第2章 气相色谱法ppt课件.ppt

1,第3章 色谱理论基础与气相色谱法,2,3.1 色谱法概述,混合物最有效的分离、分析方法。俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置：色谱原型装置.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称之为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。,3,色谱法 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。,两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础,4,色谱过程,分配系数的微小差异吸附能力的微小差异 微小差异积累较大差异吸附能力弱的组分先流出；吸附能力强的组分后流出,5,3.1 色谱法的特点和分类,1 分类：按两相分子的聚集状态分：,流动相 固定相 类型,6,按固定相的固定方式分：,按分离机制分：,7,色谱法简单分类,8,2色谱法的特点（1）分离效率高（2）灵敏度高 可检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)（3）分析速度快 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。,9,3.1.2 色谱基本参数与色谱曲线的表征 流出曲线和色谱峰,流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线色谱峰：流出曲线上突起部分,10,不对称因子,fs在0.951.05之间,fs小于0.95,fs大于1.05,11,2基线（baseline）：当色谱柱后没有待测组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪音随时间变化的曲线。噪音（baseline noise）：各种因素引起的基线起伏。漂移（baseline drift）：基线随时间定向的缓慢变化。,12,3保留值（retention value）：用于表征试样组分被固定相滞留程度的参数,保留值越大，表明组分在固定相中停留的时间越长，即组分与固定相之间具有较大的作用力。,如果某组分不被固定相滞留，则仅流经分离柱中颗粒之间的空隙体积，则在最短时间内流出。,保留值受色谱分离过程中的热力学因素控制，可以用时间或体积值表示。,13,死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；调整保留时间（tR）：tR=tRtM,（1）时间表示的保留值,保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；,14,（2）用体积表示的保留值,保留体积（VR）：VR=tRF0 F0为柱出口处的载气流量，单位：ml/min。,死体积（VM）：VM=tMF0 调整保留体积(VR)：VR=VRVM,15,3相对保留值r2，1（选择性系数）：某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比。,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。,16,区域宽度（peak width）：色谱柱效参数,标准差：正态分布色谱曲线两拐点距离的一半。对应0.607h处峰宽的一半 注：小，峰窄，柱效高半峰宽Y1/2：峰高一半处所对应的峰宽峰底宽度Wb：正态分布色谱曲线两拐点切线与基线相交的截距,17,5色谱峰高和峰面积 定量参数,峰高（h）组分在柱后出现浓度极大时的检测信号，即色谱峰顶致基线的距离。峰面积（A）色谱曲线与基线间包围的面积,18,3.2 色谱理论基础,色谱理论需要解决色谱分离过程中的热力学和动力学两个方面的问题，即影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效评价指标及柱效与色谱参数间的关系等。组分的保留时间受色谱过程的热力学因素控制（温度及流动相和固定液的结构与性质），而色谱峰变宽则受色谱过程的动力学因素控制（组分在两相中的运动情况）。,19,3.2.1 气相色谱分离过程中的基本关系式,气相色谱柱分为填充柱和毛细管柱。填充柱中使用的固定相：固体吸附剂颗粒、表面涂敷固定液的颗粒。当固定相为固体吸附剂颗粒时，固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同是分离的基础；当采用固定液时，试样中各组分在流动相和固定液两相间分配的差异则是分离的依据。,20,气相色谱分离过程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。,21,1.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：,分配系数是色谱分离的依据。,22,一定温度下，组分的分配系数K越大（即在固定相中的含量大），出峰越慢；试样一定时，K主要取决于固定相性质；组分在不同性质固定相上的分配系数K的差异越小，分离越困难，因而选择适宜的固定相，使组分间分配系数的差别增大，可显著改善分离效果；试样中的各组分在某一固定相上具有不同的K值是色谱分离的前提条件；某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。,23,2分配比（partition radio）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；容量比；,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。分配系数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。分配比可以由实验测得。,24,3分配系数和容量因子的关系,填充柱相比：635；毛细管柱的相比：501500。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；VS为固定相体积。气-液色谱柱：VS为固定液体积；气-固色谱柱：VS为吸附剂表面容量；,=Vm/Vs为相比,25,4分配比与保留时间的关系,滞留因子（retardation factor）：,us：组分在分离柱内的线速度；u：流动相在分离柱内的线,Rs取决于组分与固定相之间的作用力，与组分在两相中存在的量有关。,滞留因子RS也可以用质量分数表示：,26,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：,27,色谱分离前提,注：应选择合适分离条件使得难分离的组分K不等,2）色谱条件（s，m，T）一定时，K一定 tR一定,各组分分配系数不等,28,5分配系数与分离温度的系数,对于一定的溶质和固定相，溶质的分配系数与分离温度的关系：a，b为常数，Tc为分离时的热力学温度 分离温度越高，分配系数越小，即溶质在流动相中的浓度越大，保留时间越短。,29,6分离因子,分离因子（也称为选择因子）为两物质的调整保留时间（或分配系数）的比值，可用来衡量两物质的分离程度，用表示。分离因子仅考虑了色谱过程中的热力学因素，而没有考虑分离过程中的动力学因素，即色谱峰的变宽，故不能反映两物质的实际分离情况。,30,7色谱流出曲线的数学描述,色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间（t）的关系可以用下式描述：,31,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,塔板理论的假设：(1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；(2)将载气看作成脉动（间歇）过程；(3)试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4)每次分配的分配系数相同.,3.2.2 塔板理论-柱分离效能指标,32,质量分配和转移,单一组分B（kB=0.5）的分配和转移 设色谱柱的塔板数n=5，即r=0、1、2、3、4（或n-1）号。将单位质量的B加到第0号塔板上。分配平衡后，0号塔板内ms/mm0.333/0.667。进入一个塔板体积的流动相（一次转移）。,33,34,经过N次转移后，质量分布符合二项式(ms+mm)N的展开式。,如N=3，展开式为：(0.333+0.667)3=0.037+0.222+0.444+0.296,0 1 2 3号,在固定相和流动相中的质量分布由k(K)决定,35,转移N次后，第r号塔板中的质量Nmr：,例：转移3次后，在第2号塔板内的溶质分数,36,组分B(kB=0.5)在n=5的色谱柱内及出口的分布 N r 0 1 2 3 4 柱出口 0 1 0 0 0 0 0 1 0.333 0.667 0 0 0 0 2 0.111 0.444 0.445 0 0 0 3 0.037 0.222 0.444 0.296 0 0 4 0.012 0.099 0.269 0.395 0.198 0 5 0.004 0.041 0.164 0.329 0.329 0.132 6 0.001 0.016 0.082 0.219 0.329 0.219 7 0 0.006 0.038 0.128 0.256 0.219 8 0 0.002 0.017 0.068 0.170 0.170 9 0 0 0.007 0.033 0.102 0.114 10 0 0 0.002 0.016 0.056 0.068,37,两组分的分离,A(kA=1)和B(kB=0.5)两组分,组分A(kA=1)在n=5的色谱柱内和出口的分布 N r 0 1 2 3 4 柱出口 0 1 0 0 0 0 0 1 0.5 0.5 0 0 0 0 2 0.25 0.5 0.25 0 0 0 3 0.125 0.375 0.375 0.125 0 0 4 0.063 0.250 0.375 0.250 0.063 0 5 0.032 0.157 0.313 0.313 0.157 0.032 6 0.016 0.095 0.235 0.313 0.235 0.079 7 0.008 0.056 0.165 0.274 0.274 0.118 8 0.004 0.032 0.111 0.220 0.274 0.137 9 0.002 0.018 0.072 0.166 0.247 0.137 10 0.001 0.010 0.045 0.094 0.207 0.124,38,组分B:k=0.5,当N=6和7时，柱出口产生B的浓度最大点。组分A：k=1，N=8和9时，柱出口处达到浓度最大点。,两组分开始分离，k小的组分B在柱后先出现浓度极大值,即先出柱。,一根色谱柱n=103以上，组分有微小的分配系数(容量因子)差别即可实现完全分离。分配系数(容量因子)不等是分离的前提。,39,二项式分布曲线以组分A在柱出口处的质量分数对N 作图。,k=1的组分从n=5色谱柱中的流出曲线图,N 柱出口 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0.032 6 0.079 7 0.118 8 0.137 9 0.137 10 0.124,40,理论塔板高度和理论塔板数,是色谱柱效参数。,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,41,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：,42,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。,43,(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。,44,速率方程（也称范.弟姆特方程式）,塔板高度,涡流扩散项,纵向扩散项,传质阻抗项,H=A+B/u+Cu,3.2.3 速率理论-影响柱效的因素,45,A涡流扩散项 流动相携带试样组分分子在分离柱中向前运动时，组分分子碰撞填充剂颗粒时改变方向，形成紊乱的涡流，使组分分子分子各自通过的路径不同，从而引起色谱峰的扩展。,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。,A=2dp dp：固定相的平均颗粒直径：固定相的填充不均匀因子,46,B/u 分子扩散项,B=2 D：弯曲因子，填充柱色谱，1。D：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）,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：D(M载气)-1/2；M载气，B值。,47,C u 传质阻力项,传质阻力包括流动相传质阻力Cm和固定相传质阻力Cs即：,k为容量因子；Dm、Ds为扩散系数。,减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。,48,流速与柱效最佳流速,A：不受u影响B/u：u,HCu：u,H,H-u曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。,49,速率理论的要点,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。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。,50,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。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。,51,3.2.4 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程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。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。,52,色谱分离中的四种情况的讨论：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，基本上完全离；柱效较低，K较大,但分离的不好；K小，柱效低，分离效果更差。,53,R=0.8：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度98%；R=1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）,54,令Wb(2)=Wb(1)=Wb（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：,55,第一项为动力学因素项，表现在色谱峰的宽度，由色谱柱性能决定。第二相为热力学因素项，决定于色谱峰间的距离。第三项为分配比项，影响组分的保留时间。提高分离度的最有效途径是改变和k值。,56,讨论（1）分离度与柱效 分离度与柱效的平方根成正比，r21一定时，增加柱效，可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。（2）分离度与r21 增大r21是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当r21增加一倍，需要的n有效减小10000倍。增大r21的最有效方法是选择合适的固定液。,57,例 在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为80秒和92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：r21=92/80=1.15 n有效=16R2r21/(r21-1)2=161.52(1.15/0.15)2=2117（块）L有效=n有效H有效=21170.1=211.7cm 即柱长为2.117米时，两组分可以得到完全分离。,58,例 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。,59,3.3 气相色谱仪3.3.1 气相色谱仪结构流程,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；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；,60,1.载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制与显示；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。,61,2.进样装置,进样装置：进样器+气化室；(1)阀进样器-气体样品的进样,62,(2)膜进样器-填充柱液体样品的进样,不同规格的专用注射器，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：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。温度通常控制在50500,63,3.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，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。柱填料：粒度为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，柱前压力大，流速慢或将 柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。,64,4.检测系统,通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；,常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；,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；,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，进行定性和定量分析。,65,5温度控制,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温度变化，各组分在最佳温度下分离；,66,3.3.2 气相色谱固定相1气固色谱固定相,(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，且能够分离臭氧。,67,(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。,68,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。,69,2气液色谱固定相,气液色谱固定相固定液+担体（支持体）：小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。（1）担体 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；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。,70,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。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。,71,72,酸洗法 除去载体表面的铁等金属氧化物。用于分析酸性化合物。,硅烷化法 将载体与硅烷化试剂反应，除去载体表面的硅醇基。分析形成氢键能力较强的化合物。,碱洗法 除去载体表面的Al2O3等酸性作用点。用于分析胺类等碱性化合物。,载体的钝化,73,（2）固定液 对固定液的要求,挥发性小，在操作温度下应具有较低的蒸气压，避免在长时间的载气流动下造成固定液的大量流失，使试样分析结果的重复性下降。,热稳定性好；,熔点不能太高，在室温下固定液不一定为液体，在使用温度下一定成液体状态,对试样中各组分有适当的溶解能力，具有高的选择性；,化学稳定性好，不与试样发生不可逆化学反应；,有合适溶剂溶解，是固定液能均匀涂敷在担体表面，形成液膜。,74,固定液的分类,化学分类：依据结构分类烃类：烷烃与芳烃，角鲨烷（异卅烷、C30H62)，标准非极性固定液。硅氧烷类：甲基、苯基、氰基、氟硅氧烷等，最通用聚醇：如聚乙二醇PEG20M，氢键型聚酯：丁二酸二乙二醇聚酯(PDEGS或DEGS),75,极性分类,用相对极性 P 来表示,q1(lgr1):苯与环己烷在,-氧二丙腈柱上的相对保留值的对数。q2(lgr2):角鲨烷柱上的相对保留值的对数。qx(lgrx):在待测柱上的相对保留值的对数。,76,相对极性Px分类：,-氧二丙腈：P=100角鲨烷：P=0其余：Px=0-100 分为5级020 0或1非和弱极性 角鲨烷、甲基硅橡胶21402中等极性 DNP、OV-1741603中等极性 氰基硅橡胶61804极性 聚乙二醇811005极性,-氧二丙腈,77,麦氏常数分类法:以物质m在待测固定液和非极性固定液(通常是沙鱼烷)中的保留指数之差值作为该固定液相对极性强弱的度量。,保留指数(I)：,Ix为待测组分的保留指数，z与z+n为正构烷烃对的碳原子数。规定正己烷、正庚烷及正辛烷为600、700及800,78,苯、丁醇、戊酮-2、硝基丙烷、吡啶五种物质在被测固定液与角鲨烷柱上保留指数的差值,分别以X，Y，Z，U，S表示.苯:I=I被测I角鲨烷=X 代表不同类型的作用力，苯代表电子给予体，丁醇代表质子给予体，戊酮-2代表定向偶极力，硝基丙烷代表电子接受体，吡啶代表质子接受体。这五个I以及它们的平均值，可以作为固定液极性的标度。其值越大，极性越强。,79,固定液的选择相似性原则,80,固定液的选择主要差别,组分极性差别较大：选用极性固定液。沸点差别较大：选用非极性固定液。例：苯与环己烷(苯80.1，环己烷80.7)。苯为弱极性，环己烷为非极性，极性差别是主要矛盾。非极性固定液很难分开。中等极性的固定液，如用邻苯二甲酸二壬酯，则苯的保留时间是环己烷的1.5倍。,81,固定液的选择麦氏常数,根据作用力例 正丁基乙基醚中杂质正丙醇的检查。希望正丙醇先出。醚是质子受体，醇是质子给体，Z值越大，固定液对质子受体（戊酮-2）的作用力越强，Y值越小，固定液对质子给体（丁醇）作用力越弱。应选择Z值大于Y值，即具有高Z/Y值的固定液。,82,3.3.3 气相色谱检测器,作用在色谱柱分离后的组分通过检测时，按其浓度或质量变化转换成相应的电信号。,1.检测器类型按应用对象可分为：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：对特定物质有高灵敏响应，电子俘获检测器；,83,根据检测原理的不同,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；,84,评价检测器性能的指标,（1）灵敏度（响应值）S 表示单位质量的物质通过检测器时，产生响应信号的大小。,Qmax允许的最大进样量,85,对于浓度型检测器,A：色谱峰面积（mAmin）m：进样质量（mg）qVF：色谱柱出口处的载气流量（mLmin-1）h：色谱峰高（mV）：该物质在流动相中的质量浓度（mgmL-1）,对于质量型检测器,86,（2）色谱检出限（D）与最小检出量（mmin）,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，单位时间或单位体积内进入检测器的最小物质量，定义为检测限（或该物质的最小检测量）。,87,检出限：,N：检测器的噪音（单位mV）S：检测器的灵敏度,热导检测器的检出限一般为10-5mgml-1，即每毫升载气中约有10-5mg溶质所产生的响应信号相当于噪音水平的3倍。氢火焰离子化检测器的检出限为10-12gS,质量型检测器的最小检出量：,浓度型检测器的最小检出量：,最小检出限：产生三倍噪音峰高时，色谱仪所需的进样量。,88,（3）线性度与线性范围检测器的线性度定义：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。检测器的线性范围定义：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。（4）响应时间检测器的响应时间是指进入检测器的某一组分的输出信号达到其真值得63%所需要的时间，与检测器的体积有关。检测器死体积越小，电路的延迟现象小，则响应速度快，响应时间一般应小于1s。,89,2热导检测器（TCD）,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，则连接在紧靠近分离柱出口处。,90,检测原理根据不同物质具有不同的热导系数。,进样前：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：无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。,91,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。,92,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SI3，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温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。,93,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。表某些气体与蒸气的热导系数（），单位：J/cms,94,注意常用氢气作载气，不通载气勿加桥电流；尽量采用低电流；浓度型检测器，峰面积定量时，需保持流速恒定。优点:结构简单、适用范围广（无机物，有机物），不破坏样品。缺点:灵敏度低，噪音大,95,3氢焰离子化检测器（FID）,特点典型的质量型检测器;对有机化合物具有很高的灵敏度;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;氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点;比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12gg-1。,96,氢焰检测器的结构,(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。,(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。,97,氢焰检测器的原理,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,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：CnHmCH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,98,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）；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。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。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,99,操作条件选择和注意事项,1）载气的选择：载气N2 燃气H2 助燃气空气2）使用温度：高于柱温501000C3）注意问题：质量型检测器，h u，以h定量，应保持u恒定（峰高定量依据）,100,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。,101,4.电子捕获检测器,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。,102,5.其他检测器,火焰光度检测器(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；热离子检测器(TID)氮、磷检测器；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；,103,流动相（载气）,氢气 氮气,分子量小，热导系数大，粘度小。常用于热导检测器。,要求：纯度在99.99%以上、净化选择：主要取决于检测器、色谱柱及分析要求。,扩散系数小，柱效比较高。除热导检测器以外的其它几种检测器中，多采用氮气作载气。,104,3.4 气相色谱分离操作条件的选择3.4.1 色谱柱及使用条件的选择,1.固定相的选择气液色谱，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。,105,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，出峰顺序需要实验确定。,106,2.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配比。,107,3.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13米，柱内径一般为34厘米。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。,108,4色谱柱装填与使用,空色谱柱装填前需要清洗和干燥。装填通常采用减压方式进行。装填的关键是均匀；装填太实，载气无法流过或柱压太高；装填太松，不能形成柱压，或使用过程中填料逐渐压缩形成部分空柱，影响分离效率。装填好的色谱柱必须经过预处理后才能使用。,109,5.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，无分离效果）范围之内。提高柱温，组分在两相间的传质速度加快，有利于降低塔板高度，缩短分析时间，但分子扩散加剧,导致柱效下降。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，分离度下降。,110,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。,111,程序升温,112,3.4.2 载气种类和流速的选择,1 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。,113,2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。,114,3.4.3 其它操作条件的选择,1.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。,115,2.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，在此瞬间气化；,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。,116,3.5色谱定性、定量分析方法,3.5.1 色谱定性鉴定方法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。,117,2.利用文献保留值定性 利用相对保留值r21定性 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。,118,3.保留指数又称Kovats指数()，是一种重现性较好的定性参数。测定方法：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如图所示：,119,120,4.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（GC-MS；LC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪；组分的结构鉴定,121,3.5.2 色谱定量分析方法,1.峰面积的测量（1）峰高（h）乘半峰宽（Y 1/2）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：A=1.064 hY1/2,122,（2）峰高乘平均峰宽法：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（Y0.15+Y0.85）/2（3）峰高乘保留时间法：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,123,2.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：mi=fiAi 绝对校正因子：比例系数fi，单位面积对应的物质量：fi=mi/Ai 定量校正因子与检测器响应值成倒数关系：fi=1/Si,124,相对校正因子fi：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