石河子大学：《仪器分析》课程教学资源（授课教案）气相色谱分析法 GC

石河子大学化学化工学院 教案 开课单位：化学化工学院 课程名称：分析化学（二） 专业年级：药学、中药专业 任课教师：赵芳 教材名称：分析化学

石河子大学化学化工学院 教 案 开课单位：化学化工学院 课程名称：分析化学（二） 专业年级：药学、中药专业 任课教师： 赵 芳 教材名称： 分析化学

学年第学期 授课 内容 气相色谱分析法 课时安排6学时 掌握气相色谱法的特点，气相色谱仪的基本构造，定性和定量分析及其应用。 要求 教学 教学重点：色谱法基本原理：分离度：基本色谱分离方程式。 重点 难点 教学难点：基本色谱分离方程式。 教学 方法 多媒体课件，以讲授为主 手段

2 学年第 学期 授课 内容 气相色谱分析法 课时安排 6 学时 教学 目的 要求 掌握气相色谱法的特点，气相色谱仪的基本构造，定性和定量分析及其应用。 教学 重点 难点 教学重点：色谱法基本原理；分离度；基本色谱分离方程式。 教学难点：基本色谱分离方程式。 教学 方法 手段 多媒体课件，以讲授为主

第一节气相色谱理论基础 教 塔板理论 学 、 速率理论 内 三、 色谱基本分离方程 第二节气相色谱法 容 一、 气相色谱法的特点 提 二 气相色谱仪 纲 三、 气相色谱流动相与固定相 四、 定性与定量分析 课外 学习 理解并掌握本章内容，完成课后思考题10,13,14,16,19,20。 要求 教学 气相色谱分析法 第一节气相色谱理论基础 1塔板理论 11分配平衡：用分配系数、分配比来描述组分在给定两相间的分配行为。 分配系数K:在一定的温度、压力下，组分在液相和气相之间分配达到平衡 时的浓度比： K-8 (12-6) 分配比k:在一定的温度、压力下，组分在液相和气相之间分配达到平衡时 3

3 教 学 内 容 提 纲 第一节 气相色谱理论基础 一、 塔板理论 二、 速率理论 三、 色谱基本分离方程 第二节 气相色谱法 一、 气相色谱法的特点 二、 气相色谱仪 三、 气相色谱流动相与固定相 四、 定性与定量分析 课外 学习 要求 理解并掌握本章内容，完成课后思考题 10，13，14，16，19，20。 教学 后记 气相色谱分析法 第一节 气相色谱理论基础 1 塔板理论 1.1 分配平衡：用分配系数、分配比来描述组分在给定两相间的分配行为。 分配系数 K：在一定的温度、压力下，组分在液相和气相之间分配达到平衡 时的浓度比： g e C C K = （12－6） 分配比 k：在一定的温度、压力下，组分在液相和气相之间分配达到平衡时

的质量比： k品 (12-7) k品兴k.÷ (12-8) 分配系数和分配比都与组分及固定液的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而 变化。分配系数与两相体积无关，而分配比随固定液的量的改变而改变，k越大，组分分 配在固定液中的量越多，相当于柱的容量越大，因此又称它为容量因子。 某组分的k可以由实验测得，它等于该组分的调整保留时间与死时间的比值，即 k告 to (12-9) 上式表明，某组分的保留时间越长则k值越大，色谱柱对该组分的保留能力就越强。 色谱保留方程： tR =to(1+k) (12-10) 若载气流量F0恒定，根据保留体积的定义，将式(12-4a)、(12-4b)和(12-8) 代入上式，得： VR=Vg+KVe (12-11) 上式称色谱基本保留方程。色谱柱确定以后，Vg和VI即为定值。由此可见，分配系数 不同的各组分具有不同的保留值，因而在色谱图上有不同位置的色谱蜂。 1.2塔板理论 将色谱柱假想为一个精馏塔，塔内有一系列连续的、相等体积的塔板，每 一块塔板的高度称理论塔板高度H。并假设在每一块塔板上被分离组分在气液两 相间瞬时达到一次分配平衡，若色谱柱长为L则： n理论塔板数(12-12) 根据色谱图可计算出n n=554=16 (12-13) 实际塔板数nc nm=t=542P=6 (12-14) 4

4 的质量比： g c m m k = （12－7） g e g g e e g e V V K C V C V m m k = • • • = = (12－8) 分配系数和分配比都与组分及固定液的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而 变化。分配系数与两相体积无关，而分配比随固定液的量的改变而改变，k 越大，组分分 配在固定液中的量越多，相当于 柱的容量越大，因此又称它为容量因子。 某组分的 k 可以由实验测得，它等于该组分的调整保留时间与死时间的比值，即 0 R 0 R 0 t t t t t k  = − = (12－9) 上式表明，某组分的保留时间越长则 k 值越大，色谱柱对该组分的保留能力就越强。 色谱保留方程： t R = t 0 (1 + k) (12－10) 若载气流量 F0 恒定，根据保留体积的定义，将式（12-4a）、（12-4b）和（12-8） 代入上式，得： VR＝Vg + KVe （12－11） 上式称色谱基本保留方程。色谱柱确定以后，Vg 和 Vl 即为定值。由此可见，分配系数 不同的各组分具有不同的保留值，因而在色谱图上有不同位置的色谱蜂。 1.2 塔板理论 将色谱柱假想为一个精馏塔，塔内有一系列连续的、相等体积的塔板，每 一块塔板的高度称理论塔板高度 H。并假设在每一块塔板上被分离组分在气液两 相间瞬时达到一次分配平衡，若色谱柱长为 L 则: n= H L n 理论塔板数 (12－12) 根据色谱图可计算出 n 2 b 2 R y2 R ) w t ) 16( w t n = 5.54( = (12－13) 实际塔板数 neff 2 b 2 R y2 R eff eff ) w t ) 16( w t 5.54( H L n  =  = = (12－14)

塔板理论的特点和不足： (1)当色谱柱长度一定时，塔板数n越大（塔板高度H越小），被测组分在柱内被分配 的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。 (2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量 柱效能的指标时，应指明测定物质。 (3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该 色谱柱的塔板数多大，都无法分离。 (4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指 出影响柱效的因素及提高柱效的途径。 2速率理论 1956年，荷兰学者范第姆特Van Deemter))等在研究气-液色谱时，提出了色谱过程动 力学理论一速率理论。吸收了塔板理论高度的概念，并把色谱分配过程与组分在两相中 的扩散和传质过程联系起来，导出速率理论方程式，较完善地解释了影响塔板高度的各 种因素。同时使用于气相和液相色谱。 H=A+Bu+C. (12-15) A、B、C为常数，分别代表涡流扩散项、分子扩散项和传质阻力项系数 2.1涡流扩散项A 组分在气相中形成紊乱的类似“涡流”的流动而引起色谱峰变宽 A=2)dp 22分扩散项% 组分在色谱柱内运动，存在浓度梯度，引起色谱峰变宽 B=2YDg 2.3传质阻力项C:包括气相传质和液相传质 c晋 2.4载气流速u对H影响 H=A+%+0 微分后 =-是+c=0 5

5 塔板理论的特点和不足： （1）当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大（塔板高度 H 越小），被测组分在柱内被分配 的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。 （2）不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量 柱效能的指标时，应指明测定物质。 （3）柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数 K 相同时，无论该 色谱柱的塔板数多大，都无法分离。 （4）塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指 出影响柱效的因素及提高柱效的途径。 2 速率理论 1956 年，荷兰学者范第姆特(Van Deemter)等在研究气-液色谱时，提出了色谱过程动 力学理论—速率理论。吸收了塔板理论高度的概念，并把色谱分配过程与组分在两相中 的扩散和传质过程联系起来，导出速率理论方程式，较完善地解释了影响塔板高度的各 种因素。同时使用于气相和液相色谱。 Cu u H = A + B + (12－15) A、B、C 为常数，分别代表涡流扩散项、分子扩散项和传质阻力项系数 2.1 涡流扩散项 A 组分在气相中形成紊乱的类似“涡流”的流动而引起色谱峰变宽 A＝2λdρ 2.2 分扩散项 u B ： 组分在色谱柱内运动，存在浓度梯度，引起色谱峰变宽 B＝2γDg 2.3 传质阻力项 Cμ： 包括气相传质和液相传质 g 2 2 g D d (2 R) 0.01R C  • + = l 2 f 2 l D d (1 R) R 3 2 C • + = • 2.4 载气流速 u 对 H 影响 H＝A＋ Cu u B + 微分后 C 0 u B du dH 2 = − + =

=层 (12-20) Hmm=A+2√BC (12-21) 3色谱基本分离方程 3.1分离度R相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之 比 R=- tR2)-tRw (wbo)-Ws))Who) 3.2色谱基本分离方程式 单独的考虑柱效能或选择性不能真实的反映组分在色谱柱中的分离情况。故需要引入 个综合性指标—分离度R—作为色谱柱的总分离效能指标。 设相邻两色谱峰峰底宽度相等即W=W2 【R2-【uw=IR2-【R@=2-t W2) WM2) 理论证明，若相邻两色谱峰对称且满足正态分布，当R<1.0时，两峰有部分重叠， 当R=1.0时，分离程度可达98%，当R=1.5时，分离程度可达99.7%。通常用R=1.5作 为相邻两峰完全分离的标志。 分离度作为柱的总分离效能指标，既反应了两组分保留值的差值，又考虑到了色谱 峰宽度对分离的影响，即柱效能ef的高低。分离度与柱效能和选择性的关系可由下式 导出，设相邻两色谱峰峰底宽度相等，即Wb(1)=Wb(2),则： 将式(12-14)代入上式： R=.= (12-24) 式(12-24)将分离度R与柱效能eff、柱选择性r2,1联系起米，为色谱分离条件的选择 提供了理论依据。称为色谱基本分离方程式。 第二节气相色谱法 1气相色谱法特点 1.1选择性好：它是将待测物质先进行分离、然后检测 6

6 C B u = (12－20) H min = A + 2 BC (12－21) 3 色谱基本分离方程 3.1 分离度 R 相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之 比 b(1) b(2) R(2) R(1) b(1) b(2) R(2) R(1) w w 2(t t ) (w w ) 2 1 t t R + − = − − = 3.2 色谱基本分离方程式 单独的考虑柱效能或选择性不能真实的反映组分在色谱柱中的分离情况。故需要引入 一个综合性指标——分离度 R——作为色谱柱的总分离效能指标。 设相邻两色谱峰峰底宽度相等 即 wb(1) = wb(2) b(2) R(2) R(1) b(2) R(2) R(1) b(1) b(2) R(2) R(1) w t t w t t (w w ) 2 1 t t R  −  = − = + − = 理论证明，若相邻两色谱峰对称且满足正态分布，当 R<1.0 时，两峰有部分重叠， 当 R=1.0 时，分离程度可达 98%，当 R=1.5 时，分离程度可达 99.7%。通常用 R=1.5 作 为相邻两峰完全分离的标志。 分离度作为柱的总分离效能指标，既反应了两组分保留值的差值，又考虑到了色谱 峰宽度对分离的影响，即柱效能 neff 的高低。分离度与柱效能和选择性的关系可由下式 导出，设相邻两色谱峰峰底宽度相等，即 Wb(1)=Wb(2)，则: 将式（12－14)代入上式： 2,1 eff 2,1 R(2) eff R(2) R(1) r r 1 4 n t t t 4 n R − =   −  =  （12－24） 式（12-24）将分离度 R 与柱效能 neff、柱选择性 r2,1 联系起来，为色谱分离条件的选择 提供了理论依据。称为色谱基本分离方程式。 第二节 气相色谱法 1 气相色谱法特点 1.1 选择性好：它是将待测物质先进行分离、然后检测

1.2柱效高：一根1~2m长的色谱柱一般有几千块理论塔板，而毛细管柱的理论塔板数 可达105~106块。可以有效的分离极为复杂的化合物。 1.3灵敏度高：气相色谱可检测10-~10Bg的物质 2气相色谱仪 主要包括五大系统 2.1气路系统：它是载气连续运行的密闭管路系统，结与路系统的要求是密封性好流速 稳定。一般用皂膜流量计测得柱后载气流量F。 2.2进样系统：将试样快速而定量的加到色谱柱头上 23分离系统：主要是在色谱柱内完成试样的分离，有填充柱和毛细管柱两种 2.4温度控制系统：对气化室，色谱柱和检测器部件的温度进行设定和控制。 2.5检测记录系统 主要是检测器和记录仪组成，检测器是将组分的浓度或质量大小转变成电信 号，常见的有四种检测器。 (I)热导检测器(TCD) 它由金属池体和装入池体内两个完全结称孔道内的热敏元件所组成，是基于被分离 组分与载气的导热系数不同进行检测。是一种非破坏检测器，对各种物质都有响应 (2)氢火焰电离检测器(FID) 主要有离子室、火焰喷嘴极化电极和吸集极构成，根据含碳有机化合物在氢 火焰中发生电离原理进行检测。对有机化合物有高的灵敏度。 (3)申子捕获检测器(ECD) 由两个电极和筒状的B放射源(63N组成，带电负性组分进入电离室后捕 获低能量的自由电，使基始电流下降，电流下降值与进入检测器的电负性组分含 量成正比 (④)火焰光度检测器FPD) 主要对含硫、磷化合物有选择性响应，硫的检测波长394，磷的检测波长 526nm 3气相色谱流动相和固定相 3.1流动相（载气》 气相色谱常用的载气有氢气、氮气、氩气和氨气等气体。选用何种气体及气体的纯 度应根据检测器的种类和分析要求决定。例如，氮气的扩散系数小，可用于氢焰检测器：

7 1.2 柱效高：一根 1~2 m 长的色谱柱一般有几千块理论塔板，而毛细管柱的理论塔板数 可达 105~106 块。可以有效的分离极为复杂的化合物。 1.3 灵敏度高：气相色谱可检测 11 10 − ～ 13 10 − ｇ的物质 2 气相色谱仪 主要包括五大系统 2.1 气路系统：它是载气连续运行的密闭管路系统，结与路系统的要求是密封性好流速 稳定。一般用皂膜流量计测得柱后载气流量 F。 2.2 进样系统: 将试样快速而定量的加到色谱柱头上 2.3 分离系统: 主要是在色谱柱内完成试样的分离，有填充柱和毛细管柱两种 2.4 温度控制系统: 对气化室，色谱柱和检测器部件的温度进行设定和控制。 2.5 检测记录系统 主要是检测器和记录仪组成，检测器是将组分的浓度或质量大小转变成电信 号，常见的有四种检测器。 ⑴热导检测器(TCD) 它由金属池体和装入池体内两个完全结称孔道内的热敏元件所组成，是基于被分离 组分与载气的导热系数不同进行检测。是一种非破坏检测器，对各种物质都有响应。 ⑵氢火焰电离检测器(FID) 主要有离子室、火焰喷嘴极化电极和吸集极构成，根据含碳有机化合物在氢 火焰中发生电离原理进行检测。对有机化合物有高的灵敏度。 ⑶申子捕获检测器(ECD) 由两个电极和筒状的 β 放射源(63Ni)组成，带电负性组分进入电离室后捕 获低能量的自由电，使基始电流下降，电流下降值与进入检测器的电负性组分含 量成正比。 ⑷火焰光度检测器(FPD) 主要对含硫、磷化合物有选择性响应，硫的检测波长 394n，磷的检测波长 526nm 3 气相色谱流动相和固定相 3.1 流动相（载气） 气相色谱常用的载气有氢气、氮气、氩气和氦气等气体。选用何种气体及气体的纯 度应根据检测器的种类和分析要求决定。例如，氮气的扩散系数小，可用于氢焰检测器；

氢的相对分子质量小，导热系数大，适宜与热导池检测器，可提高检测器的灵敏度。 般用热导检测器时，使用氢、氨气体，其它检测器使用氮气，作为载气的气体要求纯度 高。 3.2固体固定相 周体固定相是表面有一定活性的固体吸附剂，如活性炭、硅胶、氧化铝分子筛等，不同的分析对 象选用不同的吸附剂。当被分析试样随载气进入色谱柱后，因吸附剂对试样混合物中各组分 的吸附能力不同，经过反复多次的吸附一脱吸附，使组分彼此分离。 3.3液体固定相 由固定液和载体组成。固定液均匀的涂布在载体表面。 载体：要求比表面积大，化学稳定性和热稳定性好，颗粒均匀，有一定的机械强度。 固定液：高沸点有机液体，要求有适当的溶解性能，选择性好，挥发性小，热稳定 性好， 化学稳定性好等。 4定性与定量分析 4.1试样的预处理 化学衍生化，通过合适的化学反应，改变组分的色谱的分离性质，将极性过强，挥 发性过低或稳定性不好的物质转化成稳定性好和易挥发的衍生物。 裂解色谱技术：将一些难挥发的固体试样在裂解器中裂解成低分子碎片后，再由载 气带入色谱柱进行分析。 4.2定性分析 色谱法主要利用保留值定性，但在很多情况下，仍需借助其它手段。 (1)利用保留值与书籍物质对照定性，包括以下方法： 利用保留时间定性 利用峰高增量定性 利用双色谱系统定性 (2)利用保留值经验规律定性 (3)根据文献保留数据定性 4.3定量分析 气相色谱定量分析的依据是被测组分的质量与其色谱峰面积成正比 mi =fA (22-34)

8 氢的相对分子质量小，导热系数大，适宜与热导池检测器，可提高检测器的灵敏度。一 般用热导检测器时，使用氢、氦气体，其它检测器使用氮气，作为载气的气体要求纯度 高。 3.2 固体固定相 固体固定相是表面有一定活性的固体吸附剂，如活性炭、硅胶、氧化铝分子筛等，不同的分析对 象选用不同的吸附剂。当被分析试样随载气进入色谱柱后，因吸附剂对试样混合物中各组分 的吸附能力不同，经过反复多次的吸附—脱吸附，使组分彼此分离。 3.3 液体固定相 由固定液和载体组成。固定液均匀的涂布在载体表面。 载体：要求比表面积大，化学稳定性和热稳定性好，颗粒均匀，有一定的机械强度。 固定液：高沸点有机液体，要求有适当的溶解性能，选择性好，挥发性小，热稳定 性好， 化学稳定性好等。 4 定性与定量分析 4.1 试样的预处理 化学衍生化，通过合适的化学反应，改变组分的色谱的分离性质，将极性过强，挥 发性过低或稳定性不好的物质转化成稳定性好和易挥发的衍生物。 裂解色谱技术：将一些难挥发的固体试样在裂解器中裂解成低分子碎片后，再由载 气带入色谱柱进行分析。 4.2 定性分析 色谱法主要利用保留值定性，但在很多情况下，仍需借助其它手段。 ⑴利用保留值与书籍物质对照定性，包括以下方法： 利用保留时间定性 利用峰高增量定性 利用双色谱系统定性 ⑵利用保留值经验规律定性 ⑶根据文献保留数据定性 4.3 定量分析 气相色谱定量分析的依据是被测组分的质量与其色谱峰面积成正比 即 mi = fiAi （22－34）

(1)峰面积测量 峰高乘半峰宽A=1.06hwy2 或蜂高乘平均峰宽A=h(was+was) (2)定量校正因子 绝对校正因子【=只 相对校正因子「是☆ (3)定量方法 自一化法，A+仟A正0m 内标法：在一定量的试样中，加入一定量的内标物，根据待测组分和内标物峰面积 及内标物质质量计算待测组分质量的方法。 标准曲线法：标准曲线法也称为外标法，是一种简便、快速的定量方法

9 ⑴峰面积测量 峰高乘半峰宽 06hw y2 A =1. 或峰高乘平均峰宽 h(w w ) 2 1 A = 0.15 + 0.85 ⑵定量校正因子 绝对校正因子 i i i A m f = 相对校正因子 s i i I s i m A m A f f f  = = ⑶定量方法 归一化法 100% A f A f A f A f w 1 1 2 2 m m i i i  + + + =  内标法：在一定量的试样中，加入一定量的内标物，根据待测组分和内标物峰面积 及内标物质质量计算待测组分质量的方法。 标准曲线法：标准曲线法也称为外标法，是一种简便、快速的定量方法