第二章-气相色谱法--仪器分析

第二章气相色谱分析(GasChromatography)2-1气相色谱法概述色谱法(Chromatography)是一种分离分析方法。它是利用各物质在两相中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复的分配来达到分离的目的1903年,俄国植物学家MikhailTswett首先采用色谱法分离植物色素NobelPrizeLaureates:A.J.P.Martin,andR.L.M.Synge(英国);Tiselins(瑞典)；1937-1972,12NobelPrizeawardsrelatedtochromatography色谱分析示意图:固定相:不动的一相;流动相：携带样品流过固定相的流动体Tswett方法(经典方法)Offline现代色谱法Online2.色谱法分类1．按两相状态分类A.气相色谱(GC):气体为流动相的色谱气固色谱:固定相是固体吸附剂气液色谱:固定相是固定液B.液相色谱(LC):液体为流动相的色谱液固色谱:固定相是固体吸附剂液液色谱:固定相是固定液C.超临界流体色谱(SFC):流动相为超临界流体2．按分离机理分类分配色谱:利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法,气液/液液吸附色谱:利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法,气固/液固离子交换色谱:利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法,LC一种尺寸排阻色谱法(凝胶色谱法):利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法,LC一种亲和色谱法:利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的分离,LC一种3．按固定相的形式分类固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。固定相填充满玻璃或金属管中的称为填充柱色谱；固定相固定在管内壁的称为开管柱色谱或毛细管柱色谱。固定相呈平板状的色谱法，称为平板色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。•柱色谱–填充柱色谱和开管柱色谱•平板色谱–薄层色谱和纸色谱4.按固定相材料分类离子交换色谱:以离子交换剂为固定相尺寸排阻色谱法(凝胶色谱法):以孔径有一定范围的多孔玻璃或多孔高聚物为固定相化学键合相色谱:采用化学键合相（即通过化学反应将固定液分子键合于多孔载体，如硅胶上）亲和色谱法:以固定化的具有高专属性亲和力蛋白质/抗体/抗原为固定相气相色谱法简介•以气体为流动相的柱色谱分离分析方法，可分为气液色谱法和气固色谱法。•GC具有分离效率高、灵敏度高(检测下限10-12—10-14g)、分析速度快及应用范围广等特点。•GC能分离性质极相似的物质，如同位素、同分异构体、对映体以及组成极复杂的混合物，如石油、污染水样及天然精油等。•凡能够气化且热稳定、不具腐蚀性的液体或气体，都可用气相色谱法分析。高沸点及热不稳定物物质可衍生化.气相色谱仪GC工作过程1.气路系统气路系统的目的是将样品载入色谱柱分离后进入检测器测定气相色谱常用的载气为氮气、氢气和氦气等。载气的选择主要由检测器性质及分离要求所决定载气在进入色谱仪前必须经过净化处理载气流量由稳压阀或稳流阀调节控制2.进样系统(进样器，气化室)液体样品的进样通常采用微量注射器，气体样品的进样通常采用医用注射器或六通阀。气化室气化室的作用是将液体或固体样品瞬间气化而不分解,后进柱分离3.分离系统:分离样品（色谱柱，控制温度系统）色谱柱色谱柱是色谱仪的心脏，安装在温控的柱室内，色谱柱有填充柱和开管柱（亦称毛细管柱）两大类。控制温度系统色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。TemperatureProgramming4.检测系统和数据处理系统检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。常见的有热导检测器、火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器等气相色谱仪可以大致分为以下几大部分：1.气路系统2.进样系统3.分离系统4.检测系统5.数据处理系统色谱流出曲线及有关术语流出曲线和色谱峰基本术语(1)1.基线柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值，即图中O—t线．稳定的基线应该是一条水平直线．2.死时间tM不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间，如图中O′A′3.保留时间tR试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间，称为保留时间，如图O′B．它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间.某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间，即tR′=tR-tM4．调整保留时间tR′指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和．当后两项很小而可忽略不计时，死体积可由死时间与流动相体积流速F0（L／min）计算：VM=tM·F05．死体积VM从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相体积。保留体积与保留时间tR的关系如下：VR=tR·F06．保留体积VR某组份的保留体积扣除死体积后，称该组份的调整保留体积，即VR′=VR-VM7．调整保留体积VR′色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示，如图中B′A8.峰高9、区域宽度1.标准偏差σ即0．607倍峰高处色谱峰宽的一半，图中EF距离的一半。2.半峰宽Y1/2即峰高一半处对应的峰宽，如图中GH间的距离．它与标准偏差σ的关系是：Y1/2=2.354σ3.峰底宽Y即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，如图中IJ的距离．它与标准偏差σ的关系是：Y=4σ某组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比，称为相对保留值：10．相对保留值r21(柱选择因子)212211RRRRVtrtVr值越大，表示固定相对组分的选择性越高，则两组分分离得越开。r等于1时，两组分重叠。必须注意:相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比。线速度RtLr流动相线速度:组分速度:MLut色谱曲线之用途根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组份的最少个数依据色谱峰的保留值(或位置）进行定性分析依据色谱峰的面积或峰高进行定量分析依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱柱的分离效能色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相)选择是否合适的依据2-2色谱分析理论基础色谱分离是色谱体系热力学过程和动力学过程的综合表现热力学过程是指与组分在体系中分配系数相关的过程(两峰间的距离)动力学过程是指组分在该体系两相间扩散和传质的过程(峰的宽或窄)各待测组分在色谱体系中的热力学/动力学性质的不同决定了它们的分离程度分配色谱的分离是基于样品组分在固定相/流动相之间反复多次地分配过程，即组分在固定相上的溶解--挥发或吸附--解吸过程,这种分离过程可用样品分子在两相间的分配系数来描述。分配系数:在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值msCCK组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度分配系数K分配系数与分离性能cmrRTGK△lnK决定于组分和两相的热力学性质。在一定温度下，K小的组分在流动相中浓度大，先流出色谱柱；反之，后流出色谱柱。两组分K值之比大，（不是指每一组分的K的绝对值越大），是获得良好色谱分离的关键。分配系数与温度成反比，增加温度，分配系数变小。在气相色谱分离中，柱温是一个很重要的操作参数，温度的选择对分离影响很大，而对液相色谱分离的影响小分配比k(容量因子)分配比是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，在固定相和流动相中的总质量比。即K与k关系分配比不但与组分和两相性质有关，而且还与两相体积有关smmkm组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量ssmmmmsscmVVKkkcmVVβ基本保留方程:表示组分保留时间与柱长、流动相速度、分配比、分配系数和两相体积之间的关系。'RMRMMtttktt(1)(1)sRMmVLttkKuV一塔板理论由Martin等人提出,获NobelPrize.塔板的概念是从精馏中借用来的,该理论将一根色谱柱当作一个精馏塔，其中的每一小段色谱柱相当于精馏塔中的一个塔板,从而描述组分在色谱柱内的分配行为.塔板理论是一种半经验理论，但它能成功地解释色谱流出曲线呈正态分布。同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。色谱分离的基本理论精馏塔示意图1.把色谱柱比作精馏塔，视作由许许多多小段(塔板)组成,且塔板与塔板之间不连续;塔板之间无分子扩散。2.组分在每块塔板的两相间的分配平衡瞬时达到，达到一次分配平衡所需的最小柱长称为理论塔板高度H。3.一个组分在每块塔板上的分配系数相同4.流动相以不连续的形式加入，即以一个一个的塔板体积加入，连续的色谱过程视作一个塔板中的两相平衡过程的重复。5.塔板数越多，组分在柱内两相间达到分配平衡的次数也越多，柱效越高，分离就越好。理论塔板数为:塔板理论假定HLnm=1g,k=1塔板理论之推导结论:1.当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数n大于50时，可得到基本对称的峰形曲线在色谱柱中，n值一般都是很大的，如GC中可达103－106，其流出曲线可趋近于正态分布曲线；2.当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数K有微小差异，经过反复多次的平衡后，仍可获得良好的分离理论塔板数(注意单位)而理论塔板高度（H）即：nLH221/25.54()16()RRttnYY例：在柱长2m、5%阿皮松柱、柱温100OC、记录纸速为2.0cm/min的实验条件下，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.20cm。求此色谱柱的理论塔板高度。解：依据：=1.2×103H=2000/1.2×103=1.7（mm）21/25.54()RtnY221/21.55.54()5.540.22RtnY对于一个色谱系统来讲，理论塔板数越多，理论塔板高度越小，色谱峰越窄，表明柱效越高。因此，理论塔板数可以用来1、比较色谱仪的性能――用两台不同的色谱仪测定同一个物质，比较塔板数2、比较色谱柱的性能――用同一台色谱仪塔板理论之局限性塔板理论是一种半经验性的理论，它用热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数但是色谱过程不仅受热力学的因素影响，而且还与分子的扩散、传质等动力学因素有关，塔板理论它的某些基本假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，只能定性地给出板高的概念，却不能解释板高受哪些因素影响，也不能说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用二速率理论1956年vanDeemter等提出了色谱过程动力学理论——速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。vanDeemter方程的数学简化式为CuuBAH式中u为流动相的线速度；A，B，C为常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数、传质项系数。现分别叙述各项系数的物理意义。A.涡流扩散项(Eddydiffusion)在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似“涡流”的流动，故称涡流扩散.涡流扩散与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子λ有关，与流动相的性质、线速度和组分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。对于空心毛细管，不存在涡流扩散。因此A＝0。涡流扩散展宽度2pAdλB.纵向扩散（longitudinaldiffu