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1、2018/11/30,第二章 气相色谱分析,Gas chromatographic analysis ,GC,教学目标及要求 1.掌握气相色谱仪的组成和分析流程； 2.掌握色谱分离原理及分离基本方程式； 3.掌握下列基本概念：色谱峰、基线、保留值、分离度、分配系数和分配比； 4.掌握气相色谱法定性和定量的依据及分析方法； 5.掌握用相对极性法选择固定液； 6.了解四个常见检测器的构造及特性； 7.理解塔板理论和速率理论； 8.了解常用的气相色谱担体、固定相、固定液的种类及选择原则； 9.了解气相色谱分析操作条件的选择； 10.了解气相色谱法的应用。,重点： 1、色谱流出曲线和有关术语，相关计算
2、。 2、气相色谱法的基本原理及分离基本方程式。 3、气相色谱定性分析方法。 4、定量分析方法中校正因子、归一化法及内标法的计算。 难点： 色谱流出曲线和有关术语，气相色谱定性、定量分析方法。,2018/11/30,一、概述（由来、分类和作用 ） Generalization 二、气相色谱仪 Gas chromatographic instruments 三、气相色谱仪流程 Process of gas chromatograph 四、气相色谱主要部件 Main assembly of gas chromatograph 五、基本概念 Basic conception,第一节 气相色谱法概述,G
3、eneralization of gas chromatographic instruments,2018/11/30,一、 色谱法的由来、分类和作用,1.由来 色谱法是混合物最有效的分离、分析方法。 1906年由俄国植物学家茨维特（Tswett）创立的，他在研究植物叶子的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。当时Tswett把这种色带叫做“色谱”（Chromatography）这种方法因此得名为色谱法（当时使用的色谱原型装置如下图）。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含
4、义，但仍被人们沿用至今。,2018/11/30,2018/11/30,在色谱法中： （1）将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相称为固定相。 （2）自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相 。 （3）装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱 。 当含有混合物样品的流动相（气体、液体或超临界流体）经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。 20世纪50年代，色谱发展最快（原因：1. 一
5、些新型色谱技术的发展；2. 复杂组分分析发展的要求。） 1937-1972年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的！,在Tswett提出色谱概念后的20多年里没有人关注这一伟大的发明。直到1931年德国的Kuhn和Lederer才重复了Tswett的某些实验，用氧化铝和碳酸钙分离了-，-，和-胡萝卜素，此后用这种方法分离了60多种这类色素。 Martin和Synge在 1940年提出液液分配色谱法（LiquidLiquid Partition Chromatography），即固定相是吸附在硅胶上的水，流动相是某种有机溶剂。1941年马丁Martin和辛吉Syngee提出用气体代替液体作流动相
6、的可能性，11年之后James和Martin发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法（GasLiquid Chromatography），因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。,2018/11/30,2018/11/30,在此基础上，1957年Golay开创了开管柱气相色谱法（OpenTubular Column Chromatography），习惯上称为毛细管柱气相色谱法（Capillary Column Chromatography ）。1956年Van Deemter等在前人研究的基础上发展了描述色谱过程的速率理论，1965年Giddings总结和扩展了前人的色谱理论，为色谱的发展奠定了理
7、论基础。另一方面早在1944年Consden等就发展了纸色谱(PC)，1949年Macllean等在氧化铝中加入淀粉粘合剂制作薄层板使薄层色谱法（TLC ）得以实际应用，而在1956年Stahl开发出薄层色谱板涂布器之后，才使TLC得到广泛地应用。在60年代末把高压泵和化学键合固定相用于液相色谱，出现了高效液相色谱（HPLC）。80年代初毛细管超临界流体色谱（SFC）得到发展，但在90年代后未得到较广泛的应用。而在80年代初由Jorgenson等集前人经验而发展起来的毛细管电泳(CE)，在90年代得到广泛的发展和应用。同时集HPLC和CZE优点的毛细管电色谱在90年代后期受到重视。到21世纪色
8、谱科学将在生命科学等前沿科学领域发挥不可代替的重要作用。,2018/11/30,2018/11/30,2. 色谱法分类 ：,1. 按流动相和固定相的状态分类,2. 按使用领域不同对色谱仪的分类,2018/11/30,2. 气相色谱法分类 ：,2018/11/30,3.色谱分离过程,混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应,t0,t2,t1,2018/11/30,混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应,2018/11/30,3.作用 色谱分离过程,色谱分离过程是在色谱柱内完成的。 填充柱色谱: 气固(液固)色谱和气液(液液)色谱，两者的分离机理不同。,在色谱分离中，如果将样
9、品注入色谱柱头，样品本身很快就会在固定相和流动相之间达到分配平衡。当流动相流过时，样品将在流动相和新的固定相上又达到分配平衡。 同时，原来仍在固定相中的样品与新的流动相之间也会形成新的分配平衡。随着流动相不断的流过， 它们就会携带发生分配平衡后而存在于 流动相的样品沿着柱子向前移动。,气固(液固)色谱的固定相: 多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。 气液(液液)色谱的固定相: 由 担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。 气相色谱分离原理：P9 气固色谱的分离机理: 吸附与脱附的不断重复过程 气液色谱的分离机理： 气液(液液)两相间的反复多次
10、分配过程。,2018/11/30,2018/11/30,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g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(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。,2018/11/30,二.气相色谱仪,现在，有近百厂家、提供数百种型号的气相色谱仪，价格在几万到几十万。 过去几十年内，色谱仪器得到了极大
11、的发展，这主要归于： 1970s电子积分仪及计算机数据处理装置的发展； 1980s计算机技术对仪器各类参数的自动控制。如柱温、流速、自动进样等。 随着这些技术的发展，仪器性价比大幅提高。其中，GC最重要的发展是开管柱的引入，使含有数百种混合物样品得以分离！,2018/11/30,岛津 GC-14C 气相色谱仪,2018/11/30,2018/11/30,上海分析仪器厂GC122型气相色譜仪,2018/11/30,色-质谱联用仪,2018/11/30,三、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-进样器；8-色谱柱； 9-热导检测器
12、；10-放大器； 11-温度控制器；12-记录仪；,2018/11/30,结构流程,2018/11/30,四、气相色谱仪主要部件 main assembly of gas chromatograph,载气系统(Carrier gas supply) 气路系统：获得纯净、流速稳定的载 气。包括压力计、流量计 及气体净化装置。 载气: 要求化学惰性，不与有关物质 反应。载气的选择除了要求考 虑 对柱效的影响外，还要与分 析对象和所用的检测器相配。 常用的载气有：氢气、氮气、氦气；,2018/11/30,净化干燥管：去除载气中的水、氧、有机物等杂质（依次通过 分子筛、活性炭等）； 载气流速控制：压力
13、表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。 压力表：多为两级压力指示： 第一级，钢瓶压力(总是高于常压。对填充柱：10-50 psi（Pounds per square inch ）；对开口毛细柱：1-25 psi)； 第二级，柱头压力指示；( 1psi=6894.76 pa) 流量计: 在柱头前使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确。 通常在柱后，以皂膜流量计(Soap-bubble meter)测流 速。许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制 其流速保持不变。,2018/11/30,2. 进样装置(Sample injection system),进样装置：进样器+气化室；
14、 气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。 试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱；,2018/11/30,常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液体样品注入气化室(汽化室温度比样品中最易蒸的物质的沸点高约50oC)，通常六通阀进样的重现性好于注射器。 进样要求：进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至20L，对毛细管柱分离，体积约为10-3 L，此时应采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过慢，将导致分离变差(拖尾)。,2018/11/30,液体进样器：,不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用1uL; 10L；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有
15、全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。,气化室：将液体试样瞬间气化的装置。 无催化作用。,2018/11/30,3. 色谱柱（分离柱）,色谱柱：色谱仪的核心部件。 柱材质：不锈钢管或玻璃管融熔石英等，内径3-6毫 米。 长度可根据需要确定。 柱填料：粒度为40-60、60-80或80-100目的色谱固定相。 气-固色谱：固体吸附剂 气-液色谱：担体+固定液 柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧、颗粒过细、使柱压降增大，对操作不利；反之空隙体积大，柱效低。 填充柱：多为U形或螺旋形，内径36 mm，长13m，内 填固定相；,2018/11/30,开管
16、柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。 内径0.10.5mm长 达几十至 100m。通常弯成直径 1030cm的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质 快， 因而分离效率高(n可达 106)、分析速度快、样品用量 小。过去是填充柱占主要，但现在，这种情况正在迅 速发生变化，除了一些特定的分析之外，填充柱将会 被更高效、更快速的开管柱所取代！ 柱温： 是影响分离的最重要的因素。其变化应小0.xoC。选 择柱 温主要是考虑 样品待测物沸点和对分离的要求。 柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分析时间 20-30min)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。,2018/11/30,4. 检测系统,色谱仪的眼睛 通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成； 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图； 检测器：广普型对所有物质均有响应； 专属型对特定物质有高灵敏响应； 浓度型: 检测的是载气中组分浓度的
