第八章气相色谱法.ppt

第八章 气相色谱法,1.概述,色谱法定义：又名色层法、层析法， 是一种用于分离分析多组分混合 物质的物理及物理化学分析方法。,1.1气相色谱法简介,色谱法分类 ：按固定相和流动相分,气-固色谱 气-液色谱,气相色谱,液相色谱,液-固色谱 液-液色谱,用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。根据固定相的状态不同，又可将其分为气固色谱和气液色谱。气固色谱是用多孔性固体为固定相，分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。但由于气固色谱可供选择的固定相种类甚少，分离的对象不多，且色谱峰容易产生拖尾，因此实际应用较少。气相色谱多用高沸点的有机化合物涂渍在惰性载体上作为固定相，一般只要在450以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽压且热稳定性好的有机及无机化合物都可用气液色谱分离。由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，所以气液色谱有广泛的实用价值。,1.2 气相色谱法的特点 优点： （1）分离效能高 （2）灵敏度高 （3）快速 （4）应用范围广 不足之处：,适于分析气体、易挥发的液体及固体 不适合分析不易气化或不稳定性物质,1.3 气相色谱分析流程,（1）载气系统（2）进样系统 （3）分离系统 （4）检测系统 （5）记录系统,1.4分配系数和分配比,分离系统由色谱柱组成。 色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。 （1）填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2 4mm，长1 3 m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。 （2）毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。 空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.2 0.5mm，长度30 300m，呈螺旋型。,分配过程：组分在固定相和流动相间发 生的吸附、脱附，或者溶解、挥发的过 程叫做分配过程,（81）,（1）分配系数：在一定温度下，组分 在两相之间分配达到平衡时的浓度比， 称为分配系数，用K表示。,讨论：,（2）对于多种组分,（1）对于单一组分,若K值相同，则保留时间相同； 若K值相差越大，分离的可能性越大,（3）温度恒定，K值只与固定相和组分性 质有关；其他条件确定、组分一定时，K值 取决于固定相的性质,（2）分配比： 又称容量因子或者容量比，用k表示。 它是指在一定温度、压力下，组分在两相之间达到平衡时，它在两相之间的质量比。,（82）,（3）分配系数与分配比的关系,（83）,2.固定相,2.1气固色谱固定相 一般使用表面具有一定活性的吸附剂 作固定相。 常见的有：非极性、极性、氢键型、 其它（如高分子多孔微球、碳多孔小球）,2.2气液色谱固定相,一般习惯上把涂渍了固定液的担体称 为固定相，装于柱中构成色谱柱。,2.2.1担体 是一种化学惰性的、多孔性的固体微粒，有较大的表面积。 作用：承载固定液的作用,要求： 比表面积大（多涂渍固定液） 无吸附性（不吸附被测组分） 化学惰性（不与固定液发生化学反应） 热稳定性好 一定的机械强度,分类： （1）硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒 红色：吸附力强，分离非极性物质 白色：吸附力弱，分离极性物质 （2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球，氟塑载体，含氟化合物,担体的处理方法钝化，减弱吸附性 酸洗：用于分析酸类和酯类 碱洗：用于分析胺类等碱性化合物 硅烷化：用于具有形成氢键能力的较强的化合物 表面釉化 ：,2.2.2 固定液,要求： （1）对试样中多组分有适当的溶解能力 （2）选择性好，对各分离组分分配系数的差值要适当 （3）沸点高，挥发性小，热稳定性好 （4）化学稳定性好,固定液极性：用“相对极性”或者“麦氏常数” 表示,固定液的选择原则： 按相似相溶原则选择,（1） 非极性组分选非极性固定液， 按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱 （2）非极性和极性组分选极性固定液， 基本按沸点顺序出柱 （3）强极性组分选极性固定液 按极性顺序出柱，极性强的后出柱 （4）氢键型组分极性或者氢键型固定液,3.气相色谱分析的理论基础,3.1气相色谱流出曲线及有关术语,流出曲线：电信号强度随时间变化曲线,色谱峰,3.1.1一些基本概念,（1）基线：当没有待测组分进入检测器 时，反应检测器噪音随时间变化的曲线（稳定平直直线）,（2）保留值：色谱定性参数,保留时间tR：从进样开始到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：不被固定相溶解或吸附的组分的保留时间,调整保留时间tR：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,（84）,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,（85）,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）,（86）,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,（87）,（88）,相对保留值r21：调整保留值之比（注意意义）,（89）,（3）色谱峰的区域宽度（色谱峰宽度） ：色谱柱效参数,标准偏差：正态分布色谱曲线两拐点距离的一半，亦 对应0.607h处峰宽的一半 注：小，峰窄，柱效高 半峰宽Y1/2：峰高一半处所对应的峰宽,（810）,峰宽Wb ：正态分布色谱曲线两拐点切线与基线相交的截距,（811）,3.2色谱柱效能,3.2.1塔板理论 柱效能指标,色谱柱每个H高度内有一块塔板，共有若干块塔板，组分在每块塔板两相间分配达平衡，K小的先出柱。多次分配平衡，K有微小差异组分仍可获较好分离,理论板数和理论塔板高度的计算,理论塔板高度H为使组分在柱内两相间达到 一次分配平衡所需要的柱长 理论塔板数N组分流过色谱柱时，在两相间 进行平衡分配的总次数,（812）,（813）,（814）,续前,若组分的K值相同，无论理论塔板数多高，都无法 分离。不同物质在同一柱上的K值不同，所以同一 色谱柱对不同的物质的柱效能不同。,小结,塔板理论的贡献：从热力学角度解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大点的位置阐明了保留值与K的关系。提出了评价柱效高低的n和H的计算式。,练习,例： 在柱长为2m的5%的阿皮松柱、柱温为1000C，记录纸速度为2.0cm/min的色谱条件下，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.20cm，求理论塔板数。（见书上P338例）,解：,塔板理论优缺点 Van Deemteer 方程式,3.2.2速率理论 影响柱效能的因素,塔板理论优缺点,成功处： 解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的tR 阐明了保留值与K的关系 评价柱效（n，）,存在问题: 1）做出了四个与实际不相符的假设 忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程 2）只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的 影响因素 3）排除了一个重要参数流动相的线速度u， 因而无法解释柱效与流速关系 更无法提出降低板高的途径,Van Deemteer 方程式,涡流扩散项,分子扩散项,（815）,图示,（1） 涡流扩散项（多径扩散项）：A,产生原因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒的阻力路径不同涡流扩散,影响因素：固体颗粒越小，填充越实，A项越小,（2） 纵向扩散项（分子扩散项）：B/u,产生原因： 峰在固定相中被流动相推动向前展开两边浓度差,影响因素：,注：为降低纵向扩散，宜选用分子量较大的载气、控制较高线速度和较低的柱温,（3） 传质阻力项：C·u,产生原因：样品在气液两相分配，样品未及溶解就被带走，从而造成峰扩张,小结：范氏方程说明了在色谱分离条件的选择中，填充均匀程度、填充物的粒度、流动相的种类及流速、 固定相的液膜厚度等对柱效和峰展宽的影响,注：为降低传质阻力，采用粒度小的填充物和摩尔质量较小的载气，较低的液膜厚度。,3.2.3分离度,分离度定义式 相邻两组分保留时间之差的两倍与两色谱峰峰基宽之和的比值。,（816）,（817）,讨论：,（817a）,4.气相色谱分离操作条件的选择,4.1载气与流速的选择,选择载气应与检测器匹配 TCD选H2，He（u 大，粘度小） FID选N2（u 小，粘度大）,选择流速和载气应同时考虑对柱效和分析时间的影响,选择载气时应考虑流速的大小,4.2柱温的选择,原则： 1）在能保证R的前提下，尽量使用低柱温 2）根据样品沸点情况选择合适柱温 柱温应低于组分沸点501000C 宽沸程样品应采用程序升温,程序升温好处： 改善分离效果 缩短分析周期 改善峰形 提高检测灵敏度,4.3柱长和柱内径的选择,4.4进样量和进样时间的选择,注：根据R1.5选择L，一般较短(0.66m)不可以无限延长柱子,进样量原则：控制峰面积或者峰高与进样量 在线性范围内 进样时间：尽可能短,5.气相色谱检测器,检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为电信号的装置,（818）,（819）,比例系数S检测器的响应值（或者灵敏度、应答值）,浓度型检测器：测量组分浓度的变化 响应值与组分的浓度成正比（TCD）,质量型检测器：测量组分质量流速的变化 响应值与单位时间进入检测器的组分质量 成正比（FID）,分类：,（1）特点： 浓度型检测器 结构简单、灵敏度适中、稳定性好、 线性范围宽、无机物和有机物均可,5.1热导池检测器,特点 结构 检测原理 影响因素及注意事项,（2）结构： 池体热敏元件 (p323),测量池接在色谱柱后 通样品气体+载气 惠斯通电桥 参比池接在色谱柱前 只通载气,（3）检测原理 依据组分与载气的热导率差别进行检测,进样前：两池均通载气,进样后： 测量池通“样品气+载气” 参比池通“载气”,（4）影响因素及注意事项,（a）桥流，灵敏度 灵敏度足够时，桥流应尽可能小（100200mA）先通载气，再给桥流 （b），灵敏度，选大的做载气 H2 He N2选氢气做载气 （c）T池，池体与热丝温差，灵敏度 保证T检 T柱，以免造成检测器污染,5.2氢焰检测器（FID）,特点：质量型检测器,优点：专属型检测器（只能测含C有机物） 灵敏度高（ TCD） 响应快 线性范围宽,（1）结构：离子室、离子头、气体供应,（2）检测原理和离子化机理,检测原理：利用组分在氢焰中产生离子流进行检测。该微弱电流与单位时间进入火焰的组分的质量成正比。 有机化合物离子化离子流流向阴、阳极放大记录,（3）操作条件选择和注意事项,a）载气的选择： 载气N2气 燃气H2气 助燃气空气 b）使用温度：高于柱温501000C c）载气等流速,6.气相色谱定性鉴定方法,6.1利用纯物质对照的定性鉴定,（1）利用保留值定性,（2）加入纯物质以增加峰高的定性方法,（3）与质谱、红外联用,7.气相色谱定量测定方法,（820）,7.1峰面积的测量,（1）峰高乘半峰宽,（822）,（821）,（2）峰高乘平均峰宽法,（3）峰高乘保留时间法,（823）,（823a）,7.2定量校正因子,采用定量校正因子的原因：,（824）,绝对校正因子：与单位峰面积相当的 物质的量。,（825）,相对校正因子：组分和标准物质的绝对校正因子之比,质量校正因子的测定方法：,7.3几种常用的定量方法,（1）归一化法,前提：试样中所有组分都产生信号并能检出 色谱峰 依据：组分含量与峰面积成正比,（826）,（827）,（826a）,优点： 简便，准确 定量结果与进样量、重复性无关 色谱条件略有变化对结果几乎无影响 缺点： 所有组分必须在一定时间内都出峰 必须已知所有组分的校正因子,（2）内标法,前提：试样中所有组分不能全部出峰，或者试样中的各组分的含量悬殊，或者仅需测定其中的某个或者几个组分时，可用此法,对内标物要求： a内标物须为原样品中不含组分 b内标物与待测物保留时间应接近且R1.5 c内标物为高纯度标准物质，或含量已知物质,（828）,（828a）,内标法优点： 重复性及操作条件对结果无影响 只需待测组分和内标物出峰，其他组分可无峰 内标法缺点： 制样要求高；找合适内标物困难,（3）外标法,以待测组分纯品为对照物，与试样中待测组分的响应信号相比较进行定量的方法,外标法特点： 1）不需要校正因子，不需要所有组分出峰 2）结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大每次进样量应一致，否则产生误差,单点校正法：,