第二章氣相色譜分析

第二章氣相色譜分析第1頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容2-1什是色譜法和分類2-2氣相色譜法的原理2-3氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)2-4色譜柱2-5檢測器2-6色譜條件的選擇2-7色譜結(jié)果分析2-8氣相色譜定性定量方法第2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2-1什么是色譜法和分類第3頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月重現(xiàn)1903年俄羅斯植物學(xué)家Tsweet茨維特植物提取液CaCO3玻璃柱石油醚淋洗石油醚色譜色：顏色譜：圖譜1906年茨維特論文發(fā)表第4頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月色譜法是一種分離技術(shù)，試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進(jìn)行著的分配過程。其中的一相固定不動，稱為固定相；另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體（氣體或液體），稱為流動相。1、什么色譜法第5頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月色譜法是一種分離方法，它利用物質(zhì)在兩相中分配系數(shù)的微小差異進(jìn)行分離。當(dāng)兩相做相對移動時(shí)，使被測物質(zhì)在兩相之間進(jìn)行多次分配，這樣原來的微小差異產(chǎn)生了很大的效果，使各組分分離，以達(dá)到分離分析及測定一些物理化學(xué)常數(shù)的目的。原理：利用混合物在固定相和流動相之間的分配差異達(dá)到分離的方法。第6頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月如何理解色譜法色譜法是一種分離方法。原理：利用混合物在固定相和流動相之間的分配差異達(dá)到分離的方法。主要有2點(diǎn)：一是要有兩相，二是要有差異。兩相：固定相和流動相具體到氣相色譜：固定相就是色譜柱(column)，流動相就是氣體或者稱為載氣(carriergas)。差異就是指分配系數(shù)的差異。第9頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、色譜法的特點(diǎn)（1）分離效率高

復(fù)雜混合物，有機(jī)同系物、異構(gòu)體。手性異構(gòu)體。（2）靈敏度高

可以檢測出μg.g-1(10-6)級甚至ng.g-1(10-9)級的物質(zhì)量。（3）分析速度快

一般在幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)可以完成一個(gè)試樣的分析。（4）應(yīng)用范圍廣

氣相色譜：沸點(diǎn)低于400℃的各種有機(jī)或無機(jī)試樣的分析。液相色譜：高沸點(diǎn)、熱不穩(wěn)定、生物試樣的分離分析。不足之處：

被分離組分的定性較為困難。第10頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月流動相氣相色譜液相色譜氣體液體超臨界填充柱色譜毛細(xì)管色譜分配色譜離子色譜排阻等等等1903年分離植物色素液固色譜3、色譜法分類第11頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2-2氣相色譜法的原理第12頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月同時(shí)起跑先后到達(dá)終點(diǎn)什么原因？色譜柱是各組分的跑道技巧/體能/狀態(tài)各組分何技巧？1、分離過程：組分賽跑第13頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、色譜分離過程

色譜分離過程是在色譜柱內(nèi)完成的。

氣固色譜的分離機(jī)理:

吸附與脫附的不斷重復(fù)過程；氣液色譜的分離機(jī)理：

氣液(液液)兩相間的反復(fù)多次分配過程。2、分離原理：兩相分配第14頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月分配系數(shù)（partionfactor）K

組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過程叫做分配過程。在一定溫度下，組分在兩相間分配達(dá)到平衡時(shí)的濃度（單位：g/mL）比，稱為分配系數(shù)，用K表示，即：分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。氣－固色譜吸附－脫附氣－液色譜溶解－揮發(fā)第15頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；試樣一定時(shí)，K主要取決于固定相性質(zhì)，柱溫每個(gè)組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣中的各組分具有不同的K值是分離的基礎(chǔ)；某組分的K=0時(shí)，即不被固定相保留，最先流出。第16頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月塔板理論的假設(shè)：1）塔板之間不連續(xù)；2）塔板之間無分子擴(kuò)散；3）組分在各塔板內(nèi)兩相間的分配瞬間達(dá)至平衡，達(dá)一次平衡所需柱長為理論塔板高度H；4）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)相同；5）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個(gè)一個(gè)的塔板體積加入。塔板理論半經(jīng)驗(yàn)理論；將色譜分離過程比擬作蒸餾過程，將連續(xù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復(fù)（類似于蒸餾塔塔板上的平衡過程）；3、塔板理論（platetheory）第17頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月r=5,k=1載氣板體積數(shù)01234柱出口n=01.000

0.00010.5000.500

0.00020.2500.5000.250

0.00030.1250.3750.3750.125

0.00040.0630.2500.3750.2500.0630.00050.0310.1560.3130.3130.1560.03160.0160.0940.2340.3130.2340.078第18頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

色譜柱長：L，虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的理論塔板數(shù)：n，則三者的關(guān)系為：

n=L/H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：保留時(shí)間包含死時(shí)間，在死時(shí)間內(nèi)不參與分配!第20頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月有效塔板數(shù)和有效塔板高度

單位柱長的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。用不同物質(zhì)計(jì)算可得到不同的理論塔板數(shù)。組分在tM時(shí)間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：第21頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月塔板理論的特點(diǎn)和不足(1)當(dāng)色譜柱長度一定時(shí)，塔板數(shù)n越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。

(2)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標(biāo)時(shí)，應(yīng)指明測定物質(zhì)。(3)柱效不能表示被分離組分的實(shí)際分離效果，當(dāng)兩組分的分配系數(shù)K相同時(shí)，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。(4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。第22頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月分離度R=0.75?不完全分離R

=1.0峰A中含有4%的BRs=1.5?基本完全分離保留時(shí)間之差底峰寬的均值第23頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2-3氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)第24頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月氣相色譜結(jié)構(gòu)流程1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；9-熱導(dǎo)檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；載氣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)第28頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1、載氣系統(tǒng)包括氣源、凈化干燥管和載氣速度控制；常用的載氣有：氫氣、氮?dú)?、氦氣；凈化干燥管：去除載氣中的水、有機(jī)物等雜質(zhì)（依次通過分子篩、活性炭等）；載氣流速控制：壓力表、流量計(jì)、針形穩(wěn)壓閥，控制載氣流速恒定。第29頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼瓶與氣路連接除氧除水管第30頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月液體試樣采用色譜微量進(jìn)樣器進(jìn)樣，規(guī)格有1μL，5μL，10μL等。進(jìn)樣量應(yīng)控制在柱容量允許范圍及檢測器線性檢測范圍之內(nèi)。進(jìn)樣要求動作快、時(shí)間短。氣體試樣應(yīng)采氣體進(jìn)樣閥進(jìn)樣。進(jìn)樣方式和進(jìn)樣量的選擇2、進(jìn)樣裝置進(jìn)樣裝置：進(jìn)樣器+氣化室

第31頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2-4色譜柱第32頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月儀器中毛細(xì)管柱進(jìn)樣器與柱的接口第33頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月填充柱毛細(xì)管柱(開管柱)內(nèi)徑粗3-5mm柱長1-3m/常用不銹鋼內(nèi)徑細(xì)0.2-0.5mm柱長20-100m/常用石英第34頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月填充柱色譜柱：色譜儀的核心部件。柱材質(zhì)：不銹鋼管或玻璃管，內(nèi)徑3-6毫米。長度可根據(jù)需要確定。柱填料：粒度為60-80或80-100目的色譜固定相。

液-固色譜：固體吸附劑液-液色譜：擔(dān)體+固定液柱制備對柱效有較大影響，填料裝填太緊，柱前壓力大，流速慢或?qū)⒅滤?，反之空隙體積大，柱效低。

第35頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月毛細(xì)管柱是目前GC的主流主要為開管柱opentubularcolumn管內(nèi)壁涂漬固定液，無載體空心管主要特點(diǎn)分離能力強(qiáng)適用更復(fù)雜對象分析時(shí)間快柱容量小高載氣流速進(jìn)樣量小/分流第36頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月5.溫度控制系統(tǒng)

溫度是色譜分離條件的重要選擇參數(shù)，氣化室、分離室、檢測器三部分在色譜儀操作時(shí)均需控制溫度；氣化室：保證液體試樣瞬間氣化；檢測器：保證被分離后的組分通過時(shí)不在此冷凝；

分離室：準(zhǔn)確控制分離需要的溫度。當(dāng)試樣復(fù)雜時(shí)，分離室溫度需要按一定程序控制溫度變化，各組分在最佳溫度下分離；第37頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2-5檢測器

第38頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

色譜儀的眼睛通常由檢測元件、放大器、顯示記錄三部分組成；被色譜柱分離后的組分依次進(jìn)入檢測器，按其濃度或質(zhì)量隨時(shí)間的變化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖；

第39頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)理想的檢測器-靈敏度高-穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好-對樣品無損檢測-通用性好，對所有樣品都有響應(yīng)-線性響應(yīng)范圍寬however第40頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測器類型濃度型檢測器：

測量的是載氣中通過檢測器組分濃度瞬間的變化，檢測信號值與組分的濃度成正比。熱導(dǎo)檢測器；質(zhì)量型檢測器：

測量的是載氣中某組分進(jìn)入檢測器的速度變化，即檢測信號值與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測器組分的質(zhì)量成正比。FID；廣普型檢測器：對所有物質(zhì)有響應(yīng)，熱導(dǎo)檢測器；專屬型檢測器：對特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)，電子俘獲檢測器；第41頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GC常用檢測器熱導(dǎo)檢測器氫火焰離子檢測器

電子捕獲檢測器火焰光度檢測器質(zhì)譜檢測器TCDthermalconductivitydetectorFPD

flamephotometricdetectorFID

hydrogenflameionizationdetectorMSD

massspectrumdetectorECD

electroncapturedetector第42頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1、氫火焰離子化檢測器（FID）

(1)典型的質(zhì)量型檢測器;(2)對有機(jī)化合物具有很高的靈敏度;(3)無機(jī)氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng);(4)氫焰檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn);(5)比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高出近3個(gè)數(shù)量級，檢測下限可達(dá)10-12g·g-1。第43頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電子捕獲檢測器ECD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45頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

通用性強(qiáng)，對所有樣品都有響應(yīng)常使用電子轟擊源(EI)配質(zhì)譜標(biāo)準(zhǔn)譜庫，進(jìn)行定性分析高靈敏度4、MSD第46頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2-6色譜條件的選擇第47頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月載氣流速載氣種類柱溫柱長與內(nèi)徑氣化溫度H2/N2/Ar低于固定液使用溫度略低于組分沸點(diǎn)固定液/固定相討論第48頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1、柱長和柱內(nèi)徑的選擇增加柱長對提高分離度有利（分離度R正比于柱長L2），但組分的保留時(shí)間tR

↑，且柱阻力↑，不便操作。柱長的選用原則是在能滿足分離目的的前提下，盡可能選用較短的柱，有利于縮短分析時(shí)間。填充色譜柱的柱長通常為1~3米。可根據(jù)要求的分離度通過計(jì)算確定合適的柱長或?qū)嶒?yàn)確定。柱內(nèi)徑一般為3~4厘米。第49頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、載氣流速的選擇由圖可見存在最佳流速（uopt）。實(shí)際流速通常稍大于最佳流速，以縮短分析時(shí)間。第50頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3、柱溫的確定首先應(yīng)使柱溫控制在固定液的最高使用溫度（超過該溫度固定液易流失）和最低使用溫度（低于此溫度固定液以固體形式存在）范圍之內(nèi)。柱溫升高，分離度下降，色譜峰變窄變高。柱溫↑，被測組分的揮發(fā)度↑，即被測組分在氣相中的濃度↑，K↓，tR↓，低沸點(diǎn)組份峰易產(chǎn)生重疊。柱溫↓，分離度↑，分析時(shí)間↑。對于難分離物質(zhì)對，降低柱溫雖然可在一定程度內(nèi)使分離得到改善，但是不可能使之完全分離，這是由于兩組分的相對保留值增大的同時(shí)，兩組分的峰寬也在增加，當(dāng)后者的增加速度大于前者時(shí)，兩峰的交疊更為嚴(yán)重。柱溫一般選擇在接近或略低于組分平均沸點(diǎn)時(shí)的溫度。組分復(fù)雜，沸程寬的試樣，采用程序升溫。第51頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月程序升溫第52頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2-7色譜結(jié)果分析第53頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月基線進(jìn)樣峰、空氣峰、組分峰死時(shí)間tM保留時(shí)間tR、相對保留時(shí)間tR’峰高h(yuǎn)標(biāo)準(zhǔn)差σ半峰寬Y1/2峰底寬Yb第54頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1、色譜流出曲線與術(shù)語（1）基線

無試樣通過檢測器時(shí)，檢測到的信號即為基線。（2）用時(shí)間表示保留值

保留時(shí)間（tR）：組分從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時(shí)所需的時(shí)間；死時(shí)間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時(shí)間；

調(diào)整保留時(shí)間（tR

＇）：tR＇=tR－tM

第55頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）用體積表示的保留值

保留體積（VR）：

VR=tR×F0F0為柱出口處的載氣流量，單位：mL/min。死體積（VM）：

VM=tM×F0

調(diào)整保留體積(VR＇)：

V

R＇=VR－VM

第56頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月（4)相對保留值r21組分2與組分1調(diào)整保留值之比：

r21=t′R2

/t′R1=V′R2/V′R1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57頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)區(qū)域?qū)挾?/p>

用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標(biāo)準(zhǔn)偏差(

)：即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2)：色譜峰高一半處的寬度Y1/2=2.354

（3）峰底寬(Wb)：Wb=4

第58頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2-8氣相色譜定性定量方法

第59頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月純標(biāo)準(zhǔn)樣對照文獻(xiàn)值對照儀器聯(lián)用定性保留值標(biāo)樣加入雙柱定性相對保留值保留指數(shù)GC-MSGC-NIR身高法找人！流