气相色谱分析1.ppt

1、,第2章 气相色谱分析 2-1 气相色谱法概述 2-2 气相色谱分析理论基础 2-3 色谱分离条件的选择 2-4 固定相及其选择 2-5 气相色谱检测器 2-6 气相色谱定性方法 2-7 气相色谱定量方法 2-8 毛细管气相色谱法 2-9 气相色谱法的应用,2-1 气相色谱法概述 一、色谱法及分类 1、色谱法(chromatography)：以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、离子交换等作用的差异为依据而建立起来的分离分析方法。 色谱柱：进行色谱分离用的细长管。 固定相：管内保持固定、起分离作用的填充物。 流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。,2、色谱法分类 按固定相的几何形式分类：

2、 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（GSC）,液-固色谱法 (LSC),气-液色谱法 (GLC),液-液色谱法 (LLC),国产气相色谱仪,二、气相色谱仪的组成,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。,三、色谱流出曲线（色谱图）及术语 1、色谱流出曲线: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

3、信号，由记录仪记录下的信号时间曲线或信号流动相体积曲线。,色谱图界面,2、常用术语 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，用h表示；峰与峰底之间的面积称为峰面积，用A表示。 峰的区域宽度： a、标准偏差= Y0.607h/2 b、半峰宽 Y1/2=2.35 c、峰底宽 Y= 4,保留值：通常用时间或用将组分带出色谱柱所 需的载气体积来表示。 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。 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

4、需的时间称为死时间，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，VM。（F0为柱尾载气体积流量） VM = tM F 0,调整保留值: 调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。 tR= tR tM 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: 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,3、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。 根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。 根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱分离情况进行评价。,2-2

5、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（distribution coefficient） 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。 2、容量因子（capacity factor） 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。,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，而取决于组分及固定相的热力学性质，并随柱温、柱压变化而变化。 分配比k（容量因子）决定于组分及固定相的性质，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。 容量因子是常用

6、的重要参数。组分分离最终取决于组分在两相中的相对量，而且容量因子可由实验测出。,理论上可以推导出：,Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各种色谱柱柱型及其结构特征。如： 填充柱（Packing column）: 635 毛细管柱（Capillary column）: 501500,容量因子k计算式的推导思路：,二、色谱分离的基本理论 1、塔板理论（ Martin and Synge 1941） 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。n或H

7、作为柱效能指标。 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（Y）或半峰宽（ Y1/2 ）按下式推算：,或,n或H可作为描述柱效能指标。 有效塔板数（neff）的计算公式为：,Heff=L/neff,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 （J. J. Van Deemter 1956） 速率理论认为，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。 范第姆特方程式(Van De

8、emter equation)提出了一个联系各影响因素的方程式： A项为涡流扩散项；B/ u项为分子扩散项；C u为传质项； u为载气线速度，单位为cm/s。,涡流扩散项 当溶质随流动相流向色谱柱出口时，溶质和流动相受到填料颗粒的阻力，不断改变流动方向，致使同一组分的不同分子在通过填料的过程中所走的路径不一样，所取路径最长和最短的溶质分子（离子）流出色谱柱的时间相差越大，则峰的展宽越严重。溶质分子在前进过程中形成的这种紊乱类似于“涡流”的流动，所以称之为涡流扩散。 图示：涡流扩散引起的色谱峰展宽。,担体粒度,填充不规则因子,分子扩散项 溶质分子在移动方向上向前和向后的扩散，即x轴方向的扩散。它

9、是由浓度梯度所引起。样品从柱入口加入，样品带像一个塞子随流动相向前推进，由于存在浓度梯度，塞子必然会自发地向前和向后扩散，引起谱带展宽。纵向扩散引起的峰展宽的大小由下式决定：,图139色谱柱中的分子扩散项,弯曲因子,组分在气相中的扩散系数,传质阻力项 Cu=(Cm+Cs)u 流动相传质阻力项：溶质分子要从流动相转移到固定相中，就要从流动相主体扩散到固定相界面，阻碍这一扩散过程的阻力称流动相传质阻力。,固定相传质阻力项：溶质分子到达两相界面后，将继续扩散到固定相内部达到分配平衡，然后又返回到两相界面。溶质在这一移动过程中的阻力称固定相传质阻力。,色谱柱的总理论塔板高度H可以表示如下：,综上所述，

10、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质量传递的不能瞬间达到平衡，是造成色谱峰扩展，柱效能下降的原因。该方程为分离操作条件的选择提供了理论指导。 有些因素的影响以彼此相反的效果出现，如流速、温度等。应适当选择。,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柱的总分离效能的指标。 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

11、%； 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、色谱分离基本方程 设两相邻峰的峰宽相等，即Y1=Y2，则,又知,称为柱效项；,称为柱选择项；,容量因子项。,相对保留因子或选择因子,另neff和n的关系,与柱效的关系（柱效因子） 与容量因子的关系,Rn1/2,增加柱长,减小塔板高度,局限：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 由分离度、柱效、柱选择性的关系：,r2,1越大，柱选择性越

12、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。,可以估算所需色谱柱的长度。,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：,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 稍高于最佳流速。,2、载气种类的选择 载气种类，影响到Dg，从而与分子扩散项和传质阻力项有关。 当载气流速小时，分子扩散项对柱

13、效能的影响是主要的，此时应选用摩尔质量大的气体（如N2、Ar）作载气，以抑制纵向扩散，获得较好的分离效果。 当载气流速大时，传质阻力项对柱效能的影响是主要的，此时应选用摩尔质量较小的气体（如H2、He）作载气，以减小传质阻力，提高柱效能。 载气的选择还应考虑检测器的种类。,3、柱温的选择（重要操作变数） 既与分离效能、分析时间有关，又影响到ri，j 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。 为了在较低的柱温下分析，可用低固定液含量的色谱柱，使液膜薄一些，来改善液相传质。 沸点范围较宽的试样，宜用程序升温。,4、固定液的用量 目前盛行

14、低固定液含量的色谱柱，液膜较薄，柱效较高，分析时间较短；但允许的进样量较少。应权衡两方面决定，一般5：100到25：100。 5、担体的选择 要求担体表面积大，表面和孔径分布均匀，使固定液在担体上成为均匀的薄膜；同时要求担体粒度均匀、细小。（目的均为获得高的柱效） 6、进样时间和进样量 进样时间1s以内，避免原始宽度变大； 根据担液比及柱子形式决定进样量（与柱容量有关）。 7、汽化温度（与被测对象的利用度有关） 汽化温度高于柱温30-70度。,2-4 固定相及其选择 一、固定相的类型： 吸附剂型固定相 （气固色谱） 固定相 担体+固定液型固定相（气液色谱） 常用吸附剂型固定相有：,常用担体+固

15、定液型固定相中： 担体有：硅藻土型（红或白，常用）和非硅藻土型 1、红色担体：（101型担体） 特点是：表面空隙小、比表面积大、机械强度高、担液能力强、表面有吸附中心。适于非极性固定液。 2、白色担体：（6201型担体） 特点是：表面空隙较大、比表面积较小、机械强度较差、担液能力中、表面无吸附中心。适于极性固定液。 硅藻土型担体用前可预处理：酸洗、碱洗、硅烷化。 3、非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃微球担体、高分子微球担体等。 特点是：表面空隙适中、比表面积适中、机械强度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。,二、固定液的类型,三、固定液的极性 固定液与待测化合物之间的作用力主要属定向力、诱导

16、力、色散力、氢键力等弱相互作用为主，所以固定相的极性对分离过程非常重要，固定相极性用相对极性P的公式表示： 规定：,-氧二丙腈固定液的P=100、角鲨烷固定液的P=0 、测试标样为环己烷（2）-苯（1）,按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级： 020 为0+1 ，称非极性固定液； 2040 为+1+2 ，称弱极性固定液； 4060 为+2+3 ，称中极性固定液； 80100 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”,四、固定液选择示例,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

17、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、

18、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) 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,二、气相色谱检测器的工作原理 1、热导检测器 原理；就是利用不同的物质具有不同的导热系数。,Self-study : 热导池的构造，工作原理及影响检测灵敏度的因素。,2、氢火焰离子化检测器 原理：利用有机化合物在氢火焰中燃烧时能产生带电离子碎片，收集其荷电量进行测定。 Self-study : 氢火焰检测器的构造，工作原理及影响检测

19、灵敏度的因素。,三、色谱检测器的性能指标 1、灵敏度,灵敏度是响应信号对进样量的变化率,2、检出限 3、最小检出量 4、响应时间 5、线性范围,对质量型,对浓度型,2-6 气相色谱定性方法 一、利用保留值进行定性分析 二、与其他方法结合的定性分析法 三、利用检测器的选择性进行定性分析,常用的保留值定性方法 1、利用内标物与待测物的相对保留值r1，2进行定性分析 实验中可用双柱、或多柱进行分析，必须要有适当的标准物质。 2、利用保留指数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的值与柱温

20、度有关，与温度之间呈线性关系，所以可以方便的外推求出不同柱温下的I值。,Figure Sketch map for determination of rotention index,2-7 气相色谱定量方法 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： 1、手工测量法 峰高乘半峰宽法 峰高乘平均峰宽法 峰高乘保留值法 2、积分仪和色谱工作站,三、定量校正因子 （Quantitative calibration factor） 绝对校正因子： 相对校正因子：用标准物质为参照物、求出待测物质与标准物之间绝对校正因子的比值。对热导池检测器的标准物是苯、对氢火焰离子化检测器的标准物是正庚烷。,1、质量校正因子（Mass calibration factor fm ）,2.摩尔校正因子（Molar calibration factor fM ）,各物质的量以摩尔数计，Mi , Ms分别表示被测 物与标准物质的相对分子质量（摩尔质量）,四、定量计算方法