气相色谱法94学习.pptx

7.1 色谱法及其分类、特点色谱法及其分类、特点色谱法名称起源：1906年,俄国植物学家茨维特 首先采用色谱法分离植物色素。（1）色谱法及由来第1页/共93页 色谱法色谱法本质本质是一种物理化学是一种物理化学分离分离方法。它是利用试样中方法。它是利用试样中各组分在固定相和流动相中不断地分配、吸附和脱附或各组分在固定相和流动相中不断地分配、吸附和脱附或在两相中其他作用力的差异，而使各组分得到分离的方在两相中其他作用力的差异，而使各组分得到分离的方法。法。色谱分析是一种重要的分离分析方法。它是利用不同物质在两相中具有不同的分配系数（或吸附系数、渗透性），当两相做相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复分配而实现分离。色谱法：分离及分析功能区别光谱法：具有分析功能，不具分离第2页/共93页固定相 流动相色谱柱被分离组分流动相第3页/共93页(2)(2)色谱法分类色谱法分类1.按两相状态分类流动相流动相 总称总称固定相固定相色谱名称色谱名称 气体气体气相色谱气相色谱 (GC)固体固体 气气-固色谱固色谱（GSC）液体液体 气气-液色谱液色谱（GLC）液体液体液相色谱液相色谱(LC)固体固体 液固色谱液固色谱 (LSC)液体液体 液液色谱液液色谱（LLC）超临界超临界流体流体（CO2）超临界流超临界流体色谱体色谱 固体固体超临界流体色谱超临界流体色谱（SFC）第4页/共93页超临界流体高于临界压力与临界温度时物质的一种状态第5页/共93页2按操作形式的不同分类按操作形式的不同分类色谱法分类操作分类柱色谱平板色谱毛细管电泳薄层色谱纸色谱薄膜色谱填充柱毛细管柱微填充柱第6页/共93页3.按分离机理分类色谱法分类分配色谱吸附色谱离子交换色谱体积排阻色谱分离机理固体吸附剂吸附能力强弱固定液溶解度差异离子交换树脂亲和力差异多孔固定相选择渗透第7页/共93页(2)色谱法的分类固定相气相色谱法色谱法液相色谱法平板色谱法柱色谱法薄层色谱法纸色谱法气液色谱法气固色谱法分配色谱法吸附色谱法离子交换色谱法排阻色谱法超临界流体色谱法亲和色谱法分离过程流动相固定相使用形式第8页/共93页高分离效率用量少高灵敏度操作简便、分析速度快色谱法的特点液体样品仅需1L气体样品15mL10-1310-11g几分钟至几十分钟分配系数和沸点很相近的多种化合物。(3)气相色谱法的特点第9页/共93页缺点缺点：必须有必须有纯物质纯物质或相应的定性数据作对照或相应的定性数据作对照才能才能 得出定性结果；得出定性结果；不适于无机物和沸点过高（不适于无机物和沸点过高（450C）的）的难挥难挥 发有机物及热稳定性差的物质的测定。发有机物及热稳定性差的物质的测定。第10页/共93页7.2 气相色谱分析流程第11页/共93页7.2 气相色谱分析流程 气相色谱法是利用物质的沸点、极性、及吸附性质的差异来实现混合物的分离。载气(高压瓶)1，经降压2、脱水及净化，4调至适宜的流量而进入色谱柱，经检测器流出色谱仪。待流量、温度及基线稳定后，即可进样。液态样品用微量注射器吸取，由进样器注入，气态样品可用六通阀或注射器进样，样品被载气带入色谱柱，样品组分经反复多次溶解/挥发或吸附/脱附流出色谱柱，然后进入检测器转变为电信号。第12页/共93页气相色谱仪流程示意图1.载气瓶 2.减压阀 3.针形阀 4.流量计 5.柱前压力表 6.检测器 7.进样器 8.色谱柱 9.色谱柱恒温箱 10.馏分收集口(柱后分流阀)11.测量电桥 12.记录仪第13页/共93页第14页/共93页7.3 气相色谱图及相关术语(1)气相色谱图第15页/共93页第16页/共93页 1.基线（底线）柱中仅有纯载气通过时，检测器噪声随时间变化的曲线，即图中Ot线。（避免：基线噪声、基线漂移）(2)有关色谱术语2.色谱峰色谱柱流出组分通过检测器产生的响应信号的微分曲线。色谱峰第17页/共93页3.峰高和峰面积色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示，（图中BA）峰面积：每个组分的流出曲线与基线间所包围的面积，以A表示。峰高与峰面积的大小和组分在样品中的含量有关。峰面积第18页/共93页3.峰底宽度和半峰宽峰底宽度：通过色谱峰两侧拐点所作的切线与峰底相交两点 之间的距离，即IJ，常用Y表示，在峰高h/2处。峰拐点：在组分流出曲线上二阶导数等于零的点，即E点。半峰宽：色谱峰的宽度，即GH，常用符号Y1/2表示。第19页/共93页（2）保留时间 tR试样从进样开始到柱后出现峰（浓度）极大点时所经历的时间(OA)从进样到色谱柱后出现待测组分信号极大值所需的时间(OB)（1）死时间 tM4.保留值保留值：表示试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值，通常用时间、走纸距离或相应的载气体积来表示。第20页/共93页（3）调整保留时间 tR 某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间，即 tR=tR-tM (AB)（4）相对保留值ris指在一定实验条件下，组分i与另一标准组分s的调整保留值之比。Ris仅与柱温及固定相性质有关，与其他操作条件如：柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关。第21页/共93页（5）选择性因子：指相邻两组分调整保留值之比，以表示值的大小反映色谱柱对难分离物质的分离选择性,越大，相邻两组分色谱峰相距越远，色谱柱的分离选择性越高，当接近于1或等于1时,说明相邻两组分色谱峰重叠未能分开。第22页/共93页 分配系数：分配系数：组分在固定相与流动相中的浓度之比。组分在固定相与流动相中的浓度之比。对于气对于气-固色谱，分配系数为：固色谱，分配系数为：5.分配系数分配系数K每平方米吸附剂表面所吸附的组分量柱温及柱平均压力下每毫升载气所含组分量 对于气-液色谱，分配系数为：每毫升固定液中所溶解的组分量柱温及柱平均压力下每毫升载气所含组分量K=K=第23页/共93页 容量因子又称分配比，容量比，指组分在固定相和流动相中分配量（质量、体积、物质的量）之比：K=6.容量因子k组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量第24页/共93页试样，载气进入色谱柱吸附剂吸附脱附组分分离流出色谱柱7.4 气固色谱及分离原理第25页/共93页气相色谱图第26页/共93页7.5 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器热导检测器电子俘获检测器质谱检测器氮磷检测器(NPD)光离子检测器(PID)火焰光度检测器(FPD)原子发射光谱检测器(AED)氧火焰离子化检测器(O-FID)脉冲去放电检测器(PDD)第27页/共93页(1)氢火焰检测器（FID）的结构及工作原理FID结构示意图(a)(b)发射极7.5 氢火焰离子化检测器第28页/共93页 氢焰检测器的主要部件是由不锈钢制成的离子室，氢焰检测器的主要部件是由不锈钢制成的离子室，离子室中包括燃烧气离子室中包括燃烧气（H2)、助燃气（空气）、助燃气（空气）、载气（载气（N2）、及样品的入口，极化极、）、及样品的入口，极化极、收集极、火焰喷嘴以及喷嘴附近的点火线圈等收集极、火焰喷嘴以及喷嘴附近的点火线圈等 部件。部件。氢火焰离子化检测器是利用有机物在氢焰的作用下，化学电离而形成离子流，借测定离子流强度进行检测。第29页/共93页工作原理试样燃烧发生电离正离子电子收集极极化极微电流放大离子流输出信号FID的工作原理第30页/共93页（2）检测器的特点检测器特点结构简单线性范围宽灵敏度高稳定性好响应快第31页/共93页噪声和漂移越小越好良好检测器线性接近于1，线 性范围越宽越好。响应信号的大小灵敏度越大，检测限越小，检测器性能越好。线性与线线性与线性范围性范围TitleTitle检测限检测限响应时间响应时间响应时间越小，检测性能越好。噪声和漂移噪声和漂移灵敏度灵敏度（3）检测器的性能指标第32页/共93页 各种气体流速和配比各种气体流速和配比：载气流速影响检测限，：载气流速影响检测限，一般载气流速以低些为妥。一般载气流速以低些为妥。痕量分析痕量分析：氮氢比在：氮氢比在1:1响应值最大响应值最大 常量分析常量分析：增大氢气流速，氮氢比降至：增大氢气流速，氮氢比降至 0.430.72范围内范围内。空气作为助燃气，流速过小，供氧量不足，响应值低。流速过大，火焰不稳，易出现噪声峰。300-500ml min极化电压：极化电压：极化电压的极化电压的大小大小直接影响氢焰检测直接影响氢焰检测器器 的的灵敏度灵敏度。极化电压通常选择在。极化电压通常选择在 100300V范围内。范围内。（4）影响氢火焰检测器灵敏度的因素第33页/共93页度开机步骤第34页/共93页7.6 气相色谱仪的结构与使用第35页/共93页分离系统检测系统数据处理系统温度控制系统气路系统进样系统ConceptConcept(一)气相色谱仪的结构第36页/共93页双柱双气路单柱单气路气相色谱仪第37页/共93页1 14 4高压钢瓶与减压阀气体净化器稳压阀、稳流阀与针形阀2 23 3管路连接与检漏部件组成1)气路系统第38页/共93页单柱单气路示意图第39页/共93页 双柱双气路示意图第40页/共93页2)进样系统进样器汽化室进样系统气体：平面六通阀，0.5mL、1mL、3mL、5mL液体：微量进样器，1L、5L、10L、50L、100L平面六通阀结构，取样和进样位置第41页/共93页3)分离系统分离系统分离系统柱箱精密恒温箱参数：柱箱尺寸 和柱箱控温参数色谱柱（核心）组成：柱管和固定相分类：填充柱和毛细管柱第42页/共93页作用：将分离后样品组分的信息转变为易于测量的电信号，然后对被分离物质的组成和含量进行鉴定和测量。4)检测系统浓度型质量型微分型检测器热导池检测器电子捕获检测器氢火焰离子化检测器火焰光度检测器第43页/共93页 将检测器输出的模拟信号随时间的变化曲线，即色谱图绘制。记录仪 自动积分仪 色谱工作站5)数据处理系统6)数据处理系统柱箱汽化室检测器分离效能 灵敏度稳定性第44页/共93页1.进样量（二）微量注射器的使用进样量过大进样量过小峰形不对称峰形变宽分离度变小保留值发生变化峰高和峰面积与进样量不呈线性关系检测器灵敏度不够，导致不能检出最大允许进样量：固定其他实验条件不变，加大进样量，直至半峰宽变宽或保留值改变第45页/共93页2.进样技术进样速度快:峰的原始宽度要窄，有利于分离进样速度慢：峰形变宽，且不对称，不利于 分离也不利于定量。取样前抽洗5-6次，排气泡，排过量试液123取样后立即进样，注射器垂直于进样口，左手扶针头，右手持注射器，迅速进样。进样时操作稳当、连贯、迅速第46页/共93页第47页/共93页1.定量校正因子及其测定方法 1)绝对校正因子fi：单位峰面积或单位峰高所代表的组分的量即 fi=mi/Ai 或 fi(h)=mi/hi 2）相对校正因子f i指组分i与另一标准组分s的绝对校正因子之比（三）标准曲线法及其应用第48页/共93页 相对质量校正因子fm 相对摩尔校正因子:fM 相对体积校正因子:fV fV=fM相对校正因子第49页/共93页mAxhxmx标准曲线绘制样品测定Ah2.标准曲线法定量第50页/共93页(四)气相色谱仪的维护与保养气路系统的日常维护to add Title进样系统的日常维护 to add TitleClick to add Title检测系统的日常维护 to lick to add Title分离系统的日常维护 to 第51页/共93页试样，载气进入色谱柱组分溶解在固定液中组分从固定液中挥发 组分分离流出色谱柱7.7 气液色谱及分离原理第52页/共93页气相色谱图第53页/共93页A A组分在两相间分配瞬间平衡 B B载气进入不是连续的而是脉动的C C试样沿色谱柱方向扩散可忽略不计DD各踏板上的分配系数为一常数纵向扩散每次进气为一个板体积一小段间隔内H7.8 塔板理论及柱效能指标第54页/共93页(一)塔板理论第55页/共93页第56页/共93页第57页/共93页第58页/共93页第59页/共93页进样mmmsmmmmmmmsmsms0.50.50.250.250.1250.1250.0630.0630.125+0.1250.125+0.1250.063+0.1250.125+0.0630.125+0.0630.063+0.1250.250.250.1250.1250.0630.063进气进气进气 塔板号r 0 1 2 3第60页/共93页 1)理论塔板高度和理论塔板数 当组分进入色谱柱后，在每块塔板上进行两相间的分配，塔板数越多，组分在柱内两相间达到分配平衡的次数也越多，柱效越高，分离就越好。n50 流出曲线呈基本对称的峰形；当 n 达 103-106 流出曲线趋近于正态分布；(二)柱效能指标理论塔板数色谱柱长理论塔板高度第61页/共93页2）柱效能指标理论塔板高度（H）理论塔板数(n)有效理论塔板数有效理论塔板高度第62页/共93页 注意事项：（1）n大，柱效高，分离好，前提是两组分分配系数K应有差 异，否则n无论多大，两组分将无法分离。（2）同一色谱柱对不同的物质的柱效能是不一样的，因此用n表示柱效时必须注明对什么物质而言。第63页/共93页（三）（三）常用的定量计算方法常用的定量计算方法 （l l）归一化法）归一化法 适合于对多组分试样中各组分含量的分析。前提条件是试样中各组分必须全部在色谱图上出现色谱峰。第64页/共93页归一化的计算公式同分异构体,其fi相同峰高峰面积第65页/共93页（3）内标法外标法是所有定量分析中最通用的一种方法，即所谓校准曲线法；（2）外标法内标法:选择一种与样品性质相近的物质为内标物，加入到已知质量的样品中，进行色谱分离，测量样品中被测组分和内标物的峰面积，被测组分的质量分数可按下式计算：第66页/共93页例1：在1.0m柱上测得组分A和非滞留组分的保留时间分别为8.40min和1.60min，组分A峰的峰底宽为4.5mm，记录纸速度为300mm/h。计算该柱的有效理论塔板高度。解：第67页/共93页7.9 速率理论1956年van Deemter等提出了色谱过程动力学理论 速率理论式中：H塔板高度；流动相线速度；A涡流扩散项系数 B分子扩散项系数 C传质阻力项系数1、范第姆特方程第68页/共93页涡流扩散展宽因素A与填充物的平均直径dp的大小和填充不均匀性有关，与流动相性质、线速度和组分无关。A.涡流扩散项2、影响柱效能的因素 填充不规则因子颗粒平均粒径第69页/共93页涡流扩散示意图第70页/共93页1）为弯曲因子，它反映了固定相颗粒对自由分子扩散的阻碍情况，空心毛细管没有填充物阻碍，=1；而填充柱，一般小于1，阻碍越大，越小。2）Dg为组分在流动相中扩散系数(cm2s-1)Dg ：随柱温升高而增加；与柱压成反比;与载气相对分子质量M成反比 因此，在GC中应选择载气相对分子质量大，柱温低，载气流速大的条件。B.纵向（分子）扩散项第71页/共93页第72页/共93页C.传质阻力 气相传质阻力：组分从气相扩散到固定相表面所受的传质阻力液相传质阻力：组分从固定相的气液界面扩散到液相内部所受 的传质阻力C=Cl+CgCl：液相传质阻力项Cg：气相传质阻力项k：容量因子df：担体表面液膜厚度Dl：组分在液相中的 扩散系数第73页/共93页7.10 热导池检测器(TCD)(1)热导检测器(TCD)结构 热导池有池体和热敏元件两部分构成，分为双臂热导池和四臂热导池(右图)。第74页/共93页7.10 热导池检测器(TCD)(1)热导检测器(TCD)结构 热导池有池体和热敏元件两部分构成，分为双臂热导池和四臂热导池(右图)。第75页/共93页(2)热导池的结构和工作原理第76页/共93页TCD灵敏度与桥电流的三次方成正比载气与样品的导热能力相差越大，检测器灵敏度就越高色谱峰的峰面积反比于载气速度TCD的灵敏度与热丝和池体间的温度差成正比载气及其载气及其纯度纯度TitleTitle检测器温度检测器温度热敏元件热敏元件阻值阻值阻值高，温度系数较大的热敏元件桥电流桥电流载气流速载气流速(3)影响热导检测器灵敏度的因素 第77页/共93页7.11 色谱操作条件的选择条件选择柱温选择柱温选择汽化室温度的选择汽化室温度的选择载气种类及流速选择载气种类及流速选择检测器温度的选择检测器温度的选择 进样量的选择进样量的选择第78页/共93页1）载气种类：u小，分子扩散项起主要作用，应尽量选相对分子质量大的载气，如：N2,Ar u大，传质阻力项起主要作用，应尽量选相对分子质量小的载气，如：H2,He2）载气流速（1）载气种类及流速的选择较高传质阻力项是影响柱效的主要因素流速增大，柱效下降分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速增大，柱效增大,较低第79页/共93页（3）最佳载气流速的获取曲线最低点处塔板高度最小，相应的流速为最佳载气流速最佳，但为缩短分析时间，往往选略高于最佳。（1）H-曲线的绘制（2）最佳载气流速的获取曲线最低点H最小，即最佳最佳柱效第80页/共93页色谱柱的使用寿命柱的选择性柱效能分析速度柱温的影响(2)柱温的选择柱温的选择 第81页/共93页高柱温有利于传质电脑分配系数变小，不利于分离.低柱温有利于分配有利于组分分离过低被测组分冷凝1234柱温要高于固定液的熔点.柱温不能高于固定液最高使用温度因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。一般原则是：1、在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度；2、对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法。第82页/共93页柱:化学键合交联开管柱固定液:PEG-20M柱长30m，I.d.0.25mm，thickness:0.25m采用程序升温方式香水的成分GC分析第83页/共93页第84页/共93页C.传质阻力 气相传质阻力：组分从气相扩散到固定相表面所受的传质阻力液相传质阻力：组分从固定相的气液界面扩散到液相内部所受 的传质阻力C=Cl+CgCl：液相传质阻力项Cg：气相传质阻力项k：容量因子df：担体表面液膜厚度Dl：组分在液相中的 扩散系数第85页/共93页 因此因此，应该应该采用细颗粒的固定相和采用细颗粒的固定相和相对分子质相对分子质量量小的载气，以增大小的载气，以增大Dg；低含量固定液，以；低含量固定液，以减小固定液液膜厚度；选用低粘度固定液，增减小固定液液膜厚度；选用低粘度固定液，增大组分在固定液中的扩散系数大组分在固定液中的扩散系数;适当提高适当提高柱温柱温及降低及降低流速流速。第86页/共93页（1）载气流速的选择1）载气种类：u小，分子扩散项起主要作用，应尽量选相对分子质量大的载气，如：N2,Ar u大，传质阻力项起主要作用，应尽量选相对分子质量小的载气，如：H2,He2）载气流速曲线最低点处塔板高度最小，相应的流速为最佳载气流速最佳，但为缩短分析时间，往往选略高于最佳。7.10 色谱操作条件的选择第87页/共93页(2)柱温的选择柱温的选择 提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板高度，改善柱效；增加柱温同时又加剧纵向扩散，从而导致柱效下降；较低柱温可改善分离，提高选择性，但会增长分析时间；较高柱温会导致固定液流失，缩短柱子使用寿命；因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。一般原则是：1、在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度；2、对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法。第88页/共93页（3)柱长 增加柱长可使理论塔板数增大，但同时使峰宽加大，分析时间延长。因此，填充柱的柱长要选择适当。一般情况下，柱长选择以使组分能完全分离，分离度达到所期望的值为准；(4)固定液及其配比 据不同的分析试样选择不同的固定液；固定液与担体的配比适当，液膜厚度尽量小同时又必须保证一定的进样量。第89页/共93页(5)担体粒度及筛分范围 担体的粒度愈小，填装愈均匀，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否则，阻力压也急剧增大。一般粒度直径为柱内径的120l25为宜。(6)进样时间及进样量 进样时间要短，使试样进入色谱柱呈“塞子”状；最大允许进样量应控制在使半峰宽基本不变，而峰高与进样量成线性关系，如果超过最大允许进样量，线性关系遭破坏。第90页/共93页总结总结1 色谱法的分类、特点色谱法的分类、特点2 气相色谱原理及分析流程气相色谱原理及分析流程3 色谱图及相关术语色谱图及相关术语4 氢火焰离子化和热导池检测器氢火焰离子化和热导池检测器5 塔板理论及柱效能指标、速率理论塔板理论及柱效能指标、速率理论6 色谱柱总分离效能指标色谱柱总分离效能指标分离度分离度7 色谱操作条件的选择色谱操作条件的选择第91页/共93页作业作业P251第7，9题第92页/共93页感谢您的观看。第93页/共93页