仪器分析讲义第二章.ppt

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1、关于分配系数（K）与分配比（k）,K与k比较,K是组分在两相中的浓度比，k是组分在两相中的（质）量比。都与组分及固定相的热力学性质有关，随柱温、柱压变化而变化。 K只取决组分和两相性质，与两相体积无关。k取决于组分和两相性质，与相比有关，会随固定相量的量变化而改变。 给定的色谱体系，组分分离最终取决于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，所以，k是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数，k导致tR，当k=0时，tR = tM。,二、色谱分离基本理论 1、塔板理论（ Martin and Synge 1941） H = L / n 理论塔板高度为H，柱长为L，理论塔板数n 。 塔板理论前提假设： 1

2、. 每段间隔内，气相平均组成与液相平均组成迅速达到分配平衡。 2. 载气进入色谱柱不是连续的，而是脉动式的，每次进气为一个板体积。 3. 试样开始时都加在0号塔板上，并且试样沿色谱柱方向的扩散可忽略。 4. 分配系数在各塔板上是常数。,色谱柱塔板数 n=5 某一组分分配比 k=1 单位质量 m=1,以载气板体积数为横坐标，柱出口浓度为纵坐标，作出组分流出曲线图,当n值很大时（103-106），流出曲线趋近于正态分布， 流出曲线上浓度 c 与时间 t 关系为：,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,有效塔板数（neff）的计

3、算公式为；,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。,Heff=L/neff,塔板理论的优缺点,优点：能解释 流出曲线形状（正态分布），浓度极大点的位置，计算评价柱效能。 缺点：不能解释 塔板高度受哪些因素影响？为什么在不同流量下可以测得不同的理论塔板数？,2、速率理论 （J. J. Van Deemter 1956） 吸收了塔板理论的概念，结合影响塔板高度的动力学因素，导出塔板高度H与载气线速度u的关系,A，B，C为常数， 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。,A=2

4、dp 填充的不均匀性，dp填充物的平均颗粒直径（cm） B=2Dg 弯曲因子， Dg 组分在气相中的扩散系数（cm2 s-1）,范弟姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。 它可以说明 ，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。,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。 分离度可用来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,两组分如何能够完全分离？ 两组分

5、色谱峰间距足够大 峰必须窄,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。,当两组分色谱峰分离较差，峰底宽度难测量时，可用半峰宽代替峰底宽度。,峰的区域宽度： a、标准偏差 0.607倍峰高处色谱宽度的一半 b、标准偏差峰宽 W0.607h=2 c、半高峰宽 Wh/2=2(2ln2)1/2=2.35 峰高一半处的宽度 d 、峰底宽 WD = 4,R=0.59R,二、色谱分离基本方程 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,色谱分

6、离基本方程,与柱效的关系（柱效因子）,R n1/2,提高分离度R的方法：增加柱长和减小塔板高度,n=L/H,与容量因子k的关系,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 k值调整方法： 改变柱温 和 改变相比。,与柱选择性的关系,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。,增加值的方法：改变固定相，使组合分配系数有较大差别,分离度、柱效、柱选择性的关系,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

7、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（分析时间、柱效）,实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速 稍高于最佳流速。,填充柱最佳实用线速： N2 10-12 cms-1, H2 15-20 cms-1, 用体积流量表示时，当色谱柱内径为3mm时 N2 15-25 mlmin-1, H2 30-40 mlmin-1 体积流速F0与线速度之间的关系：,2、柱温的选择（直接影响分离效果和分析速度） 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。不能高于固定液最高使用

8、温度，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。,高沸点混合物（300-400） 在较低柱温（比沸点低100-200 ）分析； 用低固定液含量色谱柱（质量分数1%-3%），薄液膜，以改善液相传质速度； 减小进样量，使用高灵敏度检测器 沸点200-300 混合物 中等柱温下操作，固定液质量分数5%-10%。柱温比平均沸点低100 沸点100-200 混合物 柱温可选在平均沸点2/3左右，固定液质量分数10%-15% 气体、气态烃等低沸点混合物 柱温选在其沸点或沸点之上，以期能在室温或50 以下分析，固定液质量分数通常为15%-25%，或采用吸附

9、剂作固定相 当沸点范围较宽试样，宜采用程序升温,3、固定液性质与用量 担体表面积越大，固定液用含量越高，允许进样量越多。 为改善液相传质，提高柱效能，缩短分析时间，宜采用薄液膜，低固定液含量色谱柱。 固定液配比（固定液与担体质量比）一般为 5：100 - 25：100,4. 担体性质和粒度 要求：担体表面积大，表面和孔径分布均匀。以使固定液在担体表面成为均匀薄膜，液相传质快，提高柱效能。 担体粒度匀细可提高柱效。过细阻力大，使柱压降增。3-6mm色谱柱，常使用80-100目担体。 5.进样时间和进样 尽量快，注射器或进样阀进样，常在1秒内。过长试样原始宽度变大，半峰宽变宽，使峰变形。 液体 0

10、.1-0.5 l，气体 0.1-10 ml。 进样量过大造成峰重叠，分离不好，太小信号弱。 6. 汽化温度 在试样不分解情况下，提高汽化温度对分离及定量有利。汽化温度常比柱温高30-70.,2-4 固定相及其选择 一、固定相的类型： 1.吸附剂型固定相 固定相 2.担体+固定液型固定相 气固色谱法常用吸附剂及性能： 见P25，表2-4，P26，表2-5,气液色谱固定相 担体： 一种化学惰性、多孔性固体颗粒，其作用是提供一大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。 要求： 表面化学惰性，表面没有吸附性或吸附性很弱，绝不能与被测物起化学反应。 多孔性，即表面积较大，使固定液与

11、试样接触面较大。 热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎。 担体粒度均匀，细小，以利于提高柱效。通常60-80目，或80-100目。,常用担体+固定液型固定相中： 常用担体有： 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。 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。 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。 硅藻土型担体用前要预处理：酸洗、碱洗、硅烷化

12、。,二、固定液： 要求： 挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，不易流失。 热稳定性好，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。 对试样各组分有适当的溶解能力，否则被载气带走而起不到分配作用。 具有高的选择性，即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力。 化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。,二、固定液分离特征： 固定液分离特征是选择是固定液的基础，一般根据“相似相溶”原理进行， 即： 固定液的性质和固定液的性质和被测组分有某些相似性时，其溶解度就大。 如果组分与固定液分子性质 ( 极性 ) 相似，固定液和被测组分两种分子间的作用力就强，被测组分在固定液中的溶解度就大，分配系数就

13、大， 被测组分在固定液中溶解度或分配系数的大小与被测组分和固定液两种分子之间相互作用的大小有关,分子间的作用力包括静电力、诱导力、色散力、和氢键力等。 分子间相互作用与分子的极性有关。 固定液的极性可以采用相对极性 P 来表示。 规定 强极性的固定液 , 氧二丙腈 的相对极性 P=100 ， 非极性的固定液角鲨烷的相对极性 P=0 ， 然后用一对物质正丁烷 丁二烯或环己烷 苯进行试验，分别测定这一对试验物质在 , 氧二丙腈 ，角鲨烷及欲测极性固定液的色谱柱上的调整保留值，然后按下列两式计算欲测固定液的相对极性 P x,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

14、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；,三、固定液选择 “相似相溶”原理： 分离非极性物质，一般选用非极性固定液。这时试样中各组分按沸点次序先后流出色谱柱，沸点低的先出峰，沸点高的后出峰。 分离极性物质，选用极性固定液，这时试样中各组分主要按极性顺序分离，极性小的先流出色谱柱，极性大的后流出色谱柱。 分离非极性和极性混合物时，一般选用极性固定液，这时非极性组分先出峰，极性组分 ( 或易被极化的组分 ) 后出峰。 对于能形成氢键的试样，如醇、酚、胺和水等的分离。一般选择极性的或是氢键型的固定液，这时

15、试样中各组分按与固定液分子形成氢键的能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。,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）,通用检测器有： 1、热导池检测器，TCD (Thermal conduc

16、tivity 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、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,热导池结构：由池体和热敏元件构成， 原理；就是利用不同的物质具有不同的导热系数。,影

17、响热导池检测器灵敏度的因素 桥路工作电流影响：电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体就容易将热量传出去，灵敏度就提高。 热导池体的温度的影响：当桥路一定时，钨丝温度一定。 载气的影响：载气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。 热敏元件阻值的影响：选择阻值高，电阻温度系数较大的热敏元件 ( 钨丝 ) ，当温度有一些变化时，就能引起电阻明显变化，灵敏度就高。,2、氢火焰离子化检测器（flame ionization detector,FID）,结构：,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。,A预热区 B点燃区 C热解区 D反应区,三、色

18、谱检测器的主要性能指标 1 灵敏度 S 灵敏度就是响应信号对进样量的变化率： S= R/Q 对于浓度型检测器，其响应信号（峰高h）正比于载气中组分的质量浓度 ： h=SC Sc为比例常数，即检测器的灵敏度。,质量型检测器灵敏度计算式,峰面积（mVs）,进样量 （g）,浓度型检测器灵敏度计算式,色谱出口流量（mL/min）,峰面积（mVmin）,进样量（mg）,2、检出限D（detection limit） 检出限也称敏感度，指检测器恰好能产生和噪声相鉴别的信号时，在单位体积或时间需向检测器进入的物质质量 ( 单位为 g ) ，定义为： D=3N/S,N为检测器噪声， 指由于各种因素引起的基线在

19、短时间内左右偏差的响应数值。（单位mV） S为检测器灵敏度。 D越小，仪器越敏感。,3. 最小检出量 指检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时所需进入色谱柱的最小物质量 ( 或最小浓度 ) ，以 Q0 表示。,4 响应时间要求检测器能迅速地和真实地反映通过它的物质的浓度变化情况，即要求响应速度快。5 线性范围是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，范围越大，越有利于准确定量。,2-6 气相色谱定性法,一、保留值： 为什么可以利用色谱保留值进行定性分析？ 各种物质在一定的色谱条件下（固定相、操作条件）均有确定不变的保留值，因此保留值可作为一种定性指标，保留值的测定

20、是最常用的色谱定性方法。 优点：应用简便，不用其它仪器设备。 缺点： 1. 适用于在相同色谱条件下保留值不同的化合物。 2. 适用于确证已知化合物，不适用于鉴定完全未知物。 3. 常需要标准试样或多柱分析。,利用保留值定性分析具体操作注意事项： 应采用重现性好和较少受到操作条件影响的保留值。保留时间或保留体积受操作条件影响较大，重现性较差，故常采用仅与柱温有关，不受操作条件影响的相对保留值作定性指标。 对较简单多组分混合物，若其中所有待测组分均已知，色谱能分离，为确定各个色谱峰所代表物质，可将色谱峰保留值与相应的标准试样在同一条件下所测得的保留值进行对照比较。 对色谱图上出现的未知峰进行鉴定，

21、a. 要利用对未知物的了解，估计未知物可能是哪几种化合物. b.从文献中找出这些化合物在某固定相上的保留值，与未知物在同一固定相上的保留值进行比较，排除部分可能化合物。c.将未知物与每一种可能化合物的标准试样在相同色谱条件下进行验证，比较两者保留值是否相同。,未知物与标准试样保留值相同，但峰形不同时，不能认为是同一物质。应将两者混合进行色谱实验。若有新峰或在未知峰上有不 规则形状，表示两者不同物质。若混合后峰增高，且半峰宽不相应增加，表示可能是同一物质。 在一根色谱柱上用保留值鉴定组分有时不可靠，因不同物质可能在同一色谱柱上具有相同保留值。所以应用双柱或多柱法进行定性分析。即：采用两根或多根性

22、质不同的色谱柱进行分离，观察未知物和标准物质保留值是否始终重合。,二、保留指数： 是一种重现性较其它保留数据都好的定性参数，可根据所用固定相和柱温直接与文献值对照而不需要标准试样。 方法：把物质的保留行为用两紧靠它的标准物（通常 为两个正构烷烃）来标定，并以均一标度（不用对数）来表示，则某物质保留指数计算式：,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。,正庚烷: x,正辛烷:,保留指数测定示意,保留指

23、数 准确度和重现性好，相对误差小， 柱温和固定液相同的情况下，可不用纯物质，直接用文献上发表的保留指数进行定性鉴定。,三、与其它方法结合的定性分析法： 与质谱、红外光谱等仪器联用 与化学方法配合进行定性分析 四、利用检测器的选择性进行定性分析,2-7 气相色谱定量法 一、色谱定量公式： 一定操作条件下，分析组分 i 的质量mi 或其在载气中的浓度与检测器的响应信号成正比。,mi = fi Ai,待测物质质量,待测物质定量校正因子,待测物质色谱峰的积分面积,色谱定量分析依据,定量分析步骤：,准确测量峰面积 准确求出比例常数 根据色谱定量分析依据，选择正确的定量法，将测得组分的峰面积换算为质量分数

24、。,mi = fi Ai,二、色谱峰的面积求法： 1、峰高乘半峰宽法（对称峰） 2、峰高乘平均峰宽法（不对称峰） 3、峰高乘保留值法（狭窄峰） 4、电子积分法,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

25、别表示被测 物与标准物质的相对分子质量（摩尔质量）,3. 体积校正因子fv 4. 相对响应值 s， 相对响应值是被测组分与标准物质的响应值（灵敏度）之比。 单位相同时：,四、常用定量计算方法 1、归一化法：若样品中所有的组分均能流出色谱柱且有较好的、可分辨的色谱峰时可用此法定量。,各组分f值相近或相同时，简化为：,2、内标法：若样品中除待测的几个色谱峰有良好分离，但其它所有的组分不能全部流出色谱柱或有不可分辨的色谱峰时可用此法定量。 将一定量纯物质作内标物，加入到准确称取试样中，根据被测物与内标物质量及在色谱图相应峰面积比，求出某组分含量。,3、内标标准曲线法：若样品用量与加入标准物质量完全固

26、定，则内标法的计算就可以简化为内标标准曲线法，它适用于工厂内成批样品的定量分析。,如果经常需要测定同一物质，可固定试样的称取量，并加入恒定量的内标物，此时fi mS / fs m为一常数故：,wi Ai / AS,适合于液体试 样的常规分析,2、外标法：所谓外标法就是应用欲测组分的纯物质来制作标准曲线。此时用欲测组分的纯物质加稀释剂(对液体样品用溶剂稀释、气体样品用载气或空气稀释)配成不同含量()标准溶液，取固定量标准溶液进样分析，从所得色谱图上测出响应讯号(峰面积或峰高等)、然后绘制响应信汛号(纵坐标)对百分含量(横坐标）的标准曲线。分析试样时，取和制作标准曲线时同样量的试样(固定量进样)，

27、测得该试样的响应讯号，由标准曲线即可查出其百分含量。,2-8 毛细管气相色谱法 一、毛细管柱型： 1、 壁涂开管柱 2、 多孔层开管柱 3、 载体涂渍开管柱 4、 化学键合毛细管柱 5、 交联毛细管柱 二、毛细管柱的特点： 1、渗透性好，柱压降小，可用长柱型 2、柱容量小，允许进样量小，进样必须分流 3、总柱效高，可分离复杂物质体系 4、相比大，可以快速分析。,色谱柱,packed column,capillary column,填充柱（2-6mm直径，1-6m长） 毛细管柱（0.1-0.5mm直径, 几十米长）,2-9 气相色谱法的应用 气相色谱分析是一种高效能、选择性好、灵敏度高、操作简单、应用广泛的分析、分离方法。 气相色谱分析可以应用于分析气体试样，也可分析易挥发或可转化为易挥发的液体和固体，不仅可分析有机物，也可分析部分无机物。一般地说，只要沸点在 500 以下，热 稳定良好，相对分子质量在 400 以下的物质，原则上都可采用气相色谱法。目前气相色谱法所能分析的有机物，约占全部有机物的 15% 20% ， 而这些有机物恰是目前应用很广的那一部分，因而气相色谱法的应用是十分广泛的。 对于难挥发和热不稳定的物质，气相色谱法是不适用的。,作业： (02) : 1、2、3、4、7、8、10 (03)： 16、19、20、21、 22、23、25、28、32,