仪器分析_气相色谱法基础.ppt

1、1,第二章 气相色谱法(1),Gas Chromatography(GC),2,3,气相色谱质谱联用仪 GCMS-QP2010E,4,1. 色谱法的产生 色谱法是一种分离技术，它是俄国植物学家茨维特(M.Tswett)1906年创立的。他分离植物叶子中的色素时，将叶片的石油醚（饱和烃混合物）提取液倒入玻璃管中，柱中填充CaCO3粉末（CaCO3 有吸附能力)，用纯石油醚洗脱（淋洗）。,一、色谱分析法简介,2-1 色谱分析法概述,5,色素受两种作用力影响: 柱内填充CaCO3 ，其吸附作用使色素在柱中停滞下来；,同时，由于被石油醚流动并溶解，使色素向下移动；,各种色素结构不同，受两种作用力大小不

2、同，经过一段时间洗脱后，色素在柱子上分开，形成了各种颜色的谱带，这种分离方法称为色谱法。,6,7,8,液相色谱：液体作流动相，传统的液相色谱，由 于流速慢，分析速度很慢。通过加 压， 使其流速加快，1969年HPLC发 展（高压液相色谱），液相色谱被广 泛应用。,气相色谱：气体作流动相，1952年产生气相色 谱，是色谱法一项革命性进展。,9,随着被分离样品种类的增多，该方法广泛地用于无色物质的分离，因而，“色谱”名称中的“色”失去了原有的意义，但“色谱”这一名称沿用至今。,我国在色谱分析领域的研究起于1954年，由中 国科学院大连化学物理研究所首先开发。经过几十年的努力，我国色谱基础理论研究和

3、应用技术研究方面具有特色，居世界领先行列。,大连依利特分析仪器有限公司,10,1. 按流动相和固定相状态分类 气体作流动相 气相色谱（GC） （1）气固色谱：气体作流动相，固体吸附剂作固 定相。 （2）气液色谱：气体作流动相，固定液作固定相。,二、色谱分析法分类,11,2. 按固定相的固定方式分类,（1）柱色谱： 填充柱色谱：固定相填充到柱管内; 毛细管柱色谱：把固定相涂在毛细管内壁上， 中间是空的。 （2）纸色谱：滤纸为固定相的色谱法，流动相是 含一定比例水的有机溶剂，样品在 滤纸上展开进行分离。 （3）薄层色谱：把固体固定相压成或涂成薄膜的 色谱法。,12,3. 按分离原理分类,（1）吸附

4、色谱：利用吸附剂表面对被分离的各组分吸附能力不同进行分离。 （2）分配色谱：利用不同组分在两相分配系数或溶解度不同进行分离。 （3）离子交换色谱：利用不同组分对离子交换剂亲和力不同进行分离。 （4）空间排阻色谱：利用凝胶对分子的大小和形状不同的组分所产生的阻碍作用不同而进行分离的色谱法。 ,13,三、色谱分析法的特点,14,3. 分析速度快 几分钟、几十分钟可完成一个分析周期，一次分析可以同时多个组分。,4. 应用广泛 气体、液体、固定样品均可。 色谱法几乎能分析所有的化学物质，广泛用于无机、有机、生物、食品、医药、环境等分析任务。,15,四、色谱分离过程与常用术语,1. 色谱分离过程 （1）

5、色谱基本过程,16,17,（2）色谱分离过程,现以填充柱内进行分配色谱说明色谱分离过程。 下图表示A、B两组分在色谱柱内的分离过程示意图。将混合物样品一次注入色谱柱后，流动相连续不断地流经色谱柱：,18,19,2. 色谱图（流出曲线）,试样各组分经色谱柱分离，从色谱柱流入检测器，并将组分浓度（质量）变化转换成电压（电流）信号，并记录下来。 将从进样开始到分析结束，检测信号随时间变化的曲线，称色谱图。 因其记录了各个组分流出色谱柱的情况，又叫色谱流出曲线。,20,21,3.色谱图中的基本术语,（2）基线 当没有待测组分进入检测器时（仅有流动相），检测器的噪音随时间的变化关系。图中OA 稳定情况下

6、，基线是一条直线，基线上下波动称为噪音。,（1）色谱峰 某组分的响应信号随时间的变化曲线。 正常：对称钟形（符合高斯分布） 不正常：产生拖尾峰,22,（3）色谱峰的高度h,色谱峰最高点与基线之间的距离，可用mm ,mV， mA表示。峰的高低与组分浓度有关，峰越高越窄越好。,23,（4）色谱峰区域宽度 色谱峰的区域宽度是组分在色谱柱中谱带扩展的函数，它反应了色谱操作条件的动力学因素，常用表示方法有三种：,A 标准偏差 色谱峰是高斯分布，在0.607倍峰高处有一拐点。标准偏差即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。,24,25,B 峰底宽Wb 色谱峰两侧拐点所作切线在基线上的距离。 下图中IJ,峰高一

7、半处色谱峰的宽度。,C 半峰宽,下图中GH,26,27,色谱峰与基线延长线所包围的面积。 对于对称的色谱峰： 对于非对称的色谱峰：,（5） 色谱峰面积A,28,（6）色谱保留值,保留值:试样中各组分在色谱柱中滞留时间的数值，反映了组分分子与固定相分子作用力大小；,保留值可用时间t 和所消耗流动相的体积V来表示；,组分与固定相作用越强，则在柱中滞留的时间越长，消耗的流动相体积越大；,固定相、流动相固定，色谱操作条件一定时，组分的保留值是个定值。,组分保留值由色谱分离过程的热力学因素决定。,29,30,31,C 调整保留时间,组分的保留时间与死时间的差值。,32,D 保留体积VR 组分从进样开始到

8、色谱柱后出现最大值时所需流动相体积。,流动相平均体积流速,33,E 死体积VM (V0),不被固定相保留的组分流经色谱柱所消耗的流动相体积。,死体积可以认为是色谱柱内未被固定相所占据的空隙体积，也即色谱柱内流动相体积。但在实际测量时，包括了柱外死体积（即色谱仪中管路和连接头之间的空间，以及进样系统和检测器的空间）。,34,F 调整保留体积VR,扣除了死体积的保留体积，真实的将待测组分从固定相中携带出柱子所需的流动相体积。,注意：保留时间受流动相流速的影响，而保留体积与流动相流速无关。,35,G 相对保留值,在相同操作条件下，组分2对另一参比组分1调整保留值之比。,36,一般两组分的相对保留值只

9、与柱温及固定相的性质有关，与柱长、柱径、柱填充情况及载气流速等无关。,37, 2-2 气相色谱分析理论基础,38,39,Vs：固定相体积。 Vm：流动相体积。,40,3. 保留值与分配比的关系,可以证明：组分的分配比它等于该组分的调整保留时间与死时间的比：,所以，分配比可由色谱图直接求出。,41,4. 保留值与分配系数K的关系,所以：,42,5. 色谱基本保留方程式,43,色谱分析包括分离、检测两个方面，无论是定性或定量分析，分离是前提。,样品在色谱柱内的分离过程基本理论包括两方面：,一是混合物中各组分在色谱柱中两相间的分配 与待分离组分、流动相、固定相的分子结构和性质有关; 可以用保留值评价

10、组分在两相间的分配情况 (热力学过程),另一是各组分在色谱柱中的运动情况 与分离组分在色谱柱中遇到的阻力有关; 各色谱峰的半宽度反映了各组分在色谱柱中的运动情况， (动力学过程),二、色谱分离的基本理论,44,1. 塔板理论,45,46,在20世纪50年代，色谱技术发展的初期，由Martin、Synge等人提出。把色谱分离过程比作精馏过程，并把精馏中的半经验理论塔板理论用于色谱分析法。,（1）塔板理论基本假设,A 一根连续色谱柱为由许多小段组成。在每一 小段内，一部分空间为 固定相占据，另一部 分空间充满流动相，每一小段相应一个蒸馏， 称为一个理论塔板。,47,B 在每一个小段内，组分在流动相

11、和固定相之间可以很 快达到分配平衡，这样达到分配平衡的一小段柱长称 为理论塔板高度H；,C 流动相进入色谱柱不是连续的，而是脉动的， 即每次进入一个塔板体积；,D 组分沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可 忽略不计；,E 组分分配系数在各塔板上是常数。,48,（2）塔板理论基本描述 A 理论塔板高度H 组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需柱长。 B 理论塔板数 n 组分流经色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数。 设柱长为L，则：,L固定，则H越小，n越大，柱效率越高分离效果越好，用 H，n 评价柱效。,49,可见，组分保留时间tR越长，色谱峰宽度越小，n值越大，H越小，色谱柱效率越高。,50,D

12、 有效塔板数 计算,在实际应用中，有时发现尽管理论塔板数很大，但色谱分离效率不高的现象，主要原因是未将不参与分配的死时间扣除。,51,E 有效塔板数 与理论塔板数关系,分配比k值越小，有效塔板数明显小于理论塔板数； k值越大，有效塔板数接近理论塔板数。,52,（3）塔板理论的成功与局限,53,所以，用塔板理论来说明色谱柱内各组分的分离过程并不完全合理，因为色谱柱内并没有塔板。当同一试样进入同一色谱柱，当流动相速度变化时，得到不同的色谱图。测得的 n 和 H 也不同，充分说明塔板理论不足以说明色谱柱的分离过程，根源在于塔板理论把色谱过程看成纯粹的热力学过程，是不合理的。,54,2. 速率理论,1

13、956年，荷兰学者范第姆特（Van Deomter）等人研究气相色谱时，提出了色谱过程的动力学理论速率理论。 吸收了塔板理论的有益成果：塔板高度的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，指出：理论塔板高度H是色谱峰展宽的量度，导出了塔板高度与流动相流速的关系式：,55,56,范第姆特方程式提出了影响的三项因素：涡流扩散项、分子扩散项、 传质阻力项。 在流动相流速一定时： 当、小时，小，n 才高，柱效高。 当、大时，大，n 才少，柱效低。,57,产生原因,（1）涡流扩散项A（多径项）,在填充色谱柱中，由于柱内固体填充颗粒大小的不完全相同，以及填充的不均匀性，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动

14、相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似“涡流”的流动，因而，同一组分的分子通过色谱柱时，有许多长短不同的路径，到达柱尾出口有先有后，产生色谱峰扩展，故称涡流扩散。,58,涡流扩散项计算,A与固定相颗粒大小、几何形状以及装填紧密程度有关，与流动相流速无关。,59,60,（2）分子扩散项B/u（纵向扩散项）,产生原因,当样品组分在色谱柱内被流动相带向前进时，由于组分在柱内存在浓度差，因而组分分子随流动相前进时，自发地由浓稀方向扩散，产生了纵向扩散，使色谱峰展宽。,61,：弯曲因子，指填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，它反映了固定相的几何形状对分子扩散的阻碍情况

15、。 D：为组分在流动相中扩散系数（c m2s-1）。 Dg：组分在气相中扩散系数比液相扩散系数 Dm大的多（约105倍）, 分子扩散项计算,62, 减小纵向扩散项u 采取措施：,A 适当提高流动相流速u，减小保留时间，减 小分子扩散引起的峰展宽；,B 对于气相色谱，应采用相对分子质量较大的 气体作流动相。 因为：,（扩散系数与载气分子量平方根成反比。）,63,（3）传质阻力项Cu,传质：物质由于浓度不均匀而发生的物质迁 移过程。 传质阻力：影响传质过程进行的各种因素。,64, 流动相传质阻力系数 Cm,组分从流动相移动到固定相表面，进行两相之间的质量交换时所受到的阻力，质量交换慢，引起色谱峰变

16、宽。,65,减小流动相传质阻力系数的措施：,在分子量小的载气中，组分的扩散系数大，流动相传质阻力小。,66, 固定相传质阻力系数 Cs,即组分从两相界面移动到固定相内部，达分配平衡后，又返回到两相界面，在这过程中所受到的阻力为固定相传质阻力。这一过程需要时间长，固定相传质阻力就大，造成色谱峰变宽。,67, 降低固定液液膜厚度(Csdf2)并且液膜要均匀；若膜厚，扩散费时；但不能太薄，否则包不住载体。 增加组分在固定相中的扩散系数。,减小固定相传质阻力系数 Cs的措施：,（4）色谱速率方程式,68,（5）载气流速u对理论塔板高度H的影响,色谱速率方程式：,若以H对流动相流速u作图，得到Hu关系曲

17、线：,下图为气相色谱和液相色谱的Hu关系曲线,69,GC（a）u有一最低点u最佳；u小或u大，H都大 LC（b）u没有最低点； u大，H增大不多，因此可用较高的流速，提高分析速度。,u,70,气相色谱中的最佳流速可通过实验和计算方法求得,将 微分：,71,1）载气流速小的时候，分子扩散项u是影响H的 主要因素，应选相对分子量大的载气，N、Ar； 2）载气流速大的时候，传质阻力C u是影响H的主 要因素，应选相对分子量小的载气，H2，Ne，以 改善传质。,可测三种流速对应的板高H，解三元一次方程，求出A、B、C即可求出u最佳和H最小。 实际工作中，为缩小分析时间，可选略高u最佳的流速，常用2 u

18、最佳。,72, 2-3 色谱分离条件的选择,73,A B,74,式中：保留值差别是反映了分离组分在两相中分配 行为，是色谱分离的热力学因素。 谱峰的宽窄反映了动态过程组分区带的扩宽 对分离的影响，是色谱分离的动力学因素。,. 分离度R色谱柱的总分离效能指标,定义：相邻两个峰的保留值之差与两峰峰底宽度 平均值之比。,因此，分离度R是衡量色谱柱效率的总性能指标。,75,两个峰tR 相差越大，W越窄，R值越大，说明柱分离较能高。 R.5 两个组分能完全分开(峰重叠小于1%)。 R.0 两组分能分开(峰重叠约2%) ，满足分 析要求。 R.0 两峰有部分重叠。,76,77,2. 分离度与色谱柱效能、选

19、择性,柱效能指色谱柱在分离过程中的分离效能， 常用n，H来描述，对单个组分而言， n 越大，H越小， 柱效越高。(动力学因素),对多个组分的分离来说，无法用n，H 来描述，n 大，H小，几个峰未必分的开。(当r接近于1时),78,选择性描述两个相邻组分在同一固定相中热力 学分配行为的重要参数，用r2,1相对保留 值表示。 r2,1越大，保留时间相差大， 分离越好（但未考虑动力学因素）,79,二、色谱分离基本方程式,1. 公式推导 设两个相邻的色谱峰A、B，假设两峰底宽相等，即：,80,代入分离度公式：,81,又：,代入上式得：,82,83,根据理论塔板数与有效塔板数关系：,84,2. 分离度与

20、柱效、柱容量、选择性的关系,85,A:柱效项：,增加理论塔板数是提高分离度的最有效手段。,86,B：柱容量项：k大一些对分析有利；太大，分析时 间长，柱容量合适,分得才好。 一般1 k 10（理想 2 k 5）,87,C：选择性项：r2,1越大，tR（B）与tR（A） 相差越 大，分的越好。,88,3. 色谱分析对分离度的要求,定性分析,峰高法定量,峰面积定量,89,色谱定性分析的任务是确定色谱图上各个色谱峰代表什么物质。,各种物质在一定色谱条件下，均有确定的保留值，因此，色谱保留值可作为一种定性指标。,不同物质在同一色谱条件下，可能具有相同或相似的保留值，即保留值并非物质的专属性质，因此，仅

21、仅根据保留值对一个求知样进行定性分析有困难。通常结合样品来源、性质、分析目的等，并根据具体方法来进行定性分析更为有效。,90,一、利用标准物质对照定性 在相同色谱条件下，将标准物和样品分别进样，若两者保留值相同，可能为同一物质，否则不是。 此方法要求操作条件稳定、一致，必须严格控制操作条件，尤其是流速。,91,92,93,1. 人为规定：正构烷烃的保留指数为其碳数乘以 100，即：,2. 选择两个正构烷烃为基准物，使被测物的调整 保留值位于所选正构烷烃之间,3. 将含待测物及所选两个正构烷烃混合物注入 一定固定相的色谱柱内，在一定条件下，测 得色谱图。,94,95,96,4. 计算保留指数 大

22、量实验结果表明：保留指数与调整保留时间对数值呈线性关系，因而可用内插法求出未知组分保留指数：,97,若 n = 1，即所选为两个相邻的两个正构烷烃。,98,五、与其它分析仪器联用的定性方法,色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS） 色谱-红外光谱仪联用仪；,99,定量分析任务：求混合物中各组分的百分含量。,定量分析依据：在一定操作条件下，被测组分的 质量（或浓度）与检测器的响应 信号成正比。, 2-7 色谱定量分析方法,100,一、峰面积计算法,1. 峰高乘以半峰宽法 对于对称峰，符合高斯分布,2. 峰高乘以平均峰宽法 对于不对称峰，可在峰高0.15及0.85处分别峰宽，再取平均值。,3. 自动积分法 仪器自动积分后，给出峰面积（现代仪器基本功能）。,101,二、定量校正因子,色谱定量分析是基于峰面积与组分的量成正比关系。 但由于同一检测器对不同物质具有不同的响应值，即不同物质检测器的灵敏度不同，相同的峰面积并不意味着有相等的量。,因此，不能根据色谱峰面积直接计算组分含量，需对峰面积进行校正。,102,1. 绝对校正因子,绝对校正因子：单位峰面积对应组分的质量。,103,104,可见，相对校正因子就是当组分的质量