1、1气相色谱分析应用培训ppt气相色谱分析应用培训第一节 色谱法概述一、色谱法概述二、色谱法的分类三、气相色谱法特点及应用一、 色谱法概述色谱法是一种分离技术。而且是分离技术中效能最高、应用最广的一种技术。色谱法的创始人是俄国植物学家茨维特。因于 1903 年用于分离植物色素而得名。在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固2定相 ；自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相 ；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱 。当流动相中携带的混合物流经固定相时就会与固定相发生相互作用。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
2、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流出。与适当的检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。二二、 、 色色谱谱法法分分类类气相色谱：流动相为气体（称为载气）按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱三、气相色谱法特点及应用（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）选择性高：可分离化学结构极为相近的化合物。3（3）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。（4）分析速度快：一般在几分钟或十几分钟
3、内可以完成一个试样的分析。（5）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。第二节 气相色谱基本理论一、气相色谱分离过程及流出曲线二、常用名词术语及定义三、塔板理论四、速率理论一、气相色谱分离过程及流出曲线从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息:（l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所合组份的最少个数。（2）根据色谱峰的保留值(或位置)，可以进行定性分析。（3）根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析。（4）色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依据。4（5）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相)选择是否合适的依据。二、常用名词术语及定义1、色谱图相关名词
4、（1）色谱峰（2）基线：无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。（3）峰高（h）：从峰顶点到基线间的距离。（4）峰拐点：流出曲线上二阶导数为零的两点。0.607h（5）峰宽(Wb)：峰两侧拐点 0.607h 所作切线与基线相交两点间的距离。（6）半峰宽(Y1/2) ：色谱峰高一半处的宽度。（7）峰面积(A) ：色谱流出曲线与基线之间的面积。2、常用保留值（1）时间表示的保留值保留时间（tR ）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间。死时间（tM）：不被固定相滞留的组分，从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间。调整保留时间（tR ）：扣除死时间后的保留时间tR= tR tM52015-4
5、-16（2）用体积表示的保留值保留体积（VR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时流动相通过的体积VR =tRF0（F0 为色谱柱出口处的载气流量，单位：mL/min）死体积（VM）：不被固定相滞留的组分，从进样到柱后出现浓度极大值时流动相通过的体积 VM = tMF0调整保留体积（VR）：扣除死体积后的保留体积VR=VRVM（3）分离因子在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（s） ，然后再求其它峰（i）对这个峰的调整保留值之比。在多元混合物分析中，通常选择一对最难分离的物质对，将它们的相对保留值作为重要参数。在这种情况6下，可用符号 表示：式中 tR2为后出峰的调整保留时间，所以这时 总是
6、大于 1 的。分离因子只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关。一般用于表征柱子的选择性。3、平衡分配中的基本概念（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、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。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，即分配系数 K 与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。（2）分配比（容量因子）k分配比又称容量因子，它是指在一
7、定温度和压力下，组7分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比,即MSVSMSVScsVSKkMmMSVcmVmmVm式中 Cs，Cm 分别为组分在固定相和流动相的浓度；Vm为柱中流动相的体积，近似等于死体积。Vs 为柱中固定相的体积，在各种不同的类型的色谱中有不同的含义。例如：在分配色谱中，Vs 表示固定液的体积；在尺寸排阻色谱中，则表示固定相的孔体积。相比：VM / VS反映各种色谱柱柱型及其结构特征填充柱: 635毛细管柱: 501500k 值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此又称容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k 值也决定于组分
8、及固定相热力学性质，它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。（3）分配系数 K 及分配比 k 与选择因子 的关系ttktMtMt8该式表明：通过选择因子 把实验测量值 k 与热力学性质的分配系数 K 直接联系起来， 对固定相的选择具有实际意义。如果两组分的 K 或 k 值相等，则 =1，两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的 K 或 k 值相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。 2015-4-16三、塔板理论最早由 Martin 等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时
9、引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标。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，理论塔板数与色谱参数之间的关系为：t2t2n5.54()16()Y1/2Wb有效塔板数和有效塔板高度 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 组分在 tM 时间内不参与柱内分配，需引入有效塔板数和有效塔板高度：9n 有效 t2t25.54()16()Y1/2WbH 有效Ln 有效 RR塔板理论用热力学观点形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了
10、计算和评价柱效的参数。但由于它的某些基本假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，例如，纵向扩能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素，也不能说明为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数，这就限制了它的应用。四、速率理论1956 年荷兰学者 Van Deemter 等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。速率理论为色谱分离和操作条件的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。 Van Deemter 方程的
11、数学简化式为 ：H=A+B/u+Cu10H：理论塔板高度，A 项为涡流扩散项；B/ u 项为分子扩散项；C u 为传质项；u 为载气线速度，单位为 cm/s。第三节 气相色谱填充柱一、气固色谱填充柱二、气液色谱填充柱三、填充柱的制备气相色谱填充柱，在实际分析工作中的应用非常普遍。填充柱在分离效能和分析速度方面比毛细管柱差，但填充柱的制备方法比较简单，定量分析的准确度较高，特别是在某些分析领域（例如气体分析、痕量水分析）具有独特用途。从发展上看，虽然毛细管柱有逐步取代填充柱的趋势（例如已有一些日常分析使用 PLOT 柱代替过去常用的气固色谱填充柱） ，但至少在目前一段时期内，填充柱在日常分析中仍
12、是一种十分有价值的分析分离手段。填充柱主要有气固色谱填充柱和气液色谱填充柱两种类型。一、气固色谱填充柱我们知道, 色谱分离的基本原理是试样组分通过色谱柱时与填料之间发生相互作用，这种相互作用大小的差异使各11组分互相分离而按先后次序从色谱柱流出。我们把色谱柱内不移动、起分离作用的填料称为固定相。气固色谱填充柱常采用固体物质作固定相。这些固体固定相主要包括无机吸附剂和高分子多孔微球（一）无机吸附剂这一类吸附剂包括具有强极性的硅胶、中等极性的氧化铝、非极性的炭素及有特殊吸附作用的分子筛。它们大多数能在高温下使用，吸附容量大，热稳定性好，是分析永久性气体及气态烃类混合物理想的固定相。 .(1)硅胶硅
13、胶是一种氢键型的强极性固体吸附剂，气相色谱使用较多的是粗孔硅胶，其孔径为 80100 nm，比表面积近 300 m2/g，可用于分析 N2O、SO2 、H2S、SF6、CF2Cl2 以及C1C4 烷烃等物质。(2)氧化铝氧化铝有五种不同的晶型，气相色谱常用的主要是 型，具有中等极性，主要用于分析 C1C4 烃类及其异构体，在低温下也能用于分离氢的同位素。(3)碳素碳素是一类非极性的固体吸附剂，主要有活性碳、石墨化碳黑和碳分子筛等品种。活性碳是无定形碳，具有微孔结构，比表面积大(8001000 m2/g)，可用12于分析永久性气体和低沸点烃类。若涂少量固定液，可用来分析空气、一氧化碳、甲烷、二氧
14、化碳、乙炔、乙烯等混合物。石墨化碳黑是碳黑在惰性气体保护下经高温(25003000) 煅烧而成的石墨状细晶，特别适用于分离空间和结构异构体，也可用于分析硫化氢、二氧化硫、低级醇类、短链脂肪酸、酚、胺类。碳分子筛又称为炭多孔小球，是聚偏二氯乙烯小球经高温热解处理后的残留物，比表面积 8001000 m2/g，孔径约1.52 nm，主要用于稀有气体、空气、二氧化碳、氧化亚氮、C1C3 烷类分析。多孔炭黑国内外都有商品出售，如由中国科学院化学所研制、天津化学试剂二厂生产的 TDX-01和 TDX-02，国外的产品 Carbon Sieve B 等即属于这类。使用前通常在 180通氮气活化 34h，降
15、温后存于干燥器内备用。(4)分子筛分子筛是一类人工合成的硅铝酸盐，具有均匀分布的孔穴，分子筛的性能主要取决于孔径的大小和表面特性。当试样分子经过分子筛时，比孔径小的分子可进入孔内，比孔径大的分子则被排除于孔外。气相色谱分析中应用的分子筛通常有 4A、5A 和 13X 等三种类型。在气相色谱中主要用于分离 H2、O2、N2、CO、CH4 以及低温下分析惰性13气体等。分子筛极易因吸水而失去活性。此外使用时还应注意，某些物质如氨、甲酸、二氧化碳等会被分子筛不可逆吸附。分子筛是否失效通常可从氮、氧的分离情况来判断。（二）高分子多孔小球高分子多孔小球（GDX）是以苯乙烯等为单体与交联剂二乙烯苯交联共聚
16、的小球。它本身既可以作为吸附剂在气固色谱中直接使用，也可以作为载体涂上固定液后用于分离。在烷烃、芳烃、卤代烷、醇、酮、醛、醚、脂、酸、胺、腈以及各种气体的气相色谱分析中已得到广泛应用。其优点主要有: 吸附活性低。无论对非极性物质还是极性物质，使用这种固定相通常都可以获得对称色谱峰；对含羟基的化合物具有相对低的亲和力。羟基作用力越强，亲和力越弱。在非极性固定相上出峰次序基本上按分子量大小分离，故特别适合有机物中痕量水的快速测定; 可选择的范围大。不仅可以依据样品性质选择合适的孔径大小和表面性质的产品直接使用，还可以涂上固定液，使亲油性化合物的保留时间缩短，极性组分的保留时间适当延长，从而增加色谱
17、柱的选择性。此外，高分子小球在高温时不流失，机械强度好，圆球均匀，较易获得重现性好的填充柱。由中国科学院化学研究所研制、天津化学试剂二厂生产的 GDX-系列高分子小球产品即属于此类。14高分子多孔微球可分为两类：非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1 和 2 型（国产） ；Chromosorb 系列（国外） ；极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团：GDX-3和 4 型（国产） ； Porapak N 等（国外） 。高分子多孔微球有一个缺点是小球经常带有“静电”，易贴附于仪器和器皿上而难以清理，通常可用润湿过丙酮的纱布擦拭来消除。气固色谱固定相的特点（1）性能与制备和活化条件有很大关系；
18、（2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。二、气液色谱填充柱气液色谱填充柱中所用的填料是液体固定相。它是由惰性的固体支持物和其表面上涂渍的高沸点http:/ 有机物液膜所构成。通常把惰性的固体支持物称为“载体”, 把涂渍的高沸点有机物称为“固定液”。15气液色谱固定相 ：固定液+担体（载体）固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。1、担体：化学惰性的多孔性固体颗粒。化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组分不起反应多孔性，即比表面积大，孔径分布均匀；具有
19、较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；颗粒大小均匀、适度。常用担体有：1) 红色担体（ 6201 型担体） ：表面孔穴密集，孔径较小，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。2) 白色担体（ 101 型担体） ：煅烧前原料中加入了少量助溶剂(碳酸钠) 。颗粒疏松，孔径较大。表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。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、16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。2、固定液：
20、高沸点难挥发有机化合物，种类繁多。（1）对固定液的要求：挥发性小；较好的热稳定性；对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力；高选择性；化学稳定性好，不与被分离组分发生不可逆的化学反应。（2）固定液分类如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。（3）固定液与组分的作用力：a) 色散力非极性分子之间（瞬时偶极之间静电吸引） ；b) 诱导力极性与非极性分子之间（偶极与瞬时偶极之间静电吸引） ； c) 取向力极性与极性分子之间（偶极与偶极之间静电吸引）d) 氢键力强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引，
21、亦属取向力。（4）固定液的极性： 固定相极性用相对极性 P 表示 规定非极性固定液角鲨烷的极性为 0，强极性固17 定液,- 氧二丙腈的极性为 100，其余物质的 P 在 0100 之间，每 20 单位为一级，即将极性 分为 5 级： 020 为 0+1 ，称非极性固定液； 2040 为+1+2 ，称弱极性固定液； 4060 为+2+3 ，称中极性固定液； 80100 为+4+5 , 称强极性固定液；三、填充柱制备1、柱管的清洗2、固定相的制备3、固定相的填充4、填充柱的老化与评价第四节 毛细管色谱法一、毛细管色谱的优点（1）分离效率高：比填充柱高 10100 倍；（2）分析速度快：用毛细管色
22、谱分析比用填充柱色谱速度（3）色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温方式；（4）灵敏度高，一般采用氢焰检测器。（5）涡流扩散为零。二、毛细管柱的种类涂壁开管柱（wall coated open tubular，WCOT 柱）：18将固定液直接涂敷在管内壁上。柱制作相对简单，但柱制备的重现性差、寿命短。多孔层开管柱（porous layer open tubular，PLOT柱）：在管壁上涂敷一层多孔性吸附剂固体微粒。构成毛细管气固色谱。载体涂渍开管柱（support coated open tubular，SCOT 柱）：将非常细的担体微粒粘接在管壁上，再涂固定液。柱效较 WCOT 柱高。化学键
23、合或交联柱：将固定液通过化学反应键合在管壁上或交联在一起。使柱效和柱寿命进一步提高。三、毛细管色谱的分流与尾吹毛细管柱内径很细，因而带来三个问题：（1）允许通过的载气流量很小。（2）柱容量很小，允许的进样量小。需采用分流技术。（3）分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。解决方法：灵敏度高的氢焰检测器，采用尾吹技术。 分流：把进入注样器中的样品大部分分到仪器外面， 只有小部分流经色谱柱。 作用：减小柱负荷，减小柱污染。 分流比（柱流量分流流量）/柱流量19 分流比越大出峰越小，峰之间的分离度明显改善，柱污染小，但含量低的组分会不出峰。 补充气（尾吹）：增加柱出口到检测器的载气速度，以减小这段死
24、体积的影响，使仪器的灵敏度与峰形有所改善。补充气越大，样品进入检测器速度加快，峰变尖锐，灵敏度提高，但点火困难。二、毛细管柱的规格（1）固定液 名称非极性：SE-30, OV-1 ，OV-101 ， SE-54 ，OV-1701中等极性：XE-60 ，OV-17极性：FFAP ，PEG-20M（2）毛细管柱长度512m 短柱：分离少于 10 个组份（不包含难分离物质对）的简单样品。 2530m 中长柱：分离 1050 个组份的样品。50m 长柱：分离大于 50 个组份或含有难分离物质对的复杂样品。（3）毛细管柱内径0.53mm 具有近似填充柱的负荷量，分析时间快, 可采用柱上进样或直接进样技术
25、，适合于分析不太复杂的样品，20是填充柱理想的替代柱。0.32mm 柱效稍低于 0.25mm 常规柱，负荷量大于常规柱的 60%，用特制注射针可做柱上进样。0.25mm 最常用的内径规格。有较高的柱效，负荷量较低，必须分流进样或无分流进样。用于复杂多组份样品分析.0.20mm 柱效高,负荷量低，流失较小，适合与质谱等灵敏检测器联用。（4）膜 厚0. 10. 2um 薄液膜低负荷量，高温下流失较小，适合于高沸点化合物的分析，适于配高灵敏检测器。 0.250.33um 标准液厚一般商品柱的标准液膜。0.55.0um 厚液膜较高的样品负荷量，在高温下流失较大，适于分析低沸点样品。第五节 气相色谱分离
26、条件的选择一、分离度（分辨率）二、色谱柱的选择三、载气及流速的选择四、操作温度的选择五、进样技术21一、分离度（分辨率）R2(tR(2)tR(1)Wb(2)Wb(1)2(tR(2)tR(1)1.699(Y1/2(2)Y1/2(1)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 =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） 。 2015-4-16 幻灯片 47二、色谱柱的选择 1、固定相的选择气液色谱，应根据“相似相溶”的原则：分离非极性组分时，通常
27、选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或22易被极化的）组分后出峰。醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。组成复杂、较难分离的试样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。 2、固定液配比（涂渍量）的选择配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比，配比通常在 5%25%之间。配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。配比
28、较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。 3、柱长和柱内径的选择增加柱长可使理论塔板数增大，对提高分离度有利（分离度 R2 正比于柱长 L） ，但组分的保留时间 tR，且柱阻力，不便操作。柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。填充色谱柱的柱长通常为 110m，内径 23mm。 三、载气及流速的选择 1、载气种类的选择载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、载气性质及检测器要求。（1）载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱23效。（2）载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如
29、 H2，He） ，可减小传质阻力，提高柱效。（3）热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。（4）在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。2、载气流速的选择1112对 van Deemter 方程求导得到最佳流速为实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高与最佳流速。四、操作温度的选择 1、柱温的选择（1）柱温对柱效和分离度的影响 （2）柱温对检测器的影响（3）柱温与样品性质的关系：柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。 （4）柱温对峰高、峰面积的影响24程序升温2、与
30、其他分析仪器联用的定性方法13色质联用（GC-MS）色谱-红外光谱仪联用（GC-FTIR） 组分的结构鉴定 （3）内标法 内标物要满足以下要求： 不与试样发生化学反应； 与样品完全互溶； 与样品完全分离且内标峰位置应与被测组分接近； 内标物的含量要接近待测组分含量。 试样配制：准确称取一定量的试样 W，加入一定量内标物 mS，计算式：mifiAi;msfsASmimsfiAi25fsASfiAimsmifsASmsfiAici%100100100WWWfsAS内标法特点 内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍许变动对定量结果的影响不大。14每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合大批量试样的快速分析。15百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网,您的在线图书馆 26
