第三章 气相色谱( gas chromatography) 本章小节,3-1概述 3-2色谱理论简介 3-3定性分析方法 3-4定量分析方法 3-5气相色谱 3-6气相色谱仪 3-7新型色谱仪简介 3-8气相色谱检测器 3-9联用技术 3-10气相色谱的应用,返回,第三章 气相色谱 ( gas chromatography),3-1 概述,第三章 气相色谱 ( gas chromatography) 3-1 概述 (1)色谱的产生：,1906年，俄国植物学家Tswett发表了他的实验结果，他为了分离植物色素，将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，形成一圈圈不同颜色的色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法（chromatography）。在此后的20多年里，几乎无人问津这一技术。到了1931年，Kuhn等用同样的方法成功地分离了胡萝卜素和叶黄素，从此，色谱法开始为人们所重视，此后，相继出现了各种色谱方法（见表3-1）。现在，“色谱法”已广泛用于无色物质的分离，“色谱”已失去了它原来“色”的含义，但其名称一直沿用至今。,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-1 概述,图31 Tsweet 分离叶绿素示意图,返回,表3-1 色谱法的发展历史,色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作,表3-2 色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作,在分析化学领域，色谱法是一个相对年轻的分支学科。早期的色谱技术只是一种分离技术而已，与萃取、蒸馏等分离技术不同的是其分离效率高得多。当这种高效的分离技术与各种灵敏的检测技术结合在一起后，才使得色谱技术成为最重要的一种分析方法，几乎可以分析所有已知物质，在所有学科领域都得到了广泛的应用。,第三章 气相色谱 ( gas chromatography) 3-1 概述 (2)色谱的定义：,固定相（stationary phase）:色谱法中，填入玻璃管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相。如离子交换树脂法中的树脂相。 流动相(mobile phase):自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相。 色谱柱(chromatography column):装有固定相的管子称为色谱柱。,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-1 概述 （3）色谱的分离原理：,流动相带着样品流经固定相，由于样品在固定相和流动相之间的溶解、吸附、渗透或离子交换等作用的不同，样品在两相间进行反复多次地分配过程，使得原分配系数具有微小差异的各组分，在固定相中的移动速度不同，经过一定长度的色谱柱后，彼此分离开来，先后流出色谱柱。,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-1 概述 （4）色谱法的分类 （一）：按两相的物理状态分类,色 谱,气相色谱,液相色谱,气液色谱（GLC）：固定相为液体,气固色谱（GSC）：固定相为固体,（GC：以气体为流动相）,液液色谱（LLC） ：固定相为液体,液固色谱（LSC）：固定相为固体,（LC：以液体为流动相）,第三章 气相色谱 ( gas chromatography) 3-1 概述 （4）色谱法的分类 （二）：按固定相存在状态分类,色 谱,柱色谱：将很细的固定相装入玻璃管或金属管内，流动相依靠自身的重力或外加压力通过固定相。,平板色谱：固定相是多孔的滤纸或固定相是均匀地铺在一块玻璃板或塑料板上，让流动相通过毛细现象或重力作用携带样品通过固定相。,纸上层析（PC）,薄层色谱（TLC）,气相色谱流程图,液相色谱流程图,柱色谱,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-1 概述 (4)色谱法的分类 （三）：按照分离原理分类,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-1 概述 (5)色谱分析法的优点：,分离效率高:几十种甚至上百种性质类似的化合物可在同一根色谱柱上得到分离，能解决许多其他分析方法无能为力的复杂样品分析。 分析速度快。一般而言，色谱法可在几分钟至几十分钟的时间内完成一个复杂样品的分析 检测灵敏度高。随着信号处理和检测器制作技术的进步，不经过预浓缩可以直接检测 10-9g 级的微量物质。如采用预浓缩技术，检测下限可以达到 10-12g数量级。 样品用量少。一次分析通常只需数纳升至数微升的溶液样品 选择性好。通过选择合适的分离模式和检测方法，可以只分离或检测感兴趣的部分物质。 易于自动化。现在的色谱仪器已经可以实现从进样到数据处理的全自动化操作。,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-1 概述 （6）色谱的缺点,定性能力较差。为克服这一缺点，已经发展起来了色谱法与其他多种具有定性能力的分析技术的联用。,返回,第三章 气相色谱 ( gas chromatography ),3-2 色谱理论简介,返回,在整个色谱分离过程中，流动相始终是以一定的流速（或压力）在固定相中流动的，并将溶质带入色谱柱。溶质因分配、吸附等相互作用，进入固定相后，即在固定相表面与功能层分子作用，从而在固定相中保留。同时，溶质又被流动相洗脱下来，进入流动相。与固定相作用越强的溶质在固定相中的保留时间就越长。,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介,从色谱柱流出的溶液（柱流出物）进入检测器连续测定，得到如图所示的色谱图，即柱流出物中溶质浓度随时间变化的曲线，直线部分是没有溶质流出时流动相的背景响应值，称作基线（base line）。在基线平稳后，通常将基线响应值设定为零，再进样分析。溶质开始流出至完全流出所对应的峰型部分称色谱峰（peak），基线与色谱峰组成了一个完整的色谱图（chromatogram）。,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （1）色谱术语：基线与基线漂移,基线：在色谱操作条件下，仅有流动相通过检测器时，由记录仪得到的信号时间曲线。 基线漂移：基线随时间定向缓慢地变化。,基线,基线漂移,图32 某物质的色谱图,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （1）色谱术语：色谱峰,流动相带着组分通过检测器时，由记录仪得到的信号时间曲线。,色谱峰,图33 某组分的色谱图,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论概述 （1）色谱术语：峰高与峰面积,峰高（peak hight）：峰的顶点到峰底之间的垂直距离。 峰面积（peak area） ：峰与峰底之间的面积。,图34 某组分的色谱图,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （1）色谱术语：死时间与死体积,死时间（dead time）：不被固定相吸附或溶解的惰性组分，从进样到出峰的峰顶点之间测得的时间，以tM表示。 死体积（dead volume）：死时间内流动相流经色谱柱的体积，又指色谱柱填充固定相后的空隙体积。,图35 某组分的色谱图,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （1）色谱术语 ：保留时间、调整保留时间、保留体积、调整保留体积,保留时间（retention time）:从进样到组分峰顶点之间测得的时间，用tR表示。 调整保留时间（adjusted retention time）：组分的保留时间扣除死时间后的时间。 保留体积（retention volume）：从进样开始到监测器中样品浓度最大时，流动相流经色谱柱的体积。 调整保留体积（adjusted retention volume）:保留体积扣除死体积后的体积。,图36 某组分的色谱图,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （1）色谱术语 ：相对保留因子（选择性系数）,11.相对保留因子21 （relative retention walue）： 组分2与组分1调整保留值之比： r21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1 两个组分达到分离的一个决定性参数就是两组分的相对保留值之比，也称作选择性系数，选择性系数主要由固定相的性质和柱温所决定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。 计算选择性系数 所需参数也可以从色谱图中获得。在高效液相色谱（HPLC）中，选择性系数也受流动相组成的影响。当选择性系数 =1时，则说明在给定的色谱条件下，两组分不存在热力学上的差异，无法实现相互分离。,12. 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,一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢； 试样一定时，K主要取决于固定相性质； 选择适宜的固定相可改善分离效果； 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础； 某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。,13.分配比,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(capacity factor)；容量比(capacity factor)； 1. 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。 2.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。 3. 分配比与保留时间关系：,4. 容量因子与分配系数的关系,式中为相比。 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，对不同类型色谱柱，VS的含义不同； 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；,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （1）色谱术语 ：色谱峰的区域宽度,色谱峰的区域宽度： 13.标准偏差 ：0.607倍峰高处的色谱峰宽的一半。 14.半峰宽Y1/2=2.354 ：峰高一半处色谱峰的宽度。 15.峰宽或基线宽度Y=4 ：通过峰两侧的拐点做切线与峰底相交的宽度。,图37,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （1）色谱术语 ：分离度,分离度也称分辨率。它是指相邻两色谱峰保留值之差与两峰底宽平均值之比。 一般情况下，当RS1时，两峰总有部分重叠；当RS1时，两峰能明显分离；RS1.5时，两峰已完全分离。更大的RS值，分离效果会更好，但会延长分析时间。,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （2）色谱理论,基本理论,塔板理论-热力学,速率理论-动力学,第三章 气相色谱( gas chromatography) 3-2 色谱理论简介 （2）色谱理论：塔板理论(一),1941年James和Martin提出塔板理论，塔板理论用热力学观点解释了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程，他们把色谱柱比作一个精馏塔，借用精馏塔中塔板的概念、理论来处理色谱过程，导出了流出曲线的模型，并引入理论塔板数（the number of theoretical plates）N和理论塔板高度（theoretical plate height）H作为衡量柱效的指标。