第十章气相色谱法.ppt

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1、气 相 色 谱 法,第十章,Gas Chromatography GC,10-1 色谱法引论,一、概述, “色谱法” 名称的由来,色 谱 带,利用混合物不同组分在固定相和流动相中分配系数(或吸附系数、渗透性等)的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。,色谱法, 色谱法的分类,根据流动相的 物态分为,气相色谱(GC) 液相色谱(LC),超临界流体色谱(SFC),根据固定相的外形分,柱色谱 平板色谱,平 板 色 谱,根据分离机理 分为,吸附色谱 分配色谱 离子交换色谱 排阻色谱 亲和色谱,二、色谱流出曲线及有关术语,(一）保留值定性分析依据,1、死时间t0,流动相

2、平均线速度,柱长,2、保留时间tr,3、校正(调整)保留时间,4、死体积V0,5、保留体积Vr,6、校正(调整)保留体积,F为柱出口处的载气流量，单位：m L/min,7、相对保留值ri,s,8、分离因子,(二）峰高与峰面积定量分析依据,（三）区域宽度柱效,峰底宽度W： 半峰宽W1/2： 标准偏差：,峰高0.607倍处峰宽度的一半,(四）色谱流出曲线上的信息,1. 根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。 2. 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。 3. 根据色谱峰的面积或峰高, 可以进行定量分析 4. 色谱峰的保留值及其区域宽度是评价色谱柱分离效 能的依据 5. 色谱峰两峰间的距离，

3、是评价固定相(或流动相)选 择是否合适的依据。,三、色谱分析的基本原理,组分保留时间为何不同？ 色谱峰为何变宽？,(一）分配系数K和分配比k,组分在固定相中的浓度,组分在流动相中的浓度,1.分配系数,组分一定时，K主要取决于固定相性质 （选择适宜的固定相可改善分离效果） 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础 组分及固定相一定时,温度增加,K减小,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,K与k都是与组分及固定相的热力学性质有关的 常数。（K、k与温度、压力有关，与浓度无关 ） 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

4、分的保留时间越长。 k可直接从色谱图上获得。,3.分配系数K与分配比k的关系,4.分离因子与分配系数K及分配比k的关系,(二）色谱理论,1.塔板理论柱分离效能指标评价:热力学理论,* k=1,随着流动相前进,组分前进,但进度和组分的k有关,理论塔板数,理 论 塔 板 高 度,色谱柱长度,柱效能指标,色谱柱长度L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（W）。, 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。一般用苯评价柱效能。,有效塔板数,有效板高,有时理论计算的n很大，而实

5、际分离效果并不好，因为t0并没有参加分配,2. 速率理论影响柱效的因素:动力学理论,范弟姆特（Van Deemter）方程,塔板理论可以定量描述柱效能，以热力学讨论了色谱分离本质，但无法说明影响H的因素及峰扩宽W,1) 涡流扩散项A（多径扩散）,固定相颗粒越小，填充的越均匀,：填充不均匀因子 dp：固定相颗粒直径,试样随载气在固定相颗粒间形成涡流，分子以不同长度路径流出。,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,：扩散路径弯曲因子 Dg：组分扩散系数,进样后试样在载气中产生浓度差，引起浓差扩散,3) 传质阻力项Cu, 气相传质阻力：,

6、固定相颗粒越小，载气分子量越小,气相传质阻力越小,分子从气相迁移至固定相表面受到的气相传质阻力 2. 固定相（液相）扩散回气相界面受到的传质阻力, 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,df：固定相液膜厚度 Dl：组分在固定液中的扩散系数,4) 流动相线速度u对板高的影响,实际操作时，常采用略高于uopt的流速，而缩短分析时间,例：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的A=0.08 cm; B=0.65 cm2/s; C=0.003 s, 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/dud(A+B/u+Cu)/d

7、u-B/u2+C0 最佳线速: u最佳(B/C)1/2 (0.65/0.003)1/214.7 cm/s 最小板高: H最小A+B/u+Cu 0.17 cm,四、分离度（分辨率）,定义：,tr2, tr1: 组分2和组分1的保留时间,W2, W1: 组分2和组分1的峰底宽度,R=1.5 完全分离,五、基本色谱分离方程式,对于难分离相邻两组分：,W1W2W,分离因子 = tr2/ tr1,分配比 k = tr2/ t0,综合了热力学和动力学因素，定量描述柱总分离效能,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

8、, 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。 n 3) 在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。 n,使试样中的不同组分分离需要满足的条件,例：有一根 l m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：,R=1.2,1),2),10-2 气相色谱实验技术,一、气相色谱仪,GC工作

9、过程,载气系统,进样系统,分离系统,检测和 记录系统,温控系统,（一）载气系统,常用载气：氮气、氦气、氢气及氩气,气源 净化干燥管 载气流速控制装置,载气系统,（二）进样系统,温度比柱温高出1050,硅橡胶隔膜,取样位置 试样导入色谱柱,六通阀进样器,比注射器精度高,（三）分离系统(色谱柱),金属或玻璃:固体吸附剂或涂有固定液的载体,玻璃或石英: 内壁涂固定液或化学键合,1、气液色谱固定相, 组成,担体(载体) 固定液,硅藻土,红色 白色,非硅藻土:玻璃微球 聚四氟乙烯,SiO2, 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

10、度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。,1) 担体(载体), 担体的表面处理,a. 酸洗浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团 b. 碱洗氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去酸 性作用基团 c. 硅烷化除去担体表面的氢键作用力,二甲基二氯硅烷,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 ), 组分与固定液分子间的相互作用,静电力极性分子之间的作用力 诱导力极性与非极性分子之间的作用

11、力 色散力非极性分子之间的作用力 氢键力氢原子与电负性很大的原子(如F、 O、N等) 之间的作用力, 固定液的相对极性P,并不是真正的“极性”,非极性,弱极性,中极性,强极性, 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,固定液有数百种，固定液的选择还没有规律可循,常用毛细管色谱柱固定液,2、气固色谱固定相,永久性气体

12、H2、N2、CO、CO2、N2O 惰性气体He、Ne、Ar、Kr、Xe 低沸点有机化合物C1C4烃类,分离对象,分离测定有机物中的痕量水,高分子多孔微球,（苯乙烯、二乙烯苯交联共聚的多孔聚合物）, 分类： 积分型 微分型 浓度型热导池、电子捕获 （信号强度与被测组分在载气中的浓度成正比，而峰面积与载气流速成反比，故应保存载气流速恒定） 质量型氢焰 （信号强度与被测组分在载气中的质量成正比，与浓度无关，故峰面积不受载气流速影响）,(四) 检测系统,性能指标,灵敏度：浓度型 质量型 检测限： 浓度型 质量型,Ai：峰面积 u1：记录仪灵敏度 u2 ：走纸速度倒数 Fc：载气流速 mi：进样量,N：

13、噪音信号（mV） 或3倍,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,惠斯顿电桥,R1 = R2,(Thermal Conductivity Detector), 影响热导检测器灵敏度的因素,载气种类 热丝工作电流I3S 热丝与池体温度差, 适用范围 测量对象：通用 色谱柱：填充柱, 特点 结构简单，应用广泛，非破坏性 峰高定量（不受流速影响） 灵敏度低，用于常量分析,100300mA,mg/L,2、氢火焰离子化检测器 (FID), 火焰离子化机理,(Flame Ionization Detector), 特点 灵敏度高，线性范围宽，稳定快速，很少受条件影 响，峰面积定

14、量，适合于含碳有机化合物 破坏性，不能进行馏分收集, 影响检测灵敏度的因素 氢氮比；空气流量；极化电压,3、质谱检测器（GC-MS）,电子捕获检测器:高电负性卤素、硫、磷、氰基等 火焰光度检测器（原子发射检测器）:有机硫磷分析 热离子检测器：氮磷检测,二、色谱分离操作条件的选择,1. 色谱柱,固定相：相似相溶 固定液液膜厚度：低沸点试样选高液载比柱，反之亦然。 柱长：填充柱15 m, 毛细管柱2050 m 柱内径：填充柱内径35 mm, 毛细管柱0.20.5 m,2. 载气及其线速的选择,u 较小时，分子扩散项B/u是峰展宽主因，选择分子量较大的载气（N2，Ar）使组分扩散小，展宽小； u 较

15、大时，传质阻力项Cu为主，选择分子量较小的载气(H2，He) 改善气相传质。,气体扩散系数,载气的选择也要和检测器相适应,气相传质阻力：,3. 柱温的选择,改变柱温产生的影响,柱效,柱温，气相、液相的传质速率，H，改善柱效；但同时又会加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。,分离度,柱温升高， K 减小，分离度下降。,分析时间,降低柱温，分析时间增加,柱温应控制在固定液的最高使用温度和最低使用温度范围之内。 使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。 柱温一般选择在组分平均沸点左右。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,选择原则,程序升温50250

16、， 8/min,恒温150 ,正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较,程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。,4. 进样量的选择,进样量,柱效,进样量过大，使色谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽,检测器,进样量过大，峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏,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,10-3 气相色谱分析方法及应用,一、定性分析,1、用已知纯物质 对照定性,保留值定性 峰高增加法定性 不同色谱柱定性,2、用经验规律和文献值定性,(1) 经验规律,碳数规律,在一定温度下，同系物的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系,如果知道两种或更多同系物的调整保留时间，则可求出

17、常数A和C。从色谱图查出未知物的 后，由上式求出未知物的碳数。,(2) 相对保留值,相对保留值ri,s只与固定液、柱温有关： 测定分析物i和基准物s相对保留值，查表对照定性,(3) 保留指数,Z, Z+1:相邻正构烷烃的碳原子数,进样,计算值和文献对照定性,例：乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲线如下图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正丁酯310.0 mm，正庚烷174.0 mm，正辛烷373.4 mm。求乙酸正定酯的保留指数。,在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知组分进行验证。,3、联机定性, GC/MS(气相色谱-质谱),例：川桂皮挥发油的化学

18、成分分析,色谱柱：SE54(30 m0.25 mm0.25m),色谱操作条件,载气：氦气，流速1.0 mL/min,柱温：初温60保持1min，8 /min升温至 150 ，6 /min升温至190 ，8 /min升温至250 ，保持1min,总离子流色谱图,6号峰的质谱图, GC/AES(气相色谱原子发射光谱),二甲基硒,烯丙基甲基硒,甲基亚磺基硒酸甲酯,二甲基二硒,2丙稀硫硒酸甲酯,1丙稀硫硒酸甲酯,双(甲硫)硒,烯丙基甲基硫,二甲基二硫,二烯丙基硫,烯丙基甲基二硫,二甲基三硫,二烯丙基二硫,烯丙基甲基三硫,二烯丙基三硫,GC-AES同时检测大蒜中碳、硫、硒化合物,Se(196.1 nm)

19、,C(193.1 nm),S(180.7 nm),结论： GC定性分析和其他分析方法结合，才能准确判断某组分的存在。,多种方法联合定性可大大提高鉴定的可靠性,二、定量分析,1、定量基础,或,f为定量校正因子,单位峰面积(或单位峰高)的组分的量,定量校正因子f,相对校正因子,因进样量m不易准确控制，故f值不易测准,测定：准确称量待测物纯品mi和基准物ms，色谱测定的峰面积Ai及As，求得,2、常用的几种定量分析方法,(1) 归一化法,试样中所有组分均须出峰,要求,操作条件如进样量、载气流速等变化时对结果的影响较小。,优点,质量百分比,(2) 外标法(校准曲线法),或,不使用校正因子,需准确控制进

20、样量、 载气流速等操作条件,适合测定大批量样品,(3) 内标法,对内标物的要求： （a）试样中不含有该物质； （b）与被测组分性质比较接近； （c）不与试样发生化学反应； （d）出峰位置应位于被测组分附近，且无 组分峰影响。,准确度高,优点,组分不全部出峰或只分析一或几种组分时,直接定量,例: 测定二甲苯氧化母液中乙苯和二甲苯含量，采用内标法。称取试样1500 mg，加入内标物壬烷150 mg，混合均匀后进样，测得如下数据：,计算样品中乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯的含量。,解：,其他省略,三、应用,（一）分离分析中的应用,气体、易挥发的物质及可转化为易挥发化合物的液体或固体物质,适用对象,（二）化学研究中的应用,1. 通过测定保留时间，研究某些化学平衡性质， 如溶解热、活度系数、熵变及焓变等,2. 通过测定色谱峰柱后扩宽程度，研究某些动 力学过程，如测定液体和气体的扩散系数、 反应速率常数等,3. 根据保留体积或峰面积，测定相对分子质量、 表面积、孔率分布及液膜厚度等物化性质,本章基本要求,1. 色谱法基本概念 2. 塔板理论和速率理论基本原理和计算 3. 气相色谱仪构成和各部件原理、特点 4. 气相色谱固定液选择原则 5. 气相色谱法定性和定量分析的依据和基本方法,作 业,p205-206 1，4，9，10，13， 16，17，19,