第02章色谱法分离原理.ppt

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1、1,第二章 气相色谱分析,第一节 色谱法概述第二节 气相色谱分析理论基础第三节 色谱分离条件的选择第四节 固定相及其选择第五节 气相色谱检测器第六节 气相色谱定性和定量分析第七节 毛细管柱气相色谱法,2,第一节 色谱法概述,一、色谱法简介 色谱法是1901年由俄国植物学家茨维特（Tsweet）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。,3,俄国植物学家Tswett（茨威特）首先认识到这种层析现象在分离分析方面有重大价值，他一生从事植物色素的提纯与分离工作。1901年开始色谱分离方法研究 1903年3月21日在华

2、沙自然科学学会生物会议上提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法。（论文：一种新型吸附现象及其在生化分析上的应用）W.S.Tswett,Tr.Protok,Varshav.Estesvoispyt.Otd.Biol.,1903,14.,4,20年后，即1923年以后，Kuhn和Lederer为了证实蛋黄内的叶黄素系植物叶黄素与玉米黄质的混合物，参考了茨威特的文章后，采用了色谱法，他们采用CaCO3填充柱成功的从蛋黄中分离出了植物叶黄素。他们的工作证实了茨威特的方法可以用来进行制备分离。从此以后，色谱法被广泛的用于各种天然有机化合物的分析与分离。,5,19401943年，瑞典科学家Tiselius

3、（蒂西利斯）和英国科学家Synge（辛吉）创立了液相色谱的迎头法与顶替法。并由于在吸附色谱、电泳等方面做出了重要贡献，使Tiselius获得了1948年的诺贝尔化学奖。1941年，英国科学家Martin（马丁）和Synge（辛吉）在研究氨基酸的分离时又发展了液-液分配色谱法，开创了分配色谱的新阶段，他们因此获得了1952年的诺贝尔化学奖。,6,1952年，Martin和James采用了自动滴液仪作检测器分析脂肪酸，开创了气体作流动相的气-液色谱法。他们采用涂渍在惰性载体上的高沸点液体为固定相，以溶解分配原理代替了吸附分配原理，大大的扩展了气相色谱法的应用范围，弥补了吸附剂种类不多的缺陷。因此，

4、他们在分析化学界产生了巨大的影响。1958年，Golay（戈雷）提出了分离效能极高的毛细管气相色谱法。从此以后，气相色谱技术得到了广泛的应用，蓬勃发展起来。,7,随着对色谱法的深入研究和相关技术的不断发展，新一代的色谱方法不断的涌现：离子色谱:20世纪70年代出现了采用自动电导检测器分析痕量正负离子的新式离子交换色谱。超临界流体色谱：Klesper等人1962年提出，20世纪80年代后开始应用毛细管柱。目前已成为填补气相色谱与液相色谱之间空白的主要手段。毛细管电泳：20世纪80年代发展起来，结合了电毛细管技术及色谱微量检测方法，运用在电场中离子迁移速度不同的原理进行分离分析。,8,俄国植物学家

5、茨维特在1901年使用的色谱原型装置，如图。色谱法是一种分离技术。试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。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。,9,色谱分离原理,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。,10,两相

6、及两相的相对运动构成了色谱法的基础。这种借在两相间分配原理而使混合物中各组分分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。,二、色谱法分类1、按两相物理状态分类气相色谱（气体作流动相）气-固色谱、气-液色谱液相色谱（液体作流动相）液-固色谱、液-液色谱,11,2、按固定相的形式分类,柱色谱：固定相装在色谱柱中，分为填充柱色谱和毛细管色谱。纸色谱：滤纸为固定相薄层色谱：吸附剂粉末制成薄层作固定相,12,3、按分离过程中物理化学原理分类,吸附色谱：吸附剂表面对不同组分的物理吸附性 能差异分配色谱：不同组分在两相中有不同的分配系数离子交换色谱：利用离子交换原理排阻色谱：利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用

7、,按其它原理：凝胶色谱 超临界流体色谱 高效毛细管电泳,13,三、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10-610-9g的物质。（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 几乎所有的化学物质。不足之处：被分离组分（未知物）的定性较为困难。,14,四、气相色谱法,15,16,M6单四极杆气相色谱质谱联用仪,17,1、气相色谱流程,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-进样器；8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪,

8、18,载气系统、进样系统、色谱柱、检测器、记录系统、温度控制系统。,19,2、载气系统 包括气源、净化干燥管和载气流速控制。,20,3.进样系统 包括进样器及气化室。其作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱前瞬间气化，快速定量地转入到色谱柱中。(1)进样器 微量注射器和六通阀,21,22,23,24,25,(2)气化室 为了让试样在气化室中瞬间气化而不被分解，要求气化室热容量大，无催化效应。为了减小柱前色谱峰变宽，气化室的死体积应尽可能小。,26,4、分离系统和温度控制系统色谱柱：色谱仪的核心 填充柱（填充固定相）毛细管柱（内壁涂有固定液）温度控制系统：柱室、气化室的温度控制,5、记录系统：放大

9、器、记录仪或数据处理仪,27,五 色谱法常用术语,1、色谱图,色谱图（色谱峰）：组分从色谱柱流出，检测器对该组分的响应信号随时间变化所形成的峰形曲线。,28,2、基线,仅有流动相通过色谱柱时，检测响应信号随时间变化的曲线。稳定的基线应该是平行于时间坐标的直线。,29,色谱峰顶点与基线之间的垂直距离,3、色谱峰高,30,4、色谱峰区域宽度,色谱峰的区域宽度是组分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：0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半（2）半高峰宽Y1/2：峰高一半处对应的色谱峰宽 Y1/2=2(2ln2)1/2=2.354,

10、31,（3）色谱峰底宽Y：色谱峰两侧拐点作切线与基线交点间距离。Y4,32,（1）死时间tM：不被固定相保留的组分从进样到色谱图上出现峰最大值所需的时间。u流动相的线速度，L柱长（2）保留时间tR：试样从进样开始到柱后出现峰极大值所需的时间。相应于试样到达柱末端的检测器所需的时间。,5、保留值,33,（3）调整保留时间tR：扣除死时间后的保留时间 tRtRtM死体积VM：VMtMqv,0 qv,0色谱柱出口载气流量mL/min保留体积VR：试样从进样开始到柱后出现峰极大值所需的载气体积 VRtRqv,0调整保留体积VR：VRVRVM,34,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

11、长、填充情况及流动相流速无关,色谱法中,特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据。,(4)相对保留值2.1,某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比,35,色谱流出曲线得到的信息1）根据色谱峰的个数，可以判断试样中所含组分的最少个数。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。,36,第二节 气相色谱分析理论基础,1、分离原理 色谱法实质是一种物理化学的分离方法。它是根据混合物各组分在互不相溶的两相固定相和流动相中具有

12、不同的吸附能力、分配系数或其它亲和作用的性质作为分离依据，当两相作相对运动时，组分在两相中反复多次分配，这样就使得那些吸附能力或分配系数只有微小差别的物质，在移动速度上产生了较大差别，从而达到完全分离。,一、色谱法分离原理,37,2、分配系数 K,组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g/mL）比，称为分配系数，用K 表示，即：,38,分配系数一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；试样一定时，K主要取决于固定相性质；每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分

13、具有不同的K值是分离的基础；某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。,39,3、分配比k（容量因子）,分配比k：在一定的温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比。,40,VM与VS之比称为相比（phase ratio,），它反映了各种色谱柱型及其结构的重要特性。填充柱值约为635毛细管柱值为501500,41,分配系数K和分配比k都与温度、压力、组分的性质、固定相和流动相的性质有关，分配比k还与值有关。K与k是两个不同的参数，但在表征组分的分离行为时，二者是等效的。k可以由色谱图直接求得，所以容量因子k是一个重要的色谱参数。,42,当某一组分的色谱峰最高点出现时，说明该

14、组分恰好有一半的量洗脱在VR的流动相中刚好流出柱子，其余一半则留在柱内，即留在柱内的流动相（体积为Vm）与固定相（体积为VS）中，根据物料等衡原理：,4、K、k与保留值的关系,43,调整保留体积VR与分配系数成正比。是色谱过程的基本方程，将反映色谱行为的保留值（VR、VM、VR）与反映物质性质的热力学常数K联系起来。,44,容量因子k是调整保留时间和死时间之比，即表示溶质分子花费在固定相中的时间比在流动相中长多少倍。,45,46,将色谱柱假想为一个精馏塔，塔内有一系列连续的、相等体积的塔板，每一块塔板的高度称理论塔板高度H。并假设在每一块塔板上被分离组分在气液两相间瞬时达到一次分配平衡，若色谱

15、柱长为L，溶质平衡的次数则为:n=L/H n理论塔板数，H为每一块塔板的高度。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加，随板高H的增大而减小。,二、塔板理论（plate theory）,47,将色谱分离过程比作蒸馏过程，直接引用处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱过程，即将连续的色谱过程看作是许多小段平衡过程的重复。,48,塔板理论假设：（1）在每一小段间隔内，气相平均组成和液相平均组成可以很快地达到分配平衡。达到分配平衡的每一小段柱长称为理论塔板高度（H）；（2）载气（流动相）进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进气为一个板体积；（3）试样开始时都加在第0号塔板上，且试样

16、沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可忽略不计；（4）分配系数在各塔板上是常数。,49,塔板理论指出：（1）当溶质在柱中的平衡次数，即n50时，可得到基本对称的峰形曲线。气相色谱，n约为103106，流出曲线趋近正态分布曲线。（2）试样进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，可获得良好的分离。（3）由塔板理论可导出n与半峰宽度或峰底宽度的关系：,50,有效塔板数和有效塔板高度 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效 塔板数和有效塔板高度：,51,塔板理论的特点和不足1.当色谱柱长度一

17、定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。2.不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。,52,3.柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。4.塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程、导出流出曲线的数学模型、解释了流出曲线形状和位置、提出了计算和评价柱效的参数。,53,5.塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。该理论是在理想情况下导

18、出的，未考虑分子扩散因素、其它动力学因素对柱内传质的影响。因此它不能解释：峰形为什么会扩张？影响柱效的动力学因素是什么？,54,三、速率理论(rate theory)1956年荷兰学者范第姆特（Van Deemter）等提出了色谱过程动力学理论。他们吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出了塔板高度H与载气线速度u的关系：,A、B、C为常数，分别代表涡流扩散项、分子扩散系数和传质阻力系数。上式即为范第姆特方程式的简化式。由此式可见影响H的三项因素：涡流扩散项、分子扩散项和传质阻力项。在u一定时，只有A,B,C较小时，H才能较小，柱效才能较高，反之则柱效较低，色谱峰将扩张

19、。,55,1、涡流扩散项A 在填充柱中，流动相通过填充物的不规则空隙时，其流动方向不断地改变，形成类似“涡流”的流动。由于填充物的大小、形状不同及填充的不均匀性，使组分各分子在色谱柱中经过的通道直径和长度不等，造成它们在柱中的停留时间不同，使色谱峰变宽。,56,57,dp：固定相的平均颗粒直径，：固定相的填充不均匀因子。固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，A，H，柱效n。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。,58,2、分子扩散项 试样组分被流动相带入色谱柱后，是以“塞子”的形式存在于色谱柱的很小一段空间中，在色谱柱的轴向上存在浓度差而形成浓度梯度，其方向是沿柱纵向扩散，引起色谱

20、峰变宽。B=2Dg：弯曲因子，填充柱色谱，1。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）,59,存在着浓度差，产生纵向扩散。扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差。分子扩散项与流速有关,流速,滞留时间,扩散，扩散系数：Dg（M载气）-1/2；M载气，B值。,3、传质阻力项 物质系统由于浓度不均匀而发生物质迁移过程称为传质，影响此过程进行速度的阻力称为传质阻力。传质阻力包括气相传质阻力和液相传质阻力。,60,61,（1）气相（流动相）传质过程试样组分从气相移动到固定相表面的过程。在这一过程中试样组分在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。此过程由于传质阻力的存在，使得试样在两相界面上不能

21、瞬间达到分配平衡。引起色谱峰扩张。对于填充柱，气相传质阻力系数Cg为：采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可使Cg减小，提高柱效。,62,（2）液相传质过程 试样组分从固定相的气液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然后又返回气液界面的传质过程。在此过程的时间内，气相中组分的其它分子仍随载气不断地向柱口运动，造成峰形扩张。液相传质阻力系数Cl为：,固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数大，则液相传质阻力就小。,63,范第姆特方程式：,范第姆特方程式对于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

22、的影响。,64,速率理论的要点：1.被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配不能瞬间达到平衡等因素是造成色谱峰扩展、柱效下降的主要原因。2.通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。,65,3.速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。4.各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。,66,第三节 色谱分离条件的选择 一、分离度R

23、一个混合物能否为色谱柱所分离,取决于固定相与混合物中各组分分子间的相互作用的大小是否有区别(气-液色谱),而且色谱分离过程中各种操作条件选择是否合适,对实现分离的可能性也有很大的影响。所以在色谱分离过程中,要根据所分离的对象选择适当的固定相,使其中各组分有可能分离,还要创造一定的条件,使这种可能性得以实现,并达到最佳的分离效果。塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。,67,色谱分离中的四种情况如图所示：柱效较高，K(分配系数)较大,完全分离；K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，K较大,但分离的不好；K小，柱效低，分

24、离效果更差。,68,为了判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况，在色谱分析中，引入分离度（R）这一概念。分离度（R）：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比。,69,难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：保留值之差色谱过程的热力学因素；区域宽度色谱过程的动力学因素。R=0.8：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度98%，两峰能明显分离；R=1.5：达99.7%，两峰已完全分离，相邻两峰完全分离的标准。,70,二、色谱分离基本方程式 令Y1=Y2=Y（相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：,71,代入分离度（R）公式得：,上式称色谱

25、分离基本方程式，表明R随体系的热力学性质（和k）的改变而变化，也与色谱柱条件（n）有关。,72,上两式相除，又,73,（1）/热力学因素 n1/2动力学因素 k/(1+k)容量因素,74,例：在一定条件下，两个组分的保留时间分别为85秒和100秒，要达到完全分离，即R=1.5。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？解：=100/85=1.18n有效=16R2/(-1)2=161.52(1.18/0.18)2=1547（块）L有效=n有效H有效=15470.1=155 cm 即柱长为1.55米时，两组分可以得到完全分离。,75,1、分离度与柱效的关系 分离度与n的

26、平方根成正比。一定，增加柱长可改进分离度，但同时使各组分的保留时间增长，延长分析时间而使峰扩展。减小柱的H值是增大分离度的最好方法。2、分离度与容量比的关系 加大k值可以增加分离度，但延长分析时间。一般，k10时，分离度的提高不明显，当k2时，洗脱时间会出现极小值。,76,在色谱分离中，常通过改变柱温或流动相的组成，将k控制在15（110）之间。(P19 表2-2)3、分离度与选择因子的关系 是柱选择性的量度，越大，柱选择性越好，分离效果越好。(P20 表2-2)的微小增大，都会使分离度得到较大的改善。,77,三、气相色谱分离操作条件的选择（一）载气及其线速度的选择1.载气流速的选择 作图求出

27、最佳流速。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。可得H-u关系曲线，图中的最低点，塔板高度最小（H最小）,柱效最高，该点所对应的流速即为最佳流速u最佳。,78,79,80,2.载气种类的选择 载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。,81,（二）柱温的

28、选择首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。,82,柱温，分离度，分析时间。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,83,程序升温：柱温按预定的加热速度，随

29、时间作线性或非线性的增加。气化温度的选择：色谱仪进样口下端有一气化室，液体试样进样后，在此瞬间气化；气化温度一般较柱温高3070；防止气化温度太高造成试样分解。,84,85,（三）柱长和柱内径的选择 增加柱长对提高分离度有利（分离度R正比于柱长L2），但组分的保留时间tR，且柱阻力，不便操作。柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。填充色谱柱的柱长通常为26米，内径36mm。,86,（四）固定相的选择 1、选择原则 气液色谱，应根据“相似相溶”的原则分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。分离极性组分时，一般选用

30、极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。,87,分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。组成复杂、较难分离的试样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。,88,2、固定液配比（涂渍量）的选择配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比，配比通常在5%25%之间。配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的

31、配比。,89,（五）进样方式和进样量的选择 液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L等。进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。进样要求动作快、时间短。气体试样应采气体进样阀进样。,90,第四节 气相色谱固定相及其选择,一、气固色谱固定相1固定相种类：（1）活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。（2）活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。（3）硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分

32、离臭氧。,91,（4）分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。（5）高分子多孔微球（GDX系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。,92,2.气固色谱固定相的特点：（1）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。

33、,93,二、气液色谱固定相 气液色谱固定相 固定液+担体（支持体）：固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态 固定液的种类繁多,选择余地大,应用范围不断扩大 1、担体化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积 可以作为担体使用的物质应满足以下条件：,94,担体物质满足条件：比表面积大，孔径分布均匀；化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、80100目。,95,担体（硅藻土）红色担体：孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸

34、附中心点。白色担体：煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。颗 粒疏松，孔径较大。表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。,96,表 填充柱气液色谱担体一览表,97,2、固定液固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。（1）对固定液的要求 应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。（2）选择的基本原则“相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。,98,（3）固定液分类方法如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等，

35、（4）最高最低使用温度。高于最高使用温度易分解，温度低呈固体；（5）混合固定相：对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上配合使用；（6）固定液的相对极性：规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，氧二丙睛的相对极性为100，,99,麦氏常数：x、y、z、u、s表示，分别代表了极性分子间存在着的静电力（偶极定向力）；极性与非极性分子间存在着的诱导力；非极性分子间的色散力；氢键等。也可以用五个数的总和来表示固定相的极性大小，如：，氧二丙睛五个常数的总和为4427，是强极性固定相。,100,101,第五节 气相色谱检测器 色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结构各异。有的具有广普性

36、，如热导检测器；有的具有高选择性，仅对某类物质有高响应。,1检测器特性浓度型检测器：测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测信号值与组分的浓度成正比。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，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。,102,（1）灵敏度（或响应值）S：在一定范围内，信号E与进入检测器的物质量Q呈线性关系。E=S Q S=R/Q S 表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。S值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就越高。,103,CDL=检测限；LOQ 定量低限；LOL线性响应高限。通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少

37、要达到2个数量级。,104,检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（A）除以试样质量求得：S=A/m浓度型检测器：质量型检测器：,105,（2）检测限噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。,如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于N。检测器响应值为3倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。,106,（3）最小检出量检测器恰能产生与噪声相鉴别的信号时所需进入色谱柱的最小物质质量（或最小浓度）。色谱峰的半宽度越窄，Q0越小。,107,（4）线性范围线性度：检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。线性范围：试样量

38、与信号之间保持线性关系的范围，用被测物质的最大进样量与最小检出量的比值表示。,108,2、热导检测器（TCD）一种结构简单、性能稳定、线性范围宽、对无机和有机物质都有响应、灵敏度适宜的检测器。热导检测器的结构：池体（一般用不锈钢制成）热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，连接在靠近分离柱出口处。,109,检测原理：平衡电桥,110,不同的气体有不同的热导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：R参=R测;R1=R2 则：R参R2=R测R1 无电压信号输出；记录仪走直线（基线）

39、。进样后，载气携带试样组分流过测量臂,而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 则：R参R2R测R1这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。,111,影响热导检测器灵敏度的因素：桥路电流I：I，钨丝的温度，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导,检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3，但稳定性下降,基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱

40、温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。,112,载气种类 载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。,113,表 某些气体与蒸气的热导系数（）。单位：J/cms,114,3、氢火焰离子化检测器（氢焰检测器）（FID：hydrogen flameionization detector）(1)典型的质量型检测器；(2)对有机化合物具有很高的灵敏度；(3)无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应；(4)氢焰检测器具有结构简

41、单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点；(5)比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限达10-12gg-1。,115,氢焰检测器的结构：(1)在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。(2)氢焰检测器需要用到三种气体：N2：载气携带试样组分；H2：为燃气；空气：助燃气。使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。,116,117,氢焰检测器的原理：（1）当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 CnHm CH（2）产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应 CH+O CHO+e（3）

42、生成的正离子CHO+与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：CHO+H2O H3O+CO,A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区温度最高D层：反应区,118,(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）；(5)在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。(6)组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离。(7)离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。,119,影响氢焰检测器灵敏度的因素：各种气体流速和配比的选择：N2流速的选择:主要考

43、虑分离效能，N2 H2=1 11 1.5 氢气 空气=1 10。极化电压：正常极化电压选择在100300V范围内。,120,4、电子捕获检测器（ECD）高选择性检测器.仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g/mL.对大多数烃类没有响应。较多应用于农副产品、食品及环境中农药残 留量的测定。,Ni63,121,在检测器内装有一个圆筒状放射源如63Ni为负极，另一电极为正极，两极之间用聚四氟乙烯绝缘，极间施加直流或脉冲电压，极间距离根据放射源和供电形式精确确定。当载气（氮气或氩气）进入检测室，受放射源发射出的粒子（初级电子）的不断轰击而电离，生成正离子和次级电子

44、。当外加电场存在时，初级电子和次级电子向正极迁移并被收集，形成一恒定的微电流（10-910-8A)，即检测器的基始电流，简称基流。,122,当电负性物质(AB)随载气进入检测器后，立即捕获这些自由电子而生成稳定的负离子，负离子再与载气正离子复合成中性化合物：其结果使基流下降，产生负信号而形成负峰。电负性组分的浓度越大，负峰越大；组分中电负性元素的电负性越强，捕获电子的能力越大，倒峰也越大。,123,5 火焰光度检测器(Flame Photometric Detector,FPD),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,124,RS+空气+O2SO2+CO22SO2+8

45、H 2S+4H2O,含P试样 主要以HPO碎片的形式发射526nm波长的特征光。,火焰光度检测器是根据硫、磷化合物在富氢火焰中燃烧时能发射出特征波长的光而设计的。,125,脉冲式火焰光度检测器(PFPD):最新设计的火焰光度检测器。最适合于含硫和磷化合物的选择性检测。与标准的FPDs较，PFPD可获得更高的检测限(10倍)，更大的选择性(10-1000)，更强的可靠性和更低的操作成本。它的双通道模拟输出功能允许S和P,S和C或任意两种元素产生的信号同时输出。主要测定的28种元素 S,P(主要应用)C,N,As,Br,Pb(关键应用)B,Al,Si,V,Cr,Mn,Fe,Ni,Cu,Ga,Ge,

46、Se,Ru,Rh,In,Sb,Te,W,Bi,Eu(其他应用),126,PFPD结构示意图,操作原理：PFPD主要使用反应气体未端的扩散火焰。火焰中气相反应的结果,使一些分子产生特征的发射光谱及发射的延迟。这种不同的发射光谱及延迟可以用于增强PFPD的选择性减少噪音,提高检测灵敏度。由于使用不连续扩散火焰，燃烧室所用气体流量大大降低(大约1/10)。另外,电子门脉冲性能使噪音控制在门脉冲窗口之外，进一步增强了检测器的性能。,127,6、具有定性功能的检测器（联用技术）,质谱作为色谱的检测器使用需要解决四个问题：（1）色谱柱出口压力与质谱仪高真空之间的匹配；（2）试样组分与载气的分离；（3）质谱

47、对色谱流出峰的快速测定（电子计算机解决）；（4）质谱仪的小型化（小型化的质量分析器）。,128,第一和第二个问题的解决：采用分子分离器；分子分离器类型：微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。喷射式分子分离器：由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中，如图所示。可做成多级。,129,第六节 气相色谱定性和定量分析一、定性分析 色谱定性分析的任务是确定色谱图上每一峰所代表的物质。在色谱条件一定时，任何一种物质都有确定的保留时间。所以，在相同色谱条件下，通过比较已知物和未知物的保留时间或在固定相上的位置，即可对未知物定性分析。色谱法的不足之处是被分离组分（未知物）的定性较为困难。一般，色谱法是分离

48、复杂混合物的有效工具，将色谱与质谱或其它光谱法联用，是目前复杂混合物中未知物定性的最有效方法。,130,1.利用纯物质定性的方法 利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。,131,2.利用文献保留值定性 相对保留值r21：相对保留值r21仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。,132,3、保留指数又称Kovts(科互茨)指数（），是一种重现性较好的定性参数。测定

49、方法：将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100（如正己烷的保留指数为600）。其它物质的保留指数（IX）是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z1个碳原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间：,133,134,3.与其他分析仪器联用的定性方法小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪与化学方法配合,135,二、定量分析 在一定的色谱条件下，组分i的质量（mi）或其在流动相中的浓度，与检测器响应信号（峰面积Ai或峰高hi）成正比：色谱定量分析的依据。,136,1、响应信号的测量（A or h）,2、定量校正因子试

50、样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：,137,(1)绝对校正因子：比例系数fi，单位面积对应的物质量：定量校正因子与检测器响应值成倒数关系：,138,(2)相对校正因子f：即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。,139,3、常用定量方法（1）归一化法,特点及要求：归一化法简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。,140,（2）外标法也称为标准曲线法特点及要求：外标法不使用校正因子，准确性较高操作条件变化对结果准确性影响较大对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析,141,142,（3）内标法内标物要满足以