第四章 气相色谱法

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调整保留时间t'R:扣除死时间的保留时间。
信号强度
t'R = tR - tM
h 非保留组分 进样 tM t’R tR t=0 W1/2
Wb
时间
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2. 用流动相体积表示的保留值: 保留体积VR:待测组分从进样开始到柱后浓度出现最大值时,所通过的 流动相体积。
VR = tR×Fc
Fc:流动相流速
化剂有分子筛、硅胶和活性炭。 气体控制装置
EPC
现在一般采用电子装置自动控制载气的流量和压力。例如有很多气相 色谱仪上都采用电子压力控制模块(EPC)来自动控制载体的压力和 流速。
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减压阀
至气体净化系统
阀门
注意,此图为示意图,其中 的物件与实物并不成比例。
钢瓶
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死体积VM:色谱柱内,除固定相外的空隙、管路接头空间及检测器空间 总和。 VM = tM×Fc 调整保留体积V'R:扣除死体积后的保留体积. V'R = t'R×Fc 或 V'R =VR-VM 3. 相对保留值γ21:指组分2与另一组分1调整保留值之比。 (只与柱温和固定相性质有关。定性依据,保留值好。)
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自动进样器
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气相色谱进样口
气相色谱自动进样器 (俯视图)
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(3)色谱柱
气相色谱柱有填充柱和毛细管柱两种,其结构如下图所示:
管壁
载体
固定液 填充柱外观与截面图
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毛细管柱外观与截面图
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样品 载气
组分
色谱柱 分离原理

检测器
试样中的各组分在载气和固定液之间反复进行分配,因为各组分的性质 不同,所以它们在色谱柱中移动的速度也就不同,最终各组分依次从色 谱柱中流出而得以分离。

流动相既可以是液体,又可以是气体; 固定相既可以是固体,也可以是液体。
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色谱法的原理

利用样品中各种组分在固定相(stationary phase)与流动相(mobile phase)中受到的作用力不同,因而在色谱柱中的移动速率不同,
从而将待分析样品中的各种组分进行分离的方法称为色谱法
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分配系数

在一定的温度和压力条件下,组分在色谱柱内达到分配平衡时,组分 在两相间的浓度之比为一常数,该常数称为分配系数。
K
Cs 组分在固定相中的浓度 C m 组分在流动相中的浓度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
两种组分的分配系数相差越大,就越容易被分离。反之则难以分离。
分配比

在一定的温度和压力条件下,分配达平衡时,组分在两相间的质量之 比称为分配比。
t 'R2 3.5 γ 21 ' 1.17 t R1 3
(t R 2 t R1 ) 2(3.83 3.33) Rs 1.64 1 / 2(Wb1 Wb 2 ) 0.29 0.32
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第三节 气相色谱法
一、气相色谱法特点
1)高效能:多组分物质可同时定性、定量 2)高选择性:能分离性质极为相近的物质 (如三种二甲苯异构体分离) 3)高灵敏度:检测限达10-11~10-13 g物质 4)速度快:几分钟到几十分钟检测一个样品 ,数据处理快
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温度控制 系统
色谱柱
数据处理 系统
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气相色谱系统示意图
载气系统
进样系统
核心
色谱分离系统
温度控制系统
数据处理系统
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检测器
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(1)载气系统
由气源、净化干燥管和气体控制装置组成。 气源 载气一般储存在耐高压的钢瓶中。 气体净化装置
气瓶
气体净化管
因为载气中的水分和氧会损坏色谱柱,所以需要除去。常用的气体净
Wb
时间
9
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(二)基线: 无试样进入检测器时,检测器噪声随时间变化的曲线称基线。 (三)保留值: 表示试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值(用时间或载气体积来表 示)。 1. 用时间表示的保留值: 保留时间tR:组分从进样开始到柱后浓度出现极大值所需时间。
死时间tM:不与固定相作用(不被固定相吸附或溶解)的组分的保留时 间。
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Ws 组分在固定相中的质量 k W m 组分在流动相中的质量
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(4)检测器

检测器是将色谱柱分离出的各组分信号转变成电信号的装置。 热导池检测器(Thermal Conductivity Detector,TCD) 浓度型,通用型,非破坏型,灵敏度5~100ng,适用于各类化合物 的检测。 氢火焰离子化检测器(Flame Ionization Detector, FID) 质量型,通用型,破坏型,灵敏度10~100pg,适用于碳氢化合物 的检测。
气固色谱固定相主要是一些吸附剂。
各种吸附剂: 硅胶, 氧化铝, 分子筛, 活性炭, 高分子多孔微球
硅胶
氧化铝
分子筛
活性炭
高分子多孔微球
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用途:分析各种永久气体、C1-C4烃类气体。 优点:吸附容量大,热稳定性好,能有效分离各种气体混合物。 缺点:表面结构不均匀,表面积大,微孔多,使色谱峰拖尾,高温下 有催化活性。
二、色谱柱效能(塔板理论)
色谱柱效能即色谱柱对组分的分离能力。
要使两峰分离,必须使两峰距离足够大,且峰足够窄,即柱效能足够高。 色谱柱效能可以用理论塔板数来表示。
L n H
n:理论塔板数 L:色谱柱长 H:理论塔板高度
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理论塔板数
tR 2 tR 2 n 5.54 ( ) 16 ( ) W1/ 2 Wb
tR、W1/2、Wb 要相同单位
有效塔板数
n有效
' ' tR 2 tR 2 5.54 ( ) 16 ( ) W1/ 2 Wb
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例题4-1

色谱图上有两个色谱峰,它们的保留时间和峰基宽(峰底宽)分别为 tR1=3.33min、tR2=3.83min, Wb1=0.29min,Wb2=0.32min。已知 tM=0.33min。求这两个色谱峰的相对保留值γ21和分离度Rs。 解:t’R1=tR1-tM=3.33-0.33=3min t’R2=tR2-tM=3.83-0.33=3.5min
(Chromatography)
颜色 原意为 “写,记录” 引申为“图谱”
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二、色谱分析法分类
1 按两相状态分类
气相色谱 (流动相为气体) 气固色谱 (固定相为固体) 气液色谱 (固定相为液体) 色谱 液相色谱 液固色谱 (固定相为固体) 液液色谱 (固定相为液体)
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分配色谱 色谱
离子交换色谱
空间排阻色谱
利用多孔的固定相进行分离
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第二节 色谱分析基本理论
一、色谱曲线和有关术语
(一)色谱图(色谱流出曲线) 气相色谱分析中,以组分的浓度变化所对应的检测器信号的变化为纵坐标, 以时间为横坐标,所得曲线称为色谱图,也称为色谱流出曲线。
信号强度
h 非保留组分 进样 tM t’R tR t=0 W1/2
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(2)进样系统
进样系统包括气化室和进样器。
进样器 进样口
气化室
是使液体状态的样品瞬间气化的装置。 进样器
气 化 室
硅橡胶垫片 金属块 加热线圈
液体样品采用0.5~10μL微量注射器进样, 新型的仪器上带有自动液体进样器;
气体样品可以采用0.5~5mL注射器或六通 阀进样; 固体样品先溶解于液体溶剂中,然后按液 体样品进样法进样。
第四章 气相色谱法
Gas Chromatography GC
第一节 色谱分析概述
一、概述:

色谱法(Chromatography)是一种多组分混合物的分离-分析方法。 1906 年由俄国植物学家茨维特(Tswett)创立。 在Tswett的实验中,碳酸钙是固定不动的,称为固定相;石油醚是流动 的,称为流动相。
(流动相为液体)
命名规则:流动相状态+固定相状态
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2 按固定相形式分类
填充柱色谱 柱色谱 (固定相在柱内) (固定相填充在管中) 开管柱色谱(毛细管柱色谱) (固定相固定在细管内壁) 色谱 纸色谱 平板色谱 (固定相为吸附水分的滤纸)
(固定相呈平面状)
薄层色谱
(固定相为涂在玻璃板上的吸附剂)
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' t R 2 VR' 2 21 ' ' t R1 VR1
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(四)色谱峰宽度和峰高: 1.峰高h:峰顶到基线的距离。
2.半峰宽W1/2:峰高一半处的色谱峰宽度。
3.峰基宽Wb:通过色谱峰的拐点所作的切线在基线上的截距。 Wb = 1.7W1/2
信号强度
h 非保留组分 进样 tM tR t’R W1/2
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(6)数据处理系统
数据处理系统或色谱工作站是一种专门用于色谱分析的微机系统,可以自动 获取来自检测器的电信号并记录为随时间变化的色谱图(Chromatogram), 而且能够对色谱图进行分析。
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二、 气相色谱系统及其分析流程
(一)仪器的调节 1. 打开载气和辅助气体; 2. 打开GC仪器电源开关,设定色谱分离的条件; 3. 等待仪器达到设定的条件并稳定运行。 (二)取样
1. 用溶剂润洗进样针;
2. 用样品液润洗进样针; 3. 吸取样品溶液,倒置进样针,排出气泡,定容至进样规定的体积; (三)样品分析 1. 将装有样品的进样针迅速通过进样口插入气化室中,注入样品,拔出进 样针; 2. 按开始键进行分析。
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第四节 固定相及其选择
一、气固色谱固定相:
2)无待测物纯品,定性分析困难。
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二、 气相色谱系统及其分析流程
气相色谱仪结构图.swf
气相色谱流动相称为载气:N2、H2、Ar(氩)、He等。
气相色谱系统主要包括 (1)载气系统
载气系统 进样系统 检测器
(2)进样系统
(3)色谱柱 (4)检测器
(5)数据处理系统
(6)温度控制系统
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3. 分类: (1)硅藻土类:白色担体、红色担体 (2)非硅藻土类:氟担体、高分子球微等。(应用不普遍)
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(一) 担体
1. 作用:提供大的隋性表面,承担固定液。 2. 要求: (1)表面化学隋性好 (无吸附性,不与固定液组分反应) (2)多孔性,孔径分布均匀 (3)热稳定性好 (4)机械强度高
(5)颗粒均匀,大小适当 (太大则比表面积小,太小则传质阻力大,柱压 增大操作不利,常用40-60,60-80,80-100目等)
Wb
时间
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t=0
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(五)分离度 分离度是对两色谱峰分离程度的量度。定义为相邻两组分的色谱峰保留 值之差与峰基宽总和的一半的比值。
Rs
含两个组分 I I
t R 2 t R 1 1 (Wb1 Wb 2 ) 2
I
t 无法分离
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t 分离不完全 完全分离
t
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常用的检测器有:
电子捕获检测器(Electron Capture Detector, ECD)
浓度型,选择型,对电负性物质具有极高灵敏度,灵敏度0.05~1pg, 适用于有机卤化物、溶剂和农药的检测。
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(5)温度控制系统
温度是气相色谱分析的重要操作条件之一,所以必须对气化室、色谱柱和 检测器进行严格的温度控制。 气化室: 保证液体样品瞬间气化。 检测器: 保证被分离的组分通过时不在此冷凝。 色谱柱: 保证组分在最佳温度条件下分离。 色谱柱的温度控制分为恒温和程序升温两种模式。
5)应用范围广:可分析气体、易挥发液体及固体。
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应用范围:

有机物中15%~20%可测定,无机物的应用较少。 气相色谱操作温度:-196℃~450℃,在此温度范围有不少于0.1~10 mm-Hg蒸气压、热稳定性好的样品都可测定。
缺点:
1)热稳定性差或蒸气压低(高沸点)的样品不能测定。
信号强度
拖尾峰
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t
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二、气液色谱固定相
气液色谱填充柱固定相由担体和固定液两部分组成。 气液色谱毛细管柱固定相就是涂布在毛细管内壁的固定液。
担体 填充柱固定相
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固定液 毛细管柱 毛细管柱截面
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载体
管壁
固定液 填充柱外观与截面图 毛细管柱外观与截面图
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液相色谱填充柱
气相色谱填充柱
气相色谱毛细管柱
毛细管
固定相
填充柱色谱
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开管柱色谱(毛细管柱色谱)
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纸色谱
薄层色谱
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3 按分离原理分类
吸附色谱
利用吸附剂的吸附和解析进行分离 如气固色谱和液固色谱 根据不同组分在固定相中的溶解度不同进行分离 如气液色谱和液液色谱 利用离子交换剂为固定相进行分离
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