1、第2 章 气相色谱分析 Gas Chromatography,1903年，俄国植物学家Mikhail Tswett 采用填充有固体CaCO3 细粒子的玻璃柱，将植物色素的混合物(叶绿素和叶黄素)加于柱顶端，然后以溶剂淋洗，被分离的组份在柱中显示了不同的色带，他称之为色谱。静止不动的一相（固体或液体）称为固定相运动的一相（气体、液体或超临界流体）称为流动相装有固定相的柱子称为色谱柱叶绿素分离.swf,1.1 色谱分离原理,1.1.1色谱分类方法： 按固定相外形分：柱色谱（填充柱、空心柱）、平板色谱(薄层色谱和纸色谱)。2. 按组份在固定相上的分离机理分： 吸附色谱：不同组份在固定相的吸附作用不同
2、； 分配色谱：不同组份在固定相上的溶解能力不同； 离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力不同； 凝胶色谱（尺寸排阻色谱）不同尺寸分子在固定相上的渗透作用。,3. 按两相状态分,概念：迎头色谱、顶替色谱和洗脱色谱,A,B,A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,Cs,Cm,1,2,3,迎头色谱 样品溶液本身是流动相,顶替色谱 流动相吸附能力强,洗脱色谱 流动相吸附能力弱,根据组分在两相间的浓度关系是否线性，分线性洗脱色谱和非线性洗脱色谱,1.1.2 线性洗脱色谱及相关术语色谱分离.swf,洗脱色谱分离原理在色谱法中，当样品加入后，样品中各组分随着流动相的不断向前而在两相间反复进行
3、溶解、挥发，或吸附、解吸，如果各组分在固定相中的分配系数不同，它们就有可能达到分离。,一、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，S/N大的、稳定的基线为水平直线。 二、峰高：色谱峰顶点与基线的距离。 三、保留值(Retention value色谱流出曲线.swf,a.保留时间tR：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组分随流动相通过柱子的时间和组分在固定相中滞留的时间。 b.死时间(Dead time, 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
4、出流动相平均流速,c.调整保留时间tR：某组分的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组分在固定相中的滞留时间。即 tR= tR tmd.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。,e.死体积VM： f.调整保留体积： g.相对保留值g2,1：组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比。注意： 2,1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！选一对最难分离的物质，此时以a表示：选择因子,h.分配系数(K)：描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附-脱附过程的参数，称为分配系数。K
5、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。 i. 分配比(k)：在一定温度和压力下，组分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(或摩尔数比），称为分配比,又称保留因子。,其中VM 流动相体积，Vs为固定相体积,分配比k 的求算：流动相线速为u,试样带线速度为usa,而,所以,K 与k 的关系：b称为相比，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱， b=0.02-0.5；对毛细管柱， b=0.002-0.02。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。,a和k是计算色谱柱分离效能的重要参数：K 或k 反映的是某一组
6、分在两相间的分配；而a是反映两组分间的分离情况 当两组分K 或k相同时，a=1 时，两组分不能分开； 当两组分K 或k 相差越大时，a越大，分离得越好。 即两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。,四、区域宽度：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：0.607 倍峰宽处的一半。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) 若标准偏差以时间为单位， 用t 表示，s和t 的关系:,(1) 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可以进行定性分
7、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(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,一、塔板理论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。,1.1.3 色谱法基本理论,前提： 1、两组分的分配系数必须有差异 2、区域扩展速率小于区域分离速率,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
8、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K 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。,分离过程,色谱流出曲线的数学描述当塔板数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。 色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：,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，则每块理论塔板高度H 为理论塔板数n 越多或理论塔板高度H 越小、色谱峰越窄，则柱效越高。,以有效塔板数neff 和有效塔板高度Heff 表示：
9、,二、速率理论 van Deemter方程：u 为流动相线速度；A，B，C为常数， A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）,1）涡流扩散项(A涡流扩散.swf展宽程度以A表示：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。,2）分子扩散项(B/u),浓度梯度而向前后自发地扩散， 使谱峰展宽。其大小为称为弯曲因子，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；分子扩散.swf,3）传质阻力项(Cu
10、 ）传质阻力.swf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。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。,b）液液色谱：传质阻力项C包括流动相传质阻力系数Cm和固定相传质阻力系数Cs。,f, 液膜厚度， p, 颗粒直径,4）流速u 由van Deemter方程H = A + B/u + Cu 知道： 以u对H作图，可得H-u曲线,1.1.4 分离度及色谱分离方程 一、分离度(Resolution, R)同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：R 越大，相邻组分分离越好。当R = 1.5 时，分离程度可
11、达99.7%，因此R = 1.5 通常用作是否分开的判据。,二、色谱分离方程对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数K 相差小，可合理假设k1k2=k，Y1 Y2=Y。因此可导出R与n、a和k的关系：,分离度R与选择因子的关系 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。,分离度R 分配比k 的关系k 增加，分离度R 增加，但当k10，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
12、相性质和组成(LC)以及固定相含量,例1 已知物质A和B的分配系数K分别为6.50和6.31，已 知相比为0.422。试计算： （1）两物质的分配比; （2）选择性系数； （3）欲得到分离度为1.5时需多少塔板数？ （4）若柱长为806cm，流动相的流速为7.10cm.s-1， 则需多长时间可冲洗出各物质？,例2 在3.0m色谱柱上，空气、组分X和组分Y的保留时间分别为1.0、14.0、17.0min，Y的峰宽为1.0min，计算X和Y完全分离时，柱长最短为多少？,1.2 气相色谱法 Gas Chromatography, GC,一般只要在450C以下有1.5kPa-10 kPa的蒸气压且热稳
13、定性能好的有机和无机化合物都可用气相色谱法分离,1.2.1 气相色谱仪,一、气相色谱仪的工作过程,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样阀;8-分离柱;9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪.,载气系统,进样系统,色谱柱,检测系统,温控系统,二、气相色谱仪（一）气路结构,（二）进样系统,液体样品常以微量注射器(穿过隔膜垫)进样，进样要求：进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至20 L，对毛细管柱分离，体积约为12L，此时应采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过慢
14、，将导致分离变差(拖尾)。,（1）进样器,气体试样用六通阀进样。,（2）气化室 作用：使试样迅速转变为气体。 要求：热容量大无催化作用死体积应尽可能小,（三）分离系统分离柱包括填充柱和开管柱(或称毛细管柱)。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、Teflon等。填充柱：多为U形或螺旋形，内径24 mm，长13 m，内填固定相；开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径0.10.5 mm，长达几十至100 m。通常弯成直径1030 cm的螺旋状。,毛细管柱 熔融石英毛细管 壁涂开管柱，多孔层开管柱（气固），载体涂渍开管柱，化学键合柱，交联柱 渗透性好，相比大，厚度小，传质快，分离快 柱容量小，进样量
15、少，需要分流技术 柱效高,（四）温控系统,设定、控制、测量色谱柱炉、气化室、检测室三处温度 气化室温度应使试样瞬间气化但又不分解； 检测器除氢火焰外都对温度敏感； 柱温的变化影响柱的选择性和柱效，因此柱室的温度控制要求精确，温控范围根据需要可以恒温，也可以程序升温。,（五）检测器1.检测器的分类根据检测器的响应原理：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。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。,2. 检测器的性能指标灵敏度(S)：输入单位被测组分时所引起的输出信号。,对于浓度型检测器,R-相应的信号
16、高度；m单位时被测组分改变,A峰面积(cm2)， Fo检测器入口流速(mL/min); m进样量(mg)，S灵敏度(mVmL/mg)。,与载气流速有关,对于质量型检测器,St灵敏度(mV s/g), m进入检测器的样品量(g),与流速无关,检测限(D)：产生3倍噪音(3 RN)的信号时，单位时间进入检测器的质量（对质量型检测器）或单位体积载气中所含的试样量的质量或体积(对浓度型检测器)。,理想色谱检测器应具备的特点,噪音低 死体积小 响应快 线性范围宽 对各类物质均有响应,检测原理：,构造如图, 平衡电桥钨丝通电，加热与散热达到平衡后，进样前两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则：R参R
17、2=R测R1 无电压信号输出；记录仪走直线（基线）,(1)热导池检测器（thermal conductivity detector,TCD）,3.几种典型的检测器热导检测.swf,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R2R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。,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制成。参考臂：仅允许纯载气通过
18、，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。,影响热导检测器灵敏度的因素,(a) 桥路电流I ： I ，钨丝的温度 ，检测器的响应值S I3，但太高稳定性下降，基线不稳，还可能造成钨丝烧坏。(b) 池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。,(c) 载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。,表 某些气体与蒸气的热导系
19、数（），单位：J / cms,(2) 氢火焰离子化检测器(flame ionization detector,FID）,简称氢焰检测器。,特点(1) 典型的质量型检测器；(2) 对有机化合物具有很高的灵敏度；(3) 无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物 质灵敏度低或不响应；(4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高 、响应迅速等特点；(5) 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12gg-1。,检测器的结构,在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300 V）构成一个外加电场。 氢焰检测器需要用到三种气体：N2 ：载气携带试样组分；H2 ：为燃气；空气：助
20、燃气。,检测原理,当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ：CnHm CH 产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：CH + O CHO+ + e 生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：CHO+ + H2O H3O+ + CO,A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区：温度最高 D层：反应区,操作条件的选择,各种气体流速和配比的选择N2流速的选择主要考虑分离效能， N2 H2 = 1 11 1.5氢气 空气=1 10。 极化电压正常极化电压选择在100300 V范围内。,（3）电子捕获检测器(
21、electron-capture detector, ECD),高选择性检测器，仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵 敏度，检测下限10-14 g /mL，对大多数烃类没有响应。,较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。,(4)火焰光度检测器 (flame photometric detector,FPD)氮、磷检测器，对含磷、氮的有机化合物有响应。硫、磷检测器 对含磷、硫的有机化合物有响应化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出350-430（S）、480-600（P） nm 的特征光，可被检测。,1.2.2 气相色谱固定相及其选择一、固定液（1）对固定液的要求
22、 热稳定性好、蒸汽压低流失少； 化学稳定性好不与其它物质反应； 粘度和凝固点要低能在载体表面均匀分布 对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数K 适当）； 对各组分具有良好的选择性,（二）色谱柱的选择性 根据理想气体方程和亨利定律 可得：p0 纯组分的饱和蒸气压，g 活度系数分压与沸点有关，活度系数与组分和固定相相互作用有关。 与固定相相互作用大，出峰迟，作用小，出峰早,（三）固定液的分类 （1）按固定液的极性分类 规定强极性的固定液,-氧二丙腈的极性为100，非极性的固定液角鲨烷的极性为0。然后选择一对物质，分别在,-氧二丙腈、角鲨烷及欲测极性固定液的色谱柱上的相对保留值，取对数后得到q。按下
23、式被测固定液的相对极性px（2）按固定液结构分类,式中下标1、2、x分别表示氧二丙腈、角鲨烷及被测固定相。,常用固定液的相对极性数据见表,罗氏常数 以5种代表不同作用力的化合物为探针，以非极性角鲨烷为基准表征不同固定液的分离性质。苯（电子给予体） 乙醇（质子给予体） 甲乙酮（偶极定向力） 硝基甲烷（电子接受体） 吡啶（质子接受体）,固定液的其它特征常数：,麦氏常数 以10种物质表征，但多用5种。I 为总极性，其平均值为平均极性。某一个单项越大，表明该固定液与特定探针的作用越强 总极性（平均极性越大）， 该固定液极性越强,Rohrschneider-McReynolds constants,P
24、32, 表2-6,保留指数I,又称柯瓦指数()，是一种重现性较好的定性参数。测定方法：将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100（如正己烷的保留指数为600）。其它物质的保留指数（IX）是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z1个碳原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示：,保留指数计算方法,（四）固定液的选择原则：相似相溶。 非极性试样一般选用非极性固定液-色散力 中等极性的试样应首选中等极性固定液-诱导力、色散力强极性试样选用强极性固定液-静电引力具有酸性或碱性的极性试样，应选用带有酸性或碱性基团的高分子多孔微球 可形成氢键的试样
25、，应选用氢键型固定液 对于组分复杂的试样，先用最常见的固定液进行试验,二、载体载体应具有的特点 多孔性 化学惰性 热稳定性好 有一定的机械强大,（一）载体种类及性能硅藻土 红色担体，表面积大吸附性强，适合非极性化合物, 白色单体，表面积小，适合极性化合物非硅藻土,（二）硅藻土载体的预处理（三）固体吸附剂 活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛,四、合成固定相高分子多孔微球键合固定相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）；PorapakN等（国外）。,根据va
26、n Deemter方程和色谱分离方程式，一. 柱长和柱内径由分离度R的定义可得，(R1/R2)2 = n1/n2 = L1/L2但柱过长，分析时间增加且峰宽也会增加，导致总分离效能下降，因此柱长L要根据R的要求(R=1.5)，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。内径一般为3-6 mm。,1.2.3 气相色谱分离分析条件,二. 载气及流速u对vanDeemter方程求导得到在流速为 ，柱效最高，,三. 柱温,提高温度缩短分析时间，改善传质速率，提高柱效， 降低温度选择性加大，需综合考虑,四. 载体粒度、筛分范围载体粒度越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。通常，对填充柱而言，粒度大小为柱内
27、径的1/201/25为宜。五. 进样方式及进样量要以“塞子”的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不拖尾为宜。,1.2.4 定性定量分析,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。 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。 二、定性方法流量校正,Fc平均流速 Fo出口流速 Pi 进口压力 Po 出口压力,1.利用纯物质定性的方法利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来
28、确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。2.相对保留值定性利用相对保留值g21定性3.加入已知物增加峰高法利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。,其它可用于定性的规律：碳数规律沸点规律调整保留时间的对数与碳数或沸点呈线性关系保留指数,三、 定量分析方法,1. 峰面积的测量 （1）峰高（h）乘半峰宽（Y 1/2）法：近似将色谱峰当作等腰三角形。此法算出的面积是实际峰面积的0.94倍：A = 1.065 hY1/2（2）峰高乘平均峰宽法：当峰形不对称时，可在峰高0.15和0.85处分别测定峰宽，由下式计算峰面积：A = h（Y 0.15 + Y 0.85 ）/ 2,
29、2.定量校正因子,绝对校正因子： 相对校正因子：,相对响应值,3.常用的几种定量方法 （1）归一化法：,特点及要求： 归一化法简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。,%,100,%,1,=,=,n,i,A,is,i,A,is,i,i,f,A,f,A,m,例3 用一色谱柱分离乙酸甲酯，丙酸甲酯和正丁酸甲酯。它们的峰面积分别为18.1，43.6和29.9，如其相对校正因子分别为0.60，0.78，0.88。试计算各组分的质量分数。,（2）内标法,内标物要满足以下要求：（a）试样中不含有该物质；（b）与被测组分性质比较接近；（c）不与试样发
30、生化学反应；（d）出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。,（3）外标法,外标法也称为标准曲线法。,特点及要求： 外标法不使用校正因子，准确性较高，操作条件变化对结果准确性影响较大。对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。,四、联用技术（一）气相色谱与质谱联用 (GC-MS)（二）与红外光谱联用(GC-FTIR),气相色谱法的优点： （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：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困难。,
