第二章氣相色譜1第1頁，課件共88頁，創作于2023年2月§2-1氣相色譜法概述俄國植物學家茨維特在1903年使用的裝置:色譜原型1931年，Kuhn等用同樣的方法成功地分離了胡蘿卜素和葉黃素有色離線2第2頁，課件共88頁，創作于2023年2月*色譜法是一種分離技術*試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在色譜分離柱中的兩相間不斷進行著的分配過程；*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。3第3頁，課件共88頁，創作于2023年2月4第4頁，課件共88頁，創作于2023年2月當流動相攜帶的混合物流經固定相時，其與固定相發生相互作用。由于混合物中各組分在性質和結構上的差異，與固定相之間產生的作用力的大小、強弱不同，隨著流動相的移動，使被測物質在兩相之間進行多次分配，這樣原來的微小差異產生了很大的效果，使各組分分離，從而按一定次序由固定相中流出。與適當的柱后檢測方法結合，實現混合物中各組分的分離與檢測。這種借組分在兩相間分配能力不同而使混合物中各組分分離的技術稱為色譜法。色譜的定義5第5頁，課件共88頁，創作于2023年2月如何理解色譜法(GasChromatography)主要有2點：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的差異。6第6頁，課件共88頁，創作于2023年2月色譜的分類（1）按流動相和固定相的物態分

氣相色譜法液相色譜法氣-固色譜法液-固色譜法氣-液色譜法液-液色譜法7第7頁，課件共88頁，創作于2023年2月（3）按分離過程的機制分

吸附色譜法

分配色譜法

離子交換色譜法

排阻色譜法

(2)按固定相的使用形式分柱色譜法紙色譜法薄層色譜法8第8頁，課件共88頁，創作于2023年2月色譜的特點1.分離效能高：

復雜混合物，有機同系物、異構體、手性異構體。2.靈敏度高：

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

一般在幾分鐘或幾十分鐘內可以完成一個試樣的分析。4.應用范圍廣：

適用于沸點低于400℃的各種有機或無機試樣的分析。不足之處：（1）不適用于高沸點、難揮發、熱不穩定物質的分析。（2）已被分離組分的定性較為困難。9第9頁，課件共88頁，創作于2023年2月年代 獲獎學科 獲獎研究工作

1937 化學 類胡蘿卜素化學，維生素A和B 1938 化學 類胡蘿卜素化學 1939 化學 聚甲烯和高萜烯化學 1950 生理學、醫學 性激素化學及其分離、腎皮素化學及其分離 1951 化學 超鈾元素的發現 1955 化學 腦下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素 1958 化學 胰島素的結構 1961 化學 光合作用時發生的化學反應的確認 1970 生理學、醫學 關于神經元觸處遷移物質的研究 1970 化學 糖核苷酸的發現及其在生物合成碳水化合物中的作用 1972 化學 核糖核酸化學酶結構的研究 1972 生理學、醫學 抗體結構的研究 色譜法起過關鍵作用的諾貝爾獎研究工作

第10頁，課件共88頁，創作于2023年2月氣相色譜儀11第11頁，課件共88頁，創作于2023年2月12第12頁，課件共88頁，創作于2023年2月氣相色譜立體結構流程13第13頁，課件共88頁，創作于2023年2月氣相色譜儀及其流程1-載氣鋼瓶2-減壓閥3-凈化干燥管4-針形閥5-流量計6-壓力表7-進樣器和氣化室8-色譜柱9-熱導檢測器10-放大器11-溫度控制器12-記錄儀載氣系統2.進樣系統3.色譜柱和柱箱4.檢測系統5.記錄系統第14頁，課件共88頁，創作于2023年2月1.載氣系統15第15頁，課件共88頁，創作于2023年2月2.進樣系統1.閥進樣2.隔膜進樣3.分流進樣4.頂空進樣16第16頁，課件共88頁，創作于2023年2月特別說明的是關于氣體進樣的問題：需要氣體進樣閥（a）

載氣位置；（b）

進樣位置；1、

載氣入口2、

接色譜柱3、

樣品注入口4、

放空5、

樣品定量管17第17頁，課件共88頁，創作于2023年2月3.色譜柱和柱箱色譜柱：a.填充柱:由不銹鋼或玻璃材料制成，內裝固定相，一般內徑為

2~6mm，長0.5~10m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。b.毛細管柱:空心毛細管柱材質為玻璃或石英。內徑一般為

0.2~0.5mm，長度20~200m，呈螺旋型柱箱：恒溫，范圍0～500度溫度均勻，溫差0.5度18第18頁，課件共88頁，創作于2023年2月4.氣相色譜檢測器檢測器：將經色譜柱分離后的各組分按其特性及含量轉換為相應的電訊號的裝置1.按檢測原理分：濃度型檢測器：如熱導池檢測器（TCD）

和電子捕獲檢測器（ECD）質量型檢測器：如氫火焰離子化檢測器（FID）

和火焰光度檢測器（FPD）2.按檢測對象分：通用型專用型特殊型19第19頁，課件共88頁，創作于2023年2月

通用檢測器有：1、熱導池檢測器，TCD(Thermalconductivitydetector)

測一般化合物和永久性氣體2、氫火焰離子化檢測器,FID

(Hydrogenflameionizationdetector)測一般有機化合物專用檢測器有：3、電子捕獲檢測器，ECD(Electroncapturedetector)

測帶強電負性原子的有機化合物4、火焰光度檢測器，FPD(Flamephotometricdetector)測含硫、含磷的有機化合物特殊檢測器有：FTIR、MS等測化合物結構20第20頁，課件共88頁，創作于2023年2月熱導池檢測器TCD

原理：基于載氣和樣品的導熱系數的差異,

并用惠斯登電橋檢測。21第21頁，課件共88頁，創作于2023年2月

檢測器的性能指標

靈敏度檢出限D最小檢測量線性范圍響應時間

22第22頁，課件共88頁，創作于2023年2月4.1

靈敏度（響應值或應答值）S

S=ΔR/ΔQ

23第23頁，課件共88頁，創作于2023年2月4.2

檢出限D

是指檢測器恰能產生和噪聲相鑒別的信號時，在單位體積或時間需向檢測器進入的物質質量:D=3N/S24第24頁，課件共88頁，創作于2023年2月4.3

最小檢出量

指檢測器恰能產生和噪聲相鑒別的信號時所需進入色譜柱的最小物質量

(或最小濃度)。

25第25頁，課件共88頁，創作于2023年2月

4.4

線性范圍

是指試樣量與信號之間保持線性關系的范圍，用最大進樣量與最小檢出量的比值表示，范圍越大，越有利于準確定量。不同的組分的線性范圍不同。不同類型檢測器的線性范圍差別也很大。

26第26頁，課件共88頁，創作于2023年2月

4.5

響應時間要求檢測器能迅速地和真實地反映通過它的物質的濃度變化情況，即要求響應速度快。27第27頁，課件共88頁，創作于2023年2月理想檢測器

1．足夠的靈敏度,一般要求10-8-10-15mVsg-12．穩定性、再現性好3．線性范圍較寬4．使用溫度:室溫，對溫度不敏感5．響應迅速并與流速無關6.結構簡單，使用安全7.不破壞樣品28第28頁，課件共88頁，創作于2023年2月色譜圖29第29頁，課件共88頁，創作于2023年2月一、色譜流出曲線及有關術語二、塔板理論三、速率理論四、分離度§2-2氣相色譜分析理論基礎30第30頁，課件共88頁，創作于2023年2月31第31頁，課件共88頁，創作于2023年2月一、常用術語基線：在操作條件下，僅有純流動相進入檢測器時的流出曲線。峰高與峰面積：色譜峰頂點與峰底之間的垂直距離稱為峰高(peakheight)。峰與峰底之間的面積稱為峰面積(peakarea)色譜流出曲線32第32頁，課件共88頁，創作于2023年2月

用來衡量色譜峰寬度的參數，有三種表示方法（1）標準偏差（

）：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（Y）：Y=4

區域寬度33第33頁，課件共88頁，創作于2023年2月（1）時間表示的保留值

保留時間（tR）：組分從進樣到柱后出現濃度極大值時所需的時間

死時間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時間。

調整保留時間（tR

’）：tR’=tR－tM

保留值第34頁，課件共88頁，創作于2023年2月（2）用體積表示的保留值

保留體積（VR）：VR

=tR×F0

（

F0為色譜柱出口處的載氣流量，單位：mL/min）

死體積（VM）：

VM=tM

×F0

調整保留體積（VR＇）：

V

R＇

=VR

－VM

（3）相對保留值r21:

組分2與組分1調整保留值之比

r21=t’R2

/t’

R1=V’R2/V’

R1

相對保留值只與柱溫和固定相性質有關，與其他色譜操作條件無關，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性第35頁，課件共88頁，創作于2023年2月分配系數

K分配過程：組分在固定相和流動相間發生的吸附、脫附，或溶解、揮發的過程。分配系數：在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的濃度比，稱為分配系數，用K表示，即：分配系數是色譜分離的依據。36第36頁，課件共88頁，創作于2023年2月分配系數

K的意義一定溫度下，組分的分配系數K越大，出峰越慢。試樣一定時，K主要取決于固定相性質每個組份在各種固定相上的分配系數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。某組分的K=0時，即不被固定相保留，最先流出。37第37頁，課件共88頁，創作于2023年2月分配比（容量因子）k分配比k：在一定溫度壓力下在兩相間達到分配平衡時，組分在兩相中的質量比.

k=mS/mM

mS為組分在固定相中的質量，

mM為組分在流動相中的質量。38第38頁，課件共88頁，創作于2023年2月可由保留時間計算出分配比k，兩者有以下關系k與分配系數K的關系為：相對保留值與k和K的關系:r2,1=k2/k1=K2/K139第39頁，課件共88頁，創作于2023年2月從色譜流出曲線可解決以下問題1、根據色譜峰的位置（保留值）可進行定性

分析2、根據色譜峰的面積或峰高可進行定量分析3、根據色譜峰的位置及其寬度可對柱的分離

情況進行評價40第40頁，課件共88頁，創作于2023年2月基線、峰高、峰寬保留值：保留時間：tR

tR’tM保留體積：VR

VR’VM基本術語：41第41頁，課件共88頁，創作于2023年2月從色譜流出曲線可解決以下問題1、根據色譜峰的位置（保留值）可進行定性

分析2、根據色譜峰的面積或峰高可進行定量分析3、根據色譜峰的位置及其寬度可對柱的分離

情況進行評價42第42頁，課件共88頁，創作于2023年2月

塔板理論假定：①組分在每塊塔板兩相間瞬時達到分配平衡。

達到一次分配平衡所需的最小柱長稱為理論塔板高度（H）。②流動相以不連續形式加入，即以一個一個塔板體積加入。③試樣開始都加在第0號塔板上，且試樣沿色譜柱方向擴散（縱向擴散）忽略不計。④分配系數在各塔板上是常數。二、塔板理論---柱分離效能指標43第43頁，課件共88頁，創作于2023年2月二、塔板理論－柱分離效能指標44第44頁，課件共88頁，創作于2023年2月流出曲線方程式45第45頁，課件共88頁，創作于2023年2月色譜柱長：L，虛擬的塔板間距離（塔板高度）：H，色譜柱的理論塔板數為n，則三者的關系為：n=L/H理論塔板數與色譜參數之間的關系為：氣相色譜柱的n一般為103-10646第46頁，課件共88頁，創作于2023年2月

單位柱長的塔板數越多，表明柱效越高用不同物質計算可得到不同的理論塔板數,由于組分在tM時間內不參與柱內分配，扣除tM,

引入有效塔板數和有效塔板高度：塔板理論在解釋流出曲線形狀、濃度極大點位置以及計算柱效能方面取得成功。47第47頁，課件共88頁，創作于2023年2月塔板理論的特點和不足1、當色譜柱長度一定時，塔板數n越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內被分配的次數越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。2、同一色譜柱對不同物質柱效能不同，用有效塔板數和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應指明測定物質。3、柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系數K相同時，無論該色譜柱的塔板數多大，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驗結果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。48第48頁，課件共88頁，創作于2023年2月塔板理論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驗結果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑49第49頁，課件共88頁，創作于2023年2月速率理論吸收了塔板理論的概念，并把影響塔板高度的動力學因素結合進去。導出了H與載氣流速u的關系。H：理論塔板高度，

u：載氣的線速度(cm/s)減小A、B、C三項可提高柱效；存在著最佳流速；

A、B、C三項各與哪些因素有關？三、速率理論--影響柱效的因素50第50頁，課件共88頁，創作于2023年2月（1）渦流擴散項A

試樣組分在氣相中形成類似“渦流”的流動，引起色譜峰擴張。

A=2λdpdp——填充物平均顆粒直徑（cm）λ——填充的不均勻性。因此，使用適當細粒度和顆粒均勻擔體，盡量填充均勻，是減少渦流擴散提高柱效的有效途徑。51第51頁，課件共88頁，創作于2023年2月γ——載體填充在柱內引起氣體擴散路徑彎曲的因數（彎曲因子，γ

＜1）；Dg——組分在氣相中擴散系數。（2）分子擴散項B/u52第52頁，課件共88頁，創作于2023年2月（3）

C·u

─傳質阻力項

dp:填充物粒度Dg:組分在載氣中的擴散系數df:固定相的液膜厚度Dl:組分在液相中的擴散系數范第姆特方程式對色譜分離條件的選擇具有指導意義。它可以說明填充的均勻程度、擔體粒度、載氣種類、流速、柱溫、固定相液膜厚度等對柱效峰擴張的影響。傳質阻力：包括氣相傳質阻力Cg和液相傳質阻力Cl即

C=（Cg+Cl）53第53頁，課件共88頁，創作于2023年2月速率理論的要點：1、被分離組分分子在色譜柱內運行的多路徑、濃度梯度所造成的分子擴散及傳質阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間到達等因素是造成色譜峰擴展、柱效下降的主要原因2、通過選擇適當的固定相粒度、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。3、速率理論為色譜分離和操作條件的選擇提供了理論指導。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。4、各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質，但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。第54頁，課件共88頁，創作于2023年2月四、分離度

難分離物質對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的影響：保留值之差──色譜過程的熱力學因素；區域寬度──色譜過程的動力學因素。色譜分離中的四種情況如圖所示：①，柱效較高，△K(分配系數)較大,完全分離；②△K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離；③柱效較低，△K較大,但分離的不好；④△K小，柱效低，分離效果更差。55第55頁，課件共88頁，創作于2023年2月分離度的表達式：R=0.8：兩峰的分離程度可達89%R=1：分離程度98%；R=1.5：達99.7%（相鄰兩峰完全分離的標準）。為判斷相鄰兩組分在色譜柱中的分離情況，引入分離度R作為色譜柱的分離效能指標。56第56頁，課件共88頁，創作于2023年2月分離度R與柱效n、選擇性a(或r21)

、容量因子k

之間的關系：當n、k為0時，或

為1時，分離度R為0。n增加R增加

k加大可以增加分離度R,k一般控制在2-7之間

微小增加，分離度R有較大改善

色譜分離基本方程式57第57頁，課件共88頁，創作于2023年2月分離度R與n有效、

選擇性a的關系58第58頁，課件共88頁，創作于2023年2月

在一定條件下，兩個組分的調整保留時間分別為85秒和100秒，要達到完全分離，即R=1.5。計算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長是多少？例題：解：

=100/85=1.18

n有效

=16R2[

/(

-1)]2=16×1.52×(1.18/0.18)2=1547（塊）

L有效

=n有效·H有效

=1547×0.1=155cm

即柱長為1.55米時，兩組分可以得到完全分離。第59頁，課件共88頁，創作于2023年2月

1、載氣流速的選擇（與分析時間、柱效有關）

實際工作中，為了縮短分析時間，常使流速稍高于最佳流速。色譜條件的選擇60第60頁，課件共88頁，創作于2023年2月

2、柱溫的選擇

能使沸點最高的組分達到分離的前提下，盡量選擇較低的溫度。程序升溫：61第61頁，課件共88頁，創作于2023年2月3、固定液與擔體的選擇

4、汽化室與檢測室溫度5、進樣量和進樣時間62第62頁，課件共88頁，創作于2023年2月§2-6氣相色譜定性方法利用純物質保留值定性的方法與質譜、紅外光譜等儀器聯用保留指數定性(RetentionIndex)利用檢測器的選擇性進行定性利用文獻值定性63第63頁，課件共88頁，創作于2023年2月

1.利用純物質定性保留值定性：加入法定性：64第64頁，課件共88頁，創作于2023年2月2.與質譜、紅外光譜等儀器聯用

65第65頁，課件共88頁，創作于2023年2月

3.保留指數定性(RetentionIndex)

Z，

Z+1代表具有

Z個和

Z+1個碳原子數的正構烷烴。被測物質的

X值應恰在這兩個正構烷烴的

X值之間即

Xz<Xi<XZ+1

66第66頁，課件共88頁，創作于2023年2月

色譜定量公式：

mi=fi′?Aimi

：待測物質質量fi′

：待測物質定量校正因子Ai

：待測物質色譜峰的積分面積§2-7氣相色譜定量方法fi′絕對校正因子67第67頁，課件共88頁，創作于2023年2月

用標準物質為參照物、求出待測物質與標準物之間絕對校正因子的比值。對熱導池檢測器的標準物是苯；對氫火焰離子化檢測器的標準物是正庚烷。

相對校正因子：68第68頁，課件共88頁，創作于2023年2月

1、峰高乘半峰寬法 2、峰高乘平均峰寬法3、峰高乘保留值法4、電子積分法色譜峰的面積求法：69第69頁，課件共88頁，創作于2023年2月

定量計算方法1、歸一化法：若樣品中所有的組分均能流出色譜柱且有較好的、可分辨的色譜峰時可用此法定量。若各組分的f值近似或相同，則上式可簡化為

70第70頁，課件共88頁，創作于2023年2月

2、內標法：內標物的選擇條件：a.試樣中不含有該物質；b.出峰位置應位于被測組分附近，且無組分峰影響；c.與被測組分性質比較接近；d.不與試樣發生化學反應。

若樣品中除待測的幾個色譜峰有良好分離，但其它所有的組分不能全部流出色譜柱或有不可分辨的色譜峰時可用此法定量。

71第71頁，課件共88頁，創作于2023年2月

如果經常需要測定同一物質，可固定試樣的稱取量，并加入恒定量的內標物，此時wi=Ai/As×常數wi∝Ai/ASFigureInternalworkinggraph適合于液體試樣的常規分析3、內標標準曲線法：72第72頁，課件共88頁，創作于2023年2月

4、外標法

SignalwiAiwi外標法不使用校正因子，準確性較高;操作條件變化對結果準確性影響較大;對進樣量的準確性控制要求較高，適用于大批量試樣的快速分析。外標法就是應用欲測組分的純物質來制作標準曲線。73第73頁，課件共88頁，創作于2023年2月一、毛細管色譜的特點

featureofcapillarychromatography二、結構和流程

structureandprocess三、分流比調節

adjustmentof

ratepartitionratio四、應用

applicationcapillarychromatography毛細管色譜法74第74頁，課件共88頁，創作于2023年2月一、毛細管色譜的特點

featureofcapillarychromatography

1.提高色譜分離能力的途徑

(1)塔板理論：增加柱長，減小柱徑，即增加柱子塔板數；

(2)速率理論：減小組分在柱中的渦流擴散和傳質阻力，可降低塔板高度。75第75頁，課件共88頁，創作于2023年2月2.毛細管色譜柱的結構特點（1）不裝填料，阻力小，長度可達百米的毛細管柱，管徑0.2mm。（2）氣流單途徑通過柱子，消除了組分在柱中的渦流擴散。（3）固定液直接涂在管壁上，總柱內壁面積較大，涂層很薄，則氣相和液相傳質阻力大大降低。（4）毛細管色譜柱柱效高達每米3000～4000塊理論塔板，一支長度100米的毛細管柱，總的理論塔板數可達104～106。76第76頁，課件共88頁，創作于2023年2月3.毛細管色譜具有以下優點（1）分離效率高：比填充柱高10～100倍；（2）分析速度快：用毛細管色譜分析比用填充柱色譜速度快（3）色譜峰窄、峰形對稱。較多采用程序升溫方式；（4）靈敏度高，一般采用氫焰檢測器。（5）渦流擴散為零。77第77頁，課件共88頁，創作于2023年2月4.毛細管柱的制備方法

毛細管柱按其制備方法可分為以下幾種：

涂壁開管柱（wallcoatedopen

tubular，WCOT柱）：將固定液直接涂敷在管內壁上。柱制作相對簡單，但柱制備的重現性差、壽命短。多孔層開管柱（porouslayeropentubular，PLOT柱）：管壁上涂敷一層多孔性吸附劑固體微粒，構成毛細管氣固色譜。載體涂漬開管柱（supportcoatedopentubular，SCOT柱）：將非常細的擔體微粒粘接在管壁上，再涂固定液。柱效較WCOT柱高。化學鍵合或交聯毛細管柱：將固定液通過化學反應鍵合在管壁上或交聯在一起。使柱效和柱壽命進一步提高。78第78頁，課件共88頁，創作于2023年2月二、結構流程

structureandprocess具有分流和尾吹裝置79第79頁，課件共88頁，創作于2023年2月毛細管毛細管液相色譜儀