2019年第十章气相色谱法.ppt

气相色谱法第十章GasChromatographyGC§10-1色谱法引论一、概述“色谱法”名称的由来石油醚(流动相)碳酸钙(固定相)}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t00tLu流动相平均线速度柱长2、保留时间tr3、校正(调整)保留时间4、死体积V0cFtV005、保留体积VrcrrFtV6、校正(调整)保留体积F为柱出口处的载气流量，单位：mL/min7、相对保留值ri,s8、分离因子α(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σ：35.242/1WW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，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kmsccK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)kmsmmk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smmmssmsVVkVmVmccK//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塔板号载气体积数01234柱出口01234567891011121314151610.50.250.1250.0630.0320.0160.0080.0040.0020.00100000000.50.50.3750.250.1570.0950.0560.0320.0180.0100.0050.0020.001000000.250.3750.3750.3130.2350.1650.1110.0720.0450.0280.0160.0100.0050.0020.0010.000.1250.250.3130.3130.2740.220.1660.0940.0700.0490.0330.0220.0140.00800000.0630.1570.2350.2740.2740.2470.2070.1510.1100.080.0570.0400.027000000.0320.0790.1180.1380.1380.1240.1040.0760.0560.0400.0280.020随着流动相前进,组分前进,但进度和组分的k有关222/11654.5WtWtnrrnLH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↓）。222/1'16'54.5WtWtnrreffeffeffnLH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CuuBAH流动相线速度范弟姆特（VanDeemter）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W1)涡流扩散项A（多径扩散）固定相颗粒越小，填充的越均匀A越小，H越小，柱效越高，色谱峰越窄pdA2λ：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)gDB2流动相柱内谱带构型相应的响应信号产生原因：浓度梯度影响因素：流动相流速；气体扩散系数)1(载气MDgγ：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CuuCuCCulggpgDdkkC222)1(01.0气相传质阻力：固定相颗粒越小，载气分子量越小气相传质阻力越小1.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lflDdkkC22)1(32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CuuBAH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=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,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/du＝d(A+B/u+Cu)/du＝-B/u2+C＝0最佳线速:u最佳＝(B/C)1/2＝(0.65/0.003)1/2＝14.7cm/s最小板高:H最小＝A+B/u+Cu＝0.17cm四、分离度（分辨率）)WW()tt(2)WW(21ttR211r2r211r2r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)(212112WWttRrr对于难分离相邻两组分：W1≈W2≈WWttWttRrrrr''121222'162Wtnreff反映柱效，则有若以组分2221222116'''16RtttRnrrreffRttWrr''12分离因子α=tr2′/tr1′22220222221'''kktttttnnrrrreff11422kknR14effnR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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。α↑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lm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？22116Rneff＝需要解：1.1545549''12rrttR=1.2,)(278811.11.12.11622块＝需要effn1)14effnR8.054549原R)(25.28.02.112mL＝＝需要需要原来需要原来需要原来＝LLRRnneffeff22)22116Rneff§10-2气相色谱实验技术一、气相色谱仪GC工作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{载气系统载气选择依据检测器柱效{（二）进样系统注射器气化室进样系统{进样器气化室温度比柱温高出10～50℃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)色谱柱填充柱毛细管柱柱内径1-10mm0.05-0.5mm柱长度0.5-10m10-150m总塔板数~103~106样品容量10-10000.1-50gg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a.具有多孔性，即比表面积大。b.化学惰性，表面没有活性，有较好的浸润性。c.热稳定性好。d.有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。1)担体(载体)SiOHOSiOHSiCH3CH3ClCl+SiOSiSiCH3CH3OO+HCl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a.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。b.化学稳定性好，不与样品或载气发生不可逆的化学反应。c.粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。d.对样品中的各组分有适当的溶解度。(填充柱，毛细管柱)15.108.1组分与固定液分子间的相互作用a.静电力－极性分子之间的作用力b.诱导力－极性与非极性分子之间的作用力c.色散力－非极性分子之间的作用力d.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)()(lg)()(lg''''正丁烷丁二烯或环己烷苯rrrrttqttq角鲨烷氧二丙腈:2;,':1)()(100100211qqqqPxx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固定液极性适用范围100％二甲基聚硅氧烷非极性脂肪烃化合物，石化产品(50％三氟丙基)甲基聚硅氧烷中等极性极性化合物，如高级脂肪酸聚乙二醇中强极性极性化合物，如醇、羧酸酯等常用毛细管色谱柱固定液2、气固色谱固定相永久性气体H2、N2、CO、CO2、N2O惰性气体He、Ne、Ar、Kr、Xe低沸点有机化合物C1～C4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硅胶－强极性氧化铝－弱极性活性炭－非极性石墨化碳黑－非极性分子筛－极性高分子多孔微球(GDX)－不同极性固体吸附剂（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)(21mLmgSNDcc)/(6021gsmVmuuASiim)/(21mgmLmVmFuuASicic)/(2sgSNDmmAi：峰面积u1：记录仪灵敏度u2：走纸速度倒数F