气相色谱图分析

第六章气相色谱分析(P214)概述气相色谱的分离系统气相色谱的检测系统气相色谱的定性与定量6.1概述一、色谱分析的应用概况在现代所有的分析仪器中，没有一种像色谱仪这样在实际中得到如此迅速和广泛的应用。目前，色谱分析广泛应用在食品学科，它通过对不同的物质分析、分离和组合，对物质进行定性和定量的分析，若色谱分析和质谱分析（MS）或核磁共振（NMR）联用，则能对物质进行立体结构的分析。二、色谱分析的发展方向1.从宏观分析向微观分析方向发展。2.从体相到表相，不同层次的分析。3.从表观分析到分子内部结构变化的分析。4.从静态分析到动态分析。5.从定性到定量，出现食品分析的数据库和计算机化的局面。此外，分析微生物学、菌种技术与色谱技术结合，可以确定菌种的选育、变性。三、气相色谱气相色谱是用气体作为流动相的层析法。根据固定相状态的不同：目前，大部分气相色谱是以液体为固定相的气液色谱。气固色谱：多孔性固体为固定相，如分子筛、硅胶、活性炭气相色谱气液色谱：蒸汽压低，热稳定性好，操作温度下呈液态的物质涂在担体上做固定相。四、气相色谱分析的特点1.高效率。2.高选择性。3.高灵敏度。4.分析速度快。5.应用广泛。气相色谱法有上述优点，但也有它的缺点，即从色谱图上不能直接给出它定性的结果。五、流程在气相色谱中，作为流动相的气体称作载气。载气→减压阀→净化干燥管→稳压阀→流量计→压力表→进样口→气化室→色谱柱→检测器→记录仪→电子计算机积分仪由记录仪得到的色谱图可进行定性或定量分析。出峰顺序与物质性质有关，信号大小与物质的量有关。6.2气相色谱的分离系统一、分离原理1.气固色谱气固色谱中的固定相是一种具有表面活性的吸附剂，当样品随载气流过色谱柱时，由于吸附剂对各个组分的吸附能力不同，经过反复多次的吸附与解吸的过程，使各组分得以分离。2.气液色谱气液色谱中的固定相是在化学惰性的固体微粒（用来支持固定液的，称作担体，支持剂）表面，涂上一层高沸点有机物的液膜，这种高沸点有机化合物称作固定液。在气液色谱柱内，被测物质中各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同（即分配系数K的不同）将各组分分离的。=Kgmlg组分在固定相中的浓度ml组分在流动相中的浓度CC固流当载气携带样品进入柱中，气相中的被测物质就溶解在固定液中。载气连续流经色谱柱，溶解在固定液中的被测组分会从固定液中挥发到气相中去。随着载气流动，挥发到气相中的被测组分又会溶解在前面的固定液中，这样反复多次的溶解、挥发、再溶解、再挥发。在固定液中溶解度大的组分，较难挥发，K值大，随流动相移动速率小，后出柱；而K值小的组分先出柱。组分分配彻底是因为361010组分分配系数的差别次反复多次的分配（）分二、色谱柱形状有：U形、螺旋形材料有：玻璃、不锈钢、铝等色谱柱有两种：气固填充柱填充色谱柱把固定相填充到柱中气液填充柱L=1-10m常用1-5m,内径=2-4mm空心毛细管柱:将固定液直接涂在毛细管内壁L=50-300m,内径=0.1-0.5mm三、流出曲线和有关术语试样中各组分经色谱柱分离后，依次流出色谱柱，经检测器转为电信号，然后由记录仪将各组分及浓度变化记录下来而得到色谱图。色谱图：①反映分离的状况。②反映样品的运行状况。③对物质进行定性、定量分析。1.流出曲线：色谱图以组分的变化（转变为电讯号，以mv或mA表示）为纵座标，流出时间为横座标，这种曲线，即为流出曲线。现以某一组分的流出曲线来说明有关色谱术语。2.有关术语⑴基线：没有样品只有载气进入色谱柱，经检测器，在记录仪上得出的线。它反映检测器噪声随时间变化。稳定的基线是条直线，是仪器是否正常工作的指标。⑵色谱峰：在操作条件下，样品进入色谱柱，经检测器转变为相应的电信号，由记录仪反映出信号随时间变化的曲线。如图中CAD。⑶峰高h：峰的顶点与基线之间的距离。如图中AB。⑷半峰宽：指峰高一半处的峰宽度。如图中GH。12Y122.354Y⑸拐点（扭转点）：流出曲线上二阶导数为零的两个点。如图中E、F点。经计算拐点位于0.607h处，拐点间的距离。⑹峰底宽：从峰两边的拐点作切线与基线相交部分的宽度。如图中IJ。。⑺保留值：表示组分在色谱柱中停留的时间或者把组分带出色谱柱所需的载气体积。2ibW4bW保留值有多种，现分别叙述。①死时间：惰性物质通过色谱柱到出现浓度极大点的时间。②保留时间：进样开始到样品中组分出峰最高点所用的时间。③调整保留时间（实际保留时间）：扣除死时间后组分的保留时间。。MtRtRtRRMttt④死体积：色谱柱内气相的体积。。式中：—载气流速—常压、室温条件下柱出口处载气流速⑤保留体积：对应于保留时间所流过的载气体积。。⑥调整保留体积：对应于调整保留时间所流过的体积。。mVmMCVtFCFCFRVRRCVtFRVRRCVtF利用流出曲线可解决以下问题：①根据色谱峰的位置可以进行定性鉴定。②根据色谱峰的面积或高度可以进行定量测定。③根据色谱峰的位置及宽度，可以对色谱分离情况进行评价。四、色谱柱的分离效能色谱柱的主要作用在于使两种或两种以上组分的混合物分离。常用选择性、分辨率、柱效率等来表示色谱柱的分离效能。1.分离因子：两组分保留值之比。。也有用调整保留值之比。，，只有时，它们才比较接近。分离因子常用来表征柱子的选择性，其值较大时，一般分离较好。但也有例外。12221112RRRRtVtV221112RRRRtVtV1212RtMt2.分离度R（分辨率）：相邻两组分色谱保留值之差与此两组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值。分离度是描述混合物中相邻两组分在色谱柱中分离情况的重要指标。R=1.0时，两组分稍有重叠；R=1.5时，两组分基本上可以全分离；R1.0时，两组分明显重叠。212121212()2RRRRbbbbttttR3.总分离效能指标：相邻两组分色谱保留值之差与此两组分半峰宽和之半的比。式中：、分别为相邻两组分的半峰宽。由此可以看出：。R212111112(1)2(2)2(1)2(2)2()2RRRRttttRYYYY12(1)Y12(2)Y1.7RR4.柱效率：色谱柱在分离过程中由动力学因素所决定的色谱分离效率。柱效率通常以塔板数和塔板高度来衡量。⑴理论塔板高度：相当于一个理论塔板的高度。其值以柱长与理论塔板数之比来表示。式中：L—柱长—理论塔板数⑵有效塔板高度：H理LHn理理n理H有效LHn有效有效⑶理论塔板数：把色谱柱比拟为分馏塔，以理论塔板数做为描述色谱柱效率的一个指标。⑷有效塔板数：由调整保留值与色谱峰宽所算得的塔板数。⑸理论塔板数与有效塔板数之间的关系：=n理221216()5.54()RRbttnWY理n有效221216()5.54()RRbttnWY有效2()RRntnt理有效22()()RRRRMttnnnttt理理有效22()()11RMRMttknntkt理理五、最佳分离条件的选择1.对分离度的要求⑴定性、定量：若进行定性分析，R可要求低些。若进行定量分析，R就要求高些。⑵分析误差要求分析误差小些，则R应大些。⑶组分含量当欲分离的两组分含量相差越大，则在同样的分析误差下，完全分离所需的分离度就越大。一般R1.5时，基本上能满足分析要求。R=0.81.01.5分离程度89%98%99.7%2.分离条件的选择⑴担体的选择气液色谱中的担体，是一种化学惰性的、多孔性的固体颗粒。对担体的选择：使用较小而均匀的担体能提高柱效能，对于4～6mm的柱子，使用60～80目担体较合适。23红色担体：如6201红色担体，201红色担体等硅藻土型白色担体：由红色担体加NaCO煅烧而成。如：101，102担体氟担体非硅藻土型玻璃担体⑵固定液的选择气液色谱用的固定液一般是高沸点有机化合物，在操作温度下，固定液有较低的蒸汽压，一般小于0.5mmHg，否则易挥发损失。固定液选择影响到各组分保留时间的大小，直接关系到各组分能否分离。各组分分配系数大小，是由该组分在固定液中的溶解度决定的。而溶解度取决于组分与固定液之间分子的作用力。①分子间作用力分子间作用力有以下几种：A.色散力：非极性分子间的作用力非-非由分子中瞬时偶极而引起的互相吸引或排斥力。非极性物质之间的力主要是色散力。B.诱导力：极性分子与非极性分子间的作用力非-极极性分子的永久偶极与它所诱导产生的另一非极性分子的诱导偶极之间的作用力，可利用极性固定液分离两种极化程度不同的非极性物质。C.定向力（库仑力）：极性分子间的作用力极-极是分子间永久偶极的相互作用力。定向力诱导力D.氢键力：是定向力的一种特殊类型。含N、O、F的化合物分子越大，氢键力越弱。②固定液的选择方法固定液的选择原则是相似相溶原则。A.分离非极性组分：采用非极性固定液，两者间是色散力。各组分按沸点顺序彼此分离（沸点规律）。B.分离极性组分：采用极性固定液，分子间主要是定向力。各组分按极性大小出峰（极性规律）。C.分离极性组分与非极性组分混合物：采用极性固定液，按极性顺序出峰。当样品组分复杂，用一种固定液不能达到分离要求时，往往使用混合固定液。D.氢键型物质的分离：可用氢键型固定液。⑶柱温的选择每种固定液都有一定的使用温度。柱温不能高于固定液的最高使用温度。柱温影响到组分的分配系数、扩散系数等。提高柱温可以改善气相和液相传质速率，有利于提高柱效能。一般柱温选在试样各组分的平均沸点左右或比平均沸点稍低一些。⑷进样温度、进样时间、进样量进样温度：指进样后汽化室的温度。一般选择汽化温度比柱温高30～70℃。进样时间：进样速度必须很快，一般进样时，时间应在1秒以内。进样量：进样量一般比较少。液体样品一般0.1～5，气体样品0.1～10ml。l六、填充色谱柱的制备1.固定液的用量和涂渍用量：一般固定液：担体=5～25：100涂渍：固定液的涂渍一般采用静态法。方法是：称取固定液，溶解在适当的有机溶剂中。溶解时，将烧杯放入水浴中，然后加入担体，在一定温度下摇动烧杯，让溶剂均匀挥发，挥发完后，即涂渍完毕。2.装柱装柱要求担体填充均匀、紧密。填充方法有三种：泵抽装填法：柱后接一真空泵抽气，使担体填充紧密。适用于长柱子填装。振荡装填法：将色谱柱装在振荡器上，边装边振荡，使担体填充紧密、均匀。手工装填法：边装边敲击的手工填装法。3.色谱柱的老化填充完毕后，柱子不能马上使用，需做老化处理。老化的目的：①彻底除去填充物中的残余溶剂和某些挥发性杂质。②使固定液更均匀地、牢固地分布在担体表面。老化的方法：把色谱柱安入色谱仪，用较低的载气流速，在略高于操作时的柱温下，处理十几个小时，直至记录仪上的基线平直。6.3气相色谱的检测系统一、检测器的分类及作用原理1.作用原理作用：将经分离后的各组分按其特性及含量转换为响应的点讯号。原理：在一定条件下，检测器产生的信号大小E与进入检测器某组分的量或浓度C成正比。即：式中：S—比例常数，称为响应值或灵敏度m↗，则E↗，不同的组分，有不同的响应值S。ESmESC2.分类根据检测器原理不同，可将检测器分为浓度型检测器和质量型检测器两种。浓度型检测器：测量载气中某组分浓度瞬间的变化，即响应值和组分的浓度成正比。如：热导池检测器。质量型检测器：测量载气中某组分进入检测器的速度变化，即响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。如；氢火焰电离检测器。二、检测器的要求及特征对检测器总的要求是：灵敏度要高，敏感度要低，稳定性要好，线性范围宽，响应速度快。1.响应值（灵敏度）S单位时间或单位体积内进入检测器的样品量所产生的响应讯号即为响应值。2.敏感度（检测限度）检测器恰能产生二倍于噪声讯号时的单位时间引入的样品量（或单位体积载气中需含样品量）即为敏感度。—敏感度敏感度M的物理意义：使检测器产生恰好能够鉴别的讯号时，单位体积或单位时间引