1、学生拷贝气相色谱分析第三章 气相色谱分析 （GC） Gas Chromatography一. 概述 色谱法（Chromatography) 1色谱法的发展历史固定相 流动相 色谱柱高效率的分离分析方法色谱法（Chromatograph）与蒸馏、重结晶溶剂萃取、化学沉淀及电解沉积法一样，也是一种分离技术，是一种物理化学的分离分析方法，它是各种分离技术中效率最高和应用最广的一种方法2色谱法的分类(1) 按照流动相和固定相的物理状态分类气相色谱法：气液；气固液相色谱法：液液；液固(2)按照分离过程的相系统的形式分类柱色谱法：毛细管色谱法；填充柱色谱法平板色谱法：纸色谱法；薄层色谱法（3）按照分离过程
2、原理分类：吸附色谱法 分配色谱法 离子交换色谱法 凝胶色谱法 亲合色谱法3、各种色谱法的共同点：（1）分离系统都包含两相；（2）色谱分离的基本过程相同；（3）都要求不同组分在色谱系统中有不同的迁移速度。二、气相色谱法特点：（1）分离效率高： 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2） 灵敏度高： 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量.（3） 分析速度快： 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4） 应用范围广： 适用于沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。 不足之处： 不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析。 被分离组分的定性较为
3、困难。局限性：不适合于分析沸点高、分子量太大、受热易分解或变性、具腐蚀性和反应性较强的化合物（约20%有机化合物用GC分析）样品的处理：（1）有代表性的取样；（2）用合适的溶剂抽提；（3）经适当的净化处理；（4）定容；（5）上机测定。2、气相色谱仪的组成载气系统，进样系统，分离系统，检测系统，记录系统。三. GC的理论基础气相色谱分离过程气相色谱分离过程是在色谱柱内完成的。填充柱色谱: 气固色谱和气液色谱，两者的分离机理不同。气固色谱的固定相: 多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。气液色谱的固定相: 由 担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同
4、。气固色谱的分离机理: 吸附与脱附的不断重复过程；气液色谱的分离机理： 气液两相间的反复多次分配过程。 当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附。 随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附， 挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附。 随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。1.气-固色谱分析气-液色谱分析的基本原理气-固色谱分析固定相：固体组分被吸附，被洗脱反复的物理吸附-脱附过程。2.气-液色谱分析固定相：液体，被涂附或键合在 担体 表面担体：惰性固体微粒，支撑作用组分在固定液中溶解度的不同，挥发反复多次溶解挥发
5、的过程。分配过程: 物质在固定相和流动相（气相） 之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程分配系数：分配系数是色谱分离的依据。一定温度下，各物质 两相之间的分配系数是不同的。 一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢； 试样一定时，K主要取决于固定相性质； 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。2 色谱流出曲线2.1 色谱流线色谱图(Chromatogram)色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信号对时间或载气流出体积的曲线图。由色谱图得到的基本信息：（色谱流
6、出曲线的意义：）1、色谱峰的数量，可知样品中所含组分的最少个数；2、由色谱峰的保留时间定性；3、峰高或峰面积定量；4、峰宽大小可评价色谱系统的性能如何；5、两色谱峰之间的距离-分离度，用以评价色谱参数是否合适。2.2 色谱学术语2.2.1 基本概念基线(Baseline) ：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，S/N大的、稳定的基线为水平直线。基线漂移(Baseline drift):指基线随时间的缓慢变化；基线噪声(Baseline noise):指由各种因素所引起的基线起伏。峰底（peak base）：从峰的起点到峰的终点之间的直线，CD。峰高（peak he
7、ight）：从峰最大值到峰底的垂直距离，AK。2.2.2 色谱基本参数保留值(Retention value, R)：表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。a. 死时间(Dead time, t0) OA：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 t0 可求出流动相平均流速b. 保留时间tr OB：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t0和组份在固定相中滞留的时间。c. 调整保留时间 AB ：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。
8、即 由于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。d. 死体积V0：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。勿略后两项可得到：其中，Fco为柱出口的载气流速（mL/min)，其值为：F0-检测器出口流速；Tr-室温；Tc-柱温；p0-大气压；pw-室温时水蒸汽压。h. 区域宽度（Width of region） ：用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。通常有三种表示方法：标准偏差 (Standard error) ：0.607倍峰宽处的一半，EF之半。半峰宽W1/2 (Peak width of half he
9、ight) ：峰高一半处的峰宽。W1/2=2.354 峰底宽W (Peak width) ：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离，IJ。 W= 4小结第一， 一张色谱图；第二， 十个色谱参数；1. 死时间to2. 保留时间tr3. 调整保留时间tr4. 死体积Vo5. 保留体积Vr6. 调整保留体积7. 相对保留值21 （溶剂效率，）8.标准偏差9.半峰宽度Y1/210.峰底宽度Y第三，五个意义；第四， 两个原理；气-固色谱分析的基本原理气-液色谱分析的基本原理重要提示：两组份峰间距足够远：由各组份在两相间的分配系数决定，即由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
10、传质和扩散决定，即由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。 峰间距、峰形状和峰宽的理论描述1 塔板理论（Plate theory) 1952年，Martin等人提出的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。3.3.1.1 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，
11、即以一个一个的塔板体积加入。 三、塔板理论-柱分离效能指标色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：n，则三者的关系为： n = L / H流出曲线呈峰形但不对称。这是由于柱子的塔板数太少的缘故当塔板数n较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；当塔板数 n50 时，峰形接近正态分布。在气相色谱中，n值是很大的，约为103106 因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。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。由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数。理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。若柱长为L，则每块理论塔板
12、高度H为理论塔板数n越多、理论塔板高度H越小、色谱峰越窄，则柱效越高。塔板理论说明色谱峰的高度正比于进样量与色谱柱理论板数的方根，而反比于保留体积（或保留时间）与峰宽。表明：色谱定量分析时，对于一定的色谱柱与保留体积（即相同的色谱条件）可以用峰高或峰面积作为定量的依据；当保留体积和进样量一定时色谱柱的柱效越高，（理论板数越高）则峰越高（峰宽越小）；对一定的色谱柱随着组分出峰的时间推迟，保留体积增加， 峰变矮，即先出的峰高而窄，后出的峰低而宽。3.3.1.2 对塔板理论讨论1）意义：组分柱内分布（色谱峰 ）的数字模型随着洗脱时间的增加，组分在柱内逐步形成向后迁移的浓度正态分布谱带；2）柱效指标：
13、n的物理意义，是柱中组分达到平衡次数的多少；3）柱效高：较短距离就达到分配平衡，次数越多热力学性质差异表现得越充分，组分与固定相的相互作用也更显著，分离较好。找到n、H等，很好解释色谱图，如流出曲线的形状，浓度最大值位置，数值和流出曲线，色谱峰的区域宽度和保留值的关系。4）塔板理论的局限性(1) 蒸馏塔不完全符合色谱柱内情况（假设理想）；(2) 不是跳跃式脉冲而是连续的；(3) 在一个塔板高度内，也达不到瞬时平衡，需要一定时间传递；(4) 不能解释，同一色谱柱对不同组分 的理论塔板数和理论高度可能不同；同一组分不同操作条件下，理论塔板数和理论塔板高度的不同；(5) 不能找出影响塔板高度的内在因
14、素；(6）不能为操作与应用色谱方法提供帮助。四、 速率理论-影响柱效的因素速率方程（也称范.弟姆特方程式）: H = A + B/u + Cu H：理论塔板高度，u：载气的线速度(cm/s) 减小A、B、C三项可提高柱效； 存在着最佳流速； A、B、C三项各与哪些因素有关？1. 涡流扩散项AA = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径：固定相的填充不均匀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，色谱峰较窄。2. 分子扩散项BB = 2 Dg ：弯曲因子，填充柱色谱，1。 Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）。由于柱中存在着浓度
15、差，产生纵向扩散：a. 扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差。 b. 分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散 c. 扩散系数：Dg （M载气）-1/2 ； M载气，B值3.传质阻力项 C组分在气相和液相两相间进行反复分配时，遇到阻力。传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL ，液相传质阻力大于气相传质阻力。即： C =（Cg + CL）4. 载气流速与柱效-最佳流速载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速，柱效,右图曲线的右边。 载气流速低时：分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速 ，柱效 ，右图曲线的坐边。H - u曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速
16、对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。 5. 速率理论的要点(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。(2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。(4) 各种因素相互制约，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
17、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，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。五、 分离度塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：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。色谱分离中的四种情况如图所示：两个组分要达到完全分离 (1) 是两组分的色谱峰之间的距离必须相差足够大； (2) 是峰必须窄。 柱效较高，K (分配系数)较大,完全分离； K 不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，K 较大,但分离的不好； K 小，柱效低，分离
18、效果更差。分离度的表达式：R =0.8：两峰的分离程度可达89%；R =1.0：分离程度98%；R =1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。说明:填充均匀程度、 担体粒度、载气种类 载气流速、柱温、 固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。 色谱分离中的问题由于分析物组成复杂，以某一组成的流动相可能使部分待测物得到好的分离，但同时出使其它待测物的分离不令人满意！实际工作中采用程序升温（GC）和梯度淋洗（LC）来解决这个问题。六 . 色谱分离条件的选择 1、色谱条件包含的参数2、优化色谱条件的原则3、优化色谱条件的基本方法2.分离操作条件的选择(1)载气及其流速的选择 ：40100ml/
19、min(2) 柱温的选择对于沸点范围较宽的多组份试样，宜采用程序升温 (3) 固定液的性质和用量(4)担体的性质和粒度(5)进样时间和进样量：进样速度必须很快，进样量一般要少。(6)气化温度七. 固定相及其选择（自学）5要点：遵循相似相容原则气液： 注意使用的最高温度。不要超过热稳定温度；新柱子都要老化（活化）48小时，比测定高20-30,柱子另一头放空，不接检测器，免受污染。 八. 毛细管柱气相色谱法（可达100万塔板数） 柱直径0.1-0.5mm渗透性大，传质阻力小，理论塔板数高，能分离较复杂化合物 A=0 石英 弹性 柱长填充柱：柱直径 2-6mm渗透性小，传质阻力大。理论塔板数低 。柱
20、短。九. 气相色谱检测器 1、热导检测器（TCD）2.氢火焰检测器（FID）3.电子捕获检测器（ECD）4.火焰光度检测器（FPD）5.氮磷检测器1.热导检测器（TCD thermal conductivity detector） 原理：根据各种物质和载气的导热系数不同，采用热敏元件进行检测 R1和R4 且R1=R4 ；它们再与两个阻值相等的R2 和R3 固定电阻构成一个惠斯顿电桥 载气用H2、He。轻气体分子量小，热导系数大，与其它组分的热导差值大，灵敏度高 2. 氢火焰电离检测器( FID flame ionization dectector ) 它仅对含碳有机化合物有响应试样经火焰后,化
21、学电离产生数目相等正离子和负离子，在极化极加负压与收集极形成电场时，负离子被收集极收集（收集）离子流 - 通过电阻转换成信号 电压- 检测电离机理：各执一词！共同点：万个C有一个离子化。 3.电子捕获检测器（ECD）electuroncapture detector高灵敏度，10-14g/ml, 对具有电负性的原子的分子有响应 如：N2+射线-e 当电负性物质进入检测器后，就能捕获这些电子，而形成负离子，从而使基流下降，产生负讯号。注意：Ni63易被污染，Ni63表面形成稳定氧化膜，易产生错误信号。用的溶剂：电负性小的（含卤素等则不能用）一般用丙酮、石油醚。 4.火焰光度检测器（FPD）fla
22、me photometric detector对含磷、硫的有机化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。检测器主要由火焰喷嘴、滤光片、光电倍增管构成。主要应用：有机磷农药残留量，大气中痕量硫化物。实际上：是一个简单的发射光谱仪，富氢火焰作激发源，组分外层电子受到激发而跃迁到激发态-基态发出特征光谱 十.检测器的性能指标1、灵敏度2、噪音和漂移 3、最小检测量4、响应时间5、线性范围十一 气相色谱定性分析方法 1、用保留时间定性2、用峰高增加法定性3、与其他仪器连用定性（如：GC-MS）十二、气相色谱定量分析方法 1、归一化法 2、外标法3、内标法全二维气相色谱Comprehensive two-d
23、imensional gas chromatography,GCXGC90年代诞生GC及GC-MS广泛运用于各种挥发性化合物的分析但当挥发性组成复杂，并且含量不二维GC是把分离机制不同而又相互独立的两根色谱拄以串联方式连接在一起的二维系统。这两根色谱拄之间装有一个调制器，调制器起埔集再传送的作用，经第一柱分离的组分由调制器聚焦后以脉冲方式进入第二柱进行进一步分离，所有组分从第二根色谱柱进入检测器。GCXGC与GC相比较具有分辨率高、峰容量大、灵敏度好、分析速度快、定性更有规律可循和相信量大等优点。TOFMS具有比常规的联用质谱仪更高的采集频率，其高采集频率可以很好地检测全二维气相色谱流出的信号，是目前唯一可以与GCXGC很好匹配的质谱技术。GCXGC-TOFMS凭借其高灵敏度、高分辨能力、能提供远多于一维GC-MS的样品信息，应用领域：石油产品、精油、杀虫剂、中药挥发油、烟气、昆虫信息素等作业：1、色谱定性的主要方法有哪些？多机连用有什么优越性？2、色谱定量常用哪几种方法？简述它们的主要优缺点。1、试述热导、氢火焰离子化和电子捕获检测器的基本原理，它们各有什么特点？2、对担体和固定液的要求分别是什么？如何选择固定液？
