气相色谱法原理

1、5 5 气相色谱法原理气相色谱法原理Gas ChromatographyGas Chromatography教学目的教学目的:1.掌握色谱法的基本原理掌握色谱法的基本原理,概念和踏板理论概念和踏板理论,速率理论速率理论2.了解色谱法的定性了解色谱法的定性,定量测定方法定量测定方法3.了解了解GC的特点的特点4.了解气相色谱仪的组成了解气相色谱仪的组成5.掌握如何选择分离操作条件掌握如何选择分离操作条件6.了解了解GC的应用的应用7.掌握有关计算掌握有关计算重点重点:踏板理论踏板理论,速率理论速率理论,分离操作条件分离操作条件,检测器检测器学时学时:6学时学时3-1 概述概述3.1.1. 色谱法

2、色谱法:一种分离技术一种分离技术1. 由俄国植物学家由俄国植物学家Tsweett创立创立2.原理原理 使混合物中各组分在两相间进行分配使混合物中各组分在两相间进行分配,其中一相是不动其中一相是不动的的(固定相固定相),另一相另一相(流动相流动相)携带混合物流过此固定相携带混合物流过此固定相,与固与固定相发生作用定相发生作用,在同一推动力下在同一推动力下,不同组分在固定相中滞留不同组分在固定相中滞留的时间不同的时间不同,依次从固定相中流出依次从固定相中流出,又称色层法又称色层法,层析法层析法3.分类分类(1)气相色谱气相色谱和和液相色谱液相色谱(流动相流动相)(2)柱色谱柱色谱,纸纸(PC)色谱

3、色谱,薄层色谱薄层色谱(TLC)(固定相固定相)(3)吸附色谱吸附色谱,分配色谱分配色谱,离子交换色谱离子交换色谱,排阻色谱排阻色谱(物理化学物理化学原理原理)(4)洗脱法洗脱法,顶替法顶替法,迎头法迎头法3.1.2色谱图及相关术语色谱图及相关术语色谱图色谱图:试样中各组分经色谱柱分离后试样中各组分经色谱柱分离后,在柱的末端收集各组分在柱的末端收集各组分,经检经检测器转换为电信号测器转换为电信号,用纪录仪将各组分浓度记录下来用纪录仪将各组分浓度记录下来,得到色谱图得到色谱图基线基线(baseline):O-t反映检测器系统噪声随时间变化的线反映检测器系统噪声随时间变化的线基线漂移基线漂移(ba

4、seline drift):基线随时间定向的变化基线随时间定向的变化基线噪声基线噪声(baseline noise):由各种因素引起的基线起伏由各种因素引起的基线起伏保留值保留值(retention value):试样中各组分在色谱柱中的滞留时间试样中各组分在色谱柱中的滞留时间,由色谱分离过程中的热力学因由色谱分离过程中的热力学因素控制素控制,作定性参数作定性参数1.死时间死时间(dead time)tM:不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时,从进样到出现极大值所需时间从进样到出现极大值所需时间OA u=L/ tM2.保留时间保留时间(retention

5、 time)tR:试样从进样到柱后出现峰极大值所经试样从进样到柱后出现峰极大值所经历的时间历的时间OB3.调整保留时间调整保留时间tR: tR= tR- tM4.死体积死体积VM: VM = tM.F0(流动相体积流速流动相体积流速)5.保留体积保留体积VR: VR= tR . F0(流动相体积流速流动相体积流速)6.调整保留体积调整保留体积VR: VR= VR- VM7.相对保留值相对保留值r21: r21= VR(2)/ VR(1) = tR(2)/ tR(1)r21只与柱温只与柱温,固定相性质有关固定相性质有关,是色谱定性分析的重要参数是色谱定性分析的重要参数,可用来表可用来表示固定相的

6、选择性示固定相的选择性分配比分配比k(partition ratio):分配过程分配过程分配系数分配系数K=CS/CM分配比分配比k:在一定温度在一定温度,压力下压力下,在两相间达到平衡时在两相间达到平衡时,组分在两相之中组分在两相之中的质量比的质量比 k=nS/nM k=KVS/VM (why?) r21=k2/k1=K2/K1 k= tR/ tM色谱峰高色谱峰高区域宽度区域宽度(Peak width):色谱峰宽度色谱峰宽度1标准偏差（标准偏差（）即即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。倍峰高处色谱峰宽度的一半。2半峰宽（半峰宽（Y1/2）峰高一半处色谱峰的宽度峰高一半处色谱峰的宽度 Y1/

7、2=2.3543基线宽度（基线宽度（Y）Y=4从色谱图得到的信息从色谱图得到的信息:1.样品中所含组分数样品中所含组分数(峰个数峰个数)2.定性分析定性分析(色谱峰的保留值色谱峰的保留值)3.定量分析定量分析(色谱峰面积或峰高色谱峰面积或峰高)4,评价色谱柱分离性能评价色谱柱分离性能(区域宽度区域宽度) 5-2 色谱分离法基本理论色谱分离法基本理论涉及到试样中各组分在两相间的分配情况和各组分在色谱柱中的运涉及到试样中各组分在两相间的分配情况和各组分在色谱柱中的运动情况动情况5.2.1 踏板理论踏板理论1.假定假定:(1)在每小段在每小段,气相平均组成与液相平均组成可以很快达到平衡气相平均组成与

8、液相平均组成可以很快达到平衡,每小每小段高度称为理论踏板高度段高度称为理论踏板高度(2)载气进入色谱柱是脉动似的载气进入色谱柱是脉动似的,每次进气为一个板体积每次进气为一个板体积(3)试样开始均加在第试样开始均加在第0号板上号板上(4)分配系数在各踏板上是常数分配系数在各踏板上是常数(线性色谱线性色谱)2内容内容(1) 理论踏板数理论踏板数n50(n=L/H)时时,可得到基本对称的峰型曲线可得到基本对称的峰型曲线(2)样品进入色谱柱后样品进入色谱柱后,可得到良好分离可得到良好分离(3)n与半峰宽及峰底宽的关系式与半峰宽及峰底宽的关系式当当tR一定时一定时,如果色谱峰越窄如果色谱峰越窄,则则n越

9、大越大,H越小越小,柱效能越高柱效能越高(4)有效踏板数有效踏板数踏板理论只能定性给出板高的概念踏板理论只能定性给出板高的概念例题例题:p366 例例1,例例25.2.2 速率理论速率理论(rate theory) 1956年年, Van Deemter等人提出的色谱过程的动力学理论等人提出的色谱过程的动力学理论,吸取吸取了踏板理论中板高的概念了踏板理论中板高的概念,考虑影响板高的动力学因素考虑影响板高的动力学因素,导出方程导出方程5.2.2 速率理论速率理论(rate theory) H=A+B/u+u1.涡流扩散项涡流扩散项A(eddy diffusion term) A=2dp 使用适当

10、细粒度和颗粒均匀的担体使用适当细粒度和颗粒均匀的担体,尽量填充均匀尽量填充均匀,是减少涡流扩是减少涡流扩散散,提高柱效的有效途径提高柱效的有效途径2.分子扩散项分子扩散项(纵向扩散项纵向扩散项)B(molecular diffusion term) B=2 Dg 采用相对分子质量较大的载气采用相对分子质量较大的载气;担体填充均匀担体填充均匀,可减少分子扩散可减少分子扩散采用较高的载气流速采用较高的载气流速,控制较低的柱温控制较低的柱温3.传质项传质项Cu)(resistance to mass transfer) 采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可提高柱效采用粒度小的填充物和分子量小的

11、气体作载气可提高柱效固定相的液膜厚度薄固定相的液膜厚度薄,组分在液相的扩散系数大组分在液相的扩散系数大,则液相传质阻力就则液相传质阻力就小小 板高方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义板高方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义,它它指出了色谱柱填充的均匀程度指出了色谱柱填充的均匀程度,填料粒度的大小填料粒度的大小,流动相的流动相的种类与流速种类与流速,固定相的液膜厚度对柱效的影响固定相的液膜厚度对柱效的影响4.载气流速载气流速u对理论踏板高度的影响对理论踏板高度的影响5-3 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择5.3.1 柱效和选择性柱效和选择性衡量柱效的指标衡量柱效的指标:理论踏板数理论踏板

12、数n有效有效衡量色谱柱的选择性衡量色谱柱的选择性:色谱图上两峰间的距离色谱图上两峰间的距离,主主要取决于组分在固定相上的热力学性质要取决于组分在固定相上的热力学性质5.3.2 分离度分离度(resolution)R1时时,两峰不能分离两峰不能分离R=1时时,两峰能分离两峰能分离R=1.5时时,两峰能完全分离两峰能完全分离要增大分离度需要增大分离度需1.增加踏板数增加踏板数n2.加大容量因子加大容量因子 3.增大选择性参数增大选择性参数k5.3.3色谱柱的选择与制备色谱柱的选择与制备1固定相的选择固定相的选择 根据根据“相似相溶相似相溶”的原则选择固定液的原则选择固定液,对于常见物质的分析，对于

13、常见物质的分析，也可参阅色谱手册来确定合适的固定液。也可参阅色谱手册来确定合适的固定液。 固定液种类繁多，色谱手册中通常给出十几种优选固定液，固定液种类繁多，色谱手册中通常给出十几种优选固定液，能满足大部分色谱分析需要，对新试样要判别试样是否完全分离，能满足大部分色谱分析需要，对新试样要判别试样是否完全分离，需在不同分离柱上进行实验。需在不同分离柱上进行实验。2柱长和柱内径的选择柱长和柱内径的选择 已知分离度已知分离度R正比于柱长的平方根，增加柱长对分离度有利，正比于柱长的平方根，增加柱长对分离度有利，但会使组分的保留时间增加，且柱阻力增加，不便操作。柱长的但会使组分的保留时间增加，且柱阻力增

14、加，不便操作。柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱。选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱。填充色谱柱的柱长通常为填充色谱柱的柱长通常为13 m，内径，内径34 cm。柱内径增加，柱。柱内径增加，柱效下降。效下降。 3柱的制备柱的制备 柱的制备包括固定液的涂渍和柱的填装。当选定固定液柱的制备包括固定液的涂渍和柱的填装。当选定固定液和担体后，还需确定固定液用量，原则是固定液应能均匀覆和担体后，还需确定固定液用量，原则是固定液应能均匀覆盖担体表面形成薄的液膜，固定液的用量通常用配比来表示盖担体表面形成薄的液膜，固定液的用量通常用配比来表示（固定液与担体的质量

15、比），一般在（固定液与担体的质量比），一般在5%25%之间。低配比，之间。低配比，柱效较高。分析速度快，但允许的进样量低。柱效较高。分析速度快，但允许的进样量低。 固定液的涂渍是将选定的固定液用合适的溶剂溶解后固定液的涂渍是将选定的固定液用合适的溶剂溶解后（溶剂用量以能完全浸没单体为宜），加入担体，缓慢蒸发（溶剂用量以能完全浸没单体为宜），加入担体，缓慢蒸发溶剂至干燥。溶剂至干燥。 螺旋形柱的填充通常采用真空填充法，应注意填充均匀，螺旋形柱的填充通常采用真空填充法，应注意填充均匀，致密，但又不可使柱压太大。致密，但又不可使柱压太大。4色谱柱的老化色谱柱的老化 制备好的色谱柱在使用前要进行老化处

16、理，即将柱子在制备好的色谱柱在使用前要进行老化处理，即将柱子在比其工作过程中的最高使用温度高比其工作过程中的最高使用温度高25的情况下通载气加热的情况下通载气加热几小时。为防止污染检测器，需将柱出口与检测器脱离直接几小时。为防止污染检测器，需将柱出口与检测器脱离直接引至室外。在老化过程中，填料中残存的溶剂以及固定相中引至室外。在老化过程中，填料中残存的溶剂以及固定相中可能存在的低沸点组分随载气流出。此外，还有助于使担体可能存在的低沸点组分随载气流出。此外，还有助于使担体上的固定液分布的更加均匀。上的固定液分布的更加均匀。5.3.4分离条件的选择分离条件的选择1载气种类和流速的选择载气种类和流速

17、的选择 由速率理论方程式：由速率理论方程式：H = A + B / u + Cu可知，分子扩散可知，分子扩散项与流速成反比，传质阻力项与流速成正比，故必有一最项与流速成反比，传质阻力项与流速成正比，故必有一最佳载气流速能使色谱柱的理论塔板高度最小，柱效最高。佳载气流速能使色谱柱的理论塔板高度最小，柱效最高。当载气流速较小时，分子扩散项对柱效的影响较大，此时当载气流速较小时，分子扩散项对柱效的影响较大，此时选用摩尔质量较大的气体如（选用摩尔质量较大的气体如（N2，Ar）作为载气，可抑制）作为载气，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。当载气流速较大时，传质阻试样的纵向扩散，提高柱效。当载气流速较大时，

18、传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），），可减小传质阻力，提高柱效，载气的选择还应考虑检测器可减小传质阻力，提高柱效，载气的选择还应考虑检测器的种类。的种类。柱温的选择柱温的选择 当柱子确定后，组分的分离程度还与柱温有关，因此，当柱子确定后，组分的分离程度还与柱温有关，因此，柱温的选择是十分重要的。首先应使柱温在固定液的最高柱温的选择是十分重要的。首先应使柱温在固定液的最高至最低使用范围内。柱温升高，分离度下降，保留时间缩至最低使用范围内。柱温升高，分离度下降，保留时间缩短，色谱峰变窄变高；柱温下降，分离度增加，分析时间短，色谱

19、峰变窄变高；柱温下降，分离度增加，分析时间延长。一般选择接近或略低于组分平均沸点的温度为柱温。延长。一般选择接近或略低于组分平均沸点的温度为柱温。对于组分复杂，沸程很宽的试样应采用程序升温的方法对于组分复杂，沸程很宽的试样应采用程序升温的方法进样方式和进样量的选择进样方式和进样量的选择 液体试样采用色谱微量进样进样，进样器规格有液体试样采用色谱微量进样进样，进样器规格有1L，10L，100L。 填充柱一般使用填充柱一般使用10L进样器，进样量应控制在柱容量允许进样器，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。进样动作要快，时间要短。范围及检测器线性检测范围之内。进样动作要快，时间要

20、短。气体试样应采用气体进样阀进样。气体试样应采用气体进样阀进样。气化温度的选择气化温度的选择 在色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，需要在色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，需要在此瞬间气化，气化温度一般较柱温高在此瞬间气化，气化温度一般较柱温高3070。应防止气化。应防止气化温度太高而造成试样分解。温度太高而造成试样分解。 5-4气相色谱气相色谱5.4.1气相色谱固定相气相色谱固定相1.气固色谱固定相气固色谱固定相 气固色谱固定相通常是具有一定活性的固体吸附剂细小颗粒，气固色谱固定相通常是具有一定活性的固体吸附剂细小颗粒，常见的有：活性炭，三氧化二铝，硅胶，分子筛，高分子多孔

21、微常见的有：活性炭，三氧化二铝，硅胶，分子筛，高分子多孔微球（球（GDX系列）等。系列）等。二、气液色谱固定相二、气液色谱固定相 气液色谱固定相是以一种惰性固体微粒作支持剂（称其为担气液色谱固定相是以一种惰性固体微粒作支持剂（称其为担体或载体），在其表面涂敷上一高沸点的物质（其在色谱分离操体或载体），在其表面涂敷上一高沸点的物质（其在色谱分离操作温度下呈液态，称其为固定液）而构成。作温度下呈液态，称其为固定液）而构成。（一）担体（一）担体 化学惰性的多孔固体微粒，具有较大的比表面积，固定液能化学惰性的多孔固体微粒，具有较大的比表面积，固定液能均匀地分布在其表面。担体应能满足一定的要求。常见担体

22、有硅均匀地分布在其表面。担体应能满足一定的要求。常见担体有硅藻土型和非硅藻土型两类。硅藻土型担体应用较广泛，它又分为藻土型和非硅藻土型两类。硅藻土型担体应用较广泛，它又分为红色担体和白色担体两种，它们都是由天然硅藻土煅烧而成。白红色担体和白色担体两种，它们都是由天然硅藻土煅烧而成。白色担体在煅烧前加入了少量助溶剂，如碳酸钠等。色担体在煅烧前加入了少量助溶剂，如碳酸钠等。红色担体：孔径较小，比表面积较大，具有较好的机械强度，适宜红色担体：孔径较小，比表面积较大，具有较好的机械强度，适宜分离非极性或弱极性组分的试样。分离非极性或弱极性组分的试样。白色担体：孔径较大，比表面积较小，机械强度较差，吸附

23、性小适白色担体：孔径较大，比表面积较小，机械强度较差，吸附性小适宜分离极性组分的试样。宜分离极性组分的试样。担体使用前需要经过预处理（经酸洗、碱洗、硅烷化及釉化等处理，担体使用前需要经过预处理（经酸洗、碱洗、硅烷化及釉化等处理，使担体表面钝化）。使担体表面钝化）。（二）固定液（二）固定液1固定液固定液通常是高沸点的有机化合物，使用时注意其使用温度。固定液应能通常是高沸点的有机化合物，使用时注意其使用温度。固定液应能满足一定的要求。满足一定的要求。 2固定液的极性固定液的极性相对极性。相对极性。麦氏常数。麦氏常数。3固定液的选择固定液的选择在掌握了固定液的相对极性和麦氏常数的基础上，根据试样的性

24、质，在掌握了固定液的相对极性和麦氏常数的基础上，根据试样的性质，参照参照“相似相溶相似相溶”的原则，初步选择适当的固定液。的原则，初步选择适当的固定液。固定液的选择大致可分为以下五种情况：固定液的选择大致可分为以下五种情况：（1）分离非极性组分一般选用非极性固定液。）分离非极性组分一般选用非极性固定液。（2）分离极性组分一般选用极性固定液。）分离极性组分一般选用极性固定液。（3） 分离非极性和极性（或易被极化的）组分的混合物一般选用分离非极性和极性（或易被极化的）组分的混合物一般选用极性固定液。极性固定液。（4）分离能形成氢键的组分（如：醇，胺，水等）一般选用极性）分离能形成氢键的组分（如：醇

25、，胺，水等）一般选用极性的或氢键型的固定液。的或氢键型的固定液。（5）对于复杂的难分离组分的分离通常采用特殊的固定液或混合）对于复杂的难分离组分的分离通常采用特殊的固定液或混合固定液。固定液。5.4.2气相色谱仪气相色谱仪1.气路系统气路系统(carrier gas)(1)载气载气(2)气路结构气路结构(3)净化器净化器(4)稳压恒流装置稳压恒流装置2.进样系统进样系统(sample injection)(1)进样器进样器(2)气化室气化室 3.分离系统分离系统色谱柱色谱柱(capillary column)4.温控系统温控系统5.检测器检测器(detector)浓度型微分检测器浓度型微分检测

26、器:热导池检测器热导池检测器(thermal-conductivity detector TCD), 电子捕获检测器电子捕获检测器(electron-capture detector ECD)质量型微分检测器质量型微分检测器:氢氧焰离子化检测器氢氧焰离子化检测器(hydrogen-flame ionization detector FID)1.热导池检测器热导池检测器检测原理检测原理:不同的物质具有不同的热导系数不同的物质具有不同的热导系数ECDFID(2)FID 思考题思考题:1.进行色谱分析时进行色谱分析时,载气流速时高一些好载气流速时高一些好,还是还是低一些好低一些好?2.选择固定相时选择固定相时,应遵循什么原则应遵循什么原则?3.热导池检测器的工作原理如何热导池检测器的工作原理如何?5-5 气相色谱分析方法及应用气相色谱分析方法及应用5.5.1试样的预处理试样的预处理1.化学衍生化化学衍生化2.裂解技术裂解技术3.分离与