第2章-气相色谱法PPT课件

1、1一 概述 色谱分析是一种物质分离技术 特点 高分离效能 高检测性能 快的分析速度 分离原理 使混合物中各组分在两相(固定相和流动相)间进行分配。当流动相中所含的混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相发生作用的大小、强弱也有差异；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第2页/共45页第1页/共45页2 色谱方法分类第3页/共45页第2页/共45页3 气相色谱仪的组成与分析流程 载气系统 气源 气体净化 气体流速控制与测量 进样系统 进样器 气化室 色谱柱 固定相 流动相 检测器 热导池检测器

2、TCD 氢火焰离子化检测器FID 记录系统 放大器 记录仪 数据处理系统第4页/共45页第3页/共45页4第5页/共45页第4页/共45页5 岛津GC气相色谱仪家族GC-14BGC-8AGC-14CGC-17AGC-2010第6页/共45页第5页/共45页6 色谱流出曲线及有关术语 流出曲线(即色谱图) 以色谱电信号(与组份浓度呈正相关关系)为纵坐标、流出时间为横坐标所得的组份及浓度随时间变化的曲线 色谱流出曲线的作用 1、根据色谱峰位置可进行定性分析 2、根据色谱峰面积可进行定量分析 3、根据色谱峰位置与宽度可对色谱柱分离效果进行评价第7页/共45页第6页/共45页7 色谱常用术语 基线 只

3、有载气通过检测器时响应信号的记录线 基线漂移：基线随时间定向缓慢变化 基线噪声：由各种因素引起的基线不规则起伏 保留值 试样中各组份在色谱柱中滞留时间的数值。它取决于组分在两相间的分配平衡，为一热力学量 以时间表示： 保留时间tR：指待测组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需时间 死时间tM：指不与固定相作用的气体（如空气、甲烷）的保留时间 调整保留时间tR：指扣除了死时间的保留时间(组份多滞留的时间)：tR=tR-tM ；固定相一定，在确定的实验条件下，任何物质都有一定的保留时间，它是色谱定性的基本参数第8页/共45页第7页/共45页8 以流出气体体积表示 保留体积VR：指将组分带出色谱柱所需

4、载气的体积。它与保留时间的关系为：VR=tRF0.式中F0为色谱柱出口处载气流速，以mL/Min计 死体积VM：指色谱柱内除了填充物固定相以外的空隙体积、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。它和死体积间的关系为：VM=tMF0 调整保留体积VR：指扣除死体积后的保留体积：VR=VRVM，或VR=tRF0 相对保留值r21 指组分2与另一组分1的调整保留值之比。相对保留值只与柱温及固定相性质有关，与其它色谱操作条件无关，它表示了色谱柱对这两种组分的选择性： r21相差越大，分离越好。 r21 1，不能分离 区域宽度 标准偏差 0.607倍峰高处峰宽度的一半 半峰宽Y1/2 峰高一

5、半处的峰宽 峰底宽Y 峰与基线转折处的切线在基线上的截距35. 22ln222/ 1Y2/ 1Y70. 14 Y第9页/共45页第8页/共45页9二 气相色谱分析的理论基础 一、气相色谱分析的基本原理 气相色谱种类： 按固定相类型可分为气固色谱与气液色谱 气固色谱 固定相是多孔性的具有较大表面积的固体吸附剂，其分离原理是基于固体吸附剂对试样中各组份的吸附能力的不同 气固色谱的色谱柱为填充柱，柱内填装固定相 气液色谱 固定相是由担体（用来支持固定液的多孔性固体物质）表面涂固定液（高沸点有机物）所组成。气液色谱的分离主要试剂与固定液对试样中各组份的溶解度的不同。 气液色谱的色谱柱为毛细管柱或填充柱

6、，前者在毛细管内壁涂敷固定液，后者在柱内涂敷固定液第10页/共45页第9页/共45页10 色谱分离原理 试样气体由载气携带进入色谱柱与固定相接触时很快被固定相溶解或吸附。随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组份有从固定相中挥发或脱附下来，挥发会脱附下来的组份随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附。随着载气的流动，溶解（吸附）与挥发（或脱附）反复交替进行 显然，由于试样中各种组分的性质的差异，固定相对它们的溶解或吸附能力也将不同，易被溶解或吸附的组份，其挥发或脱附也将较为困难，随载气移动的速度必定比不易溶解或吸附的组份慢，在色谱柱内停留的时间长；反之，不易溶解或吸附的组份随载气移动的速度较快，

7、在色谱柱内停留的时间短。所以，经过一段时间间隔后，性质不同的组分便被彼此分离开来第11页/共45页第10页/共45页11 分配系数K、分配比k与滞留因子Rs 分配系数 组分在色谱柱内的固定相和流动相间发生的吸附、脱附或溶解、挥发的过程称为分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g/mL）的比值，称为分配系数，用K表示。为一热力学量 分配比k(容量因子、容量比)和相比 分配比k： 在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比。为一热力学量 分配比越大，保留时间越长；分配比为零，保留时间为死时间 相比： 流动相与固定相体积比，它反映各种色谱柱柱型及其结构

8、的主要特性 填充柱：635 毛细管柱：501500 滞留因子Rs 组分与载气在色谱柱内的流速之比组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度KMSmmk kVVkVmVmccKSMMMSSMS11kmmmRSMSSMRttk第12页/共45页第11页/共45页12 在一定温度下，各物质在两相间的分配系数不相同 分配系数小的组分，分配在气相中的浓度较大，随载气移动快，在色谱柱内停留的时间短 分配系数大的组分，分配在气相中的浓度较小，随载气移动慢，在色谱柱内停留的时间长 因此经过足够多次的分配后，组分便得以彼此分离 为使试样中的各组份的一分离，必须使各组份在流动相和固定相间具有不同的分配系数 在一定温

9、度下，分配系数只与固定相和组份的性质有关。当试样一定时，组分的分配系数主要取决于固定相的性质 若各组分在固定相和流动相间的分配系数相同，则它们在柱内的保留时间相同，色谱峰将重叠；反之，各组分的分配系数差别愈大，各组份分离的可能性也愈大第13页/共45页第12页/共45页13 色谱分离的基本理论 色谱分离包含两个内容 组分在柱内的分配情况 与组分的分配系数、各种物质的分子结构和性质有关；为热力学因素 组分在柱内的运动情况 与各种组分在流动相和固定相间的传质阻力有关；为动力学因素 塔板理论-柱效能指标： 把色谱分离过程比拟作蒸馏工程，直接引用处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱分离过程，即把连

10、续的色谱过程看作许多小段平衡过程的重复若色谱柱长为L，塔板间距离（亦称理论塔板高度）为H，色谱柱的理论塔板数为n，则 由塔板理论推导出的理论塔板数n的计算公式如下： 显然，在一定长度的色谱柱内，塔板高度H越小，塔板数n越大，组分被分配的次数越多，则柱效能越高HLn )(16)(54. 522/1bRRWtYtn第14页/共45页第13页/共45页14 但由于死时间tM（或VM）包含在tR(VR)中，而tM并不参加柱内的分配，所以理论塔板数、理论塔板高度并不能真实反映色谱柱分离的好坏。为了真实地反映柱效能的高低，应该用有效塔板数或有效塔板高度作衡量柱效能的指标 （1）色谱柱的有效塔板数越多，表示

11、组分在色谱柱内达到平衡的次数越多，柱效越高，所得的色谱峰越窄，对分离有利 ; （2）如果两组分在同一色谱柱上的分配系数相同，那么无论该色谱柱为它们提供的有效塔板数有多大，此两组分仍无法分离; （3）由于不同物质在同一色谱柱上分配系数不同，所以同一色谱柱对不同物质的柱效能也不同，因此在用塔板数或塔板高度表示柱效能时，必须说明是对什么物质而言。222/1)(16)(54. 5bWtYttnRMR有效有效有效nLH第15页/共45页第14页/共45页15 速率理论影响柱效能的因素 1956年，荷兰学者范弟姆特等人，在总结前人研究成果的基础上，提出了速率理论，并归纳出一个联系各影响因素的经验方程式，即

12、速率理论方程式： A为涡流扩散项 :分子所经过的路径，有的长、有的短，因而引起色谱峰形的扩展。 ，取决于填充物的平均颗粒直径和固定相的填充不均匀因子CuuBAHpdA2l第16页/共45页第15页/共45页16 B/u分子扩散项：“塞子”前后存在着浓度差 摩尔质量大的载气可使B值变小，有利于分离 载气流速愈小，保留时间愈长，分子扩散项的影响也愈大，从而成为色谱峰扩散的主要因素载气MDg1gDB2弯曲因子第17页/共45页第16页/共45页17 Cu项即传质阻力项 气相传质阻力Cg：试样从气相移动到固定相表面所遇到的阻力。对填充柱 液相传质阻力CL：试样从气液界面移动到液相内部，然后又返回到气液

13、界面的过程中所遇到的阻力 范弟姆特等方程式uDdkkDdkkuDdHlfgpgp)1 (32)1 (01. 02222222lgpgDdkkC222)1 (01. 0lflDdkkC22)1 (32气相分子扩散系数液膜厚度液相分子扩散系数第18页/共45页第17页/共45页18三 色谱分离条件的选择 分离度 色谱柱效能： 两峰距离：表示色谱柱的选择性 峰的宽度：表示色谱柱效能 分离度 既能反映柱效率又能反映选择性的指标，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： R之越大，表明相邻两组分分离越好： R1：两峰有部分重叠；R1：分离程度可达98；R=1.5：分离程度可达

14、99.7。通常以R=1.5作为相邻两组分已完全分离的标志。 对分离较差，峰底宽度难于测量，则用下式表示分离度)(212112YYttRRR)(21)2(21)1(2112YYttRRR第19页/共45页第18页/共45页19 色谱分离基本方程式 分离度与柱效的关系 分离度与塔板数的平方根成正比，故增加柱长可改进分离度；但增加柱长会延长分析时间，使色谱峰变宽；一般在达到分离时应尽可能使用较短的色谱柱 分离度与容量比的关系 k值的增加会对分离有利。但当k大于10时，对R的改进不明显。一般控制1k10，则即可得到大的R值，也可使分离时间不致过长，色谱峰不至于太宽 改变k的方法是： 改变柱温：影响分配

15、系数 改变相比：即改变固定相的量及柱的死体积(采用细颗粒的固定相，填充紧密且均匀) 分离度与柱选择性的关系 是色谱柱选择性的量度， 越大，色谱柱选择性越好，分离效果越好 通过改变固定相，使各组分的分配系数有较大的差别)1()1(41kknR有效nkkn2)1()1(41有效nR有效HRL22)1(16色谱分离基本方程式塔板数与有效塔板数关系体系的热力学性质第20页/共45页第19页/共45页20 分离操作条件的选择 载气及其流速的选择 Hu曲线 载气选择在曲线的最低处H最小，柱效能最高，为最佳流速，但分析速度较慢，在实际工作中，往往使流速稍高于最佳流速 当载气流速小时，分子扩散项的影响是主要的

16、，应选用摩尔质量大的气体（如N2、Ar）；当载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，应选用摩尔质量较小的气体（如H2、He），可减小传质阻力，提高柱效 载气的选择还应考虑检测器的种类，这将在后面讨论。 载气流速对于内径为34mm的色谱柱，N2的流量一般为2030mL/min，H2的流量一般为4090mL/min，具体选择应通过试验决定uDdkkDdkkuDdHlfgpgp)1 (32)1 (01. 02222222l第21页/共45页第20页/共45页21 柱温的选择 提高柱温会使分配系数差别变小，不利于分离；但柱温太低会降低组分的扩散速率，使色谱峰变宽，降低柱效，延长分析时间。选择柱温同时还必

17、须考虑固定液的使用温度 柱温的选择 对高沸点(300400)混合物：柱温低于平均沸点100200，并采用低固定相色谱柱(510%)、高灵敏度检测器 对中沸点(200300)混合物：柱温低于平均沸点100，含1015固定相的色谱柱 对气体混合物：柱温在平均沸点以上，含1525固定相的色谱柱 对沸程较宽的试样，可采用程序升温(线形或非线形)第22页/共45页第21页/共45页22 固定液性质和用量 固定液量越大，所容许的进样量越多，但色谱柱效能越低，分析时间越长 一般：固定液：担体在5：10025：100 担体的性质和粒度 担体表面积越大、表面和孔径分布均匀，固定液涂覆均匀，液相传质越快，柱效较高

18、 担体粒度太细，阻力增加，对操作不利 一般对36mm内径色谱柱，使用6080目的担体 进样时间和进样量 一般在1秒内完成，越快越好；进样时间长，会导致色谱峰变宽 进样量适当；进样太多，分离不好；太少，不能检出。最大容许进样量应使峰面积或峰高与进样量成线形关系的范围内 液体试样：0.15L 气体试样：0.110mL 气化温度 气化温度高对分离有利 比柱温高3070第23页/共45页第22页/共45页23四 固定相及其选择 气固色谱固定相 具有一定活性的固体吸附剂 特点 品种有限 性能与制备和活化条件密切相关 易形成拖尾峰 品种 非极性活性炭 极性Al2O3 氢键型硅胶 分子筛 高分子多孔微球 石

19、磨化碳黑 碳多孔小球等等第24页/共45页第23页/共45页24 气液色谱固定相 担体 组成：为一种化学惰性、多孔性固态颗粒 作用：提供大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布 要求： 表面为化学惰性，无吸附性或吸附性较弱，更不能与被测物质起化学反应 多孔性 热稳定性和机械性能 粒度均匀、细小以提高柱效，常用的有6080目、80100目 分类 硅藻土型：红色担体、白色担体 非硅藻土型 ：氟担体、玻璃微球、高分子多孔微球 预处理 酸洗、碱洗：除去铁等金属氧化物杂质及表面的氧化铝等酸性作用点 硅烷化 担体的选择原则 当固定液质量分数大于5时，可选用硅藻土型(白色或红色)担体 当固定液质

20、量分数小于5时，应选用处理过的担体 对于高沸点组分，可选用玻璃微球担体 对于强腐蚀性组分，可选用氟担体第25页/共45页第24页/共45页25 固定液 要求 挥发性小 热稳定性好 对试样中各组分有适当的溶解能力 有高的选择性 化学稳定性好 组成 高沸点有机化合物 固定液的极性及其选择方法 相对极性 以，氧二丙晴为100，角鲨烷为0，分为+1、+2、+3、+4、+5共五级。 麦氏常数 依分子间作用力定向力、诱导力、色散力、氢键力，选用五种化合物苯(电子给予体)、乙醇(质子给予体)、甲乙酮(偶极定向力)、硝基甲烷(电子接受体)、吡啶(质子接受体)为探测物、以角鲨烷(非极性) 基准物来表征物质的分离

21、特性 I称为总极性，平均值称为平均极性 总极性越大，极性越强吡啶吡啶硝基丙烷硝基丙烷戊烷戊烷丁醇丁醇苯苯spsp2s2pspspIISII UIIZIIY IIX第26页/共45页第25页/共45页26 固定液的选择 固定液的用量 能均匀覆盖担体表面形成薄的液膜为宜； 一般在525之间； 低的固定液配比，柱效能高、分析速度快，但容许的进样量低被分离对象的极性非极性组分极性组分非极性+极性混合物能形成氢键的组分复杂难分离组分固定液的极性非极性固定液极性固定液极性固定液极性或氢键型固定液特殊固定液或几种固定液混合物组分流出顺序沸点小大极性小大非极性低极性高极性组分与固定液形成氢键能力的大小第27页

22、/共45页第26页/共45页27五 气相色谱检测器作用气相色谱检测器的作用是将色谱柱分离后的各组分，按其物理、化学特性转换为易测量的电信号E。分类质量型检测器的响应值与单位时间内进入检测器的组分质量成正比氢火焰离子化检测器、火焰光度检测器浓度型测量的是载气中某组分浓度随时间的变化关系热导池检测器、电子俘获检测器检测器性能指标：灵敏度：输入单位被测组分时所引起的输出信号检测限：检测器能确证反应物质存在的最低试样含量线性范围：信号与被测组分浓度成线性关系的范围其它：噪音低、死体积小、相应快、对所有物质均有相应RSm101A CFSCm1260tCASCm第28页/共45页第27页/共45页28 热

23、导池检测器（TCD） 特点： 结构简单； 灵敏度适中； 稳定性好； 线性范围宽； 对可挥发的无机物和有机物 均有响应。 结构： 单臂与双臂 池体 参比臂 测量臂 热敏元件(钨丝、铂丝或铼斯)第29页/共45页第28页/共45页29热导池检测器的检测原理热导池作为检测器是基于不同的气体或蒸汽具有不同的热导系数说明 热导池检测器操作条件的选择桥路电流 ： 。太大与太小的问题。一般为100200mA。(N2为载气100150、H2为150200) 池体温度 ：增加池体与钨丝的温度差可提高灵敏度。适当低可提高灵敏度，但低于柱温会造成组分冷凝载气 ：载气与试样的热导系数差相差越大，灵敏度越高。故应选与试

24、样热导系数差别大的载气，如H2、He热敏元件电阻值：选阻值高、电阻温度系数大的热敏元件3IS 第30页/共45页第29页/共45页30 氢火焰离子化检测器（FID）特点结构简单；灵敏度高：10-12g/s；响应快；线性范围宽；稳定性好。 氢焰检测器的结构离子室离子头发射极(极化极)收集极喷嘴气体供应 载气用N2、燃气用H2第31页/共45页第30页/共45页31 氢焰检测器的检测原理 微量有机组份在氢火焰（2100度）能源的作用下离子化，并在发射极和收集极的外电场作用下定向运动而形成微弱的电流（10-610-10A）。 估计每50万个碳原子仅产生一对离子。质量型检测器。 离子化产生的离子数目，

25、以及由此形成的微弱电流的大小，在一定范围内与单位时间进入火焰组份的质量成正比(质量型检测器)。 适于对有机物的分析，不适宜于对在火焰中不电离的物质的分析。第32页/共45页第31页/共45页32 氢焰检测器操作条件的选择载气流量用N2为载气，流速通过试验选择氢气流量太高热噪音大、太低离子数目少。N2 : H2一般在1:11:1.5之间空气流速 提供O2助燃太低灵敏度小，H2:空气一般在1:10极化电压 低时，极化电压越大响应值越大； 一般选在100 300V使用温度影响不大，一般为80200第33页/共45页第32页/共45页33色谱检测器氢火焰离子化检测器FID陶瓷检测器，降低峰形脱尾，对极

26、性和高沸点样品提供更准确的结果热导池检测器TCD，灵敏度和稳定性高，线性范围宽PFPF脉冲式火焰光度检测器，特别适用于定量分析TSD，一种最稳定的电热陶瓷检测器，使用寿命长，用于含氮、磷化合物的检测电子俘获检测器ECD，灵敏度和稳定性特高，线性范围更宽第34页/共45页第33页/共45页34六 气相色谱定性方法 色谱定性分析的目的是确定每个色谱峰所代表的组份。与其它仪器分析方法相比，色谱法的定性分析能力较弱。但联用技术的出现使色谱在定性分析方面十分有效。具体方法如下 利用纯物质对照的定性鉴定 通过比较保留值进行定性分析 通过在在同一色谱柱上、在同一条件下测定标准纯物质和样品，如果它们的色谱峰的

27、保留值数据相同，则基本上可确定它们为同一物质（不一定） 利用加入纯物质以增加峰高的定性鉴定法 当相邻两组分的保留值接近，且操作条件不易控制时，可将纯物质加到试样中，如果某一组分的峰高增加，则表示该组分可能与加入的纯物质相同 为了避免这一现象，可再用另一根装填不同极性固定相的色谱柱进样分析（双柱法）第35页/共45页第34页/共45页35 利用文献保留数据的定性鉴定 利用相对保留值的定性鉴定 R21仅与柱温、固定相性质有关，与其它操作条件无关。各种组分在某种固定液中，对某种标准物质的相对保留值，可从文献上查到，将实验测得的相对保留数据与文献记载的相对保留数据对照，可以确定被测组份。在使用文献数据

28、时，要注意使实验测定时使用的固定液及柱温和文献上所记载的保持一致 利用文献保留指数的定性鉴定保留指数（又称Kovats指数），是一种重现性较其他保留数据都好的定性参数，以 I 表示。正构烷烃的保留指数人为地定位它的碳数乘以100 ，待测组分的保留指数则用适当的正构烷烃的保留值来表示1lglg100lglgxZZXXIZXXx第36页/共45页第35页/共45页36第37页/共45页第36页/共45页37与质谱、红外光谱联用的定性鉴定质谱、红外光谱等仪器定性鉴定能力很强，但对于复杂混合物的定性鉴定有困难；而色谱仪分离能力强，能将复杂组分一一分开。通过色谱质谱（GC-MS） 、色谱红外联用，可以解

29、决复杂未知物定性问题第38页/共45页第37页/共45页38七 气相色谱定量方法峰面积的测量 峰高乘半峰宽法（对称峰） 峰高乘平均峰宽法(不对称峰）峰高乘保留时间法(同系物)剪纸称重法自动积分仪和微机的应用0.150.851()2AhYY1/2 A1.065hY1/21/2RRYtAh Yh b t 第39页/共45页第38页/共45页39定量校正因子 质量校正因子摩尔校正因子体积校正因子校正因子的测量方法准确称量被测组分和标准物质，选择合适的重量使两者的峰面积不要相差太大（要尽量使用色谱纯试剂或纯度大于99的纯样品）然后在实验条件下进样分析（注意进样量应在检测器的线性范围之内），测量各峰面积，然后按上述公式计算校正因子，如果几次测量数值接近，可取其平均值( )( )iSimSisf mA mffmAm22.4( )( )22.4iiiSSiiVMSSSiiSSmf Vm A MM Affmf Vm AMM A()()i MSiSSMM