第14章 气相色谱法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,14,章 气相色谱法,Gas,Chromatography（GC,）,如何在复杂基体共存的实际样品中实现对目标组分（一个或多个）的检测？,依靠仪器或方法对待测组分的,选择性响应,来实现；,但,选择性是相对,的，如果存在干扰物质该怎么办？,控制适当的分析条件或加入掩蔽剂等（适用于简单体系）,分离,后再测定！（通常采用的手段）,分离,化学工作者最基本的任务,经典分离方法,沉淀、结晶、离心、电解,蒸馏、萃取、精馏等,色谱分离,气相色谱、液相色谱、电泳,柱色谱、薄层色谱、纸色谱,物化性相似,的复杂有机物的分离？,同分（几何、构像）,异构体,的分离？,bp,.,80.1,C,bp,.,80.7,C,色 谱 法,一种,高效,的、应用范围广的,分离分析技术,，可用于从小分子到大分子各种不同性质物质的分离，包括少量样品的,分析,及大量样品成分分离,制备,等。,由于仪器进步及各个学科分离分析复杂物质需要，近几十年来发展很快，是最有效的分离手段，涉及各个学科领域，是现代化学发展的基础之一。约有,60%,以上的分析工作是基于色谱法完成的。,14-1,色谱法基本理论,1,4-1-1,概述,1,4-1-2,色谱流出曲线及相关术语,1,4-1-3,色谱基本原理,1,4-1-4,分离度,1,4-1-5,基本色谱分离方程,1,4-1-1,概述（,1,）,叶绿素,b,叶绿素,a,叶黄素,胡萝卜素,茨维特色谱图（190,6,，俄）,色谱法起源,将绿色植物的石油醚萃取液加载到装有吸附剂,CaCO,3,的柱子上端，然后用石油醚淋洗。,固定相：,CaCO,3,流动相：,石油醚,本质：,CaCO,3,对萃取液中各成分的吸附能力不同，从而将其分离成不同,色带,。,色谱法的两相,色谱法名称来源,1,4-1-1,概述（,2,）,色谱法发展的历史,1906,茨维特,创立,（色谱名称来源）,1941,马丁/辛格,液液分配色谱,1944,康斯登/马丁,纸色谱,1952,马丁/辛格,GC,（气相色谱）,、塔板理论,1956,斯塔尔,薄层色谱,1957,戈雷,毛细管柱,（里程碑）,1957,霍梅斯,GC-MS（,提高鉴定能力）,1966,LOW,GC-FTIR,70,年代,HPLC,（高效液相色谱）,80,年代,SPC,（超临界色谱）、,CE,（毛细管电泳）,90,年代,CEC,（毛细管电色谱）,1,4-1-1,概述（,3,）,色谱法基本原理,（以柱色谱为例）,在,外力,作用下，,流动相,以一定流速连续流经与其互不相溶的,固定相,表面（色谱柱）。待分离试样被,一次性注入,色谱柱头，各组分在同一时刻进入色谱柱。,各组分与两相的,不同作用,（溶解、吸附、渗透或离子交换等）导致其在两相间的,“,分配系数”不同,。,在随流动相移动通过一定长度的色谱柱时，各组分在两相之间进行了反复多次（,10,3,10,6,）的分配过程，使得分配系数不同的各组分在色谱柱中,移动速率,产生,差异,，从而彼此分开形成“,单组份,”的带或区，依次流出色谱柱。,根据色谱柱末端检测器的响应信号可实现对各组分的,定性,/,定量,分析,1,4-1-1,概述（,4,）,色谱仪的基本结构框图,流动相及,流速控制装置,固定相,（色谱柱）,检测器,进样,装置,数据记录,与处理,1,4-1-1,概述（,5,）,色谱法分类（,1,）,按色谱动力学过程,淋洗色谱法：,又称为洗提法。将待分离组分注入色谱柱柱头后，用与固定相作用比各组分都弱的流动相洗脱。流动相连续流过色谱柱并携带样品组分在柱内向前移动，不同组分依据与两相作用力的差别，依次被洗脱，形成连续呈,Gaussian,曲线的色谱峰。,置换色谱法,迎头色谱法,固定相,流动相,1,4-1-1,概述（,6,）,色谱法分类（,2,）,色谱法,气相色谱,液相色谱,超临界流体色谱,填充柱色谱,毛细管柱色谱,固体,涂渍在固体表面的液体,固体表面键合的有机物,吸附,分配,分配,柱,平面,经典,高压,薄层色谱,纸色谱,固体,涂渍在固体上的液体,固体表面键合有机物,离子交换剂,多孔固体凝胶,固体表面键合的特殊化合物,气固吸附色谱,气液分配色谱,键合相色谱（气液）,固体表面键合有机物 分配,吸附,分配,分配,离子交换,渗透（筛分）,特异性亲和力,液固吸附色谱,液液分配色谱,键合相色谱（液液）,离子交换色谱,体积排阻色谱,亲和色谱,虽然电泳法原理与色谱法不同，但因其应用领域，数据形式，定性,/,定量方式与色谱法相似，通常也将其归在色谱法中。电色谱是兼具两者特点的分离方式。,柱,1,4-1-1,概述（,7,）,色谱法的特点,分离效能高：,能在较短时间内对组成极为复杂，各组分性质极为相近的混合物同时进行分离测定；,灵敏度高：,高灵敏的色谱检测器可检测,10,-11,10,-13,g,的物质，适于痕量分析；样品用量极少，一般以,g,计，有时仅以,ng,计；,分析速度快：,一般几或几十分钟便可完成对一个复杂试样的分析；,应用范围广：,选择适当的色谱模式几乎能分析所有的化学物质。,虽然传统色谱检测器的定性能力较差，但与定性能力强的光谱方法如,MS,、,FTIR,、,NMR,等联用，可大大提高其定性分析能力。,Less than 30 minutes separation for 18 of amino acids,14-1-2,色谱流出曲线及相关术语（,1,）,色谱流出曲线（色谱图）：,以进样为起点，检测器,响应信号随时间,/,流动相体积,变化的曲线,色谱流出曲线,14-1-2,色谱流出曲线及相关术语（,2,）,基线：,仅有流动相通过时检测器时响应。稳定的基线不应随时间发生单向变化，而是在很小的范围内呈现高频的波动。,峰高：,色谱峰顶点与基线之间的垂直距离。（定量）,峰面积：,色谱曲线与基线间的面积。,（定量）,进样,基线,h/,峰高（定量）,A/,峰面积（定量）,噪音（本底信号），影响检出限,14-1-2,色谱流出曲线及相关术语（,3,）,保留值（,1,）,死时间,t,0,：,流动相通过色谱柱所用的时间。通常采用不与固定相发生作用（非滞留组分）但能被检测器响应的物质来测定。,保留时间,t,r,：,组分从进样到出现色谱峰值所需要的时间。,调整保留时间,t,r,：指组分在固定相中停留的时间。,进样,非滞留组分,组分,t,r,是色谱定性的基本依据：,相同色谱条件下，同一物质的,t,r,相同（反过来不成立！）,可由色谱柱长,L,及死时间,t,0,计算流动相的平均线速,14-1-2,色谱流出曲线及相关术语（,4,）,保留值（,2,）,死体积,V,0,：,指死时间内流经色谱柱的流动相体积。包括,色谱柱中不被占据的空间,及进样系统管道和检测器系统的总体积。,保留体积,V,r,：,指保留时间内流经色谱柱的流动相体积。,调整保留体积,V,r,：,F,co,为色谱柱出口流动相的体积流速（,mL,min,-1,）,用保留体积定性可以消除流动相流速波动的影响。,14-1-2,色谱流出曲线及相关术语（,5,）,保留值（,3,）,相对保留值：,气相色谱法,中该值仅与,柱温,和,固定相性质,有关（液相色谱法中还与流动相性质有关），而与色谱柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，作为定性指标较,t,r,、,V,r,可靠。,用,（,1,）表示时称为,选择性因子,，,是衡量固定相选择性的重要指标。,14-1-2,色谱流出曲线及相关术语（,6,）,区域宽度：,用于衡量,柱效,及反映色谱操作条件下的,动力学,因素的重要参数。,色谱峰为对称,Gaussian,曲线时：,W=4,W=1.699W,1/2,W,1/2,=2.354,实际色谱峰是完全不对称的，通常是拖尾峰，也存在前伸峰。,从色谱流出曲线上可以得到什么信息？,根据,色谱峰个数,可以判断样品中所含,组分的最小个数,根据色谱峰的,保留值,可以进行,定性,分析,根据色谱峰高或者,峰面积,可以进行,定量,分析,根据色谱峰的,保留值,和,区域宽度,可,评价色谱柱,分离效能,可通过两个色谱峰的,峰距离（,）,评价,固定相（流动相）,的选择是否合适,14-1-3,色谱法基本原理（,1,）,色谱法定性,/,定量的前提：,样品中各组分彼此完全分离,。实现该目标必须满足以下两个条件：,相邻组份峰间距足够大：,由各组份在两相间的,分配系数,决定，即色谱过程的,热力学,性质决定。,每个组份峰宽足够小：,由组份在色谱柱中的,传质和扩散,决定，即色谱过程,动力学,性质决定。,因此研究、解释色谱分离行为应从热力学和动力学两方面进行。,14-1-3,色谱法基本原理（,2,）,色谱分离的热力学本质,样品中各组份与两相发生了不同程度的,作用,。,作用的具体表现形式：,范德华力、静电引力、氢键等,作用的实际体现形式,分配系数、分配比,分配系数（,Distribution,constant，,K,）,分配系数,K,：,描述组份在两相间分配或吸附-脱附过程的参数。,指一定温度和压力下，组分在固定相与流动相之间分配达到平衡时的浓度之比。,组分一定时，,K,仅与两相性质和柱温有关。,K,反映了不同组分与两相作用力的差别，不同组分在两相间具有不,K,值是物质得以分离的前提！,（热力学上可能）,通常情况下升高温度会使,K,减小，组分,t,r,减小。,描述组分与两相作用的参数,分配比,k,（,1,）,分配比,k,：,指一定温度和压力下，组分在固定相与流动相之间分配达到平衡时的质量之比。,V,m,：,柱中流动相的体积，近似于,V,0,；,V,s,：,柱中固定相的体积，与色谱类型有关，分配色谱中指固定液体积。,：,相比率（,V,m,/V,s,），与色谱柱型相关。,k,越大说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此称为,容量因子,（决定进样量的大小）,描述组分与两相作用的参数,分配比,k,（,2,）,分配比,k,可直接从色谱图上求出：,可见，对于给定色谱体系，组分的分离最终取决于,k,而不是,K,，因此,k,又称为保留因子,，是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。实际色谱分离时应将其控制在一个适当的范围。,当溶质分子处在流动相中时，其迁移速率为：,当溶质分子被固定相保留时，其迁移速率为：,某溶质分子处在流动相中的概率：,该溶质分子的平均迁移速率为：,液相色谱中常用,k,表示分配比,分配系数,K,、分配比,k,与选择性因子,的关系,两组分的,K,或,k,相等，,=1,，无法实现分离,两组分的,K,或,k,不等，,1,，满足热力学对分离的基本要求,两组分的,K,或,k,相差越大，越大，越容易实现分离,14-1-3,色谱法基本原理（,3,）,在满足热力学基本分离条件,（,1,）,的前提下，如何从色谱动力学的角度来优化分离条件，实现组分的分离？,色谱过程动力学,色谱动力学理论是根据流体分子运动规律来研究色谱过程中分子的迁移，用严格的数学处理方程求解相当复杂，只得采用较为,简化的假设,和,适当的近似处理,。,塔板理论,（基于热力学的平衡理论）,速率理论,塔板理论（,1,）,色谱柱可视为由高度（,H,）相同、内径一致且填充均匀，被称作,塔板,的若干（,n,）小段组成（,L=,nH,），组分可在每个塔板内,瞬间实现分配平衡,；,流动相,是以,脉动式进入,色谱柱，每次进入体积为一个塔板体积,V,（每个塔板中流动相所占的体积）；,塔板之间不存在物质交换，即组分的,纵向扩散忽略不计,；,分配系数,K,在所有塔板上均为,常数,。,詹姆斯,/,马丁（1941）,塔板理论（,2,）,将,m=1,（,mg,或,g,，单位略）的某组分（,k=1,）加在第一块（,0,号）塔板上，随着流动相的脉动式进入，该组分在各塔板中的分布情况如何（,假定,n=5,）？,N,（载气板体积数）,=n,V,时，组分开始流出色谱柱,n50,时，流出曲线趋于对称,塔板理论（,3,）,色谱流出曲线方程：,塔板理论（,4,）,理论塔板数：,理论板高：,有效塔板数：,有效板高,：,塔板数,n,又称为柱效,，是,描述色谱效能的指标,。气相填充柱,n=,1500/m,，毛细管柱,n=,3000/m,；液相填充柱,n,=2,810,4,/m,有关塔板数的说明,说明,柱效,时，必须注明该柱效是针对,何种物质,、,固定液种类,及其,含量,、,流动相种类,及,流速,、,操作条件,等；,应定期对柱效进行评价，以防柱效下降、延长柱寿命,塔板理论（,5,）,贡献,用热力学的观点阐明了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程,解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置,提出了,计算和评价柱效的参数,不足,不能解释造成,谱带扩张的原因,和,影响,板高的各种,因素,不能说明同一溶质为什么在不同的,流速,下，可以测得不同的理论塔板数,速率理论,吸收了塔板理论中的,板高,H,概念（但含义完全不同），考虑了组分在两相间的,扩散,和,传质,过程从,动力学,角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素！,Van,Deemter,/1956,H：,单位柱长色谱峰形展宽的程度,A：,涡流扩散项,B：,分子扩散项系数,C：,传质阻力项系数,实际分离中还应考虑色谱峰在柱外的变宽因素，所以应尽可能减小柱外体积,涡流扩散项,A（,多途路径项）,减小,A,的途径：,使用粒径小、粒径范围窄的柱料均匀填充,开管柱（毛细管柱）的,A,是多大？,分子扩散项,B/u（,纵向扩散项）,减小分子扩散项的途径：,采用均匀柱料,柱温,D,g,；柱压,D,g,流动相分子量，,D,g,u,（,B/u）,LC,中,D,m,较小，,B,项可勿略,球状颗粒,低温,短柱,大分子量流动相,适当增加流速,传质阻力项,Cu,（,1,）,色谱分离过程中,溶质在两相之间,进行的,质量传递,称为,传质,。由于色谱过程处于连续流动状态，溶质分子与两相分子间存在相互作用而使得传质过程不能瞬间完成，从而导致色谱峰展宽。（与分子扩散项的区别？）,流动相,气液界面,固定液,溶质分子,显然,u,越小，提供给溶质在两相中平衡的时间就越少，传质阻力项增大,传质阻力项,Cu,（,2,）,气液分配色谱的传质阻力项,C,g,：,小粒度填充物（,d,p,）+小分子量载气（,D,g,）,C,l,：,降低固定液含量（,d,f,，,但是,k,也减小）；采用比表面积大的载体（,d,f,，但,吸附增加可能导致峰脱尾）；提高柱温（,D,l,）,液液分配色谱中,C,具体表达式与气液分配色谱不同，但气液分配色谱中降低,C,的措施也适用于液液分配色谱。,流动相线速对板高的影响,板高,Hcm,实际测定流速通常高于最佳流,速（,缩短分析时间,）,固定相粒度大小对板高的影响,粒度直接影响,A,和,C,项，间接影响,B,项。,粒度越细，板高越小，受线速度影响亦小。,（,HPLC,采用小粒径填料的依据）,14-1-4,分离度（,1,）,热力学提出,1,就可能分离；动力学提出,n,足够大就能实现分离。可见,与,n,相互影响，都不能真实反映组分的实际分离情况,，因此需要引入一个兼顾两者的综合性指标：,分离度,R,14-1-4,分离度（,2,）,分离度：,亦称分辨率，指相邻两组份色谱峰,保留时间差值,（反映色谱过程热力学因素,）与,峰底宽均值,（反映色谱过程动力学因素,n,）的,比值,。,14-1-4,分离度（,3,）,保留时间,t/min,响应信号,14-1-5,基本色谱分离方程（,1,）,R,的定义式并未反映影响分离度的各种因素，既未与影响其大小的因素：,柱效,n、,选择因子和保留因子,k,联系起来，因此不能提供改善分离效果的手段。,基本色谱分离方程实现,R,与上述因素的联系。,14-1-5,基本色谱分离方程（,2,）,对于难分离物质可合理认为,W,1,=W,2,=W、k,2,=k,1,=k,分离度与柱效的关系,增加柱长，可提高分离度，但延长了分析时间及对仪器耐压的要求，因此变化有限（开管柱柱长变化范围较大）；因此降低板高，提高柱效，才是提高分离度的好方法。,如何降低板高？,分离度与选择因子的关系,当,=1,时，,R=0,，无法分离两组分；增大，是改善分离度的有效手段。对一个复杂混合物的分离条件的选择，主要是提高最难分离物质对的值。,GC,通过选择合适的固定相和降低柱温来增大,LC,通过改变固定,/,流动相的性质和组成，可有效增大,分离度与容量因子,k,的关系,如左图所示：在兼顾分离度和分析时间的考虑下，容量因子,k,控制在,210,为宜。,对于,GC,，改变柱温或增加固定液的用量来选择合适的,k,值。,对于,LC,，改变流动相的组成可有效的控制,k,值,分离度与分析时间的关系,分析时间与,R，k、H/u,等参数有关，,R,增加1倍，分析时间则是原来的4倍。实际工作中，,即要能获得有效的分离，又要在较短时间内完成分析,。,例,1,：,在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85,s,和100,s,，计算达到完全分离时所需的有效塔板数；若填充柱的有效塔板高度为0.1,cm，,柱长是多少？,解：,例,2,：,用一根柱长为,1 m,的色谱柱分离,A,、,B,两种物质，其保留时间分别为,14.4,和,15.4 min,，对应的峰底宽分别为,1.07 min,和,1.16 min,（死时间为,4.2 min,），试计算：,物质,A,的理论塔板数,分离度,R,选择性因子,完全分离所需的柱长,完全分离所需的时间,解：,16,-2-5,定性分析（,1,）,样品的预处理,GC,分析对象是在气化室温度下能生气态的物质。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。,水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质会造成效下降,非挥发性组分会产生噪声，同时慢慢分解产生杂峰,稳定性差的组分可能生成新物质造成杂峰,用已知纯物质对照定性,基于同一定操作条件下，组分保留时间为定值。,也可以通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰高增加来确定。,醇溶液定性色谱图,A：,甲醇,B：,乙醇,C：,正丙醇,D：,正丁醇,E：,正戊醇,前提：熟悉样品性质，有时也会误检（非质谱等检测器使用）,根据经验公式定性,碳数规律：,在一定温度下，同系物的调整保留时间,t,r,的对数与分子中碳数,n,成正比：知道两种或以上同系物的调整保留值便可求出常数,A,和,C。,未知物的碳数则可从色谱图查出,t,r,后，以上式求出。,沸点规律：,同族具相同碳数的异构物，其调整保留时间,t,r,的对数与分子中沸点,n,成正比,辅助手段，目前基本不用，但能记住规律也好,相对保留值,r,2,1,相对保留值,r,21,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。,在样品和标准中分别加入同一种基准物,s，,将样品的,r,i,s,和标准物的,r,i,s,相比较来确定样品中是否含有,i,组分，可消除两次进样引起的误差。,辅助手段,保留指数（,Kovats,）,定性,重现性最佳，固定液和柱温一定时，定性不需要标准物,辅助手段（固定液的罗氏、麦氏常数的计算依据）,人为规定：,正构烷烃,c,n,H,2n+2,的,I,x,=100n,16,-2-5,定性分析（,2,）,双柱或者多柱定性,可克服在一根柱上，不同物质可能出现相同的保留时间的情况。,与其它方法结合：,GC-MS，GC-IR，GC-MS-MS,质谱图（表）,对于一定的化合物，各离子间的相对强度是一定的，因此质谱具有化合物的结构特征（,定性,/,结构,）。,定量？,基峰,相对峰强度,16-2-6,定量分析,峰面积的测量方法,定量校正因子,常用的定量计算方法,峰面积的测量方法,对称形峰面积的测量,峰高乘半峰宽法,不对称峰面积的测量,峰高乘平均峰宽法,自动积分仪法,工作站（,）,定量校正因子,绝对校正因子,定量分析时必须要在与实际样品测定完全相同的条件下用标准物质测定物质的校正因子。若不能做到，需用相对校正因子。,相对校正因子,相对校正因子指某物质,i,与一选定的标准物质,s,的绝对校正因子之比。只与检测器类型有关，而与色谱条件无关。常用于作为标准物质,s,的有苯（,TCD,）和庚烷（,FID,）等。有相对质量、摩尔、体积校正因子之分。,常用的定量计算方法（,1,）,归一化（,NORM,）：,要求,样品中所有成分都要能从色谱柱上洗脱下来，并能被检测器检测。,样品所有组分的总量：,某组分所占百分含量：,该法不受进样量的影响，但需知道所有组分的校正因子（查表或者标准样品测定）；对于同系物可以近似认为它们的校正因子相同。,常用的定量计算方法（,2,）,外标法（,ESTD,）,f,i,由待测组分的纯物质获得（标准曲线法或单点，但其浓度要与待测样品接近）,最常用的定量方法，适合大量样品的常规分析，但分析条件和进样量必须重现,常用的定量计算方法（,3,）,内标法：,选择一个适当的内标物,s,，加入到待测试样中，待测组分,s,与内标物,i,的校正因子比值不变,若,f,i,和,f,s,已知可直接计算求的,w,i,；若未知可采用,含内标的标样,通过单点或标准曲线法求,w,i,由于标准物质,s,和被测组分,i,处在同一基体中，因此可消除基体带来的干扰。且当仪器参数和洗脱条件发生非人为变化时，标准物质和样品组分都会受到同样影响，这样消除了系统误差。,内标物的选择依据,样品中不含内标物质；,峰的位置在各待测物质之间或与之相近；,稳定，易得纯品；,与样品能互溶但无化学反应；,内标物浓度恰当，其峰面积与待测组分相差不大。,几种定量方法的比较,方法,项目,归一化法,内标法,外标法,计算公式,由工作曲线直接查得,称重配样,不需要,需要,不需要,进样量,不需准确,不需准确,需准确,操作条件稳定性,一次分析过程中条件需稳定,一次分析过程中条件需稳定,全部过程中条件需严格不变,对组分出峰的要求,全部组分,内标物及所测组分,所测组分,校正因子,需全部组分的校正因子,需内标及所测组分的校正因子,(,没有亦可,),不需要,使用检测器,通用型检测器,选择性检测器有时不适用,选择性检测器,适用范围,多组分试样中各组分含量的分析,微量组分的精确定量,日常控制分析和大量同类样品的分析,14-2,气相色谱法,气相色谱过程：,将待测样品,蒸发,并注入色谱柱头，,载气,（惰性气体，与样品分子不反应，亦无作用力，仅其运载及分配空间的作用）将其,带入柱内分离,。,气固色谱：,固定相为,固体吸附剂,，利用其对不同物质,吸附,/,解吸,能力差异实现分离。因固定相对组分的半永久性滞留，较易出现拖尾峰。主要用于,永久性气体,和,较低分子量的有机化合物,的分离分析。,气液色谱：,固定相在工作状态下,液体,（涂覆或键合在色谱柱内壁或惰性固体载体表面），利用其对不同物质的,溶解能力差异,（分配系数的差异）实现分离。适于,除永久性气体,外其他可被气相色谱分离分析的物质，约占气相色谱应用的,90%,，通常简称为气相色谱。,气相色谱法的适用范围,可直接测定,易气化、热稳定好,，即在气相色谱仪允许条件（取决于固定液使用温度上限）下可气化且不分解的物质（,b.p,400,C,，,M500,）；,不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质及蛋白质、核酸等生物样品的分析。约占色谱法应用的,20%,。,部分热不稳定或极性强、难以气化的物质（,M500,），可通过,化学衍生化,的方法使之适用与气相色谱；,控制适当的条件可实现对大分子物质的测定（,裂解,气相色谱）,气象色谱的主要应用领域,应用领域,分析对象举例,环境,水样中芳香烃，杀虫剂、除草剂和锑形态等,石油,原油成分、汽油中各种烷烃和芳香烃,化工,喷气发动机燃料中烃类，石蜡中高分子烃,食品,植物精炼油中各种烯烃、醇和酯、亚硝胺，香料中香味成分，人造黄油中的不饱和十八酸，牛奶中饱和和不饱和脂肪酸等,生物,植物中萜类，微生物中胺类、脂肪酸（酯）类等,医药,血液中汞形态，中药中挥发油,法医学,血液中酒精，尿中可卡因、安非它命，奎宁及其代谢物，火药成分，纵火样品中的汽油等,本章内容,14-2-1,气相色谱仪,14-2-2,气相色谱柱类型及固定相,14-2-3,气相色谱检测器,14-2-4,色谱分离操作条件的选择,14-2-5,定性分析,14-2-6,定量分析,14-2-1,气相色谱仪,气相色谱仪流程示意图,气相色谱仪的基本结构：,气路系统；,进样系统；,分离系统；,检测系统；,数据记录及处理系统；,控温系统。,气相色谱仪结构示意图（,1,）,气路系统,进样系统,分离系统,（填充柱）,检测系统,（,TCD,）,控温系统,数据记录与处理系统,气相色谱仪结构示意图（,2,）,分离系统,（毛细管柱）,稳压器,分子筛脱水管,检测系统,（,FID,）,进样系统,载气系统,流量,控制器,固定,限流器,数据记录与,处理系统,控温系统,气路系统（,1,）,气路系统：,提供,纯净、流速稳定,的载气的密闭管路系统（最终排入大气）。常用载气有高纯,N,2,、,H,2,、,He,、,Ar,等，通常由高压钢瓶供给，,N,2,、,H,2,也可由气体发生器供给。,载气纯度、流速及稳定性影响色谱柱效、检测器灵敏度及仪器整机的稳定性，是获得可靠色谱定性、定量结果的重要条件。,气路系统的作用：,动力：,驱动样品在色谱柱中流动，并把分离后的各组分推进检测器；,为样品的分配提供一个,相空间,。,载气与组分间无作用力，,K,、,k,、,等与载气组成无关。,气路系统（,2,）,载气的选择与净化,虽因影响,D,g,导致影响柱效并进一步分离度，,载气的选择,及净化方式（不能含有可在检测器上响应的杂质）主要还是,取决于,所选用的,检测器,。,检测器种类,载气,净化方式,热导检测器,H,2,/He,分子筛,/,硅胶,/,活性炭,氢火焰,H,2,/N,2,去含碳有机物,电子捕获,N,2,去,H,2,O、O,2,气路系统（,3,）,流速的控制及测定,流速的控制：,恒温色谱（稳压阀）；程序升温色谱（稳压阀稳流阀）,流速的测定：,柱前（转子流量计）；柱后（皂膜流量计）；,许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。,进样气化系统,进样器：,将样品快速、准确地加到色谱柱头,气样：,六通阀或注射器（0.25、1、2.5、10,mL,）,液样：,微量,注射器（0.5、1、2、10,L,）,固样：,溶解或闪蒸,气化室：,将液,/,固体样品瞬间气化。热容大，死体积小，无催化效应,温度的选择：,保证,样品瞬间气化而不分解；通常选在样品沸点附近，高于最高使用柱温10,50,C,即可。,气化温度过高或过低如何判断？,常见,GC,进样口和进样技术,进样口和,进样技术,特点,填充柱,进样口,最简单的进样口。所有气化的样品均进入色谱柱，可接玻璃和不锈钢填充柱，也可接大口径毛细管柱进行直接进样。,分流,/,不分流进样口,最常用的毛细管柱进样口。分流进样最为普遍，操作简单，但有分流歧视和样品可能分解的问题。不分流进样虽然操作复杂一些，但分析灵敏度高，常用于痕量分析。,冷柱上,进样口,样品以液体形态直接进入色谱柱，无分流歧视问题。分析精度高，重现性好。尤其适用于沸点范围宽、或热不稳定的样品，也常用于痕量分析（可进行柱上浓缩）。,程序升温,气化进样口,将分流,/,不分流进样和冷柱上进样结合起来，功能多，适用范围广，是较为理想的,GC,进样口。,大体积进样,采用程序升温气化或冷柱上进样口，配合以溶剂放空功能，进样量可达几百微升，甚至更高，可大大提高分析灵敏度，在环境分析中应用广泛，但操作较为复杂。,阀进样,常用六通阀定量引入气体或液体样品，重现性好，容易实现自动化。但进样对峰展宽的影响大，常用于永久气体的分析，以及化工工艺过程中物料流的监测。,分流/不分流流路系统,容量因子,k,决定进样量的大小：,k=K/,填充柱,=635,；毛细管柱,=60600,因此采用毛细管柱时允许进样量极小，无法采用微量注射器直接完成！,可采用分流进样法实现对毛细管柱进样！,分流比设定范围通常为：,20,200:1,，具体根据样品实际情况确定，对于痕量组分的测定可不分流。,隔垫吹扫,目的在于消除硅胶垫中残留溶剂和降解产物，通常控制在,3,mL,/min,，与分流比无关,控温系统,控温系统包括对三个部分的控温，即,气化室,、,柱箱,和,检测器,。温度直接影响色谱柱的分离效率，检测器的灵敏度和稳定性，因此温度控制是否,准确,、,升、降温速度,是否快速是色谱仪最重要的指标之一。,控温方式：,恒温和程序升温,温度选择,1,4-2-2,气相色谱柱类型及固定相,色谱柱：,由玻璃、石英或不锈钢制成的圆管，内装固定相。通常有以下两种形式：,填充柱与开管柱的比较（,1,）,参数,内径,/mm,常用,长度,/m,柱效,n/m,柱材料,柱容量,程序升,温应用,固定相,填充柱,2-5,0.5-3,1500,玻璃,不锈钢,mg,级,较差,载体,+,固定液,WCOT,0.1,0.53,10-60,3000,熔融,石英,100,ng,较好,固定液,PLOT,0.05,0.35,10-100,2500,熔融,石英,ng,-mg,尚可,固体吸附剂,填充柱与开管柱的比较（,2,）,开管柱渗透性好,（载气流动阻力小），可使用长的色谱柱，,总柱效,远大于填充柱，因此,分离效率,通常,优于填充柱,，使得开管柱的,通用性很好,，即一根色谱柱可实现性质相差很多的组分的分离，如一根非极性柱,HP-1,可分离诸如 苯甲酸、山梨酸、丁基羟基茴香醚,、,2,6-,二叔丁基,-4-,甲基苯酚,、特丁基苯二酚、甲醇、杂醇油、农药、车间空气等多种组分；填充柱通用性不佳，但可选择的固定相较多，可根据样品选择特异性较强的固定相。,开管柱,相比高，传质快，可实现,快速分离测定,，,开管柱柱效高，色谱峰窄，峰高较填充柱为高，但柱容量低，通常采用分流方式，因此灵敏度不一定优于填充柱,开管柱,柱容量小，若样品成份复杂，极易污染柱子而影响基线及分离效果，,对样品前处理要求较高,；填充柱容量较大，可以多次注入较“脏”的样品，对样品前 处理要求不高。,开管柱价格较高,，且难以自行制作，但污染后将污染部分切掉可正常使用；填充柱较为便宜，且自行制作较为容易。,开管柱流速大，但流量小，因此较填充柱节省载气，但交易堵塞,。,气固色谱（,GSC）,分离小分子量的永久气体及烃类,占应用的10%,填充柱,多孔层开管柱（,PLOT）,毛细管柱,气固色谱固定相,苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物，亦可引入不同基团使之带有一定极性,吸附剂,主要成分,T/,C,性质,活化方法,分离对象,活性炭,C,500,非极性,同上,同上,+高沸点有机物,硅胶,SiO,2,xH,2,O,400,氢键型,HCl,浸-水洗-180,C,烘干-200,C,活化,永久性气体,+非极性烃,氧化铝,Al,2,O,3,400,弱极性,200-1000,C,活化,烃+有机异构物+,H,的同位素,分子筛,xMO,yAl,2,O,3,zSiO,2,nH,2,O,400,极性,350-550,C,活化,永久性气体,+惰性气体,高分子多孔微球,多孔聚合物,100,C,以避免水汽凝结（通常仪器设定,150,C,时火焰将无法点燃；,检测器温度应高于柱温,20,C,。,气体种类,流量范围,推荐流量,载气（,H,2,、He、N,2,）,填充柱,10-60,mL,/min,毛细管柱,1-5,mL,/min,检测气,H,2,24-60,mL,/min,40,mL,/min,空气,200-600,mL,/min,450,mL,/min,柱流+尾吹,10-60,mL,/min,50,mL,/min,电子捕获检测器,ECD,稳定基流,含电负性原子的组分进入后捕获,e,形成负离子并与,N,2,+,结合使基流减小形成负峰。,优点：,是最灵敏的,GC,检测器之一，也是一种选择性很强的检测器，对于含卤素有机化合物、过氧化物、醌、邻苯二甲酸酯和硝基化合物的检测有很高灵敏度，特别适合于环境中微量有机氯农药的检测,。,缺点：,线性范围较窄，一般为,10,3,，且检测器的性能受操作条件的影响较大，载气中痕量的氧气会使背景噪声明显增大。,火焰光度检测器,FPD,又称,S,、,P,检测器，是对含,S,、,P,的有机化合物具有很高选择性和灵敏度的质量型检测器。,结构与,FID,相似，但检测的不是组分在氢火焰中被破坏所生成的离子，而是其所产生化学发光物质发射出的具有特征波长辐射的强度。,检测器的性能指标,对检测器的要求：,噪声小、死体积小、响应时间短、稳定性好、对所测化合物的灵敏度高、线性范围宽等，可用以下指标衡量：噪声和漂移；灵敏度；检出限；最小定量限；线性范围；响应时间等。,检测器,TCD,FID,ECD,FPD,类型,浓度,质量,浓度,质量,适用范围,各类物质,含碳有机物,含电负性物质,含,S,、,P,有机物,通用/选择,通用型,通用型,选择型,选择型,灵敏度,S,10,mv,cm/g,10,-2,mv,s/g,800,A,ml/g,400,mv,s/g,检测限,DL,2,10,-9,g/ml,10,-12,g/s,10,-14,g/ml,10,-11,-10,-12,g/s,最小检测浓度,100,ng/g,1,ng/g,0.1,ng/g,10,ng/g,线性范围,10,4,10,7,10,2,-10,4,10,2,-10,3,噪声和漂移（,1,）,噪声：,反映检测器背景信号的基线波动，用,N,表示。噪声来源于检测器构件的工作稳定性、电子线路的噪声及流过检测器的气体纯度等。可分为以下两种类型：,短期噪声：,基线的瞬间高频率波动，是一般检测器所固有的背景信号；,长期噪声：,与色谱峰信号相似的基线波动，往往是由于载气纯度降低、色谱柱固定相流失或检测器被污染所造成，很难通过滤波器除去，对实际分析影响较大。,评价检测器稳定性的指标,影响检测器的检出限,噪声和漂移（,2,）,漂移：,基线随时间的单向缓慢变化，通常表示为单位时间（,0.5,或,1.0,小时）内基线信号值的变化，即：,Dr=,R/,t,单位：,mV/h,或,pA/h,原因：,多是仪器系统某些部件未进入正常工作状态，如温度、载气流速，以及色谱柱固定相的流失。,灵敏度,信号对进入检测器的组分量的变化率称为灵敏度。,S,：,灵敏度,R,：,响应信号的变化量；,C,：,组分的变化量,浓度型检测器：,S,c,：,灵敏度（,mV,mL,/mg）,A：,峰面积（,mV,min,）,F,c,：,检测器入口流速（,mL,/min）,W：,进样量（,mg）,h：,峰高,（,mV）,S,m,：,灵敏度（,mV,s/g,）,质量型检测器：,灵敏度的测量应在检测器的线性范围内进行,检出限（,DL）,衡量检测器性能好坏的综合指标,浓度型检测器：,质量型检测器：,3,倍噪音所对应的试样质量或浓度。,最小定量限,浓度型检测器：,质量型检测器：,能产生,10,倍噪音信号的峰高所对应的样品浓度或质量，不仅与检测器性能有关，还与色谱柱效和操作条件等有关。,16,-2-4,色谱分离操作条件的选择（,1,）,根据基本色谱分离方程和范式理论，可指导选择色谱分离的基本条件。,柱长的选择：,适度,载气及其流速选择,载气的选择主要应考虑与检测器相适应,u,较小时，,B/u,为主，选择分子量大的载气,(N,2,、,Ar,),u,较大时，,Cu,为主，选择分子量小的载气（,H,2,、,He,）,16,-2-4,色谱分离操作条件的选择（,2,）,柱温的选择,前提：,不能高于固定液的最高允许使用温度。,一般原则：,在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，同时兼顾保留时间适宜，峰形不拖尾时，采取适当低的柱温。,对于,窄沸程,（,100,C,）的多组分混合物，,柱温选在平均沸点附近的折衷办法对大部分组份不合适，应采取,程序升温法,。,正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较,恒温,150,C,程序升温,50,250,C 8C/min,因各组份开始大都冻结在柱头上，且各组份大约以相同的速度通过色谱柱，故各组份受到色谱带扩张的影响大致相同，即,“等峰宽”。,程序升温方式,线性升温,非线性升温,操作条件选择,温度控制：,起始温度,T,0,一般控制在样品中最低沸点组分