第二章 气相色谱法1.ppt

第二章色谱理论基础及气相色谱法 第一节色谱法概述 固定相 流动相 色谱柱 一 色谱起源及发展 俄国植物学家米哈伊尔 茨维特 石油醚 色谱法的发展历史 色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作 二 色谱法定义和特点 1 色谱法的定义利用物质的物理化学性质建立的分离 分析方法实质 分离目的 定性分析或定量分析色谱法与光谱法的主要区别 色谱法具有分离及分析功能 而光谱法不具备分离功能 分析混合物最有力的手段 2 色谱法的特点 1 分离效率高 上万理论塔板数 2 应用范围广 气 固 液 3 分析速度快 数分钟至数小时 4 样品用量少 5 灵敏度高 6 分离和测定一次完成 可以和多种波谱分析仪器联用 7 易于自动化 可在工业流程中使用 三 色谱法的分类 一 按两相物理状态分 气相色谱法 gaschromatography简称GC 用气体作流动相的色谱法 气 液色谱法GLC气相色谱法气 固色谱法GSC 液相色谱法 liquidchromatography简称LC 用液体作流动相的色谱法 液 液色谱法LLC液相色谱法液 固色谱法LSC 超临界流体色谱法 SFC 用超临界状态的流体作流动相的色谱法 超临界状态的流体不是一般的气体或流体 而是临界压力和临界温度以上高度压缩的气体 其密度比一般气体大得多而与液体相似 故又称为 高密度气相色谱法 二 按分离原理分 1 吸附色谱法 adsorptionchromatography 根据吸附剂表面对不同组分物理吸附能力的强弱差异进行分离的方法 2 分配色谱法 partitionchromatography 根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相间分配系数的差异进行分离的方法 3 离子交换色谱法 ionexchangechromatography 根据不同组分离子对固定相亲和力的差异进行分离的方法 4 排阻色谱法 sizeexclusionchromatography 又称凝胶色谱法 gelchromatography 根据不同组分的分子体积大小的差异进行分离的方法 其中 以水溶液作流动相的称为凝胶过滤色谱法 以有机溶剂作流动相的称为凝胶渗透色谱法5 亲和色谱法 affinitychromatography 利用不同组分与固定相共价键合的高专属反应进行分离的方法 三 按固定相的形式1 柱色谱法 columnchromatography 填充柱色谱法 开管柱色谱法2 平板色谱法 planerchromatography 纸色谱法 薄层色谱法 四 色谱流出曲线和术语 一 色谱流出曲线 二 术语1 基线 baseline 2 死时间t0 tM deadtime 3 死体积V0 deadvolume V0 t0 F0 4 保留值 1 保留时间tR retentiontime 2 调整保留时间tR adjustedretentiontime 3 保留体积VR retentionvolume 4 调整保留体积VR adjustedretentionvolume 保留值与固定相和流动相的性质 固定相的量 柱温 流速和柱体积有关 5 相对保留值r21 relativeretentionvalue 特点 只与温度和固定相的性质有关 而与柱径 柱长 填充情况及流动相流速等其它色谱操作条件无关 与色谱柱无关 反映了色谱柱对待测两组分1和2的选择性 是色谱法中 特别是气相色谱法中 广泛使用的定性数据 5 峰高 h 6 色谱的区域宽度 peakwidth 1 标准偏差 standardeviation 2 半 高 峰宽W1 2 peakwidthathalf height 3 峰宽或称Wb Wb 4 1 699W1 2 最后从色谱图上得到以下信息 峰的数目 判断样品中所含组分的最少个数 根据峰的保留值进行定性分析 根据峰面积或峰高进行定量分析 根据保留值和峰宽 判断色谱柱的分离效能 由两峰间的距离 判断评价固定相和流动相选择是否合理 第二节气相色谱分析理论基础 一 气相色谱分析的基本理论 1 气 固色谱分析的基本原理 由于吸附剂 固定相对各组分的吸附能力的差异 在经过吸附 解吸 再吸附 再解吸 吸附力弱的组分先流出柱子 吸附能力强的后流出柱子 2 气 液色谱分析的基本原理 试样被分离的基本原理是分配过程 第一步 将固定相装入色谱柱后 组分被载气带入柱中 到达固定相表面时 溶解在固定液中 溶解过程第二步 随着载气不断流动 组分又从固定相中挥发出来 重新进入流动相 载气 挥发过程第三步 挥发进入载气的组分随着流动相的不断流动 再次溶解在固定相中 再溶解过程第四步 再挥发过程 3 分配系数K distributioncoefficient 无因次量 由组分及两相的热力学性质决定 只随柱温 柱压而变化 结论 一定温度下 各组分在两相间的K不同 在色谱柱中的移动速度不同 使得原来K仅有微小差异的各组分在经过反复多次的分配后 产生很大的分离效果 K小的组分 较早流出色谱柱 K大的组分 较晚流出色谱柱 K 色谱分离的依据 4 分配比k partitionration 分配容量或容量因子 k值也决定于组分及固定相热力学性质 它不仅随柱温及柱压变化而变化 而且还与流动相及固定相的体积有关 5 分配系数 K 和分配比k的关系 令 色谱柱的相比 结论 K及k是和组分 固定相的热力学性质有关的参数 它们随柱温 柱压的变化而变化 K由组分和两相性质确定 和两相 固定相 流动相 体积无关k值和组分 两相性质有关外 还和相比有关 K及k是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数 6 K和k与tR的关系 k值越大tR越长 K与tR的关系 tR kt0 Kt0Vs Vm 要使各组分分离 它们的tR必须不同 而tR是由两组分的K或k决定 7 分配系数比 分离因子 大于1是分离的先决条件 二 色谱分离的基本理论 气相色谱法是利用混合物中各组分在两相中的分配系数或吸附系数的不同而进行分离的 要使各组分实现有效的分离 必须考虑两方面的问题 第一 热力学问题 提出了塔板理论第二 动力学问题 提出了速率理论 一 塔板理论 1 理论假定 i 在柱内一小段长度H内 组分可以在两相间迅速达到平衡 这一小段柱长称为理论塔板高度H ii 以气相色谱为例 载气进入色谱柱不是连续进行的 而是脉动式 每次进气为一个塔板体积 Vm iii 所有组分开始时存在于第0号塔板上 而且试样沿轴 纵 向扩散可忽略 iv 分配系数在所有塔板上是常数 与组分在某一塔板上的量无关 为简单起见 设色谱往由5块塔板 n 5 n为柱子的塔板数 组成 并以r表示塔板编号 r 1 2 n l 某组分的分配比k 1 m 1 例1mg或1 g 2 柱效能指标 n H 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 讨论 不同组分 理论塔板数不同n为无量纲值 计算时上下单位保持一致 有效 理论 塔板数 neft 有效塔板高度Heft 组分能否分离 主要取决于各组分在两相间K的差异 而不是决定于分配次数的多少 柱效高只能说明组分在两相中交换次数多 塔板理论的贡献 从热力学角度 解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大点的位置 阐明了保留值与K的关系 提出了评价柱效高低的n和H的计算式 例 色谱柱长为2m 固定相为5 的阿皮松 分离柱温为100 C 记录纸速度为2 0cm min的色谱条件下 测定苯的保留时间为1 5min 半峰宽为0 20cm 求理论塔板数 二 速率理论 塔板理论成功处 解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的tR 阐明了保留值与K的关系 评价柱效 n 塔板理论存在的问题 1 做出了四个与实际不相符的假设忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程2 只定性给出塔板高度的概念 却无法解释板高的影响因素3 排除了一个重要参数 流动相的线速度u 因而无法解释柱效与流速关系更无法提出降低板高的途径 速率理论 吸收了塔板理论的有效成果 H 并从动力学角度较好地解释了影响柱效的因素 1 涡流扩散项 多径扩散项 A 产生原因 载气携样品进柱 遇到来自固定相颗粒的阻力 路径不同 涡流扩散 影响因素 固体颗粒越小 填充越实 A项越小 讨论 气相色谱中 粒度很小时 柱阻大 且不易填匀 因此一般采用粒度为60 80目或80 100目的填充物较好 空心毛细管柱的A项为零 2 纵向分子扩散项B u产生原因 峰在固定相中被流动相推动向前 展开 两边浓度差 纵向扩散项系数 弯曲因子 亦称阻碍因子 由于固定相颗粒的存在使扩散受阻 填充柱 1 硅藻土单体为0 5 0 7 毛细管柱1Dg 组分在流动相中的扩散系数 cm2 s 措施 为降低纵向扩散 宜选择分子量较大的载气 如N2 较低的柱温 较高的u以减小B u 选择载气原则 兼顾分析时间和减小纵向扩散u较小时 选M较大的N2气 粘度大 u较大时 选M较小的H2气 He气 粘度小 注意 和 填充物的不均匀因子和弯曲因子 的区别 填充物填充不均匀造成载气流动的路径不同 由填充物对分子扩散造成的阻碍而引入的校正系数 3 传质阻力项CuCu Cm Cs uCm 气相 流动相 传质阻力系数 指试样组分从流动相扩散到固定相界面进行质量交换过程中所受到的阻力Cs 液相 固定相 传质阻力系数 为组分从两相界面扩散到固定相内部达到分配平衡后又返回到两项界面时受到的阻力 1 气相 流动相 传质阻力项 Cmu 当组分在两相间进行质量交换 即进行浓度分配 有的分子还来不及进入两相界面 就被气相带走 有的则进人两相界面又来不及返回气相 这样 使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡 引起滞后现象 从而使色谱峰变宽 采用细颗粒的固定相 增大Dg 适当降低流动相线速度等均可使流动相传质阻力减小 2 固定相 液相 传质阻力项 Csu 讨论 降低固定液的含量 可以降低液膜厚度 但k值随之变小 又会使Cs增大 当固定液含量一定时 液膜厚度随载体的比表面积增加而降低 一般可采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度 但比表面太大 由于吸附造成拖尾峰 也不利分离 提高柱温可增大DL 但会使k值减小 为了保持适当的Cs值 应控制适宜的柱温 4 速率理论方程 小结 范氏方程说明了在色谱分离条件的选择中 填充均匀程度 填充物的粒度 流动相的种类及流速 固定相的液膜厚度等对柱效和峰展宽的影响 5 影响色谱带展宽的其他因素 1 非线性色谱 非线性等温线 1 凸形 拖尾峰固定相表面吸附中心活性不均 K不同 先占据强吸附中心再占据