色譜分析氣相

色譜分析氣相第一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三一、概論俄國植物學(xué)家Tswett于1901年發(fā)現(xiàn)：利用吸附原理分離植物色素1903年發(fā)表文章：Onanewcategoryofadsorptionphenomenaandtheirapplicationtobiochemicalanalysis1906年Tswett創(chuàng)立“Chromatography”—“色譜法”新名詞1907年在德國生物會議上第一次向世界公開展示顯現(xiàn)彩色環(huán)帶的柱管（一）色譜分析法的歷史第二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三1930年R.Kuhn用色譜柱分離出胡蘿卜素1935年AdamsandHolmes發(fā)明了苯酚-甲醛型離子交換樹脂，進(jìn)一步發(fā)明了離子色譜1938年Izmailov發(fā)明薄層色譜1941年Martin&Synge發(fā)明了液-液分配色譜1944年Consden,Gordon&Martin發(fā)明紙色譜1952年Martin&Synge發(fā)明氣-液色譜1953年Janak發(fā)明氣-固色譜1954年Ray發(fā)明熱導(dǎo)檢測器1957年Martin&Golay發(fā)明毛細(xì)管色譜第三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三1959年P(guān)orath&Flodin發(fā)明凝膠色譜1960年液相色譜技術(shù)完善1954年我國研究成功第一臺色譜儀（二）色譜方法的分類定義：色譜分離技術(shù)是借助色譜分離原理而使混合物中各組分分離的技術(shù)；將色譜分離技術(shù)應(yīng)用于分析化學(xué)，稱為色譜分析。第四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三其他色譜方法薄層色譜和紙色譜：

比較簡單的色譜方法凝膠色譜法:超臨界色譜:高效毛細(xì)管電泳:

九十年代快速發(fā)展、特別適合生物試樣分析分離的高效分析儀器。第五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三色譜法的分類①按物理狀態(tài)分類根據(jù)流動(dòng)相的物態(tài)：氣相色譜法(GC)和液相色譜法(LC)根據(jù)固定相的物態(tài)：氣-固色譜法、氣-液色譜法、液-固色譜法、液-液色譜法②按操作的形式分類(1)柱色譜、(2)紙色譜、(3)薄層色譜③按分離機(jī)理分類(1)吸附色譜(2)分配色譜、(3)離子交換色譜(4)凝膠色譜第六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三第七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三3.色譜法的特點(diǎn)(1)高選擇性、(2)高效能、(3)高靈敏度可以分析質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-6～10-9數(shù)量級、檢出限量低至10-1lg的物質(zhì)，適于微量和痕量分析4.色譜法的應(yīng)用(1)色譜分析廣泛應(yīng)用于極為復(fù)雜的混合物成分分析；(2)液相色譜法，在糖類、氨基酸、農(nóng)藥、染料、貴金屬、有機(jī)金屬化合物等方面得到了廣泛的應(yīng)用。(3)色譜分離是一種非常有效的提純物質(zhì)的技術(shù)，常用于制備分離，得到高純樣品。(4)色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀已成為研究分子結(jié)構(gòu)的重要手段。第八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三

氣相色譜分析(GasChromatography,GC)（一）氣相色譜法的特點(diǎn)①高效能(分離)填充柱都有幾千塊理論塔板(n)毛細(xì)管柱可達(dá)104塊～105塊理論塔板(n)，可以分析沸點(diǎn)十分相近的組分和極為復(fù)雜的多組分混合物②高選擇性可分離同系物、同分異構(gòu)化合物。第九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三③高靈敏度可以檢測出10-11g～10-13g物質(zhì)大氣污染物分析：可以直接檢出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-9數(shù)量級的痕量毒物農(nóng)藥殘留物的分析：可以檢出農(nóng)副產(chǎn)品、食品、水質(zhì)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-6～10-9數(shù)量級的氯、硫、磷化合物④分析速度快一般分析可在幾分到幾十分鐘內(nèi)可以完成，某些快速分析1s內(nèi)可以分析數(shù)個(gè)組分。第十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三氣相色譜法分類

氣相色譜：氣體（稱為載氣）按分離柱內(nèi)徑：填充柱色譜

毛細(xì)管柱(<1mm)色譜按固定相：氣-固色譜(吸附）

氣-液色譜(分配）第十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三（二）氣相色譜法的基本概念1．色譜常用術(shù)語①色譜圖各組分的濃度(或信號)隨流出時(shí)間而分布的曲線稱為色譜曲線，常稱為色譜曲線圖或色譜圖。第十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三②基線沒有試樣進(jìn)入檢測器時(shí)，記錄儀記錄的是一條直線，這條直線稱為基線。噪音：使基線發(fā)生細(xì)小的波動(dòng)的現(xiàn)象?；€是在實(shí)驗(yàn)操作條件下，反映檢測器系統(tǒng)噪聲隨時(shí)間變化的曲線。①色譜峰的高度、寬度、半峰寬度★★峰高(h)：峰高h(yuǎn)指色譜峰最高點(diǎn)到基線的距離，一般用cm為單位。第十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三★★峰寬(Y)與半峰寬(Y1/2)從色譜峰兩側(cè)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(拐點(diǎn))(0.607h處）作切線，在基線上的截距叫峰底寬(Y)；簡稱峰寬；峰高一半（0.5h)處色譜峰的寬度叫半峰寬(Y1/2)

。由于色譜峰頂呈圓孤形，色譜峰的半峰寬并不等于峰底寬的一半。第十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三★★保留時(shí)間(tR):是指被測組分從進(jìn)樣開始到柱后出現(xiàn)濃度最大值時(shí)所需的時(shí)間，=組分在流動(dòng)相中停留的時(shí)間+在固定相中所停留的時(shí)間★★調(diào)整保留時(shí)間(tR′)：組分的保留時(shí)間與死時(shí)間t0的差值：tR′=tR-t0它表示與固定相發(fā)生作用的組分比流動(dòng)相在色譜柱中多滯留的時(shí)間，實(shí)際上是組分在固定相中所滯留的凈時(shí)間。第十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三

★★相對保留值r2,1

組分2與組分1調(diào)整保留值之比：

相對保留值只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。第十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三（三）氣相色譜法的基本理論1.塔板理論假設(shè)：將一根色譜柱視為一個(gè)精餾塔色譜柱是由一系列連續(xù)的、水平的塔板構(gòu)成每一塊塔板的高度為H組分氣體以脈沖的方式進(jìn)入塔板組分在每一塊塔板上迅速達(dá)到分配平衡分配系數(shù)在各塔板上是常數(shù)氣體的縱向擴(kuò)散可以忽略不計(jì)第十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三氣相色譜分離過程沖洗次數(shù)（n)n次吸附-解吸附的分配平衡過程第十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三★★分配系數(shù)(K):當(dāng)組分在流動(dòng)相和固定相兩相中達(dá)到分配平衡時(shí)，組分在兩相中的濃度之比，稱為分配系數(shù)(K)：K↑，在固定相中的溶解度或吸附能力↑，組分在固定相中的量↑，在流動(dòng)相中的量↓。K↑進(jìn)入固定相的組分↑，組分在固定相中滯留的時(shí)間越長，流出色譜柱所需的時(shí)間(tR)也就越長。組分在固定相中的質(zhì)量濃度(g·mL-1)組分在流動(dòng)相中的質(zhì)量濃度(g·mL-1)第十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三★★分配比(k)定義：分配比是在一定溫度、壓力下，組分在兩相間達(dá)到分配平衡時(shí)，兩相間組分的質(zhì)量比：k=Ms/Mm=CsVs/CmVm=K/β分配比又稱為容量因子或容量比分配比k的大小由下式計(jì)算：通過實(shí)驗(yàn)來測定分配比k的數(shù)值（所以比K應(yīng)用多）k值越大，保留時(shí)間越長。k=0的組分，其保留時(shí)間即為死時(shí)間。第二十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三①色譜峰的形狀理論上：應(yīng)得到正態(tài)分布的平滑曲線第二十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三②混合組分的分離第二十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三③色譜柱的柱效能塔板高度：

H=L/n理論塔板數(shù)色譜柱長★★同長度的色譜柱塔板數(shù)n越多，塔板高度H越小，分離效果越好。色譜柱的理論塔板數(shù)按下式計(jì)算：第二十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三★★保留時(shí)間越長，Y或Y1/2越小，色譜峰越窄，理論塔板數(shù)越多，組分在兩相間達(dá)到分配平衡的次數(shù)也越多，分離能力越強(qiáng)，柱效也就越高。例4.2.2某色譜柱長2.1m，測得某組分的保留時(shí)間為5min42s，在色譜紙上量得色譜峰的寬度為1.2cm，已知紙速為2cm·min-1，求塔板高度。

解：將色譜峰的寬度換算成時(shí)間：第二十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三答：塔板高度為1.45cm。第二十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三有效塔板數(shù)：使用調(diào)整保留時(shí)間tR′計(jì)算塔板數(shù)：有效塔板數(shù)扣除了死時(shí)間的影響，較為真實(shí)地反映了柱效能的好壞。塔板理論的優(yōu)點(diǎn)：理論直觀，能解釋流出曲線的形狀和濃度極大點(diǎn)(色譜峰)的位置，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)：理論建立在幾點(diǎn)假設(shè)之上，不能解釋塔板高度量受哪些因素的影響，也不能指出降低塔板高度的途徑。第二十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三2.速率理論范第姆特方程式：H=A+B/U+CU☆☆☆式中：U為流動(dòng)相平均線速度，A為渦流擴(kuò)散項(xiàng)，B/U為分子擴(kuò)散項(xiàng)，CU為傳質(zhì)阻力項(xiàng)。減少A，B/U，CU三項(xiàng)的值，可以降低塔板高度量，減少色譜峰的擴(kuò)張，提高柱效。第二十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三固定相填充不規(guī)則因子固定相顆粒直徑多徑擴(kuò)散項(xiàng)第二十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三縱向擴(kuò)散項(xiàng)組分在流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)(1)與載氣分子量(和粘度)成反比(2)與柱溫成正比第二十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三傳質(zhì)擴(kuò)散項(xiàng)在吸附-解吸附移動(dòng)過程中通過氣相(流動(dòng)相)和液相(固定液)及其界面所受的阻力固定液液膜厚度組分在固定液中的擴(kuò)散系數(shù)組分在流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)第三十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三流速對柱效的影響H=A+B/U+CU第三十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三A，B/U，CU越小，色譜柱的塔板高度H越小，柱效率越高。改善柱效率的因素：★選擇顆粒較小的均勻填料★★選用較低的柱溫操作★★★降低擔(dān)體表面固定相液層的厚度★★★★選用合適的載氣及載氣流速：流速較小時(shí)，分子擴(kuò)散項(xiàng)成為色譜峰擴(kuò)張的主要因素，宜用相對分子質(zhì)量較大的載氣；流速較大時(shí)，傳質(zhì)項(xiàng)為控制因素，宜用相對分子質(zhì)量較小的載氣。范第姆特方程H=A+B/U+CU第三十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三*氣相色譜固定相1．氣-固色譜固定相:有較大的比表面積，吸附性較強(qiáng)

活性炭

活性氧化鋁：有較大的極性

硅膠分子篩:堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性

高分子多孔微球（GDX):新型的有機(jī)合成固定相（苯乙烯與二乙烯苯共聚）

第三十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三*氣固色譜固定相的特點(diǎn)（1）性能與制備和活化條件有很大關(guān)系；（2）同一種固定相，不同廠家或不同活化條件，分離效果差異較大；（3）種類有限，能分離的對象不多；(不如氣液固定相）（4）使用方便。第三十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三2．氣-液色譜固定相

第三十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三(1).擔(dān)體（硅藻土）:化學(xué)惰性的多孔性固體顆粒，具有較大的比表面積A.紅色擔(dān)體：孔徑較小，表孔密集，比表面積較大，機(jī)械強(qiáng)度好。適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。缺點(diǎn)是表面存有活性吸附中心點(diǎn)。

B.白色擔(dān)體：煅燒前原料中加入了少量助溶劑(碳酸鈉)。顆粒疏松，孔徑較大。表面積較小，機(jī)械強(qiáng)度較差。但吸附性顯著減小，適宜分離極性組分的試樣。第三十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三(2).固定液

高沸點(diǎn)難揮發(fā)(在操作溫度下)有機(jī)化合物，種類繁多。固定液的種類繁多，選擇余地大，應(yīng)用范圍比氣固色譜固定相大。

*對固定液的要求:應(yīng)對被分離試樣中的各組分具有不同的溶解能力，較好的熱穩(wěn)定性，并且不與被分離組分發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。*選擇的基本原則:

“相似相溶”，選擇與試樣性質(zhì)(極性)相近的固定液.P148固定相的選擇和出峰順序.第三十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三（四）色譜分離的效果分離度R及其計(jì)算①定義式：兩相鄰組分保留時(shí)間之差與兩峰底寬度和之半的比值：色譜柱的選擇性越強(qiáng)，兩組分的色譜峰相距越遠(yuǎn),色譜峰越窄,柱效能越高。第三十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三R＝1時(shí)，分離程度為98.7%R＝1.5時(shí)，分離程度可達(dá)99.7%R＝1.5作為完全分開的標(biāo)志第三十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三②色譜分離基本方程式由上式可知：(1)增加塔板數(shù)可以提高分離度(2)相對保留值γ2,1增大(兩組分的K或k相差越大)，能顯著地提高分離度兩根同種色譜柱的相互關(guān)系式：第四十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三例在一根1m長的色譜柱上測得兩組分的分離度為0.68,要使它們完全分離以(R=1.5),則柱長應(yīng)為多少？解：第四十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三（五）氣相色譜儀1.氣相色譜議的基本部件與作用氣相色譜儀的流程：載氣系統(tǒng)→進(jìn)樣系統(tǒng)→分離系統(tǒng)→檢測系統(tǒng)→記錄系統(tǒng)共五個(gè)主要組成部分第四十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三2.氣相色譜檢測器氣相色譜檢測器可分為濃度型檢測器與質(zhì)量型檢測器：濃度型檢測器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比，質(zhì)量型檢測器的響應(yīng)值和單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測器的質(zhì)量成正比。常用的濃度型檢測器有：熱導(dǎo)池檢測器(TCD)、電子捕獲檢測器(ECD)常用的質(zhì)量型檢測器有：氫火焰電離檢測器(FID)、火焰光度檢測器(FPD)第四十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三①熱導(dǎo)池檢測器的結(jié)構(gòu)及測量原理熱導(dǎo)檢測器的依據(jù)是組分和載氣分別具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，操作容易，靈敏度適中，對無機(jī)試樣和有機(jī)試樣都能響應(yīng)，是應(yīng)用最廣泛、最成熟的一種通用型檢測器。第四十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三②氫火焰檢測器的結(jié)構(gòu)原理特點(diǎn)：靈敏度比熱導(dǎo)池檢測器高出三個(gè)數(shù)量級，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、應(yīng)用廣泛，適宜于痕量分析。離子化機(jī)理：有機(jī)物在氫火焰中發(fā)生化學(xué)電離，離子流電流火焰中的正離子以H3O+最多，約占90%；其他還有CHO+，CH3O+，C3H+等。對在氫火焰中不電離的無機(jī)化合物，例如CO，CO2，SO2，N2等，不能進(jìn)行檢測。第四十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三電子捕獲檢測器

高選擇性檢測器，僅對含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的靈敏度，檢測下限10-14g/mL，對大多數(shù)烴類沒有響應(yīng)。

較多應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品、食品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留量的測定。第四十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三具有定性功能的檢測器（聯(lián)用技術(shù)）

色譜-質(zhì)譜；色譜-紅外;色譜-原子吸收等。

質(zhì)譜作為色譜的檢測器使用需要解決四個(gè)問題：（1）色譜柱出口壓力與質(zhì)譜儀高真空之間的匹配；（2）試樣組分與載氣的分離；（3）質(zhì)譜對色譜流出峰的快速測定（電子計(jì)算機(jī)解決）；（4）質(zhì)譜儀的小型化（小型化的質(zhì)量分析器）。第四十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三（六）氣相色譜分析1.氣相相色譜的定性方法依據(jù)：利用色譜圖確定各色譜峰所代表的化合物。常用的方法：純物質(zhì)對照定性、利用保留值tR定性。第四十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三2.氣相色譜定量方法依據(jù)：在一定的條件下，被測組分i的質(zhì)量mi或其在載氣中的濃度與檢測器的響應(yīng)信號(色譜上表現(xiàn)為峰面積Ai或峰高Hi)成正比：①色譜峰面積測量方法★★★對稱峰★★★不對稱峰

第四十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三②定量校正因子（不能用峰面積直接代替濃度來進(jìn)行定量，還必須乘上定量校正因子fi)★★★物理意義是每單位峰面積所代表物質(zhì)的多少★★★絕對校正因子（除與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)外，還受測定條件的影響）在一定的操作條件下，組分i的進(jìn)樣量m與峰的面積Ai成正比：絕對校正因子第五十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三絕對校正因子fi的大小主要由操作條件和儀器的靈敏度所決定；當(dāng)操作條件波動(dòng)時(shí)，fi也發(fā)生變化。故fi無法直接應(yīng)用，定量分析時(shí)，一般采用相對校正因子?！铩铩锵鄬πＵ蜃佣x：規(guī)定某一個(gè)組分為標(biāo)準(zhǔn)物(直接加入到待測樣品中)，計(jì)算待測組分的絕對校正因子與此標(biāo)準(zhǔn)物絕對校正因子的比值。第五十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三例4.2.8準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的色譜純對二甲苯、甲苯、苯及仲丁醇，混合后稀釋，采用氫焰檢測器，定量進(jìn)樣并測量各物質(zhì)所對應(yīng)的峰面積，數(shù)據(jù)如下：物質(zhì)苯仲丁醇甲苯對二甲苯m/μg0.47200.63250.81490.4547A/cm22.603.404.102.20以仲丁醇為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算各物質(zhì)的相對質(zhì)量校正因子。第五十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三法1：法2：同理：第五十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三③定量計(jì)算方法歸一化法、內(nèi)標(biāo)法、內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法、外標(biāo)法等★★★歸一化法設(shè)有幾個(gè)組分，每個(gè)組分的質(zhì)量分別為m1,m2,m3…，測得色譜峰的面積分別為：A1，A2，A3，…。各組分的絕對校正因子為：設(shè)以第二個(gè)組分為標(biāo)準(zhǔn)物，則各組分的相對校正因子為：第五十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和等于1，即：優(yōu)點(diǎn)：歸一化法很直觀，容易接受，計(jì)算簡便、準(zhǔn)確，當(dāng)操作條件如進(jìn)樣量、流速等發(fā)生變化時(shí)，對計(jì)算結(jié)果的影響很小，是一種常用的計(jì)算方法。缺點(diǎn)是：必需所有組分都出峰。第五十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三★內(nèi)標(biāo)法當(dāng)只需測定試樣中某幾個(gè)組分，或試樣中所有組分不可能全部出峰時(shí)，可采用內(nèi)標(biāo)法。內(nèi)標(biāo)法是將一定質(zhì)量的純物質(zhì)(非被測組分的純物質(zhì))作為內(nèi)標(biāo)物，加入到準(zhǔn)確稱取的試樣中，根據(jù)內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量及其之在色譜圖上相應(yīng)峰面積比，求出被測組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為常數(shù)第五十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三設(shè)樣品的質(zhì)量為m樣，則待測組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為選擇內(nèi)標(biāo)物應(yīng)遵循的原則：試樣中不存在的純物質(zhì)，否則會使色譜峰重疊而無法準(zhǔn)確測定試樣的色譜峰面積；內(nèi)標(biāo)物的物理及物理化學(xué)性質(zhì)應(yīng)與被測物相近，當(dāng)操作條件發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)標(biāo)物與被測物均受到相應(yīng)的影響兩者相對校正因子基本不變；色譜峰位于被測物色譜峰的附近，且能與被測物色譜峰完全分離；內(nèi)標(biāo)物的濃度應(yīng)與被測物的濃度相近。第五十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三例4.2.9取二甲苯生產(chǎn)母液1500mg