第五章气相色谱分析.ppt

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1、第五章 气相色谱分析,概述 气相色谱的分离系统 气相色谱的检测系统 气相色谱的定性与定量,第五章 气相色谱分析,概述 气相色谱的分离系统 气相色谱的检测系统 气相色谱的定性与定量,5.1 概述,一、色谱分析的应用概况 在现代所有的分析仪器中，没有一种像色谱仪这样在实际中得到如此迅速和广泛的应用。 目前，色谱分析广泛应用在食品学科，它通过对不同的物质分析、分离和组合，对物质进行定性和定量的分析，若色谱分析和质谱分析（MS）或核磁共振（NMR）联用，则能对物质进行立体结构的分析。,二、色谱分析的发展方向 1. 从宏观分析向微观分析方向发展。 2. 从体相到表相，不同层次的分析。 3. 从表观分析到

2、分子内部结构变化的分析。 4. 从静态分析到动态分析。 5. 从定性到定量，出现食品分析的数据库和计算机化的局面。 此外，分析微生物学、菌种技术与色谱技术结合，可以确定菌种的选育、变性。,三、气相色谱 气相色谱是用气体作为流动相的层析法。根据固定相状态的不同： 目前，大部分气相色谱是以液体为固定相的气液色谱。,四、气相色谱分析的特点 1.高效率。 2.高选择性。 3.高灵敏度。 4.分析速度快。 5.应用广泛。 气相色谱法有上述优点，但也有它的缺点，即从色谱图上不能直接给出它定性的结果 。,五、流程 在气相色谱中，作为流动相的气体称作载气。 载气减压阀净化干燥管稳压阀流量计压力表进样口气化室色

3、谱柱检测器记录仪电子计算机积分仪 由记录仪得到的色谱图可进行定性或定量分析。出峰顺序与物质性质有关，信号大小与物质的量有关。,5.2 气相色谱的分离系统,一、分离原理 1. 气固色谱 气固色谱中的固定相是一种具有表面活性的吸附剂，当样品随载气流过色谱柱时，由于吸附剂对各个组分的吸附能力不同，经过反复多次的吸附与解吸的过程，使各组分得以分离。 2. 气液色谱 气液色谱中的固定相是在化学惰性的固体微粒（用来支持固定液的，称作担体，支持剂）表面，涂上一层高沸点有机物的液膜，这种高沸点有机化合物称作固定液。 在气液色谱柱内，被测物质中各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同（即分配系数K的不同）

4、将各组分分离的。 =,当载气携带样品进入柱中，气相中的被测物质就溶解在固定液中。载气连续流经色谱柱，溶解在固定液中的被测组分会从固定液中挥发到气相中去。随着载气流动，挥发到气相中的被测组分又会溶解在前面的固定液中，这样反复多次的溶解、挥发、再溶解、再挥发。在固定液中溶解度大的组分，较难挥发，K值大，随流动相移动速率小，后出柱；而K值小的组分先出柱。 组分分配彻底是因为,二、色谱柱 形状有：U形、螺旋形 材料有：玻璃、不锈钢、铝等 色谱柱有两种：,三、流出曲线和有关术语 试样中各组分经色谱柱分离后，依次流出色谱柱，经检测器转为电信号，然后由记录仪将各组分及浓度变化记录下来而得到色谱图。 色谱图：

5、 反映分离的状况。 反映样品的运行状况。 对物质进行定性、定量分析。,1. 流出曲线： 色谱图以组分的变化（转变为电讯号，以mv或mA表示）为纵座标，流出时间为横座标，这种曲线，即为流出曲线。 现以某一组分的流出曲线来说明有关色谱术语。,2. 有关术语 基线： 没有样品只有载气进入色谱柱，经检测器，在记录仪上得出的线。它反映检测器噪声随时间变化。稳定的基线是条直线，是仪器是否正常工作的指标。 色谱峰：在操作条件下，样品进入色谱柱，经检测器转变为相应的电信号，由记录仪反映出信号随时间变化的曲线。 峰高h：峰的顶点与基线之间的距离。 半峰宽 ：指峰高一半处的峰宽度。, 拐点（扭转点）：流出曲线上二

6、阶导数为零的两个点。经计算拐点位于0.607h处，拐点间的距离 。 峰底宽 ：从峰两边的拐点作切线与基线相交部分的宽度。 保留值：表示组分在色谱柱中停留的时间或者把组分带出色谱柱所需的载气体积。,保留值有多种，现分别叙述。 死时间 ：惰性物质通过色谱柱到出现浓度极大点的时间。 保留时间 ：进样开始到样品中组分出峰最高点所用的时间。 调整保留时间 （实际保留时间）：扣除死时间后组分的保留时间 。, 死体积 ：色谱柱内气相的体积 。 式中： 载气流速 常压、室温条件下柱出口处载气流速 保留体积 ：对应于保留时间所流过的载气体积。 调整保留体积 ：对应于调整保留时间所流过的体积 。,利用流出曲线可解

7、决以下问题： 根据色谱峰的位置可以进行定性鉴定。 根据色谱峰的面积或高度可以进行定量测定。 根据色谱峰的位置及宽度，可以对色谱分离情况进行评价。,四、色谱柱的分离效能 色谱柱的主要作用在于使两种或两种以上组分的混合物分离。常用选择性、分辨率、柱效率等来表示色谱柱的分离效能。 1. 分离因子 ：两组分保留值之比。 。 也有用调整保留值之比。 ， ，只有 时，它们才比较接近。 分离因子常用来表征柱子的选择性，其值较大时，一般分离较好。但也有例外。,2. 分离度R（分辨率）：相邻两组分色谱保留值之差与此两组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值。 分离度是描述混合物中相邻两组分在色谱柱中分离情况的重要指标。

8、 R=1.0时，两组分稍有重叠；R=1.5时，两组分基本上可以全分离；R1.0时，两组分明显重叠。,3. 总分离效能指标 ：相邻两组分色谱保留值之差与此两组分半峰宽和之半的比。 式中： 、 分别为相邻两组分的半峰宽。 由此可以看出： 。,4. 柱效率：色谱柱在分离过程中由动力学因素所决定的色谱分离效率。 柱效率通常以塔板数和塔板高度来衡量。 理论塔板高度 ：相当于一个理论塔板的高度。其值以柱长与理论塔板数之比来表示。 式中：L 柱长 理论塔板数 有效塔板高度 ：, 理论塔板数 ：把色谱柱比拟为分馏塔，以理论塔板数做为描述色谱柱效率的一个指标。 有效塔板数 ：由调整保留值与色谱峰宽所算得的塔板数

9、。 理论塔板数与有效塔板数之间的关系：,五、最佳分离条件的选择 1. 对分离度的要求 定性、定量： 若进行定性分析，R可要求低些。 若进行定量分析，R就要求高些。 分析误差 要求分析误差小些，则R应大些。 组分含量 当欲分离的两组分含量相差越大，则在同样的分析误差下，完全分离所需的分离度就越大。 一般R 1.5时，基本上能满足分析要求。 R=0.8 1.0 1.5 分离程度 89% 98% 99.7%,2. 分离条件的选择 担体的选择 气液色谱中的担体，是一种化学惰性的、多孔性的固体颗粒。 对担体的选择：使用较小而均匀的担体能提高柱效能，对于46mm的柱子，使用6080目担体较合适。, 固定液

10、的选择 气液色谱用的固定液一般是高沸点有机化合物，在操作温度下，固定液有较低的蒸汽压，一般小于0.5mmHg，否则易挥发损失。 固定液选择影响到各组分保留时间的大小，直接关系到各组分能否分离。 各组分分配系数大小，是由该组分在固定液中的溶解度决定的。而溶解度取决于组分与固定液之间分子的作用力。, 分子间作用力 分子间作用力有以下几种： A.色散力：非极性分子间的作用力 非-非 由分子中瞬时偶极而引起的互相吸引或排斥力。非极性物质之间的力主要是色散力。 B.诱导力：极性分子与非极性分子间的作用力 非-极 极性分子的永久偶极与它所诱导产生的另一非极性分子的诱导偶极之间的作用力，可利用极性固定液分离

11、两种极化程度不同的非极性物质。 C.定向力（库仑力）：极性分子间的作用力 极-极 是分子间永久偶极的相互作用力。定向力诱导力 D.氢键力：是定向力的一种特殊类型。含N、O、F的化合物分子越大，氢键力越弱。, 固定液的选择方法 固定液的选择原则是相似相溶原则。 A.分离非极性组分：采用非极性固定液，两者间是色散力。各组分按沸点顺序彼此分离（沸点规律）。 B.分离极性组分：采用极性固定液，分子间主要是定向力。各组分按极性大小出峰（极性规律）。 C.分离极性组分与非极性组分混合物：采用极性固定液，按极性顺序出峰。 当样品组分复杂，用一种固定液不能达到分离要求时，往往使用混合固定液。 D.氢键型物质的

12、分离：可用氢键型固定液。, 柱温的选择 每种固定液都有一定的使用温度。柱温不能高于固定液的最高使用温度。 柱温影响到组分的分配系数、扩散系数等。 提高柱温可以改善气相和液相传质速率，有利于提高柱效能。 一般柱温选在试样各组分的平均沸点左右或比平均沸点稍低一些。, 进样温度、进样时间、进样量 进样温度：指进样后汽化室的温度。一般选择汽化温度比柱温高3070。 进样时间：进样速度必须很快，一般进样时，时间应在1秒以内。 进样量：进样量一般比较少。液体样品一般0.15 ，气体样品0.110ml。,六、填充色谱柱的制备 1. 固定液的用量和涂渍 用量：一般固定液：担体=525：100 涂渍：固定液的涂

13、渍一般采用静态法。 方法是：称取固定液，溶解在适当的有机溶剂中。溶解时，将烧杯放入水浴中，然后加入担体，在一定温度下摇动烧杯，让溶剂均匀挥发，挥发完后，即涂渍完毕。,2. 装柱 装柱要求担体填充均匀、紧密。填充方法有三种： 泵抽装填法：柱后接一真空泵抽气，使担体填充紧密。适用于长柱子填装。 振荡装填法：将色谱柱装在振荡器上，边装边振荡，使担体填充紧密、均匀。 手工装填法：边装边敲击的手工填装法。 3. 色谱柱的老化 填充完毕后，柱子不能马上使用，需做老化处理。 老化的目的： 彻底除去填充物中的残余溶剂和某些挥发性杂质。 使固定液更均匀地、牢固地分布在担体表面。 老化的方法：把色谱柱安入色谱仪，

14、用较低的载气流速，在略高于操作时的柱温下，处理十几个小时，直至记录仪上的基线平直。,5.3 气相色谱的检测系统,一、检测器的分类及作用原理 1. 作用原理 作用：将经分离后的各组分按其特性及含量转换为响应的点讯号。 原理：在一定条件下，检测器产生的信号大小E与进入检测器某组分的量或浓度C成正比。 即： 式中：S比例常数，称为响应值或灵敏度 m，则E，不同的组分，有不同的响应值S。,2. 分类 根据检测器原理不同，可将检测器分为浓度型检测器和质量型检测器两种。 浓度型检测器：测量载气中某组分浓度瞬间的变化，即响应值和组分的浓度成正比。如：热导池检测器。 质量型检测器：测量载气中某组分进入检测器的

15、速度变化，即响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。如；氢火焰电离检测器。,二、检测器的要求及特征 对检测器总的要求是：灵敏度要高，敏感度要低，稳定性要好，线性范围宽，响应速度快。 1. 响应值（灵敏度）S 单位时间或单位体积内进入检测器的样品量所产生的响应讯号即为响应值。,2. 敏感度（检测限度） 检测器恰能产生二倍于噪声讯号时的单位时间引入的样品量（或单位体积载气中需含样品量）即为敏感度。 敏感度 敏感度M的物理意义：使检测器产生恰好能够鉴别的讯号时，单位体积或单位时间引入检测器的最小物质量。 M越小，检测器越敏感，越能满足痕量分析的要求。,3. 线性范围 检测器的线性范围就是在检测

16、器呈线性时，最大和最小进样量之比。比值越大，即线性范围越宽，越有利于准确定量。 在 范围内准确。 4. 漂移（ ） 单位时间内，无给定样品通过检测器而由仪器本身和工作条件所造成的记录笔单方向偏离原点之值。常以 表示。 如右图： 5. 响应速度（响应时间） 要求检测器响应速度快，就要求检测器死体积小。,三、检测器 1. TCD 结构 热导池以铜或不锈钢作池体。一般有四个槽，槽内有四个热敏元件，组成惠斯登电桥的四个臂。其中两个臂是参考池，另两个臂是测量池。 原理 当通过热导池体的气体组成及浓度发生变化时，可引起热敏元件上温度的变化，由此导致电阻值的变化，破坏了平衡状态的电桥产生电流，测量其电流（讯

17、号）的大小，根据讯号的大小，衡量组分的含量。, 操作条件 工作电流（电桥电流） 一般100200mA。 载气：桥流100150mA 载气：桥流 150200mA 池体温度 池体温度低，池体和钨丝温差就大，利于传热，使灵敏度提高。 一般池体温度不低于柱温。 载气 载气与试样的导热系数越大，产生的越大，则灵敏度越高。一般选用导热系数大的气体如 、 作载气。,2. FID 结构 氢火焰电离检测器主要是一个离子室，一般用不锈钢制成，内有气体入口，火焰喷嘴，一对电极。 原理 氢火焰离子化检测器是以 和空气的火焰为能源，在氢火焰附近装置两个电极，两电极之间外加100350v的极化电压。当分离的组分由载气携

18、带与离子室的空气相遇时， 经过点火引燃而燃烧。在氢火焰中的电离（离子化）效率很低，约每50万个碳原子中有一个碳原子电离。电离的程度与组分的性质有关，还与火焰温度、单位时间内进入火焰的物质的数量有关（属质量型检测器）。在直流电场作用下，离子向电极移动产生电流，这微小的电流经放大器后，输入记录器得出色谱图。, 操作条件 气体流量 一般用 作载气。 氢气流量与载气流量之比影响氢火焰的温度及火焰中电离过程。 一般 ： =1：11.5 空气是助燃气，空气量较小时，灵敏度较低。当空气大于某一数值后，对响应值几乎无影响。 一般 ：空气=1：1015 一般 ： ：空气=1：1：10, 极化电压 一般极化电压

19、。 温度 离子室温度应高于50，以防积水。 基始电流：氢焰点火后，没有样品进入检测器，记录器上观察到的电流信号。它是由固定液的挥发，气体中微量杂质、汽化室中杂质产生的。,5.4 气相色谱的定性与定量,一、定性分析 气相色谱定性分析的目的是确定试样的组成即确定每个色谱峰各代表什么组分。现介绍几种主要的定性方法。 1. 保留值定性 保留值定性是一种最普遍、最方便的定性方法。 在一定的固定相和一定的操作条件下（柱温、柱长、内径、载气 ），每种无都有一定的保留值（ 、 或 、 ）。 故可以测得纯物质的保留值后与未知组分对照定性（需纯物质对照）。, 面积仪测量法 面积仪为手动测量面积的仪器，可准确至0.

20、1 ，此法重复测量多次取平均值，提高其准确度。 积分仪测量法 积分仪是一种自动测量某一曲线所围成的面积的仪器。 剪纸称重法 把色谱峰分别剪下来，在天平上称重，用重量代表峰面积。,3. 校正因子及测定 欲求 ，需知道 。 引入另一标准物质，可称取一定量的被测组分的纯物质（ ）和标准组分的纯物质（ ）混合后（ 是准确已知的），注入色谱仪，出峰后，测出 和 。 ： i组分的相对校正因子 与进样体积无关，与、组分分配比有关； 与操作条件无关 只与被测物、标准物、载气性质、检测器类型有关。,4. 定量方法 计算不是为了求 ，而是求 （浓度）。 归一化法 当样品中各组分都能流出色谱柱，并在色谱图上显示出峰

21、时，可用此法定量。 若分析同系物，各组分 相近， 上式可简化为： 此法简单、准确，若各组分不能完全出峰，就不能用此法。, 内标法 当只要求测定试样中某几个组分或者试样中所有组分不能全部出峰时，可用此法。 将一定量的纯物质做内标物，加入到准确称取的试样中，根据被标物和被测组分的枋面积来计算被测组分的含量。内标物应是样品中不存在的纯物质，加入的量接近与被测组成。同时，要求内标物的色谱峰位于被测组分色谱峰附近或几个被鹅组分色谱峰的中间。,试样中加入内标物重量 已知，称取的试样重 已知，故样品中 是已知的。 = 此法结果准确，但不适于工厂常规化验，因每次都要称量 、 ，较麻烦。, 外标法 近似于比色分

22、析中标准曲线法的计算方法。 取样品中含有的组分的纯物质，配制一系列不同浓度的标准样，分别取一定体积注入色谱仪，得到色谱图，测出峰面积，作出峰面积与浓度的关系曲线，即标准曲线，然后在同样操作条件下，进入同样体积的样品，从色谱图上测出被测组分的面积，由上述曲线查出被测组分的浓度。,5. 定量分析的误差 色谱条件不稳定 工作曲线的范围 载气的纯度，热导池温度、载气流速 记录仪的线形范围 峰面积的测量,思考题 1. 试简单说明气相色谱分析的分离原理。 2. 什么是死时间、保留值、调整保留值、相对保留值？区域宽度的三种表示方法是什么？ 3. 试述热导池检测器和氢火焰离子检测器的工作原理。 4. 气相色谱对检测器有哪些要求？ 5. 试以塔板高度H，讨论气相色谱操作条件的选择。 6. 什么叫响应值、校正因子，相对校正因子？ 7. 定量的方法有哪些，各适用于什么情况？,