第1章_色谱分析法和气相色谱法.ppt

色谱分析法,色谱法导论 气相色谱法,本章重点： 1. 理解色谱分离的基本原理； 2. 掌握色谱法的基本概念和术语； 3. 掌握色谱法的定性和定量方法; 4. 了解气相液相色谱的分析原理、仪器结构 和在食品分析中的应用.,描述: 色谱法是一种分离技术. 混合物最有效的分离、分析方法. 色谱法分离发生在色谱柱上. 可用于检测大多数有机物质.,§1. 色谱法导论,1906年,俄国植物学家茨维特 对植物叶的色素成分进行研究 时,使用右图装置: 将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内,然后加入石油醚使其自由流下,结果色素中各组分互相分离形成各种颜色的谱带.这种分离物质的方 法因此得名为色谱法.,1.1 概述,1.2 色谱法分类,(1)气相色谱：流动相为气体（称为载气）。 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱 按色谱柱可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；,(2)液相色谱：流动相为液体（称为淋洗液）。 按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。,1.3 色谱法的特点,（1）分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体、手性异构体。,高效液相色谱 分离复杂单糖,（2） 灵敏度高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。 （3） 分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。 （4） 应用范围广 气相色谱：沸点低于400、结构稳定的各种有机或无机 试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。,（一）组分分离 当流动相中样品混合物经过 固定相时，就会与固定相发生作 用，由于各组分在性质和结构上 的差异，与固定相相互作用的类 型、强弱也有差异，因此在同一 推动力的作用下，不同组分在固 定相滞留时间长短不同，从而按 先后不同的次序从固定相中流出。,1.4 色谱曲线图及有关术语,（二）色谱峰 由检测器输出的信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是色谱峰。,基线：在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流 出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。 峰高：色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h）表示。,（三） 保留时间tR 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间，如下图。 组分在色谱柱中的保留时间tR包含组分通过柱子的时间和组分在固定相中滞留的时间，所以tR实际上是组分在固定相中保留的总时间。,（四） 分离度,分离度是描述难分离物质对的实际分离程度。, 柱效较高，K(分配系数)较大,完全分离； K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离； 柱效较低，K较大,但分离的不好； K小，柱效低，分离效果更差。,1.5 定性和定量分析 1 定性分析 在色谱条件一定时，任何一种物质都有确定的保留时 间。 通过比较已知物和未知物的保留参数或在固定相 上的位置，即可确定未知物是何种物质。,未知样品图,已知标样图,利用纯物质定性的方法 利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。 利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。,2 定量分析 在一定色谱条件下，组分i的质量（mi）与检测器响应讯号（峰面积Ai）成正比。 色谱定量分析的依据,3 定量分析方法 (1)外标法(标准曲线法)：将欲测组分的纯物质配制成不同浓度的标准溶液进行色谱分析，以峰面积对浓度作图。测得样品的信号后从标准曲线上查出对应浓度。,（2） 归一化法 将试样中所有组分的含量之和按100%计算，以它们相应的色谱峰面积或峰高为定量参数，通过下式计算各组分的含量：,前提：样品中所有组分都有响应（出峰）,1mg样品溶解后，经过高效液相色谱分析后得到4个峰，经验证样品中只有4种物质，那么每种物质所占比例与对应峰面积所占比例一致。即 M1=1mg ×A1/(A1+A2+A3+A4) 验证方法：薄层色谱法最常用。二极管阵列检测器,3,1,2,4,练习题：,1.色谱分离主要发生在 （ ）上。 1.按照固定相的物态不同，可将液相色谱法分为（ ）和（ ），前者的固定相为固体，后者的固定相为液体。 3. 是色谱分析中用于描述难分离物质对的实际分离程度。 4.色谱分析法的定量方法有 、和 ， 其中 需要所有物质都出峰。 5.色谱分析法的定性依据和定量依据分别是什么？,液固色谱,液液色谱,分离度,标准曲线法,归一化法,归一化法,色谱柱,保留时间（或出峰时间）；峰面积。,§2 气相色谱法,气相色谱仪,气相色谱仪主要包括五部分： 1、载气系统 2、进样系统 3、分离系统 4、温控系统 5、检测系统,2.1 气相色谱仪的组成,1、载气系统,气相色谱对载气的基本要求： （1）纯净 通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的水分、氧等有害杂质。 （2）稳定 采用稳压阀或双气路方式：,（3）常用的载气： 氮气 氢气 氦气 氩气,2、进样系统 进样装置和汽化室 进样通常用微量注射器和进样阀将样品引入。液体样品引入后需要瞬间汽化。汽化在汽化室进行。 进样量不能太小（大于检测限），也不能太大（会使峰型拖尾）。 进样速度要快。,液体进样装置和汽化室,液体进样器：注射器,载气入口,加热块,接色谱柱,汽化室：使样品瞬间汽化而又不分解。,接色谱柱,对汽化室的要求： （1）体积小； （2）热容量大； （3）对样品无催化作用,3.分离系统,色谱柱:色谱仪的核心部件,其作用是分离样品。 主要有两类：填充柱和毛细管柱。 1）填充柱 填充柱由不锈钢制成，内装固定相，一 般内径为24 mm，长13m。填充柱的形状有U 型和螺旋型二种.,当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。,2）毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l0.5 mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。 与填充往相比，其分离效率高、分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。,4.温控系统,温度是色谱分离条件的重要选择参数； 气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制 温度. 气化室：保证液体试样瞬间气化，一般比分离室温度高50 - 100度； 分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离 室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在 最佳温度下分离； 检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；,分离室的温度控制方式有恒温和程序升温二种。,对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。,程序升温:,恒温和程序升温分析烃类化合物,5.检测和数据处理系统,这个系统是指样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进入检测器，检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。,1 热导检测器（TCD）,(1)热导检测器的结构 池体: 一般用不锈钢制成. 热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨 丝制成。 参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。,测量臂：需要携带被分离组分 的载气流过，则连接在 紧靠近分离柱出口处。,2.2 常用检测器,(2) 检测原理,平衡电桥,钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参·R2=R测·R1 无电压信号输出,记录仪走直线（基线）。,进样后:,载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 则： R参·R2R测·R1,这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。,不同气体有不同的热导系数,某些气体与蒸气的热导系数（），单位：J / cm··s,2. 氢火焰离子化检测器（FID）,氢火焰离子化检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。,特点: 1, 能检测大多数含碳有机化合物； 2, 灵敏度很高，比热导检测器的灵敏度高约103倍； 检出限 低，可达10-12g·S-1； 3, 是目前应用最广泛的色谱检测器 之一。 缺点： 不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等物质。,3.电子捕获检测器(ECD),特点:电子捕获检测器是一种选择性很强的检测器, 目前分析 痕 量电负性有机物最有效 的检测器，对具有电负性物质（如含卤素、硫、磷、氰等的物质）的检测有很高灵敏度（检出限约1O-14g/ml）。 缺点: 线性范围窄，只有103左右，且响应易受操作条件的影响，重现性较差。 应用:电子捕获检测器已广泛应用于农药残留量、大气及水质污染分析，以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域中。,4.火焰光度检测器(FPD),火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，检出限可达10-12g·S-1（对P）或10-11g·S-1（对S）。 这种检测器可用于大气中痕量硫化物以及农副产品，水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。,2.3 检测器性能评价指标,灵敏度（S） ： S 表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。S值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就越高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（A）除以试样质量求得： S = A / m,检测限（D）： 恰能产生相当于3倍噪音（3RN）的信号时，单位时间内 进入检测器的量。 D= 3RN / S,无论哪种检测器，检出限都与灵敏度成反比，与 噪音成正比。检出限不仅决定于灵敏度，而且受限 于噪声，所以它是衡量检测器性能好坏的综合指标。,2.4 气相色谱法在食品领域中的应用,食品中呈香呈味物质的检测。 香精香料的检测。 食品中农药残留量检测。 其他小分子油脂等易挥发成分的检测。,检测器: FPD（火焰光度检测器）,检测器: FID（氢火焰离子化检测器）,1. 样品前处理 查阅资料 拿到一个检测任务，首先要分析检测对象的理化特性，使用合适的方法提取分离出来，制备成检测样品。 2. 色谱条件选择 需要考虑的地方：a. 成分是否复杂；b. 极性的大小。 色谱柱：填充柱，毛细管柱。样品成分组成简单使用填充柱； 成分复杂，结构接近，沸程范围宽，选择毛细管柱。 固定相（色谱柱，相似相溶原理）：非极性，弱极性，极性 流动相（与固定相匹配）：能溶解样品成分，但是不能溶解 固定相。 检测器：TCD，FID，FPD，ECD，MS等。,2.5 气相色谱分析方法与条件的选择,3. 确定仪器初始操作条件 仪器配置确定以后，可开始确定仪器初始操作条件，进行常试性分离。条件主要包括进样量、进样口温度、色谱柱温度、检测器温度和载气流速。 先以标准物溶液来确定初始条件。 4. 确定最佳条件 再以待测溶液来调试最佳条件。 要求：a.保证待测物质完全分离; b.保证所有组分完全流出色谱柱； c.分析时间越短越好。,5. 色谱柱的维护 a. 新装的色谱柱在使用前都必须老化。用载气在高温条 件下冲洗至少 1h 以上。 b. 色谱柱暂时不用时，应该卸载下来，两端封闭保存。 c. 检测完后应将色谱柱温度降到50度以下，再关电源和 载气。 d. 色谱柱在使用后定期进行老化，使其恢复柱效。,6 图形分析,存在的问题：峰型不规则，有拖尾现象。 可能的原因：进样量偏大；色谱柱温度偏低；色谱柱柱效较 差；流动相流速偏低；进样速度慢。 解决办法：升高柱温度；对柱子进行老化（高温加热）；增 大流速。,问题：两个峰出峰时间相隔太远。 方法：适当调高色谱柱温度；增加流动相流速。,该谱线存在哪些问题? 有哪些解决办法？,气相色谱仪工作原理? 气相色谱仪的组成部分? 气相色谱常用检测器种类 需要控制温度的部位？为什么要控制温度？ 汽化室的作用及要求？ 进样量对峰型有哪些方面的影响？,课堂作业,