气相色谱课件

第二章气相色谱分析1第二章气相色谱分析12-1 概 述一、色谱（层析）法基本原理 1.色谱分析法的基本原理 流动着的载体（流动相），“推动”被分析的样品（混合物或纯净物）向前运动（移动）。运动过程中，被分析的样品不断地在流动相和固定不动的、与流动相接触的物质（固定相）之间进行交换（分配）。由于不同的被测成分与流动相、固定相的作用的能力不同，就会使其向前运动的快慢不同。在运动距离一定的情况下，不同成分到达终点的时间就会不同，从而达到分离混合物的效果。分 离 混 合 物22-1 概 述一、色谱（层析）法基本原理分 离 混 慢慢中等中等快快色谱分离色谱分离色谱分离色谱分离Temporal course淋洗液淋洗液3慢色谱分离Temporal 淋洗液3流动相：能够与被分析成分混合（或溶解），推动被分析成分向前移动，并且和固定相之间有相界面的流体固定相：能够与被分析成分作用（吸附、溶解等），相对于流动相不动的物质（固体、液体）二、色谱法分类 1.按流动相的形态分类：气相色谱：流动相是气体的色谱分析方法 液相色谱：流动相是固体的色谱分析方法 超临界色谱：流动相是超临界状态的物质的色 谱分析方法4流动相：42.按固定相使用形式分类（1）柱色谱 填充柱：在管子中装有涂渍了固定相的担体的色谱柱 担体是一种化学惰性的,多孔性的固体微粒,能提供较大的惰性表面,使固定液（相）以液膜状态均匀地分布在其表面，然后将涂有固定相的担体均匀地装入色谱柱 特点：样品负荷量大，可用于制备色谱，可选用上百种固定液。其缺点是柱渗透性较小，传质阻力较大，柱子不能过长，因而分离效率较低 毛细管柱：固定相涂渍在管子内壁上的空心色谱柱 特点：柱效高、惰性和热稳定性好。但样品负荷量比填充柱低13个数量级52.按固定相使用形式分类（1）柱色谱毛细管柱：固定相涂渍在管（2）纸色谱 固定相是滤纸，流动相是液体（3）薄层色谱 固定相是氧化铝等，流动相是液体3.按分离原理分类（1）吸附色谱 样品在流动相和固体固定相之间通过相界面的吸附-解析过程进行作用（2）分配色谱 样品在流动相和液体固定相之间通过溶解度差异进行作用（3）其他6（2）纸色谱6三、气相色谱仪器结构1.仪器结构123456789101.高压钢瓶2.减压阀3.载气净化干燥器4.流量调节器（针形阀）5.浮子流量计6.压力表7.气化室（进样室）8.色谱柱9.检测器10.记录仪放空7三、气相色谱仪器结构1.仪器结构123456789101.高样品引样品引入系统入系统气相色谱示意图气相色谱示意图检测器检测器数据分析系统数据分析系统载气进样分离检测显示(记录)8样品引入系统气相色谱示意图检测器数据分析系统载气进样分离检测99 图中7是高压气瓶与减压阀的连接口，气体经针阀4进入装有调节隔膜的出口腔5，出口压力是靠调节手柄1调节。顺时针拧紧，针阀逐渐打开，出口压力升高；反时针旋松，出口压力减小 10 图中7是高压气瓶与减压阀的连接口，气体经针阀4进调节手柄5通过弹簧4将针阀2旋到一定的开度，当压力达到一定值时就处于平衡状态。当气体进口压力稍有增加时，P2处的压力也增加，波纹管3就向右移动，并带动三根连动阀杆（图中只画出一根）也向右移动，使阀开度变小，使出口压力维持不变11 调节手柄5通过弹簧4将针阀2旋到一定的开度，12121313填充柱进样口填充柱进样口14填充柱进样口14毛细管进样口毛细管进样口(分流分流)15毛细管进样口(分流)15毛细管进样口毛细管进样口(不分流不分流)16毛细管进样口(不分流)161717毛细管柱毛细管柱18毛细管柱18填充柱19填充柱192.系统构成1.气路系统 让载气连续运行、管路密闭的气路系。通过该系统，可以获得纯净的、流速稳定的载气。2.进样系统 进样系统包括进样器和气化室两部分。进样系统的作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱之前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的大小，进样时间的长短，试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。202.系统构成1.气路系统203.分离系统 分离系统由色谱柱组成。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。（1）填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为24mm，长15 m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。（2）毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。213.分离系统214.温度控制系统 温度直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要制对色谱柱炉、气化室、检测室的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。5.检测和放大记录系统（1）检测系统 根据检测原理的差别，气相色谱检测器可分为浓度型和质量型两类。224.温度控制系统22（2）记录系统 记录系统是一种能自动记录由检测器输出的电信号的装置。23（2）记录系统23四、色谱基本概念进样空气峰tMtRtRYY1/2 h2 0.607 ht色谱峰色谱曲线24四、色谱基本概念进样空气峰tMtRtRYY1/2 h1.基线（1）噪声 色谱柱后没有成分进入检测器时，检测器检测到的信号（2）基线 记录仪记录到的噪声信号随时间变化的曲线（3）基线噪声 基线随时间的变化而产生的波动（在平衡位置两侧起伏）（4）基线漂移 基线的平衡位置随时间的变化而产生缓慢变化251.基线25t（时间）（信号）基线26t（时间）（信号）基线26基线噪声（信号）t（时间）27基线噪声（信号）t（时间）2728282929基线漂移（信号）t（时间）30基线漂移（信号）t（时间）302.保留值（1）保留时间 tR 从进样到样品在检测器中出现最大信号时所经历的时间（2）保留体积 VR 在保留时间内流动相所流过的体积（3）死时间tM 不与固定相作用的成分的保留时间（流动相充满色谱柱内缝隙需要的时间）死体积VM 在tM中流动相流过的体积（色谱柱内缝隙的体积）312.保留值31（4）调整保留值调整保留时间：保留时间减去死时间调整保留体积：保留体积减去死体积（5）相对保留值r21（）：两种样品保留值的比值3.峰高：色谱峰最高处到基线的距离（信号强度）4.区域宽度（1）峰底宽度Y：色谱曲线与基线相交的两点之间的距离（时间）（2）半峰宽度Y1/2：色谱峰高一半处的峰的宽度（时间）（3）标准偏差：在理想情况下，0.607倍色谱峰高处峰宽度的一半32（4）调整保留值 325.峰面积色谱峰的轮廓与基线围成的区域的面积6.空气峰空气作为样品所形成的色谱峰335.峰面积33一、分配系数和分配比（1）分配系数2-2 色谱理论K=样品在固定相中的浓度样品在流动相中的浓度=cscM（2）分配比k=样品在固定相中的质量样品在流动相中的质量=mMms34一、分配系数和分配比2-2 色谱理论K=样品在固定相：相比K=cscM=mM/VSms/VS=k阅读：教材第10页35：相比K=cscM=mM/VSms/VS=k阅读：二、塔板理论把气液色谱柱当作一个精馏塔，用精馏塔中塔板的概念描述样品在流动相和固定相两相间的分配行为，并引入理论塔板数（thenumberoftheoreticalplates）n 和理论塔板高度（theoreticalplateheight）H作为衡量柱效的指标1.理论的假设（1）理论塔板高度内样品分配迅速平衡（2）载气进入色谱柱是脉动的（3）试样加在第0号塔板上，且不沿色谱柱方向 （流动相运动的方向）扩散（4）分配系数在所有塔板上是常数36二、塔板理论 把气液色谱柱当作一个精馏塔，用精2.单组分样品的分离过程描述塔板号 0 1 2 进样 mM mS 0.50.5mM mS mM mS 1体积 0.250.250.250.250.1250.1250.125+0.1250.125+0.1250.1250.1252体积 372.单组分样品的分离过程描述塔板号 0 多组分样品通过色谱柱时，由于各组分的分配系数不同，因此从进样到流出色谱拄需要的流动相的板体积也不相同。即不同的组分在不同时刻流出色谱柱，保留值不同。流出曲线（方程式）38 多组分样品通过色谱柱时，由于各组分的分配系数不理论塔板数理论塔板高度有效塔板高度39理论塔板数理论塔板高度有效塔板高度39三、速率理论速率方程（范弟姆特方程式）H=A+Bu+Cu1.涡流扩散相A2.分子扩散相B/u 3.传质相Cu4.作用：范弟姆特方程式说明，柱子的填充均匀度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度柱效峰扩展的影响Bu40三、速率理论速率方程（范弟姆特方程式）H=A+Bu+C2-3 色谱分离条件的选择一、分离度R tR(2)tR(1)(Y1+Y2)12R 1.5时认为两峰完全分开Y也可以用Y1/2代替：R tR(2)tR(1)(Y1/2(1)+Y1/2(2)12412-3 色谱分离条件的选择一、分离度R tR(2)t二、色谱分离基本方程式R=41(n有效)1/2()-11.柱效因子：一定时，n 越大（H越小）R越大2.容量因子：1 k 10比较合适3.选择因子：越大，柱子的选择性越好42二、色谱分离基本方程式R=41(n有效)1/2(三、分离条件的选择(一)载气及其线速的选择根据vanDeemter（范弟姆特）方程式H=A+B/u+C u可得到下图所示的H-u关系曲线Hu u43三、分离条件的选择(一)载气及其线速的选择Hu43(二)柱温的选择 柱温直接影响分离效能和分析速度。柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则会造成固定液大量挥发流失。某些固定液有最低操作温度。一般地，操作温度至少必须高于固定液的熔点。降低柱温可使色谱柱的选择性增大，但升高柱温可以缩短分析时间，并且可以改善气相和液相的传质速率，有利于提高效能。两方面的情况均需考虑44(二)柱温的选择44 在实际工作中，一般根据试样的沸点选择柱温、固定液用量及载体的种类。对于宽沸程混合物，一般采用程序升温法进行。程序升温:对于宽沸程试样，分析时将柱温按预定的速度进行升温加热，升温可以是随时间线性或非线性的。分离过程中，柱温不断变化，在不同的温度时，不同的成分的分离效果不同，从而达到分离宽沸程试样的每个成分的目的。45 在实际工作中，一般根据试样的沸点选择柱温、固定(三)固定液（相）的选择 在选择固定液时，一般按“相似相溶”的规律选择，因为这时的分子间的作用力强，选择性高，分离效果好1.非极性试样一般选用非极性固定液2.中等极性试样首先选用中等极性固定液 3.强极性的试样应选用强极性固定液。46(三)固定液（相）的选择46四、担体的性质和粒度1.担体的性质：载体应有如下的特点（1）具有多孔性，比表面大（2）化学惰性且具有较好的浸润性（3）热稳定性好（4）具有一定的机械强度，使固定相在制 备和填充过程中不易粉碎2.担体的粒度 要求均匀、细小，有利于提高柱效，但过小，阻力增大，操作不利47四、担体的性质和粒度47五、进样时间和进样量进样速度必须很快，因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之边宽，有时甚至使峰变形。一般地，进样时间应在1s以内。最大允许的进样量，应控制在使峰面积和峰高与进样量呈线性关系的范围内。六、气化温度一般气化室温度比柱温高30-7048五、进样时间和进样量482-4 固定相及其选择（阅读）492-4 固定相及其选择（阅读）49一、分类气相色谱的检测器是将载气里被分离组分的量转变为测量信号（电信号）的装置。1.浓度型检测器测量的是载气中组分浓度的瞬间变化，即检测器的响应值正比于组分的浓度。如热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）。2-5气相色谱检测器50一、分类2-5 气相色谱检测器502.质量型检测器测量的是载气中样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内组分进入检测器的质量。如氢焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）。512.质量型检测器51二、检测器1.热导池检测器（TCD）：热导池检测器是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的。载气载气样品放空放空接电桥接电桥52二、检测器载气载气放空放空接电桥接电桥525353一种热导检测器结构54一种热导检测器结构54 此检测器只用一根电热丝，快速切换阀使得流出物（含样品）和参比气交替通过检测池。如果两气流是一样的时(没有被分离的成分)，气体切换时电热丝电阻不变。当有样品成分进入检测池时，切换到色谱柱流出气时，电热丝温度降低；当切换到参比气时，电热丝温度又恢复原值。电子传感器能够探测到此变化并调节电热丝的电源供给以使温度保持恒定，电源供给变化曲线的波动幅度取决于柱流出物（有样品成分存在时）和参比气之间热导率的差异55 此检测器只用一根电热丝，快速切换阀使得流出物（含试样氢气氧气（空气）-示意图放空2.氢火焰离子化检测器（FID）以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳化合物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，产生电信号，检测色谱柱分离出的组分56试样氢气氧气（空气）-示意图放空2.氢火焰离子化检测器（57573.电子捕获检测器（ECD)只对具有电负性的物质，如含有卤素、硫、磷、氮的物质有响应，且电负性越强，检测器灵敏度越高。其线性范围较窄。载气样品放空放射源阳极阴极583.电子捕获检测器（ECD)载气样品放空放射源阳极阴极4.火焰光度检测器（FPD）火焰光度检测器又叫硫磷检测器。它是一种对含硫、磷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。空气氢气载气样品光电倍增管放大器记录仪滤光片594.火焰光度检测器（FPD）空气氢气载气样品光电倍增管放三、检测器的性能指标1.灵敏度当一定浓度或一定质量的组分进入检测器，产生响应信号R。以进样量c对响应信号（R）作图得到一条通过原点的直线。直线的斜率就是检测器的灵敏度（S）。因此，灵敏度可定义为信号（R）对进入检测器的组分量（C）的变化率：S=R/c60三、检测器的性能指标1.灵敏度602.检出限检出限定义为：检测器恰能产生三倍于噪音（3N，标准差）时单位时间（单位：s）进入检测器的样品量（g）或单位体积（cm3）载气中需含的样品量（g）浓度型检测器，检出限Dc=3N/S Dc指每毫升载气中含有恰好能产生三倍于噪声信号的溶质毫克数。632.检出限63质量型检测器，检出限Dm=3N/SDm指每秒通过的溶质克数，恰好能产生三倍于噪声的信号（3N）。无论哪种检测器，检出限都与灵敏度成反比，与噪声成正比。检出限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声，所以它是衡量检测器性能的综合指标。64质量型检测器，检出限643.最小检测量 最小检测量制产生三倍噪声（标准差）时，色谱体系（由柱、气化室、记录仪和连接管道等组成一个色谱体系）所需的最小进样量。653.最小检测量654.线性范围检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比。5.响应时间响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其值的63%所需的时间。一般小于1s。664.线性范围661.基本方法（利用保留值进行定性）在一定色谱条件下，每种物质都有确定的保留值，比较标准物质与未知物质的保留值是否相同进行定性。（1）方法的可靠性与柱效密切相关，高柱效时，结果较为可靠。（2）保留时间（体积）受柱长、固定液含量、载气流速等条件影响较大，一般采用相对保留值r12（）作为定性指标较好。2-6气相色谱的定性方法671.基本方法（利用保留值进行定性）2-6 气相色谱的定（3）保留指数：把物质的保留行为用两个靠近它的标准物质（一般为两个正构烷烃）来标定:=100（lgXi-lgXzlgXz+1-lgXz+Z）2.其他方法（1）气质联用、气红联用（2）与化学方法联用（3）利用检测器的选择性检测68（3）保留指数：把物质的保留行为用两个靠近它的标准物质（一般2-7气相色谱的定量方法1.定量依据m fiAifi定量校正因子Ai色谱峰峰面积（信号）2.峰面积的（替代）测量在误差允许的情况下，可以用相关量代替峰面积进行测定，以简化过程692-7 气相色谱的定量方法1.定量依据m fi A（1）峰高乘半峰宽70（1）峰高乘半峰宽70（2）峰高乘峰底宽度71（2）峰高乘峰底宽度71（3）峰高乘平均峰宽72（3）峰高乘平均峰宽72（4）峰高乘保留值73（4）峰高乘保留值73m1+m2+m3+mi+mn（5）积分仪3.相对定量校正因子：两种样品的定量校正因子的比值4.测量方法（1）归一化法试样中的成分都能出峰则有：Wi=mi m=mi 100%74m1+m2+m3+mi+mn（5）积分仪Wi=mi f1A1+f2A2+fiAi+fnAnWi=mi m=fiAi 100%即若 f 差别不大，则有A1+A2+Ai+AnWi=Ai100%也可以用峰高代替峰面积进行计算75f1A1+f2A2+fiAi+fnAnWi=mi m f fx xA Ax x m ms s m mx x f fssA As s所以所以m ms s f fssA As s m mxx f fxxA Ax x已知内标标准样品的浓度为cs，设未知样品的浓度为cx，上机测定得到的峰面积分别为As，Ax 标准物质标准物质m ms s=f=fs sA As s未知物质未知物质m mx x=f=fxxA Ax x=（不同物质（不同物质 f f 不同）不同）用标准物质测出用标准物质测出f fx和和f fs s,然后求得然后求得c cx x（2）内标法76 fx Ax ms 所以 A Ax x m ms s m mx x A As s所以所以m ms s f fssA As s m mxx f fxxA Ax x已知外标标准样品的浓度为cs，设未知样品的浓度为cx，上机测定得到的峰面积分别为As，Ax 标准物质标准物质m ms s=f=fs sA As s未知物质未知物质m mx x=f=fxxA Ax x=（相同物质（相同物质 f f 相同）相同）（3）外标法77 Ax ms 所以 mAmm1m2m3mn.A1A2A3AnmxAx.（4）标准曲线法78Amm1m2m3 mn.A1A2A3An