第2章-气相色谱法.ppt

1、2-1 色谱法概述,一 概述, “色谱法” 名称的由来,石油醚(流动相),碳酸钙 (固定相),色 谱 带,1906年，俄国植物学家茨维特(MSTswett)在研究植物色素的过程中，做了一个经典的实验。,实验是这样的,a. 在一根玻璃管的狭小一端塞上小团棉花。,b. 在管中填充沉淀碳酸钙，这就形成了一个吸附柱。,c. 把绿色植物叶子的石油醚抽取液注入柱中。,d. 用纯溶剂淋洗。,结果： 植物叶子的几种色素便在玻璃柱上展开：留在最上面的是叶绿素；绿色层下接着是两三种黄色的叶绿素；随着溶剂跑到吸附层最下层的是黄色的胡萝卜素。各种色素就得以分离。吸附柱便成为一个有规则的、与光谱相似的色层。茨维特在他的

2、原始论文中，把上述分离方法叫做色谱法。,A、混合物中各组分（叶绿素、胡萝卜素等）进入到 色谱柱（填充CaCO3的玻璃柱管）中被固定相（CaC03固体颗粒）吸附。B、用流动相（石油醚）淋洗混合物中各组分。C、 混合物中各组分（叶绿素、胡萝卜素等）与固定相（CaC03固体颗粒）发生作用的强弱不同。混合物中各组分在固定相中的滞留时间有长短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。,色谱法的过程： 色谱法实质上是一种分离技术。,是利用混合物不同组分在固定相和流动相中分配系数(或吸附系数、渗透性等)的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。,色谱法, 色谱法的分类,1、根据流动

3、相的 物态可分为,气相色谱(GC) 液相色谱(LC),2、根据使用的固定相 不同分,气固色谱 气液色谱,3、根据固定相的 外形分,柱色谱 平板色谱,平 板 色 谱,4、根据分离机理 可分为,吸附色谱 分配色谱 离子交换色谱 排阻色谱,载气系统,进样系统,分离系统,检测和 记录系统,温控系统,一、气相色谱,（一）载气系统,常用载气：氮气、氦气、氢气及氩气,气源 净化干燥管 载气流速控制装置,载气系统,（二）进样系统,温度比柱温高出1050,（三）分离系统(色谱柱),（四） 检测系统,1热导池检测器(TCD)(Thermal Conductivity Detector,利用载气与组分热导系数的差异

4、进行测量,二 色谱流出曲线及有关术语,一.色谱流出曲线,在色谱法中，当样品加入后，样品中各组分随着流动相的不断向前移动而在两相间反复进行溶解、挥发，或 吸附、解吸的过程。如果各组分在固定相中的分配系数（表示溶解或吸附的能力）不同，就有可能达到分离。 分配系数小的组分滞留在固定相中的时间短，在柱内移动的速度快，先流出柱子；分配系数大的组分滞留在固定相中的时间长，在柱内移动的速度慢，后流出柱子；分离后的各组分经检测器转换成电信号而记录下来，得到一条信号随时间变化的曲线，称为色谱流出曲线或 “色谱峰”，理想的色谱流出曲线应该是正态分布曲线,（一）基线,基线：操作条件稳定后，没有试样通过时检测器所反映

5、的信号-时间曲线称为基线. （它反映检测系统 噪声随时间变化的 情况，稳定的基线 应是一条水平直线）,保留时间,基线,色谱峰,峰高,(二）保留值,1 死时间t0-不与固定相作用的组分的保留时间,流动相 平均线速度,柱长,2 保留时间tr-组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间,3 调整保留时间,4 死体积V0 由进样器至检测器的流路中，未被固定相占有的空隙体积称为死体积,5 保留体积Vr,6 调整保留体积 Fc-为柱出口处的载气流量,单位 mL/ min,7 相对保留值ri,s,8 分离因子(选择性因子),（三）区域宽度（perk width）柱效,(2)峰底宽度W与半峰宽W1/2,(1)

6、峰高与峰面积,1 根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。 2 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。 3 根据色谱峰的面积或峰高, 可以进行定量分析 4 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 5 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。,(四）色谱流出曲线上的信息解决的问题, 2-2 气相色谱分析理论基础,组分保留时间为何不同？ 色谱峰为何变宽？,(一）分配系数K和分配比k,组分在固定相中的浓度,组分在流动相中的浓度,1 分配系数,组分一定时，K主要取决于固定相性质 组分及固定相一定时,温度增加,K减小 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础

7、选择适宜的固定相可改善分离效果,影响K的因素,固定相 温度,2 分配比(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,K与k都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数。 K与k都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。 k可直接从色谱图上获得。,见 P11:,3 分配系数K与分配比k的关系,4 分离因子与分配系数K及分配比k的关系,(二）色谱理论,1 塔板理论,将色谱过程比拟为蒸馏过程；色谱柱看作分馏塔，在每个塔板的间隔内，样品混合物在气液两相中达到平衡分配，经过多次分配平衡后，分配系数小的组分先达到塔顶。由于柱层析塔板相当多，分配系数微小差别，即可获得较好

8、的分离效果。,假设条件： 1.组分很快在两相中达到分配平衡（板高H） 2.载气通过层析柱不是连续前进，而是间歇式的，每次进气是一个板体积。 3.样品都是加在0号塔板上，纵向扩散忽略不计。 4.分配系数在各塔板上是常数。,1 塔板理论柱分离效能指标,* k=1,色谱流出曲线,理论塔板数,理 论 塔 板 高 度,色谱柱长度,柱效能指标,当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能越高，所得色谱峰越窄。, 不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。,有效塔板数,有效板高,不足： 1.模

9、拟假设条件提出，同实际情况有差异，所以色谱分配定量关系不准确。 2.塔板理论不能解释H与色谱峰扩张关系。 3.忽略了纵向扩散的作用。 4.流速差异所造成不同的塔板数。,2 速率理论影响柱效的因素,范弟姆特方程（Van Deemter方程）,板高,1) 涡流扩散项A,固定相颗粒越小，填充的越均匀,A越小，H越小，柱效越高，色谱峰越窄。,2) 分子扩散项B/u(纵向扩散项),产生原因：浓度梯度 影响因素：流动相流速； 气体扩散系数,分子扩散,3) 传质阻力项Cu,气相传质阻力,固定相颗粒越小，载气分子量越小,气相传质阻力越小,传质阻力,液相传质阻力,固定液粘度及液膜厚度越小,液相传质阻力越小,4)

10、 流动相线速度对板高的影响,例1：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的A=0.08cm; B=0.65cm2/s; C=0.003s, 求最佳线速度u和最小塔板高H.,解: H=A+B/u+Cu 欲求 u最佳和H最小,要对速率方程微分,即 dH/dud(A+B/u+Cu)/du-B/u2+C0 最佳线速: u最佳(B/C)1/2 (0.65/0.003)1/214.7cm/s 最小板高: H最小A+2(BC)1/2 0.08+2(0.650.003)1/20.17cm,1 分离度,定义：,tr2, tr1: 组分2和组分1的保留时间,W2, W1: 组分2和组分1的峰底宽度, 2-3 色谱分离条

11、件的选择,R=1.5 完全分离,2 基本色谱分离方程式,对于难分离相邻两组分：,W1W2W,分离度与k、n及 的关系, k从1增加到3，R增加到原来的1.5倍 (k: 2-7), n增加到原来的3倍，R增加到原来的1.7倍, 从1.01增加到1.1，增加约9，R增 加到原来的9倍,结论,选择合适的固定相(流动相)以增加 是改善分离度最有效的方法,1) 各组分的分配系数必须不同。这一条件通过选择合适的固定相来实现。 2) 色谱柱的柱效要高。 3) 在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。,使试样中的不同组分分离需要满足的条件,例1：有一根 l m长的柱子，分离组分1和2得到如下色谱图。图中横

12、坐标l为记录笔走纸距离。若欲得到 R=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？,解法1,R=1.2,1),2),解法2,1) 同解法1,2),3、 色谱分离操作条件的选择,1. 色谱柱,固定相； 固定液液膜厚度； 柱长等,2. 载气及其线速的选择,检测器,载气,柱效,u 较小时，选择分子量较大的载气（N2，Ar）；u 较大时，选择分子量较小的载气(H2，He),u的选择,3. 柱温的选择,改变柱温产生的影响,柱效,增加柱温可加快气相、液相的传质速率，有利于降低塔板高度，改善柱效；但同时又会加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。,分离度,柱温升高， K 减小，分离度下降。,分析时间,降低

13、柱温，分析时间增加,柱温应控制在固定液的最高使用温度和最低使用温度范围之内。 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。 柱温一般选择在组分平均沸点左右。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,选择原则,程序升温50250， 8/min,恒温150 ,正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较,程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。,4. 进样量的选择,进样量,柱效,进样量过大，使色谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽,检测器,进样量过大，峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏,进样量应控制在柱容量允许范围 及检测器线性检测范围之内,有关气相色谱的

14、国际国内互联网网址精选: (安捷伦科技公司) (中国安捷伦科技公司) http:/www.shimadzu.co.jp/ (日本岛津公司) (瓦里安公司) http:/www.perkin-(PE公司) (化学网站) 现代色谱网络课程 , 2-4 固定相及其选择-分离系统(色谱柱),1 气液色谱固定相,1) 担体(载体),对载体的要求,具有多孔性，即比表面积大。 化学惰性，表面没有活性，有较好的浸润性。 热稳定性好。 有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。, 担体的表面处理,a. 酸洗浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团 b. 碱洗氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去酸 性作用基团 c. 硅烷化

15、除去担体表面的氢键作用力,二甲基二氯硅烷,2) 固定液高沸点的有机化合物, 对固定液的要求,热稳定性好，在操作温度下不发生聚合、分解等反应；具有较低的蒸气压，以免流失。 化学稳定性好，不与样品或载气发生不可逆的化学反应。 粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。 对样品中的各组分有适当的溶解度。(填充柱 ，毛细管柱 ), 组分与固定液分子间的相互作用,静电力极性分子之间的作用力 诱导力极性与非极性分子之间的作用力 色散力非极性分子之间的作用力 氢键力氢原子与电负性很大的原子(如F、O、N等) 之间的作用力, 固定液的极性, 固定液的选择原则“相似相溶”,a. 非极性物质非极性固定液。 沸点越

16、低的组分越早出峰。,b. 极性物质极性固定液。 极性越小的组分出越早出峰。,c. 极性与非极性混合物极性固定液。 极性越小的组分越早出峰。,d. 易形成氢键物质极性或氢键型固定液。 不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分后出峰。,e. 复杂难分离样品多种固定液混合,2 气固色谱固定相,分离测定有机物中的痕量水,高分子多孔微球,2-5 气相色谱检测器 气相色谱检测器根据响应原理的不同可分为浓度型检测器和质量型检测器两类。 浓度型检测器：测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化，即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD） 质量型检测器：测量的是载气中某

17、组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）,通用检测器有： 1、热导池检测器，TCD (Thermal conductivity detector) 测一般化合物和永久性气体 2、氢火焰离子化检测器,FID (Hydrogen flame ionization detector) 测一般有机化合物 专用检测器有： 3、电子俘获检测器，ECD (Electron capture detector) 测带强电负性原子的有机化合物 4、火焰光度检测器，FPD (Flame photometric detector

18、) 测含硫、含磷的有机化合物 特殊检测器有：FTIR、MS、测化合物结构,1、热导池检测器(TCD)(Thermal Conductivity Detector,利用载气与组分热导系数的差异进行测量,载气对热导检测器灵敏度的影响,某些气体与蒸气的热导系数/10-4J(cms)-1,影响热导检测器灵敏度的因素,载气种类选用氢气； 热钨丝工作电流要大； 热钨丝与池体温度差要大； 热敏电阻的电阻温度系数较大的钨。,2 氢火焰离子化检测器 (FID) (flame ionization detector),火焰离子化机理, 适用范围 含碳有机化合物, 影响检测灵敏度的因素 氢氮比(1:1-1.5)；氢

19、气:空气流量(1:10)；极化电压。,2-6 气相色谱分析方法及应用,一 定性分析,1 用已知纯物质 对照定性,保留值定性 峰高增加法定性,2 用经验规律和文献值定性 (1) 相对保留值,(2) 保留指数,Z, Z+1:正构烷烃的碳原子数,进样,例：乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲线如下图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正丁酯310.0 mm，正庚烷174.0 mm，正辛烷373.4 mm。求乙酸正定酯的保留指数。,在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知组分进行验证。,总离子流色谱图,6号峰的质谱图,3 联机定性,GC/MS(气相色谱-质谱), GC/AES(气相色谱原子发射光谱),二甲基硒,烯丙基甲基硒,甲基亚磺基硒酸甲酯,二甲基二硒,2丙稀硫硒酸甲酯,1丙稀硫硒酸甲酯,双(甲硫)硒,烯丙基甲基硫,二甲基二硫,二烯丙基硫,烯丙基甲基二硫,二甲基三硫,二烯丙基二硫,烯丙基