第5章----气相色谱法课件

1第第5章章 气相色谱气相色谱法法5.1 色谱法概述色谱法概述 5.1.1 历史历史 5.1.2 色谱法分类色谱法分类 5.1.3 基本概念和术语基本概念和术语 5.1.4 分离效能指标分离效能指标5.2 色谱法理论色谱法理论 5.2.1 塔板理论塔板理论 5.2.2 速率理论速率理论 5.2.3 分离条件的选择分离条件的选择5.3 气相色谱法气相色谱法 5.3.1 气相色谱仪气相色谱仪 5.3.2 气相色谱分析方法气相色谱分析方法25.1 色谱法概述色谱法概述 色谱法是一种重要的色谱法是一种重要的分离分析分离分析方法，它是方法，它是根据组分与固定相和流动相的作用力不同而达根据组分与固定相和流动相的作用力不同而达到分离目的的。到分离目的的。35.1 色谱法概述色谱法概述5.1.1 历史历史1906 Michael Tswett 研究植物色素分离，提出色谱法的概念研究植物色素分离，提出色谱法的概念A+BA+BBAABtSchromatographychromagraphein希腊语希腊语colorto write45.1 色谱法概述色谱法概述5.1.1 历史历史1941 Martin和和Synge提出液提出液-液色谱理论；液色谱理论；1952 James和和Martin发展了气相色谱；发展了气相色谱；1956 Van Deemter提出速率理论；提出速率理论；AJP Martin and RLM Synge:Nobel prize winners in 1952AJP Martin and RLM Synge:Nobel prize winners in 19521967 Kirkland等研制高效液相色谱法；等研制高效液相色谱法；1937-1972:12 Nobel prize winners from chromatography1937-1972:12 Nobel prize winners from chromatography吸附柱色谱吸附柱色谱1906GC1950年代年代GC-MS1950年代末年代末HPLC1960年代年代毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱法毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱法1980年代中期年代中期55.1 色谱法概述色谱法概述5.1.2 色谱法分类色谱法分类按流动相分按流动相分气相色谱（气相色谱（GC）液相色谱（液相色谱（LC）超临界流体色谱（超临界流体色谱（SFC）按机理分按机理分吸附色谱（吸附色谱（adsorption）分配色谱（分配色谱（partition）离子交换色谱（离子交换色谱（ion exchange）排阻色谱（排阻色谱（size exclusion）正相色谱正相色谱反相色谱反相色谱65.1 色谱法概述色谱法概述5.1.2 色谱法分类色谱法分类按固定相在支持体中按固定相在支持体中的形状分的形状分柱色谱柱色谱平板色谱平板色谱纸色谱纸色谱薄层色谱薄层色谱新型色谱新型色谱微柱色谱微柱色谱毛细管电动色谱毛细管电动色谱75.1 色谱法概述色谱法概述5.1.3 基本概念和术语基本概念和术语1 色谱流出曲线或色谱图（色谱流出曲线或色谱图（chromatogram）指样品注入色谱柱后，信号随时间变化的曲线。指样品注入色谱柱后，信号随时间变化的曲线。W1/285.1 色谱法概述色谱法概述5.1.3 基本概念和术语基本概念和术语2 基线基线 无组分通过色谱柱时，检测器的噪音随时间变化的无组分通过色谱柱时，检测器的噪音随时间变化的 曲线曲线3 峰宽峰宽 峰底宽峰底宽Wi 峰半宽峰半宽W1/2 标准偏差标准偏差 Gaussian分布曲线的特征：分布曲线的特征：94 保留值保留值保留时间保留时间tR 进样到出现色谱峰的时间进样到出现色谱峰的时间保留体积保留体积VR 进样到出现色谱峰时消耗进样到出现色谱峰时消耗 的流动相体积的流动相体积死时间死时间tM 流动相流过色谱柱的时间流动相流过色谱柱的时间死体积死体积VM 色谱柱的空隙体积色谱柱的空隙体积5.1 色谱法概述色谱法概述5.1.3 基本概念和术语基本概念和术语校正保留时间校正保留时间校正保留体积校正保留体积流动相流动线速度流动相流动线速度105.1 色谱法概述色谱法概述5.1.3 基本概念和术语基本概念和术语5 相对保留值，选择性系数相对保留值，选择性系数6 分配系数和分配比（容量因子）分配系数和分配比（容量因子）分配系数分配系数 K：一定温度与压力下两相达平衡后，一定温度与压力下两相达平衡后，组分在固定相和流动相浓度的比值组分在固定相和流动相浓度的比值分配比（容量因子）分配比（容量因子）k：一定温度与压力下两相达平衡后，：一定温度与压力下两相达平衡后，组分在固定相和流动相量的比值组分在固定相和流动相量的比值流速一定！流速一定！11K与与k的关系：的关系：5.1 色谱法概述色谱法概述5.1.3 基本概念和术语基本概念和术语7 容量因子容量因子k与保留值的关系与保留值的关系色谱基本保留方程色谱基本保留方程12证明色谱保留方程：证明色谱保留方程：当组分一半流出色谱柱时当组分一半流出色谱柱时5.1 色谱法概述色谱法概述5.1.3 基本概念和术语基本概念和术语135.1 色谱法概述色谱法概述5.1.4 分离效能指标分离效能指标1 选择性（相对保留值）选择性（相对保留值）selectivity factor相对保留值由两组分的热力学性质（相对保留值由两组分的热力学性质（k）决定，与）决定，与色谱柱的长短粗细（峰宽）无关。色谱柱的长短粗细（峰宽）无关。2 峰宽度峰宽度3 分离度分离度 resolutionR 1.0 两峰明显重叠两峰明显重叠R=1.0 两峰达两峰达97.7%分离分离R 1.5 基线分离基线分离14小结小结色谱法研究的核心：色谱法研究的核心：选择最适合的色谱体系和条件，选择最适合的色谱体系和条件，在最短的时间达到最佳的分离效果。在最短的时间达到最佳的分离效果。155.2 色谱法理论色谱法理论目的目的从理论上得到描述色谱流出曲线的从理论上得到描述色谱流出曲线的方程，并通过这一方程各参数来研究影响分方程，并通过这一方程各参数来研究影响分离的因素。离的因素。5.2.1 塔板理论塔板理论假设假设（1）色谱柱存在多级塔板色谱柱存在多级塔板;（2）组分通过时在每级塔板两相间）组分通过时在每级塔板两相间 达到一次平衡达到一次平衡;165.2.1 塔板理论塔板理论175.2 色谱法理论色谱法理论5.2.2 速率理论速率理论不足：不足：指出了理论板数指出了理论板数n或理论板高度或理论板高度H对色谱柱效率的影响，未对色谱柱效率的影响，未指出影响塔板高度的因素，不能从理论上指导如何装柱，指出影响塔板高度的因素，不能从理论上指导如何装柱，不能指导如何从实验上提高色谱柱的效率。不能指导如何从实验上提高色谱柱的效率。1 塔板理论的特点塔板理论的特点182 Van Deemter方程方程1956年年Van Deemter提出速率方程，指出了提高柱效率的途径提出速率方程，指出了提高柱效率的途径5.2 色谱法理论色谱法理论5.2.2 速率理论速率理论195.2.2 速率理论速率理论塔板理论研究的是平衡态塔板理论研究的是平衡态速率理论从动态角度出发，速率理论从动态角度出发，提出改变色谱条件，控制流速，提出改变色谱条件，控制流速，提高分离效率提高分离效率色谱峰变宽是由于某些粒子色谱峰变宽是由于某些粒子的移动速度较慢造成的。的移动速度较慢造成的。20涡流扩散示意图涡流扩散示意图12分子分子1扩散路径长，扩散路径长，到达柱出口的时间晚到达柱出口的时间晚色谱峰变宽色谱峰变宽5.2.2 速率理论速率理论215.2.2 速率理论速率理论（2）B/u 纵向分子扩散项，纵向分子扩散项，longitudinal diffusion指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽式中：式中：弯曲因子，填充柱弯曲因子，填充柱 空心柱空心柱 组分在流动相中的扩散系数组分在流动相中的扩散系数 由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的1/105，因此，因此在液相色谱中在液相色谱中B可以忽略。可以忽略。22（2）B/u 纵向分子扩散项，纵向分子扩散项，longitudinal diffusion 分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽235.3.1 气相色谱仪气相色谱仪3 分离系统分离系统色谱柱色谱柱填充柱（填充柱（2-6mm直径，直径，1-6m长）长）毛细管柱（毛细管柱（0.1-0.5mm直径直径,几十米长）几十米长）packed columncapillary column243 分离系统分离系统填充柱和毛细管柱填充柱和毛细管柱255.3.1 气相色谱仪气相色谱仪3 分离系统分离系统（1）固体固定相：）固体固定相：固体吸附剂，包括活性碳、硅胶、固体吸附剂，包括活性碳、硅胶、Al2O3、分子筛等；、分子筛等；用于用于H2、O2、N2、CO、CO2、C1-C4的分离；的分离；固定相固定相固体固定相：固体吸附剂固体固定相：固体吸附剂液体固定相：由担体和固定液组成液体固定相：由担体和固定液组成26（2）液体固定相）液体固定相担体担体固定液固定液固定液的选择原则：固定液的选择原则：相似相容相似相容5.3.1 气相色谱仪气相色谱仪3 分离系统分离系统275.3.1 气相色谱仪气相色谱仪3 分离系统分离系统聚乙二醇聚乙二醇28（A）非极性组分分离）非极性组分分离非极性固定液非极性固定液，组分出峰的，组分出峰的顺序由蒸汽压决定，沸点高保留时间长顺序由蒸汽压决定，沸点高保留时间长（B）中等极性组分分离）中等极性组分分离中等极性固定相，沸点中等极性固定相，沸点与分子间力同时起作用与分子间力同时起作用（C）强极性组分分离）强极性组分分离强极性固定相，分子间力强极性固定相，分子间力起作用，按极性大小出峰起作用，按极性大小出峰（D）极性）极性+非极性组分分离非极性组分分离极性固定相极性固定相5.3.1 气相色谱仪气相色谱仪3 分离系统分离系统295.3.1 气相色谱仪气相色谱仪3 分离系统分离系统例如：苯和环己烷的色谱分离例如：苯和环己烷的色谱分离苯苯沸点沸点80.10C环己烷环己烷沸点沸点80.70C采用非极性固定液采用非极性固定液，出峰顺序由蒸汽压决定，所以分不开；，出峰顺序由蒸汽压决定，所以分不开；但是苯容易极化但是苯容易极化tR(苯）苯）/tR（环己烷）（环己烷）（1）用弱极性的邻苯二甲酸二辛酯）用弱极性的邻苯二甲酸二辛酯1.5（2）用极性的聚乙二醇）用极性的聚乙二醇-4003.9（3）用）用，氧二丙氰氧二丙氰6.3305.3.1 气相色谱仪气相色谱仪3 分离系统分离系统固定液极性测量：固定液极性测量：以丁二烯、正丁烷为分析对象，选以丁二烯、正丁烷为分析对象，选,-氧二丙氰氧二丙氰和角沙烷为固定液的色谱柱和角沙烷为固定液的色谱柱:求出求出 q(,-氧二丙氰氧二丙氰)、q(角沙烷角沙烷)、q(x)固定液的相对极性：固定液的相对极性：31当当 qx=qjPx=0当当 qx=q ,Px=100其它固定液的极性介于其它固定液的极性介于0-100之间之间0100+1+2+3+4+5非非极性极性固定液极性固定液极性5.3.1 气相色谱仪气相色谱仪325.3.1 气相色谱仪气相色谱仪4 控温系统控温系统K是热力学常数，随温度变化。温度越高，是热力学常数，随温度变化。温度越高，K值越小，因值越小，因此保留时间越短，据此，可通过柱温调节分离程度。此保留时间越短，据此，可通过柱温调节分离程度。334 控温系统控温系统5.3.1 气相色谱仪气相色谱仪恒温和程序升温对分离的影响恒温和程序升温对分离的影响一般，柱温比平均沸点稍高一般，柱温比平均沸点稍高组分沸点分布宽，用程序升温组分沸点分布宽，用程序升温345.3.1 气相色谱仪气相色谱仪5 检测器检测器作用：将色谱分离后的各组分的量转变成可测量的电信号作用：将色谱分离后的各组分的量转变成可测量的电信号指标：灵敏度、线性范围、响应速度、结构、通用性指标：灵敏度、线性范围、响应速度、结构、通用性 35热导检测器，热导检测器，TCD(Thermal conductivity detector)氢火焰离子化检测器，氢火焰离子化检测器，FID(Flame ionization detector)电子捕获检测器，电子捕获检测器，ECD(Electron capture detector)火焰光度检测器，火焰光度检测器，FPD(Flame photometric detector)原子发射检测器，原子发射检测器，AED(Atomic emission detector)GC-MS GC-FTIR 5.3.1 气相色谱仪气相色谱仪5 检测器检测器365 检测器检测器(1)热导检测器，热导检测器，TCD载气和样品气的导热系数不同产生响应载气和样品气的导热系数不同产生响应载气与样品气导热系数差别越大越好载气与样品气导热系数差别越大越好37通用性；灵敏度低通用性；灵敏度低 The TCD is not as sensitive as other detectors but it is non-specific and non-destructive 5 检测器检测器TCD的特点的特点385 检测器检测器(2)氢火焰离子化检测器，氢火焰离子化检测器，FID39有机物在火焰中电离形成离子流，根据离子有机物在火焰中电离形成离子流，根据离子流的大小进行分析流的大小进行分析。离子化过程离子化过程:C6H6 6CH6CH+3O2 6 CHO+6e-CHO+6H2O 6CO+6H3O+离子数与进入检测器的碳原子数成正比离子数与进入检测器的碳原子数成正比流动相流速对检测器响应影响小流动相流速对检测器响应影响小(2)氢火焰离子化检测器，氢火焰离子化检测器，FID40不能检测惰性气体、空气、水、不能检测惰性气体、空气、水、CO、CO2、NO、SO2等等灵敏度高，线性范围宽灵敏度高，线性范围宽5 检测器检测器FID的特点的特点415 检测器检测器FID的特点的特点42FID的应用例的应用例435 检测器检测器(3)电子捕获检测器电子捕获检测器 ECD 阴极阴极445 检测器检测器(3)电子捕获检测器电子捕获检测器 ECD 载气在载气在-射线源的照射下发生电离，射线源的照射下发生电离，形成稳定的基流。形成稳定的基流。卤素等电负性大的原子捕获电子生成稳定的负离子，卤素等电负性大的原子捕获电子生成稳定的负离子，并与载气正离子结合，使基流信号下降，根据信号是并与载气正离子结合，使基流信号下降，根据信号是否降低和降低程度，可检测组分。否降低和降低程度，可检测组分。45线性范围较窄线性范围较窄5 检测器检测器ECD的特点的特点46(4)火焰光度检测器火焰光度检测器 FPD5 检测器检测器2RS SO2SO2+H2 S2*S2+hvS394 nmP526 nm燃烧燃烧47(5)原原子发射检测器子发射检测器 AED5 检测器检测器For different elements48检测器灵敏度比较检测器灵敏度比较49检测器性能指标检测器性能指标浓度型浓度型(TCD):mV ml/mg;A ml/mg质量型质量型(FID):mV s/g;A s/g灵敏度灵敏度单位浓度（或质量）的物质单位浓度（或质量）的物质通过检测器时所产生信号的通过检测器时所产生信号的大小。大小。50Linear range指检测器信号与样品浓度（或量）之间成正比关系的范围指检测器信号与样品浓度（或量）之间成正比关系的范围检测器性能指标检测器性能指标检测限和线性范围检测限和线性范围Detection Limit时该方法可以检测的最低浓度或量时该方法可以检测的最低浓度或量R=3N（3倍噪音）时倍噪音）时 Q=D515.3.2 气相色谱分析方法气相色谱分析方法1 1 分析条件的选择分析条件的选择 1)1)色谱柱色谱柱,固定液固定液 (相似相容原则相似相容原则)2)2)汽化温度汽化温度 (高于柱温高于柱温5-10 C)3)3)柱温柱温 恒温：稍高于沸点恒温：稍高于沸点 程序升温程序升温4)4)载气流量载气流量 Vandeemter方程方程5)5)进样量进样量 522 2 定性分析定性分析（1）保留时间定性（已知物对照法）保留时间定性（已知物对照法）在在相相同同色色谱谱条条件件下下，未未知知物物的的保保留留时时间间与与标标准准物质相同时，可以初步认为是同一物质。物质相同时，可以初步认为是同一物质。改变色谱条件（分离柱、流动相、柱温等）改变色谱条件（分离柱、流动相、柱温等）在样品中添加标准物质在样品中添加标准物质为了提高定性分析的可靠性，可以：为了提高定性分析的可靠性，可以：如果被测物的保留时间仍然与标准物质一致，如果被测物的保留时间仍然与标准物质一致，可认为是同一物质。可认为是同一物质。53（2）保留指数（）保留指数（I）定性）定性以正构烷烃为参考标准，某一未知组分的保留行为以正构烷烃为参考标准，某一未知组分的保留行为用两个相邻的标准物质（正构烷烃）来标定：用两个相邻的标准物质（正构烷烃）来标定：正构烷烃：正构烷烃：I=100 N N为碳原子数为碳原子数其他物质保留指数计算式其他物质保留指数计算式N，n为参考正构烷烃的碳原子数为参考正构烷烃的碳原子数n=1 or 2IA与文献值对照定性。与文献值对照定性。2 定性分析定性分析54（3）与其他仪器联用定性）与其他仪器联用定性 将具有定性能力的分析仪器如红外（将具有定性能力的分析仪器如红外（IR）、核磁）、核磁（NMR）、质谱（）、质谱（MS）、原子光谱（）、原子光谱（AAS、AES等仪等仪器）作为色谱仪的检测器获得比较准确的定性信息。器）作为色谱仪的检测器获得比较准确的定性信息。由于保留值（保留时间、保留指数等）定性受温度影响，由于保留值（保留时间、保留指数等）定性受温度影响，因此应严格控制温度；因此应严格控制温度；当两个化合物的保留值相同或相近时，容易出现错判。当两个化合物的保留值相同或相近时，容易出现错判。2 定性分析定性分析553 定量分析定量依据：被测物质的量与色谱峰面积（或峰高）定量依据：被测物质的量与色谱峰面积（或峰高）成正比成正比fi：定量校正因子：定量校正因子（1）校正因子校正因子fi绝对校正因子绝对校正因子绝对校正因子受实验条件的影响，定量分析时必须与实际样绝对校正因子受实验条件的影响，定量分析时必须与实际样品在相同条件下测定标准物质的校正因子。品在相同条件下测定标准物质的校正因子。Ai：峰面积：峰面积Wi：被测物质的量：被测物质的量56相对校正因子只与检测器类型有关，与色谱条件无关。相对校正因子只与检测器类型有关，与色谱条件无关。常用的标准物质常用的标准物质S有：苯（有：苯（TCD）和庚烷（）和庚烷（FID）等）等。相对校正因子相对校正因子f 指某物质指某物质 i 与一选择的标准物质与一选择的标准物质 s的绝对校正因子之比。的绝对校正因子之比。即即3 定量分析定量分析573 定量分析定量分析(2)定量分析方法定量分析方法(2)-1 归一化法归一化法流出色谱柱组分的总量：流出色谱柱组分的总量：X组分所占的百分含量组分所占的百分含量:归一化法是将所有组分的峰面积归一化法是将所有组分的峰面积 Ai 分别乘以它们分别乘以它们的相对校正因子后求和，即所谓的相对校正因子后求和，即所谓“归一归一”采用归一化法的前提条件是采用归一化法的前提条件是样品中所有成分都能从样品中所有成分都能从色谱柱上洗脱色谱柱上洗脱，并能被检测器检测（出峰）。，并能被检测器检测（出峰）。58(2)-2 外标法外标法 将某组分的峰面积与该组分标准峰面积直接比较定量。将某组分的峰面积与该组分标准峰面积直接比较定量。或采用标准曲线法定量：或采用标准曲线法定量：优点：不做校正因子，不必全出峰优点：不做校正因子，不必全出峰缺点：实验条件影响较大缺点：实验条件影响较大ACAxCx3 定量分析定量分析59(2)-3 内标法内标法 比比较较标标准准物物质质和和被被测测组组分分的的峰峰面面积积，从从而而确确定定被被测组分的浓度。测组分的浓度。由由于于标标准准物物质质和和被被测测组组分分处处在在同同一一基基体体中中，因因此此可可以以消消除除基基体体带带来来的的干干扰扰。而而且且当当仪仪器器参参数数和和洗洗脱脱条条件件发发生生非非人人为为的的变变化化时时，标标准准物物质质和和样样品品组组分分都都会会受受到到同同样样影响，这样消除了系统误差。影响，这样消除了系统误差。或或 3 定量分析定量分析60内标物应满足的要求：内标物应满足的要求：l l在所给定的色谱条件下具有一定的化学稳定性；在所给定的色谱条件下具有一定的化学稳定性；l l在接近所测定物质的保留时间内洗脱下来；在接近所测定物质的保留时间内洗脱下来；l l与两个相邻峰达到基线分离；与两个相邻峰达到基线分离；l l物质特有的校正因子应为已知的或者可测定；物质特有的校正因子应为已知的或者可测定；l l与待测组分有相近的浓度和类似的保留行为；与待测组分有相近的浓度和类似的保留行为；l l具有较高的纯度。具有较高的纯度。(2)-3 内标法内标法3 定量分析定量分析61环境环境水样中芳香烃，杀虫剂，除草剂，水中锑形态水样中芳香烃，杀虫剂，除草剂，水中锑形态石油石油原油成分、汽油中各种烷烃和芳香烃原油成分、汽油中各种烷烃和芳香烃化工化工喷气发动机燃料中烃类，石蜡中高分子烃喷气发动机燃料中烃类，石蜡中高分子烃食食品品、水水果果、蔬菜蔬菜植植物物精精炼炼油油中中各各种种烯烯烃烃、醇醇和和酯酯，亚亚硝硝胺胺，香香料料中中香香味味成成分分，人造黄油中的不饱和十八酸，牛奶中饱和和不饱和脂肪酸人造黄油中的不饱和十八酸，牛奶中饱和和不饱和脂肪酸生物生物植物中萜类，微生物中胺类、脂肪酸类、脂肪酸酯类植物中萜类，微生物中胺类、脂肪酸类、脂肪酸酯类医药医药血液中汞形态、中药中挥发油血液中汞形态、中药中挥发油应用领域应用领域分析对象举例分析对象举例法医学法医学血血液液中中酒酒精精，尿尿中中可可卡卡因因、安安非非他他命命，奎奎宁宁及及其其代代谢谢物物，火火药成分，纵火样品中的汽油药成分，纵火样品中的汽油气相色谱的应用举例气相色谱的应用举例