气相色谱法课件20120626讲解

气相色谱法概述 气相色谱的固定相及其选择原则 气相色谱法理论基础 气相色谱分离条件的选择 气相色谱检测器 气相色谱分析方法及应用,第六章 气相色谱分析法,历史背景知识,色谱法的产生,色谱法是一种分离技术，它是俄国植物学家茨维特1906年创立的。 他在分离植物叶子中的色素时，将叶片的石油醚（饱和烃混合物）提取液倒入玻璃管中，柱中填充CaCO3粉末（CaCO3 有吸附能力)，用纯石油醚洗脱（淋洗）。,1.1 分类,第一节 概述,1.2 气相色谱的分析流程,1.3 气相色谱的分离原理,设Cs为组分在固定相中的浓度，Cm为组分在流动相中的浓度，则在每次分配过程达到平衡时都应满足下列关系：,1.4 气相色谱法的特点,由于气相色谱法的不断完善和分离、分析技术的发展，它已成为石油、化工、医药、食品、生物化学、环境保护等生产、科研部门不可缺少的分析手段。其特点如下：,1.分离效能高 可分离性质非常接近的同分异构体、立体异构体等物质。如分析石油馏分中几十个到上百个组分。 2.灵敏度高 由于先进的检测手段与高效能的分离技术相结合，气相色谱法灵敏度高，可以检测10-11-10-12g物质。如环境化学中大气污染物的分析，农药残留物的分析以及测定农副产品、食品、水质中的卤素、硫、磷等的含量。,3.分析速度快 进行气相色谱分析时，在进样后只要几分钟或几十分钟即可完成一个分析全过程。近年来用贫贱不能微机处理数据，更加快了分析速度。 4.应用范围广 在柱温条件下能气化的有机试样、无机试样都可进行分离与测定。,第二节 气相色谱的固定相及其选择原则,一、气固色谱的固定相 二、气液色谱的固定相 1、担体（亦称载体） 2、固定液 三、新型合成固定相,2.1 气固色谱的固定相,这一类型的气相色谱多采用吸附剂作固定相，吸附剂表面多孔，而且具有一定的吸附活性。 常用的吸附剂有非极性的活性炭、弱极性的氧化铝、强极性的硅胶和有特殊吸附作用的分子筛等。,2.2 气液色谱的固定相,1.担体（亦称载体） 担体是一种多孔的惰性固体。对担体的要求是比表面积大，热稳定性好，化学惰性，机械强度好。它分为硅藻土型和非硅藻土型两类。,2.固定液,在气液色谱中，固定液的选择具有非常重要的意义，固定液应具有多样的性质。 a、选择性好，对被分离组分的分配系数要有适当的差值； b、热稳定性好，即沸点高，挥发性小； c、对被测组分有适当的溶解能力； d、化学稳定性好，不与被测组分发生不可逆的化学反应。,3.选择固定液的原则 一般按相似相溶原则选择：,a、分离非极性组分选用非极性固定液。 b、分离极性组分宜选用极性固定液。 c、分离非极性和极性（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时非极性组分先出峰，极性（或易被极化的）组分后出峰。,d、凡能形成氢键的组分如醇、胺和水的分离，宜选择极性或氢键型的固定液。不易形成氢键的组分先流出色谱柱，最易形成氢键的组分则最后出峰。 e、对干复杂组分的分离，常采用特殊的固定液或两种甚至两种以上混合的固定液，根据具体情况合理选择。,2.3 新型合成固定相,高分子微球（如GDX系列）固定相分为极性和非极性两种。 这类新型高分子微球合成固定相既是担体又起固定液作用，可以在活化后直接用于分离，也可以作为担体在其表面上涂渍固定液后再用于分离。,第三节 气相色谱法理论基础,3.1 色谱流出曲线及有关术语 1.基线在实验操作条件下，色谱柱后没有组分流出的曲线叫基线。 稳定情况下是一条直线。 基线上下波动称为噪音。,2.保留值： 表示试样组分在色谱柱内停留的情况，通常保留值用时间或相应的载气体积表示。 （1）死时间t0不被固定相吸附或溶解的组分流经色谱柱所需的时间。 从进样开始到柱后出现峰最大值所需的时间。 气相色谱惰性气体（空气、甲烷等）流出色谱柱所需的时间。,t0,(2)保留时间tR ： 组分流经色谱柱时所需时间。 进样开始到柱后出现最大值时所需的时间。 操作条件不变时，一种组分有一个tR定值，定性参数。,（3）调整保留时间tR扣除了死时间的保留时间。 tR=tR-t0 又称校正保留时间，实际保留时间。 tR体现的是组分在柱中被吸附或溶解的时间。,tR,保留值用体积表示： （4）死体积V0不被固定相滞留的组分流经色谱柱所消耗的流动相体积称死体积，色谱柱中载气所占的体积。 V0=t 0F0 柱后出口处流动相的体积流速mL/min,（5）保留体积VR 组分从进样开始到色谱柱后出现最大值时所需流动相体积，组分通过色谱柱时所需流动相体积 VR =t RF 0 （6）调整保留体积VR扣除了死体积的保留体积，真实的将待测组分从固定相中携带出柱子所需的流动相体积。 VR= tRF 0,V0、t0与被测组分无关，因而VR . tR更合理地反映了物质在柱中的保留情况。,（7）相对保留值2，1或i ,s 在相同操作条件下，组分2或组分i对另一参比组分1或s调整保留值之比,（1）峰高h 色谱峰最高点与基线之间的距离，可用mm ,mV， mA表示。峰高低与组分浓度有关，峰越高越窄越好。,3.区域宽度,（2） 色谱峰的宽度 标准偏差 峰高0.607倍处的色谱峰宽的一半。,峰底宽Wb色谱峰两侧拐点所作切线在基线上的距离 Wb =4 半峰宽W1/2峰高一半处色谱峰的宽度 W1/2 =2 .354 Wb =4 W1/2 =0.589Wb,Wb,(3) 色谱峰面积A 色谱峰与峰底所围的面积。 对于对称的色谱峰 A=1.065h W1/2 对于非对称的色谱峰 A=1.065h(W 0.15+W 0.85)/2,a、标准偏差 即0.607倍峰高处色谱蜂宽度的一半。 b、半峰宽Y1/2 峰高h一半处的宽度 c、峰底宽度Wb 由色谱峰两边的拐点作切线，与基线交点间的距离。,3.2 气相色谱法基本理论 1.塔板理论 对一个色谱柱来说，若色谱柱长度固定L，每一个塔板高度H越小，塔板数目越多，分离的效果越好，柱效越高。塔板数用n 表示。 n =L/H 或 H=L/n H越小，n越多，分离效果越好，用 H,n 评价柱效。 由塔板理论导出n与Wb ， W 1/2 的关系。 n = 5.54 (tR /W 1/2)2 =16 (tR/Wb )2,有时n 大，分离效果也不好，因用tR 内含tm ，后来改用有效塔板数。,1.塔板理论,n 有效= 5.54 (tR /W 1/2)2 =16 (tR/Wb )2 H有效n 有效,塔板理论的成功之处，提出了计算理论塔板高度、塔板数的公式及评价柱效的方法，具有开创性，但有一定局限性。,n理 = 5.54 (tR /W 1/2)2 =16 (tR/Wb )2 H理n 理,前面已知，用塔板理论来说明色谱柱内各组分的分离过程并不合理，因为色谱柱内并没有塔板。当同一试样进入同一色谱柱，当流动相速度变化时，得到不同的色谱图。测得的 n 和 H 也不同，充分说明塔板理论不足以说明色谱柱的分离过程。,、速率理论范第姆特方程,1956年，荷兰学者范第姆特（VanDeomter）提出一个描述色谱柱分离过程中复杂因素使色谱峰变宽而致柱效降低（即：使 H 增大）影响的方程。此方程经简化后写为:,该式称为速率方程（范氏方程）。 下面我们将对公式中的各项进行讨论,u为流动相线速 度cm.s-1，线速 度=柱长/死时间,速率理论范第姆特方程,速率理论范第姆特方程,1）提出了影响的三项因素：涡流扩散项，分子扩散项， 传质阻力项。 2）在流动相流速一定时， 当、最小时，才小，n 才最高，柱效高。 当、最大时，才大，n 才最小，柱效低。,（1）涡流扩散项A,在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似“涡流”的流动，故称涡流扩散。,A2dp A与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子有关。 减小：固定相颗粒应适当细小、填充要均匀。,涡流扩散项A,待测组分是以“塞子”的形式被流动相带入色谱柱的，在“塞子”前后存在浓度梯度，由浓稀方向扩散，产生了纵向扩散，使色谱峰展宽。,（2）分子扩散项B/u（纵向扩散项）,B2D 是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，也称弯曲因子，它反映了固定相的几何形状对分子扩散的阻碍情况。 D为组分在流动相中扩散系数（c m2s-1）。 Dg气相扩散系数比液相扩散系数Dm大的多（约105倍）,分子扩散项B/u,减小纵向扩散项u 采取措施： 适当提高流动相流速u，减小保留时间 用相对分子质量较大的气体作流动相。 Dg B2Dg 适当降低柱温c .,（3）传质阻力项Cu,传质阻力系数包括两部分，m+Cs两项组成 Cm 流动相传质阻力系数 组分从流动相移动到固定相表面进行两相之间的质量交换时所受到的阻力，质量交换慢，引起色谱峰变宽。,m,Cs 固定项传质阻力系数 即组分从两相界面移动到固定相内部，达分配平衡后，又返回到两相界面，在这过程中所受到的阻力为固定相传质阻力。,组分在固定相中扩散系数,固定液膜厚度,减小采取措施： 采用粒度小的填充物 Cmdp2 相对分子质量小的载气，Dg大。 Cm1/Dg 降低固定液液膜厚度(Csdf2)并且液膜要均匀；若膜厚，扩散，费时；但不能太薄，否则包不住载体。 Ds越大越好，增加柱温是提高Ds的方法之一。,3.分离度,用分离度 R(亦称分辨率)来评价色谱柱的总的分离效能：,用半峰宽Y1/2计算： 假定Wb2=Wb1,第四节 气相色谱分离条件的选择,一、载气及其线速度U的选择 根据式（116）H A Bu+ Cu，可以绘制塔板高度与载气线速度的H-u关系曲线，如图所示。,二、柱温的选择 通常是选择比各组分平均沸点低2030，作为柱温。 三、柱长和柱内径的选择 一般常用的柱长为13m，填充柱的内径为34mm。 四、进样量和进样时间的选择 液体试样约在 0.1一5L，气体试样约在 0.l10 mL。进样速度必须迅速，进样操作应在 1s内完成。,五、气化温应的选择 液体试样进样后要求能迅速气化。气化室温度一般较柱温高30-70，而与试样的平均沸点相近，选择的原则是既要使试样能在瞬间气化，又不使试样分解。,第五节 气相色谱检测器,检测器种类很多，但常用的只有四五种，其中以热导池检测器和氢火焰离子化检测器应用最多。 热导池检测器（TCD) 氢火焰离子化检测器(FID),5.1 热导池检测器,热导检测器是通用型检测器。几乎对所有物质都有响应。 由于结构简单，性能稳定，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，因此是应用最广，最成熟的一种检测器。 主要缺点是灵敏度较低。,1.热导池结构,结构： 热导池由池体和热敏元件构成。 池体用不锈钢制成；池体内装两根电阻完全相等的钨丝或铂丝热敏元件。构成参比池和测量池。,热导池检测器结构图,热导池检测器,热导池检测器检测原理是基于不同的物质有不同的导热系数。参比池和测量池与固定电阻组成惠斯登电桥。热导检测器电桥线路示意图：,2.热导池检测器的检测原理,未进样时：（无信号输出） R1=R2 R参=R测 R参R1 R测R2 R参= R测,进样后： （输出信号） R参 R测,3影响热导检测器灵敏度的因素 （l）桥电流 桥电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体就容易将热量传出去，灵敏度就提高。 响应值与工作电流的三次方成正比。所以，增大电流有利于提高灵敏度，但电流太大会影响钨丝寿命。一般桥电流控制在1OO20OmA左右（N2作载气时为100150mA，H2作载气时150200mA为宜）。,（2）池体温度 池体温度一般等于或高于柱温。 （3）载气种类 载气与试样的导热系数相差愈大，则灵敏度愈高。 一般物质导热系数较小，故选择导热系数大的H2或Ne作载气有利于灵敏度提高。如用N2作载气时，有些试样（如甲烷）的导热系数比它大就会出现倒峰。 同一种物质，峰面积越大，浓度越大 不同物质，与载气的导热系数相差越大，峰面积越大，灵敏度越大,例：苯和甲醇,同质量的苯和甲醇，在热导检测器上峰面积不同,用峰面积求物质含量时，用相对校正因子校正峰面积,5.2 火焰离子化检测器（FID）,火焰离子化检测器属选择性检测器，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。,1. 特点：,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10-12gS-1； 火焰离子化检测器能检测大多数含碳有机化合物； 死体积小，响应速度快，线性范围也宽，可达106以上； 而且结构不复杂，操作简单，是目前应用最广泛的色谱检测器之一。 其主要缺点是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。,2. 装置主要部件是离子室,离子室： 包括气体入口、火焰喷嘴、发射极和收集极等部件。,3. 工作原理,通过在发射极和收集极之间施加极化电压，形成直流电场，有机组分在高温下电离成许多正离子和电子，在极化电场作用下向两极定向移动，正离子移向负极，电子移向正极，形成微电流，微电流放大后由记录仪记录下来。 微电流大小与被测组分含量成正比，含量越大，产生微电流越大，因此可进行定量分析。,氢火焰离子化检测器的操作条件选择时应注意气体流量和工作电压 N2 : H2 1 : 1 1.5 : 1 H2 : Air 1 : 10 极化电压 100 300 V,氢火焰离子化检测器,一、定性分析 1.利用保留值与已知物对照定性 在相同色谱条件下，将标准物和样品分别进样，两者保留时间相同，可能为同一物质。 此方法要求操作条件稳定、一致，必须严格控制操作条件，尤其是流速。,第六节 气相色谱分析方法及应用,2. 利用保留值经验规律定性,(1) 碳数规律推知同系物保留值 在一定温度下,同系物的调整保留时间的对数值与其分子中碳原子数呈线性关系 lg t R=A1n+C1 t R:调整保留时间 A1, C1: 对给定的色谱系统和固定液为常数 n: 分子中碳原子数(n3) 根据同系物中几个已知组分的调整保留值可推知同系物其它组分的调整保留值,可用于定性鉴定.,(2)沸点规律相同碳数的其它异构体,在一定色谱条件下,同族具有相同碳数的碳链异构体,其调整保留时间的对数与其沸点呈线性关系 lg t R=A2Tb+C2 A2、C2 均为常数；Tb 为组分的沸点（K） 根据同族同碳数碳链异构体中几个已知组分的调整保留值及其沸点，可推知同族中具有相同碳数的其它异构体的调整保留值。,3. 根据文献保留值数据定性,（1）用相对保留值：r i,s 用组分i对标准物s的相对保留值作为定性指标。只与两组分的分配系数有关，不受操作条件的影响。,可选苯、正已烷、环已烷作标准物，手册上列出许多ri，s,通过实验数据求得ri，s，与手册上对比。,只要固定相性质与柱温确定， r i,s 是个定值,（2）保留指数定性法 是一种重现性较好的定性参数,规定正构烷烃保留指数为分子中碳原子个数乘以100，如正己烷、正庚烷的保留指数分别为600和700。 被测物质的保留指数IX可采用两个相邻正构烷烃的保留指数进行测定。 将碳数为n和n+1的正构烷烃加到被测物质x中进行色谱分析，测得它们的保留值。,保留指数计算方法,利用上式求出未知物的保留指数与文献值对照,6.2 定量分析永久性气体分析,色谱柱：60 cm ，5A 分子筛 柱温：先室温，3 min 后以10程序升温；载气：He 检测器：热导池,1H2； 2O2； 3 N2； 4 CH4； 5 CO； 6 CO2；,永久性气体色谱图,合成顺丁橡胶污水的分析,色谱柱：4m ，聚乙二醇2万: 釉化6201（6080目）20 :100 柱温：72 载气：N2，61 mL / min 检测器：氢焰检测器,1丁二烯； 2乙醚； 3乙醛； 4呋喃； 5丙酮； 6丙烯醛； 7叔丁醇；,8甲基丙烯醇； 9丁醇； 10苯； 11乙晴； 12丁烯醛； 13异丁醇,1灵敏度,对于浓度型检测器，R取mV，Q取mgmL-1，灵敏度S的单位是mVmLmg-1; 对于质量型检测器，Q取gs-1,则灵敏度S的单位为mVsg-1。,单位浓度或质量的组分通过检测器时所产生的响应信号R的大小叫灵敏度。,响应信号的变化量,通过检测器待测物 浓度或质量的变化量,S越大，检测器越灵