气相色谱法 第六、七章(94).ppt

第七章气相色谱法 第七章气相色谱法 7 1色谱法及其分类 特点7 2气相色谱分析流程7 3色谱图及相关术语 7 4气固色谱及分离原理7 5氢火焰离子化检测器7 6气相色谱仪的结构与使用7 7气液色谱及分离原理7 8踏板理论及柱效能指标 7 9速率理论7 10热导池检测器7 11色谱操作条件的选择 7 1色谱法及其分类 特点 色谱法名称起源 1906年 俄国植物学家茨维特首先采用色谱法分离植物色素 1 色谱法及由来 色谱法本质是一种物理化学分离方法 它是利用试样中各组分在固定相和流动相中不断地分配 吸附和脱附或在两相中其他作用力的差异 而使各组分得到分离的方法 色谱分析是一种重要的分离分析方法 它是利用不同物质在两相中具有不同的分配系数 或吸附系数 渗透性 当两相做相对运动时 这些物质在两相中进行多次反复分配而实现分离 固定相流动相色谱柱被分离组分 流动相 2 色谱法分类 1 按两相状态分类 超临界流体 高于临界压力与临界温度时物质的一种状态 2 按操作形式的不同分类 色谱法分类 操作分类 柱色谱 平板色谱 毛细管电泳 薄层色谱纸色谱薄膜色谱 填充柱毛细管柱微填充柱 3 按分离机理分类 色谱法分类 分配色谱 吸附色谱 离子交换色谱 体积排阻色谱 分离机理 2 色谱法的分类 固定相 高分离效率 用量少 高灵敏度 操作简便 分析速度快 色谱法的特点 液体样品仅需1 L气体样品1 5mL 10 13 10 11g 几分钟至几十分钟 分配系数和沸点很相近的多种化合物 3 气相色谱法的特点 缺点 必须有纯物质或相应的定性数据作对照才能得出定性结果 不适于无机物和沸点过高 450 C 的难挥发有机物及热稳定性差的物质的测定 7 2气相色谱分析流程 7 2气相色谱分析流程 气相色谱法是利用物质的沸点 极性 及吸附性质的差异来实现混合物的分离 载气 高压瓶 1 经降压2 脱水及净化 4调至适宜的流量而进入色谱柱 经检测器流出色谱仪 待流量 温度及基线稳定后 即可进样 液态样品用微量注射器吸取 由进样器注入 气态样品可用六通阀或注射器进样 样品被载气带入色谱柱 样品组分经反复多次溶解 挥发或吸附 脱附流出色谱柱 然后进入检测器转变为电信号 气相色谱仪流程示意图1 载气瓶2 减压阀3 针形阀4 流量计5 柱前压力表6 检测器7 进样器8 色谱柱9 色谱柱恒温箱10 馏分收集口 柱后分流阀 11 测量电桥12 记录仪 7 3气相色谱图及相关术语 1 气相色谱图 1 基线 底线 柱中仅有纯载气通过时 检测器噪声随时间变化的曲线 即图中Ot线 避免 基线噪声 基线漂移 2 有关色谱术语 2 色谱峰色谱柱流出组分通过检测器产生的响应信号的微分曲线 色谱峰 3 峰高和峰面积 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离 以h表示 图中B A 峰面积 每个组分的流出曲线与基线间所包围的面积 以A表示 峰高与峰面积的大小和组分在样品中的含量有关 峰面积 3 峰底宽度和半峰宽 峰底宽度 通过色谱峰两侧拐点所作的切线与峰底相交两点之间的距离 即IJ 常用Y表示 在峰高h 2处 峰拐点 在组分流出曲线上二阶导数等于零的点 即E点 半峰宽 色谱峰的宽度 即GH 常用符号Y1 2表示 2 保留时间tR 试样从进样开始到柱后出现峰 浓度 极大点时所经历的时间 O A 从进样到色谱柱后出现待测组分信号极大值所需的时间 O B 1 死时间tM 4 保留值 保留值 表示试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值 通常用时间 走纸距离或相应的载气体积来表示 3 调整保留时间tR 某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间 即tR tR tM A B 4 相对保留值ris指在一定实验条件下 组分i与另一标准组分s的调整保留值之比 Ris仅与柱温及固定相性质有关 与其他操作条件如 柱径 柱长 填充情况及流动相流速无关 5 选择性因子 指相邻两组分调整保留值之比 以 表示 值的大小反映色谱柱对难分离物质的分离选择性 越大 相邻两组分色谱峰相距越远 色谱柱的分离选择性越高 当 接近于1或等于1时 说明相邻两组分色谱峰重叠未能分开 分配系数 组分在固定相与流动相中的浓度之比 对于气 固色谱 分配系数为 5 分配系数K 对于气 液色谱 分配系数为 K K 容量因子又称分配比 容量比 指组分在固定相和流动相中分配量 质量 体积 物质的量 之比 K 6 容量因子k 组分在固定相中的质量 组分在流动相中的质量 试样 载气 进入色谱柱 吸附剂吸附 脱附 组分分离 流出色谱柱 7 4气固色谱及分离原理 气相色谱图 7 5氢火焰离子化检测器 氮磷检测器 NPD 光离子检测器 PID 火焰光度检测器 FPD 原子发射光谱检测器 AED 氧火焰离子化检测器 O FID 脉冲去放电检测器 PDD 1 氢火焰检测器 FID 的结构及工作原理 FID结构示意图 a b 发射极 7 5氢火焰离子化检测器 氢焰检测器的主要部件是由不锈钢制成的离子室 离子室中包括燃烧气 H2 助燃气 空气 载气 N2 及样品的入口 极化极 收集极 火焰喷嘴以及喷嘴附近的点火线圈等部件 氢火焰离子化检测器是利用有机物在氢焰的作用下 化学电离而形成离子流 借测定离子流强度进行检测 FID的工作原理 2 检测器的特点 线性与线性范围 Title 检测限 响应时间 噪声和漂移 灵敏度 3 检测器的性能指标 各种气体流速和配比 载气流速影响检测限 一般载气流速以低些为妥 痕量分析 氮氢比在1 1响应值最大常量分析 增大氢气流速 氮氢比降至0 43 0 72范围内 空气作为助燃气 流速过小 供氧量不足 响应值低 流速过大 火焰不稳 易出现噪声峰 300 500ml min 极化电压 极化电压的大小直接影响氢焰检测器的灵敏度 极化电压通常选择在100 300V范围内 4 影响氢火焰检测器灵敏度的因素 度 开机步骤 7 6气相色谱仪的结构与使用 一 气相色谱仪的结构 双柱双气路 单柱单气路 气相色谱仪 1 4 高压钢瓶与减压阀 气体净化器 稳压阀 稳流阀与针形阀 2 3 管路连接与检漏 部件组成 1 气路系统 单柱单气路示意图 双柱双气路示意图 2 进样系统 平面六通阀结构 取样和进样位置 3 分离系统 作用 将分离后样品组分的信息转变为易于测量的电信号 然后对被分离物质的组成和含量进行鉴定和测量 4 检测系统 将检测器输出的模拟信号随时间的变化曲线 即色谱图绘制 记录仪自动积分仪色谱工作站 5 数据处理系统 6 数据处理系统 柱箱 汽化室 检测器 分离效能 灵敏度 稳定性 1 进样量 二 微量注射器的使用 进样量过大 进样量过小 峰形不对称峰形变宽分离度变小保留值发生变化峰高和峰面积与进样量不呈线性关系 检测器灵敏度不够 导致不能检出 最大允许进样量 固定其他实验条件不变 加大进样量 直至半峰宽变宽或保留值改变 2 进样技术进样速度快 峰的原始宽度要窄 有利于分离进样速度慢 峰形变宽 且不对称 不利于分离也不利于定量 取样前抽洗5 6次 排气泡 排过量试液 1 2 3 取样后立即进样 注射器垂直于进样口 左手扶针头 右手持注射器 迅速进样 进样时操作稳当 连贯 迅速 1 定量校正因子及其测定方法1 绝对校正因子fi 单位峰面积或单位峰高所代表的组分的量即fi mi Ai或fi h mi hi2 相对校正因子f i指组分i与另一标准组分s的绝对校正因子之比 三 标准曲线法及其应用 相对质量校正因子f m 相对摩尔校正因子 f M 相对体积校正因子 f Vf V f M 相对校正因子 m Ax hx mx 标准曲线绘制 样品测定 A h 2 标准曲线法定量 四 气相色谱仪的维护与保养 试样 载气 进入色谱柱 组分溶解在固定液中 组分从固定液中挥发 组分分离 流出色谱柱 7 7气液色谱及分离原理 气相色谱图 组分在两相间分配瞬间平衡 载气进入不是连续的而是脉动的 试样沿色谱柱方向扩散可忽略不计 D 各踏板上的分配系数为一常数 纵向扩散 每次进气为一个板体积 一小段间隔内H 7 8塔板理论及柱效能指标 一 塔板理论 塔板号r0123 1 理论塔板高度和理论塔板数当组分进入色谱柱后 在每块塔板上进行两相间的分配 塔板数越多 组分在柱内两相间达到分配平衡的次数也越多 柱效越高 分离就越好 n 50流出曲线呈基本对称的峰形 当n达103 106流出曲线趋近于正态分布 二 柱效能指标 2 柱效能指标 理论塔板高度 H 理论塔板数 n 有效理论塔板数 有效理论塔板高度 注意事项 1 n大 柱效高 分离好 前提是两组分分配系数K应有差异 否则n无论多大 两组分将无法分离 2 同一色谱柱对不同的物质的柱效能是不一样的 因此用n表示柱效时必须注明对什么物质而言 三 常用的定量计算方法 l 归一化法适合于对多组分试样中各组分含量的分析 前提条件是试样中各组分必须全部在色谱图上出现色谱峰 归一化的计算公式 同分异构体 其fi相同 峰高 峰面积 3 内标法 外标法是所有定量分析中最通用的一种方法 即所谓校准曲线法 2 外标法 内标法 选择一种与样品性质相近的物质为内标物 加入到已知质量的样品中 进行色谱分离 测量样品中被测组分和内标物的峰面积 被测组分的质量分数可按下式计算 例1 在1 0m柱上测得组分A和非滞留组分的保留时间分别为8 40min和1 60min 组分A峰的峰底宽为4 5mm 记录纸速度为300mm h 计算该柱的有效理论塔板高度 7 9速率理论 1956年vanDeemter等提出了色谱过程动力学理论 速率理论 式中 H 塔板高度 流动相线速度 A 涡流扩散项系数B 分子扩散项系数C 传质阻力项系数 1 范第姆特方程 涡流扩散展宽因素 A与填充物的平均直径dp的大小和填充不均匀性 有关 与流动相性质 线速度和组分无关 A 涡流扩散项 2 影响柱效能的因素 填充不规则因子 颗粒平均粒径 涡流扩散示意图 1 为弯曲因子 它反映了固定相颗粒对自由分子扩散的阻碍情况 空心毛细管没有填充物阻碍 1 而填充柱 一般小于1 阻碍越大 越小 2 Dg为组分在流动相中扩散系数 cm2 s 1 Dg 随柱温升高而增加 与柱压成反比 与载气相对分子质量M成反比 因此 在GC中应选择载气相对分子质量大 柱温低 载气流速大的条件 B 纵向 分子 扩散项 C 传质阻力 气相传质阻力 组分从气相扩散到固定相表面所受的传质阻力液相传质阻力 组分从固定相的气液界面扩散到液相内部所受的传质阻力 C Cl Cg Cl 液相传质阻力项Cg 气相传质阻力项k 容量因子df 担体表面液膜厚度Dl 组分在液相中的扩散系数 7 10热导池检测器 TCD 1 热导检测器 TCD 结构 热导池有池体和热敏元件两部分构成 分为双臂热导池和四臂热导池 右图 7 10热导池检测器 TCD 1 热导检测器 TCD 结构 热导池有池体和热敏元件两部分构成 分为双臂热导池和四臂热导池 右图 2 热导池的结构和工作原理 载气及其纯度 Title 检测器温度 热敏元件阻值 桥电流 载气流速 3 影响热导检测器灵敏度的因素 7 11色谱操作条件的选择 条件选择 1 载气种类 u小 分子扩散项起主要作用 应尽量选相对分子质量大的载气 如 N2 Aru大 传质阻力项起主要作用 应尽量选相对分子质量小的载气 如 H2 He2 载气流速 1 载气种类及流速的选择 传质阻力项是影响柱效的主要因素流速增大 柱效下降 较低 3 最佳载气流速的获取曲线最低点处塔板高度最小 相应的流速为最佳载气流速 最佳 但为缩短分析时间 往往选略高于 最佳 1 H 曲线的绘制 2 最佳载气流速的获取曲线最低点H最小 即最佳 最佳柱效 色谱柱的使用寿命 柱的选择性 柱效能 分析速度 柱温的影响 2 柱温的选择 因此 选择柱温要兼顾几方面的因素 一般原则是 1 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 2 对于宽沸程的多组分混合物 可采用程序升温法 柱 化学键合交联开管柱固定液 PEG 20M柱长30m I d 0 25mm thickness 0 25 m采用程序升温方式 香水的成分GC分析 C 传质阻力 气相传质阻力 组分从气相扩散到固定相表面所受的传质阻力液相传质阻力 组分从固定相的气液界面扩散到液相内部所受的传质阻力 C Cl Cg Cl 液相传质阻力项Cg 气相传质阻力项k 容量因子df 担体表面液膜厚度Dl 组分在液相中的扩散系数 因此 应该采用细颗粒的固定相和相对分子质量小的载气 以增大Dg 低含量固定液 以减小固定液液膜厚度 选用低粘度固定液 增大组分在固定液中的扩散系数 适当提高柱温及降低流速 1 载气流速的选择1 载气种类 u小 分子扩散项起主要作用 应尽量选相对分子质量大的载气 如 N2 Aru大 传质阻力项起主要作用 应尽量选相对分子质量小的载气 如 H2 He2 载气流速曲线最低点处塔板高度最小 相应的流速为最佳载气流速 最佳 但为缩短分析时间 往往选略高于 最佳 7 10色谱操作条件的选择 2 柱温的选择 提