第一章气相色谱法.ppt

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1、仪器分析 Instrumental Analysis,欢迎你,2,讲授内容,第一章 气相色谱分析 第二章 电位分析法 第三章 紫外-可见吸收光谱分析 第四章 红外吸收光谱分析,3,第1章 气相色谱分析 Gas Chromatography（GC）,4,1-1 概述 色谱法是在1903年由俄国植物学家茨维特分离植物色素时首先采用的。后来不仅用于分离有色物质，还用于分离无色物质，并出现了种类繁多的各种色谱法。许多气体、液体和固体样品都能找到合适的色谱法进行分离和分析。 目前色谱法已广泛应用于许多领域，成为十分重要的分离分析手段。,5,色谱柱：进行色谱分离用的细长管。 固定相：管内保持固定、起分离作

2、用的填充物。 流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。,几个概念,优点 能较好的分离物理常数相近、化学性质类似的同系物和异构体。,7,色谱法分类,一、按两相所处的状态分类,8,超临界流体为流动相的色谱称为超临界流体色谱（SFC）。 随着色谱工作的发展，通过化学反应将固定液键合到载体表面，这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱（CBPC）。,9,二、按分离原理分类,1.吸附色谱法 2.分配色谱法 3.离子交换色谱法 4.尺寸排阻色谱法 5.亲和色谱法,按色谱法分离所依据的物理或物理化学性质的不同，又可将其分为：,10,利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色

3、谱法( adsorption chromatography ) 。 利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法( partition chromatography )。,11,利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法（ion exchange chromatography）。 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法（Gel Chromatography）。 最近，又有一种新分离技术，利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法（Affini

4、ty Chromatography），常用于蛋白质的分离 。,12,三、按固定相的几何形式分类,1.柱色谱法 2.纸色谱法 3.薄层色谱法,13,1.柱色谱法 (column chromatography),柱色谱法是将固定相装在一金属或玻璃柱中或是将固定相附着在毛细管内壁上做成色谱柱，试样从柱头到柱尾沿一个方向移动而进行分离的色谱法。,14,2.纸色谱法（paper chromatography）,纸色谱法是利用滤纸作固定液的载体，把试样点在滤纸上，然后用溶剂展开，各组分在滤纸的不同位置以斑点形式显现，根据滤纸上斑点位置及大小进行定性和定量分析。,15,3.薄层色谱法 (thin-layer

5、 chromatography, TLC),薄层色谱法是将适当粒度的吸附剂作为固定相涂布在平板上形成薄层，然后用与纸色谱法类似的方法操作以达到分离目的。,根据以上所述，将色谱法的分类总结于表1-1中。,16,17,1-2 色谱流出曲线及有关术语 一流出曲线和色谱峰,18,如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线的线性范围内，色谱峰如果对称，可用Gauss正态分布函数表示：,式中：C 不同时间 t 时某物质的浓度， C0 进样浓度，tR保留时间，标准偏差。,19,二、基线（baseline）,是柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值，即图1-2中 Ot 线稳定的基线应该是一条水平直线 三、峰

6、高（ peak height） 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示，如图1-2中 BA,20,四、保留值（retention value）,1死时间 tM （dead time） 不被固定相吸附或溶解的气体从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间，如图1- 2中 OA。 显然，死时间正比于色谱柱的空隙体积。,试样中各组分在色谱柱中停留时间值或将组分带出色谱柱所需流动相的体积值称为保留值。,21,2保留时间 tR （retention time） 试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间，称为保留时间，如图中 OB它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间。,22,3调整保留时间 tR

7、（adjusted retention time） 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 t R = t R t M,由于组份在色谱柱中的保留时间tR包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间，所以tR实际上是组份在固定相中停留的总时间。保留时间可用时间单位（如s）或距离单位（如cm）表示。 保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组份的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积等参数进行定性检定,23,4死体积 VM （dead volume） 指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器

8、的空间的总和当后两项很小而可忽略不计时，死体积可由死时间与流动相体积流速F0（mLmin）计算： VM = tMF0,24,5保留体积 VR （retention volume） 指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相体积。保留体积与保留时间 tR 的关系如下： VR = tRF0,6调整保留体积VR （adjusted retention volume） 某组份的保留体积扣除死体积后，称该组份的调整保留体积，即 VR= VR - VM,25,7相对保留值 r21 （relative retention value） 某组份2的调整保留值与另一组份1的调整保留值之比，称为相

9、对保留值：,由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它是色谱法中，特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据 必须注意，相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比 .,26,选择因子 在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准(s)，然后再求其它峰(i)对这个峰的相对保留值。此时， 可能大于1，也可能小于1在多元混合物分析中，通常选择一对最难分离的物质对，将它们的相对保留值作为重要参数。在这种特殊情况下，可用符号表示：,式中tR2为后出峰的调整保留时间，所以这时总是大于 1 的 。,27,五、区域宽度（peak width） 色谱峰的区域宽度是

10、组份在色谱柱中谱带扩张的函数，它反映了色谱操作条件的动力学因素度量色谱峰区域宽度通常有三种方法：,1. 标准偏差（standard deviation） 即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半，如图1-2中EF距离的一半。 2. 半峰宽度Y1/2（peak width at half-height） 即峰高一半处对应的峰宽，如图1-2中GH间的距离它与标准偏差的关系是：,28,3. 峰底宽度 Y （peak width at peak base） 即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，如图1-2中 IJ 间的距离。它与标准偏差的关系是： Y = 4,29,从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息：

11、,（l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组份的最少个数。 （2）根据色谱峰的保留值(或位置），可以进行定性分析。 (3) 根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析。 （4）色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依据。 （5）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相)选择是否合适的依据。,30,1-3 色谱法分析的基本原理 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。 但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在

12、色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。,31,一、分配系数K和分配比k,1分配系数 K 物质在固定相和流动相（气相）之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程，叫做分配过程。 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浓度之比称为分配系数，用下式表示：,32,2. 分配比 k （partition ratio）,分配比又称容量因子或容量比，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，即：,33,滞留因子RS（retardation factor）,分配比 k 值可直接从色

13、谱图测得。设流动相（载气）在柱内的线速度为u，组分在柱内线速度为us，由于固定相对组分有保留作用，所以usu此两速度之比称为滞留因子Rs。,34,RS可以用质量分数表示，即,组分和流动相通过长度为L的色谱柱，其所需时间分别为,35,整理后可得,36,3. 分配系数 K 与分配比 k 的关系,其中称为相比率，它是反映各种色谱柱型特点的又一个参数。例如，对填充柱，其值一般为635；对毛细管柱，其值为60600。,37,分配系数K是组分在两相中浓度之比，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则是组分在两相中分配总量之比，决定于组分及固定相的热力

14、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，即组分的分配比随固定相的量而改变。 色谱条件一定时，K或k值越大，组分的保留值也越大。 两个组分的K或k值相等，两个组分的色谱峰必将重合。 两个组分的K或k值差别越大，相应的两色谱峰相距就越远。,38,二、塔板理论,塔板理论把色谱柱比作一个精馏塔，用塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。,塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。设柱长为L，理论塔板高度为H，则 H=L/n 式中n为理论塔板数。,39,理论塔板数可根据色谱图上所测得的保

15、留时间（tR）和峰宽（Y）或半峰宽（ Y1/2 ）按下式计算：,而理论塔板高度（H）为：,40,可以看出，色谱峰峰宽Y 越小，n就越大，而H就越小，柱效能越高。因此，n和H是描述柱效能的指标。 通常填充色谱柱的n103，H1 mm。而毛细管柱 n=105-106，H0.5 mm 由于死时间 tM 包括在 tR 中，而实际的 tM 不参与柱内分配，尽管所计算的n值很大，H很小，但与实际柱效能相差甚远。所以，提出把 tM 扣除，采用有效理论塔板数n有效和有效塔板高度H有效来评价柱效能。,41,塔板理论用热力学观点形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了

16、流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数。但由于它的某些基本假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，例如，纵向扩散是不能忽略的，也不能说明为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数，这就限制了它的应用。,42,三、速率理论,1956年荷兰学者Van Deemter 等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。 Van Deemter 方程的数学简化式为,式中u为流动相的线速度；A，B，C为常数，分别代表涡流

17、扩散项系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。,43,速率理论认为，单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一的。 范第姆特方程式(van Deemter equation)对分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。,44,1-4 色谱分离条件的选择,1. 分离度（resolution） 柱效和选择性对分离的影响用图来说明。 图（a）：两色谱峰距离近并且峰形宽，两峰严重相叠，这表示选择性和柱效都

18、很差。 图（b）：虽然两峰距离拉开了，但峰形仍很宽，说明选择性好，但柱效低。 图（c）：分离最理想，说明选择性好，柱效也高。,45,由此可见，单独用柱效或选择性不能真实反映组分在色谱柱中分离情况，故需引人一个综合性指标分离度R。 分离度是既能反映柱效率又能反映选择性的指标，称总分离效能指标。分离度又叫分辨率，其定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值，即,46,R值越大，表明相邻两组分分离越好。 一般说，当R1时，两峰有部分重叠； 当R1时，分离程度可达98； 当R1.5时，分离程度可达99.7。 通常用R=1.5作为相邻两组分已完全分离的标志。,47,下图表示了不同分

19、离度时色谱峰分离的程度。,48,当两组分的色谱峰分离较差，峰底宽度难于测量时，可用半峰宽代替峰底宽度，并用下式表示分离度： R与R的物理意义是一致的，但数值不同，R0.59 R，应用时要注意所采用分离度的计算方法。,49,2.色谱分离基本方程式 分离度R的定义并没有反映影响分离度的诸因素。实际上，分离度受柱效（n）、选择因子()和容量因子（k）三个参数的控制。对于难分离物质对，由于它们的分配系数差别小，可合理地假设k1k2=k，Y1Y2Y 。经推导可得下列公式：,后式即为色谱分离基本方程式。,50,在实际应用中，往往用n有效 代替 n，处理上式可得：,可以看出，后者为基本色谱分离方程式的又一表

20、达形式。,51,（1）分离度与柱效的关系,由分离方程式可以看出，具有一定相对保留值的物质对，分离度直接和有效塔板数有关，说明有效塔板数能正确地代表柱效能。而分离方程式表明分离度与理论塔板数的关系还受热力学性质的影响。当固定相确定，被分离物质对的确定后，分离度将取决于n。这时，对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即,52,虽说用较长的柱可以提高分离度，但延长了分析时间。因此提高分离度的好方法是制备出一根性能优良的柱子，通过降低板高，以提高分离度。,（2）分离度与柱选择性的关系（选择因子） 由基本色谱方程式判断，当=1时，R=0，这时，无论怎样提高柱效也无法使两组分分离。显然，大，选

21、择性好。研究证明，的微小变化，就能引起分离度的显著变化。一般通过改变固定相和流动相的性质和组成或降低柱温，可有效增大值。,53,（3）分离度与容量因子的关系,如果设：,则分离方程式写成 ：,54,（4）色谱分离基本方程式的应用 在实际中，基本色谱分离方程式是很有用的公式，它将柱效、选择因子、分离度三者的关系联系起来了，知道其中两个指标，就可计算出第三个指标。,55,例1有一根 l m长的柱子，分离组分1和 2 得到色谱图如下。图中横坐标 l 为记录笔走纸距离。若欲得到 R=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？色谱往要加到多长？,56,解：先求出组分2对组分1的相对保留值r21（即值）,57,求

22、有效塔板数 n eff n eff16（0.8）21.1/(1.1-1)21239 若使R=1.2,所需塔板数可计算,即,因此,欲使分离度达到1.2,需有效塔板数为2788块,则所需柱长为 L=2788/12391m=2.25m,58,例2 已知某色谱柱的理论塔板数为3600,组分A和B在该柱上的保留时间为27mm和30mm,求两峰的峰半宽和分离度.,解: Y1/2=w/1.7,Y1=274/36001/2=1.8 mm (Y1)1/21.8/1.71.06 mm Y2=304/36001/2=2.0 mm (Y2)1/22.0/1.71.18 mm R2 (30-27)/(1.8+2)6/3

23、.81.6,59,例4 已知物质A和B在一个30.0cm柱上的保留时间分别为16.40和17.63分钟.不被保留组分通过该柱的时间为1.30分钟.峰宽为1.11和1.21mm,计算: (1) 柱分辨本领; (2) 柱的平均塔板数目; (3) 塔板高度; (4) 达到1.5分离度所需的柱长度,60,解: (1) R=2(17.63-16.40)/(1.11+1.21)=1.06 (2) nA=16(16.40/1.11)2=3493 nB=16(17.63/1.21)2=3397 nav=(3493+3397)/2=3445 (3) H=L/n=30.0/3445=8.70810-3cm (4)

24、 n2=34452.25/1.124=6.90103 源于n1/n2= ( R1/R2)2 L=nH=6.901038.7110-3=60.1cm,61,3.色谱分离操作条件的选择 （1）载气及其流速的选择,62,上图中曲线的最低点，塔板高度H最小，柱效最高，其相应的流速是最佳流速. 从图可知，当u较小时，分子扩散项B/u是影响板高的主要因素，此时，宜选择相对分子质量较大的载气（N2，Ar），以使组分在载气中有较小的扩散系数。 当u较大时，传质阻力项Cu起主导作用，宜选择相对分子质量小的载气(H2、He)，使组分有较大的扩散系数，减小传质阻力，提高柱效。 当然，载气的选择还要考虑与检测器相适应

25、。,63,（2）柱温的选择,柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度。 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。但增加柱温同时又加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。 改善分离，提高选择性，往往希望柱温较低，这又增长了分析时间。因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。 一般原则是：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。具体操作条件的选择应根据实际情况而定。,64,另外，柱温的选择还应考虑固定液的使用温度，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失，对分离不利。 对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析

26、过程中按一定速度提高柱温，在程序开始时，柱温较低，低沸点的组分得到分离，中等沸点的组分移动很慢，高沸点的组分还停留于柱口附近；随着温度上升，组分由低沸点到高沸点依次分离出来。如图是正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较。 由图不难看出，采用程序升温后不仅改善分离，而且可以缩短分析时间，得到的峰形也很理想。,65,66,（3）载体粒度及筛分范围的选择 载体的粒度愈小，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1/20l/25为宜。在高压液相色谱中，可采用极细粒度，直径在m数量级。,（4）进样量的选择 在实际分析中最大允许进样量应控制在使半峰宽基本不变，而峰

27、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。 一般说来，色谱柱越粗、越长，固定液含量越高，容许进样量越大。,67,（5）气化温度的选择,进样后要有足够的气化温度，使液体试样迅速气化后被载气带入柱中。在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对分离及定量有利。 一般选择气化温度比柱温高3070。,68,1-5 气相色谱仪,69,一. GC工作过程,70,二. 气路系统,71,三. 进样系统,72,四. 分离系统,分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。 1）填充柱 填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为24

28、 mm，长13m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。 2）毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充往相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。,73,五.温控系统,在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对色谱柱炉，气化室，检测器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程

29、序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。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，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。,74,六. 检测和数据处理系统,这个系统是指样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进人检测器，检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。,75,1-6 气相色谱固定相及其选择 (1).固体吸附剂(载体) (2).液体固定相,（l）对载体的要求 具有a.足够大的表面积和良好的孔穴结构，使固定液与试样

30、的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；b.表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应；c.热稳定性好；d.形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。,一、气液色谱固定相 载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相 1. 载体(担体),76,（2）载体类型 大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。 硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载 体，它是由称为硅藻的单细胞海藻骨架组成，主 要成分是二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法 不同，又分为: 红色载体和白色载体。 非硅藻土载体有：有机玻璃微球载体，氟载 体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分

31、析，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、 Cl2等分析。但由于表面非浸润性，其柱效低。,77,（3）载体的表面处理 硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基,或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。,78,2固定液,（l）对固定液要求首先是选择性好。固定液的选择性可用相对保留值r21来衡量。对于填充柱一般要求r211.15；对于毛细管柱，r211.08. 另外还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快

32、。 （2）组分分子与固定液间的作用力 在气相色谱中，载气是惰性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略。在液相中，由于组分浓度低，组分间的作用力也可忽略。液相里存在的主要作用力是组分与固定液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数也大。,79,这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。它包括有定向力、诱导力、色散力和氢键作用力 4 种。前三种统称范德华力，都是由电场作用而引起的。而氢键则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。 此外，固定液与被分离组分间还可能存在形成化合物或配合物等的键合力。

33、,80,（3）固定液的特性 固定液的特性主要是指它的极性或选择性，用它可描述和区别固定液的分离特征。目前大都采用相对极性和固定液特征常数表示。,气液色谱可选择的固定液有几百种，它们具有不同的组成、性质、用途。如何将这许多类型不同的固定液做一科学分类，对于使用和选择固定液是十分重要的。现在大多按固定液的极性和化学类型分类。,（4）固定液的分类,81,（5）固定液的选择,对固定液的选择并没有规律可循，也没有现成模式。一般可按“相似相溶”原则来选择。在应用时，应按实际情况而定。 （i）分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。 （ii）分离

34、极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出，极性大的后流出。 （iii）分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。 （vi）分离能形成氢键的试样：一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。 （v）复杂的难分离物质：可选用两种或两种以上混合固定液。 对于样品极性情况未知的，一般用最常用的几种固定液做试验。下表列出了几种最常用的固定液。,82,1-5,83,1常用的固体吸附剂 主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。

35、使用时，可根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最合适的吸附剂 。 2人工合成的固定相 作为有机固定相的高分子多孔微球是一类人工合成的多孔共聚物。它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔径大小及表面性质。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类、胶类的分析。,二气固色谱固定相,84,85,1-7 气相色谱检测器,气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。目前检测

36、器的种类多达数十种。根据检测原理的不同，可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种： （l）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（TCD）和电子捕获检测器（ECD）。 （2）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量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）等。,86,.热导池检测器 （TCD） 热导检测器是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的。热导检测器由于结构简单，性能稳定，几乎对所有物质都有响应，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，因此是

37、应用最广，最成熟的一种检测器。 其主要缺点是灵敏度较低。,87,二.氢火焰离子化检测器（FID）,氢火焰离子化检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。它的特点是：灵敏度很高，比热导池检测器的灵敏度高出约103倍；检出限低，可达10-12gs-1； 氢火焰离子化检测器能检测大多数含碳有机化合物；死体积小，响应速度快，线性范围也宽，可达106以上；而且结构不复杂，操作简单，是目前应用最广泛的色谱检测器之一。其主要缺点是不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物

38、、硫化氢等物质。,88,1. 结构,89,2氢火焰离子化机理 至今还不十分清楚其机理，普遍认为这是一个化学电离过程。有机物在火焰中先形成自由基，然后与氧产生正离子，再同水反应生成H30+离子。以苯为例，在氢火焰中的化学电离反应如下：,3.影响操作条件的因素 离子室的结构对火焰离子化检测器的灵敏度有直接影响，操作条件的变化，包括氢气、载气、空气流速和检测室的温度等都对检测器灵敏度有影响 。,90,三.电子捕获检测器 (ECD),电子捕获检测器也称电子俘获检测器，它是一种选择性很强的检测器，对具有电负性物质（如含卤素、硫、磷、氰等的物质）的检测有很高灵敏度（检出限约10-14 gmL-1）。它是目

39、前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。电子捕获检测器已广泛应用于农药残留量、大气及水质污染分析以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域中。它的缺点是线性范围窄，只有103左右，且响应易受操作条件的影响，重现性较差。 1电于捕获检测器的结构与工作原理 实际上它是一种放射性离子化检测器，与火焰离子化检测器相似，也需要一个能源和一个电场。能源多数用 63Ni 或 3H 放射源，其结构如下图。,91,92,检测器内腔有两个电极和筒状的放射源。放射源贴在阴极壁上，以不锈钢棒作正极，在两极施加直流或脉冲电压。放射源的射线将载气（N2或Ar）电离，产生正离子和慢速低能量的电子，在恒定电场作用下向极性相反的

40、电极运动，形成恒定的电流即基流。当载气带着电负性溶质进入检测器时，电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气正离于复合成中性化合物，使基流降低而产生负信号倒峰 。,93,四.火焰光度检测器 (FPD),火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，检出限可达10-12 gs-1（对P）或10-11 gs-1（对S）。这种检测器可用于大气中痕量硫化物以及农副产品，水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。,94,1火焰光度检测器的结构,95,2火焰光度检测器的工作原理 根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，生成

41、化学发光物质，并能发射出特征波长的光，记录这些特征光谱，就能检测硫和磷。以硫为例，有以下反应发生：,当激发态S2*分子返回基态时发射出特征波长光max为394nm。对含磷化合物燃烧时生成磷的氧化物，然后在富氢火焰中被氢还原，形成化学发光的HPO碎片，并发射出max为526nm的特征光谱。这些光由光电倍增管转换成信号，经放大后由记录仪记录。,96,五.检测器的性能指标,一个优良的检测器应具以下几个性能指标： 灵敏度高，检出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽，稳定性好。 通用性检测器要求适用范围广； 选择性检测器要求选择性好。 表1-8列出四种常用检测器的性能指标。,97,98,1-8 定性分析

42、,气相色谱分析对象是在气化室温度下能成为气态的物质。除少数外，大多数物质在分析前都需要预处理。例如，样品中含有大量的水，乙醇或被强烈吸附的物质，可导致色谱柱性能变坏。一些非挥发性物质进人色谱柱，本身还会逐渐降解，造成严重噪声。还有些物质，如有机酸，极性很强，挥发性很低，热稳定性差。必须先进行化学处理，才能进行色谱分析。 气相色谱法是一种高效、快速的分离分析技术，它可以在很短时间内分离几十种甚至上百种组分的混合物，这是其他方法无法比拟的。但是，由于色谱法定性分析主要依据是保留值，所以需要标准样品。而且单靠色谱法对每个组分进行鉴定，往往不能令人满意。,99,近年来，气相色谱与质谱、光谱等联用，既充

43、分利用色谱的高效分离能力。又利用了质谱、光谱的高鉴别能力，加上运用计算机对数据的快速处理和检索，为未知物的定性分析开辟了一个广阔的前景。,1. 用已知纯物质对照定性 这是气相色谱定性分析中最方便、最可靠的方法。这个方法基于在一定操作条件下，各组分的保留时间是一定值的原理。如果未知样品较复杂，可采用在未知混合物中加入已知物，通过未知物中哪个峰增大，来确定未知物中成分。,100,101,2根据相对保留值定性 利用相对保留值定性比用保留值定性更为方便、可靠。在用保留值定性时，必须使两次分析条件完全一致，有时不易做到。而用相对保留值定性时，只要保持柱温不变即可。这种方法要求找一个基准物质，一般选用苯、

44、正丁烷、环己烷等作为基准物。所选用的基准物的保留值尽量接近待测样品组分的保留值。,102,3.双柱、多柱定性 对于复杂样品的分析，利用双柱或多柱法更有效、可靠，使原来一根柱子上可能出现相同保留值的两种组分，在另一柱上就有可能出现不同的保留值。,4与其他方法结合定性 气相色谱与质谱、Fourier红外光谱、发射光谱等仪器联用是目前解决复杂样品定性分析最有效工具之一。,103,1-9 气相色谱定量分析,气相色谱定量分析是根据检测器对溶质产生的响应信号与溶质的量成正比的原理，通过色谱图上的峰面积或峰高，计算样品中溶质的含量。,104,1. 峰面积测量方法 峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测量

45、的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法。 （l）对称形峰面积的测量峰高乘半峰宽法 A=1.065hY12 （2）不对称峰面积的测量一峰高乘平均峰宽法 对于不对称峰的测量如仍用峰高乘半峰宽，误差就较大，因此采用峰高乘平均峰宽法。 A=1/2h（Y0.15Y0.85） 式中Y0.15和 Y0.85分别为峰高0.15倍和0.85倍处的峰宽。,105,2. 定量校正因子,（l） 为什么引入定量校正因子 色谱定量分析是基于峰面积与组分的量成正比关系。但由于同一检测器对不同物质具有不同的响应值，即对不同物质，检测器的灵敏度不同，所以两个相等量的物质得不出相等峰面积。或者说，相同

46、的峰面积并不意味着相等物质的量。,106,（2）相对定量校正因子 由于物质量mi不易准确测量，要准确测定定量校正因子 fi不易达到。在实际工作中，以相对定量校正因子 fi 代替定量校正因子 fi。 相对定量校正因子 fi 定义为：样品中各组分的定量校正因子与标准物的定量校正因子之比：,式中m和A分别代表质量和面积，下标i和s分别代表待测组分和标准物。一般来说，热导池检测器标准物用苯，火焰离子检测器用正庚烷。fi(m)表示相对质量校正因子，由于进入检测器的物质量也可以用摩尔或体积表示，因此也可用相对摩尔校正因子fi(M)和相对体积校正因子fi(V)表示。,107,3常用的定量计算方法,（l）归一

47、化法 归一化法是气相色谱中常用的一种定量方法。应用这种方法的前提条件是试样中各组分必须全部流出色谱柱，并在色谱图上都出现色谱峰。当测量参数为峰面积时，归一化的计算公式为：,108,式中Ai为组分i的峰面积，fi 为组分i的定量校正因子。 归一化的优点是简便准确，当操作条件如进样量、载气流速等变化时对结果的影响较小。适合于对多组分试样中各组分含量的分析。,109,（2） 外标法 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。外标法简便，不需要校正因子，但进样量要求十分准确，操作条件也需严格控制。它适用于日常控制分析和大量同类样品的分析。,110,（3）内标标准曲线法 为了克服外标法的缺点，可采用内标。这种方法的特点是：选择一内标物质，以固定的浓度加入标准溶液和样品溶液中，以抵消实验条件和进样量变化带来的误差。内标法的校准曲线是用AiAs对xi作图，其中As为内标物的峰面积。通过原点的直线可表示为,111,式中Ki 为相应于组分i的比例常数，它与校正因子的关系是：,对内标物的要求是： 样品中不含有内标物质； 峰的位置在各待测组分之间或与之相近；稳定、易得纯品； 与样品能互溶但无化学反应； 内标物浓度恰当，使其峰面积与待测组分相差不太大。,