气相色谱法2006-1

1、1,第11章 色谱分析法,Chromatography kromtrfi 1概述 6定性分析 2基本原理 7定量分析 3色谱柱 8毛细管色谱简介 4检测器 9应用 5分离条件选择 10 液相色谱简介,2,关键词：气相色谱； 塔板理论； 速率理论； 分离度； 保留值； 定量校正因子； 定量方法,3,第一节 概述,色谱法是一种混合物高效分离、分析技术。是复杂混合物成分分析和结构测定的重要工具。 一.色谱法由来及发展 由俄国植物学家 (茨维特,Tswett）1906(3)年创立。,4,Michael Tswett(1872-1919), a Russian botanist , discovered

2、 the basic principles of column chromatography. He separated plant pigments by eluting a mixture of the pigments on a column of calcium carbonate. The various pigments separated into colored bands; hence the name chromatography.,5,为了分离植物色素，将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同

3、，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，形成一圈圈不同颜色的色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法。,6,7,之后，1948年瑞典生物化学家蒂西利乌斯（Tiselius)由于在电泳分析和吸附色谱等方面的重要贡献，获得诺贝尔化学奖。,8,1941年英国生物化学家 Martin和Synge在研究乙酰氨基酸的分离时，发展了液液分配色谱法，开创了分配色谱的新阶段，指出： 试样混合物的分离过程是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。 其中的一相固定不动，称为固定相； 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。,9,在色谱发展史上占有重

4、要地位的英国人A.J. P. Martin(马丁)和R.L.M. Synge(辛格)，提出: 色谱塔板理论； 发明液-液分配色谱； 预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。 1952年，因为他们对分配色谱理论的贡献获诺贝尔化学奖。 Nobel Prize in Chemistry (1952) for the invention of partition chromatography,10,此后，色谱法不仅用于分离有色物质，还用于分离无色物质，并出现了种类繁多的各种色谱法。 分离无颜色的物质也沿用色谱的概念,11,12,色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作,13,二. 色谱法分类,按流动相分类

5、气相色谱GC（气固GSC、气液GLC） 液相色谱LC（液固LSC、液液LLC） 按固定相形状分类 柱色谱CC（填充柱、毛细管柱） 薄层色谱TLC（板色谱） 纸色谱,14,15,按分离原理分类 吸附色谱（气固） 分配色谱（气液、液液） 离子交换色谱 测定带电荷混合物 凝胶渗透色谱 测聚合物分子量分布。 毛细管电泳 九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。,16,17,18,三、气相色谱仪的组成,以气体作流动相的柱色谱法，称为气相色谱法（GC)。由五大部分组成：,1 载气系统 2 进样系统 分离系统 (色谱柱) 温控系统 5 检测系统,19,20,气相色谱仪示意图,21,22,2

6、3,1. 载气系统 1）载气， 主要有氢气、氮气、氦气和氩气。用高压钢瓶贮存。 2） 稳压恒流装置，稳压阀可减压，使载气流速稳定。 3）净化器， 提高载气纯度，净化剂主要有活性炭、分子筛、铜催化剂等分别除去载气中的烃类、水、氧气。,24,2. 进样系统 包括进样器和气化室。 进样器: 液体样品进样器：微量注射器，1-50uL; 气体样品进样器：气体管，1-5mL;六通阀. 气化室：要求样品在气化室中瞬间气化而不分解。要求气化室热容量要大，死体积应尽可能小。,25,26,分离系统 -色谱柱,样品中各组分在色谱柱中得到分离。 1）填充柱（Packed column） （1） 柱管：L 2-10m

7、2-6mm （2） 固定相 固体固定相：硅胶，氧化铝等 液体固定相：担体上涂覆固定液,27,28,2） 毛细管柱（capillary column）,柱管：L 30m-50m 0.25mm， 0.35mm ，0.53mm等,空心毛细管内壁涂覆、键合、 交联固定液,29,30,4. 温控系统 温度是气相色谱的重要参数。 温控系统是用来设定、控制、测量色谱柱箱、气化室、检测器三处的温度。 多采用可控硅温度控制器进行连续精密控制。0.1以内。,31,5. 检测与记录系统 将样品量信号转化为电信号，并显示、处理和打印的系统。 检测器后面还要详细讲解。,32,续前,四、气相色谱法的特点和应用范围,特点：

8、 1）分离效能高；组成复杂；性质相近 例如：石油气（C1-C4）的成分分析，目前都采用气相色谱法。以25%丁酮酸乙酯为固定液，6201担体，柱长12.15m，内径4mm,柱温 12,氢为载气，流速25ml/nin，热导池电桥电流120-150mA, C1-C4各组分得到较好的分离。,33,1-空气；2-乙烷；3-乙烯；4-二氧化碳； 5-丙烷；6-丙烯；7-异丁烷; 8-乙炔； 9-正丁烷；10-正丁烯；11-异丁烯 12- 反丁烯; 13- 顺丁烯; 14-1，4-丁二烯 。,34,2）灵敏度高；最小检出量10-11- -13g 3）分析速度快；几-几十分钟 4）应用范围广：普及 适于分析无

9、机或有机的气体、易挥发的液体及固体试样，以及可转化为易挥发的液体或固体试样。 不适合分析不易气化或热不稳定性物质,35,第二节 气相色谱法的基本原理 一、色谱分离过程,色谱分离过程是在色谱柱内完成的。 填充柱色谱包括气固色谱和气液色谱，两者的分离机理不同。 气固色谱的固定相: “多孔性的固体吸附剂颗粒”, 分离基于固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。,36,气液色谱的固定相: 由担体和固定液所组成, 分离基于固定液对试样中各组分的溶解能力的不同. 气固色谱的分离:吸附与脱附的平衡过程，不断重复； 气液色谱的分离：气液两相间的反复多次溶解、挥发的分配过程。,37,气相色谱分离过程,当试样由

10、载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附; 随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附; 挥发或脱附下的组分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、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。,38,1. 分配系数（ partition factor）， K,组分在固定相和流动相之间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。 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）比，称为分配系数，用K 表示，即：,混合物中各组分分配系数的差异是色谱分离的依据,influence factor ？,39,分配系数 K 的讨论

11、,一定温度下，组分的分配系数 K 越大，出峰越慢；若组分的K = 0时，即不会被固定相保留，最先流出柱。 试样一定时，K主要取决于固定相性质。 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础,40,2.分配比 （partition ratio）k,在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：,分配比也称： 容量因子(capacity factor)；或容量比。,41,小结 1）分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。 2）分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，

12、该组分的保留时间越长。 3）分配比可以由实验测得。,42,二、 基本概念1色谱流出曲线（图）和色谱峰,试样中的各组分经色谱柱分离后，随载气依次进入检测器，经检测器将组分质量或浓度变化转变为电信号，并以信号变化对流出时间作图，则得到一条呈正态分布的色谱流出曲线，称为色谱图。,43,44,色谱峰：流出曲线上的突起部分， 多呈正态分布。,2基线,当仅有流动相通过时，检测器响应信号随时间变化的曲线（稳定时为水平直线） 基线漂移,45,3保留值：色谱定性参数,保留时间tR(retention time )：从进样开始到待测组分出现浓度极大点时所需时间，即组分通过色谱柱所需要的时间 死时间tM (或 t0

13、,dead time)：不被固定相溶解或吸附的组分的保留时间，（即空气的保留时间）。,调整保留时间：待测组分的保留时间与死时间之差值， 即组分在固定相中滞留的时间 = tR tM,47,保留体积VR：从进样开始到组分出现浓度极大点时所消耗的流动相的体积,F0 -载气流速,48,死体积VM： 不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流 动相的体积，又指色谱柱中未被固定相所占据的空隙体积，即色谱柱的流动相体积（包括固定相空隙、色谱仪中的管路、连接头的空间、以及进样器和检测器的空间）,49,调整保留体积VR：保留体积与死体积之差，即组分停留在固定相时所消耗流动相的体积,相对保留值ri ,j（选择性系数 ）：

14、i组分与j组分调整保留值之比,50,分配比k-组分调整保留时间与死 时间的比值。,51,分配比 k 的求算： 1）组分分配在流动相中的分数RS： 2）因此，,52,4色谱峰的区域宽度： 衡量色谱柱柱效的参数,53,峰底宽度Y（或W）：正态分布色谱流出曲线两拐点处切线与基线相交的截距,标准偏差：正态分布色谱曲线0.607倍峰高处峰宽的一半 半峰宽Y 1/2 (或W1/2)：峰高一半处所对应的峰宽,注：区域宽度除了用于衡量柱效（分离效能）高低，还可以计算峰面积,54,三、塔板理论,（一）基本假设： 塔板模型是将一根色谱柱视为一个精馏塔，柱内有若干块想象的塔板。色谱柱每个H高度内有一块塔板，H称为塔

15、板高度，简称板高(theoretical plate height) 。 塔板理论假设：在每一块塔板上，组分在两相间分配很快达到平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前转移，每经过一个板高（一块塔板）平衡分配一次。,55,根据塔板理论，溶质进入柱入口后，即在两相间进行分配。 对于正常的色谱柱，溶质在两相间达到分配平衡的次数在数千次以上，最后，挥发度最大（保留最弱）的溶质最先从塔顶（色谱柱出口）逸出（流出），从而使不同挥发度（保留值）的溶质实现相互分离。,57,分配平衡的次数： n = L/H n-分配平衡的次数，即理论塔板数（the number of theoretical plates

16、） ； L-色谱柱的长度； H-塔板高度（虚拟的塔板间距离） 。 色谱柱柱效随理论塔板数n增加而增加，随板高H的增大而减小。,58,（二）塔板理论的内涵,1）理论塔板数n大于50时，可得到基本对称的峰形曲线。n很大（103-106）时，流出曲线为峰宽较窄的正态分布曲线。 2）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，经过反复多次的分配平衡以后，就可获得良好的分离。K小的先出峰。如果两组分的K相同，则分不开。,59,3）理论塔板数n理与区域宽度的关系式为：,注意：对同一根柱子，用不同物质计算可得到不同的理论塔板数,60,由此可以看出，在tR一定时，色谱峰越窄、塔板数n越多，板高

17、H越小，组分被分配的次数越多，则柱效越高。 填充色谱柱的 n103， H1mm。 毛细管柱 n=105-106， H0.5mm,61,4）有效塔板数和有效塔板高度 由于死时间t M包含在tR中，而t M并不参加柱内的分配，所以理论塔板数并不能真正反映色谱柱分离效能的好坏。为此，常用有效塔板数或有效塔板高度作为衡量柱效能的指标。,62,例： 在柱长为2m的5%的阿皮松柱、柱温为1000C，记录纸速度为2.0cm/min的色谱条件下，测定得苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.20cm，求理论塔板数和理论塔板高度。,解： n理=5.54（tR/ Y 1/2)2,H理,63,塔板理论的贡献： 塔板

18、理论是一种半经验性理论，它在解释流出曲线的形状和计算、评价柱效方面是成功的。 但色谱分离过程不是一个简单的热力学分配过程，不能解释理论塔板数受哪些因素影响以及色谱峰变宽的原因。,64,四、速率理论 -影响柱效的因素,（一）塔板理论存在的问题 1）做出了与实际不相符的假设 忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程 2）只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的影响因素 3）排除了一个重要参数流动相的线速度u ，因而无法解释柱效与流速的关系，更无法提出降低板高、提高柱效的的途径。,65,（二）Van Deemter 方程式,吸收了塔板理论的成果塔板高度H的概念和内涵。 并从动力学角度较好地解释了影

19、响柱效的因素，并指出，组分在柱内运行的多路径、浓度梯度造成的分子扩散和组分在气液两相间的质量传递不能瞬间达到平衡，是造成色谱峰扩张、使柱效能下降的原因。 将色谱过程用随机模型描述，可得影响板高的三因素：,66,式中u为载气的平均线速度，cm/s; A-涡流扩散项； B-纵向扩散项系数； C-传质阻力项系数； 皆为条件常数。,67,68,由该图可见，曲线最低点所对应的板高H最小，即该点对应的柱效最高，此时的流速称为最佳流速， u最佳。,69,流速与柱效的关系,减小A、B、C三项可提高柱效；,A、B、C三项各与哪些因素有关？,70,1. 涡流扩散项A (eddy diffusion),在填充柱色谱

20、中，由于试样组分的分子通过填充物的不规则空隙时，其流动方向不断的改变，在气相中形成类似于涡流的流动。路径的长短也就产生差异，因而引起色谱峰形的扩张。变宽的程度由下式决定：,71,使用粒度细而均匀的填料，且填充均匀，是减小涡流扩散、提高柱效的有效办法； 注：颗粒太小，会使柱压过高且不易填充均匀 填充柱60 -100目 空心毛细管柱 A=0，n理较大,72,2. 纵向扩散项（分子扩散项）：B/u（longitudinal diffusion）,当试样中的某组分随载气在柱中前进时，组分分子将产生纵向扩散，即沿着色谱柱轴向的扩散运动。组分在固定相中被流动相以“塞子”的形式向前推动、在塞子的两侧产生浓度

21、差，扩散必然产生。,73,B=2.r.Dg 式中，r 是填充柱内气体扩散路径弯曲程度的因数，物理意义是由于固定相的存在，使分子不能自由扩散，从而使扩散程度降低。 毛细柱 r = 1(不弯曲） ; 填充柱 r 1 。 Dg是组分在气相中的扩散系数，单位为cm2.s-1. 除与组分性质有关外，还与载气的性质、柱温等因素有关。,74,扩散系数： Dg (M载气)-1/2 ； M载气，B值。 因此，为了减小分子扩散项，可使用分子质量较大的载气，或控制较低的柱温和控制较高的线速度。,75,3. 传质阻力项：Cu,传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数C l, 即C=Cg+ C l 气相

22、传质过程是指试样在气相和气液界面上的传质。采用粒度小的填充物和小分子量载气，可减小Cg。,76,液相传质过程是指组分从固定相的气液界面移动到液相内部，达到分配平衡，又返回到气液界面的过程。 由于阻力的存在，使试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，使分离效率下降，峰形扩宽。 降低液膜厚度，适当提高柱温，可减小Cl.,77,速率理论结论： 范氏方程较好地解释了在色谱分离条件的选择中，填充均匀程度、填充物的粒度、流动相的种类及流速、固定相的液膜厚度等对柱效和峰展宽的影响规律。,78,五、 分离度,塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。,怎样才能定量描述呢,79,分离度的定义：相邻两组分的保留时间之差与两峰底宽度加和之半的比值。,R=0.8：两峰的分离程度可达89%； R=1.0：分离程度98%； R=1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标志）。,80,假设Y(2)=Y(1)=Y（相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对