第二章气相色谱分析

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1、第二章气相色谱分析（GasChromatography）1色谱法概述色谱法概述1.色谱法概述原理：是混合物中各组分在两相间进行分配，其中一一相是不动，称为固定相；另一相是携带混合物流过此固定相的流动体，称为流动相。当流动相中样品混合物经过固定相时，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。色谱法分类1)按两相状态分类根据流动相分为：气相色谱（GC），液相色谱（HPLC）根据固定相：气相色谱分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）液相色谱可分为液

2、固色谱（LSC）和液液色谱（LLC）2)按固定相的使用形式固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。固定相呈平板状的色谱法，称为平板色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。3)3)按分离机理分类按分离机理分类吸吸附附色色谱谱法法利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法。分分配配色色谱谱法法利用组分在固液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法。离离子子交交换换色色谱谱法法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。凝凝胶胶色色谱谱法法或或尺尺寸寸排排阻阻色色谱谱法法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。亲亲和和色色谱谱法法利用不同组分与固定相

3、（固定化分子）的高专属性亲和力进行分离的方法。2 色谱流出曲线及有关术语1)流出曲线和色谱峰2)、基线 是柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值，稳定的基线应该是一条水平直线。 3)、峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示。4)、保留值（1 1）时间表示的保留值）时间表示的保留值保留时间保留时间（t tR R）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；死时间（死时间（t tM M）：不与固定相作用的气体（如空气）从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间;调整保留时间调整保留时间（tR ）：tR= tRtM (2)(2)用体积表示的保留值用体积表示的保留值保留体积（保留体积（V

4、R）：）： VR=tRF0F0为柱出口处的载气流量，单位：mL/min。 死体积（死体积（VM）：）： VM= tMF0调整保留体积调整保留体积(VR)： VR=VRVM （3）、相对保留值相对保留值r r2121某组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比，称为相对保留值：r21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。5）、区域宽度色谱峰的区域宽度是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） 标准偏差标准偏差即0607倍峰高处色谱峰

5、宽的一半。（2） 半峰宽半峰宽W1/2 即峰高一半处对应的峰宽，它与标准偏差的关系是：W1/2=2.354（3）峰底宽度）峰底宽度Y即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，它与标准偏差。的关系是：Y=4从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息：（l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所合组份的最少个数（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2.色谱分析的理论基础色谱分析的理论基础 气相色谱分离过程气相色谱分离过程

6、当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附; 随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附; 挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附; 随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。分配系数（分配系数（ partionpartion factor factor） K 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：分配系数是色谱分离的依据。分配系数分配系数 K 的讨论的讨论一定温度下，组分的分配系数K越大

7、，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。分配比分配比 （partionpartion ratio ratio）k k在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：分配比也称： 容量因子(capacity factor)；容量比(capacity ratio)；1.分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。2.分配系数

8、与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。3. 分配比可以由实验测得。容量因子与分配系数的关系容量因子与分配系数的关系式中式中为相比。为相比。 填充柱相比：填充柱相比：635；毛细管柱的相比：；毛细管柱的相比：501500。 容量因子越大，保留时间越长。容量因子越大，保留时间越长。 VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积； VS为固定相体积，对不同类型色谱柱，为固定相体积，对不同类型色谱柱， VS的含义不同；的含义不同； 气气-液色谱柱：液色谱柱： VS为固定液体积；为固定液体积； 气气-固色谱柱：固色谱柱：

9、 VS为吸附剂表面容量；为吸附剂表面容量；分配比与保留时间的关系分配比与保留时间的关系滞留因子（retardationfactor）：us：组分在分离柱内的线速度；u：流动相在分离柱内的线速度；滞留因子RS也可以用质量分数表示：若组分和流动相通过长度为L的分离柱，需要的时间分别为tR和tM，则：由以上各式，可得：tR=tM(1+k)色谱理论色谱理论色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制； （组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽：色

10、谱过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：塔板理论和速率理论；1)1)、塔板理论、塔板理论- -柱分离效能指标柱分离效能指标(1)塔板理论（plate theory）半经验理论； 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；塔板理论的假设：（i）在柱内一塔板高度H。（ii）以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的，小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（Vm）。（iii）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。iv）

11、分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。为简单起见，设色谱往由5块塔板（n5，n为柱子的塔板数）组成，并以r表示塔板编号，r=1，2，nl；某组分的分配比k=1.由于柱子塔板数太少，流出曲线呈不对称峰形;最大浓度在N=89;N50,流出曲线呈对称峰形;N=103 106 气相色谱流出曲线方程C0为进样浓度；tR为保留时间；为标准偏差，C为时间t时在柱出口的浓度。色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：n，则三者的关系为：n=L/H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配!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

12、。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：塔板理论的特点和不足(1)当色谱柱长度一定时，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。(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。2) 速率理论-

13、影响柱效的因素1. 速率方程（也称范.弟姆特方程式） H = A + B/u + Cu H：理论塔板高度; u：载气的线速度(cm/s)减小A、B、C 三项可提高柱效； 存在着最佳流速； A、B、C三项各与哪些因素有关？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A-涡流扩散项在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒

14、障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似“涡流”的流动，故称涡流扩散，形象地如下图所示。A2dp 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。B/u 分子扩散项分子扩散项纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分从柱人口加入，其浓度分布的构型呈“塞子”状。如右图所示。它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子”必然自发地向前和向后扩散，造成谱带展宽。B2DgB = 2 Dg ：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） (1) 存

15、在着浓度差，产生纵向扩散; (2) 扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差; (3) 分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散; (4) 扩散系数：Dg (M 载气)-1/2 ； M 载气，B 值。Cu-传质阻力项传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力Cl即：C=（Cg+Cl）气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。有的分子还来不及进入两相界面，就被气相带走；有的则进人两相界面又来不及返回气相。这样，使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，引起滞后现象，从而使色谱峰变宽。液相传质阻力系数Cl为由上式看出，固定相的液

16、膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数D1大，则液相传质阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值随之变小，又会使C1增大。当固定液含量一定时，液膜厚度随载体的比表面积增加而降低，因此，一般采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度，但比表面太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利分离。虽然提高柱温可增大Dl，但会使k值减小，为了保持适当的Cl值，应控制适宜的柱温。速率理论的要点速率理论的要点(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、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平衡不能瞬间达到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

17、速可提高柱效。(3)速率理论为色谱分离和操作条件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。3 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择分离度分离度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。程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难难分分离离物物质质对对的的分分离离度度大大小

18、小受受色色谱谱过过程程中中两两种种因因素素的的综合影响：保留值之差综合影响：保留值之差色谱过程的热力学因素；色谱过程的热力学因素； 区域宽度区域宽度色谱过程的动力学因素。色谱过程的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示：讨论：讨论：色谱分离中的四种情况的讨论：色谱分离中的四种情况的讨论： 柱效较高，柱效较高，K K( (分配系数分配系数) )较大较大, ,完全分离；完全分离； K K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，柱效较低，K K较大较大, ,但分离的不好；但分离的不好； K K小，小，柱效低，

19、分离效果更差。柱效低，分离效果更差。分离度的表达式分离度的表达式：R R=0.8=0.8：两峰的分离程度可达两峰的分离程度可达89%89%；R R=1=1：分离程度分离程度98%98%；R R=1.5=1.5：达达99.7%99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。（相邻两峰完全分离的标准）。令Yb(2)=Yb(1)=Yb（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：讨论讨论：（1 1）分离度与柱效分离度与柱效 分分离离度度与与柱柱效效的的平平方方根根成成正正比比， r r2121一一定定时时，增增加加柱柱长长，可可提提高高分分离离度度，但但组组分分保保留留时时间间增增加加且且

20、峰峰扩扩展，分析时间长。展，分析时间长。（2 2）分离度与分离度与r r2121 增增大大r r2121是是提提高高分分离离度度的的最最有有效效方方法法，计计算算可可知知，在相同分离度下，当在相同分离度下，当r r2121增加，需要的增加，需要的n n有效有效 减小。减小。 增大增大r r2121的最有效方法是选择合适的固定的最有效方法是选择合适的固定液。液。例题1：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为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？答案：解： r21= 100 / 85 = 1.18 n有效 = 1

21、6R2 r21 / (r21 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。例题例题2 2：在一定条件下，两个组分的保留时间分别为12.2s和12.8s，计算分离度。要达到完全分离，即R=1.5，所需要的柱长。假定对于两组分该色谱柱效为3600答案：塔板数增加一倍，分离度增加多少？解：分离度：气相色谱仪器气相色谱仪器气相色谱结构流程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-检测器；10-放

22、大器；11-温度控制器；12-记录仪；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统三、气相色谱仪主要部件main assembly of gas chromatograph1. 1. 载气系统载气系统包括气源、净化干燥管和载气流速控制；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。2.进样装置 进样装置：进样装置：进样器+气化室； 气体进样器（六通阀）：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；液体进样器：不同规格的专用

23、注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自动液体进样器，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：气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。3. 色谱柱（分离柱） 色谱柱：色谱柱：色谱仪的核心部件。 柱材质：柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。 柱填料：柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。气气-固色谱：固体吸附剂固色谱：固体吸附剂 气气-液色谱：担体液色谱：担体+固定液固定液柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。4. 检测系统 色谱仪的

24、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：广普型检测器：广普型对所有物质均有响应；对所有物质均有响应； 专属型专属型对特定物质有高灵敏响应；对特定物质有高灵敏响应；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；5. 温度控制系统 温度是色谱分离条件的重要选择参数；气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；气化室：保证液体试样瞬间气化；检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝； 分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制

25、温度变化，各组分在最佳温度下分离；第二节 气相色谱固定相stationary phases in gas chromatograph 一、气固色谱固定相 stationary phases in Gas-solid chromatograph1. 1. 种类种类(1)活性炭活性炭 有较大的比表面积，吸附性较强。(2)活性氧化铝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，且能够分离臭

26、氧。气固色谱固定相 (4)分子筛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（高分子多孔微球（GDX系列）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。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；）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同同一一种种固固定定相相，不不同同厂厂家家或或不不同

27、同活活化化条条件件，分分离离效效果果差异较大；差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；）种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。）使用方便。二、气液色谱固定相 stationary phases in gas-liquid chromatograph 气液色谱固定相气液色谱固定相固定液固定液+担体担体（支持体）：小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。 固定液特点：固定液特点：固固定定液液在在常常温温下下不不一一定定为为液液体体，但但在在使使用用温温度度下下一一定定呈呈液体状态。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。固定液的种类繁多，选择余地大

28、，应用范围不断扩大。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。 1. 作为担体使用的物质应满足的条件 比表面积大，孔径分布均匀；比表面积大，孔径分布均匀； 化化学学惰惰性性，表表面面无无吸吸附附性性或或吸吸附附性性很很弱弱，与与被被分分离离组组份份不起反应；不起反应； 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；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。一般常用颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、目、80100目。目。2.担体（硅藻土）红色担体：红色担体： 孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。孔径较小，

29、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附中心点。性吸附中心点。白色担体：白色担体： 煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。 颗颗 粒疏粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性松，孔径较大。比表面积较小，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。显著减小，适宜分离极性组分的试样。表 气液色谱担体3.固定液 固定液：固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。(1) 对对固定液的固定液的要求要求应对被分离试样中的各组分具有不同的

30、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) 选择的基本原则选择的基本原则“相似相溶相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。(3) 固定液分类方法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。(4)固定液的最高最低使用温度 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

31、。表表 优选固定液优选固定液麦氏常数：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。第三节第三节 气相色谱检测器气相色谱检测器detector of gas chromatograph一一、检测器特性、检测器特性 specific property of detector1.1.检测器类型检测器类型浓度型检测器：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。热导

32、检测器；电子俘获检测器质量型检测器：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。FID；FPD广普型检测器：广普型检测器：对所有物质有响应，热导检测器；专属型检测器：专属型检测器：对特定物质有高灵敏响应，电子俘获检测器；2.2.检测器性能评价指标检测器性能评价指标 响应值（或灵敏度）响应值（或灵敏度）S ： 在一定范围内，信号E与进入检测器的物质质量m呈线性关系： E = S m S = E / m S = E / m 单位：单位： mV/mV/（mg / cmmg / cm3 3） ；（；（浓度型检测器）浓度型检测器） mV

33、/mV /（mg / smg / s） ；（；（质量型检测器）质量型检测器）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。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 / m3.3.最低检测限（最小检测量）最低检测限（最小检测量）噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。从从图图中中可可以以看看出出：如如果果要要把把信信号号从从本本底底噪噪声声中中识识别别出出来来，则组分的响应值就一定要高于则组分的响应值就一定要高于N。 检检测测器器响响应应值值为为3倍

34、倍噪噪声声水水平平时时的的试试样样浓浓度度（或或质质量量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。4.4.线性度与线性范围线性度与线性范围 检检测测器器的的线线性性度度定定义义：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。检检测测器器的的线线性性范范围围定定义义：检测器在线性工作时，被测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比。二、热导检测器二、热导检测器 thermal conductivity detector,TCD1. 1. 热导检测器的结构热导检测器的结构 池体池体（一般用不锈钢制成） 热敏元件热敏元件：电阻率高、电阻

35、温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测量臂测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。2.2.检测原理检测原理平衡电桥，右图。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参参=R测测 ; R1=R2 则：则： R参参R2=R测测R1无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。 进样后进样后: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参参R测测 则：R参参R2R测测R1这时电桥失去平衡，a、b两端存

36、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。3. 3. 影响影响热导检测器灵敏度的因素热导检测器灵敏度的因素 桥桥路路电电流流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。 池池体体温温度度：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温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。 载载气气种种类类：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

37、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。表表 某些气体与蒸气的热导系数（某些气体与蒸气的热导系数（），），单位：单位：J / cms三、 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器 flame ionization detector, FID1. 1. 特点特点 简称氢焰检测器简称氢焰检测器 （FID：hydrogen flameionization detector） (1) 典型的质量型检测器典型的质量型检测器; (2) 对有机化合物具有很高的灵敏度对有机化合物具有很高的灵敏度; (3) 无无机机气气体体、水水、四四氯氯化化碳碳等等含

38、含氢氢少少或或不不含含氢氢的的物物质质灵敏度低或不响应灵敏度低或不响应; (4) 氢氢焰焰检检测测器器具具有有结结构构简简单单、稳稳定定性性好好、灵灵敏敏度度高高、响应迅速等特点响应迅速等特点; (5) 比比热热导导检检测测器器的的灵灵敏敏度度高高出出近近3个个数数量量级级，检检测测下下限限可达可达10-12gg-1。2. 2. 氢焰检测器的结构氢焰检测器的结构(1) 在发射极和收集极之间在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。构成一个外加电场。 (2) 氢焰检测器需要用到三氢焰检测器需要用到三种气体：种气体：N2：载气携带试样组分；H2：

39、为燃气； 空气：助燃气。 使用时需要调整三者的比使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最例关系，检测器灵敏度达到最佳。佳。3. 3. 氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理(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)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+ + COA A区：预热区区：预热区B B层：点燃火焰层：点燃火焰C C层：热裂解区：层：热裂解区：温度最高温度最高D

40、D层：反应区层：反应区氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理(4)(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) 在在一一定定范范围围内内，微微电电流流的的大大小小与与进进入入离离子子室室的的被被测测组组分分质质量量成成正正比比，所所以以氢氢焰焰检检测测器是质量型检测器。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)(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4. 4. 影响氢焰检测器灵敏度的

41、因素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各种气体流速和配比的选择 N2流速的选择主要考虑分离效能， N2 H2= 1 11 1.5 氢气 空气=1 10。极化电压极化电压 正常极化电压选择在100300V范围内。四、电子捕获检测器四、电子捕获检测器 electron capture detector, ECD 高选择性检测器，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，检测下限敏度，检测下限1010-14 -14 g /m Lg /m L， 对大多数烃类没有响应。对大多数烃类没有响应。 较多应用于农副较

42、多应用于农副产品、食品及环境中产品、食品及环境中农药残留量的测定。农药残留量的测定。五、其他检测器五、其他检测器 other detector1.1.火焰光度检测器火焰光度检测器( (flame photometric detector,FPDflame photometric detector,FPD) ) 化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400、550 nm 左右的光谱，可被检测； 该检测器是对含硫、磷化合物的高选择性检测器；2.2.热离子检测器热离子检测器( (thermionic thermionic detector, TIDdetector, TID) ) 氮、磷检

43、测器；对氮、磷有高灵敏度； 在FID检测器的喷嘴与收集极之间加一个含硅酸铷的玻璃球，含氮、磷化合物在受热分解时，受硅酸铷作用产生大量电子，信号强；3.3.定性检测器定性检测器( (联用仪器联用仪器) ) 将两种仪器结合；色-质联用仪 (通过分子分离器连接)例3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1.21min计算:(1)分离度;(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;(5)在较长柱上把物质B洗脱所需要的时间.解:(1)R=2(17.63-16.40)/(1.

44、11+1.21)=1.06(2)nA=(16.40/1.11)2=3493nB=16(17.63/1.21)2=3397nav=(3493+3397)/2=3445=3.44103(3)H=L/n=30.0/3445=8.70810-3cm=8.7110-3cm(4)n2=34452.25/1.124=6.90103源于(n1/n2=R1/R2)2L=nH=6.901038.7110-3=60.1cm(5)tr2=tr1(R2/R1)2=17.631.52/1.062=35.3分钟第四节色谱分离操作条件的选择一、一、 色谱柱及使用条件的选择色谱柱及使用条件的选择 chromatographic

45、 columns and choice of operating condition 1. 1. 固定相的选择固定相的选择气液色谱，应根据“相似相溶”的原则 分分离离非非极极性性组组分分时时，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。 分分离离极极性性组组分分时时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。 分分离离非非极极性性和和极极性性的的（或或易易被被极极化化的的）混混合合物物，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。 醇醇、胺胺、水水等等强强极极性性和和能能形形成成氢氢键键的的化化合合物物的的分分离离，

46、通常选择极性或氢键性的固定液。 组组成成复复杂杂、较较难难分分离离的的试试样样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。2. 2. 固定液配比（涂渍量）的选择固定液配比（涂渍量）的选择 配配比比：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配比。3.3.柱长和柱内径的选择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

47、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13米。可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长或实验确定。柱内径一般为34厘米。4.4.柱温的确定柱温的确定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。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

48、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。程序升温程序升温二、二、 载气种类和流速的选择载气种类和流速的选择 classification of carrier gas and choice of flow classification of carrier gas and choice of flow raterate 1. 1. 载气种类的选择载气种类的选择 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

49、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。2. 2. 载气流速的选择载气流速的选择由图可见存在最佳流速（uopt）。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。三、三、 其它操作条件的选择其它操作条件的选择 choice of other operating condition1.1.进样方式和进样量的选择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，规格有液体试样采用色谱微量进样器进样

50、，规格有1L，5L，10L等。等。 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测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。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。气体试样应采气体进样阀进样。2.2.气化温度的选择气化温度的选择色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化；在此瞬间气化； 气化温度一般较柱温高气化温度一般较柱温高3070C 防止气化温度太高造成试样分解。防止气化温度太高造成试样分解。第五节气相色谱定性、定量方法一、色谱定性鉴定方法1.1.利用纯物质定性的方法利用纯物

51、质定性的方法 利利用用保保留留值值定定性性：通通过过对对比比试试样样中中具具有有与与纯纯物物质质相相同同保保留留值值的的色色谱谱峰峰，来来确确定定试试样样中中是是否否含含有有该该物物质质及及在在色色谱谱图图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。 利利用用加加入入法法定定性性：将将纯纯物物质质加加入入到到试试样样中中，观观察察各各组组分分色谱峰的相对变化。色谱峰的相对变化。2.利用文献保留值定性 利用相对保留值利用相对保留值r r2121定性定性 相相对对保保留留值值r r2121仅仅与与柱柱温温和和固固定定液液性性质质有有关关。在在

52、色色谱谱手手册册中中都都列列有有各各种种物物质质在在不不同同固固定定液液上上的的保保留留数数据据，可可以以用用来进行定性鉴定。来进行定性鉴定。3.保留指数 又又称称KovatsKovats指指数数( () )，是是一一种种重重现现性性较较好好的的定定性性参参数数。测定方法：测定方法： 将将正正构构烷烷烃烃作作为为标标准准，规规定定其其保保留留指指数数为为分分子子中中碳碳原原子子个数乘以个数乘以100100（如正己烷的保留指数为（如正己烷的保留指数为600600）。）。 其其它它物物质质的的保保留留指指数数（I IX X）是是通通过过选选定定两两个个相相邻邻的的正正构构烷烷烃烃，其其分分别别具具

53、有有Z Z和和Z Z1 1个个碳碳原原子子。被被测测物物质质X X的的调调整整保保留留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示：保留指数计算方法保留指数计算方法4.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（小型化的台式色质谱联用仪（GC-MSGC-MS；LC-MSLC-MS） 色谱色谱- -红外光谱仪联用仪；红外光谱仪联用仪； 组分的结构鉴定组分的结构鉴定SampleSample 589058901.0 1.0 DEG/MIDEG/MIN NHEWLETTHEWLETTPACKARDPACKARDHEWLETHEWLETT

54、T PACKARPACKARD D59725972A AMass Mass SelectivSelective e DetectoDetector rD DC CB BA A A A A AB B B BC C C CD D D DGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationB B B BA A A AC C C CD D D D二、 色谱定量分析方法1. 1. 峰面积的测量峰面积的测量 （1）峰峰高高（h）乘乘半半峰峰宽宽（Y 1/2）法法：近似将色谱峰当作等腰三角形。此法算出的面积是实际峰面积的0.94倍：

55、 A = 1.064 hY1/2 （2）峰峰高高乘乘平平均均峰峰宽宽法法：当峰形不对称时，可在峰高0.15和0.85处分别测定峰宽，由下式计算峰面积： A = h（Y 0.15 + Y 0.85 ）/ 2 （3）峰峰高高乘乘保保留留时时间间法法：在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比，对于难于测量半峰宽的窄峰、重叠峰（未完全重叠），可用此法测定峰面积： A = hbtR （4）自动积分和微机处理法自动积分和微机处理法2.定量校正因子 试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：m i = fi, Ai绝对校正因子绝对校正因子：比例系数fi，单位

56、面积对应的物质量： f ,i =m i / Ai 定量校正因子与检测器响应值成倒数关系： f ,i = 1 / Si相相对对校校正正因因子子f i ：即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。当mi、mS以摩尔为单位时，所得相对校正因子称为相对摩尔校正因子（f M）,用表示；当mi、mS用质量单位时,以（f m）,表示。3.常用的几种定量方法 （1）归一化法：特点及要求：特点及要求： 归一化法简便、准确；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；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。仅适用于试样中所有组分全出峰

57、的情况。（2）外标法外标法也称为标准曲线法。外标法也称为标准曲线法。特点及要求：特点及要求： 外标法不使用校正因子，外标法不使用校正因子，准确性较高，准确性较高， 操作条件变化对结果准确操作条件变化对结果准确性影响较大。性影响较大。 对进样量的准确性控制要对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的求较高，适用于大批量试样的快速分析。快速分析。（3）内标法 内标物要满足以下要求：内标物要满足以下要求：（a）试样中不含有该物质；试样中不含有该物质；（b）与被测组分性质比较接近；与被测组分性质比较接近；（c）不与试样发生化学反应；不与试样发生化学反应；（d）出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。试样配制：准确称取一定量的试样试样配制：准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物加入一定量内标物mS计算式：计算式：内标法特点(a) 内内标标法法的的准准确确性性较较高高，操操作作条条件件和和进进样样量量的的稍稍许许变变动动对对定量结果的影响不大。定量结果的影响不大。(b) 每每个个试试样样的的分分析析，都都要要进进行行两两次次称称量量，不不适适合合大大批批量量试试样的快速分析。样的快速分析。(c) 若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：