气相色谱仪分.ppt

1、A,1,第5章 气相色谱分析,第一节 气相色谱法的分类 和一般流程,一、分类 气相色谱-是用气体作为流动相的层析法。 根据固定相状态的不同,目前，大部分气相色谱是以液体为固定相的气液色谱。,二、气相色谱法的特点： 高效能：n可达105106 高选择性：特别复杂试样 高灵敏度：可以检测10111013g物质 分析速度快、操作简单：色谱操作及数据处理自动化 应用广泛：气体和易挥发或可衍生化为气体,GC-7890气相色谱仪,GC-7890气相色谱仪,外观,内部结构,载气系统,进样系统,色谱柱,检测器,记录系统,三、气相色谱法的一般流程,气相色谱分析流程示意图 1 载气钢瓶； 2 减压阀； 3 净化干

2、燥管； 4 针形阀； 5 流量计； 6 压力表； 7 进样器； 8 色谱柱； 9 检测器； 10 - 放大器； 11 记录仪； 12 - 温控器； 13 - 尾气出口,气-固色谱,固定相：多孔性及较大表面积的吸附剂。 反复的物理吸附-解吸附过程。 各组分吸附能力不同而进行分离。 吸附力小的组分先离开色谱柱。,第二节 气相色谱法理论基础,一、分离原理,气-液色谱分离原理,固定相：在化学惰性的固体微粒(用来支撑固定液的，称为担体)表面，涂上一层高沸点有机化合物的液膜。（固定液） 各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同 。 反复的溶解、挥发过程。 溶解度小的组分先离开色谱柱。,气-液色谱分离

3、原理,两相分配,迁移,平衡,各组分在固定液中溶解能力不同,溶解度大难挥发柱中停留时间长向前移动慢,分配系数: 固、流 两相浓度之比,物质在固定相和流动相之间发生的吸附、解吸附和溶解、挥发的过程称为分配过程。 分配系数K 在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度值比称为分配系数K。,一定温度下，各物质在两相之间的分配系数是不同的。气相色谱的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数。,容量因子（容量比，分配比）k： 指在一定温度和压力下，组分在色谱柱中达分配平衡时，在固定相与流动相中的质量比更易测定.,二、色谱柱 形状有：螺旋形、 U形 材料有：玻璃、不锈钢等 色谱柱有两种：,色谱图

4、界面,2.1 气相色谱图和有关概念,基线,在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线。只有载气通过时的信号，反映检测器系统噪声随时间变化的曲线。 稳定的基线应是一条平行于时间轴的直线。,色谱峰,是色谱图上的突起部分， 即组分流经检测器所产生的信号。,保留值：以时间表示,从进样到检测到信号极大,死时间(tM),或流动相充满柱内空隙体积占据的空间所需要的时间，又称流动相保留时间,L：色谱柱长，cm； u ：载气线速度，cm/s,保留值：以体积表示,调整保留体积 VR,Fc:载气的体积流速(ml/min),区域宽度,半峰宽Y1/2,峰高1/2处的峰宽,峰(底)宽Y,自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的

5、截距,标准偏差(),0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半,定量参数 峰高（h)：组分在柱后出现浓度极大时的检测信号，即色谱峰顶至基线的距离。 峰面积(A)：色谱曲线与基线间包围的面积。,返回,分离参数, 分离因子()：即相邻两个组分调整保留值之比，又称为分配系数比或选择性系数比。, 分离度 (Rs)：相邻两个组分的色谱峰，其保留时间差与两峰峰底宽平均值之商。,基线,空气峰、组分峰,死时间tM,保留时间tR 、调整保留时间tR 、相对保留时间r21,峰高h,半峰宽Y1/2,峰底宽Y,色谱图（链接）,峰面积,分离度R,根据色谱图可得到以下信息:,1. 样品是否是纯化合物； 2. 色谱柱效和分离情况；

6、 3. 提供色谱定性的资料和依据； 4.色谱图给出的各组分的峰高和峰面积是定量测定的依据。,例题,一个气相色谱柱，由固定液的涂量及固定液在柱温下的密度计算得Vs14.1mL，载气流速为43.75mL/min。分离一个含A、B、C三组分的样品，测得组分保留时间分别为1.41min、2.67min、4.18min、空气为0.24min。试计算：死体积；各组分的调整保留时间；相邻两组分的分离因子。 解：已知Fc 43.75mL/min，死时间t00.24min。,A,28,色谱理论需要解决的问题？,色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与

7、分离度的评价指标及其关系。,组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？ 组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制； （组分和固定液的结构和性质） 色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，扩散） 两种色谱理论：塔板理论和速率理论。,第二节 气相色谱法理论基础,2.2塔板理论 2.3速率理论,2.2塔板理论,塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。色谱柱塔板高度用H表示，K小的先出柱，K有微小差异组分仍可获较好分离。,（一）塔板理论四个基本假设 （二）理论板数和理论塔板高度的计算,（一）塔板理论的四个基本假设,1在柱内一小段高度

8、内组分分配瞬间达平衡（H理论塔板高度） 2载气非连续而是间歇式（脉动式）进入色谱柱，每次进气一个塔板体积 3样品和载气均加在第0号塔板上，且忽略样品沿柱方向的纵向扩散 4分配系数在各塔板上是常数,（二）理论板数和理论塔板高度的计算,理论塔板高度H为使组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需要的柱长 理论塔板数n组分流过色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数,续前,续前,有效理论塔板数neff,小结,塔板理论的贡献：从热力学角度解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大点的位置 阐明了保留值与K的关系 提出了评价柱效高低的n和H的计算式,A,36,（三）塔板理论优缺点,(1)当L一定时，n 越大(H 越小)

9、，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 K 不同，用n有效和H有效作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。,(3)柱效的高低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。,练习,例1： 在柱长为2m的色谱柱、柱温为1000C，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.10min，求理论塔板数和塔板高度。,解：,例2： 在一根2 m长的色谱柱上,分析一个混合物,得到以下数

10、据:苯、甲苯及乙苯的保留时间分别为120”, 22”及31”；半峰宽为6.33”, 8.73”, 12.3”，求色谱柱对每种组分的理论塔板数及塔板高度。,注意单位换算！,A,39,2.3 速率理论-影响柱效的因素,1. 速率方程（也称范弟姆特方程式） H：理论塔板高度， u：载气的线速率(cm/s)。,减小A、B、C三项可提高柱效。 存在着最佳流速。 A，B，C三项各与哪些因素有关？,A,40,A涡流扩散项,A = 2dp dp：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。,A,41,B

11、/u 分子扩散项,B = 2 Dg ：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（cm2s-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) B/u与流速有关，流速，滞留时间，扩散;,A,42,k为容量因子； Dg 、DL为扩散系数。 减小担体粒度，选择相对分子质量小的气体作载气，可降低传质阻力。,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）,（动画）,A,43,2.载气流速与柱效最佳流速,载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速，柱效。 载气流速低时：

12、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流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。 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。,H = A + B/u + Cu,A,44,3. 速率理论的要点,(1) 组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散、传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等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) 为色谱分离和操作条件选择提

13、供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。,(4) 各种因素相互制约：载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。,A,45,影响分离的因素与提高柱效的途径 液体的扩散系数仅为气体的万分之一，则在高效液相色谱中,速率方程中的分子扩散项B/u较小，可忽略不计，即 H = A + C u,液体的黏度比气体大100倍，密度为气体的1000倍，故降低传质阻力是提高柱效主要途径。,载体粒度较大时的LC曲线。,A,46,2.4 分离度,塔板理论和速率理论都难以描述难分离物

14、质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组分能够被完全分离。 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：保留值之差色谱过程的热力学因素； 区域宽度色谱过程的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示：,A,47,讨论：,色谱分离中的四种情况：, 柱效较高，K(分配系数)较大，完全分离。 K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本分离。 柱效较低，K较大，但分离的不好。 K小，柱效低，分离效果更差。,两组分怎样才达到完全分离？,1.色谱峰之距离相差足够大；,2.峰窄。,分离度,分离度,分离方程,由上式可得,例.,解：（1）从图中可以看出，tR2=17min, Y2=1min, 所以； n

15、 = 16(tR2/Y2)2 =16172 = 4624 (2) tR1= tR1- tM =14-1=13min t”R2=tR2 tM = 17-1 = 16min,相对保留值 = tR2/tR1=16/13=1.231 根据公式：L=16R2(1.231/(1.231-1)2 Heff 通常对于填充柱，有效塔板高度约为0.1cm, 代入上式， 得： L=102.2cm 1m,第三节 气相色谱仪,3.1 基本流程和主要部件,载气系统,进样系统,色谱柱,检测器,记录、数据 处理系统,框架图,GC-7890气相色谱仪,外观,内部结构,6890 气相色谱仪,毛细管柱色谱 （美国安捷伦科技公司 A

16、gilent),气相色谱分析流程示意图 1 载气钢瓶； 2 减压阀； 3 净化干燥管； 4 针形阀； 5 流量计； 6 压力表； 7 进样器； 8 色谱柱； 9 检测器； 10 - 放大器； 11 记录仪； 12 - 温控器； 13 - 尾气出口,载气系统,进样系统,色谱柱,检测器,记录系统,A,58,3.2 载气系统,气源、气体净化、气体流速控制和测量 1.常用的载气有： 氢气、氮气、氦气；氩气 2. 净化干燥管: 活性炭、硅胶、分子筛等 3. 载气压力和流速控制、显示,3.3 进样系统,包括进样器和气化室（液体进样） 微量注射器（链接）,定量进样常采用六通阀,1. 取样状态 2.进样状态,

17、气化室 使液体样品迅速完全气化 温度应高于柱温3070 ,3.4 色谱柱,填充柱： 内装固定相，通常为用金属(不锈钢)或玻璃制成的内径24mm、长0.5-6m的U形或螺旋形的管子。 毛细管柱： 将固定液均匀地涂敷在毛细管的内壁，内径0.10.5mm、长20-200m的毛细管。,固定相对于组分的分离起着关键性作用。 气-固色谱的固定相: 1.具有吸附活性的多孔固体（吸附剂） 2.具有特殊吸附活性的分子筛 3.高分子多孔聚合物,固定相及其选择,气-液色谱固定相,由担体+固定液组成； 在担体小颗粒表面涂渍上一薄层固定液,色谱柱,担体(如硅藻土),固定液525%,+,(1)固定液,固定液在常温下不一定

18、为液体，但在使用温度下一定呈液体状态，固定液种类繁多，一般为高沸点难挥发的有机化合物。 固定液分类 a. 按化学结构和官能团分： 烃类、醇和聚醇、酯和聚酯、聚硅氧烷、腈类等。 b. 按照固定液相对极性分： 非极性、弱极性、中等极性、强极性,对固定液的要求： 挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。 热稳定性好，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。 对试样各组分有适当的溶解能力，否则易被载气带走而起不到分配作用。 具有高的选择性，即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力。 化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。,(2) 固定液的选择,首先选择合适使用温度范围的固定液;

19、一般根据“结构相似”和“相似相溶”的原则，即选择固定液要与被分离组分结构相似。,气液色谱，应根据“相似相溶”的原则,分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。, 分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。,分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。,醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。,组成复杂、较难分离的试样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。,A,72,(3) 担体,气液色谱中的担体，是一种化学

20、惰性的、多孔性的固体颗粒。 对担体的基本要求： 载体表面孔径分布均匀，比表面积大； 载体表面呈现化学、物理惰性； 热稳定性好,有一定的机械强度，不易破碎； 粒度均匀。40-60，60-80，80-100目,(4) 柱长和柱内径的选择,增加柱长对提高分离度有利（ 柱长L与分离度R2成正比）。 例如，当柱长由1m增加到4.87m，分离度由0.68增加到1.50。 但组分的保留时间tR，且柱阻力，不便操作。 填充色谱柱的柱长通常为13米。柱内径一般为24毫米。,(5) 柱温的确定,首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内

21、。,柱温升高，分子扩散作用加剧，柱效下降，分离度下降。,柱温，分离度，分析时间。,柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,提高柱温可以改善气相和液相传质速率，有利于提高柱效。,柱温的选择原则是：,在难分离组分对得到良好分离、而保留时间适宜且色谱峰不拖尾的前题下，尽可能采用低的柱温。 柱温的选择还必须考虑试样的沸点。沸点高的混合物采用较高的柱温，反之，采用较低柱温。对于沸点范围较宽的试样，则宜采用程序升温方式，即柱温按预定的加热程序，随时间作线性或非线性的增加。,3.5 检测系统,检测器、控温装置 将经色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转化为相应

22、的电信号。 根据检测原理不同，浓度型、质量型 浓度型：热导池、电子捕获检测器 质量型：氢火焰离子化、火焰光度检测器,氢火焰离子化检测器 flame ionization detector, FID,1. 特点 (1) 典型的质量型检测器; (2) 对有机化合物具有很高的灵敏度; (3) 无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应; (4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点; (5) 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12gg-1。,2. 氢焰检测器的结构,(1) 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。 (2) 氢焰检测器需要用到三种气体： N2 ：载气携带试样组分； H2 ：为燃气； 空气：助燃气。 使用时需要调整三者的比例关系，检