第二章 气相色谱分析ppt.ppt

第二章气相色谱分析 2 1气相色谱法概述色谱法 chromatography 以试样组分在固定相和流动相间的溶解 吸附 分配 离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法 色谱柱 进行色谱分离用的细长管 固定相 stationaryphase 管内保持固定 起分离作用的填充物 流动相 mobilephase 流经固定相的空隙或表面的冲洗剂 按固定相的几何形式分类 1 柱色谱法 2 纸色谱法 3 薄层色谱法 按两相所处的状态分类 气相色谱法 液相色谱法 气 固色谱法 液 固色谱法 气 液色谱法 液 液色谱法 气相色谱仪通常由五部分组成 载气系统 气源 气体净化器 供气控制阀门和仪表 进样系统 进样器 汽化室 分离系统 色谱柱 控温柱箱 检测系统 检测器 检测室 记录系统 放大器 记录仪 色谱工作站 图1 色谱过程图2 色谱图 A B KA KB 色谱图 chromatogram 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 色谱图界面 色谱流出曲线及有关术语 相关术语 基线 在操作条件下 仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线 峰高与峰面积 色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高 peakheight 用h表示 峰与峰底之间的面积称为峰面积 peakarea 用A表示 峰的区域宽度 a 峰底宽WD 4 1 70Wh 2b 半高峰宽Wh 2 2 355 c 标准偏差峰宽W0 607h 2 保留值 1 保留时间 从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR 2 保留体积 从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积 VR 死时间 不被固定相滞留的组分 从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间 deadtime tM 死体积 不被固定相滞留的组分 从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积 deadvolume VM F0为柱尾载气体积流量 VM tMF0 调整保留值 1 调整保留时间 扣除死时间后的保留时间 tR tR tM2 调整保留体积 扣除死体积后的保留体积 VR VR VM或VR tR F0相对保留值 relativeretention 在相同的操作条件下 待测组分与参比组分的调整保留值之比 用ri s表示 色谱分析的实验依据 根据色谱峰的位置 保留时间 可以进行定性分析 2 根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析 3 根据色谱峰的展宽程度 可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价 由此可知 相对保留值应该与柱长 柱径 填充情况 流动相流速等条件无关 而仅与温度 固定相种类有关 当ri s 1时两个组分不能分离 组分在固定相中的浓度 组分在流动相中的浓度 2 2气相色谱分析理论基础一 分配平衡的几个参数 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 组分在流动相中的质量 cs cm分别为组分在固定相和流动相的浓度 g ml Vm为色谱柱中流动相的体积 近似等于死体积 Vs为色谱柱中固定相的体积 3 分配系数和分配比之间的关系分配系数K与柱中固定相和流动相的体积无关 而取决于组分及两相的性质 并随柱温 柱压变化而变化 容量因子k决定于组分及固定相的热力学性质 随柱温 柱压的变化而变化 还与流动相及固定相的体积有关 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 理论上可以推导出 Phaseratio 相比 b VM VS 反映各种色谱柱柱型及其结构特征填充柱 Packingcolumn 6 35毛细管柱 Capillarycolumn 50 1500 二 色谱分离的基本理论1 塔板理论 MartinandSynge1941 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 设柱长为L 理论塔板高度为H 则H L n式中n为理论塔板数 理论塔板数 n 可根据色谱图上所测得的保留时间 tR 和峰底宽 w 或半峰宽 wh 2 按下式推算 或 1塔板理论 柱分离效能指标 k 1 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 通常用有效塔板数 neff 来评价柱的效能比较符合实际 neff越大或Heff越小 则色谱柱的柱效越高 2速率理论 影响柱效的因素速率理论认为 J J VanDeemter1956 单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移 加上分子扩散和运动途径等因素 它在柱内的运动是高度不规则的 是随机的 在柱中随流动相前进的速度是不均一的 范弟姆特方程 A项为涡流扩散项 B u项为分子扩散项 Cu为传质项 u为载气线速度 单位为cm s 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 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 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 流动相线速度对板高的影响 2 3色谱分离条件的选择一 分离度 resolution 相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比 用R表示 分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标 R越大 表明两组分分离效果越好 保留值之差取决于固定液的热力学性质 色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素及柱效能高低 对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰 R 1 分离程度为98 R 1 5 分离程度可达99 7 所以R 1 5时可认为色谱峰已完全分开 二 色谱分离关系式设两相邻峰的峰宽相等 即w1 w2 则 又知 另 称为柱效项 称为柱选择项 容量因子项 相对保留因子 与柱效的关系 柱效因子 与容量因子的关系 R n1 2 增加柱长 减小塔板高度 限制 L过长 保留时间延长 分析时间延长 色谱峰扩展 使用性能优良的色谱柱 并选择最佳分离条件 k值增大 有利于分离 但k 10时 对R的增加不明显 也会显著增加分析时间k的最佳范围 1 10 与柱选择性的关系分离度 柱效 柱选择性的关系 r2 1越大 柱选择性越好 分离效果越好 如果两个相邻峰的选择因子足够大 则即使色谱柱的理论塔板数较小 也可以实现分离 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 R 1 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 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 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1 有一根lm长的柱子 分离组分1和2得到如下色谱图 图中横坐标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 三 色谱条件的选择1 载气流速的选择 与分析时间 柱效有关 实际工作中 为了缩短分析时间 常使流速稍高与最佳流速 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 du d A B u Cu du B u2 C 0最佳线速 u最佳 B C 1 2 0 65 0 003 1 2 14 7cm s最小板高 H最小 A 2 BC 1 2 0 08 2 0 65 0 003 1 2 0 17cm 2 分离柱型的选择 与总柱效 分离度R有关 3 柱温的选择 与ri j有关 能使沸点最高的组分达到分离的前提下 尽量选择较低的温度 当然被测物的保留时间要短 峰形不能有严重拖尾 最好用程序升温方法 以实验优化选择的条件为工作条件 4 固定液与担体的选择 与相比有关 由实验手册查出参考值 再由实验选择 5 汽化室与检测室温度 与被测对象的利用度有关 汽化温度 检测室温度高于柱温30 70度 6 进样量 与柱容量有关 根据担液比及柱子形式决定进样量 进样方式为柱塞进样 2 4固定相及其选择一 固定相的类型 吸附剂型固定相固定相 担体 固定液型固定相常用吸附剂型固定相有 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 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 按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级 0 20为0 1 称非极性固定液 20 40为 1 2 称弱极性固定液 40 60为 2 3 称中极性固定液 80 100为 4 5 称强极性固定液 固定液的极性与待测组分极性的选择原则为 相似相溶原理 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 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气相色谱检测器一 气相色谱检测器的类型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 1 热导池检测器 TCD Thermalconductivitydetector 测一般化合物和永久性气体2 氢火焰离子化检测器 FID Hydrogenflameionizationdetector 测一般有机化合物专用检测器 3 电子俘获检测器 ECD Electroncapturedetector 测带强电负性原子的有机化合物4 火焰光度检测器 FPD Flamephotometricdetector 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 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 cm s 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 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 三 色谱检测器的灵敏度1 灵敏度 2 最小检出量 质量型 浓度型 最小检出量Q0 指检测器恰能产生和噪声相区别信号时所需进入色谱柱的最小物质量 检出限D 指检测器恰能产生和噪声相区别信号时 在单位体积或时间需要向检测器进入的物质的量 3 响应时间要求检测器能快速和真实地反映通过它的物质的浓度变化情况 4 线性范围指试样量与信号之间保持线性关系的范围 用最大进样量与最小检出量的比值表示 2 6气相色谱定性法一 利用内标物与待测物的相对保留值r1 2进行定性分析 实验中要用双柱 或多柱进行分析 必须要有适当的标准物质 二 利用保留指数进行I进行定性分析 Xz 1 Xz分别代表含Z 1 Z个碳原子的正构烷烃在测定柱上的调整保留参数 Xi代表待测物质在测定柱上的调整保留参数 由于I的值温度之间呈线性关系 所以可以方便的外推求出文献测定条件下的I值而进行定性分析 无须标准物质 FigureSketchmapfordeterminationofrotentionindex 2 7气相色谱定量法一 色谱定量公式 mi fi Ai mi 待测物质质量 fi 待测物质定量校正因子 Ai 待测物质色谱峰的积分面积 二 色谱峰的面积求法