[自然科学]第7章 气相色谱法.ppt

第7章 气相色谱法 7.1.1气相色谱仪与色谱图 1 色谱法 是一种重要的分离、分析技术，它 是将待分析样品的各组分一一进行分离 ，然后按顺序检测各组分的含量。 色谱法是1906年由俄国植物学家茨 维特（M. Tswett）创立的。 7.1 色谱法概述 1 洗出液 固定相 (CaCO3) 色谱柱 流动相 (石油醚) 黄色层 (胡萝卜素) 黄色层 (叶黄素) 绿色层 (叶绿素A) 图7-1 植物叶绿素的分离 2 图7.2 气相色谱流程示意图 1.高压气瓶； 2.减压阀（使高压气体降至1.5kg/cm2)； 3. 净化器(除 掉载气中的水、氧等有害气体)， 4. 气流调节阀；5. 转子流量计(测 定其流速)； 6. 气化室； 7.色谱柱； 8.检测器 3 2、色谱法的分类 （1）按流动相和固定相所处状态分类 4 （2）. 按固定相的固定方式分类 （3）按分离过程的机制分类 5 3、色谱法的特点和应用 优点及应用： （1）. 分离效能高 能在较短的时间内对组成极 为相近的混合物同时进行分离和测定。 （2）. 灵敏度高 可检测10-1110-13 g的物质，适 于作痕量分析。 （3）. 分析速度快 一般只需几分钟或几十分钟 便可完成一个分析周期，一次分析可同时测定 多种组分。 （4）. 应用范围广 可分析气体、液体和固体物 质。不适于色谱分离或检测的物质，可通过化 学衍生等方法转化为适于色谱分离、分析的物 质。 6 缺点： 对未知物的定性分析比较困难。发展高选 择性的检测器，发展色谱与其它分析方 法联用（如色谱-质谱、色谱-红外光谱 、色谱-电化学等），就可以解决未知 物的定性分析问题，并更能发挥色谱法 高分离效能的特点，大大提高分析工作 的水平。 7 7.1.2色谱图及常用术语 试样各组分经色谱柱分离后，从 柱后流出进入检测器，检测器将各组分 浓度（或质量）的变化转换为电压（或 电流）信号，再由记录 8 1、基线 当没有待测组分进入检测器时，在实验操作条 件下，反映检测器噪声随时间变化的曲线称 为基线。如图6-2 中的OC J 图7.3 色谱图 A 信号 O tM O 0 1/2h 0.607h Y1/2 空气峰 G E B B I C A F H W 进样 2 tR tR I W1/2 9 2、峰高 从色谱峰顶点到基线的距离叫峰高，以h表示： 如图7-2 中的AB 3、区域宽度 （1）. 标准偏差 拐点（位于0.607倍峰高处）间距离的一半， 即图6-2 中的1/2 EF 。 （2）. 半峰宽1/2 峰高一半处的峰宽度，如图7-2 中的GH。半峰 宽容易测量，使用方便。 1/22.354 (7.1) （3）. 峰底宽度b 在色谱峰两边的转折点所画的切线与基线相交 的截距，如图7-2 中的IJ。如图7-2 中的点E和F。峰 底宽b4 10 4、保留值 （1）. 保留时间tR 从进样开始到色谱峰最 大值出现时所需要的时间，称为保留时间。 （2）. 死时间tM 不被固定相保留的组分 ，从进样到出现峰极大值所需要的时间称为 死时间。 式中L为柱长（cm）；为流动相平均线速度（ cm/s）。 (7.2) 11 （3）. 调整保留时间 指组分的保留时间与死时间之差值 tR = tR tM (7-3) 实际上就是组分被固定相滞留的总时 间。反映了组分与固定相之间的作用，tM反 映了柱内流动相所占体积大小，而与组分 性质无关。 （4）. 保留体积VR 从进样开始到色谱峰最大值出现时所 通过的流动相的体积。单位: mL (7-4) 12 : 流动相平均体积流速 （5）. 死体积VM 不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流 动相的体积 : VM = tM (7-5) （6）. 调整保留体积 保留体积减去死体 积，叫做调整保留体积，即组分停留在固 定相时所消耗的流动相体积。 VRVRVM tR (7-6) 13 (7) 相对保留值2,1 组分2 与组分1的调整保留时间之比： 在定性分析中，通常固定一个色谱峰作 为标准(s)，然后再求其它峰对这个峰的相对 保留值，此时可用表示： 又称为选择因子。 （7.7) （7.8) 14 7.2 气相色谱固定相 气相色谱固定相分为两类： 用于气固色谱的固体吸附剂 用于气液色谱的固液体固定相（包 括固定液和载体） 15 7.2.1气液色谱固定相 1 载体（担体） （1） 对担体的要求： 为多孔性固体颗粒，起支持固定液的作用。 表面应是化学惰性的（化学稳定性好）； 比表面积大； 热稳定性好； 粒度均匀，有足够的机械强度。 16 ( 2)载体的分类： 17 (3).硅藻土载体的预处理 普通硅藻土表面并非完全惰性的，仍有不同程 度的活性中心，特别是在固定液用量较小并用于分 析极性样品时，表面的非惰性就会对分离有明显的 影响，使柱效降低，色谱峰拖尾。 在涂渍固定液前，应对载体进行预处理，使其 表面钝化。常用的预处理方法有: 酸洗（除去碱性作用基团）、碱洗（除去酸性 作用基团）、硅烷化（消除氢键结合力）、釉化（ 表面玻璃化、堵住微孔）等处理方法。 18 2. 固定液 (1).对固定液的要求 挥发性小，在操作温度下有较低蒸气 压，以免流失。 在使用温度下为液体，热稳定性及化学 稳定性好。 在操作温度下粘度要低，以保证固定液 能均匀地分布在载体上形成均匀的液膜。 能溶解被分离混合物中各组分，使各 组分有足够的分离能力。 19 (2)固定液和组分分子间的作用力 主要包括静电力、诱导力、色散力和氢 键力 静电力 也称定向力. 由于极性分子有永久偶极矩，彼此间 产生的静电作用所引起。在极性固定液柱上 分离极性样品时，分子间的作用力主要是静 电力。这种静电力越强，该组分在柱内滞留 的时间就越长。由于静电力的大小与绝对温 度成反比，所以，对于这种柱子，升高柱温 对分离不利。 诱导力 存在于极性分子和非极性分子之间， 由于在极性分子永久偶极矩电场的作用下， 非极性分子也会极化而产生诱导偶极矩。 20 色散力 是非极性分子间存在的一种作用力。由于分 子中正负电中心瞬间相对位置的变化，产生周期 性变化的瞬间偶极矩，使周围分子极化，极化了 的分子又反过来加剧瞬间偶极矩变化的幅度，从 而产生色散力。非极性和弱极性分子间主要是色 散力。 氢键力 当分子中一个氢原子和一个电负性（原子 的电负性是原子吸引电子的能力，电负性越大， 吸引电子的能力越强）很大的原子（以X表示， 如F、O、N等）构成共价时，它又能和另一个电 负性很大的原子（以Y表示）形成一种强有力的 有方向性的静电吸引力，这种能力叫做氢键作用 力。 21 氢键的强弱还与Y的半径有关，半径越小， 愈易靠近XY，因而氢键愈强。氢键的类型和 强弱次序为： F O (3) 固定液的特性 相对极性 规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强 极性固定液,- 氧二丙腈的极性为100。然后 选一对物质（如正丁烷-丁二烯）来进行实验， 分别测定其在,-氧二丙腈、角鲨烷及欲测极 性固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对 数，得到： 22 被测固定液的相对极性为： 式中下标0，s和x分别表示,- 氧二丙 腈、角鲨烷及欲测极性固定液。 (7.9) (7.10) 23 由此测得的各种固定液的相对极性均在0 100之间。将其分为五级，每20单位 为一级： 0+1非极性固定液 +1+2 弱极性固定液 +3中等极性固定液 +4+5强极性固定液 24 7.1 25 固定液特征常数 A. 罗氏常数 相对极性并不能全面反应组分和固定液分 子间的全部作用力。Rohrschneider（罗氏）提 出用保留指数的差值I 来表示固定液的相对极 性。 选用五种标准物质表征固定液的特性： 苯（电子给予体）：代表易极化物质； 乙醇（质子给予体）：代表氢键化合物； 甲乙酮（质子接受体）：代表接受氢键能力 强的化合物； 硝基甲烷（质子接受体）：代表特殊氢键化 合物； 吡啶（质子接受体）：代表氮杂环上可形 成大键化合物。 26 若分别测定这五种标准物质的被测 固定液和参比固定液（角鲨烷）上的保 留指数，可得五种标准物质的保留指数 差值： I = Ip Is (7.11) I 任一标准物质保留指数差值 Ip 、 Is - 分别为任一标准物质在被测固 定液和参比固定液的保留指数。 I ，固定液和分子间作用力 罗氏常数用I /100表示。 27 7.2 28 B.麦氏（McReynolds)常数 选用苯、正丁醇、2-戊酮、1-硝基丙烷、吡 啶、2-甲基-2-戊醇、碘丁烷、2-辛炔、二氧 六环、顺八氢化茚10种物质，在柱温120oC 下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的 I值。归纳后，只用前五种物质足以表达固 定液的相对极性，把该五项之和称为总极性 。 29 7.3 30 7.2.2 气固色谱固定相 1 吸附剂 多孔、大表面、具有吸附活性的固体物 质。 优点：吸附容量大，耐高温无流失，适于 分离永久性气体（在色谱柱中是指在常温常 压下为气态的气体）和低沸点物质。 缺点：吸附等温线不呈线性关系，进样量 稍大就得不到对称峰。 常用的有非极性的活性炭，弱极性的氧化 铝，强极性的硅胶等。 31 2 聚合物固定相 以苯乙烯或乙基苯乙烯为单体，二 乙烯基苯为交链剂共聚而成。 优点： （1）这类固定相颗粒是均匀的圆球， 所以色谱柱易填充均匀，结果重现性好 ； （2）在直接用作固定相时，无液膜存 在，也就无流失问题，有利于大幅度程 序升温操作，用于宽沸点的样品的分离 。 32 7.3 色谱分离原理 7.3.1 分配系数和分配比 1 分配系数K 分配系数K又称平衡常数，是指在 一定的温度和压力下，组分在两相间达 到分配平衡时，组分在固定相中的浓度 cs与在流动相中的浓度cm之比，即 ： （ 7.12) 33 2 分配比 分配比又称容量因子或容量比，是在一 定温度和压力下，组分在两相间达到分配平 衡时，组分在固定相中质量ms和在流动相中 质量mm之比，即： （7.13) (7.14) cs、cm意义同前，Vs和Vm分别为柱中固定相 和流动相的体积。 34 分配比k的测定： 可直接从色谱图测得。 设流动相在柱内的线速度为u，组分在柱 内线速度为 us, 定义此两速度之比为滞留因子 Rs： Rs = us/u (7.15) 若用质量分数表示Rs，则 （7.16) 组分和流动相通过长度为L的色谱柱时 ，所需时间 分别为： 35 tR = L/us (7.16) tM = L/u (7.17) 整理式(7.12) (7.15),可得： tR = tM(1 + k) (7.18) (7.19) 36 分配系数K与分配比k的关系 ：相比率。 填充柱：6 35 毛细管柱：60 600 4 分配系数K及分配比k与选择因子的关系 根据式(7.8),(7.19)和(7.20) (7.20) (7.21) 37 7.3.2 塔板理论 该理论假定： A 组分可以在两相中迅速达到平衡； B载气以脉冲式进入色谱柱；且每次进气 为一个塔板体积； C所有组分开始时存在于第0块塔板，沿 轴向（纵向）的扩散可忽略不计； D分配系数在所有的塔板上为一常数。 38 理论塔板高度（H）：为使组分在 柱内两相间达到一次分配平衡所需要的 柱长。 理论塔板数（n）：组分流过色谱柱 时，在两相间进行平衡分配的总次数。 当色谱柱长为L时，则它的塔板数 n: (7.22) 39 用半峰宽和峰宽表示塔板数： L一定，n, H, 柱效能。实际上 有偏差。 (7.23) (7.24) (7.25) 40 7.3.3 速率理论 1956年荷兰学者范第姆特（Van Deemter）等人在研究气液色谱时，提出了色 谱过程动力学理论: 式中，u 流动相线速度 A,B,C 分别代表涡流扩散项系数、 分子扩散项系数、传质阻力项系数 (7.26) 41 1 涡流扩散项A 由于填充物颗粒大小的不同，以及填充的不 均匀性，使组分分子通过填充柱时，有许多长 短不等的路径。因此，同一组分的不同分子， 到达柱尾出口处的时间有先有后，所以色谱峰 变宽。 A2 dp (7.27) 填充不规则因子 dp 填充物颗粒的平均直径 对于空心毛细管，不存在涡流扩散，因此，A = 0. 42 2. 分子扩散项B/u(纵向扩散项） BDg (7.28) 弯曲因子 Dg 组分分子在气相中的扩散系数（cm2/s） 。 弯曲因子是与填充物有关的因素。由于在 填充柱中固定相颗粒的存在，使分子自由扩散 受到阻碍，扩散程度降低。 分子扩散与组分在柱中的停留时间有关， 停留时间越长（u小），分子扩散越严重。因 此，当线速度u大时，B/u项可忽略。 43 Dg与组分的性质，载气的性质，柱温，柱 压等因素有关。 组分的分子量大，Dg小； Dg与载气密度的平方根或载气分子量的平 方根成反比， 柱温， Dg ；柱压， Dg 因此，为降低分子扩散程度，宜使用分子 量较大的载气（如N2），采用较高的载气线 速度，控制较低的柱温。 影响Dg的因素 44 3 传质阻力项Cu 由于组分由气相到气液二相界面进行浓 度分配时形成的，从气相到气液界面所需时 间越长，则传质阻力越大，引起峰变宽程度 也愈大。 对气-液色谱： C = Cg + Cl (7.29) Cg 气相传值阻力系数； Cl 液相传值阻力系数 45 对于填充柱： k - 容量因子(分配比）； dp 填充颗粒直径； Dg _ 组分分子在气相中的扩散系数 采用粒度小的填充物和分子量小的气 体（如H2）作载气，可使Cg减小，可提 高柱效。 (7.30) 46 (7.31) Df 固定相液膜厚度； Dl 组分在液相中扩散系数。 由式(7.29) Df ，Cl; Dl , Cl 47 将式(7.27)、(7.28)、(7.30)、（ 7.31)带入式(7.26),得到Van Deemter关于 气液色谱塔板高度的方程式： (7.32) 48 7.3.4 基本色谱分离方程式 1. 柱效和选择性 理论塔板数n（或n有效）是衡量柱效 的指标，反映了色谱分离过程动力学性质。 用色谱图上两峰之间的距离来衡 量。一般用选择因子表示两组分在给定柱子 上的选择性。 柱效 选择性 49 2. 分离度 分离度R也称分辨率或分辨度，它是 色谱图中相邻两峰分离程度的量度。定 义为相邻两峰保留值之差与两峰宽之和 的一半的比值 (7.33) 50 7.4 51 3 基本色谱分离方程式 由式(7.21) 将(7.34)、(7.18)代入式(7.33),整理后 ，得到基本色谱分离方程式： 在实际应用中，常用n有效 (7.34) (7.35) 52 将式(7.21)除以(7.22),并结合式（ 7.16），可得： 将式(7.34)代入(7.33), 可得基本色谱 分离方程式另一表达式： n和n有效的关系 (7.36) (7.37) 53 7.4 分离条件的选择 7.4.1 固定液的选择 1 分离非极性物质，一般选用非极性固定 液，沸点低的先出峰 2 分离极性物质，选用极性固定液，极性 小的先出峰； 3 分离非极性和极性混合物时，一般选用 极性固定液，这时非极性组分先出峰； 4 对于能形成氢键的试样，如醇、酚、 胺和水等的分离。一般选用极性或氢键型的 固定液，这时氢键力小的先出峰； 54 5. 对于复杂的难分离的物质，可用两种 或两种以上的混合固定液。 7.4.2 载体的选择 1载体的选择原则 （1）当固定液含量大于5%时，可选用硅藻土 型（白色或红色）担体； （2）当固定液含量小于5%时，可选用处理过 的担体； （3）对于高沸点组分，可选用玻璃微球担体 ； （4）对于强腐蚀性组分，可选用氟担体。 55 2 载体的粒度 载体颗粒减小，柱效将线性增加，但粒度 过细时，阻力将明显增加，使柱压降增大， 给操作带来不便。因此，一般根据柱径来选 择载体的粒度，保持载体的直径约为柱内径 1/201/25为宜。一般常用36 mm内径柱， 选用载体的粒度6080目为好。 56 3筛分范围 载体的筛分范围即载体粒度的均匀 性。颗粒比较均匀，筛分范围窄，装填 时也容易装均匀，有利于提高柱效。筛 分范围越窄越好。 57 7.4.3 柱长和柱径的选择 在其它条件相同的情况下，增加 柱长一般能改善分离效果，但又延长了 分析时间。因此，在满足一定分离度的 条件下，应尽可能使用较短的柱子。一 般填充柱长为13 m。 58 7.4.4 载气及其流速的选择 对于给定的色谱柱，当柱温和样品 一定时，载气及其流速是影响柱效和分 析时间的主要因素。根据塔板理论，用 在不同流速下测得的塔板高度H对线速 度作图，得H曲线 59 u 最佳 u/cm穝 -1 B/ u C u 净影响 最佳条件 H H 最小 A 各项因素对板高 H 的影响 图7.5 60 讨论： 由图7.5. 和式(7.24) ： A与流速无关。 当流速较小时，分子扩散项是色谱峰扩展 的主要因素，应采用N2、Ar等分子量较大的 载气，有利于降低组分分子的扩散，减小板 高； 当流速较大时，传质阻力项的影响越来越大 ，直到成为影响柱效的决定因素。此时宜采 用相对分子量较小的载气如H2、He等，以改 善气相传质，降低传质阻力。 当然，选择载气还必须考虑与所用检测器 相适应。 61 u最佳和H 最佳可计算得到： 由式 微分： 将(7.41)代入(7.26),得到： (7.41) (7.42) 62 例：有一根1米长的气液色谱柱，用 N2作载气。当载气流速为40 mL/min时 ，n为800块；当载气流速为10 mL/min 时，n为1000块。求最佳载气流速和所 对应的H和n的值。 解： 代入式（7.26,忽略A项），得联立方程 ： 63 解得：B = 7.33 mmmL/min； C = 0.0267 mmmin/mL 则： 64 7.4.5 柱温的选择 选择的原则： 在使最难分离的组分能尽可能好的 分离的前提下，尽可能采取较低的柱温 ，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度 。具体操作条件的选择应根据不同的实 际情况而定。 65 表 6. 66 7.4.6 进样条件的选择 1气化室温度 要求气化室温度既能保证样品迅速完全气 化又不致引起样品分解。气化温度一般仅比 柱温高1050即可。 2进样量 进样量与固定相总量及检测器灵敏度有关。对 于内径24 mm、柱长2 m、配比1015%的 色谱柱，液体样品不得超过10 L，气体样品 不得超过10 mL。通常用热导检测器时，液 体样量为15 L，用氢焰检测器，则应小于 1L。 3进样方法 进样方法包括注射深度、位置、速度几方 面，这些对峰高、峰面积都有影响。 67 7.5 气相色谱检测器 7.5.1 检测器的分类 浓度型：测定载气中某组分浓度的瞬 时变化 A 热导检测器； B 电子捕获检测器 ； 质量型：测定载气中某组分进入检测 器的速度变化 A 氢焰离子化检测器； B 火焰光度 检测器。 68 7.5.1热导检测器 （Thermal Conductivity Detector, TCD ） 1. 热导检测器的结构 热导检测器又可分为双臂热导池和四 臂热导池两种，它由池体和热敏元件构 成。热敏元件有热丝和热敏电阻两类。 69 图7.6. TCD原理图 70 2 热导检测器原理 热导检测器原理是基于： （1）被测组分的蒸气具有不同的热导 系数； （2）热丝阻值随温度变化而改变； （3）利用惠斯登电桥测量。 71 3. 影响热导检测器灵敏度的因素 （1）桥路工作电流的影响 热导检测器的响应值与桥电流的三次方成 正比。桥流增加，使热丝温度提高，热丝和 池体的温差加大，气体就容易将热量传递出 去，灵敏度就提高。 （2）载气的影响 热导检测器是根据载气与样品蒸气热导系 数的差异进行检测的。二者差异越大，灵敏 度越高。由于待测组分的热导系数一般很小 ，故选热导系数大的载气。常用的载气热导 系数大小顺序为：H2HeN2，因此，在使用 热导检测器时，为了提高灵敏度，一般选用 H2为载气。 72 （3）热导池体温度的影响 当桥路电流一定时，热丝温度一 定。如果池体温度低，池体与热丝的 温差就大，能使灵敏度提高。但池体 温度不能太低，否则组分在检测器内 冷凝。一般池体温度不应低于柱温。 73 7.5.3 氢火焰离子化检测器 （Flame Ionization Detector， FID ） 1 氢火焰检测器的结构 7.7 74 2离子化机理 （1）氢和氧燃烧所生成的火焰为有机 物分子提供燃烧和发生电离作用的条件 ； （2）有机物分子在氢-氧焰中进行化 学电离； （3）化学电离产生的离子，在置于火 焰附近的静电场中定向移动而形成离子 流。 75 以苯为例: C6H6 6 CH 6 CH + 3 O2 6 CHO+ + 6 e 6 CHO+ + 6 H2O 6 CO + 6 H3O+ 产生的CHO+、H3O+和电子,在电场作用 下形成微弱的离子流而产生信号。 裂解 76 3操作条件的选择 （1）载气种类和气体流量 A. 用氮作载气比用其它气体（如H2 、He、Ar）作载气时的灵敏度要高 B. 载气流量的选择主要根据分离效能 来考虑。 燃气: 氢气 助燃气: 空气,且为离子化过程提供氧 氢气流量：空气流量： 1:101:20。 氢气流量：氮气流量： 1:11:1.5 77 （2）使用温度 对氢焰检测器灵敏度影响不大，但 应高于100，最好高于柱温50，以 免水蒸汽和样品蒸气冷凝。 （3）管路应保持干净。 （4）极化电压：氢火焰中生成的离 子只有在电场作用下向两极定向移动， 才能产生电流。因此极化电压的大小直 接影响响应值。 一般选100V到300V之间。 78 7.5.4 电子捕获检测器 （Electron Capture Detector, ECD） 1 电子捕获检测器的结构与工作原理 图 7.8 电子捕获检测器 79 检测器内有一个放射源（H3或Ni63 ）作为负极，一不锈钢作为正极。两极 间加适当电压。当载气（N2）进入检测器 时，受射线的辐射发生电离： 生成的正离子和电子分别向负极和 正极移动，形成恒定的基流。当含有电 负性元素的组分AB随载气进入检测器后 ，就会捕获电子而生成稳定的负离子AB ： AB + e AB- 80 生成的负离子又与载气正离子复合： 其结果使基流下降，产生负信号而 形成倒峰。组分浓度越高倒峰愈大。 81 7.5.5火焰光度检测器 （Flame Photometric Detector, FPD） 82 检测原理： （1）检测器中有富氢火焰，为含硫 、含磷的有机化合物提供燃烧、激发的 条件； （2）样品在富氢火焰中燃烧时含硫 有机物和含磷有机物能发射特征波长的 光，其波长分别为S394 nm，P526 nm。 （3）特征光通过滤光片后，由光电 倍增管把光强度转换成对应的电信号， 此电信号经放大后输至记录仪记录。 83 当含有硫（或磷）的试样进入氢焰离子室 ，在富氢空气焰中燃烧时，有下述反应： RS + 空气 + O2 SO2 +CO2 2SO2 + 8H 2S + 4H2O 亦即有机硫化合物首先被氧化成SO2，然后 被氢还原成S原子，S原子在适当温度下生成 激发态的S2*分子，当其跃迁回基态时，发射 出350430 nm的特征分子光谱。 S + S S2* S2* S2 +hv 84 7.6 色谱定性分析 7.6.1 利用纯物质对照定性 将已知纯物质在相同的色谱条件下的 保留时间与未知物的保留时间进行比较 。 85 7.6.2 相对保留值法 相对保留值i,s是指组分i与基准物s 调整保留值的比值，即 86 7.6.3 加入已知物增加峰高法 首先作出未知样品的色谱图，然后在未知 样品中加入某已知物，又得一色谱图。 峰高增加的组分即能为这种已知物。 87 7.6.4 其它方法 除利用保留值定性外，尚可利用检 测的选择性响应的特点将未知物大致分类