第八章气相色谱法

1第八章气相色谱法第一节色谱法概述第二节色谱分析理论基础第三节气相色谱仪第四节固定相及其选择第五节气相色谱检测器第六节气相色谱法的应用2色谱法:混合物最有效的分离、分析方法。俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置：色谱原型装置，如右图。色谱法是一种分离技术，其中的一相固定不动，称为固定相；另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。第一节色谱法概述3色谱法(chromatography)分离原理：当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础。4按固定相的几何形式分类：1)柱色谱法2)平板色谱:有纸色谱法和薄层色谱法,比较简单的色谱法按两相所处的状态分类：气相色谱法流动相:气体液相色谱法流动相:液体气-固色谱法液-固色谱法气-液色谱法液-液色谱法固定相:固体固定相:液体固定相:固体固定相:液体1.色谱法分类5凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。其他色谱法超临界色谱:CO2流动相。高效毛细管电泳:九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。62.色谱法的特点（1）分离效率高复杂混合物，有机同系物、异构体、手性异构体。（2）灵敏度高可以检测出μg(10-6)级甚至ng(10-9)级的物质量。（3）分析速度快一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4）应用范围广气相色谱：沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。不足之处：被分离组分的定性较为困难。78色谱图（chromatogram）：试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间曲线或信号——流动相体积曲线，称为色谱流出曲线.9色谱图界面10常用术语：基线：在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线。峰高与峰面积：色谱峰顶点与基线之间的垂直距离称为峰高(peakheight),用h表示。峰与基线之间的面积称为峰面积(peakarea)，用A表示。峰的区域宽度：a、峰底宽WD=4σ=1.70Wh/2b、半峰宽Wh/2=2.355σc、标准偏差峰宽W0.607h=2σ11保留值:1)保留时间：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。2)保留体积：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积VR。死时间：不被固定相保留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(deadtime)，tM。死体积:不被固定相保留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积(deadvolume)，VM。（F0为柱尾载气体积流量）VM=tMF012图1、色谱过程图2、色谱图ABKAKB13调整保留值:1)调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。tR׳=tR–tM2)调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。VR׳=VR–VM或VR׳=tR׳F0相对保留值（relativeretention）在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用ri，s表示)()()()(sRiRsRiRsiVVttr，当ri，s=1时两个组分不能分离。14色谱分析的实验依据：１、根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定性分析。2、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。3、根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价。15第八章气相色谱法第一节色谱法概述第二节色谱分析理论基础第三节气相色谱仪第四节固定相及其选择第五节气相色谱检测器第六节气相色谱法的应用16分配平衡的几个参数：1、分配系数（distributioncoefficient）在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比，用K表示。2、容量因子（capacityfactor）在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。msccKmmssVcVck第二节色谱分析理论基础17cs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；Vm为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积，Vs为色谱柱中固定相的体积。3、分配系数和分配比之间的关系分配系数K与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。分配比k决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关。18理论上可以推导出：1KVVKkMSMRMRVVttkPhaseratio(相比，):VM/VS,反映各种色谱柱柱型及其结构特征填充柱（Packingcolumn）:6~35毛细管柱（Capillarycolumn）:50~1500194.分离度（resolution）相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比，用R表示。分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标。★R越大，表明两组分分离效果越好。★保留值之差取决于固定液的热力学性质。★色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素及柱效能高低。21)1()2(21)1()2()(22wwttwwttRRRRR20对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰：R=1,分离程度为98%；R=1.5，分离程度可达99.7%。所以R=1.5时可认为色谱峰已完全分开。21第八章气相色谱法第一节色谱法概述第二节色谱分析理论基础第三节气相色谱仪第四节固定相及其选择第五节气相色谱检测器第六节气相色谱法的应用22通常由五部分组成：Ⅰ载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。Ⅱ进样系统：进样器、汽化室。Ⅲ分离系统：色谱柱、控温柱箱。Ⅳ检测系统：检测器、检测室。Ⅴ记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。第三节气相色谱仪23一、气相色谱结构流程1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样口；8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-记录仪；12-温度控制器；载气系统进样系统分离系统检测和放大记录系统温控系统1-6789-111224二、气相色谱仪的结构1.载气系统：获得纯净、流速稳定的载气载气——氢气、氮气、氦气和空气等气路——单气路、双气路净化器——提高载气纯度稳压稳流装置——保持气流恒定252、进样系统：包括进样器和气化室进样器注射器——1L、5L、10L等，一般用于液体样品。（现已有全自动液体进样器）六通阀：推拉式和旋转式两种。气化室——使样品瞬间气化而不分解。(进样时间要短，气化速度要快)263、分离系统——色谱柱，是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。填充柱：由不锈钢或玻璃材料制成，一般直径2~4mm，长1~10m，内装固定相。有U型和螺旋型两种形状。毛细管柱：内径0.1~0.5mm的不锈钢、玻璃或石英毛细管空心柱，长度30~300m，呈螺旋型，具有分离效率高，速度快，需样品量少的特点，但要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。27284、检测和放大记录系统浓度型检测器——测量组分浓度的瞬间变化，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。质量型检测器——测量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的组分的质量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器。根据检测原理不同，检测器分为两类：29程序升温：指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到最短时间获得最佳分离的目的。5、温控系统：在GS中，温度是重要的指标，直接影响分离，检测灵敏度和稳定性。用于设定、控制、测量色谱柱炉、气化室和检测器三处的温度。恒温程序升温：沸点范围很宽的混合物色谱柱温度控制30图1、色谱过程图2、色谱图ABKAKB3132三、气相色谱条件的选择1、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关）实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高于最佳流速。2、柱温的选择（与ri，j有关）能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽量选择较低的温度。当然被测物的保留时间要短、峰形不能有严重拖尾。最好用程序升温方法，以实验优化选择的条件为工作条件。33另外，柱温不能高于固定液的最高使用温度。3、气化室与检测室温度（与被测对象的利用度有关）气化温度、检测室温度高于柱温30-70度。4、进样量（与柱容量有关）最大允许进样量应控制在使半峰宽基本不变，而峰高与进样量呈线性关系。34第八章气相色谱法第一节色谱法概述第二节色谱分析理论基础第三节气相色谱仪第四节固定相及其选择第五节气相色谱检测器第六节气相色谱法的应用35一、固定相的类型：吸附剂型固定相固定相{担体(载体)+固定液型固定相常用吸附剂型固定相有：第四节固定相及其选择36常用担体+固定液型固定相中：常用担体有：1、红色担体：硅藻土与粘合剂煅烧而成（101型担体）特点是：表面空隙小、比表面积大、机械强度高、担液能力强、表面有吸附中心。2、白色担体：硅藻土与碳酸钠煅烧而成（6201型担体）特点是：表面空隙较大、比表面积较小、机械强度较差、担液能力中、表面无吸附中心。3、非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃微球担体、高分子微球担体等。特点是：表面空隙适中、比表面积适中、机械强度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。硅藻土型担体具有活性中心，用前要预处理：酸洗、碱洗、硅烷化，屏蔽活性中心，以免使峰拖尾。37二、固定液的类型：38固定液的极性与待测组分极性的选择原则为：“相似相溶原理”39三、固定液选择示例40第八章气相色谱法第一节色谱法概述第二节色谱分析理论基础第三节气相色谱仪第四节固定相及其选择第五节气相色谱检测器第六节气相色谱法的应用41一、气相色谱检测器的类型气相色谱检测器根据响应原理的不同可分为浓度型检测器和质量型检测器两类。浓度型检测器：测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化，即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD）质量型检测器：测量的是载气中某组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）第五节气相色谱检测器42通用检测器有：1、热导池检测器，TCD(Thermalconductivitydetector)测一般化合物和永久性气体2、氢火焰离子化检测器,FID(Hydrogenflameionizationdetector)测一般有机化合物专用检测器有：3、电子俘获检测器，ECD(Electroncapturedetector)测带强电负性原子的有机化合物4、火焰光度检测器，FPD(Flamephotometricdetector)测含硫、含磷的有机化合物特殊检测器有：FTIR、MS、测化合物结构43二、气相色谱检测器的工作原理1、热导检测器原理：就是利用不同的物质具有不同的导热系数。Self-study:热导池的构造，工作原理及影响检测灵敏度的因素。442、氢火焰离子化检测器原理：利用有机化合物在氢火焰中燃烧时能产生带电离子碎片，收集其荷电量进行测定。Self-study:氢火焰检测器的构造，工作原理及影响检测灵敏度的因素。45第八章气相色谱法第一节色谱法概述第二节色谱分析理论基础第三节气相色谱仪第四节固定相及其选择第五节气相色谱检测器第六节气相色谱法的应用46应用广泛：适用于分析气体试样或易挥发（气化）或可转化为易挥发（气化）的液体或固体。既适用于有机物也适用于无机物。沸点小于500C，相对分子量小于400的物质，原则上均可用气相色谱法分析。局限性：难挥发和热不稳定的物质气相色谱法是不适用的。第六节气相色谱法的应用