第二章 气相色谱分析ppt

第二章气相色谱分析§2-1气相色谱法概述色谱法(chromatography)：以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。色谱柱：进行色谱分离用的细长管。固定相：（stationaryphase）管内保持固定、起分离作用的填充物。流动相：（mobilephase）流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。按固定相的几何形式分类：1.柱色谱法，2.纸色谱法，3.薄层色谱法。按两相所处的状态分类：气相色谱法液相色谱法气-固色谱法液-固色谱法气-液色谱法液-液色谱法气相色谱仪通常由五部分组成：Ⅰ载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。Ⅱ进样系统：进样器、汽化室。Ⅲ分离系统：色谱柱、控温柱箱。Ⅳ检测系统：检测器、检测室。Ⅴ记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。图1、色谱过程图2、色谱图ABKAKB色谱图（chromatogram）：试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间曲线或信号——流动相体积曲线，称为色谱流出曲线，色谱图界面色谱流出曲线及有关术语相关术语：基线：在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线。峰高与峰面积：色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高(peakheight)。用h表示。峰与峰底之间的面积称为峰面积(peakarea)，用A表示。峰的区域宽度：a、峰底宽WD=4σ=1.70Wh/2b、半高峰宽Wh/2=2.355σc、标准偏差峰宽W0.607h=2σ保留值:1)保留时间：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。2)保留体积：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积，VR。死时间：不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(deadtime)，tM。死体积:不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积(deadvolume)，VM。（F0为柱尾载气体积流量）VM=tMF0调整保留值:1)调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。tR׳=tR–tM2)调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。VR׳=VR–VM或VR׳=tR׳F0相对保留值（relativeretention）在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用ri，s表示)()()()(sRiRsRiRsiVVttr，色谱分析的实验依据：１、根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定性分析。2、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。3、根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价。由此可知：相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。当ri，s=1时两个组分不能分离。msccK组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度§2-2气相色谱分析理论基础一、分配平衡的几个参数：1、分配系数组分一定时，K主要取决于固定相性质组分及固定相一定时,温度增加,K减小试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础选择适宜的固定相可改善分离效果影响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mmssVcVckcs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；Vm为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积，Vs为色谱柱中固定相的体积3、分配系数和分配比之间的关系分配系数K与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。容量因子k决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关。K与k都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数。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。理论上可以推导出：1KVVKkMSMRMRVVttkPhaseratio(相比，):VM/VS,反映各种色谱柱柱型及其结构特征填充柱（Packingcolumn）:6~35毛细管柱（Capillarycolumn）:50~1500二、色谱分离的基本理论1、塔板理论（MartinandSynge1941）塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。设柱长为L，理论塔板高度为H，则H=L/n式中n为理论塔板数。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：2)(16WtnR22)(54.5hRWtn或1塔板理论－柱分离效能指标*k=1塔板号载气塔板体积数01234柱出口01234567891011121314151610.50.250.1250.0630.0320.0160.0080.0040.0020.00100000000.50.50.3750.250.1570.0950.0560.0320.0180.0100.0050.0020.001000000.250.3750.3750.3130.2350.1650.1110.0720.0450.0280.0160.0100.0050.0020.0010.000.1250.250.3130.3130.2740.220.1660.0940.0700.0490.0330.0220.0140.00800000.0630.1570.2350.2740.2740.2470.2070.1510.1100.080.0570.0400.027000000.0320.0790.1180.1380.1380.1240.1040.0760.0560.0400.0280.020222/11654.5WtWtnrrnLH理论塔板数理论塔板高度色谱柱长度柱效能指标当色谱柱长度一定时，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。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。有效塔板数有效板高通常用有效塔板数（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。n=1+kk2•neff2速率理论－影响柱效的因素速率理论认为（J.J.VanDeemter1956)，单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一的。CuuBAH流动相线速度范弟姆特方程A项为涡流扩散项；B/u项为分子扩散项；Cu为传质项，u为载气线速度，单位为cm/s。1)涡流扩散项ApdA2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。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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4)流动相线速度对板高的影响CuuBAH§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。分离度可以用来作为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21)1()2(21)1()2()(22wwttwwttRRRRR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。二、色谱分离关系式设两相邻峰的峰宽相等，即w1=w2，则2)1()2(21)1()2()(2wttwwttRRRRR2)(16WtnRntntWRR)2(2)2(2416又知另1,21212)1()2(rkkttttttMRMRRR）（）（2)2(kttMR)1)(1)(4(221,21,2kkrrnR)1(1,21,2rr)1(22kk称为柱效项；称为柱选择项；容量因子项。4n)1)(4(1,21,2rrnReffr12，相对保留因子与柱效的关系（柱效因子）与容量因子的关系R∝n1/2增加柱长减小塔板高度限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。使用性能优良的色谱柱，并选择最佳分离条件k值增大，有利于分离，但k10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与柱选择性的关系分离度、柱效、柱选择性的关系r2,1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。L=16R2•H有效-12=n有效•H有效例题：设有一对物质，其r2,1=α=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色谱柱？解：要实现完全分离，R≈1.5,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：m.L2102112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。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。3)在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。使试样中的不同组分分离需要满足的条件例1：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＝需要解法11.1545549''12rrttR=1.2,)(278811.11.12.11622块＝需要effn1)14effnR2)需要原来需要原来LLnneffeffeffeffHnL原来需要原来需要effeffnnLL)(12395549161622'2块＝原来Wtneff)(25.2123927881mL需要8.054549原R解法2)(25.28.02.112mL＝＝需要需要原来需要原来需要原来＝LLRRnneffeff21)同解法12)22116Rneff三、色谱条件的选择1、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关）实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高与最佳流速。例1：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+2(BC)1/2＝0.08+2(0.65×0.003)1/2＝0.17cm2、分离柱型的选择（与总柱效、分离度R有关）3、柱温的选择（与ri，j有关）能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽