第15、16章 气相色谱法.ppt

1、第二章 气相色谱法,2-1 色谱法引论,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,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,根据流动相的 物态可分为,气相色谱(GC) 液相色谱(LC),超临界流体色谱 (SFC),根据固定相的外形分,柱色谱 平板色谱,平 板 色 谱,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,二 色谱流出曲线及有关术语,试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相

2、中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号时间曲线或信号流动相体积曲线，称为色谱流出曲线，,(一）保留值定性,1 死时间t0,流动相 平均线速度,柱长,2 保留时间tr,3 校正(调整)保留时间,4 死体积V0,5 保留体积Vr,6 校正(调整)保留体积,Fc柱尾载气体积流量,7 相对保留值ri,s,相同操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比。,仅与柱温、固定相性质有关，是较为理想的定性指标。,(二）峰高与峰面积定量,（三）区域宽度柱效,峰底宽度W 半峰宽W1/2 标准偏差,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、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,三 色谱分析的基本原理,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 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

4、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。,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,2020/10/13,（二）色谱理论,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；,热力学理论：塔板理论平衡理论 动力学理论：速率理论Van Deemter方程,2020/10/13,塔板理论的四个

5、假设： (1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到； (2)将载气看作成脉动（间歇）过程；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。,1. 塔板理论-柱分离效能指标(1941, Martin、Synge提出),半经验理论； 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；,假设单位质量m=1、k=1,塔板号 0 1 2 3,流出曲线成正态分布,2020/10/13,色谱柱长：L 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

6、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。 则三者的关系为： n = L / H,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。,理论塔板数与色谱参数之间的关系为：,有效塔板数,有效板高,单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 由于组分在tM时间内不参与柱内分配。理论塔板数和理论塔板高度不能真实地反映柱效，需引入有效塔板数和有效塔板高度：,2020/10/13,注：n有效和 L有效扣除了死 时间更能真实地反映

7、柱效。,有效塔板数和理论塔板数之间的关系,2020/10/13,塔板理论的特点和不足,成功处： 从热力学角度解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的tR ，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。,指出：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，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。,注意：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，须在给定条件，指定组分测定时才有意义（应指明测定物质）。,2020/10/13,存在问题: (1) 做出了四个与实际不相符的假设，忽略了组分在两相中 传质和

8、扩散的动力学过程。,(2) 柱效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。,(3) 塔板理论排除了一个重要参数流动相的线速度u， 它只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的影响 因素。即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。,2020/10/13,2. 速率理论-影响柱效的因素,吸收了塔板理论的有效成果H， 并从动力学角度较好地解释了影响柱效的因素,H：理论塔板高度， u：载气的线速度(cm/s),范弟姆特方程,1) 涡流扩散项A,固定相颗粒越小，填充的越均匀,A越小

9、，H越小，柱效越高，色谱峰越窄。,产生原因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒的阻力路径不同涡流扩散,dp：固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不均匀因子,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, ：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）,2020/10/13,注：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。选择载气原则：兼顾分析时间和减小纵向扩散 ，u 较小时，选M 较大的N2气（粘度大） u 较大时，选M较小的 H2气，He气（粘度小）。,3) 传质阻力项Cu,气相传质阻力

10、,固定相颗粒越小，载气分子量越小,气相传质阻力越小,产生原因：样品在气液两相分配，样品未及溶解就被带走，从而造成峰扩张。,C =（Cg + CL）,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,小结：范氏方程说明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,4) 流动相线速度对板高的影响,2020/10/13,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及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素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

11、种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。,(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。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，如载气流速增大，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。,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

12、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,四 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,R=1.5 完全分离,五 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

13、善分离度最有效的方法,1，没有戏！ R1.5, 全分离。,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) 区域扩宽的速度应小于区域分离的速度，即色谱柱的柱效要高。 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,例题：设有一对物质，其r2,1 =1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？ 解：要实现完全分离，R1.5,故所需有效理论塔板数为：,使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm, 故所需柱长应为：,2-2 气相色谱实验技术,一 气相色谱仪,GC工作过程,载气系统,进样系统

14、,分离系统,检测和 记录系统,温控系统,（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,取样位置 试样导入色谱柱,六通阀进样器,（三）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. 硅烷化除去担体表面的氢键作用力,二甲基二氯硅烷,

15、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, 固定液的相对极性P, 固定液的选择原则“相似相溶”,a. 非极性物质非极性固定液。 沸点越低的组分越早出峰。,b. 极性物质极

16、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。 极性越小的组分出越早出峰。,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,常用毛细管色谱柱固定液,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,(四) 检测系统,1 热导池检测器 (TCD),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； 热丝工作电流； 热丝与池体温度差。,适用范围 测量对象：通用 色谱柱：

17、填充柱,2 氢火焰离子化检测器 (FID),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；空气流量；极化电压。,3 电子捕获检测器 (ECD),电子捕获机理, 适用范围 卤素及亲电子物质,饮用水中三卤甲烷色谱图,水,氯,氯仿,二氯溴甲烷,二溴氯甲烷,溴仿,4 火焰光度检测器 (FPD),响应机理, 适用范围 含硫、磷化合物,含磷化合物,含硫化合物,5 质谱检测器,6 原子发射光谱检测器,二 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

18、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,

19、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,2-3 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) 经验规律,碳数规律,在一定温度下，同系物的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系,如果知道两种或更多同系物的调整保留时间，则可求出常数A和C。从色谱图查出未知物的 后，根据上式即可求出未知物的碳数。,(2) 相对

20、保留值,(3) 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。,3 联机定性,GC/MS(气相色谱-质谱),例：川桂皮挥发油的化学成分分析,色谱柱：SE54(30m0.25mm0.25m),色谱操作条件,载气：氦气，流速1mL/min,柱温：初温60保持1min，8 /min升温至150 ，6 /min升温至190 ，8 /min升温至250 ，保持1min,总离子流色谱图,6号峰的质谱图,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,烯丙基甲基三硫,二烯丙基三硫,GC-AES同时检测大