第十章--气相色谱法

-41-第十章气相色谱法【教学分析】本章介绍了色谱法常用的术语和分类。简述了气相色谱法的分析流程、原理以及气相色谱仪的基本结构和使用规则。重点介绍了色谱图及其相关术语、色谱参数和定量分析的三种方法。由于学校没有此仪器，学生较为陌生，讲起来很吃力，只能把理论的东西交给学生。本章内容多，仪器复杂，使用难，课后补充适当习题，增强学生的记忆。【教学目的】1.了解色谱分析法的基本概念。2.了解气相色谱分析法的基本原理。3.了解气相色谱仪的结构。4.了解气相色谱分析的定性方法，掌握定量方法。5.掌握气相色谱分析的流程和色谱图。6.掌握气相色谱仪操作条件的选择和使用方法。【教学重点、难点】1.色谱分析法的基本概念。2.气相色谱分析的定量方法。3.气相色谱仪的结构和一般操作技术。【教学方法和手段】讲授法。【总课时】8课时。【教学过程及板书设计】10-1概述【板书】一、色谱法分类1.色谱法的来历：1906年由俄国植物学家茨维特提出，最初的认识是在于它的分离价值，用于分离植物中的色素等有色物质。现代的发展，不再局限于有色物质，而且大量用于分离无色物质。【板书】2.色谱法：也称色层法或层析法，是一种多组分混合物的分离、分析方法，主要利用物质物理性质的差异进行分离并测定混合物中各组分的含量。（或者叙述为：利用试样中各组分在固定相和流动相中不断分离、吸附和脱吸或在两相中其它作用力的差异，而使各组分得到分离的分析方法。）【板书】3.气相色谱法的特点：优点：分离效率高、灵敏度高（气相色谱可检测10－11～10－13ｇ的物质）、选择性好（它是将待测物质先进行分离、然后检测）、应用范围广、分析速度快、样品用量少、定性定量准确。缺点：不适于高沸点、难挥发、热稳定性差的高分子化合物和生物大分子化合物分析。【板书】4.相：体系中某一具有相同成分及相同化学、物理性质的均匀部分。【板书】5.固定相：色谱柱内不移动的，起分离作用的物质。（有两种状态：在使用温度下呈液态的固定液和呈固态的吸附剂）【板书】6.流动相：在色谱过程中用以携带试样和洗脱组分的流体。（有两种状态：呈液体的和呈气体的）【板书】7.色谱柱：内装固定相用以分离混合物组分的柱管。【板书】8.液相色谱：流动相为液体的。【板书】9.气相色谱：流动相为气体的。【板书】10.载气：用作流动相的气体(常用N2、H2、Ar和He)。【板书】11.载液：用作流动相的液体(如石油醚)。-42-气相色谱法：气固色谱法和气液色谱法【板书】12.色谱法分类液相色谱法：液固色谱法和液液色谱法【板书】二、气相色谱分析流程载气(常用N2和H2,Ar)由高压钢瓶供给，经减压，净化，调节和控制流量后进入色谱柱。待基线稳定后，即可进样。样品经气化室气化后被载气带入色谱柱，在柱内被分离。分离后的组分依次从色谱柱中流出，进入检测器，检测器将各组分的浓度或质量的变化转变成电信号(电压或电流)。经放大器放大后，由记录仪或微处理机记录电信号－时间曲线，即浓度(或质量)－时间曲线（色谱图）。根据色谱图，可对样品中待测组分进行定性和定量分析。（由此可知：色谱柱和检测器是气相色谱仪的两个关键部件。）10-2气相色谱法基本原理和色谱图【板书】一、基本原理利用混合物中各组分在流动相和固定相中具有不同的溶解和解析能力（气液色谱），或不同的吸附和脱吸能力（气固色谱），或其他性能的差异。当两相作相对运动时，样品各组分在两相中反复多次受到上述各种作用力的作用，从而使混合物的组分获得分离。【板书】二、色谱图及相关术语1.色谱图：色谱柱流动物通过检测器系统时所产生的响应信号对时间或载气流出体积的曲线图。2.色谱峰：色谱柱流出组分通过检测器系统对所产生的响应信号的微分曲线。对称峰：符合正态分布。不对称峰：拖尾峰、前延峰。【板书】3.峰底：峰的起点和终点之间连接的直线。【板书】4.峰高（h）：从峰的最大值到峰底的距离（或色谱峰顶与基线之间的垂直距离）。【板书】5.峰宽（W）：峰两侧拐点处所作切线与峰底相交两点间的距离。【板书】6.半峰宽（Wh/2）：过峰高的中点作平行于峰底的直线，此直线与峰两侧相交点之间的距离。【板书】7.峰面积（A）：峰与峰底之间的面积。8.基线：仅有载气通过检测器系统时所产生的响应信号的曲线(它反映检测系统噪声随时间变化的情况，稳定的基线应是一条水平直线)。【板书】三、色谱参数1.保留值（滞留值）：组分在色谱柱中停留时间的数值。【板书】2.死时间（tM）：不被固定相吸附或溶解的组分(如空气,甲烷等)从进样开始到出现峰最大值所需的时间。【板书】3.保留时间（tR）：组分从进样到出现峰最大值所需的时间。【板书】4.调整保留时间（tR'）：保留时间与死时间的差值。tR'=tR–tM【板书】5.死体积（VM）：不被固定相吸附或溶解的组分(如空气,甲烷等)从进样开始到出现峰最大值所需的体积。由死时间和校正后的柱后载气流速FC的乘积来计算。VM=tM·FC【板书】6.保留体积（VR）：组分从进样到出现峰最大值所需的载气体积。VR=tR·FC【板书】7.调整保留体积（VR'）：保留体积与死体积的差值。VR'=VR–VM【板书】8.相对保留值（r2.1）：两组分调整保留值（调整保留时间或调整保留体积）的比值。相对保留值（r2.1）＝tR2'/tR1'＝VR2'/VR1'-43-10-3气相色谱仪【板书】一、基本结构气路系统、进样系统、分离系统、检测系统、记录系统。【板书】1.气路系统：气源，气体净化，气体流量控制和测量装置。①气体分类：a.载气(常用N2、H2、Ar和He)b.燃气(H2)c.助燃气（空气或氧气）②气体的净化：a.变色分子筛（除水分）b.活性碳（除硅氢化合物）c.脱氧剂（除氧气）d.碱石灰（除二氧化碳）③气体流量检测：要求载气流量稳定，变化幅度应小于1％。通过减压阀、稳压阀、针形阀等来控制调节气体的流量。④载气流量的测量：a.转子流量计（浮子流量计）b.皂膜流量计【板书】2.进样系统：包括进样器，气化室和控温装置。①液体进样：采用微量注射器（0.1～10μL），进样时间越短越好。②气体进样：采用六通阀（0.1～10mL）。原则：进样量大，色谱柱负担重，进样时间长，样品原始区域宽度变大，均会使色谱峰变宽甚至变形。③气化室：样品注入室，将液体或固体样瞬间转化为蒸气。气化温度的选择主要取决于待测试样的挥发性、沸点范围、稳定性等因素。气化温度一般选在组分的沸点左右或稍高于其沸点，以保证试样完全气化。对于热稳定性较差的试样，气化温度不能过高，以防试样分解。【板书】3.分离系统：主要部件是色谱柱，由柱管和固定相组成。按照柱管的粗细和固定相的填充方式分为填充柱和毛细管柱。①柱温选择原则：使难分离物质能得到良好的分离，分析时间适宜且峰形不托尾的前提下，尽可能采用较低的柱温。同时，选用的柱温不能高于色谱柱中固定液的最高使用温度(通常低20-50℃)。对于沸程宽的多组分混合物可采用“程序升温法”，使混合物中低沸点和高沸点的组分都能获得良好的分离。②色谱柱长和内径的选择：能使待测组分达到预期的分离效果，尽可能使用较短的色谱柱。一般常用的填充柱为l～3m，填充色谱柱内径为3～4mm。③进样时间选择：进样迅速(塞子状)——防止色谱峰扩张。④进样量的选择：在检测器灵敏度允许下，尽可能少的进样量：液体样0.1～10uL,气体试样为0.1～10mL。【板书】4.检测系统：主要部件是检测器。把样品的物理化学信号转变成电流信号的一种装置。①热导池检测器，常用TCD表示。是根据当载气中混有其他气体时，载气的热导率要发生改变的原理制成的。基本原理(惠斯登电桥原理)：热导池作为检测器，是基于不同的物质具有不同的热导系数。当电流通过钨丝被加热到一定温度，钨丝的电阻值也就增加到一定值(一般金属丝的电阻值随温度升高而增加)。在未进试样时，通过热导池两个池孔(参比池和测量池)的都是载气。由于载气的热导作用使钨丝的温度下降，电阻减小，此时热导池的两个池孔中钨丝温度下降和电阻减小的数值是相同的。在试样组分进入以后，载气流经参比池，而载气带着试样组分流经测量池，由于被测组分与载气组成的混合气体的热导系数和载气的热导系数不同，因而测量池中钨丝的散热情况就发生变化，使两个池孔中的两根钨丝的电阻值之间有了差异。此差异可以利用电桥测量出来。电桥平衡时：R1·R4=R2·R3。在载气流速恒定时，在两池中的钨丝温度下降和电阻减小的数值是相同的，即ΔR1=ΔR2，因此当两个池都通过载气时，处于平衡状态,能满足(R1+ΔR1)·R4=(R2+ΔR2)·R3。此时C、D两端的电位相等，ΔE=0,就没有信号输出，电位差计记录的是一条零位直线，称为基线。如果从进样器注入试样，经色谱柱分离后，由载气先后带入测量池。此时由于被测组分与载气组成-44-的二元导热系数与纯载气不同，使测量池中钨丝散热情况发生变化，导致测量池中钨丝温度和电阻值的改变，而与只通过纯载气的参比池内的钨丝的电阻值之间有了差异，这样电桥就不平衡，即：ΔR1≠ΔR2，(R1+ΔR1)·R4≠(R2+ΔR2)·R3。这时电桥C、D之间产生不平衡电位差，就有信号输出。在记录纸上即可记录出各组分的色谱峰。②氢火焰离子化检测器，简称氢焰检测器，常用FID表示。是根据气体的导电率与该气体中所含带电离子的浓度呈正比这一事实而设计的。一般情况下，组分蒸汽不导电，但在能源作用下，组分蒸汽可被电离生成带电离子而导电。a.氢焰检测器的结构：氢焰检测器主要部分是一个离子室。离子室一般用不锈钢制成，包括气体入口，火焰喷嘴，一对电极和外罩。b.火焰离子化检测器的工作原理：被测组分被载气携带，从色谱柱流出，与氢气混合一起进入离子室，由毛细管喷嘴喷出。氢气在空气的助燃下经引燃后进行燃烧，以燃烧所产生的高温(约2100℃)火焰为能源，使被测有机物组分电离成正负离子。在氢火焰附近设有收集极(正极)和极化极(负极)，在两极之间加有150V到300V的极化电压，形成一直流电场。产生的离子在收集极和极化极的外电场作用下定向运动形成电流并被收集，经微电流放大器放大，信号输入记录仪。③检测器的分类：a.浓度型检测器：测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。如热导池检测器和电子捕获检测器等。b.质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的质量成正比。如氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。④检测器的性能指标——灵敏度(高),稳定性(好),响应(快),线性范围(宽)。灵敏度——应答值：单位物质量通过检测器时产生的信号大小。响应信号(R)—进样量(Q)作图,可得到通过原点的直线，该直线的斜率就是检测器的灵敏度，以S表示。⑤火焰离子化检测器应用：对电离势低于H2的有机物产生响应，而对无机物，久性气体和水基本上无响应，所以火焰离子化检测器只能分析有机物(含碳化合物)，不适于分析惰性气体、空气、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2及H2S等。【板书】5.记录系统：由微电流放大器和记录仪组成。①微电流放大器：把检测器收集到的微弱电流加以放大，使之有足够的输出功率从而使记录仪工作的一种装置。②记录仪：能自动记录电信号在装置，现多采用微机处理，把记录系统和数据处理系统合二为一。二、气相色谱仪的使用及注意事项使用检测器时，应选择适当的载气和工作电流。为了保护热丝，对于热导池检测器：开机时要先通载气后通电，关机时要先断电后停载气；对氢火焰离子化检测器，不点火时严禁通氢气，通了氢气后要及时点火，并保证火焰是点着的。关机时先关氢气、空气，在关各电器部件的电源，待层析室温度降至近室温时再关载气。10-4气相色谱法的定性和定量分析【板书】一、定性分析气相色谱的优点是能对多种组分的混合物进行分离分析，(这是光谱，质谱法所不能的)。但由于能用于色谱分析的物质很多，不同组分在同一固定相上色谱峰出现时间可能相同，就凭色谱峰对未知物定性有一定-45-困难。对于一个未知样品，首先要了解它的来源，性质，分析目的；在此基础上，对样品可有初步估