气相色谱流动相的柱色谱仪器分析方法.ppt

1、第十一章 气相色谱法（GC, gas chromatography),气体作为流动相的柱色谱仪器分析方法。,色谱法从上个世纪初发现以后，一直用液体作流动相，直到50年代才有科学家首次用气体作流动相，成功地创建了GC法. GC法的创立是色谱发展史上的一次飞跃。它从经典LC简单柱层析分离，发展成精密的仪器分析，不仅能高效分离，还能高灵敏度定量。由于他们对色谱法的巨大贡献，1952年获得了诺贝尔奖。 第一台GC仪的问世是在1956年，GC仪至它诞生以来，不负众望，成为了一种应用非常广泛，非常重要的分析仪器，广泛应用于医药卫生、环保、化工、医药工业、农业、体育、公安等各个领域。,第一节 概述,GC法在

2、预防医学领域应用也非常广泛，空气检测、水质分析、食品检验、生物检测等都要用GC法，对空气、水、食品和生物制品中毒物、污染物进行定量测定。因卫生试样一般成分复杂，干扰物多，待测组分含量微，尤其需要用GC法，先分离，再定量，分离、定量一次完成。 如：蔬菜、水果中农药残留量分析。食品中VK1和VK2的分析。,GC同时具有两种功能： 高效分离 高灵敏度定量,一. GC法的分类,g - L 色谱（GLC)（分配色谱） g - s 色谱（GSC) (吸附色谱） 固定相种类多 填充柱色谱 特点 易制备 （i.d. 3 - 6mm) 柱容量大 毛细管柱色谱 特点 分离效能高 （i.d. 0.1-0.5mm)

3、柱成品化,GC法,柱色谱,二. GC法特点,1. 分离效能高、速度快 成分复杂，难分离的样品，能在短时间内一次分离、测定，出峰时间一般在1十几分钟。如：进一针汽油样（低链烷烃混合物），可出20多个峰。可分别定量。 2. 选择性好 结构相似、极性相近的组分，能彼此分开。如：测定邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯混合物。再如：测定白酒中甲醇，甲醇和乙醇可彼此分开。,3. 样品用量少,进样几ng或几pg, 进样体积0.1几uL, 适用于痕量组分分析。 4. 灵敏度高 检出限：10-1110-14g 检测下限：10-910-12g 适用于微量、痕量组分分析 5. 应用范围广 gL S 态均可分析 有机物、无

4、机物均可分析 多数小分子有机物 直接分析 难挥发、易分解的 稳定衍生物 分析 无机物 金属氯化物、金属螯合物、硅酯衍生 物 分析 气态无机物 直接分析,气路系统 进样系统 分离系统 检测系统 记录及数据处理系统,三. 气相色谱法的分析流程,GC仪,GC模拟流程图,四.气相色谱法的分离过程,在一定柱温，分配达平衡： K = Cl /Cg K 小 tR 快 先出柱 K 大 tR 慢 后出柱 造成差速迁移,利用混合物中各组分物理化学性质差异使其彼此分离。,五. 气相色谱图及常用术语 色谱图 组分产生的电信号随 t 变化的曲线。 色谱峰 曲线上突出部分，在完全分离的情况下，每一个峰代表一个组分。 色谱

5、峰可用三项参数来描述：,1.基线（baseline)仅载气通过检测器时产生的响应信号曲线。,仪器灵敏度 ， 噪声,2.保留值（可用t 或V 表示，一般多用时间表示） （1）死时间（dead time) tM不被固定相滞留的组分从进样到出峰最大值所需时间。 （即：不和固定相作用组分随载气流经柱空隙所需时间。或组分分配在流动相的时间） 测定：测空气或甲烷的tR,（2）保留时间tR (retention time) 组分从进样到出峰最大值所需时间。 （3）调整保留时间tR 组分被固定相滞留所需时间。即：和固定相作用所需时间。 关系式： tR = tM + tR 或 tR = tR - tM 即： t

6、R包括组分被固定相滞留和不被固定相滞留所需时间总和。 （4）相对保留值rij（relative retention time)在相同操作条件下两组分的调整保留值之比。,作用：定性, 它表示色谱柱对两组分的选择性。 ris = 1，两峰重合，无选择性； ris 1，两峰顶分开，有选择性。 ris比1愈大，选择性愈好，所以叫选择性因子。 ris只与组分、固定相性质、温度有关，其他条件变化时（如：载气流速、固定相填充疏密等对tR 有影响），对tR1、tR2 影响相同，其比值不变。 对某两组分来说，固定相、柱温一定， rj s为常数。 可定性。,3、峰面积和峰高定量 定量常用A，峰很窄时可用h，否则误

7、差大。,4、区域宽度 峰宽W过峰的拐点做切线，与峰底相交两点间距离； 半峰宽W1/21/2h处的峰宽（易测量，常用） 标准偏差0.607h峰宽之半（拐点）（峰服从正态分布） 即：两拐点间距离为2 ，W0.0607h=2 ；, 的大小表示组分经分离后流出色谱柱的分散程度， 越大，流出组分越集中。 色谱峰： 对称峰、拖尾峰、前沿峰 原因：与组分、固定相性质、操作条件、进样量、进样技 术有关,5、容量因子k（分配比） k与保留值的关系：,组分在固定相保留时间 组分在流动相保留时间 即： k为组分在分离过程中，因被固定相滞留所需时间是完全不与固定相作用流经色谱柱所需时间的倍数。,k， tR ，被固定相

8、滞留作用, 峰越宽（柱效)； k ，组分在固定相相对质量，柱容量 。 在完全分离的前提下，峰越窄越好。 k的值应适当，即固定液用量适当。 k太小，柱容量太小，分离效果差 k太大， tR ，峰变宽，柱效。,第二节 气相色谱基本理论,GC 的基本理论主要有塔板理论和速率理论，塔板理论解决柱效能问题，提出柱效能指标；速率理论解决影响柱效能的诸因素问题，可作为选择最佳色谱条件的理论指导。下面分别介绍。,GC法的功能之一是分离，怎样才能衡量分离效果？哪些因素影响分离效果？怎样选择色谱条件以达到高效分离呢？这就要以GC理论作指导。,一、塔板理论 1952年，Martin等人提出了塔板理论,此理论是借用了分

9、馏过程的塔板理论。,此理论是借用了分馏过程的塔板理论，把色谱过程比作分馏过程，把色谱柱比作分馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板理论是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。 样品混合在一个塔板内，gl达到平衡，然后被载气带到下一个塔板，经过多个塔板，多次分配平衡，各组分彼此分开，因塔板数很多（103106），所以各组分的k值即使有微小差别，也能彼此分开。,H = 理论板高 n = 理论塔板数 V = 一个板体积 模型：设想色谱柱由许多小室构成，一个小室为一个理论塔板 ，每块塔板内一部分空间被涂在担体上的固定相占据，其余空间充满载气，载气在一个塔板内占据的体积为一个

10、板体积，一个理论塔板的高度为理论板高（H），塔板的数目为理论塔板数（n)。 基本假设： （1）载气按前进方向脉冲式经过色谱柱，每次一个小室，即，脉冲式进气，一次一个V； （2）组分在一个塔板内， gl 瞬间达平衡，其k恒定（不随C变化）； （3）进样到第一块塔板，纵向扩散忽略。,1、塔板模型及基本假定,用塔板模型和基本假设讨论分配过程： 设n = 5，k = 1，m = 1（ug）,进样 1.000ug N = 0 平衡 0.500 0.500 进气 0.500 N = 1 0.500 平衡 0.250 0.250 0.250 0.250 进气 0.250 0.250 N = 2 0.250

11、0.250 平衡 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125,继续间歇进气，瞬间达平衡。 当N = 5时，柱口开始有组分流出， N = 89时，流出浓度最大。 色谱峰为一不对称峰（原因n太小），若设n50，可得对称流出曲线。实际GC分析中， n= 103106，且是连续进气，流出曲线为正态分布曲线。,2、柱效能指标n、H 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： 理论塔板数： 理论板高： 有效塔板数： 有效板高：,用扣除tM的tR计算neff能真实反映柱效能高低。 注意：计算时分子，分母单位需一致，都用时间单位（min）或都用长度单位（mm、cm),

12、柱效能评价： 柱长一定，n或neff， H 、Heff，柱效； 同一组分， tR一定，峰越窄（w、 w1/2 ），柱效，峰窄，两组分不易重叠； 同一柱子对不同组分的柱效能不同（ n 不同）。 tR、 tR进样时可测出，w、 w1/2由色谱图可量得，由此，可计算出n、 H 、neff、 Heff，进而可进行柱效能评价。,计算实例： 1. 用GC 法分析苯、甲苯混合物。 苯 tR = 1.25min 甲苯 tR=3.64min w1/2 = 0.10min w1/2 = 0.18min tM = 0.36min L = 2m 。 求：n有效、H有效,解：苯 n有效= 5.54(tR/ w1/2 )

13、2 = 5.54( )2 = 438 H有效= 2000/438 = 4.56(mm) 甲苯 n有效= 5.54( )2 = 1840 H有效= 2000/1840 = 1.09(mm),neff甲苯 neff苯 同一色谱柱，对不同组分的 n不同. 2. 柱长2m， tM = 0.30min，组分tR = 4.5min, w = 1.8mm， 记录仪纸速5 mm/min，求： n有效、H有效。 解：,w = = 0.36min n有效 = 16( )2 = 2178 H有效 = 2000/2178 = 0.92 (mm),3. 塔板理论的贡献与缺点 塔板理论的意义和最大贡献在于它提出了n，H两

14、个柱效能指标，并导出了计算n，H的公式，可计算n，H，用它们可以评价柱效能，另外能解释色谱峰形状符合正态分布。 但该理论是在理想情况下导出的，未考虑分子扩散因素、其它动力学因素对柱内传质的影响。因此它不能解释： 峰形为什么会扩张？ 影响柱效的动力学因素是什么？,三、 速率理论（Rate theory） 1956年，荷兰化学工程师van Deemter提出了色谱过程动力学速率理论，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，从而给出了van Deemter方程：,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

15、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。,1. 涡流扩散项(Multipath term, 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。 减小A项 担体粒度小，均匀（80100目，100120目） 填充均匀 空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0。,流动方向,2.分子扩散项(Lo

16、ngitudinal diffusion term, B/u) 组分进样后象塞子一样塞在柱的一端，然后随载气向前移动，随载气前进的同时，组分有从高浓度向低浓度扩散 的趋势，即纵向扩散， 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Dm表示；,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。,减小B项: 球状颗粒； 大

17、分子量流动相； 适当增加流速； 短柱； 低温。,3.传质阻力项(Mass-transfer term, Cu) 传质组分在gl 两相中扩散分配的过程。 传质阻力（resistance to mass transfer）影响这一过程进行的阻力。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。 气相传质阻力：组分由气相扩散到气液界面进行分配时的所受到的阻力。 液相传质阻力: 组分从气液界面扩散至固定液内部，达到平衡后再返回气液界面的传质过程中所受到的阻力。,液膜厚：Cl起主要作用，Cg可忽略 液膜薄：Cg起主要作用,因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡、有些组分分子来不及进入液

18、相就被载气带走，出现超前现象；有些组分分子进入液相，因被固定相滞留，延迟返回气相，出现滞后现象，因此造成峰形展宽。,减小C项： 减小填充颗粒直径dp, 即, 用小颗粒固定相； 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）。 适当增加柱温，可增加Dl，即，柱温不易太低，否则Dl小，C ； 不易太大。,范氏方程综合了使峰扩张、影响柱效能（H）的诸因素，（柱的填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、固定液膜厚度、柱温等），通过选择色谱条件，使上述各项减小，从而使H，柱效. 但有些因素之

19、间有矛盾之处 ，如: 提高载气流速可减小分子扩散，但同时传质阻力项增大； 升高柱温有利于组分传质，但又使分子扩散增加。 所以要相互兼顾，不能顾此失彼。,第三节 气相色谱柱 色谱柱的功能是分离组分，在气相色谱分析中，各组分能否完全分离，除了与选择的操作条件是否适当有关外，更主要的是取决于色谱柱，关键是固定相。色谱柱分为两大类： 填充柱：不锈钢、玻璃 .d. 26nm，长 14m 毛细管柱： .d. 0.10.5mm ， 长30300m 一 、 固定相的类型及要求 1、固体固定相固体吸附剂分离永久性气体，低b.p.气态烃。tR短，出峰快，用吸附能力强的 对固体吸附剂的要求：有较大比表面200m2/

20、g 有较好的选择性 有良好的热稳定性 有一定机械强度,常用：分子筛类 如：GDX301，401，501。 硅胶 氧化铝 碳质类：活性炭、石墨化碳黑、碳分子筛 缺点：吸附活性不均匀，定量重复性差 2、液体固定相涂在载体表面的固定液 固定液种类多，选择余地大，和组分作用力较强，分离效果好，应用多，GC柱绝大部分是用涂有固定液担体作固定相。 （1）专用色谱载体（担体 support）负载固定液的惰性多孔固体颗粒。 作用：支撑固定液，提供大而惰性的表面。,要求： 比表面适当（120 m2)，由合适的表面能 孔结构合理，利与组分在气液两相传质交换。 表面惰性好、热稳定相好 有一定机械强度，颗粒均匀、小,

21、种类：硅藻土 （常用） 红色担体： 硅藻土+粘合剂，900煅烧，红为 Fe2O3颜色。 白色担体： 煅烧时加助溶剂Na2CO3 , Fe铁硅酸盐（无色）。 氟担体（耐腐蚀） 常用：聚四氟乙烯微球 玻璃微球 、高分子多孔微球 常用红色、白色担体性能： 机械强度 比表面 孔径 表面惰性 红色担体 好 大 小 差 白色担体 差 小 大 好 红色担体分析非极性、弱极性组分 白色担体分析极性、非极性均可。,担体预处理 目的：除去或减弱担体表面的吸附活性中心，否则 与组分作用，造成拖尾峰。 预处理方法：酸洗 除Fe2O3等 分析酸性物质。 碱洗 除表面Al2O3等 分析碱性物质。 硅烷化 去活性，覆盖活性

22、中心,釉化K2CO3Na2CO3溶液侵泡后煅烧， 表面玻璃化，屏蔽表面活性中心，堵住微孔。 物理覆盖如镀银等。,（2）固定相涂在担体表面的高沸点有机物 室温：液态或 固态 操作温度：液态 要求：选择性好 对沸点、极性、结构相近的组分溶解度不同，在柱中tR不同。 极性适当 对组分有一定溶解度。 化学稳定性好 只溶解不反应。 挥发性小 热稳定性好，在担体表面附着力较强， 高温不易流失，不分解，柱寿命长。 液态粘度小 （否则传质阻力大，分析速度慢）。 分类、选择： 极性用 P表示，规定非极性角鲨烷P = 0，极性最强的 氧二丙晴P = 100, 其它极性与之相比，得出相对数值：,P 级别 极性 固定

23、液 分离组分 流出顺序 0 -1 非 角鲨烷 低b.p.先出 120 +1 弱 SE30,OV1 非极性, 弱极性 高b.p.后出 2040 +2 弱 OV17 4060 +3 中等 OV101 中等极性 b.p.差别大 按b.p. 顺序 磷酸三甲酚酯 其它极性 b.p.差别小 按极性顺序 6080 +4 强 OV401 极性小先 极性大后 80100 +5 强 聚乙二醇、OV501 强极性 极性小先 100 +5 强 氧二丙晴 极性大后 （氢键型） 含O.N.F.X等 易形成氢键的组分 氢键弱先 氢键强后,3、合成固定相（新型） 特点 高分子多孔微球 适应性广、峰对称、稳定性高、不易 流 失

24、、柱容量大、粒度均匀、机械强度好、 耐腐蚀 球形多孔硅胶 比表面种类多、选择余地大、机械强度 好、高温稳定、作但体涂渍量大 化学键合固定相 热稳定性好、基本无流失、峰对称、传 质速度快 组分能否分离完全，除控制合适的色谱条件外，关键在固定相的选择。根据“相似相溶”的原则选择固定相，以分离完全为最佳选择。,固定相选择实例： 如：分离 NH2CH3 NH(CH3) N(CH3)3，可选形成氢键的固定相。,三、填充拄的制备 1、选择、清洗 材料：不锈钢、玻璃 步骤：热酸或碱洗 水洗 有机溶剂洗 （甲醇或已醇） 吹氮气（干燥）。若不太脏，可只用有机溶剂洗，然后吹氮气，干燥。 长度：根据分离难易 2、选

25、固定相 3、制备柱填料 固体吸附剂：筛分 选一定筛分范围的 干燥 活化,液体固定相 涂固定液 按配比称固定液； 用适当溶剂溶解； 加担体（不用玻棒，易损坏固定液膜，手摇动三角瓶或回馏）； 红外灯干燥 4、装柱 抽气法 要求：（紧密）、均匀 5、老化 目的 固定液均匀； 除去剩余溶剂及挥发性物质。 方法：高于柱温510C或比固定液最高使用温度稍低，通载气，放空（柱尾端放空，不接检测器），老化824小时，直到接检测器后基线平稳。,第四节 气相色谱检测器 检测器是气相色谱仪的另一重要的组成部分，其作用是把从色谱柱流出的各组分的含量变化转变成可测量的电信号（电流或电压）变化，由记录仪记录下来，进行定量

26、和定性分析。 浓度型检测器：测量载气中组分浓度的瞬间变化。输出的响应信号：单位浓度组分所产生的电压值。（TCD、ECD为 浓度型检测器） 质量型检测器：测量单位时间内载气携带组分进入检测器的质量。输出的响应信号：单位时间内进入的组分质量（FID、FPD、NP为质量型检测器。） 要求：响应快、灵敏度高、敏感度好（检测限低）、线性范围宽。,评定检测器性能的技术指标主要有灵敏度S、敏感度D和线性范围等。 一、性能指标 1、灵敏度（sensitivitys）单位量物质通过检测器产生信号的大小。 （即：通过检测器的物质量变化Q时响应信号的变化率。）,Sc (mv.ml/mg) 表示每ml流动相中含1 m

27、g某物质通过检测器时产生信号的毫伏数。 Sm(mv.s/g) 表示每秒有1g某物质通过检测器时产生信号的毫伏数。,检测器的RQ关系图,相同量的不同物质在同一检测器上的S不同。如：相同量苯、甲苯在FID上的信号不同，苯信号大、甲苯信号小。 相同量的同一物质在不同检测器上的S不同。,只用S不能全面评价检测器性能好坏，还需引进D。 S可 通过敏度按扭任意提高（放大），但S，噪声 测定效果并没有提高。在S相同的条件下，噪声，检测器越敏感，测定效果越好，所以又引出检测限。 2、检测限（detectability、 D） 质量型：产生二倍噪声信号时，单位时间进入检测器的物质量。 浓度型：产生二倍噪声信号时

28、，随单位体积载气进入检测器的组分的量。,通常认为恰能与噪声相鉴别的响应信号至少应等于检测器噪声的两倍。敏感度D定义为：,式中，N为检测器的噪声，指在没有试样通过检测器时基线波动的毫伏数；S为检测器的灵敏度。 从公式可见，灵敏度越大，噪声越小，则敏感度值越小，即检出限越低，所以要降低仪器的检出限，一方面需要提高仪器灵敏度，同时还要尽量降低噪声水平。,几种常用检测器的敏感度： TCD D210-5 mg/ml FID D = 210-12 g/s ECD D = 210-14 g/ml FPD D = 10-12 g/s (测磷) D = 10-11 g/s (测硫) 在实际分析时用： 最小检测量

29、产生二倍噪声信号时所需最小进样量。 最小检测浓度产生二倍噪声信号时的最小进样量所对应的组分浓度。 显然，敏感度D表示的是检测器性能的好坏；而最小检出量除与检测器性能有关外，还与色谱柱的柱效率和操作条件有关。,3、线性范围（binearity range）检测信号与被测物质的量呈线性的浓度范围 表示方法：检测上限/检测下线; 最大允许进样量/最小允许进样量 不同检测器的线性范围不同: 如：热导池105 氢焰107 电子捕获104左右 火焰光度: 测磷104，测硫102 不同物质在同一检测器上的线性范围也不同。 4、响应时间 组分进入检测器到产生信号所需t。 响应越快，检测器性能越好。 基线漂移

30、基线随t定向缓慢变化。 对检测器的要求：灵敏度高、检测限低（敏感度好）线性范围宽、噪声小、基线漂移小，响应快、性能稳定、应用范围广、安全。,二、常用检测器 常用的检测器有： 1.热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD); 2. 氢火焰离子化检测器(Flame ionized detector, FID); 3. 电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD); 4. 火焰光度检测器(Flame photometric detector, FPD); 5. 氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionic det

31、ector, TID) 由于热导检测器灵敏度较低，而卫生分析中一般被分析物质含量都很低，所以应用不多，这里不作介绍。,2. 火焰离子化检测器（FID）质量型 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。,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。 FID主要结构如图所示:,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

32、下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号（10-12 A）。 2100C 氢火焰 100300V 放大 有机物 正离子，电子 I微 记录 电离 电场（高压） （离子流）,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： CnHm n CH （自由基） CH+O2 CHO+e CHO+H20 H3+O+CO CHO+，H3+O ，e在高压电场中定向移动 I微 I微的大小与单位时间进入检测器的组分的质量有关， 是质量型检测器。,操作条件选择及注意事项： N2作载气灵敏度较高，柱分离效果好。 气流量对灵敏度

33、影响大，较佳流速：H2N2空气=11510 （ 此时火焰温度高，有机物离子化程度高，噪声小，基线平稳） 控制温度：比柱温高50C左右，防止组分、水蒸汽在检测器冷凝，污染检测器，应经常清洗收集极。 另外，要注意安全，氢气钢瓶一定要用氢气发生器或专用钢瓶，氢气管路不能漏气。,当没有有机物通过检测器时，火焰中的离子极少（只是由气体中杂质及流失的固定液在火焰中离解产生的离子），这时形成的微电流称为基始电流（基流）。通过观察是否有基流产生，来判断氢火焰是否点燃。 特点：灵敏度高（10-12g/s）、线性范围宽（107）、 响应快、稳定性好、结构简单 应用：痕量有机物分析（在高温火焰中电离） 无机物不响应

34、（在高温火焰中不电离）,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。 结构：放射源：Ni63 或 H3，无火焰加热，不用H2、空气。,图 电子捕获检测器,原理及工作过程： 从色谱柱流出的载气(N2或Ar)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，此时，基流下降形成“倒峰”。 负离子再与载气正离子复合成中性分子，流出检测器。,载气进入检测器： 放射线

35、 N2 N2+e （ e在电场定向移动形成基流） 含电负性基团进入检测器：（含X，S，P，O，N等元素） ABe AB- E（捕获e，基流下降，形成倒峰） AB-+N2+ AB+N2 （出检测器） 随单位N2进入检测器的组分的量越大，倒峰（信号）越大，所以是浓度型检测器。,操作条件及注意事项： 载气：高纯N2 9999%，（否则O2 捕获电子，基流下降，将倒峰掩盖，组分不出峰） 放射源 ：Ni63，使用温度350C以下，t1/2 85年 H3 使用温度180C以下，t1/2 12 5年 防止放射污染 气路密闭 尾气用聚四氟乙烯管引至室外，高空排放 特点: 高灵敏度 D = 10-14g/ml

36、高选择性 含强电负性元素的组分有响应 线性范围 104 应用：测含X，P，N，O等元素的有机毒物，药物等。 如：测有机氯，有机磷，氨基甲酸酯类农药,4. 火焰光度检测器（FPD） FPD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。 FPD结构： 喷嘴+滤光片+光电管。,富氢火焰 含 S 或 P 有机物 _ S 或 P碎片 燃烧 特征光 394nm 526nm 聚光，滤去杂光 光电信增管 光信号 电信号 放大 记录,原理：待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物并发射特征分子

37、光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。,操作条件及注意事项： 富氢火焰，H2流量大，O2 H2=1 25 检测器温度在出峰好的前提下，尽量别控制太高，否则影响灵敏度 硫，磷不能同时测，需更换滤光片 特点：高选择性， 对含硫，磷的物质有较强响应信号。 高灵敏度， 测P，D = 10-12g/s，测S，D = 10-11g/s。 线性范围: 测 P 104，测 S 102 应用：含痕量S、P污染物分析 如：含S的氨基甲酸酯类农药，有机磷农药的残留分析。,5. 氮磷检测器（NPD） 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6

38、00800oC，从而使含有N 或P 的化合物产生更多的离子，使检测灵敏度提高。,结构原理： 结构与FID检测器相似，在FID基础上改进的。FID检测器火焰喷嘴与收集集之间放一铷珠（Rb SiO2）（碱金属化合物），用白金架支托。,氮磷检测器示意图 1色谱柱出口；2氢气；3空气；4喷嘴；5铷球；6收集极；7点火器；8放大器,在铷珠表面加热、分解 Rb 含N（P）化合物 CN CN- + Rb+ 冷焰，铷珠电加热 +e Rb+在电场中定向移动，移向收集极，使原信号（C，H产生的信号）增强。,操作条件及注意事项： H2，Air流量小，H2围绕铷珠形成冷焰（火焰温度低） H2：520ml/min Ai

39、r：100200ml/min 铷珠加热器，电加热，H2燃烧不完全 应通风好。铷珠有一定使用寿命，加热温度不易太高。 固定液不能含-CN，少量挥发进入检测器会出峰 特点： 高选择性 测含N，P化合物 高灵敏度 比FPD检测下限高1个数量级：10-13g/s 应用：含N，P的农药残留测定，如有机磷农药，氨基甲酸酯类农药。测痕量含N，P的药物及代谢产物。 以上讲了GC检测器。 一种组分，一个样品（含1个或多个组分）可能多个检测器都能测，选一个灵敏度高，选择性好的检测器。,第五节 气相色谱分离操作条件的选择,气相色谱法的功能之一是分离，是否能达到好的分离效果，关键在分离条件的选择，应选择最佳色谱条件，

40、使样品中各组分彼此分开且柱效高。如何评价分离效果呢？ n, H柱效能指标，可反映峰宽窄，n ，H 峰越窄，但不能反映组分能否分开。峰窄，但选择性不一定好。 r21柱选择性指标，反映峰的相对位置，但也不能反映两组分能否分开，选择性好，但若峰很宽也分不开。 仅考虑单一因素，均不能说明两组分能否分离，要将柱效和选择性两因素综合考虑。分离度（R）就是综合考虑上述两因素的分离效能指标，它是评价分离效果的依据。,第五节 气相色谱分离操作条件的选择 一、分离效能指标分离度 两组分在色谱柱中分离的好坏，取决于这两个组分的色谱峰之间的距离和色谱峰的峰宽。只有当两色谱峰之间的距离较大，其峰形较窄时，两组分才有良好

41、的分离。如图。,1、分离度（ resolution R ）定量描述两组分的分离程度,由上式： 当R=1时， tR= W = 4，由统计学方法证明，分离达98%。 R=15 ， tR=6 分离达997%，分离完全。 R=15两组分完全分离的标志（此时 最短tR）,若两峰靠近，可假设W1 = W2 （tR（2）-tR（1） R = W2,2、R与柱效能n，柱选择性r21及柱容量k的关系 由R，n，nef的公式，令W1 = W2，可导出： （柱效项）（选择性）（柱容量项） 讨论： n 柱效能 ，即n ，R 柱长 ，n ，但 tR ， 峰扩散。 选择合适操作条件，使H，n。 r21 柱选择性，即r21

42、 ，R，选合适的固定液，使r21 k 柱容量 ，即k，R k太大，传质阻力大，tR ，峰扩散。 （增加固定液用量） k太小，柱容量小，R小，k 27合适。,n，r21，k对R的影响由下图可看出：,R小, 因n小,柱效低 提高R: 改变色谱条件,提高柱效,R大, 因n 大, r21大,R大, 因r21很大 提高R: 增大u, 使n 增大 增加柱温, 出柱快, n 增大,R小, 因柱容量小 提高R: 增加固定液用量,由 nef 关系式，可算出R=15，r21 为一定值时的nef，由 nef所需L柱长（完全分离所需柱长），下面讲计算实例： 例：在一根1m的柱上分离组分，tR 分别为45mm，49mm

43、，tM = 5mm , W1 = W2 = 5mm （1）求：R，neff2，H eff2 （2） 求：若要完全分离所需柱长 解: (1),上式还可表示为：,（在H不变情况下，增加L）,二、分离条件的选择 由分离度公式可知，要想得到满意的分离度，应该有较大的相对保留值 r21和适当大的分配比 k，因此固定相或固定液的选择就是关健。,另外要使n大（H小），柱效高，还需以范氏方程为依据，选择合适的分离操作条件。 选择原则：以范氏方程为指导，分离度为指标，在较短t内完全分离为目的。,1、色谱柱的选择 （1）填充柱 不锈钢柱： 机械强度好，易吸附，催化 玻璃柱： 易碎， 玻璃壁不易吸附、催化组分 特点

44、： 柱容量较大（可控制固定液用量） 填料（固定相）选择范围宽（非 中 极） 易自行制备 固定相： 固体吸附剂分析气体样品 固定液分析除气体外的其它样品,担体粒度：粒度小，筛分范围窄（80100）（100120），固定液和组分极性相似。 配比：3%5%，液膜薄，柱效高，但固定液用量不易太少，否则覆盖不完全，造成 ： 担体裸露部分吸附组分，出现不对称峰，柱效 。 k，柱容量小，柱效。 载样量小，进样量少 要求检测器灵敏度高。 柱长：16m，常用1530m，在分离完全的前提下尽可能用短柱，否则t长，峰扩散。 柱内径：26mm。 （2） 毛细管柱：分离效能很高，产品已成品化，不能自制，价格较贵，分离难

45、分离的样品。,2、载气 载气种类：N2，H2，氦气（He），氩气（Ar） 主要用N2 载气流速：根据范氏方程 H = A + B/ + C 以H对 作图,由图可看出，当 最佳 时，随 ，H，柱效 ， 波动会引起H较大改变. 实际分析时 实际稍大于最佳 虽柱效稍有 ，但 波动引起的 H的变化较小。,求最佳，H最小 当范氏方程一阶导数等于0时：,3、工作温度 进样器温度：一般控制在组分平均沸点或略高于平均沸点，以保证组分在瞬间汽化，因组分进样量很微，仅1 l左右，所以也可控制在略低于其沸点。 检测器温度：与进样器温度大致相同，若为同一加热器，温度完全相同。温度不宜太低，否则组分在检测器冷凝，污染检

46、测器，影响灵敏度。 柱温及操作方式： 温度影响柱的分离效能。 一般柱温比进样器，检测器温度低30C70C 柱温上限 固定液最高使用温度，否则固定液挥发，流失，柱寿命 TC ，B/项 ； TC， C项 在组分完全分离，tR 适当，峰形好的前提下，尽量降低柱温。,柱温控制 恒温：样品组分少，沸点相近 程序升温： 样品复杂，沸程宽（bp80C 100C），分离效果好 程序升温方式 线性升温单位时间升温速度相等 非线性升温 （分阶升温） 在一定初温维持一定时间，然后按一定升温速率升至一定温度，在维持一定时间，每一次升温为一阶。,1.丙烷(-42“C) 2.丁烷(一O5) 3.戊烷(36)4.己烷(68

47、) 5.庚烷(98) 6.新烷(126“C) 7.溴仿(1505) 8.间氰甲苯(1616) 9.间溴甲苯(183C),4、进样 进样量：少。在能准确定量前提下，尽量少进样，柱效高，分离好，峰形好。 l0.15 l g0.110ml 进样速度：快，否则人为造成峰变宽 进样方式： 自动进样器，适于样品多或批量分析，重现性好 手动进样（微量注射器）0.15 l，重现性不理想 气体进样阀， 0.110ml 以上讲了GC操作条件的选择，实际分析中，要以上述原则或理论为指导，综合考虑，通过实验璇，什么是所选的最佳色谱条件呢？分离好（前提），峰形好，出峰时间不太慢的条件即为最佳色谱条件。,第六节 气相色谱

48、定性定量分析,一、定性分析 1、定性依据 tR，ris 2、定性方法 （1）纯物质对照定性（同一根柱子，相同条件） 分次进样比较法 峰高增加法 同一色谱柱： 条件1 ， tR样，tR标 对照 增加定性准确性 条件2 ， tR样，tR标 对照 双柱 柱1 ， tR样，tR标 对照 柱2 ， tR样，tR标 对照,（2）文献保留值定性（无标准品时采用） 柱子，操作条件应和文献完全一致 实测tR，r21 ，文献tR，r21 ，对照 （3）联机操作 GCMS，GCIR GC有强分离能力， MS有强的识别、定性能力（必须用纯品） 分离后定性，定性能力增强，准确 （4）离机操作，用化学法检验,三、定量分析

49、 1、定量依据 组分的响应信号A m ，h m m = f A （f 比例系数校正因子） 定量分析 准确测出A 准确测出f 选择合适的定量方法 2、（ 定量）校正因子f（correction factor） 单位峰面积或峰高所代表的物质量 f i = mi/Ai 同量的不同物质，在同一检测器上产生的信号大小不同，如进1 1苯和甲苯，含量相同，但A不同，说明不同物质单位峰面积所代表的物质量不同，即f不同，所以定量分析时（内标法），必须首先计算出各组分的f。,fsi可准确测定，因mi+ms混合进样，（进）取样有误差，但As/Ai比值不变。 f is与样品，标准参照物，检测器灵敏度有关，与柱温，载气

50、流速，固定相性质无关。所以样品，参照物，检测器一定，fis为常数，可从化学手册中查得。,绝对校正因子： fi = mi/Ai 进一针样，mi很微，进样误差大，fi测不准 相对校正因子：选一标准参照物（s）（实际应用）,3、定量计算 （1）归一化法 应用条件：样品中各组分都出峰 设：试样中各组分的含量总和为100% 各组分含量：,例：试样中含水，乙醇，乙醛 hi 768 270 65.0 fi 100 382 231 求：各自含量 解：,优点：操作简便，准确，受操作条件变化影响小，分析结果与进样量无关。 不足：要求样品中所有组分全出峰（包括溶剂杂质），都要查出或测出fis。 所以只有试样成分简单

51、且纯化的才能用此法,卫 生试样成分复杂，很难做到每个组分都出峰，所以很少用此法。 （2） 外标法标准曲线法 单点外标法：将等量试样与待测物的标准溶液分别进样，比较试样与标准溶液中组分的峰面积： Xi Ai Ei AE,注意：标准溶液和样品中组分浓度相近，近样量尽量一致。 特点：操作简便，不需fis，不需做标准曲线。,标准曲线法： 步骤：绘制标准曲线 配标准系列（用含待测物的标准溶液） 依次进样 Ai Ai 对C 或 m作图或求回归方程 y = a + bx 试样分析： Ax Cx （由标准曲线查得） 或由回归方程求得 优点 ：简便；不需内标物，不需fis 缺点 对进样准确性要求高 对操作条件的

52、稳定性要求高 样品中基体的影响体现不出来（只要分离完全无影响） 需经常做标准曲线，否则Ai变化，影响准确。,（3）内标法 在已知量试样中加入能与所有组分完全分离的已知量内标物，用相应fis校准待测组分的峰值，并与内标物的峰值进行比较，求出待测组分百分含量的方法。 方法：选择内标物 a）和试样结构，极性相近，和待测物峰临近 b）试样中不含有，并和各组分完全分离 c）纯 d）与样品互溶，不反应 试样（m）+内标物（ms）混合进样,若仪器不稳定或进样有误差，对各峰影响相同，其比值Ai/As不变。,优点： 试样中加内标物，能有效扣除基体影响。 分析结果与操作条件变化及进样准确性无关，所以对操作条件稳定性，进样准确性要求不高。 适于复杂样品的痕量分析。 准确度高 缺点：麻烦，需选内标物，每次进样试样加内标，需fis 例：测定二甲苯氧化母液中乙苯和二甲苯含量，用内标法，m = 1500mg，壬烷作内标物，ms=150mg，混匀进样，数据如下： 组分 壬烷 乙苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯 Ai 98 70 95 120 80 fi 102 097 100 096 098 求：各组分含量,X乙苯（%）= 100 097 70 0001 = 68（%） X对二甲苯（%）= 100 95 100 0001 = 95（%） X间二甲苯（%）= 100 120