《气相色谱法》PPT课件.ppt

第二章气相色谱法 南京工业大学生物与制药工程学院国家生化工程技术研究中心 余定华博士 副教授 1 萱烯2 芳樟醇3 乙酸乙酯4 乙酸卞酯5 香茅醇6 苯乙醇7 甲基芷香酮8 Carvocrol和geraniol香叶醇9 水杨酸异戊酯10 水杨酸正戊酯11 Commamylacetate12 乙酰雪松烯13 邻苯二甲酸二甲酯14 1 2 2 3 3 5 a七甲茎茚满 6 甲基酮15 香豆素16 麝香二甲苯17 苯甲酸卞酯18 水杨酸卞酯19 麝香酮 你知道兰寇香水的秘密吗 白酒为什么有不同的风味 室内空气危害健康 元凶何在 主要内容 色谱法概述气相色谱仪色谱流出曲线及有关术语气相色谱分离原理气相色谱定性定量分析气相色谱固定相气相色谱检测器 一 色谱法的由来 色谱法是1903年由俄国植物学家茨维特创立的 他在研究植物叶子的色素成分时 将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃柱内 然后加入石油醚使其自由流下 结果色素中各组分互相分离形成不同颜色的谱带 这种方法因此得名色谱法 以后此法逐渐应用于无色物质的分离 色谱 二字已失去原来的意义 但仍被人们沿用至今 色谱柱 玻璃管 固定相 碳酸钙 流动相 石油醚 色谱分析法是用来进行混合物中各组分的分离与分析的一种物理化学方法 它是根据混合物中各组分在互不相溶的两相 固定相和流动相 中的吸附能力或分配系数或其他亲和作用性能的差异作为分离依据的 二 色谱法的分类 按流动相和固定相的状态分类 按固定相形状分类 按分离的原理分类 1 吸附色谱 利用组分在吸附剂上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法 2 分配色谱 利用组分在固定液中溶解度不同而达到分离的方法 3 离子交换色谱 利用组分在离子交换剂上的离子交换能力大小不同而达到分离的方法 4 凝胶色谱 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择性渗透而达到分离的方法 三 气相色谱法的特点1 分离效能高 例如用60m长的毛细管柱 可将汽油10碳以内的组分分离出240个色谱峰 2 选择性高 气相色谱法可以分离化学结构极为相近的化合物 例如二甲苯三个同分异构体 用其他方法分离相当困难 但用气相色谱法则比较容易 3 高灵敏度 与气相色谱仪配套的高灵敏检测器最小检测量可达10 11 10 13g物质或更少 因而适合于微量有机物分析 4 分析速度快 一次色谱分析短者几秒钟 长者几分钟到几十分钟完成 5 样品用量少 由于气相色谱灵敏度高 需要的样品少 一般进样几微升既能完成多项目的分析 6 分离和检测能一次完成 这也是气相色谱的特点 其他的分析方法如紫外 红外 质谱等均需纯品 如是混合物需要分布进行分离和检测 第二节气相色谱仪 SP 6890型气相色谱仪 岛津GC 2010 安捷伦7890A气 质联用仪 一 气相色谱流程 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 分离柱 9 检测器 10 放大器 11 温度控制装置 12 记录仪 二 气相色谱仪的结构 1 载气系统包括气源 净化干燥管和载气流速控制装置 常用的载气有 氢气 氮气 氦气 净化干燥管 去除载气中的水 有机物等杂质 依次通过分子筛 活性炭等 载气流速控制 压力表 流量计 针形稳压阀 控制载气流速恒定 2 进样系统 包括 进样器 气化室 六通阀 试样首先充满定量管 切入后 载气携带定量管中的试样进入分离柱 微量注射器 体积1 50 L不等的注射器 气化室 液体样品瞬间气化 无催化作用 3 分离系统 色谱柱 色谱柱 由柱管和填装在其中的固定相组成 柱材质 不锈钢管或玻璃管 内径2 4毫米 长度可根据需要确定 柱填料 粒度为60 100目的色谱固定相 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的制备技术以及操作条件等许多因素有关 4 检测记录系统 色谱仪的眼睛 通常由检测元件 放大器 显示记录三部分组成 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器 按其浓度或质量随时间的变化 转化成相应电信号 经放大后记录和显示 给出色谱图 检测器 浓度型 测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化 即检测器的响应值和组分的浓度成正比 如热导检测器和电子捕获检测器 质量型 测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化 即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比 如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等 5 温度控制装置 温度是色谱分离条件的重要选择参数 它直接影响色谱柱的选择分离 检测器的灵敏度和稳定性 气化室 分离柱 检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度 气化室 保证液体试样瞬间气化 检测器 保证被分离后的组分通过时不在此冷凝 分离柱 准确控制分离需要的温度 第三节色谱流出曲线及有关术语 一 色谱流出曲线和色谱峰由检测器输出的电信号强度对时间作图 所得曲线称为色谱流出曲线 如图 曲线上突起的部分就是色谱峰 二 基线 在实验条件下 色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线 如图O t 稳定的基线应该是一条水平直线 三 峰高色谱峰顶点与基线之间的垂直距离 以h表示 如图中B A 三 保留值1 死时间tM不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时 从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间 如图中O A 因为这种物质不被固定相吸附或溶解 故其流动速度将与流动相的流动速度相近 测定流动相平均线速 时 可用柱长L与tM的比值计算 2 保留时间tR试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间 称为保留时间 如图O B 它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间 3 调整保留时间tR 某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间 即tR tR tM由于组份在色谱柱中的保留时间tR包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间 所以tR 实际上是组份在固定相中停留的总时间 保留时间可用时间单位 如s 或距离单位 如cm 表示 保留时间是色谱法定性的基本依据 但同一组份的保留时间常受到流动相流速的影响 因此色谱工作者有时用保留体积等参数进行定性检定 4 死体积VM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的总和 当后两项很小而可忽略不计时 死体积可由死时间与流动相体积流速F0 L min 计算 VM tM F0 5 保留体积VR指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相体积 保留体积与保留时间t 的关系如下 VR tR F06 调整保留体积VR 某组份的保留体积扣除死体积后 称该组份的调整保留体积 即VR VR VM 7 相对保留值 2 1某组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比 称为相对保留值 由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关 而与柱径 柱长 填充情况及流动相流速无关 因此 它是色谱法中 特别是气相色谱法中 广泛使用的定性数据 必须注意 相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比 四 区域宽度色谱峰的区域宽度是组份在色谱柱中谱带扩张的函数 它反映了色谱操作条件的动力学因素 度量色谱峰区域宽度通常有三种方法 1 标准偏差 即0 607倍峰高处色谱峰宽的一半 如图中EF距离的一半 2 半峰宽W1 2即峰高一半处对应的峰宽 如图中GH间的距离 它与标准偏差 的关系是 W1 2 2 354 3 基线宽度W即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距 如图中IJ的距离 它与标准偏差的关系是 W 4 从色谱流出曲线上 可以得到许多重要信息 l 根据色谱峰的个数 可以判断样品中所合组份的最少个数 2 根据色谱峰的保留值 或位置 可以进行定性分析 3 根据色谱峰下的面积或峰高 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 和流动相 选择是否合适的依据 第四节气相色谱分离原理 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 两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的 即与色谱过程的热力学性质有关 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传质和扩散行为决定的 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来研究色谱行为 一 分配系数K和分配比k 1 分配系数K如前所述 分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程 而吸附色谱的分离是基于反复多次地吸附一脱附过程 这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述 而描述这种分配的参数称为分配系数 它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CL 组分在固定相中的浓度 g mLCM 组分在载气中的浓度 g mL 当K 1时 组分在固定相和流动相中浓度相等 当K 1时 组分在固定相中的浓度大于在流动相中的浓度 当K 1时 组分在固定相中的浓度小于在流动相中的浓度 不同物质的分配系数相同时 它们不能分离 色谱柱中不同组分能够分离的先决条件是其分配系数不等 分配系数K小的组分 在气相中停留时间短 较早流出色谱柱 分配系数大的组分 在气相中的浓度较小 移动速度慢 在柱中停留时间长 较迟流出色谱柱 两组分分配系数相差越大 两峰分离的就越好 物理意义 组分保留程度的量度 K值小 先出柱子K值大 后出柱子影响因素 K只与固定相和温度有关 与两相体积 柱管特性和所用仪器无关 图不同K值对两组份分离的影响 K值比较小温度较高 K值比较大温度较低 2 分配比k 分配比又称容量因子或容量比 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质量比 即 分配系数与分配比之间的关系为 K与k的共同点是 它们都与组分及固定液的热力学性质有关 并随柱温 柱压的变化而改变 它们的不同点是 K值与气相 液相的体积无关 而k值与两相体积有关 滞留因子Rs 分配比k值可直接从色谱图测得 设流动相在柱内的线速度为u 组分在柱内移动的线速度为us 由于固定相对组分有保留作用 所以us u 此两速度之比称为滞留因子Rs 组分在柱内移动的速度 流动相在柱内线速度 Rs若用质量分数表示 即 对组分和流动相通过长度为L的色谱柱 其所需时间分别为 整理以上3式 可得 由此可知 组分在柱内的保留时间与柱长L成正比 与载气线速度成反比 式4 9将保留值与分配比联系起来 称之为色谱过程基本方程式 将式4 9变为t R tM tM 1 k 通过实验测得校正保留时间 体积 及死时间 体积 就可求得分配比 4 9 3 相对保留值一个混合物能否被分离 首先决定于色谱柱的选择性 当色谱柱内固定相对样品中各组分的分配系数有差异时 各组分才能有可能被分离 该柱子的选择性就好 色谱柱的选择性一般用相对保留值 来表示 被定义为在相同条件下 i s两组分的相对保留值之比 即 值说明色谱柱对两个待分离组分的选择保留作用的大小 它标志着两峰在色谱图上的相对位置 越大 说明两组份分离得越好 在色谱图上的两峰相距越远 色谱柱的选择性就越好 当两组分的 1 2时 就可用一般填充柱把它们分开 是一个无因次量 仅随固定液及柱温变化而变化 而与柱长 柱内径 流动相等因素无关 提高色谱柱的选择性 主要从选择固定相入手 二 塔板理论最早由Martin等人提出塔板理论 把色谱柱比作一个精馏塔 沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为 同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标 该理论假定 i 在柱内一小段长度H内 组分可以在两相间迅速达到平衡 这一小段柱长称为理论塔板高度H ii 以气相色谱为例 载气进入色谱柱不是连续进行的 而是脉动式 每次进气为一个塔板体积 Vm iii 所有组分开始时存在于第0号塔板上 而且试样沿轴 纵 向扩散可忽略 iv 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 为简单起见 设色谱往由5块塔板 n 5 n为柱子的塔板数 组成 并以r表示塔板编号 r 1 2 n l 某组分的分配比k 1 根据上述假定 在色谱分离过程中 该组分的分布可计算如下 开始时 若有单位质量 即m 1 例1mg或1 g 的该组分加到第0号塔板上 分配平衡后 由于k 1 即ns nm故nm ns 0 5 当一个板体积 l V 的载气以脉动形式进入0号板时 就将气相中含有nm部分组分的载气顶到1号板上 此时0号板液相 或固相 中ns部分组分及1号板气相中的nm部分组分 将各自在两相间重新分配 故0号板上所含组分总量为0 5 其中气液 或气固 两相各为0 25而1号板上所含总量同样为0 5 气液 或气固 相亦各为0 25 以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时 上述过程就重复一次 见下表 按上述分配过程 对于n 5 k 1 m 1的体系 随着脉动进入柱中板体积载气的增加 组分分布在柱内任一板上的总量 气液两相中的总质量 见表 1 2由塔板理论可建流出曲线方程 m为组分质量 Vr为保留体积 n为理论塔板数 当V Vr时 C值最大 即 由流出曲线方程可推出 而理论塔板高度 H 即 从上两式可以看出 色谱峰W越小 n就越大 而H就越小 柱