页。1.对称峰：峰高h与半峰宽的积：A=1.065

h

Y1/22.不对称峰：峰高与平均峰宽的积：A=1/2h(Y0.15+Y0.85)3.此外，可以以保留时间或距离代替峰宽或峰高的测量。4、电子积分法第165页，共188页。二.定量校正因子由于检测器对不同物质的响应不同，所以两个相等量的物质得不出相等峰面积。或者说，相同的峰面积并不意味着相等物质的量。

因此，在计算组分的量时需将面积乘上一个换算系数，使组分的面积转换成相应物质的量。即必须将峰面积A乘上一个换算系数进行“校正”。第166页，共188页。1）绝对校正因子mi=fi′Ai

或fi′=mi/Ai通过此式可得到待测物单位峰面积对应的该物质的量。第167页，共188页。2）相对校正因子fi用一个物质作标准，用相对校正因子将所有待测物的峰面积校正成相对于这个标准物质的峰面积，使各组分的峰面积与其质量的关系有一个统一的标准进行折算。第168页，共188页。采用的标准物因检测器不同而不同：TCD——苯；FID——正庚烷.第169页，共188页。3）.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（省去“相对”二字）。必须注意：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。第170页，共188页。

4）．校正因子的应用：在色谱分析中，将各组分的峰面积乘以相对校正因子后，就将样品中各组分的峰面积校正成相当于标准物质的峰面积。这样一来，对于