《气相色谱法》PPT课件

第二章气相色谱法理论基础（TheoryofGasChromatography）2.1概述1903年俄国植物学家茨维特分离植物色素时采用。（1）固定相（2）流动相（3）分离原理当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，从而按先后不同的次序从固定相中流出。MichaelTswett(1872-1919),aRussianbotanist,discoveredthebasicprinciplesofcolumnchromatography.Heseparatedplantpigmentsbyelutingamixtureofthepigmentsonacolumnofcalciumcarbonate.Thevariouspigmentsseparatedintocoloredbands;hencethenamechromatography.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)，他们提出色谱塔板理论；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。色谱法的优缺点：分离效率高；分析速度快；检测灵敏度高；样品用量少；选择性好；多组分同时分析；易于自动化。定性能力较差。A.J.P.MARTIN和R.L.M.SyngeA.J.P.MARTIN.(1910-2002)oftheBritishNationalInstituteforMedicalResearchsharedwithfellowcountrymanR.L.MSyngetheNobelPrizeinChemistry(1952)fortheinventionofpartitionchromatography.R.L.M.SyngebornOct.28,1914,Liverpool,Eng.diedAug.18,1994,Norwich,Norfolk.SyngestudiedatWinchesterCollege,Cambridge,andreceivedhisPh.D.atTrinityCollegetherein1941.2.色谱法的发展历史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。3.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气相色谱系统控制面板气路控制压力控制柱箱计算机色谱工作站检测器进样口气体钢瓶色谱仪主机色谱法分类一．按两相状态分类1.气体为流动相的色谱称为气相色谱（GC）（1）气-固色谱（GSC）（2）气-液色谱（GLC）2.液体为流动相的色谱称液相色谱（LC）（1）液-固色谱（LSC）（2）液-液色谱（LLC）3.超临界流体为流动相的色谱称为超临界流体色谱（SFC）4.通过化学反应将固定液键合到载体表面，这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱（CBPC）。二.按分离机理分类1.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，称为吸附色谱法。2.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称为分配色谱法。3.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，称为离子交换色谱法。4.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，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。5.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。三．按固定相的形状分类(0901)9.11.柱色谱；2.薄层色谱；3.纸色谱根据以上所述，将色谱法的分类总结于下一页表中。2.1.1色谱流出曲线及有关术语一．流出曲线和色谱峰1.基线2.保留时间（1）用时间表示保留时间（tR）死时间（tM）调整保留时间（tR’）（2）用体积表示保留体积(VR)VR=tR*F0死体积（VM）VR=tM*F0调整保留体积（VM’）VM’=VR-VM3.区域宽度（峰宽）（1）标准偏差（σ）（2）半峰宽（Y1/2）（3）峰底宽（Y或Wb）Y1/2=2.354σWb=4σ相对保留值r2.1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：12121.2RRRRVVtt只与柱温和固定相有关；表示固定相对这两种组分的选择性。从色谱流出曲线上，得到信息是：l.根据色谱峰的个数，可以判断样品中所合组份的最少个数．2.根据色谱峰的保留值(或位置），可以进行定性分析．3.根据色谱峰下的面积或峰高，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(和流动相)选择是否合适的依据．2.1.2色谱法分析的基本原理色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。一、分配系数K和分配比k1．分配系数K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，即msCCK溶质在流动相中的浓度溶质在固定相中的浓度分配系数K的讨论1.一定温度下，组分的K越大，出峰越慢；2.试样一定时，K主要取决于固定相性质；3.每个组分在各种固定相上的分配系数不同；4.选择适宜的固定相可以改善分离效果；5.试验中的各组分具有不同的K值是分离的基础；6.某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。2.分配比k分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。即msnn组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量kMRMRVVttk与滞留因子有关（自学）3.分配系数K与分配比k的关系其中β称为相比，流动相与固定相的体积比。填充柱，其β值一般为6～35；对毛细管柱，其β值为60～600。kVVkVnVnCCKsmmmssms//最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标。二塔板理论（platetheory）塔板理论假定：（i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。（ii）以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（ΔVm）。（iii）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。（iv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：n，则三者的关系为：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：nLH221/25.54()16()RRttnWWeffeffnLH222/1)(16)(54.5wtwtnrreff相应的有效塔板数与色谱参数之间的关系为：塔板理论的特点和不足(1)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，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。(2)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。(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。二、速率理论-影响柱效的因素1.速率方程（VanDeemter方程式）H=A+B/u+C·uH：理论塔板高度；u：载气的线速度(cm/s)；A：涡流扩散项；B/u：纵向扩散项；C·u：传质阻力项；如何提高柱效率？A、B、C三项各与哪些因素有关？减小A、B/u、C·u三项可。(1).A─涡流扩散项A=2λdpdp：固定相的平均颗粒直径λ：固定相的填充不均匀因子固定相颗粒越小dp↓，填充的越均匀，A↓，H↓，柱效n↑。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。(2).B/u—纵向扩散项B=2νDgν：弯曲因子；Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2·s-1）；(1)存在着浓度差，产生纵向扩散;(2)扩散导致色谱峰变宽，H↑(n↓)，分离变差;(3)纵向扩散项与流速有关，流速↓，滞留时间↑，扩散↑;(4)扩散系数：M载气↑，Dg↓，B值↓，柱效↑。选择小分子量的气体作载气，降低液层厚度，可降低传质阻力。(3).C·u—传质阻力项传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即：C=（Cg+CL）思考：如果是毛细管色谱柱会出现什么结果？如何降低传质阻力项？Cg·uCL·u2.载气流速与柱效——最佳流速载气流速高（＞u最佳）时：传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速，柱效。载气流速低（＜u最佳）时：分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速,柱效。H-u曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳载气流速值。以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。实际选择最佳载气流速，如何选？uop思考题下面填充柱的VanDeemter方程的图形，如果在下面的图形中将空心毛细管柱的VanDeemter方程的图形绘制出来，应如何绘制？长度=A原因：1.曲线向下平移A，因为毛细管柱中A=0；2.曲线右端变平缓，因为固定液液膜变薄，液相传质阻力项降低；柱内径变小，气相传质阻力项降低。结论：毛细管柱柱效率高于填充柱，而且可以使用更高的载气流速。3.速率理论的要点总结(1)组分在柱内运行的多路径、浓度梯度以及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。(2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。(4)只有选择最佳条件，才