气相色谱法

1第11章色谱分析法Chromatography[kromə`tɑɡrəfi]1概述6定性分析2基本原理7定量分析3色谱柱8毛细管色谱简介4检测器9应用5分离条件选择10液相色谱简介2关键词：气相色谱；塔板理论；速率理论；分离度；保留值；定量校正因子；定量方法3第一节概述色谱法是一种混合物高效分离、分析技术。是复杂混合物成分分析和结构测定的重要工具。一.色谱法由来及发展由俄国植物学家Цвет(茨维特,Tswett）1906(3)年创立。4MichaelTswett(1872-1919),aRussianbotanist,discoveredthebasicprinciplesofcolumnchromatography.Heseparatedplantpigmentsbyelutingamixtureofthepigmentsonacolumnofcalciumcarbonate.Thevariouspigmentsseparatedintocoloredbands;hencethenamechromatography.5为了分离植物色素，将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，形成一圈圈不同颜色的色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法。67之后，1948年瑞典生物化学家蒂西利乌斯（Tiselius)由于在电泳分析和吸附色谱等方面的重要贡献，获得诺贝尔化学奖。81941年英国生物化学家Martin和Synge在研究乙酰氨基酸的分离时，发展了液液分配色谱法，开创了分配色谱的新阶段，指出：试样混合物的分离过程是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。其中的一相固定不动，称为固定相；另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。9在色谱发展史上占有重要地位的英国人A.J.P.Martin(马丁)和R.L.M.Synge(辛格)，提出:色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。1952年，因为他们对分配色谱理论的贡献获诺贝尔化学奖。NobelPrizeinChemistry(1952)fortheinventionofpartitionchromatography10此后，色谱法不仅用于分离有色物质，还用于分离无色物质，并出现了种类繁多的各种色谱法。分离无颜色的物质也沿用色谱的概念11年代发明者发明的色谱方法或重要应用1906Tswett用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。1931Kuhn,Lederer用氧化铝和碳酸钙分离a-、b-和g-胡萝卜素。使色谱法开始为人们所重视。1938Izmailov,Shraiber最先使用薄层色谱法。1938Taylor,Uray用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。1941Martin,Synge提出色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。1944Consden等发明了纸色谱。1949Macllean在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段。1952Martin,James从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法。1956VanDeemter等提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。1957基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。1958Golay发明毛细管柱气相色谱。1959Porath,Flodin发表凝胶过滤色谱的报告。1964Moore发明凝胶渗透色谱。1965Giddings发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。1975Small发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测的新型离子色谱法。1981Jorgenson等创立了毛细管电泳法。12色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作年代获奖学科获奖研究工作1937化学类胡萝卜素化学，维生素A和B1938化学类胡萝卜素化学1939化学聚甲烯和高萜烯化学1950生理学、医学性激素化学及其分离、肾皮素化学及其分离1951化学超铀元素的发现1955化学脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素1958化学胰岛素的结构1961化学光合作用时发生的化学反应的确认1970生理学、医学关于神经元触处迁移物质的研究1970化学糖核苷酸的发现及其在生物合成碳水化合物中的作用1972化学核糖核酸化学酶结构的研究1972生理学、医学抗体结构的研究13二.色谱法分类按流动相分类气相色谱GC（气固GSC、气液GLC）液相色谱LC（液固LSC、液液LLC）按固定相形状分类柱色谱CC（填充柱、毛细管柱）薄层色谱TLC（板色谱）纸色谱1415按分离原理分类吸附色谱（气固）分配色谱（气液、液液）离子交换色谱测定带电荷混合物凝胶渗透色谱测聚合物分子量分布。毛细管电泳九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。161718三、气相色谱仪的组成以气体作流动相的柱色谱法，称为气相色谱法（GC)。由五大部分组成：1载气系统2进样系统3分离系统(色谱柱)4温控系统5检测系统1920气相色谱仪示意图2122231.载气系统1）载气，主要有氢气、氮气、氦气和氩气。用高压钢瓶贮存。2）稳压恒流装置，稳压阀可减压，使载气流速稳定。3）净化器，提高载气纯度，净化剂主要有活性炭、分子筛、铜催化剂等分别除去载气中的烃类、水、氧气。242.进样系统包括进样器和气化室。进样器:液体样品进样器：微量注射器，1-50uL;气体样品进样器：气体管，1-5mL;六通阀.气化室：要求样品在气化室中瞬间气化而不分解。要求气化室热容量要大，死体积应尽可能小。25263分离系统------色谱柱样品中各组分在色谱柱中得到分离。1）填充柱（Packedcolumn）（1）柱管：L2-10mФ2-6mm（2）固定相固体固定相：硅胶，氧化铝等液体固定相：担体上涂覆固定液27282）毛细管柱（capillarycolumn）柱管：L30m-50mФ0.25mm，0.35mm，0.53mm等空心毛细管内壁涂覆、键合、交联固定液29304.温控系统温度是气相色谱的重要参数。温控系统是用来设定、控制、测量色谱柱箱、气化室、检测器三处的温度。多采用可控硅温度控制器进行连续精密控制。0.1℃以内。315.检测与记录系统将样品量信号转化为电信号，并显示、处理和打印的系统。检测器后面还要详细讲解。32续前四、气相色谱法的特点和应用范围特点：1）分离效能高；组成复杂；性质相近例如：石油气（C1-C4）的成分分析，目前都采用气相色谱法。以25%丁酮酸乙酯为固定液，6201担体，柱长12.15m，内径4mm,柱温12℃,氢为载气，流速25ml/nin，热导池电桥电流120-150mA,C1-C4各组分得到较好的分离。331-空气；2-乙烷；3-乙烯；4-二氧化碳；5-丙烷；6-丙烯；7-异丁烷;8-乙炔；9-正丁烷；10-正丁烯；11-异丁烯12-反丁烯;13-顺丁烯;14-1，4-丁二烯。342）灵敏度高；最小检出量10-11--13g3）分析速度快；几-几十分钟4）应用范围广：普及适于分析无机或有机的气体、易挥发的液体及固体试样，以及可转化为易挥发的液体或固体试样。不适合分析不易气化或热不稳定性物质35第二节气相色谱法的基本原理一、色谱分离过程色谱分离过程是在色谱柱内完成的。填充柱色谱包括气固色谱和气液色谱，两者的分离机理不同。气固色谱的固定相:“多孔性的固体吸附剂颗粒”,分离基于固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。36气液色谱的固定相:由担体和固定液所组成,分离基于固定液对试样中各组分的溶解能力的不同.气固色谱的分离:吸附与脱附的平衡过程，不断重复；气液色谱的分离：气液两相间的反复多次溶解、挥发的分配过程。37气相色谱分离过程当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附;随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附;挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附;随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。381.分配系数（partitionfactor），K组分在固定相和流动相之间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g/mL）比，称为分配系数，用K表示，即：MccKS组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度混合物中各组分分配系数的差异是色谱分离的依据influencefactor？39分配系数K的讨论i.一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；若组分的K=0时，即不会被固定相保留，最先流出柱。ii.试样一定时，K主要取决于固定相性质。iii.试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度K402.分配比（partitionratio）k在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：MSMMSSSVVKVcVcmmkM组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量分配比也称：容量因子(capacityfactor)；或容量比。41小结1）分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。2）分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。3）分配比可以由实验测得。42二、基本概念1．色谱流出曲线（图）和色谱峰试样中的各组分经色谱柱分离后，随载气依次进入检测器，经检测器将组分质量或浓度变化转变为电信号，并以信号变化对流出时间作图，则得到一条呈正态分布的色谱流出曲线，称为色谱图。4344正常峰（对称）非正常峰前沿峰拖尾峰色谱峰色谱峰：流出曲线上的突起部分，多呈正态分布。2．基线当仅有流动相通过时，检测器响应信号随时间变化的曲线（稳定时为—水平直线）基线漂移453．保留值：色谱定性参数保留时间tR(retentiontime)：从进样开始到待测组分出现浓度极大点时所需时间，即组分通过色谱柱所需要的时间死时间tM(或t0,deadtime)：不被固定相溶解或吸附的组分的保留时间，（即空气的保留时间）。调整保留时间：待测组分的保留时间与死时间之差值，即组分在固定相中滞留的时间=tR–tMRt47保留体积VR：从进样开始到组分出现浓度极大点时所消耗的流动相的体积F0-----载气流速0FtVRR001FtFVRR无关；为定值，与注：48死体积VM：不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积，又指色谱柱中未被固定相所占据的空隙体积，即色谱柱的流动相体积（包括固定相空隙、色谱仪中的管路、连接头的空间、以及进样器和检测器的空间）0FtVMM001FtFVMM无关；为定值，与注：49调整保留体积VR´：保留体积与死体积之差，即组分停留在固定相时所消耗流动相的体积相对保留值ri,j（选择性系数α）：i组分与j组分调整保留值之比0''FtVVVRMRR''''jijiRRRRjiVVttr，50分配比k---组分调整保留时间与死时间的比值。''''121212RRRRVVttr，MRttk51分配比k的求算：1）组分分配在流动相中的分数RS：2）因此，k11mmmuuRsmmss流动相线速度组分线速度0rstLu，tLu0'r0'r00r0rVVtttttk)k1(tt或524．色谱峰的区域宽度：衡量色谱柱柱效的参数53峰底宽度Y（或W）：正态分布色谱流出曲线两拐点处切线与基线相交的截距标准偏差σ：正态分布色谱曲线0.607倍峰高处峰宽的一半半峰宽Y1/2(或W1/2)：峰高一半处所对应的峰宽355.221Y4Y21699.1YY注：区域宽度除了用于衡量柱效（分离效能）高低，还可以计算峰面积54三、塔板理论（一）基本假设：塔板模型