气相色谱基础理论ppt课件.ppt

2020 4 20 1 气相色谱原理Gaschromatography 2020 4 20 2 第一章绪论 要解决的问题问题1 什么是色谱法 问题2 为什么色谱法能将混合物分开 问题3 什么是气相色谱法 问题4 用气相色谱法能做些什么 2020 4 20 3 一 什么是色谱法 茨维特 Tswett 的实验茨维特 俄国植物学家 主要从事植物色素的研究工作 在1906年发表的文章中 首次提出色谱的概念 他用碳酸钙作固定相 石油醚作移动相 在玻璃管内分离叶绿素 使人们认识到色谱技术对物资分离和定性的潜力 这通常被认为是色谱学的开始 2020 4 20 4 茨维特的实验 碳酸钙 石油醚 2020 4 20 5 1941年Martin首先提出了色谱塔板理论 以理论塔板来表示分离效率 定量地描述 评价色谱分离过程 这是色谱发展过程中最重要的贡献和成就 1957年Golay毛细管色谱并从理论上指出了毛细管色谱的潜力 但由于制柱技术困难 发展速度比较缓慢 直到80年代 毛细管技术有了突破 石英柱 气相色谱仪再次得以飞速的发展 2020 4 20 6 什么是色谱法 Chromatography色谱法是一种分离方法 它的特点是 有两相 一是固定相 一是流动相 两相作相向运动 将色谱法用于分析中 则称为色谱分析 因此色谱分析是一种分离 分析法 2020 4 20 7 二 色谱法分离原理 当流动相中所携带的混合物流过固定相时 就会和固定相发生作用 力的作用 由于混合物中各组分在性质和结构上有差异 与固定相发生作用的大小也有差异 因此在同一推动力作用下 不同组分在固定相中的滞留时间有长有短 从而按先后不同的次序从固定相中流出 2020 4 20 8 A B C D 2020 4 20 9 气相色谱分离原理 2020 4 20 10 三 什么是气相色谱法 色谱法的分类 按流动相状态的不同 可分为以下三类 气相色谱法 GC 液相色谱法 LC 超临界流体色谱 SFC 2020 4 20 11 什么是气相色谱法 气相色谱法以气体为流动相的色谱法GasChromatogaphy 简称GC按固定相状态的不同可分为 气固色谱 GSC 气液色谱 GLC 2020 4 20 12 气相色谱仪流程 气路系统 汽化系统 柱系统 检测系统 记录系统 2020 4 20 13 其他色谱法简介 按固定相使用的形式可分为柱色谱 columnchromatography 将固定相装在色谱柱内纸色谱 PaperChromatography 用滤纸做固定相或固定相载体的色谱薄层色谱 ThinLayChromatography 固定相均匀涂在玻璃板或塑料板上 2020 4 20 14 第二章色谱法基本理论 拟解决的问题色谱相关术语色谱法理论的概况色谱中的动力学理论色谱分离情况的评价方法影响色谱分离的主要因素及条件选择 从理论的角度加以判断 2020 4 20 15 一 色谱相关术语 关于色谱峰关于保留值关于分配平衡 2020 4 20 16 关于色谱峰的术语 峰 峰高 基线 峰宽 半峰宽 峰面积 标准偏差 2020 4 20 17 关于色谱峰的术语 峰底宽 半峰宽及标准偏差三者的关系为 W 4 Wh 2 2 354 拖尾峰伸舌峰鬼峰 假峰畸峰峰底基线漂移基线噪声谱带扩张 2020 4 20 18 关于保留值的术语 死时间 t0 tM 无保留组分出峰时间保留时间 tR 调整保留时间 t R 2020 4 20 19 关于保留值的术语 死体积 V0 VM 保留体积 VR 调整保留体积 V R 2020 4 20 20 关于保留值的术语 保留指数 I 又叫Kovats 它规定正构烷烃的保留指数是其碳数的100倍 其它物质的保留指数在实际色谱条件下测定 选取与被测物相邻的两种正构烷烃做参照系 其中一种碳数为Z 另一种为Z 1 被测物的保留指数由下式计算 2020 4 20 21 二 色谱基本理论概述 研究理论的目的解决色谱峰的分离问题三个色谱基本理论问题色谱热力学问题 发展高选择性色谱柱色谱动力学问题 发展高效能色谱柱分离条件的最优化问题 分离条件优化 2020 4 20 22 三 色谱动力学理论 研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变化的影响因素塔板理论速率理论 2020 4 20 23 塔板理论将色谱柱比作精馏塔 通过概率理论得到流出曲线方程 1 塔板理论 2020 4 20 24 塔板理论 当t tR时 C Cmax 峰高正比于进样量W 是峰高定量的理论基础 当n越大 柱效越大 Cmax W越大 即保留时间一定时 塔板数越多 峰越高 Cmax反比于tR tR小 Cmax大 保留时间小的组分峰高且窄 tR大 Cmax小 保留时间大的组分峰低且宽 2020 4 20 25 柱效 由流出曲线方程导出 H L n 2020 4 20 26 柱效 n是峰相对展宽的量度n是柱效的量度n是常数时 Y与tR成正比n越大 h越小 表明组分在柱中达到的分配平衡次数越多 对分离越有利 但还不能预言各组分有被分离的可能性 2020 4 20 27 塔板理论的贡献 塔板理论有助于我们形象的理解色谱的分离过程 导出色谱流出曲线方程 它符合高斯分布 与实验现象相吻合 导出理论塔板数的计算公式 作为柱效的评价指标 2020 4 20 28 塔板理论的局限 塔板高度H是一个抽象的物理量 它的色谱本质是什么 它与哪些参变量有关 又怎样影响峰的扩张 对实验的指导意义有限 不能解释流速对理论塔板数的影响 有些假设不合理 如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等 2020 4 20 29 2 速率理论 速率理论是1956年荷兰学者VanDeemter等提出 因此又称作范第姆特方程运用流体分子规律研究色谱过程中产生色谱峰扩展的因素 导出了理论塔板高度与流动相线速度的关系 揭示了影响塔板高度的动力学因素 2020 4 20 30 速率方程的导出 根据塔板计算公式 n 5 54 tR Wh 2 2速率理论讨论的是色谱峰展宽原因 即影响塔板数n的因素 也就是影响塔板高度H的因素 2020 4 20 31 速率方程的表达式 2020 4 20 32 A项 涡流扩散项 A 2 dp 涡流扩散项 均匀性因子 粒径 2020 4 20 33 涡流扩散项A 由不等路径造成的色谱峰扩展 由于柱填料粒径大小不同 粒度分布范围不一致及填充的不均匀 形成宽窄 长短不同的路径 因此流动相沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动 有些溶质分子沿较窄且直的路径运行 以较快的速度通过色谱柱 发生分子超前 反之 有些分子发生滞后 从而使色谱峰产生扩散 涡流扩散项 2020 4 20 34 B项 分子扩散项 B uB 2 Dg 弯曲因子 扩散系数 2020 4 20 35 分子扩散项 分子扩散项 由于分子的纵向扩散造成的色谱峰扩展 即由于试样组分被载气带入色谱柱后 是以塞子的形式存在于色谱柱的很小一段空间中 由于在塞子前后存在浓度梯度 因此使运动着的分子产生纵向扩散 引起色谱峰扩展 2020 4 20 36 C项 传质阻力项 2020 4 20 37 气相传质阻力项 气相传质阻力项Cg 试样组分从气相移动到固定相表面的过程中 由于质量交换过程需要一定时间 即传质阻力 而使分子有滞留倾向 在此过程中 部分组分分子随流动相向前运动 发生分子超前 引起色谱峰扩展 2020 4 20 38 气相传质阻力项表达式 CguCg 容量因子 2020 4 20 39 液相传质阻力项 液相传质阻力项CL 试样组分从固定相表面移动到固定相内部的过程中 由于质量交换过程需要一定时间 即传质阻力 而使分子有滞留倾向 在此过程中 部分组分分子先离开固定相表面 发生分子超前 引起色谱峰扩展 2020 4 20 40 液相传质阻力相表达式 CLuCL 液膜厚度 液相扩散系数 2020 4 20 41 速率方程给我们的什么启示 为柱型的研究和发展提供理论依据为操作条件的选择提供理论指导为色谱柱的填充提供理论指导 2020 4 20 42 对柱型研究和发展的影响 A 0 Golay1957年提出毛细管柱的概念 opentube 毛细管柱A 0 H B u CuH N 分离能力大大提高 2020 4 20 43 对柱型研究和发展的影响 B 0 溶质在液体中的扩散系数DL 10 5cm2 s溶质在气体中的扩散系数Dg 10 1cm2 sDL Dg当采用液体作流动相时B 0液体作流动相时可用更细的固定相 A HPLC柱效比GC要高2 3个数量级 2020 4 20 44 操作条件对柱效的影响 2020 4 20 45 最佳流速 u B C 1 2实用最佳流速 比最佳流速更快A与流速无关B u 当流速小时 对H的大小起主导作用Cu 当流速大时 对H的大小起主导作用 载气线速度 流速 的影响 2020 4 20 46 对色谱柱的填充提供理论指导 柱径 根据速率方程 柱径越小 柱效越高 但柱径越小 固定相越难填充均匀 柱长L 柱长增加 总塔板数增加 但柱长增加 分离时间将增加 固定相粒径dp 根据速率方程 粒径减小 A项减小 C项减小 柱效增加 但粒径太小 不易填充 同时A项增大 2020 4 20 47 液膜厚度df 从柱效角度考虑 液膜越薄 柱效越高 根据速率方程 但允许的进样量减小 固定液与担体的配比一般在5 100 25 100之间 但现在更低配比的固定相也应用广泛 更重要的是 不同沸点的物质 应采用不同配比的固定相 对色谱柱的填充提供理论指导 2020 4 20 48 四 色谱分离基本方程及色谱分离条件的选择 对于常规分析工作 一般选用 选择性系数 相对保留值 与保留指数I来评价固定液有效塔板数N有效来评价色谱柱与分离条件以分离度R作为柱的总分离效能指标 2020 4 20 49 几个概念 分离度R 2020 4 20 50 分离度R R越大 说明两组分分离得越好 由于该定义综合了色谱动力学和热力学因素 可作为色谱柱的总分离效能指标 2020 4 20 51 N的影响 如何提高N 分离度R与理论塔板数N的平方根成正比关系 增加塔板数 有利于提高分离度 增加柱长可增加N 改善分离 但分析时间将大大延长 峰产生扩展 减小塔板高度H 根据速率方程的启示制备一根性能优良的色谱柱是十分重要的 根据速率方程选择合适的色谱条件同样有效 2020 4 20 52 色谱条件的选择 流速柱温气化温度检测器温度进样量载气种类固定相种类 2020 4 20 53 流速u Fc 根据速率方程 可计算求出最佳流速 此时柱效最高 在实际工作中 为缩短分析时间 往往使流速稍高于最佳流速 具体的 对于填充柱 氮气的实用最佳线速为10 12cm s 氢气为15 20cm s 氦气介于两者之间 若填充柱内径为3mm 则体积流速为氮气40 60ml min 氢气60 90ml min 2020 4 20 54 柱温Tc 直接影响分析效能和分析速度 每一种固定液都有它的最高使用温度 柱温不可超过这一温度 否则固定液挥发流失 柱温太高 不利于分离 但柱温太低 被测组分的扩散速度下降 分配不能快速达到平衡 影响峰型 柱效下降 并使分析时间大大延长 柱温选择的原则是 在保证难分离物质有良好分离的前提下 分离度满足要求 尽可能采取较高柱温 以缩短分析时间 保证峰型对称 2020 4 20 55 汽化温度 一般进样方法下 汽化温度比柱温高30 70 进样量大时高一些好 保证瞬间汽化 保证不可超过试样的分解温度 其它气化温度与具体进样方式有关 2020 4 20 56 检测器温度 一般大于或等于柱温 具体与检测器种类有关 2020 4 20 57 进样量 液体试样一般进样量0 1 5 l 气体试样一般进样量为0 1 10ml 具体视柱类型 固定液含量 不能超过柱容量 进样方式 检测器的灵敏度和线性范围等确定 2020 4 20 58 流动相 载气 种类 流动相的种类要视检测器种类确定 常用的有氢气 热导用 氮气 氢火焰用 氦气 均可用 但价格较高 氢气和氦气适合于快