第二章气相色谱法.ppt

第二章气相色谱法理论基础 TheoryofGasChromatography 2 1概述1903年俄国植物学家茨维特分离植物色素时采用 1 固定相 2 流动相 3 分离原理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 从而按先后不同的次序从固定相中流出 MichaelTswett 1872 1919 aRussianbotanist discoveredthebasicprinciplesofcolumnchromatography Heseparatedplantpigmentsbyelutingamixtureofthepigmentsonacolumnofcalciumcarbonate Thevariouspigmentsseparatedintocoloredbands hencethenamechromatography 在色谱发展史上占有重要地位的英国人A J P Martin 马丁 和R L M Synge 辛格 他们提出色谱塔板理论 发明液 液分配色谱 预言了气体可作为流动相 即气相色谱 1952年 因为他们对分配色谱理论的贡献获诺贝尔化学奖 色谱法的优缺点 分离效率高 分析速度快 检测灵敏度高 样品用量少 选择性好 多组分同时分析 易于自动化 定性能力较差 A J P MARTIN和R L M Synge A J P MARTIN 1910 2002 oftheBritishNationalInstituteforMedicalResearchsharedwithfellowcountrymanR L MSyngetheNobelPrizeinChemistry 1952 fortheinventionofpartitionchromatography R L M SyngebornOct 28 1914 Liverpool Eng diedAug 18 1994 Norwich Norfolk SyngestudiedatWinchesterCollege Cambridge andreceivedhisPh D atTrinityCollegetherein1941 2 色谱法的发展历史 3 色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作 色谱法分类 一 按两相状态分类1 气体为流动相的色谱称为气相色谱 GC 1 气 固色谱 GSC 2 气 液色谱 GLC 2 液体为流动相的色谱称液相色谱 LC 1 液 固色谱 LSC 2 液 液色谱 LLC 3 超临界流体为流动相的色谱称为超临界流体色谱 SFC 4 通过化学反应将固定液键合到载体表面 这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱 CBPC 二 按分离机理分类 1 利用组分在吸附剂 固定相 上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法 称为吸附色谱法 2 利用组分在固定液 固定相 中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法 3 利用组分在离子交换剂 固定相 上的亲和力大小不同而达到分离的方法 称为离子交换色谱法 4 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法 称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法 5 利用不同组分与固定相 固定化分子 的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法 常用于蛋白质的分离 三 按固定相的形状分类1 柱色谱 2 薄层色谱 3 纸色谱 根据以上所述 将色谱法的分类总结于下一页表中 2 1 1色谱流出曲线及有关术语一 流出曲线和色谱峰3 1 1 基线2 保留时间 1 用时间表示保留时间 tR 死时间 tM 调整保留时间 tR 2 用体积表示保留体积 VR VR tR F0死体积 VM VR tM F0调整保留体积 VM VM VR VM3 区域宽度 峰宽 1 标准偏差 2 半峰宽 Y1 2 3 峰底宽 Y或Wb Y1 2 2 354 Wb 4 相对保留值r2 1某组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比 称为相对保留值 只与柱温和固定相有关 表示固定相对这两种组分的选择性 从色谱流出曲线上 得到信息是 l 根据色谱峰的个数 可以判断样品中所合组份的最少个数 2 根据色谱峰的保留值 或位置 可以进行定性分析 3 根据色谱峰下的面积或峰高 可以进行定量分析 4 色谱峰的保留值及其区域宽度 是评价色谱柱分离效能的依据 5 色谱峰两峰间的距离 是评价固定相 和流动相 选择是否合适的依据 2 1 2色谱法分析的基本原理色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离 组分要达到完全分离 两峰间的距离必须足够远 两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的 即与色谱过程的热力学性质有关 但是两峰间虽有一定距离 如果每个峰都很宽 以致彼此重叠 还是不能分开 这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的 即与色谱过程的动力学性质有关 因此 要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为 一 分配系数K和分配比k 1 分配系数K在一定温度和压力下 组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值 即 分配系数K的讨论 1 一定温度下 组分的K越大 出峰越慢 2 试样一定时 K主要取决于固定相性质 3 每个组分在各种固定相上的分配系数不同 4 选择适宜的固定相可以改善分离效果 5 试验中的各组分具有不同的K值是分离的基础 6 某组分的K 0时 即不被固定相保留 最先流出 2 分配比k 分配比又称容量因子 它是指在一定温度和压力下 组分在两相间分配达平衡时 分配在固定相和流动相中的质量比 即 与滞留因子有关 自学 3 分配系数K与分配比k的关系 其中 称为相比 流动相与固定相的体积比 填充柱 其 值一般为6 35 对毛细管柱 其 值为60 600 最早由Martin等人提出塔板理论 把色谱柱比作一个精馏塔 沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为 同时引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标 二塔板理论 platetheory 塔板理论假定 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 色谱柱长 L 虚拟的塔板间距离 H 色谱柱的理论塔板数 n 则三者的关系为 理论塔板数与色谱参数之间的关系为 相应的有效塔板数与色谱参数之间的关系为 9 9 化工0901 9 19化工0906 塔板理论的特点和不足 1 当色谱柱长度一定时 塔板数n越多 塔板高度H越小 被测组分在柱内被分配的次数越多 柱效能则越高 所得色谱峰越窄 2 不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同 用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时 应指明测定物质 3 柱效不能表示被分离组分的实际分离效果 当两组分的分配系数K相同时 无论该色谱柱的塔板数多大 都无法分离 4 塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果 也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径 二 速率理论 影响柱效的因素 1 速率方程 VanDeemter方程式 H A B u C uH 理论塔板高度 u 载气的线速度 cm s A 涡流扩散项 B u 纵向扩散项 C u 传质阻力项 如何提高柱效率 A B C三项各与哪些因素有关 减小A B u C u三项可 1 A 涡流扩散项 A 2 dpdp 固定相的平均颗粒直径 固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小dp 填充的越均匀 A H 柱效n 表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻 色谱峰较窄 2 B u 纵向扩散项 B 2 Dg 弯曲因子 Dg 试样组分分子在气相中的扩散系数 cm2 s 1 1 存在着浓度差 产生纵向扩散 2 扩散导致色谱峰变宽 H n 分离变差 3 纵向扩散项与流速有关 流速 滞留时间 扩散 4 扩散系数 M载气 Dg B值 柱效 选择小分子量的气体作载气 降低液层厚度 可降低传质阻力 3 C u 传质阻力项 传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即 C Cg CL 思考 如果是毛细管色谱柱会出现什么结果 如何降低传质阻力项 Cg u CL u 2 载气流速与柱效 最佳流速 载气流速高 u最佳 时 传质阻力项是影响柱效的主要因素 流速 柱效 载气流速低 u最佳 时 分子扩散项成为影响柱效的主要因素 流速 柱效 H u曲线与最佳流速 由于流速对这两项完全相反的作用 流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳载气流速值 以塔板高度H对应载气流速u作图 曲线最低点的流速即为最佳流速 实际选择最佳载气流速 如何选 uop 思考题 下面填充柱的VanDeemter方程的图形 如果在下面的图形中将空心毛细管柱的VanDeemter方程的图形绘制出来 应如何绘制 长度 A 原因 1 曲线向下平移A 因为毛细管柱中A 0 2 曲线右端变平缓 因为固定液液膜变薄 液相传质阻力项降低 柱内径变小 气相传质阻力项降低 结论 毛细管柱柱效率高于填充柱 而且可以使用更高的载气流速 3 速率理论的要点总结 1 组分在柱内运行的多路径 浓度梯度以及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因 2 通过选择适当的固定相粒度 载气种类 液膜厚度及载气流速可提高柱效 3 速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导 阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响 4 只有选择最佳条件 才能使柱效达到最高 2 1 4分离度 a 两色谱峰距离近并且峰形宽 两峰严重相叠 这表示选择性和柱效都很差 b 虽然两峰距离拉开了 但峰形仍很宽 说明选择性好 但柱效低 c 分离最理想 说明选择性好 柱效也高 引入一个综合性指标 分离度R 它定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值 即 R值越大 表明相邻两组分分离越好 一般说 当R 1时 两峰有部分重叠 当R 1时 分离程度可达98 当R 1 5时 分离程度可达99 7 通常用R 1 5作为相邻两组分已完全分离的标志 下图表示了不同分离度时色谱峰分离的程度 令W1 W2 引入相对保留值和塔板数 可导出下式 思考 n有效 1 分离度与柱效的关系 例2 1 huagong09069 25 在一定条件下 两个组分的调整保留时间分别为85秒和100秒 要达到完全分离 即R 1 5 计算需要多少块有效塔板 若填充柱的塔板高度为0 1cm 柱长是多少 解 r21 100 85 1 18n有效 16R2 r21 r21 1 2 16 1 52 1 18 0 18 2 1547 块 L有效 n有效 H有效 1547 0 1 155cm即柱长为1 55米时 两组分可以得到完全分离 例2 2 9 15化工0901 在一定条件下 如果n 3600 两个组分的保留时间分别为12 2s和12 8s 计算分离度 要达到完全分离 即R 1 5 所需要的柱长 解 分离度 塔板数增加一倍 分离度增加多少 2 1在一个柱效相当于4200块有效塔板数的色谱柱上 测得十八烷及2 甲基 十七烷的调整保留时间分别为15 05min和14 82min 计算 1 十八烷对2 甲基 十七烷的相对保留值 2 这两个化合物在此色谱柱上的分离度R是多少 3 如果要求分离度R 1 0 则需要多少块有效塔板 习题 2 1假设两组分的调整保留时间分别为19min和20min 死时间1min 计算 1 较晚流出的第二个组分的分配比K2 2 欲达到分离度R为0 75及1 5时所需的理论塔板数 2 2在一根长度为3米的填充柱上 空气峰的保留时间为1min 苯和环己烷的保留时间分别为14min和17min 环己烷的峰宽为1min 为得到R 1 5的分离度 需要的最短柱长是多少 作业 2 2气相色谱GasChromatography 2 1a气相色谱立体结构流程 2 1b气相色谱平面结构流程processofgaschromatograph 1 钢瓶 2 减压阀 3 净化管 4 针形阀 5 流量计 6 压力表 7 进样阀 8 分离柱 9 检测器 10 放大器 11 温度控制器 12 记录仪 载气系统 进样系统 色谱柱 检测系统 温控系统 六通阀进样 2 2 3气路系统 2 2 5分离系统 分离系统由色谱柱组成 它是色谱仪的核心部件 其作用是分离样品 色谱柱主要有两类 填充柱和毛细管柱 1 填充柱不锈钢或玻璃材料制成 内装固定相 内径为2 4mm 长1 3m 形状有U型和螺旋型二种 2 毛细管柱又叫空心柱 分为涂壁 多孔层和涂载体空心柱 涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0 l 0 5mm的毛细管内壁而成 材料可以是不锈钢 玻璃或石英 毛细管色谱柱渗透性好 传质阻力小 柱子可以做到几十米 分离效率高 理论塔板数可达106 分析速度块 样品用量小 柱容量低 要求检测器的灵敏度高 制备较难 2 2 6控制温度系统 控制温度主要指对色谱柱炉 气化室 检测器三处的温度控制 色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种 对于沸点范围很宽的混合物 往往采用程序升温法进行分析 2 2 7检测和数据处理系统 样品经色谱柱分离后 各成分按保留时间不同 顺序地随载气进入检测器 检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化 转化成易于测量的电信号 经过必要的放大传递给记录仪或计算机 最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息 2 2 3气相色谱固定相 1 固体吸附剂 2 液体固定相 气液色谱固定相载体 担体 和固定液组成气液色谱固定相1 载体 担体 l 对载体的要求足够大的表面积 良好的孔穴结构 表面呈化学惰性 不能与被测物起反应 热稳定性好 形状规则 粒度均匀 具有一定机械强度 2 载体类型分为硅藻土和非硅藻土两类 硅藻土是由称为硅藻的单细胞海藻骨架组成 主要成分是二氧化硅和少量无机盐 根据制造方法不同 又分为 红载体和白色载体 红色载体是将硅藻土与粘合剂在900 煅烧后 破碎过筛而得 因铁生成氧化铁呈红色 故称红色载体 其特点是表面孔穴密集 孔径较小 比表面积较大 对强极性化合物吸附性和催化性较强 如烃类 醇 胺 酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾 因此它适宜于分析非极性或弱极性物质 白色载体是将硅藻土与20 的碳酸钠 助熔剂 混合煅烧而成 它呈白色 比表面积较小 吸附性和催化性弱 适宜于分析各种极性化合物 2 固定液 l 对固定液要求首先是选择性好 有良好的热稳定性和化学稳定性 对试样各组分有适当的溶解能力 在操作温度下有较低蒸气压 以免流失太快 2 组分分子与固定液间的作用力气相色谱中 载气是情性的 且组分在气相中浓度很低 组分分子间作用力很小 可忽略 3 固定液的特性固定液的特性主要是指它的极性或选择性 用它可描述和区别固定液的分离特征 大都采用相对极性表示 相对极性 此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0 强极性固定液 氧二丙睛的极性为100 保留指数人为规定正构烧烃的保留指数为其碳数乘100 如正己烷和正辛烷的保留指数分别为600和800 至于其他物质的保留指数 则可采用两个相邻正构烷烃保留指数进行标定 测定时 将碳数为n和n 1的正构烷烃加于样品x中进行分析 若测得它们的调整保留时间分别为tr Cn tr Cn 1 和tr x 且tr Cn tr x tr Cn 1 时 则组分X的保留指数可按下式计算 即 大都按固定液的极性和化学类型分类 按固定液极性分类就是如前所述 可用固定液的极性和特征常数 罗氏常数和麦氏常数 表示 此外 还有用化学类型分类 这种分类方法是将有相同官能团的固定液排列在一起 然后按官能团的类型分类 这样就便于按组分与固定液结构相似原则选择固定液 4 固定液的分类 5 固定液的选择 对固定液的选择并没有规律性可循 一般可按 相似相溶 原则来选择 在应用时 应按实际情况而定 i 分离非极性物质 一般选用非极性固定液 这时试样中各组分按沸点次序流出 沸点低的先流出 沸点高的后流出 ii 分离极性物质 选用极性固定液 试样中各组分按极性次序分离 极性小的先流出 极性大的后流出 iii 分离非极性和极性混合物 一般选用极性固定液 这时非极性组分先流出 极性组分后流出 vi 分离能形成氢键的试样 一般选用极性或氢键型固定液 试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出 不易形成氢键的先流出 最易形成氢键的最后流出 v 复杂的难分离物质 可选用两种或两种以上混合固定液 对于样品极性情况未知的 一般用最常用的几种固定液做试验 1 常用的固体吸附剂强极性的硅胶 弱极性的氧化铝 非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等 2 人工合成的固定相高分子多孔微球是一类人工合成的多孔共聚物 它既是载体又起固定液作用 可在活化后直接用于分离 也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用 二 气固色谱固定相 2 2 4气相色谱检测器9 23化工0901 检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置 根据检测原理的不同 可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种 l 浓度型检测器检测器的响应值和组分的浓度成正比 如热导检测器 2 质量型检测器检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比 如火焰离子化检测器 热导检测器 TCD 热导检测器是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的 结构简单 性能稳定 对所有物质都有响应 通用性好 而且线性范围宽 价格便宜 应用广泛 缺点是灵敏度较低 热导池检测器ThermalConductivityDetector TCD 热导池示意图双臂热导池四臂热导池 浓度型检测器 热导池Wheatstone电桥测量线路 1 热导池的结构和工作原理惠斯登电桥 2 影响热导检测器灵敏度的因素 l 桥电流桥电流增加 钨丝温度提高 钨丝和热导池体的温差加大 有利于热传导 灵敏度就提高 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100 200mA左右 2 池体温度池体温度降低 有利于提高灵敏度 但池体温度不能低于柱温 3 载气种类载气与试样的热导系数相差愈大 则灵敏度愈高 二 火焰离子化检测器 FID 1 工作原理 2 结构3 特点 1 操作简单 2 检出限低 可达10 12g S 1 3 能检测大多数含碳有机化合物 4 死体积小 5 响应速度快 6 线性范围也宽 可达106以上 7 结构简单 8 灵敏度很高 比热导检测器的灵敏度高约103倍 4 主要缺点 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 FID 火焰离子化机理至今还不十分清楚其机理 普遍认为这是一个化学电离过程 以苯为例 在氢火焰中的化学电离反应如下 3 影响操作条件的因素氢气 载气 空气流速和检测室的温度等都对检测器灵敏度有影响 三 检测器的性能指标 一个优良的检测器应具以下几个性能指标 灵敏度高 捡出限低 死体积小 响应迅速 线性范围宽 稳定性好 通用性检测器要求适用范围广 选择性检测器要求选择性好 检出限 敏感度 检测限为两倍噪声峰 最小检测量最小检测量指产生二倍噪声峰高时 色谱体系 即色谱仪 所需的进样量 线性范围检测器呈线性时最大和最小进样量之比 或叫最大允许进样量 浓度 与最小检测量 浓度 之比 响应时间响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其真值的63 所需的时间 一般都小于1s 2 2 4色谱分离操作条件的选择 1 柱长的选择一般情况下 柱长选择以使组分能完全分离 分离度达到所期望的值为准 具体方法是选择一根极性适宜 任意长度的色谱柱 测定两组分的分离度 然后根据基本色谱分离方程式 确定柱长是否适宜 2 载气及其流速的选择 3 柱温的选择 选择柱温要兼顾几方面的因素 一般原则是 在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下 采取适当低的柱温 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实际情况而定 柱温的选择还应考虑固定液的使用温度 柱温不能高于固定液的最高使用温度 否则固定液挥发流失 对分离不利 对于宽沸程的多组分混合物 可采用程序升温 4 载体粒度及筛分范围的选择载体的粒度愈小 填装愈均匀 柱效就愈高 但粒度也不能太小 否则 阻力压也急剧增大 一般粒度直径为柱内径的1 20 l 25为宜 5 进样量的选择一般说来 色谱柱越粗 越长 固定液含量越高 容许进样量越大 2 2 5定性分析 色谱法定性分析主要依据是保留值 所以需要标准样品 而且单靠色谱法对每个组分进行鉴定 往往不能令人满意 1 用已知纯物质对照定性 2 根据相对保留值定性利用相对保留值定性比用保留值定性更为方便 可靠 在用保留值定性时 必须使两次分析条件完全一致 有时不易做到 而用相对保留值定性时 只要保持柱温不变即可 这种方法要求找一个基准物质 一般选用苯 正丁烷 环己烷等作为基准物 所选用的基准物的保留值尽量接近待测样品组分的保留值 3 根据保留指数定性保留指数又称Kovasts指数 是一种重视性较其他保留数据都好的定性参数 可根据所用固定相和柱温直接与文献值对照 而不需标准样品 2 2 6定量分析 气相色谱定量分析是根据检测器对溶质产生的响应信号与溶质的量成正比的原理 通过色谱图上的面积或峰高 计算样品中溶质的含量 1 峰面积测量方法对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法 l 对称形峰面积的测量 峰高乘半峰宽法理论上可以证明 对称峰的面积A 1 0