色谱分析(气相).ppt

Chromatography 色谱分析法概述 国产气相色谱仪 HP高压液相色谱仪 美国气相色谱仪 一 概论 俄国植物学家Tswett于1901年发现 利用吸附原理分离植物色素 1903年发表文章 Onanewcategoryofadsorptionphenomenaandtheirapplicationtobiochemicalanalysis1906年Tswett创立 Chromatography 色谱法 新名词1907年在德国生物会议上第一次向世界公开展示显现彩色环带的柱管 一 色谱分析法的历史 1930年R Kuhn用色谱柱分离出胡萝卜素1935年AdamsandHolmes发明了苯酚 甲醛型离子交换树脂 进一步发明了离子色谱1938年Izmailov发明薄层色谱1941年Martin Synge发明了液 液分配色谱1944年Consden Gordon Martin发明纸色谱1952年Martin Synge发明气 液色谱1953年Janak发明气 固色谱1954年Ray发明热导检测器1957年Martin Golay发明毛细管色谱 1959年Porath Flodin发明凝胶色谱1960年液相色谱技术完善1954年我国研究成功第一台色谱仪 二 色谱方法的分类定义 色谱分离技术是借助色谱分离原理而使混合物中各组分分离的技术 将色谱分离技术应用于分析化学 称为色谱分析 其他色谱方法 薄层色谱和纸色谱 比较简单的色谱方法 凝胶色谱法 超临界色谱 高效毛细管电泳 九十年代快速发展 特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器 色谱法的分类 按物理状态分类根据流动相的物态 气相色谱法 GC 和液相色谱法 LC 根据固定相的物态 气 固色谱法 气 液色谱法 液 固色谱法 液 液色谱法 按操作的形式分类 1 柱色谱 2 纸色谱 3 薄层色谱 按分离机理分类 1 吸附色谱 2 分配色谱 3 离子交换色谱 4 凝胶色谱 3 色谱法的特点 1 高选择性 2 高效能 3 高灵敏度可以分析质量分数为10 6 10 9数量级 检出限量低至10 1lg的物质 适于微量和痕量分析 4 色谱法的应用 1 色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分分析 2 液相色谱法 在糖类 氨基酸 农药 染料 贵金属 有机金属化合物等方面得到了广泛的应用 3 色谱分离是一种非常有效的提纯物质的技术 常用于制备分离 得到高纯样品 4 色谱 质谱联用仪已成为研究分子结构的重要手段 气相色谱分析 GasChromatography GC 一 气相色谱法的特点 高效能 分离 填充柱都有几千块理论塔板 n 毛细管柱可达104块 105块理论塔板 n 可以分析沸点十分相近的组分和极为复杂的多组分混合物 高选择性可分离同系物 同分异构化合物 高灵敏度可以检测出10 11g 10 13g物质大气污染物分析 可以直接检出质量分数为10 9数量级的痕量毒物农药残留物的分析 可以检出农副产品 食品 水质中质量分数为10 6 10 9数量级的氯 硫 磷化合物 分析速度快一般分析可在几分到几十分钟内可以完成 某些快速分析1s内可以分析数个组分 气相色谱法分类 气相色谱 气体 称为载气 按分离柱内径 填充柱色谱毛细管柱 1mm 色谱按固定相 气 固色谱 吸附 气 液色谱 分配 二 气相色谱法的基本概念1 色谱常用术语 色谱图各组分的浓度 或信号 随流出时间而分布的曲线称为色谱曲线 常称为色谱曲线图或色谱图 基线没有试样进入检测器时 记录仪记录的是一条直线 这条直线称为基线 噪音 使基线发生细小的波动的现象 基线是在实验操作条件下 反映检测器系统噪声随时间变化的曲线 色谱峰的高度 宽度 半峰宽度 峰高 h 峰高h指色谱峰最高点到基线的距离 一般用cm为单位 峰宽 Y 与半峰宽 Y1 2 从色谱峰两侧的转折点 拐点 0 607h处 作切线 在基线上的截距叫峰底宽 Y 简称峰宽 峰高一半 0 5h 处色谱峰的宽度叫半峰宽 Y1 2 由于色谱峰顶呈圆孤形 色谱峰的半峰宽并不等于峰底宽的一半 保留时间 tR 是指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间 组分在流动相中停留的时间 在固定相中所停留的时间 调整保留时间 tR 组分的保留时间与死时间t0的差值 tR tR t0它表示与固定相发生作用的组分比流动相在色谱柱中多滞留的时间 实际上是组分在固定相中所滞留的净时间 相对保留值r2 1 组分2与组分1调整保留值之比 相对保留值只与柱温和固定相性质有关 与其他色谱操作条件无关 它表示了固定相对这两种组分的选择性 三 气相色谱法的基本理论 1 塔板理论假设 将一根色谱柱视为一个精馏塔色谱柱是由一系列连续的 水平的塔板构成每一块塔板的高度为H组分气体以脉冲的方式进入塔板组分在每一块塔板上迅速达到分配平衡分配系数在各塔板上是常数气体的纵向扩散可以忽略不计 气相色谱分离过程 冲洗次数 n n次吸附 解吸附的分配平衡过程 分配系数 K 当组分在流动相和固定相两相中达到分配平衡时 组分在两相中的浓度之比 称为分配系数 K K 在固定相中的溶解度或吸附能力 组分在固定相中的量 在流动相中的量 K 进入固定相的组分 组分在固定相中滞留的时间越长 流出色谱柱所需的时间 tR 也就越长 组分在固定相中的质量浓度 g mL 1 组分在流动相中的质量浓度 g mL 1 分配比 k 定义 分配比是在一定温度 压力下 组分在两相间达到分配平衡时 两相间组分的质量比 k Ms Mm CsVs CmVm K 分配比又称为容量因子或容量比分配比k的大小由下式计算 通过实验来测定分配比k的数值 所以比K应用多 k值越大 保留时间越长 k 0的组分 其保留时间即为死时间 色谱峰的形状 理论上 应得到正态分布的平滑曲线 混合组分的分离 色谱柱的柱效能塔板高度 H L n 理论塔板数 色谱柱长 同长度的色谱柱塔板数n越多 塔板高度H越小 分离效果越好 色谱柱的理论塔板数按下式计算 保留时间越长 Y或Y1 2越小 色谱峰越窄 理论塔板数越多 组分在两相间达到分配平衡的次数也越多 分离能力越强 柱效也就越高 例4 2 2某色谱柱长2 1m 测得某组分的保留时间为5min42s 在色谱纸上量得色谱峰的宽度为1 2cm 已知纸速为2cm min 1 求塔板高度 解 将色谱峰的宽度换算成时间 答 塔板高度为1 45cm 有效塔板数 使用调整保留时间tR 计算塔板数 有效塔板数扣除了死时间的影响 较为真实地反映了柱效能的好坏 塔板理论的优点 理论直观 能解释流出曲线的形状和浓度极大点 色谱峰 的位置 应用广泛 缺点 理论建立在几点假设之上 不能解释塔板高度量受哪些因素的影响 也不能指出降低塔板高度的途径 2 速率理论范第姆特方程式 H A B U CU 式中 U为流动相平均线速度 A为涡流扩散项 B U为分子扩散项 CU为传质阻力项 减少A B U CU三项的值 可以降低塔板高度量 减少色谱峰的扩张 提高柱效 固定相填充不规则因子 固定相颗粒直径 多径扩散项 纵向扩散项 组分在流动相中的扩散系数 1 与载气分子量 和粘度 成反比 2 与柱温成正比 传质扩散项 在吸附 解吸附移动过程中通过气相 流动相 和液相 固定液 及其界面所受的阻力 固定液液膜厚度 组分在固定液中的扩散系数 组分在流动相中的扩散系数 流速对柱效的影响 H A B U CU A B U CU越小 色谱柱的塔板高度H越小 柱效率越高 改善柱效率的因素 选择颗粒较小的均匀填料 选用较低的柱温操作 降低担体表面固定相液层的厚度 选用合适的载气及载气流速 流速较小时 分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素 宜用相对分子质量较大的载气 流速较大时 传质项为控制因素 宜用相对分子质量较小的载气 范第姆特方程 H A B U CU 气相色谱固定相 1 气 固色谱固定相 有较大的比表面积 吸附性较强活性炭活性氧化铝 有较大的极性硅胶分子筛 碱及碱土金属的硅铝酸盐 沸石 多孔性高分子多孔微球 GDX 新型的有机合成固定相 苯乙烯与二乙烯苯共聚 气固色谱固定相的特点 1 性能与制备和活化条件有很大关系 2 同一种固定相 不同厂家或不同活化条件 分离效果差异较大 3 种类有限 能分离的对象不多 不如气液固定相 4 使用方便 2 气 液色谱固定相 1 担体 硅藻土 化学惰性的多孔性固体颗粒 具有较大的比表面积 A 红色担体 孔径较小 表孔密集 比表面积较大 机械强度好 适宜分离非极性或弱极性组分的试样 缺点是表面存有活性吸附中心点 B 白色担体 煅烧前原料中加入了少量助溶剂 碳酸钠 颗粒疏松 孔径较大 表面积较小 机械强度较差 但吸附性显著减小 适宜分离极性组分的试样 2 固定液 高沸点难挥发 在操作温度下 有机化合物 种类繁多 固定液的种类繁多 选择余地大 应用范围比气固色谱固定相大 对固定液的要求 应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力 较好的热稳定性 并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应 选择的基本原则 相似相溶 选择与试样性质 极性 相近的固定液 P148固定相的选择和出峰顺序 四 色谱分离的效果 分离度R及其计算 定义式 两相邻组分保留时间之差与两峰底宽度和之半的比值 色谱柱的选择性越强 两组分的色谱峰相距越远 色谱峰越窄 柱效能越高 R 1时 分离程度为98 7 R 1 5时 分离程度可达99 7 R 1 5作为完全分开的标志 色谱分离基本方程式 由上式可知 1 增加塔板数可以提高分离度 2 相对保留值 2 1增大 两组分的K或k相差越大 能显著地提高分离度 两根同种色谱柱的相互关系式 例在一根1m长的色谱柱上测得两组分的分离度为0 68 要使它们完全分离以 R 1 5 则柱长应为多少 解 五 气相色谱仪 1 气相色谱议的基本部件与作用气相色谱仪的流程 载气系统 进样系统 分离系统 检测系统 记录系统共五个主要组成部分 2 气相色谱检测器气相色谱检测器可分为浓度型检测器与质量型检测器 浓度型检测器的响应值和组分的浓度成正比 质量型检测器的响应值和单位时间内进入检测器的质量成正比 常用的浓度型检测器有 热导池检测器 TCD 电子捕获检测器 ECD 常用的质量型检测器有 氢火焰电离检测器 FID 火焰光度检测器 FPD 热导池检测器的结构及测量原理热导检测器的依据是组分和载气分别具有不同的热导系数 它的特点是结构简单 稳定性好 操作容易 灵敏度适中 对无机试样和有机试样都能响应 是应用最广泛 最成熟的一种通用型检测器 氢火焰检测器的结构原理特点 灵敏度比热导池检测器高出三个数量级 具有结构简单 灵敏度高 响应速度快 应用广泛 适宜于痕量分析 离子化机理 有机物在氢火焰中发生化学电离 离子流 电流火焰中的正离子以H3O 最多 约占90 其他还有CHO CH3O C3H 等 对在氢火焰中不电离的无机化合物 例如CO CO2 SO2 N2等 不能进行检测 电子捕获检测器 高选择性检测器 仅对含有卤素 磷 硫 氧等元素的化合物有很高的灵敏度 检测下限10 14g mL 对大多数烃类没有响应 较多应用于农副产品 食品及环境中农药残留量的测定 具有定性功能的检测器 联用技术 色谱 质谱 色谱 红外 色谱 原子吸收等 质谱作为色谱的检测器使用需要解决四个问题 1 色谱柱出口压力与质谱仪高真空之间的匹配 2 试样组分与载气的分离 3 质谱对色谱流出峰的快速测定 电子计算机解决 4 质谱仪的小型化 小型化的质量分析器 六 气相色谱分析1 气相相色谱的定性方法 依据 利用色谱图确定各色谱峰所代表的化合物 常用的方法 纯物质对照定性 利用保留值tR定性 2 气相色谱定量方法依据 在一定的条件下 被测组分i的质量mi或其在载气中的浓度与检测器的响应信号 色谱上表现为峰面积Ai或峰高Hi 成正比 色谱峰面积测量方法 对称峰 不对称峰 定量校正因子 不能用峰面积直接代替浓度来进行定量 还必须乘上定量校正因子fi 物理意义是每单位峰面积所代表物质的多少 绝对校正因子 除与物质的性质有关外 还受测定条件的影响 在一定的操作条件下 组分i的进样量m与峰的面积Ai成正比 绝对校正因子 绝对校正因子fi的大小主要由操作条件和仪器的灵敏度所决定 当操作条件波动时 fi也发生变化 故fi无法直接应用 定量分析时 一般采用相对校正因子 相对校正因子定义 规定某一个组分为标准物 直接加入到待测样品中 计算待测组分的绝对校正因子与此标准物绝对校正因子的比值 例4 2 8准确称取一定质量的色谱纯对二甲苯 甲苯 苯及仲丁醇 混合后稀释 采用氢焰检测器 定量进样并测量各物质所对应的峰面积 数据如下 物质苯仲丁醇甲苯对二甲苯m g0 47200 63250 81490 4547A cm22 603 404 102 20以仲丁醇为标准 计算各物质的相对质量校正因子 法1 法2 同理 定量计算方法归一化法 内标法 内标标准曲线法 外标法等 归一化法设有几个组分 每个组分的质量分别为m1 m2 m3 测得色谱峰的面积分别为 A1 A2 A3 各组分的绝对校正因子为 设以第二个组分为标准物 则各组分的相对校正因子为 各组分的质量分数为 各组分的质量分数之和等于1 即 优点 归一化法很直观 容易接受 计算简便 准确 当操作条件如进样量 流速等发生变化时 对计算结果的影响很小 是一种常用的计算方法 缺点是 必需所有组分都出峰 内标法当只需测定试样中某几个组分 或试样中所有组分不可能全部出峰时 可采用内标法 内标法是将一定质量的纯物质 非被测组分的纯物质 作为内标物 加入到准确称取的试样中 根据内标物的质量及其之在色谱图上相应峰面积比 求出被测组分的质量分数 为常数 设样品的质量为m样 则待测组分i的质量分数为 选择内标物应遵循的原则 试样中不存在的纯物质 否则会使色谱峰重叠而无法准确测定试样的色谱峰面积 内标物的物理及物理化学性质应与被测物相近 当操作条件发生变化时 内标物与被测物均受到相应的影响两者相对校正因子基本不变 色谱