气相色谱（GC）基础知识——基本原理PPT课件

第十章 气相色谱法 10谱法引论 一 概述 “色谱法 ” 名称的由来 石油醚 (流动相 ) 碳酸钙 (固定相 ) 色 谱 带 是利用混合物不同组分在 固定相 和 流动相 中分配系数 (或吸附系数、渗透性等 )的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。 色谱法 色谱法的分类 根据流动相的 物态可分为 气相色谱 (液相色谱 (超临界流体色谱 ( 根据固定相的外形分 柱色谱 平板色谱 平 板 色 谱 根据分离机理 可分为 吸附色谱 分配色谱 离子交换色谱 排阻色谱 二 色谱流出曲线及有关术语 (一）保留值 定性 1 死时间 流动相 平均线速度 柱长 2 保留时间 校正 (调整 )保留时间 4 死体积 V0 005 保留体积 Vr 6 校正 (调整 )保留体积 7 相对保留值 ri,s 8 分离因子 (二）峰高与峰面积 定量 （三）区域宽度 柱效 峰底宽度 W 半峰宽 标准偏差 ）色谱流出曲线上的信息 1 根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。 2 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。 3 根据色谱峰的面积或峰高 , 可以进行定量分析 4 色谱峰的保留值及其区域宽度是评价色谱柱分离效能的依据 5 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相 (或流动相 )选择是否合适的依据。 三 色谱分析的基本原理 组分保留时间为何不同？ 色谱峰为何变宽？ (一）分配系数 k 组分在固定相中的浓度 组分在流动相中的浓度 1 分配系数 组分一定时， 组分及固定相一定时 ,温度增加 ,试样中的各组分具有不同的 选择适宜的固定相可改善分离效果 影响 固定相 温度 2 分配比 (容量因子 )k 组分在固定相中的质量 组分在流动相中的质量 K与 K与 数值越大 ， 该组分的保留时间越长 。 3 分配系数 /4 分离因子 与 分配系数 配比 (二）色谱理论 1 塔板理论 柱分离效能指标 * k=1 塔板号 载气塔板体积数 0 1 2 3 4 柱出口 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22/ 理论塔板数 理 论 塔 板 高 度 色谱柱长度 柱效能指标 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 ， 柱效能越高 ， 所得色谱峰越窄 。 222/116f fe f fe f 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 。 有效塔板数 有效板高 2 速率理论 影响柱效的因素 流动相 线速度 范弟姆特方程 1) 涡流扩散项 A 2固定相颗粒越小 ， 填充的越均匀 柱效越高 ， 色谱峰越窄 。 2) 分子扩散项 B/u(纵向扩散项 ) 2流动相 柱内谱带构型 相应的响应信号 产生原因： 浓度梯度 影响因素： 流动相流速； 气体扩散系数 )1(载气MD g 3) 传质阻力项 Cu (气相传质阻力 固定相颗粒越小 ， 载气分子量越小 气相传质阻力越小 (32液相传质阻力 固定液粘度及液膜厚度越小 液相传质阻力越小 4) 流动相线速度对板高的影响 例 1：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的A=B=s; C=求最佳线速度 . 解 : H=A+B/u+求 最小 ,要对速率方程微分 ,即 dH/d(A+B/u+-B/ 0 最佳线速 : (B/C)1/2 ( s 最小板高 : A+2( ( 分离度 )1定义： 组分 2和组分 1的保留时间 组分 2和组分 1的峰底宽度 R=全分离 五 基本色谱分离方程式 )(212112对于难分离相邻两组分： 2W 1212 22 162 re f 有若以组分222122211616 f 12 1022220222221f f 114 22 14e f k、 的关系 增加到 3， (k: 2 倍 ， 从 增加约 9， 加到原来的 9倍 结论 选择合适的固定相 (流动相 )以增加 是改善分离度最有效的方法 1) 各组分的分配系数必须不同。这一条件通过选择合适的固定相来实现。 2) 区域扩宽的速度应小于区域分离的速度，即色谱柱的柱效要高。 3) 在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。 使试样中的不同组分分离需要满足的条件 例 1： 有一根 l 离组分 1和 2得到如下色谱图。图中横坐标 录笔走纸距离。若欲得到 R=效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？ 22116 Rn e f f 需要解法 1 12 =)(2 7 8 需要 e f 14e f 需要原来需要原来f fe f fe f fe f f 原来需要原来需要e f fe f )(1 2 3 9545491616222 块原来 e f f)( 3 92 7 8 81 原 )(需要 需要原来需要原来需要原来 f fe f 1) 同解法 1 2) 22116 Rn e f f 10相色谱实验技术 一 气相色谱仪 载气系统 进样系统 分离系统 检测和 记录系统 温控系统 （一）载气系统 常用载气： 氮气、氦气、氢气及氩气 气源 净化干燥管 载气流速控制装置 载气系统 载气选择依据 检测器 柱效 （二）进样系统 注射器 气化室 进样系统 进样器 气化室 温度比柱温高出 10 50 取样位置 试样导入色谱柱 六通阀进样器 （三）分离系统 (色谱柱 ) 色谱柱 填充柱 毛细管柱 柱内径 1 长度 m 10m 总塔板数 103 106 样品容量 10 g g1 气液色谱固定相 组成 担体 (载体 ) 固定液 硅藻土 红色 白色 非硅藻土 1) 担体 (载体 ) 对载体的要求 a. 具有多孔性，即比表面积大。 面没有活性，有较好的浸润性。 c. 热稳定性好。 固定相在制备和填充过程中不易粉碎。 S O S S 3C H 3C l C l+S i O S iS 3C H 3O O+ H C l 担体的表面处理 a. 酸洗 浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团 b. 碱洗 氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去酸 性作用 基团 c. 硅烷化 除去担体表面的氢键作用力 二甲基二氯硅烷 2) 固定液 高沸点的有机化合物 对固定液的要求 a. 热稳定性好，在操作温度下不发生聚合、分解等反应；具有较低的蒸气压，以免流失。 与样品或载气发生不可逆的化学反应。 c. 粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。 (填充柱 ，毛细管柱 ) 组分与固定液分子间的相互作用 a. 静电力极性分子之间的作用力 性与非极性分子之间的作用力 c. 色散力非极性分子之间的作用力 原子与电负性很大的原子 (如 F、O、 之间的作用力 固定液的相对极性 P )()()(正丁烷丁二烯或环己烷苯角鲨烷氧二丙腈 :2;,:1 )()(1 0 01 0 0211 固定液的选择原则 “ 相似相溶 ” a. 非极性物质 非极性固定液 。 沸点 越低的组分越早出峰。 b. 极 性物质 极性固定液 。 极性 越小的组分出越早出峰。 c. 极 性与非极性混合物 极性固定液 。 极性越小的组分出越早出峰。 d. 易 形成氢键物质 极性或氢键型固定液。 不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分后出峰。 e. 复杂难分离样品 多种固定液混合 固定液 极性 适用范围 100 二甲基聚硅氧烷 非极性 脂肪烃化合物，石化产品 (50 三氟丙基 )甲基聚硅氧烷 中等极性 极性化合物，如高级脂肪酸 聚乙二醇 中强极性 极性化合物，如醇、羧酸酯等 常用毛细管色谱柱固定液 2 气固色谱固定相 永久性气体 惰性气体 低沸点有机化合物 分离对象 分离测定有机物中的痕量水 高分子多孔微球 硅胶强极性 氧化铝弱极性 活性炭非极性 分子筛 强极性 高分子多孔微球 (固体吸附剂 (四 ) 检测系统 1 热导池检测器 (参比 测量 2 A B 参比 =测量 只有载气通过时 载气 +组分 参比 测量 利用载气与组分热导系数的差异进行测量 载气对 热导检测器灵敏度的影响 某些气体与蒸气的热导系数 /10cms )体 热导系数 气体 热导系数 氢气 烷 气 烷 气 烷 气 醇 气 醇 气 酮 影响热导检测器灵敏度的因素 载气种类； 热丝工作电流； 热丝与池体温度差。 适用范围 测量对象：通用 色谱柱：填充柱 2 氢 火焰离子化检测器 ( 6 裂解 C H 2火焰离子化机理 适用范围 含碳有机化合物 影响检测灵敏度的因素 氢氮比；空气流量；极化电压。 3 电子捕获检测器 ( 2 2 电子 捕获机理 适用范围 卤素及亲电子物质 饮用水中三卤甲烷色谱图 水 氯 氯仿 二氯溴甲烷 二溴氯甲烷 溴仿 4 火焰光度检测器 ( 222 22 *2 )m a x*2 ) O m a x* 响应机理 适用范围 含硫、磷化合物 含磷化合物 含硫化合物 三 九 一 一 乙拌磷 地亚农 倍硫磷 对硫磷 丙硫磷 乙硫磷 乙丙硫磷 谷硫磷 壤虫磷 丰索磷 蝇毒磷 马拉硫磷 一0五九 5 质谱检测器 毛 细 管 柱 接口 离子源 离子检测器 加 热 器 温 度 传 感 器 6 原子发射光谱检测器 二 色谱分离操作条件的选择 1. 色谱 柱 固定相； 固定液液膜厚度； 柱长等 2. 载气及其线速的选择 检测器 载气 柱效 u 较小时，选择分子量较大的载气（ u 较大时，选择分子量较小的载气 ( 3. 柱温 的选择 改变柱温产生的影响 柱效 增加柱温可加快气相、液相的传质速率，有利于降低塔板高度，改善柱效；但同时又会加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。 分离度 柱温升高， K 减小，分离度下降。 分析时间 降低柱温，分析时间增加 1. 柱温应控制在固定液的 最高使用温度 和最低使用温度范围之内。 2. 使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。 3. 柱温 一般选择在组分平均沸点左右。 4. 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。 选择原则 程序升温 50250 ， 8 /温 150 正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较 程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。 4. 进样量的选择 进样量 柱效 进样量过大，使色谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽 检测器 进样量过大，峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏 进样量应控制在柱容量允许范围 及检测器线性检测范围之内 10相色谱分析方法及应用 一 定性分析 1 用已知纯物质 对照定性 保留值定性 峰高增加法定性 2 用经验规律和文献值定性 (1) 经验规律 碳数规律 在一定温度下， 同系物 的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系 )3( 可求出常数 。从色谱图查出未知物的 后，根据上式即可求出未知物的碳数。 ) 相对保留值 (3) 保留指数 0 0)()1()()(Z, Z+1:正构烷烃的碳原子数 进样 )( 1( 酸正丁酯在阿皮松 图中测得调整保留距离为：乙酸正丁酯 310.0 庚烷 174.0 辛烷 373.4 乙酸正定酯的保留指数。 00 定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知组分进行验证。 3 联机定性 S(气相色谱 例：川桂皮挥发油的化学成分分析 色谱柱： 54(30m 色谱操作条件 载气：氦气，流速 1mL/温：初温 60 保持 18 / ， 6 /90 ， 8 /50 ，保持 1离子流色谱图 6号峰的质谱图 相色谱原子发射光谱 ) 二甲基硒 烯丙基甲基硒 甲基亚磺基硒酸甲酯 二甲基二硒 2丙稀硫硒酸甲酯 1丙稀硫硒酸甲酯 双(甲硫)硒 烯丙基甲基硫 二甲基二硫 二烯丙基硫 烯丙基甲基二硫 二甲基三硫 二烯丙基二硫 烯丙基甲基三硫 二烯丙基三硫 、硒化合物 96.1 C(193.1 S(180.7 4 几种方法联合定性 化合物 谱保留指数 质谱相似度 09号峰定性数据 985 1149 934 981 1124 香叶烯 926 986 1156 质谱和保留指数两种鉴定方法的结果 例：缬草挥发油化学成分的研究 多种方法联合定性可大大提高鉴定的可靠性 二 定量分析 1 定量基础 )( 峰面积 )( 峰高或 /单位峰面积 (或单位峰高 )的组分的量 定量校正因子 相对校正因子 2 常用的几种定量分析方法 (1)归一化法 %1002211样中所有组分均须出峰 要求 操作条件如进样量、载气流速等变化时对结果的影响较小。 优点 组分 乙苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯 峰面积 120 75 140 105 正因子归一化定量结果 面积直接归一化定量结果 8芳烃异构体归一化定量分析 (2)外标法 (校准曲线法 ) 或 不使用校正因子 需准确控制进样量、 载气流速等 操作条件 适合测定大批量样品 (3)内标法 对内标物的要求： （ a）试样中不含有该物质； （ b）与被测组分性质比较接近； （ c）不与试样发生化学反应； （ d）出峰位置应位于被测组分附近，且无 组分峰影响。 准确度高 优点 %100%100 内标内标 内标内标内标 内标内标内标内标内标 例 : 测定二甲苯氧化母液中乙苯和二甲苯含量，采用内标法。称取试样 1500 入内标物壬烷 150 合均匀后进样，测得如