1、2019/7/4,气 相 色 谱 分 析 法,一、概论 二、气相色谱仪 三、载气系统 四、进样系统 五、色谱柱系统 六、检测系统 七、数据处理系统 八、定性分析 九、定量分析,2019/7/4,一、概论色谱法的特点、分类和作用,1.概述俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置： 色谱原型装置，如图。色谱法是一种分离技术，试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。其中的一相固定不动，称为固定相；另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。,（动画）,2019/7/4,（动画）,色谱法,当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固
2、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。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础,2019/7/4,2.色谱法分类,气相色谱：流动相为气体（称为载气）。按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱,2019/7/4,液相色谱,液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。 按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。 离子色谱：液
3、相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同pH值的水溶液为流动相。,2019/7/4,其他色谱方法,薄层色谱和纸色谱：比较简单的色谱方法,凝胶色谱法: 超临界色谱: 高效毛细管电泳:九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。,2019/7/4,3.气相色谱法的特点,（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
4、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。,2019/7/4,二、气相色谱仪我国的气相色谱法起步于1954年。中国科学院化学物理所（其前身为中国科学院石油研究所）先后作出我国气固色谱法、气液色谱法填充柱和毛细管柱的首张色谱图，并进行了早期的色谱理论和技术研究工作。世界上首台商品气相色谱仪是1954年PE公司（Perkin-Elmer CO.）率先推出的。 目前的几大品牌：HP(Hewlett-Packrd CO.)现在改称Agilent(安捷伦) Agilent 4890、5890、6890等 PE （Perkin-Elmer CO.） Varian (Varian In
5、strument Group) GC Star3400CX、3600CX等 岛津8A、9A、14B、17A等 上海分析仪器厂 GC-102、1102、112、122等 北京分析仪器厂 SP、SQ系列等,2019/7/4,气相色谱仪1,2019/7/4,气相色谱仪2,2019/7/4,气相色谱仪3,2019/7/4,填充柱气相色谱仪填充柱气相色谱仪是用填充柱进行组分分析的仪器。 2.毛细管柱气相色谱仪填充柱气相色谱仪是用毛细管柱进行组分分析的仪器。与填充柱气相色谱仪相比，除了采用毛细管柱外，进样系统也做了相应的改进。毛细管柱气相色谱仪的进样方式有分流，不分流、直接进样和柱头进样四种。,2019/
6、7/4,2.毛细管柱气相色谱仪 毛细管柱气相色谱仪是用毛细管柱进行组分分析的仪器。与填充柱气相色谱仪相比，除了采用毛细管柱外，进样系统也做了相应的改进。毛细管柱气相色谱仪的进样方式有分流，不分流、直接进样和柱头进样四种。,2019/7/4,（a）分流进样,（b）不分流进样,（c）直接进样,（d）柱头进样,2019/7/4,3.联用气相色谱仪a）GC-MS联用仪,2019/7/4,b）GC-FTIR联用仪,2019/7/4,3.特殊气相色谱仪a）裂解气相色谱仪裂解气相色谱仪是在进样装置部分安装裂解器的气相色谱仪。裂解器的作用是在一定条件下将聚合物热解成易挥发的小分子组分，并送至色谱柱进行分离。b
7、）制备气相色谱仪制备气相色谱仪是用气相色谱法制备高纯度试剂（纯度99.99%）的一种填充柱气相色谱仪。,2019/7/4,4.气相色谱流程：,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；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；,1. 载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制; 2. 进样系统：进样器及气化室； 3. 色谱柱：填充柱（填充固定相）或毛细管柱（内壁涂有固定液）； 4. 检测器：可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检测器最为常见； 5. 记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪； 6.
8、温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。,2019/7/4,三、载气系统气相色谱是采用气体作为流动相的一种色谱法。载气（是不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体）载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使样品中各组分分离，然后分别检测。载气系统的组成载气系统的组成包括：高压钢瓶、减压阀、气体净化干燥管、针形阀、流量计、压力表等组成。,2019/7/4,2. 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、检测器要求及载气性质。(1)载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。(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H2，He），可减小传质阻力，提高柱
9、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。,2019/7/4,四、进样系统进样系统包括进样器、气化室； 进样器（进样针）一般有0.5、1.0、5、10、50、100L六种规格。 通常由玻璃制成，精度较高。 2. 气化室气化室由电热丝加热，有较高的 温度，一般大于欲测定样品的沸点 （不超过400），样品进入气化室瞬 间气化为气体。进样口由硅胶与外界封 闭，进样时由针尖穿刺硅胶进样。,2019/7/4,五、色谱柱系统色谱柱系统包括色谱柱、柱箱、温度控制装置 色谱柱色
10、谱柱一般由不锈钢或石英玻璃做成；常用规格为3mm2m的不锈钢色谱柱；色谱柱内装有固定相。 （1）气固色谱固定相种类：活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。,2019/7/4,分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用
11、于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。高分子多孔微球（GDX系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。,2019/7/4,（2）气液色谱固定相,气液色谱固定相 固定液 + 担体（支持体） ：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。 担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。可以作为担体使用的物质应满足以下条件：比表面积大，孔径分布均匀；化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应
12、；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、80100目。,2019/7/4,表优选固定液 麦氏常数：x、y、z、u、s表示，分别代表了极性分子间存在着的静电力（偶极定向力）；极性与非极性分子间存在着的诱导力；非极性分子间的色散力；氢键等。也可以用五个数的总和来表示固定相的极性大小，如：，氧二丙睛五个常数的总和为4427，是强极性固定相。,2019/7/4,2. 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
13、。 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。 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。,2019/7/4,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。,（动画）,气相色谱分离过程,(动画),2019/7/4,3.柱温的确定,(1) 首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失
14、）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。(2) 柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。(3) 柱温，分离度，分析时间。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。,2019/7/4,柱温的确定,(4)柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。(5)组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,程 序 升 温,2019/7/4,六、气相色谱检测装置
15、,色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结构各异。有的具有广普性，如热导检测器；有的具有高选择性，仅对某类物质有高响应。1检测器特性浓度型检测器：测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测 信号值与组分的浓度成正比。质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。,2019/7/4,2热导检测器,（1） 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。,2019/
16、7/4,（2）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）。 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。,2019/7/4,（3）影响热导检测器灵敏度的因素,桥路电流I ： I，钨丝的温度 ，钨丝与池体
17、之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。 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。,2019/7/4,表7-3 某些气体与蒸气的热导系数()，单位：J / cms,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。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。,2019/7/4,3 氢火焰离子化
18、检测器,（1）特点 （FID：hydrogen flame ionization detector） a. 典型的质量型检测器， b. 对有机化合物具有很高的灵敏度， c. 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。 d. 氢焰检测器结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点。 e. 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。,2019/7/4,(2) 氢焰检测器的结构,a. 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。b. 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：助燃气。使用
19、时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。,2019/7/4,(3) 氢焰检测器的原理,a. 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 b. 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 c. 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,2019/7/4,氢焰检测器的原理,d. 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定
20、向运动而产生微电流（约10-610-14A）； e. 在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器； f. 组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离； g. 离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。,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,2019/7/4,（4）影响氢焰检测器灵敏度的因素,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100300V范围内。,2019/7/4,4.
21、电子捕获检测器,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。,2019/7/4,5.具有定性功能的检测器（联用技术）,色谱-质谱；色谱-红外等。质谱作为色谱的检测器使用需要解决四个问题: (1)色谱柱出口压力与质谱仪高真空之间的匹配； (2)试样组分与载气的分离； (3)质谱对色谱流出峰的快速测定（电子计算机解决）； (4)质谱仪的小型化（小型化的质量分析器）。,2019/7/4,七、数据处理系统数据处理系统包括放大器、记录仪、数据处理装置等； 现在常用的是色谱工作
22、站。,2019/7/4,八、色谱定性鉴定方法,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，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。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。2.利用文献保留值定性相对保留值r21：相对保留值r21仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。,2019/7/4,3.保留指数,又称Kovats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（
23、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：,2019/7/4,保留指数计算方法,2019/7/4,3.与其他分析仪器联用的定性方法,小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS） 色谱-红外光谱仪联用仪； 组分的结构鉴定,2019/7/4,九、 色谱定量分析方法,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 = 1.064 hY1/2（2）峰高乘平均峰宽法：当峰形
24、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 （3）峰高乘保留时间法：在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比，对于难于测量半峰宽的窄峰、重叠峰（未完全重叠），可用此法测定峰面积：A = hbtR （4）自动积分和微机处理法,2019/7/4,2. 定量校正因子,试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：m i = fi Ai 绝对校正因子：比例系数f i ，单位面积对应的物质量：f i =m i / Ai定量校正因子与检测器响应值成倒数关系：f i = 1 / Si 相对校正因子f i ：即组分的绝对校正因
25、子与标准物质的绝对校正因子之比。,当mi、mS以摩尔为单位时，所得相对校正因子称为相对摩尔校正因子（f M）,用表示；当mi、mS用质量单位时, 以（f W）,表示。,2019/7/4,3. 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。,2019/7/4,（2）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。,2019/7/4,（3）内标法,内标物要满足以下要求： （1）试样中不含有该物质； （2）与被测组分性质比较接近； （3）不与试样发生化学反应； （4）出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。 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：,2019/7/4,内标法特点,(1) 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。(2) 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。(3)若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：,2019/7/4,内容选择,第一节 标题1第二节 标题2第三节 标题3第四节 标题4,结束,2019/7/4,
