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第第 二二 章章 气气 相相 色色 谱谱 分分 析析2-12-1色谱分析法概述色谱分析法概述 色谱法的最早应用是用于分色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方法是这样的：离植物色素，其方法是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。的石油醚倒入管中。此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。定。色谱法也由此而得名。现现在在的的色色谱谱法法早早已已不不局局限限于于色色素素的的分分离离，其其方方法法也也早早已已得得到到了了极极大大的的发发展展，但但其其分分离离的的原原理理仍仍然然是是一一样样的的。我我们们仍仍然叫它色谱分析。然叫它色谱分析。色谱法（色层法、层析法）：色谱法（色层法、层析法）：是先将待是先将待分析分析样品的各组分进行分样品的各组分进行分离，然后顺序检出各组分含量的分析方离，然后顺序检出各组分含量的分析方法。法。可见色谱分析是先分离后测定。即可见色谱分析是先分离后测定。即利用物质的物理及物理化学性质将多组利用物质的物理及物理化学性质将多组分的混合物进行分离，并测其含量。分的混合物进行分离，并测其含量。所以说色谱法是一种分离技术。所以说色谱法是一种分离技术。1 1 气相色谱法的特点气相色谱法的特点（1 1）高效能（分离效能高）高效能（分离效能高）能分析沸点十分接近的复杂混合物。如分能分析沸点十分接近的复杂混合物。如分析析4040150150O OC C汽油时，汽油时，110min110min内获得内获得168168个色个色谱峰。谱峰。（2 2）高灵敏度）高灵敏度 检测检测1010-11-111010-12-12g g（微量有害物质），需（微量有害物质），需要样品量极少。要样品量极少。（3 3）高选择性）高选择性（4 4）分析速度快）分析速度快 几分钟或几十分钟便可完成一个分析周期。几分钟或几十分钟便可完成一个分析周期。（5 5）应用广泛）应用广泛 分析气体、易挥发的液体和固体。有机物分析气体、易挥发的液体和固体。有机物（摩尔质量小于（摩尔质量小于400400）及部分无机物（能分析）及部分无机物（能分析几乎所有的化学物质）几乎所有的化学物质）不足：不足：（1 1）不适用于沸点高于）不适用于沸点高于450450O OC C的难挥发物质和的难挥发物质和热不稳定物质的分析。热不稳定物质的分析。（2 2）对未知物的定性分析比较困难。）对未知物的定性分析比较困难。解决方法：方法联用解决方法：方法联用 如：色谱质谱；色谱如：色谱质谱；色谱红外；色谱电化学等。红外；色谱电化学等。2 2 气相色谱法分类气相色谱法分类 在在色色谱谱法法中中存存在在两两相相，一一相相是是固固定定不不动动的的，我我们们把把它它叫叫做做固固定定相相；另另一一相相则则不不断断流流过固定相，我们把它叫做过固定相，我们把它叫做流动相流动相。色谱分析法有很多种类，从不同的角度出发色谱分析法有很多种类，从不同的角度出发可以有不同的分类方法。可以有不同的分类方法。1).1).按固定相状态分类按固定相状态分类：色色谱谱法法中中，流流动动相相可可以以是是气气体体，也也可可以以是是液液体体，由由此此可可分分为为气气相相色色谱谱法法（GCGC）和和液液相相色色谱谱法法（LCLC）。固固定定相相既既可可以以是是固固体体，也也可可以以是是涂涂在在固固体体上上的的液液体体，由由此此又又可可将将气气相相色色谱谱法法和和液液相相色色谱谱法法分分为为气气-液液色色谱谱、气气-固固色色谱谱、液液-固色谱、液固色谱、液-液色谱。分类情况如下：液色谱。分类情况如下：色谱法色谱法气相色谱法气相色谱法液相色谱法液相色谱法气气-液色谱法液色谱法气气-固色谱法固色谱法液液-固色谱法固色谱法液液-液色谱法液色谱法2).按流动相和固定相所处状态分类：按流动相和固定相所处状态分类：流动相流动相气体气体液体液体方法名方法名称称气相色谱（气相色谱（GCGC）液相色谱（液相色谱（LCLC）固定相固定相固体吸附剂固体吸附剂液体液体固体吸附剂固体吸附剂液体液体分离依分离依据据吸附吸附分配分配吸附吸附分配分配方法名方法名称称气相色谱气相色谱（GSCGSC）气液色谱（气液色谱（GLCGLC）气液分离色谱气液分离色谱（GLPCGLPC）液固色谱液固色谱（LSCLSC）液液色谱液液色谱（LLCLLC）液液分配色谱液液分配色谱3).按分离原理（机制）分类：按分离原理（机制）分类：吸附色谱：利用吸附剂（固定相一般是固体）吸附色谱：利用吸附剂（固定相一般是固体）表面对不同组分吸附能力的差别进行分离的表面对不同组分吸附能力的差别进行分离的方法。方法。分配色谱：利用不同组分在两相间的分配系分配色谱：利用不同组分在两相间的分配系数的差别进行分离的方法。数的差别进行分离的方法。离子交换色谱：利用溶液中不同离子与离子离子交换色谱：利用溶液中不同离子与离子交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方法。法。空间排斥（阻）色谱：利用多孔性物质对不空间排斥（阻）色谱：利用多孔性物质对不同大小的分子的排阻作用进行分离的方法。同大小的分子的排阻作用进行分离的方法。4).按操作形式分类：按操作形式分类：（1）柱色谱：）柱色谱：填充柱色谱：指将固定相填满在一根玻璃填充柱色谱：指将固定相填满在一根玻璃 或或 金属管内组成的色谱柱；金属管内组成的色谱柱；毛细管柱色谱：指固定相附着在一根细管毛细管柱色谱：指固定相附着在一根细管 内壁上，而管中心是空的。内壁上，而管中心是空的。（2）纸色谱：用色谱纸作固定相，将样品）纸色谱：用色谱纸作固定相，将样品 滴在纸上，用有机溶液展开。滴在纸上，用有机溶液展开。原理：基于不同组分的移动速度不同而达到原理：基于不同组分的移动速度不同而达到相互分离。相互分离。（3）薄层色谱：将粉状吸附剂调匀后涂在）薄层色谱：将粉状吸附剂调匀后涂在 玻动板上，样品总可用有玻动板上，样品总可用有 机溶剂展开。机溶剂展开。原理：根据移动速度不同分离。原理：根据移动速度不同分离。3 气相色谱流程气相色谱流程气相色谱仪是完成气相色谱分析的主要工气相色谱仪是完成气相色谱分析的主要工具，其流程示意图见（图具，其流程示意图见（图2-12-1）P P5 5。气相色谱仪器气相色谱仪器 现现在在有有近近百百厂厂家家提提供供数数百百种种型型号号的的气气相相色谱仪。色谱仪。过过去去几几十十年年内内，色色谱谱仪仪器器得得到到了了极极大大的的发发展，这主要归于：展，这主要归于：电子积分仪及计算机数据处理装置的发展；电子积分仪及计算机数据处理装置的发展；计算机技术对仪器各类参数的自动控制。计算机技术对仪器各类参数的自动控制。如柱温、流速、自动进样等。如柱温、流速、自动进样等。H H2 2,N,N2 2或或ArAr载气系统载气系统进样进样系统系统检测系统检测系统分离系统分离系统温控系统温控系统载气系统载气系统载气：载气：是载送样品进行分离的惰性气体，是气是载送样品进行分离的惰性气体，是气相色谱的流动相。相色谱的流动相。有氢气、氮气、氩气、氦气和空气。有氢气、氮气、氩气、氦气和空气。要求：载气应不与固定液和被测物质起化学要求：载气应不与固定液和被测物质起化学反应。反应。进样系统进样系统进样：进样：把被测样品快速而定量地加到色谱柱上把被测样品快速而定量地加到色谱柱上进行色谱分离。进行色谱分离。气体样品：用六通阀导入或注射器注入。气体样品：用六通阀导入或注射器注入。液体样品：用微量注射器注入。液体样品：用微量注射器注入。mL-1六六通通阀阀分离系统分离系统分离系统的核心是色谱柱，其功能是将多组分离系统的核心是色谱柱，其功能是将多组分样品分离为单个组分。分样品分离为单个组分。柱温：是影响分离的最重要的因素。其变化柱温：是影响分离的最重要的因素。其变化应小应小0.x0.xo oC C。选择柱温主要是考虑样品待测。选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。物沸点和对分离的要求。柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分分析时间析时间20-30min)20-30min)；对宽沸程的样品，应使用；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。程序升温方法。混合组混合组分的分分的分离过程离过程及检测及检测器对各器对各组份在组份在不同阶不同阶段的响段的响应。应。恒温：恒温：4545o oC C程序升温：程序升温：3018030180o oC C恒温：恒温：145145o oC C温度低，分离效果较好，但分析时间长温度低，分离效果较好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，分析时间短，但分离效果差温度高，分析时间短，但分离效果差程序升温与恒温对分离的影响比较程序升温与恒温对分离的影响比较检测系统检测系统分离后的组分顺序进入检测器。分离后的组分顺序进入检测器。检测器作用：检测器作用：是将各组分在载气中的浓度变化转变为是将各组分在载气中的浓度变化转变为电信号。电信号。（1 1）.热导池检测器热导池检测器(TCD)(TCD)TCD TCD是一种应用较早的通用型检测器，又称导是一种应用较早的通用型检测器，又称导热析气计热析气计。应用：检测所有物质，最广泛的。应用：检测所有物质，最广泛的。（2 2）.氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器（FIDFID）又称氢焰离子化检测器。主要用于可在又称氢焰离子化检测器。主要用于可在H2-AirH2-Air火焰火焰中燃烧的有机化合物中燃烧的有机化合物(如烃类物质如烃类物质)的检测。的检测。（3 3）.电子捕获检测器电子捕获检测器(ECD)(ECD)ECD ECD主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。染物的分析。（4 4）.火焰光度检测器（火焰光度检测器（FPDFPD）FPD FPD 是是对含对含S S、P P化合物具有高选择性和高化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。因此，也称硫磷检测器。灵敏度的检测器。因此，也称硫磷检测器。主要用于主要用于SO2SO2、H2SH2S、石油精馏物的含硫量、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。有机硫、有机磷的农药残留物分析等。FPDFPD结构：结构：喷嘴喷嘴+滤光片滤光片+光电管。光电管。滤光片滤光片放大器放大器记录仪记录仪光电管光电管石英窗石英窗H2Air载气载气+组分组分出口出口（5 5）.氮磷检测器（氮磷检测器（NPDNPD）氮磷检测器也叫热离子检测器（氮磷检测器也叫热离子检测器（TIDTID）。）。NPDNPD的的结构与结构与FIDFID类似，只是在类似，只是在H2-AirH2-Air焰中燃烧的低温热气焰中燃烧的低温热气再被一硅酸铷电热头加热至再被一硅酸铷电热头加热至600800oC600800oC，从而使含有，从而使含有N N或或P P的化合物产生更多的离子。产生离子的机理目的化合物产生更多的离子。产生离子的机理目前仍不清楚。前仍不清楚。应用：检测含硫、磷化合物。应用：检测含硫、磷化合物。记录或微机处理数据系统记录或微机处理数据系统4 气相色谱分离的基本过程气相色谱分离的基本过程分配系数：分配系数：KBKA B组分保留时间长，与固定相作用大，后出组分保留时间长，与固定相作用大，后出柱。柱。5 色谱流出曲线和基线概念色谱流出曲线和基线概念 从载气带着组分进入色谱柱起就用从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体，并用记录检测器检测流出柱后的气体，并用记录器记录信号随时间变化的曲线，此曲线器记录信号随时间变化的曲线，此曲线就叫就叫色谱流出曲线色谱流出曲线，当待测组分流出色，当待测组分流出色谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓度，在流出曲线上表现为峰状，叫度，在流出曲线上表现为峰状，叫色谱色谱峰。峰。如图所示为一色谱流出曲线：如图所示为一色谱流出曲线：色谱术语：色谱术语：1 1）基线：只有流动相进入检测器时的流出）基线：只有流动相进入检测器时的流出 曲线。曲线。基线漂移：指基线随时间定向的缓慢变化。基线漂移：指基线随时间定向的缓慢变化。基线噪声：指由各种因素所引起的基线起伏。基线噪声：指由各种因素所引起的基线起伏。2 2）色谱峰：由电信号强度对时间作图所）色谱峰：由电信号强度对时间作图所 绘制的曲线，曲线上突起部分绘制的曲线，曲线上突起部分 称色谱峰。称色谱峰。色谱峰可由四个方面指标描述色谱峰可由四个方面指标描述:(1)(1)峰高或峰面积（用于定量）峰高或峰面积（用于定量）峰高：从峰顶点到基线的距离（峰高：从峰顶点到基线的距离（h h）；）；峰面积：峰与基线所夹面积（峰面积：峰与基线所夹面积（A A）；）；A=1.065hYA=1.065hY1/21/2h h、A A与进入检测器组分的量成正比。与进入检测器组分的量成正比。(2)(2)峰宽度（用于衡量柱效率）峰宽度（用于衡量柱效率）峰宽（峰底宽度）：色谱峰两边的转折点所画峰宽（峰底宽度）：色谱峰两边的转折点所画 切线与基线相交的截距（切线与基线相交的截距（Y Y）。）。半峰宽（区域宽度）：峰高一半处的峰宽度半峰宽（区域宽度）：峰高一半处的峰宽度 （Y Y1/21/2）。）。(3)(3)标准偏差：拐点间距离的一半（标准偏差：拐点间距离的一半（）。）。即峰高即峰高0.6070.607倍峰高处峰宽的一半。倍峰高处峰宽的一半。三者之间的关系：三者之间的关系：Y=4 Y=4 ；Y=1.699YY=1.699Y1/21/2；Y Y1/21/2=2.355=2.355 。(4)(4)峰位（用于定性）峰位（用于定性）峰位用保留值说明：峰位用保留值说明：保留值：是表达组分在色谱柱中停留时间保留值：是表达组分在色谱柱中停留时间 的数值，是定性的参数。的数值，是定性的参数。保留时间（保留时间（t tR R）：）：从进样开始到样品的某组分的色谱峰最从进样开始到样品的某组分的色谱峰最高点出现时所需要的时间。高点出现时所需要的时间。死时间（死时间（t tM M）：）：组分在流动相中消耗的时间。即指不与组分在流动相中消耗的时间。即指不与固定相作用的气体的保留时间。固定相作用的气体的保留时间。用空气测定用空气测定调整保留时间（调整保留时间（t tR R）：）：组分通过色谱柱时，被固定相所滞留的组分通过色谱柱时，被固定相所滞留的时间。时间。t tR R=t=tR R-t-tM M或或t tR R=t=tR R+Tm+Tm保留体积（保留体积（V VR R）：）：从进样开始到样品的某组分色谱峰最高从进样开始到样品的某组分色谱峰最高点出现时所需流动相的体积。点出现时所需流动相的体积。V VR Rt tR RFF0 0 单位：单位：ml min ml/min ml min ml/min F F0 0:载气流速载气流速死体积（死体积（V VM M）：）：不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积。动相的体积。V VM Mt tM MFF0 0调整保留体积（调整保留体积（V VR R ）：）：组分停留在固定相时所消耗的流动相体组分停留在固定相时所消耗的流动相体积。积。V VR R V VR R V VM M t tR RFF0 0 注：注：t tR R、t tR R、t tM M 受受F F0 0影响；影响；V VR R 、V VR R 、V VM M与与F F0 0无关。无关。即载气流速越大，所需相应时间越短；流速小，时间就长，而相应体积不变。当F0大时，t tR R小，保留时间短，在柱小，保留时间短，在柱内停留时间短，出柱快；反之，内停留时间短，出柱快；反之，F0小，t tR R大，出柱就晚。大，出柱就晚。相对保留时间（相对保留时间（r21）：）：注：注：柱温、固定相性质不变，柱温、固定相性质不变，r21不变；不变；r21表示色谱柱的选择性，表示色谱柱的选择性，r21越大，相邻越大，相邻两组分的两组分的tR相差越大，分离的就越好；相差越大，分离的就越好；r211时，两个组分不能分离。时，两个组分不能分离。分配系数与保留时间的关系分配系数与保留时间的关系分配系数：即组分在固定相与流动相中浓度之比。设：一个分子在流动相中出现的几率R 一个分子在固定相中出现的几率1-R分子在流动相中出现的几率分子在流动相中出现的几率移相代入移相代入R:R:当当T T、t t0 0、V VS S、V VM M一一定时，定时，t tR RKK。说明：说明：K K大的组分大的组分t tR R就大，出峰就就大，出峰就晚。晚。K K越大，组分在柱内时间越长，柱容量就越大。越大，组分在柱内时间越长，柱容量就越大。令：令：k k：容量因子，也称质量分配系数。：容量因子，也称质量分配系数。K K不等是物质分离的失决条件。不等是物质分离的失决条件。如是如是A A、B B二组分分离，必须二组分分离，必须ttR R00。即：即：欲使二组分分离，欲使二组分分离，ttR R00，即，即k k2 2kk1 1，所以二组分所以二组分k k不等是分离的先决条件。不等是分离的先决条件。