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1、第四章第四章气相色谱法气相色谱法4-14-1 气相色谱法概述气相色谱法概述色谱法是一种分离技术。而且是分离技术中效能最高、色谱法是一种分离技术。而且是分离技术中效能最高、应用最广的一种技术。应用最广的一种技术。色谱法的创始人是俄国植物学家茨维特。因于色谱法的创始人是俄国植物学家茨维特。因于1903年年用于分离植物色素而得名。用于分离植物色素而得名。在色谱法中,将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的在色谱法中,将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相(固体或液体)称为一相(固体或液体)称为固定相固定相 ;自上而下运动的一自上而下运动的一相(一般是气体或液体)称为相(一般是气体或液体)称为流动相流动相
2、;装有固定相的;装有固定相的管子(玻璃管或不锈钢管)称为管子(玻璃管或不锈钢管)称为色谱柱色谱柱 。当流动相中。当流动相中样品混合物经过固定相时,由于各组分在性质和结构样品混合物经过固定相时,由于各组分在性质和结构上的差异,不同组分在固定相滞留时间长短不同,从上的差异,不同组分在固定相滞留时间长短不同,从而按先后不同的次序从固定相中流出。而按先后不同的次序从固定相中流出。 1. 按两相状态分类按两相状态分类气体为流动相的色谱称为气体为流动相的色谱称为气相色谱气相色谱(GC)根据固定相是固体吸附剂还是固定液(附着在惰性载体上根据固定相是固体吸附剂还是固定液(附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体
3、),又可分为的一薄层有机化合物液体),又可分为气固色谱气固色谱(GSC)和和气液色谱气液色谱(GLC)。)。液体为流动相的色谱称液体为流动相的色谱称液相色谱液相色谱(LC)液相色谱亦可分为液相色谱亦可分为液固色谱液固色谱(LSC)和)和液液色谱液液色谱(LLC)。)。超临界流体为流动相的色谱为超临界流体色谱(超临界流体为流动相的色谱为超临界流体色谱(SFC)。)。从不同角度,可将色谱法分类如下:从不同角度,可将色谱法分类如下:2. 按分离机理分类按分离机理分类利用组分在吸附剂(固定相)上的吸附能力强弱不同而得利用组分在吸附剂(固定相)上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法,称为以分离的方法,称为
4、吸附色谱法吸附色谱法。利用组分在固定液(固定相)中溶解度不同而达到分离的利用组分在固定液(固定相)中溶解度不同而达到分离的方法称为方法称为分配色谱法分配色谱法。利用组分在离子交换剂(固定相)上的亲和力大小不同而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,称为达到分离的方法,称为离子交换色谱法离子交换色谱法。3. 按固定相使用的形式分类按固定相使用的形式分类固定相装于柱内的色谱法,称为固定相装于柱内的色谱法,称为填充柱色谱填充柱色谱。固定相呈平板状的色谱,称为固定相呈平板状的色谱,称为平板色谱平板色谱,它又可分为薄层色,它又可分为薄层色谱和纸色谱。谱和纸色谱。 123456
5、78气相色谱法用于分离分析样品的基本过程如下图:气相色谱法用于分离分析样品的基本过程如下图:气相色谱过程示意图气相色谱过程示意图由高压钢瓶由高压钢瓶1供给的流动相载气。经减压阀供给的流动相载气。经减压阀2、净化器、净化器3、流量调节器流量调节器4和转子流速计和转子流速计5后,以稳定的压力恒定的流后,以稳定的压力恒定的流速连续流过气化室速连续流过气化室6、色谱柱、色谱柱7、检测器、检测器8,最后放空。,最后放空。 气相色谱流程气相色谱流程11. 气路系统气路系统 气相色谱仪具有一个让载气(流动相)连续运行、气相色谱仪具有一个让载气(流动相)连续运行、管路密闭的气路系统。通过该系统,可以获得管路密
6、闭的气路系统。通过该系统,可以获得纯净的、纯净的、流速稳定流速稳定的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性,对色谱结果均有很大的影响。及测量流量的准确性,对色谱结果均有很大的影响。 常用的载气有氮气和氢气,也有用氦气、氩气和常用的载气有氮气和氢气,也有用氦气、氩气和空气。流速的调节和稳定是通过减压阀、稳压阀和针空气。流速的调节和稳定是通过减压阀、稳压阀和针形阀串联使用后达到。形阀串联使用后达到。 气相色谱仪的结构气相色谱仪的结构 气相色谱仪由五大系统组成:气路系统、进样系统、气相色谱仪由五大系统组成:气路系统、进样系统、分离系统、控温系统以
7、及检测和记录系统。分离系统、控温系统以及检测和记录系统。2. 进样系统进样系统 进样系统的作用是将液体或固体试样,在进入色进样系统的作用是将液体或固体试样,在进入色谱柱之前瞬间气化,然后快速定量地转入到色谱柱中。谱柱之前瞬间气化,然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的大小,进样时间的长短,试样的气化速度等都进样的大小,进样时间的长短,试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。(1 1)进样器)进样器 液体样品的进样一般采用微量注射器。液体样品的进样一般采用微量注射器。 气体样品的进样常用色谱仪本身配置定量进样。气体样品的进样
8、常用色谱仪本身配置定量进样。(2 2)气化室)气化室 为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解,因此为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解,因此要求气化室热容量大,无催化效应。要求气化室热容量大,无催化效应。3. 分离系统分离系统 分离系统由色谱柱组成。有填充柱和毛细管柱两类。分离系统由色谱柱组成。有填充柱和毛细管柱两类。(1)填充柱由不锈钢或玻璃材料制成,内装固定相,一)填充柱由不锈钢或玻璃材料制成,内装固定相,一般内径为般内径为2 4mm,长,长1 3 m。填充柱的形状有。填充柱的形状有U型和螺型和螺旋型二种。旋型二种。 (2)毛细管柱分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。)毛细管柱分为涂壁、多孔层和
9、涂载体空心柱。 空空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.2 0.5mm,长度长度30 300m,呈螺旋型。,呈螺旋型。 色谱柱的分离效果除与柱长、柱径和柱形有关外,还色谱柱的分离效果除与柱长、柱径和柱形有关外,还与所选用的固定相和柱填料的制备技术以及操作条件等与所选用的固定相和柱填料的制备技术以及操作条件等许多因素有关。许多因素有关。4. 控制温度系统控制温度系统 温度直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵温度直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要制对色谱柱炉、气敏度和稳定性。控制温度主要制对色谱柱炉、气化室、检测室的温度控制。
10、色谱柱的温度控制方化室、检测室的温度控制。色谱柱的温度控制方式有式有恒温恒温和和程序升温程序升温二种。二种。5.5.检测和放大记录系统检测和放大记录系统(1)检测系统)检测系统 浓度型检测器浓度型检测器 测量的是载气中组分浓度的瞬间变测量的是载气中组分浓度的瞬间变化,即检测器的响应值正比于组分的浓度。如热导检测化,即检测器的响应值正比于组分的浓度。如热导检测器(器(TCD)、电子捕获检测器()、电子捕获检测器(ECD)。)。 质量型检测器质量型检测器 测量的是载气中所携带的样品进入测量的是载气中所携带的样品进入检测器的速度变化,即检测器的响应信号正比于单位时检测器的速度变化,即检测器的响应信号
11、正比于单位时间内组分进入检测器的质量。如氢焰离子化检测器(间内组分进入检测器的质量。如氢焰离子化检测器(FID)和火焰光度检测器(和火焰光度检测器(FPD)。)。(2)记录系统)记录系统 是一种能自动记录由检测器输出的电信号的装置。是一种能自动记录由检测器输出的电信号的装置。1 1). .热导池检测器(热导池检测器(TCDTCD) 热导池检测器是一种结构简单,性能稳定,线热导池检测器是一种结构简单,性能稳定,线性范围宽,对性范围宽,对无机、有机物质无机、有机物质都有响应,灵敏度适都有响应,灵敏度适中的检测器。中的检测器。 热导池检测器是根据各种物质和载气的导热系热导池检测器是根据各种物质和载气
12、的导热系数不同,采用热敏元件进行检测的。数不同,采用热敏元件进行检测的。通常载气与样品的导热系数相差越大,灵敏度通常载气与样品的导热系数相差越大,灵敏度越高。越高。常用载气的导热系数大小顺序为常用载气的导热系数大小顺序为H2 He N2。因此在使用热导池检测器时,为了提高灵敏度,。因此在使用热导池检测器时,为了提高灵敏度,一般选用一般选用H2为载气。为载气。2 2). . 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器 氢火焰离子化检测器(氢火焰离子化检测器(FIDFID)简称氢焰检测)简称氢焰检测器。它具有器。它具有结构简单,灵敏度高,死体积小,结构简单,灵敏度高,死体积小,响应快,稳定性好的特点。它
13、响应快,稳定性好的特点。它仅对含碳有机化仅对含碳有机化合物合物有响应。有响应。 氢焰检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作氢焰检测器是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源,利用含碳化合物在火焰中燃烧产生离为能源,利用含碳化合物在火焰中燃烧产生离子,在外加的电场作用下,使离子形成离子流,子,在外加的电场作用下,使离子形成离子流,根据离子流产生的电信号强度,检测被色谱柱根据离子流产生的电信号强度,检测被色谱柱分离出的组分。分离出的组分。3 3). . 电子捕获检测器电子捕获检测器 电子捕获检测器(电子捕获检测器(ECDECD)在应用上仅次于热导)在应用上仅次于热导池和氢火焰的检测器。池和氢火焰的检测器。它只它
14、只对具有电负性的物质对具有电负性的物质,如含有卤素、硫、磷、氮的物质有响应。如含有卤素、硫、磷、氮的物质有响应。 电子捕获检测器是一个具有高灵敏度和高选择电子捕获检测器是一个具有高灵敏度和高选择性的检测器,它经常用来分析性的检测器,它经常用来分析痕量的具有电负性痕量的具有电负性元素的组分元素的组分,如食品、农副产品的农药残留量,如食品、农副产品的农药残留量,大气、水中的痕量污染物等,电子捕获检测器是大气、水中的痕量污染物等,电子捕获检测器是浓度型检测器,其线性范围较窄。浓度型检测器,其线性范围较窄。 4 4). . 火焰光度检测器火焰光度检测器 火焰光度检测器(火焰光度检测器(FPD)又叫硫磷
15、检测器。)又叫硫磷检测器。它是一种对含它是一种对含硫、磷的有机化合物硫、磷的有机化合物具有高选择具有高选择性和高灵敏度的检测器。性和高灵敏度的检测器。检测器主要由火焰喷嘴、滤光片、光电倍检测器主要由火焰喷嘴、滤光片、光电倍增管构成。增管构成。 根据硫、磷化合物在富氢火焰中燃烧时,根据硫、磷化合物在富氢火焰中燃烧时,生成化学发光物质,并能发射出特征频率的光,生成化学发光物质,并能发射出特征频率的光,记录这些特征光谱,即可检测硫、磷化合物。记录这些特征光谱,即可检测硫、磷化合物。v视频:气相色谱仪二、二、 常见气相色谱仪的操作常见气相色谱仪的操作4-2 色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语
16、 色谱流出曲线色谱流出曲线和色谱峰色谱流出曲线色谱流出曲线和色谱峰2.基线(基线(a)在实验操作条件下,当不含组分在实验操作条件下,当不含组分的载气进入检测器时,所流出的曲线称为的载气进入检测器时,所流出的曲线称为基线,稳定的基线应该是一条水平直线。基线,稳定的基线应该是一条水平直线。v峰高(峰高(h)信号信号进样进样 空气峰空气峰色谱峰色谱峰ha 1 .色谱流出曲线和色谱峰色谱流出曲线和色谱峰1. 死时间死时间tM 3 保留值保留值tM信号进样从进样开始到柱后出现电信号最大值时所需从进样开始到柱后出现电信号最大值时所需要的时间,如图要的时间,如图 信号进样tR 3. 调整保留时间调整保留时间
17、tR 某组分的保留时间扣除死时间后,称为该组分的调某组分的保留时间扣除死时间后,称为该组分的调整保留时间,即整保留时间,即 tR = tR tM 2. 保留时间保留时间tR 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间,试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间,称为保留时间,如下图。称为保留时间,如下图。5. 保留体积保留体积VR 指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系:时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系: VR= tRFco4. 死体积死体积VM 指色谱柱在填充后,柱管内固定相颗粒间所剩留
18、指色谱柱在填充后,柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间、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。当后两相很小可忽略不计时,死体积的空间的总和。当后两相很小可忽略不计时,死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速可由死时间与色谱柱出口的载气流速Fco(cm3min-1)计算。计算。 VM = tMFco7. 相对保留值相对保留值r2,1 某组分某组分2的调整保留值与组分的调整保留值与组分1的调整保留值之比,的调整保留值之比,称为相对保留值。称为相对保留值。 r21= tR2 / tR1 = VR(2) / VR1 由于相对保留值由于相对保留值只与柱
19、温及固定相性质只与柱温及固定相性质有关,而与有关,而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关,因此,它在柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关,因此,它在色谱法中,特别是在气相色谱法中,广泛用作色谱法中,特别是在气相色谱法中,广泛用作定性定性的依的依据。据。6. 调整保留体积调整保留体积Vr 某组分的保留体积扣除死体积后,称为该组分的某组分的保留体积扣除死体积后,称为该组分的调整保留体积。调整保留体积。 VR = VR VM = tR Fco色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一,色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一,用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。用于衡量柱效率及反映
20、色谱操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法。1. 标准偏差标准偏差 即即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。倍峰高处色谱峰宽的一半。P123 EF2. 半峰宽半峰宽W1/2 GH 即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为 W1/2=2.35 3. 峰底宽度峰底宽度W IJ 即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。它与标准偏差距离。它与标准偏差 的关系是的关系是 W = 4 4 区域宽度区域宽度从色谱流出曲线中,可得许多重要信息:从色谱流出曲线中,可得许多
21、重要信息:(i) 根据色谱峰的个数,可以判断样品中所含组分的根据色谱峰的个数,可以判断样品中所含组分的最少个数;最少个数;(ii) 根据色谱峰的保留值,可以进行定性分析;根据色谱峰的保留值,可以进行定性分析;(iii) 根据色谱峰的面积或峰高,可以进行定量分析;根据色谱峰的面积或峰高,可以进行定量分析;(iv) 色谱峰的保留值及其区域宽度,是评价色谱柱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;分离效能的依据;(v) 色谱峰两峰间的距离,是评价固定相(或流动相)色谱峰两峰间的距离,是评价固定相(或流动相)选择是否合适的依据。选择是否合适的依据。4-3色谱定性和定量分析色谱定性和定量
22、分析v一一 、色谱的定性分析、色谱的定性分析v由于各种物质在一定的色谱条件下均有确定由于各种物质在一定的色谱条件下均有确定的保留值,因此保留值可作为一种定性指标。的保留值,因此保留值可作为一种定性指标。目前各种色谱定性方法都是基于保留值的。目前各种色谱定性方法都是基于保留值的。 v(一)利用纯物质对照定性(一)利用纯物质对照定性v 只适用于组分性质已有所了解,组成只适用于组分性质已有所了解,组成比较简单,且有纯物质的未知物。比较简单,且有纯物质的未知物。(二)相对保留值法(二)相对保留值法(三)保留指数定性法(三)保留指数定性法 保留指数又称为柯瓦(保留指数又称为柯瓦(KovtsKovts)指
23、数,它表示物)指数,它表示物质在固定液上的保留行为,是目前使用最广泛并被国际质在固定液上的保留行为,是目前使用最广泛并被国际上公认的定性指标。它具有重现性好、标准统一及温度上公认的定性指标。它具有重现性好、标准统一及温度系数小等优点。系数小等优点。 保留指数也是一种相对保留值,它是把正构烷烃中某两保留指数也是一种相对保留值,它是把正构烷烃中某两个组分的调整保留值的对数作为相对的尺度,并假定正个组分的调整保留值的对数作为相对的尺度,并假定正构烷烃的保留指数为构烷烃的保留指数为n n 100100。被测物的保留指数值可用。被测物的保留指数值可用内插法计算。内插法计算。)lglglglg(1001Z
24、XXXXIZZZi二、定量分析二、定量分析 定量分析的任务是求出混合样品中各组分的百分含定量分析的任务是求出混合样品中各组分的百分含量。色谱定量的依据是,当操作条件一致时,被测组分量。色谱定量的依据是,当操作条件一致时,被测组分的质量(或浓度)与检测器给出的响应信号成正比。即:的质量(或浓度)与检测器给出的响应信号成正比。即: iiiAfm 式中式中m mi为被测组分为被测组分i i的质量;的质量; Ai为被测组分为被测组分i i的峰面的峰面积;积; fi为被测组分为被测组分i i的校正因子。的校正因子。(一)峰面积测量方法(一)峰面积测量方法 峰面积是色谱图提供的基本定量数据,峰面积测峰面积
25、是色谱图提供的基本定量数据,峰面积测量的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱量的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法。峰采用不同的测量方法。(1 1)对称形峰面积的测量)对称形峰面积的测量 峰高乘以半峰宽法峰高乘以半峰宽法 对称峰的面积对称峰的面积 A = 1.065 A = 1.065 h h 1/2(2 2)不)不对称形峰面积的测量对称形峰面积的测量 峰高乘平均峰宽法峰高乘平均峰宽法 对于不对称峰的测量如仍用峰高乘以半峰宽,误差对于不对称峰的测量如仍用峰高乘以半峰宽,误差就较大,因此采用峰高乘平均峰宽法。就较大,因此采用峰高乘平均峰宽法。A = 1/2
26、h(Y0.15 + Y0.85)式中式中W0.15 和和 W0.85分别为峰高分别为峰高0.15倍和倍和0.85倍处的峰宽。倍处的峰宽。(3 3)峰高乘峰底宽度法峰高乘峰底宽度法(4 4)峰高乘保留值法峰高乘保留值法 A=A=h h tR(二)定量校正因子(二)定量校正因子 色谱定量分析的依据是色谱定量分析的依据是被测组分的量与其被测组分的量与其峰面积成正比峰面积成正比。但是。但是峰面积的大小不仅取决于峰面积的大小不仅取决于组分的质量,而且还与它的性质有关组分的质量,而且还与它的性质有关。即当两。即当两个质量相同的不同组分在相同条件下使用同一个质量相同的不同组分在相同条件下使用同一检测器进行测
27、定时,所得的峰面积却不相同。检测器进行测定时,所得的峰面积却不相同。为了使峰面积能真实反映出物质的质量,就要为了使峰面积能真实反映出物质的质量,就要对峰面积进行校正,即在定量计算是引入校正对峰面积进行校正,即在定量计算是引入校正因子。因子。校正因子分为绝对校正因子和相对校正因校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。子。 fi = mi / Ai fi = fi / fs fi称为组分的绝对质量校正因子称为组分的绝对质量校正因子; ; fs 称为标准物的绝对质量校正因称为标准物的绝对质量校正因子子1质量校正因子质量校正因子fm fm =(mi /Ai)/(ms/As)=(mi / ms) (As
28、 / Ai )2摩尔校正因子摩尔校正因子fM 3体积校正因子体积校正因子Fv4相对响应值相对响应值s (检测器对组分的相对灵敏度)(检测器对组分的相对灵敏度) 常用的标准物质,对热导检测器(常用的标准物质,对热导检测器(TCD)是苯,对氢)是苯,对氢焰检测器(焰检测器(FID)是正庚烷。)是正庚烷。 测定测定相对校正因子最好是用色谱纯试剂。若无纯品,相对校正因子最好是用色谱纯试剂。若无纯品,也要确知该物质的百分含量。测定时首先准确称量标准也要确知该物质的百分含量。测定时首先准确称量标准物质和待测物,然后将它们混合均匀进样,分别测出其物质和待测物,然后将它们混合均匀进样,分别测出其峰面积,再进行
29、计算。峰面积,再进行计算。(三)定量计算方法(三)定量计算方法1. 1. 归一化法归一化法 把所有出峰组分的含量之和按把所有出峰组分的含量之和按100%100%计的计的定量方法称为归一化法。各组分的质量分为:定量方法称为归一化法。各组分的质量分为:m m1 1m m2 2m m33m mn n, ,总质量为总质量为m m。其计算公式如下:其计算公式如下: Pi % = (mi / m) 100% = Aif i / (A1f 1 + A2f 2 + +Anf n) 100% 式中式中Pi %为被测组分为被测组分i的百分含量;的百分含量; A1、A2 An为组分为组分1 n的峰面积;的峰面积;f
30、 1、f 2 f n为组分为组分1 n的的相对校正因子。相对校正因子。2. 2. 内标法内标法 当样品各组分不能全部从色谱柱流出,或有当样品各组分不能全部从色谱柱流出,或有些组分在检测器上无信号,或只需对样品中某几些组分在检测器上无信号,或只需对样品中某几个出现色谱峰的组分进行定量时可采用内标法。个出现色谱峰的组分进行定量时可采用内标法。 所谓内标法,是将所谓内标法,是将一定量一定量 的纯物质作为内的纯物质作为内标物加入到标物加入到准确称量的试样准确称量的试样 中,根据试样中,根据试样m m和内和内标物的质量标物的质量m ms以及被测组分以及被测组分m mi i和内标物和内标物m ms的峰面的
31、峰面积可求出被测组分的含量。积可求出被测组分的含量。 由于被测组分与内标物质量之比等于峰面积由于被测组分与内标物质量之比等于峰面积之比,即之比,即mi / ms =Aif i / Asf s 被测组分的质量分数被测组分的质量分数wi为:为:wi=mi/m100内标法的关键是选择合适的内标物,它必须符内标法的关键是选择合适的内标物,它必须符合下列条件:合下列条件: (1 1)内标物应是试样中原来不存在的纯物质,内标物应是试样中原来不存在的纯物质,性质与被测物相近,能完全溶解于样品中,但性质与被测物相近,能完全溶解于样品中,但不能与样品发生化学反应。不能与样品发生化学反应。 (2 2)内标物的峰位
32、置应尽量靠近被测组分的内标物的峰位置应尽量靠近被测组分的峰,或位于几个被测物之峰的中间并与这些色峰,或位于几个被测物之峰的中间并与这些色谱峰完全分离。谱峰完全分离。(3 3)内标物的质量应与被测物质的质量接近,内标物的质量应与被测物质的质量接近,能保持色能保持色 谱峰大小差不多谱峰大小差不多(3 3)外标法)外标法 外标法实际上就是常用的标准曲线法。首先外标法实际上就是常用的标准曲线法。首先用纯物质配制一系列不同浓度的标准试样,在一用纯物质配制一系列不同浓度的标准试样,在一定的色谱条件下准确定量进样,测量峰面积(或定的色谱条件下准确定量进样,测量峰面积(或峰高),绘制标准曲线。进样品测定时,要
33、在与峰高),绘制标准曲线。进样品测定时,要在与绘制标准曲线完全相同的色谱条件下准确进样,绘制标准曲线完全相同的色谱条件下准确进样,根据所得的峰面积(或峰高),从曲线查出被测根据所得的峰面积(或峰高),从曲线查出被测组分的含量。组分的含量。4-4 4-4 气相色谱的分析理论基础气相色谱的分析理论基础色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离,组分要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距离是由组分在两相间的分配系数分配系数决定的,即与色谱决定的,即与色谱过程的热力学性质有关。过程
34、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在色谱柱中传质和扩散行为传质和扩散行为决定的,即与色谱过程的决定的,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。来研究色谱行为。 分配系数是指在一定温度和压力下,组分在固定相和流分配系数是指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,即动相之间分配达平衡时的浓度之比值,即 K=组分在
35、固定相中的浓度组分在固定相中的浓度 / 组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度(一)分配系数(一)分配系数K K和分配比和分配比k kmsccK 1. 分配系数分配系数K 吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附-脱附过程。脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述。分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的,它仅分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的,它仅与与固定相和温度固定相和温度两个变量有关。与两相体积、柱管的特两个变量有关。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。性以及所使用的仪器无关。
36、2.分配比分配比 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。即质量比。即 k = 组分在固定相中的质量组分在固定相中的质量 / 组分在流动相中的质量组分在流动相中的质量 k= ms / mmk值是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。值是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。它不仅随柱温、柱压变化而变化,而且还与流动相及它不仅随柱温、柱压变化而变化,而且还与流动相及固定相的体积有关。固定相的体积有关。 k = ms / mM =
37、CsVS / CmVm 4. 分配系数分配系数K与分配比与分配比 k 的关系的关系 K =Cs/ Cm = msVm / mm VS =k . 其中其中称为相比称为相比 (二)二)塔板理论塔板理论4. 分配系数在所有塔板上是常数,与组分在某一塔板上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。的量无关。塔板理论假设:塔板理论假设:1. 在柱内一小段长度在柱内一小段长度H内,组分可以在两相间迅速达到内,组分可以在两相间迅速达到平平 衡。这一小段柱长称为理论塔板高度衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。2. 载气进入色谱柱不是连续进行的,而是脉动式,每次载气进入色谱柱不是连续进行的,而是脉
38、动式,每次进气为一个塔板体积进气为一个塔板体积。3. 所有组分开始时存在于第所有组分开始时存在于第0号塔板上,而且试样沿轴号塔板上,而且试样沿轴(纵)向扩散可忽略。(纵)向扩散可忽略。 n = L / H n称为理论塔板数。与精馏塔一样,色谱柱的柱效随称为理论塔板数。与精馏塔一样,色谱柱的柱效随理论塔板数理论塔板数n的增加而增加,随板高的增加而增加,随板高H的增大而减小。的增大而减小。 第一,理论塔板数第一,理论塔板数n大于大于50时,可得到基本对称的峰形时,可得到基本对称的峰形曲线。在曲线。在气相色谱柱的气相色谱柱的n约为约为103 106 ,因而这时的流出曲,因而这时的流出曲线可趋近于正态
39、分布曲线。线可趋近于正态分布曲线。 第二,当样品进入色谱柱后,只要各组分在两相间的分第二,当样品进入色谱柱后,只要各组分在两相间的分配系数有微小差异,仍可获得良好的分离。配系数有微小差异,仍可获得良好的分离。 第三,第三,n与半峰宽及峰底宽的关系式为:与半峰宽及峰底宽的关系式为: n = 5.54(tR / Y1/2)2 = 16 (tR / Y)2 式中式中tR 与与Y1/2 ( Y )应采用同一单位(时间或距离)。从公式应采用同一单位(时间或距离)。从公式可以看出,在可以看出,在tR 一定时,如果色谱峰很窄,则说明一定时,如果色谱峰很窄,则说明n越大,越大,H越小,柱效能越高。越小,柱效能
40、越高。 塔板理论小结:塔板理论小结:n有效有效= 5.54(tR / Y1/2)2 = 16 ( tR / Y)2 有效板高有效板高 : H有效有效 = L / n有效有效例例 已知某组分峰的峰底宽为已知某组分峰的峰底宽为40 s,保留时间为,保留时间为400 s ,计,计算此色谱柱的理论塔板数。算此色谱柱的理论塔板数。 解:解: n = 16 ( tR / Y)2 = 16 (400 / 40)2 = 1600 块块1956年荷兰学者年荷兰学者van Deemter(范第姆特)等在研究气液(范第姆特)等在研究气液色谱时,提出了色谱过程动力学理论色谱时,提出了色谱过程动力学理论速率理论。他速率
41、理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念,并充分考虑了组分在们吸收了塔板理论中板高的概念,并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程,从而在动力学基础上较好地两相间的扩散和传质过程,从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。色谱都适用。 van Deemter方程的数学简化式为方程的数学简化式为 H = A + B / u + C u 式中式中u为流动相的线速度;为流动相的线速度;A、B、C、为常数,分别代、为常数,分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项
42、系数。 (三)速率理论(三)速率理论2021-12-28A涡流扩散项涡流扩散项 A = 2dp dp:固定相的平均颗粒直径:固定相的平均颗粒直径:固定相的填充不均匀因子:固定相的填充不均匀因子产生原因:产生原因:载气携样品进柱,遇到来自固定相颗粒载气携样品进柱,遇到来自固定相颗粒 的阻力的阻力路径不同路径不同涡流扩散涡流扩散流动方向不断地改变,流动方向不断地改变,因而形成紊乱的类似因而形成紊乱的类似涡流的流动。涡流的流动。2021-12-28 也就是说:也就是说:固定相颗粒越小固定相颗粒越小dp,填充的越均匀,填充的越均匀,A,H,柱效柱效n。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻,色。表现
43、在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻,色谱峰较窄。谱峰较窄。柱效,nHAdp柱效,nHAdp注意:注意:颗粒太小,柱压过高且不易填充均匀颗粒太小,柱压过高且不易填充均匀 填充柱填充柱60100目目 空心毛细管柱(空心毛细管柱(0.10.5mm),),A=0,n理理较高较高2021-12-28B/u 分子扩散项分子扩散项 B = 2 Dg :弯曲因子,填充柱色谱,弯曲因子,填充柱色谱,1。 Dg :试样组分分子在气相中的扩散系数(:试样组分分子在气相中的扩散系数(cm2s-1)小结:小结: (1) 存在着浓度差,产生纵向扩散存在着浓度差,产生纵向扩散; (2) 扩散导致色谱峰变宽,扩散导致色谱峰
44、变宽,H(n),分离变差,分离变差; (3) 扩散系数:扩散系数:Dg (M载气载气)-1/2 ; M载气载气,B值值。 (4) 分子扩散项与流速有关,流速分子扩散项与流速有关,流速,滞留时间,滞留时间,扩散,扩散;产生原因:产生原因: 峰在固定相中被流动相峰在固定相中被流动相推动向前、展开推动向前、展开两边浓度差。两边浓度差。2021-12-28 为降低纵向扩散,宜选用分子量较大的载气、较为降低纵向扩散,宜选用分子量较大的载气、较高线速度和较低的柱温。高线速度和较低的柱温。选择载气原则:选择载气原则:兼顾分析时间和减小纵向扩散兼顾分析时间和减小纵向扩散 ,u 较小时,选较小时,选M 较大的较
45、大的N2气(粘度大)气(粘度大) u 较大时,选较大时,选M较小的较小的 H2气,气,He气(粘度小)。气(粘度小)。二二 色谱色谱分离条件的选择分离条件的选择 分离度分离度色谱色谱分离基本方程式分离基本方程式 分离操作条件的选择分离操作条件的选择分离度分离度R是一个综合性指标。是一个综合性指标。分离度是既能反映柱效率又能反映选择性分离度是既能反映柱效率又能反映选择性的指标,称总分离效能指标。的指标,称总分离效能指标。 R = 2 (tR2 - tR1) / Y1 +Y2 R值越大,表明相邻两组分分离越好。值越大,表明相邻两组分分离越好。当当R1时,两峰有部分重叠;时,两峰有部分重叠;当当R=
46、1时,分离程度可达时,分离程度可达98%;当当R=1.5时,分离程度可达时,分离程度可达99.7%。令Y (2)=Y(1)=w,并用r1,2=tR(1)/tR(2)(相邻两峰的峰底宽近似相等),引入相对保留值和塔板数,可导出下式: )1(42, 12, 1rrnR有效(2) 分离度与柱效的关系分离度与柱效的关系有效)()1(R2162,12,1HrrL思考题:用一根柱度为思考题:用一根柱度为1m的色谱柱分离的色谱柱分离A、B两组两组分的混合物,它们的保留时间分别为分的混合物,它们的保留时间分别为14.4min、 15.4min,,其峰底宽,其峰底宽Y分别为分别为1.07min、 1.16min
47、, 色谱柱的死时间为色谱柱的死时间为4.2min, 试计算试计算(1)谱峰的理论塔板数;)谱峰的理论塔板数;(2)分离度)分离度R;(3)达到分离度)达到分离度1.5时所需的柱长;时所需的柱长; 分离操作条件的选择分离操作条件的选择 在气相色谱中,选择分离的最佳条件,可提高柱效能,在气相色谱中,选择分离的最佳条件,可提高柱效能,增大分离度,满足分离的需要。增大分离度,满足分离的需要。一、载气及其线速的选择一、载气及其线速的选择 根据根据van Deemter方程的数学简化式为方程的数学简化式为 H = A + B / u + C u 最佳条件CuAB /u塔板高度与载气流速的关系塔板高度与载气
48、流速的关系HBC2A最小H通过通过H = A + B / u + C u进行微分后求得进行微分后求得。二、柱温的选择二、柱温的选择 柱温是一个重要的色谱操作参数,它直接影响分离柱温是一个重要的色谱操作参数,它直接影响分离效能和分析速度。效能和分析速度。 柱温不能高于固定液的最高使用温度,否则会造成柱温不能高于固定液的最高使用温度,否则会造成固定液大量挥发流失。固定液大量挥发流失。 降低柱温可使色谱柱的选择性增大,但升高柱温可降低柱温可使色谱柱的选择性增大,但升高柱温可以缩短分析时间,并且可以改善气相和液相的传质速率,以缩短分析时间,并且可以改善气相和液相的传质速率,有利于提高效能。有利于提高效
49、能。 在实际工作中,一般根据试样的沸点选择柱温、固在实际工作中,一般根据试样的沸点选择柱温、固定液用量及载体的种类。对于宽沸程混合物,定液用量及载体的种类。对于宽沸程混合物,一般采用程序升温法进行。一般采用程序升温法进行。 三、固定液的性质和用量三、固定液的性质和用量一般用一般用5:10025:100四、担体的性质和粒度四、担体的性质和粒度要求担体表面积大,表面和孔径分布均匀。要求担体表面积大,表面和孔径分布均匀。对对36mm内径的色谱柱,用内径的色谱柱,用6080目为宜。目为宜。五、进样时间和进样量五、进样时间和进样量 进样速度必须很快,一般地,进样时间应在进样速度必须很快,一般地,进样时间
50、应在1s以内。以内。 色谱柱有效分离试样量,随柱内径、柱长及色谱柱有效分离试样量,随柱内径、柱长及固定液用量不同而异。固定液用量不同而异。液体试样一般进样液体试样一般进样0.15微升,气体试样一微升,气体试样一般进样般进样0.110毫升。毫升。气相色谱固定相及选择气相色谱固定相及选择气相色谱固定相可分为液体固定相和固体固定相两类气相色谱固定相可分为液体固定相和固体固定相两类。一、气固色谱固定相一、气固色谱固定相 用气相色谱分析永久性气体及气态烃时,常采用固体用气相色谱分析永久性气体及气态烃时,常采用固体吸附剂作固定相。在固体吸附剂上,永久性气体及气态吸附剂作固定相。在固体吸附剂上,永久性气体及
51、气态烃的吸附热差别较大,故可以得到满意的分离。烃的吸附热差别较大,故可以得到满意的分离。1.1.常用的固体吸附剂常用的固体吸附剂 主要有强极性的硅胶,弱极性的氧化铝,非极性的活主要有强极性的硅胶,弱极性的氧化铝,非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。性炭和特殊作用的分子筛等。2.2.人工合成的固定相人工合成的固定相 作为有机固定相的高分子多孔微球是人工合成的多作为有机固定相的高分子多孔微球是人工合成的多孔共聚物,它既是载体又起固定相的作用,可在活化后孔共聚物,它既是载体又起固定相的作用,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直接用于分离,也可作为载体在其表面涂渍固定液后再使用
52、。使用。高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析,高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析,也可用于多元醇、脂肪酸、腈类和胺类的分析。也可用于多元醇、脂肪酸、腈类和胺类的分析。 高分子多孔微球分为极性和非极性两种:高分子多孔微球分为极性和非极性两种:(1)非极性的是由苯乙烯、二乙烯苯共聚而成。)非极性的是由苯乙烯、二乙烯苯共聚而成。(2)极性的是苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入极性基团)极性的是苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入极性基团一、液体固定相一、液体固定相 液体固定相是将固定液均匀涂渍在载体而成。液体固定相是将固定液均匀涂渍在载体而成。(一)固定液(一)固定液 1. 1. 对固定液的要求对固定液的要求 固定液一般为高沸点的有机物,能做固定固定液一般为高沸点的有机物,能做固定相的有机物必须具备下列条件:相的有机物必须具备下列条件: 第一,热稳定性好,在操作温度下,不发生聚合、第一,热稳定性好,在操作温度下,不发生聚合、 分解或交联等现象,且有较低的蒸汽压,以免固定分解或交联等现象,且有较低的蒸汽压,以免固定液流失。通常,固定液有一个液流失。通常,固定液有一个“最高使用温度最高使用温度”
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