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第二章 气相色谱分析 §2-1 气相色谱法概述

第二章 气相色谱分析 §2-1 气相色谱法概述 色谱法 (chromatography) ：以试样 组分在固定相和流动相间的 溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据 而建立起来的各种 分离分析方法 称色谱法。 色谱柱： 进行色谱分离用的细长管。 固定相： （ stationary phase ） 管内保持固 定、起分离作用 的填充物。 流动相： （ mobile phase ） 流经固定相的空隙 或表面的 冲洗剂 。. 按固定相的几何形式分类： 1. 柱色谱法， 2. 纸色谱法，

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第二章 气相色谱分析 §2-1 气相色谱法概述

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  1. 第二章 气相色谱分析 • §2-1 气相色谱法概述 • 色谱法(chromatography)：以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。 • 色谱柱：进行色谱分离用的细长管。 • 固定相：（stationary phase）管内保持固 • 定、起分离作用的填充物。 • 流动相：（mobile phase）流经固定相的空隙 • 或表面的冲洗剂。

  2. 按固定相的几何形式分类： • 1.柱色谱法， • 2.纸色谱法， • 3.薄层色谱法 。 • 按两相所处的状态分类 ： 气-固色谱法 气相色谱法 气-液色谱法 液-固色谱法 液相色谱法 液-液色谱法

  3. 气相色谱仪通常由五部分组成： • Ⅰ 载气系统：气源、气体净化器、供气控 • 制阀门和仪表。 • Ⅱ 进样系统：进样器、汽化室。 • Ⅲ 分离系统：色谱柱、控温柱箱。 • Ⅳ 检测系统：检测器、检测室。 • Ⅴ记录系统：放大器、记录仪、 • 色谱工作站。

  4. 国产气相色谱仪

  5. 皂膜流量计 调整仪，标准仪 转字流量计 Setup of Gas Chromatograph

  6. A B KA>KB 图1 、色谱过程 图2、 色谱图

  7. 色谱图（chromatogram）： 试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间曲线或信号——流动相体积曲线，称为色谱流出曲线，

  8. 色谱图界面

  9. 常用术语： 基线： 在操作条件下，仅有纯流动相进 • 入检测器时的流出曲线。 峰高与峰面积：色谱峰顶点与峰底之间的 • 垂直距离称为峰高(peak height)。用h表示。 • 峰与峰底之间的面积称为峰面积(peak area)， • 用A表示。 峰的区域宽度： a、峰底宽 WD = 4σ=1.70 Wh/2 b、半高峰宽 Wh/2=2.355σ c、标准偏差峰宽 W0.607h=2σ

  10. 保留值: • 1) 保留时间：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。 2) 保留体积 ：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积，VR。 死时间： • 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(dead time)，tM。 • 死体积: • 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积(dead volume) ，VM。（F0为柱尾载气体积流量） • VM = tM F 0

  11. 调整保留值: 1) 调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。 tR׳= tR – tM 2) 调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。 • VR ׳ = VR – VM或 VR ׳ = tR ׳ F0 • 相对保留值（relative retention） • 在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用ri，s表示

  12. 色谱分析的实验依据： • 　１、根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定性分析。 • 2、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。 • 3、根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价。 • 由此可知：相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。 当ri，s =1时两个组分不能分离。

  13. §2-2 气相色谱分析理论基础 • 一、分配平衡的几个参数： • 1、分配系数（distribution coefficient） • 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。 。 • 2、容量因子（capacity factor） 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。

  14. cs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；V m为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积， Vs为色谱柱中固定相的体积。 • 3、分配系数和分配比之间的关系 • 分配系数K 与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。 容量因子k 决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关。

  15. 理论上可以推导出： Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各种色谱柱柱型及其结构特征 填充柱（Packing column）: 6~35 毛细管柱（Capillary column）: 50~1500

  16. 色谱过程的基本方程式：

  17. 二、色谱分离的基本理论 • 1、塔板理论（ Martin and Synge 1941） • 塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。设柱长为L，理论塔板高度为H，则 • H = L / n • 式中n为理论塔板数。 • 理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的保留时间（tR）和峰底宽（w）或半峰宽（ wh/2）按下式推算： 或

  18. n = 1+k k 2 • neff 有效塔板数（neff）的计算公式为； Heff=L/neff 通常用有效塔板数（neff）来评价柱的效能比较符合实际。 neff 越大或Heff越小，则色谱柱的柱效越高。

  19. 2、速率理论 （J. J. Van Deemter1956） 速率理论认为，单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一的。 A项为涡流扩散项；B/ u项为分子扩散项；C u为传质项，；u为载气线速度，单位为cm/s。 范第姆特方程式(Van Deemter equation)

  20. Stationary phase Stationary liquid Capillary wall

  21. §2-3 色谱分离条件的选择 • 一、分离度（resolution） • 相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比，用R表示。分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标。 • ★ R 越大，表明两组分分离效果越好 • ★ 保留值之差取决于固定液的热力学性质 • ★ 色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素 • 及柱效能高低

  22. 对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰： R=1, 分离程度为98%； R=1.5，分离程度可达99.7%。 所以R=1.5时可认为色谱峰已完全分开。

  23. 二、色谱分离关系式 • 设两相邻峰的峰宽相等，即w1=w2，则 又知

  24. 另 称为柱效项； 称为柱选择项； 相对保留因子 容量因子项。

  25. 限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。 R ∝ n1/2 • 与柱效的关系（柱效因子） • 与容量因子的关系 增加柱长 使用性能优良的色谱柱，并选择最佳分离条件 减小塔板高度 k值增大，有利于分离，但k > 10时，对R的增加不明显，也会显著增加分析时间 k的最佳范围：1 ~ 10

  26. L = 16R2•H有效 = n有效• H有效 2 a a-1 r2,1越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。 • 与柱选择性的关系 分离度、柱效、柱选择性的关系

  27. 例题：设有一对物质，其r2,1 =α=1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？ • 解：要实现完全分离，R≈1.5,故所需有效理论塔板数为： 使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm, 故所需柱长应为：

  28. 三、色谱条件的选择 • 1、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关） 实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速 稍高与最佳流速。

  29. 2、分离柱型的选择（与总柱效、分离度R有关）2、分离柱型的选择（与总柱效、分离度R有关）

  30. 3、柱温的选择（与ri，j有关） • 能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽量选择较低的温度。当然被测物的保留时间要短、峰形不能有严重拖尾。最好用程序升温方法，以实验优化选择的条件为工作条件。 • 4、固定液与担体的选择（与相比有关） • 由实验手册查出参考值，再由实验选择。 • 5、汽化室与检测室温度（与被测对象的利用度有关） • 汽化温度、检测室温度高于柱温30-70度。 • 6、进样量：（与柱容量有关） • 根据担液比及柱子形式决定进样量，进样 • 方式为柱塞进样。

  31. §2-4 固定相及其选择 • 一、固定相的类型： • 吸附剂型固定相 • 固定相{ • 担体+固定液型固定相 • 常用吸附剂型固定相有：

  32. 常用担体+固定液型固定相中： • 常用担体有： • 1、红色担体：（101型担体） • 特点是：表面空隙小、比表面积大、机械强度 • 高、担液能力强、表面有吸附中心。 • 2、白色担体：（6201型担体） • 特点是：表面空隙较大、比表面积较小、机械 • 强度较差、担液能力中、表面无吸附中心。 • 3、非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃 • 微球担体、高分子微球担体等。 • 特点是：表面空隙适中、比表面积适中、机械强 • 度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。 • 硅藻土型担体用前要预处理：酸洗、碱洗、硅烷化。

  33. 二、固定液的类型：

  34. 三、固定液的极性： • 固定液与待测化合物之间的作用力主要属定向力、诱导力、色散力、氢键力等弱相互作用为主，所以固定相的极性对分离过程非常重要，固定相极性用相对极性P的公式表示： • 规定：β,β’-氧二丙腈固定液的P=100、角鲨烷固定液的P=0 、测试标样为环己烷-苯

  35. 按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级： • 0~20 为0~+1 ，称非极性固定液； • 20~40 为+1~+2 ，称弱极性固定液； • 40~60 为+2~+3 ，称中极性固定液； • 80~100 为+4~+5 , 称强极性固定液； • 固定液的极性与待测组分极性的选择原则为： • “相似相溶原理”

  36. 四、固定液选择示例

  37. §2-5 气相色谱检测器 • 一、气相色谱检测器的类型 • 气相色谱检测器根据响应原理的不同可分为浓度型检测器和质量型检测器两类。 • 浓度型检测器：测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化，即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD） • 质量型检测器：测量的是载气中某组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）

  38. 通用检测器有： • 1、热导池检测器，TCD (Thermal conductivity • detector)测一般化合物和永久性气体 • 2、氢火焰离子化检测器,FID(Hydrogen flame • ionization detector) 测一般有机化合物 • 专用检测器有： • 3、电子俘获检测器，ECD (Electron capture • detector) 测带强电负性原子的有机化合物 • 4、火焰光度检测器，FPD (Flame photometric • detector) 测含硫、含磷的有机化合物 • 特殊检测器有：FTIR、MS、测化合物结构

  39. 二、气相色谱检测器的工作原理 • 1、热导检测器 • 原理；就是利用不同的物质具有不同的导热系数。 Self-study & Exam:热导池的构造，工作原理及影响检测灵敏度的因素。

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