[理学]第二章气相色谱分析法.ppt

,第二章 气相色谱分析 2-1 气相色谱法概述 色谱法早在1903年由俄国植物学家茨维特分 离植物色素时采用。 他在研究植物叶的色素成分时，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不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。,在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相 ；自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相 ；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱 。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。,色谱法(chromatography)：以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。 色谱柱：进行色谱分离用的细长管。 固定相：（stationary phase） 管内保持固 定、起分离作用的填充物。 流动相：（mobile phase）流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。,按固定相的几何形式分类： 1.柱色谱法， 2.纸色谱法， 3.薄层色谱法 。 按两相所处的状态分类 ：,气相色谱法,液相色谱法,气-固色谱法,液-固色谱法,气-液色谱法,液-液色谱法,气相色谱仪通常由五部分组成： 载气系统：气源、气体净化器、供气控 制阀门和仪表。 进样系统：进样器、汽化室。 分离系统：色谱柱、控温柱箱。 检测系统：检测器、检测室。 记录系统：放大器、记录仪、 色谱工作站。,国产气相色谱仪,图1 、色谱过程 图2、 色谱图,A,B,KAKB,色谱图（chromatogram）： 试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号时间曲线或信号流动相体积曲线，称为色谱流出曲线，,色谱图界面,常用术语： 基线： 在操作条件下，仅有纯流动相进 入检测器时的流出曲线。 峰高与峰面积：色谱峰顶点与峰底之间的 垂直距离称为峰高(peak height)。用h表示。 峰与峰底之间的面积称为峰面积(peak area)， 用A表示。 峰的区域宽度： a、峰底宽 WD = 4=1.70 Wh/2 b、半高峰宽 Wh/2=2.355 c、标准偏差峰宽 W0.607h=2,保留值: 1) 保留时间 ：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。 2) 保留体积 ：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积，VR。 死时间： 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(dead time)，tM。 死体积: 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积(dead volume) ，VM。（F0为柱尾载气体积流量） VM = tM F 0,调整保留值: 1) 调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。 tR= tR tM 2) 调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。 VR = VR VM 或 VR = tR F0 相对保留值（relative retention） 在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用ri，s 表示,色谱分析的实验依据： 、根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定性分析。 2、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。 3、根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价。 由此可知：相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。 当ri，s =1时两个组分不能分离。,2-2 气相色谱分析理论基础 一、分配平衡的几个参数： 1、分配系数（distribution coefficient） 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。 。 2、容量因子（capacity factor） 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。,cs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；V m为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积， Vs为色谱柱中固定相的体积。 3、分配系数和分配比之间的关系 分配系数K 与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。 容量因子k 决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关。,理论上可以推导出：,Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各种色谱柱柱型及其结构特征 填充柱（Packing column）: 635 毛细管柱（Capillary column）: 501500,色谱过程的基本方程式：,二、色谱分离的基本理论 1、塔板理论（ Martin and Synge 1941） 塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。设柱长为L，理论塔板高度为H，则 H = L / n 式中n为理论塔板数。 理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的保留时间（tR）和峰底宽（w）或半峰宽（ wh/2 ）按下式推算：,或,有效塔板数（neff）的计算公式为；,通常用有效塔板数（neff）来评价柱的效能比较符合实际。 neff 越大或Heff越小，则色谱柱的柱效越高。,Heff=L/neff,2、速率理论 （J. J. Van Deemter 1956） 速率理论认为，单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一的。 A项为涡流扩散项；B/ u项为分子扩散项；C u为传质项，；u为载气线速度，单位为cm/s。,范第姆特方程式(Van Deemter equation),涡流扩散项（vortex diffusion term),由于填充物颗粒的阻碍作用，当气体通过时，会不 断改变流动方向，使样品组分在气相中形成类似“涡流”的流动，引起色谱峰的扩张。涡流扩散项的大小与填充物的平均颗粒直径dp(单位未cm)大小及填充的不均匀性有关，而与载气性质，线速度和组分无关。 使用细粒度和粒度分布均匀的颗粒作为担体，且填充均匀，可以减少涡流扩散，提高柱效能。 空心毛细管柱，涡流扩散项A为零。,色谱峰的扩张，假设为单一组分，,填充物粒度越均匀，峰的扩张越小，分离效果越好。,分子扩散项B/u(纵向扩散项) (Longitudinal diffusion term) 试样组分被载气带入色谱柱后，以“塞子”的形式存在于柱内很小一端空间中，在“塞子”的前后（纵向）存在着浓差而形成浓度梯度，使运动着的分子产生纵向扩散。纵向扩散项的大小B为： B=2gDg g 为弯曲因子，表示因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因素。Dg 为组分在气相中的扩散系数（cm2.s-1) B的影响因素： g 与填充物有关：由于固定相颗粒的存在，使分子不能自由扩散，从而使扩散程度降低。 空心毛细管柱：没有填充物的阻碍，扩散程度最大，g = 1 填充柱：由于填充物的阻碍，扩散路径弯曲，扩散程度降低，g1. 对于硅藻土担体，g= 0.5 0.7.,纵向扩散项与组分在柱内的保留时间有关，保留时间越长（相当于载气流速越小），分子扩散项对色谱峰扩张的影响越显著。 分子扩散项与组分在载气流中的分子扩散系数Dg 成正比。 Dg与组分及载气的性质有关： 相对分子质量越大，Dg越小 Dg 与载气密度的平方根或载气相对分子质量的平方根成反比。 Dg 也随柱温的升高而增加，但与柱压成反比。,传质项C (Resistance to mass transfer) 包括气相传质阻力系数Cg 和液相传质阻力系数Cl,气相传质过程： 试样组分从气相移动到固定相表面的过程，在该过程中，试样组分将在两相间进行质量交换，即浓度分配。如气相传质过程速度慢，表示气相传质阻力大，便会引起色谱峰扩张。对于填充柱：,上式中k为容量因子。dp 为填充物颗粒的平均直径。 Cg dp2 Cg 1/Dg 对于填充柱，固定相含量较高，在中等线速时，Cg 数值较小，通常可以忽略。,液相传质过程 试样组分从固定相的气液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然后再返回气液界面的过程。在液相传质过程中，气相中的组分的其它分子仍然随载气不断地向柱口运动，从而造成峰形的扩张。,液相传质阻力系数Cl,df refer to thickness of liquid member of stationary phase Dl diffusion coefficient of the component in liquid phase,涡流扩散、纵向扩散、传质阻力在一定程度上各自独立起作用，又彼此影响，同时还与柱温、柱内径和色谱柱的填充等因素有关连。它们共同影响色谱柱的板高或理论塔板数。 如纵向扩散和传质阻力都受温度影响，温度又制约色谱柱中固定液的厚度，在使用温度较高时，固定液越厚，越容易流失，影响基线并加长仪器的稳定时间。 所有范氏方程各项因素对板高的影响可以通过做实验获得，相互关系见下图。,A、B、C 综合,Stationary phase,Stationary liquid,Capillary wall,2-3 色谱分离条件的选择 一、分离度（resolution） 相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比，用R表示。分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标。 R 越大，表明两组分分离效果越好 保留值之差取决于固定液的热力学性质 色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素 及柱效能高低,对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰： R=1, 分离程度为98%； R=1.5，分离程度可达99.7%。 所以R=1.5时可认为色谱峰已完全分开。,二、色谱分离关系式 设两相邻峰的峰宽相等，即w1=w2，则,又知,另,称为柱效项；,称为柱选择项；,容量因子项。,相对保留因子,与柱效的关系（柱效因子） 与容量因子的关系,R n1/2,增加柱长,减小塔板高度,限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。,使用性能优良的色谱柱，并选择最佳分离条件,k值增大，有利于分离，但k 10时，对R的增加不明显，也会显著增加分析时间 k的最佳范围：1 10,与柱选择性的关系 分离度、柱效、柱选择性的关系,r2,1越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。,例题：设有一对物质，其r2,1 =1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？ 解：要实现完全分离，R1.5,故所需有效理论塔板数为：,使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm, 故所需柱长应为：,三、色谱条件的选择 1、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关）,实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速 稍高于最佳流速。,2、分离柱型的选择（与总柱效、分离度R有关）,3、柱温的选择（与ri，j有关） 能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽量选择较低的温度。当然被测物的保留时间要短、峰形不能有严重拖尾。最好用程序升温方法，以实验优化选择的条件为工作条件。 4、固定液与担体的选择（与相比有关） 由实验手册查出参考值，再由实验选择。 5、汽化室与检测室温度（与被测对象的利用度有关） 汽化温度、检测室温度高于柱温30-70度。 6、进样量：（与柱容量有关） 根据担液比及柱子形式决定进样量，进样 方式为柱塞进样。,2-4 固定相及其选择 一、固定相的类型： 吸附剂型固定相 固定相 担体+固定液型固定相 常用吸附剂型固定相有：,常用担体+固定液型固定相中： 常用担体有： 1、红色担体：（101型担体） 特点是：表面空隙小、比表面积大、机械强度 高、担液能力强、表面有吸附中心。 2、白色担体：（6201型担体） 特点是：表面空隙较大、比表面积较小、机械 强度较差、担液能力中、表面无吸附中心。 3、非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃 微球担体、高分子微球担体等。 特点是：表面空隙适中、比表面积适中、机械强 度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。 硅藻土型担体用前要预处理：酸洗、碱洗、硅烷化。,二、固定液的类型：,三、固定液的极性： 固定液与待测化合物之间的作用力主要属定向力、诱导力、色散力、氢键力等弱相互作用为主，所以固定相的极性对分离过程非常重要，固定相极性用相对极性P的公式表示： 规定：,-氧二丙腈固定液的P=100、角鲨烷固定液的P=0 、测试标样为环己烷-苯,按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级： 020 为0+1 ，称非极性固定液； 2040 为+1+2 ，称弱极性固定液； 4060 为+2+3 ，称中极性固定液； 80100 为+4+5 , 称强极性固定液； 固定液的极性与待测组分极性的选择原则为： “相似相溶原理”,一、分离非极性样品选用非极性固定液，样品中各组分按沸点从低到高依次流出； 二、分离极性样品选用极性固定液，样品中各组分按极性次序分离，极性小的先液出，极性大的后液出； 三、分离极性和非极性混合样品，一般选用极性固定液，非极性组分先流出，极性组分后流出； 四、分离能形成氢键的样品，一般选取用极性或氢键型固定液，样品中各组分按与固定液形成氢键大小先后流出； 五、分离复杂试样，可选用两种或两种以上混合固定液，或串联两根不同固定液的色谱柱进行分离。,四、固定液选择示例,2-5 气相色谱检测器 一、气相色谱检测器的类型 气相色谱检测器根据响应原理的不同可分为浓度型检测器和质量型检测器两类。 浓度型检测器：测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化，即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD） 质量型检测器：测量的是载气中某组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）,通用检测器有： 1、热导池检测器，TCD (Thermal conductivity detector) 测一般化合物和永久性气体 2、氢火焰离子化检测器,FID (Hydrogen flame ionization detector) 测一般有机化合物 专用检测器有： 3、电子俘获检测器，ECD (Electron capture detector) 测带强电负性原子的有机化合物 4、火焰光度检测器，FPD (Flame photometric detector) 测含硫、含磷的有机化合物 特殊检测器有：FTIR、MS、测化合物结构,二、气相色谱检测器的工作原理 1、热导检测器 原理；就是利用不同的物质具有不同的导热系数。,Self-study & Exam: 热导池的构造，工作原理及影响检测灵敏度的因素。,2、氢火焰离子化检测器 原理：利用有机化合物在氢火焰中燃烧时能产生带电离子碎片，收集其荷电量进行测定。,Self-study & Exam: 氢火焰检测器的构造，工作原理及影响检测灵敏度的因素。,三、色谱检测器的灵敏度 1、灵敏度,2、最小检出量 3、响应时间 4、线性范围 5、噪音及检处出限,2-6 气相色谱定性法 一、利用内标物与待测物的相对保留值r1，2 进行定性分析。 实验中要用双柱、或多柱进行分析，必 须要有适当的标准物质。 二、利用保留指数进行I进行定性分析,Xz+1 ， Xz 分别代表含Z+1、Z个碳原子的正构烷烃在测定柱上的调整保留参数， Xi代表待测物质在测定柱上的调整保留参数。 由于I 的值温度之间呈线性关系，所以可以方便的外推求出文献测定条件下的I 值而进行定性分析，无须标准物质。,Figure Sketch map for determination of rotention index,2-7 气相色谱定量法 一、色谱定量公式：,mi = fi Ai,mi ：待测物质质量,fi ：待测物质定量校正因子,Ai ：待测物质色谱峰的积分面积,二、色谱峰的面积求法： 1、峰高乘半峰宽法 2、峰高乘平均峰宽法 3、峰高乘保留值法 4、电子积分法,三、定量校正因子 （Quantitative calibration factor） 绝对校正因子： 相对校正因子：用标准物质为参照物、求出待测物质与标准物之间绝对校正因子的比值。对热导池检测器的标准物是苯、对氢火焰离子化检测器的标准物是正庚烷。,1.质量校正因子（Mass calibration factor fm ）,2.摩尔校正因子（Molar ca