仪器分析课件-第四版-朱明华主编-(第二章--气相色谱分析)

第二章气相色谱分析法GasChromatography,GC主要内容第一节气相色谱法概述▲第二节气相色谱分析理论基础▲▲第三节色谱分离条件的选择▲▲第四节固定相及其选择▲第五节气相色谱检测器第六节气相色谱定性方法第七节气相色谱定量方法▲第八节气相色谱分析的特点及应用§2.1气相色谱法概述一、色谱法定义1.色谱法定义色谱法是一种分离技术，该分离技术应用于分析化学中，就是色谱分析。色谱法是混合物最有效的分离、分析方法。俄国植物学家茨维特在1906年使用的色谱原型装置，如右图。试样混合物的分离过程也就是试样中各组分色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。其中的一相固定不动，称为固定相；另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。2.色谱法分离原理这种借两相间分配原理使混合物各组分分离的技术叫色谱法。二、色谱法分类1.按流动相的物态分为：气相色谱法（流动相为气体）；液相色谱法（流动相为液体）；超临界流体色谱法（流动相为超临界流体）；按固定相的物态分为：气固色谱法（固定相为固体吸附剂，流动相为气体）；气液色谱法（固定相为担体+固定液，流动相为气体）；液固色谱法（固定相为固体吸附剂，流动相为液体）；液液色谱法（固定相：担体+固定液，流动相为液体）。2.按固定相使用的形式分为：柱色谱法、纸色谱法、薄层色谱法。3.按分离过程的机制分为：吸附色谱法；分配色谱法；离子交换色谱法；排阻色谱法。三、气相色谱结构流程processofgaschromatograph1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7进样器;8色谱拄；9检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统结构流程1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；7进样器;8色谱拄；9检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；四、气相色谱仪主要部件(mainassemblyofgaschromatograph)1.载气系统包括气源、净化干燥管和载气流速控制；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。2.进样装置进样装置：进样器+气化室；气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱；液体进样器：不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10μL；毛细管色谱常用1μL；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。3.色谱柱（分离柱）色谱柱：色谱仪的核心部件。柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。液-固色谱：固体吸附剂液-液色谱：担体+固定液柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。4.检测系统色谱仪的眼睛，包括检测器、检测器的电源及控温装置。检测器：广普型——对所有物质均有响应；专属型——对特定物质有高灵敏响应；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；5.记录系统包括放大器、记录仪，被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图。五、色谱流出曲线与术语p61.基线与基线漂移基线：无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。基线漂移：基线随时间向一个方向的缓慢变化称为~（以一小时内的基线水平变化来表示）。流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线色谱峰：流出曲线上突起部分噪声：无样品通过时，由仪器本身和工作条件等偶然因素引起基线的起伏称为~（以噪声带衡量）2.保留值表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。（1）时间表示的保留值保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；调整保留时间（t’R）t’R=tR－tM（2-1）（2）用体积表示的保留值保留体积（VR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所通过的载气体积，即VR=tRF0(第三版)；VR=tRqv,0(第四版)(2-3)F0(或qv,0),为柱出口处的载气体积流量，单位：mL.min-1。死体积（VM）：VM=tMF0VM=tMqv,0（2-2）调整保留体积(V＇R)：V＇R=t’R.qv,0或V＇R=VR－VM（2-4）3相对保留值(relativeretentionvalue)用r21（或α）表示组分2与组分1调整保留值之比：r21=t´R(2)/t´R(1)=V´R(2)/V´R(1)≠tR(2))/tR(1)≠VR(2))/VR(1)相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。4.区域宽度用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法：（1）标准偏差()：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。（2）半峰宽(Y1/2)：色谱峰高一半处的宽度Y1/2=2.35（3）峰底宽(Wb)：Wb=4本书峰底宽(Y)=4流出曲线图的作用1.根据色谱峰的位置（保留值）进行定性；2.根据色谱峰的面积或峰高进行定量测定；3.根据色谱峰的位置及其宽度，对色谱柱分离情况进行评价。§2.2气相色谱分析理论基础P8一、气-固色谱分析和气-液色谱分析的基本理论色谱柱：色谱仪的核心部件，有填充柱、毛细管柱两种。柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径2-6mm。长度0.5-10米的U形管或螺旋形的管子，长度可根据需要确定。柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。气-固色谱固定相：固体吸附剂，吸附-脱附-吸附-脱附气-液色谱固定相：担体+固定液，溶解-挥发-溶解-挥发1.分配系数K一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；试样一定时，K主要取决于固定相性质；每个组分在各种固定相上的分配系数K不同；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；某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。MCCsK/组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度2.分配比（partionradio）k在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度、压力下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：Msmmk组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量分配比也称：容量因子(capacityfactor)；容量比(capacityfactor)；3.分配比(容量因子)与分配系数的关系2-9式式中β为相比。β=VM/VSK=k·β（2-10）VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；VS为固定相体积，对不同类型色谱柱，VS的含义不同；气-液色谱柱：VS为固定液体积；气-固色谱柱：VS为吸附剂表面容量；填充柱相比：6～35；毛细管柱的相比：50～1500。容量因子越大，保留时间越长。KVVccVVmVVmmmkmSmsmmSSmsms分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数，k值越大，保留时间越长，k值为零的组分，其保留时间即为死时间。1.分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。2.分配系数与分配比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。3.分配比可以由实验测得。4.分配比与保留时间的关系滞留因子（retardationfactor）：uuRSSus：组分在分离柱内的线速度；u：流动相在分离柱内的线速度；滞留因子RS也可以用质量分数ω表示：2-12kmmmmmRS1111MsMsM若组分和流动相通过长度为L的分离柱，需要的时间分别为tR和tM，则：uLtuLtMSR;由以上各式，可得：tR=tM(1+k)M'RMMRtttttk二、色谱分离的基本理论(一)色谱分离基本理论概述试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括两个方面：a.试样中各组分在两相间的分配情况与各组分在两相间的分配系数、各物质的性质和分子结构有关。保留值反映了各组分在两相间的分配情况，受色谱过程中的热力学因素所控制。b.各组分在色谱柱中的运动情况。与各组分在两相间的传质阻力有关，半峰宽(Y1/2)反映了各组分在色谱柱中的运动情况，受色谱过程中的动力学因素所控制。塔板理论的假设：(1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；(2)将载气看作成脉动（间歇）过程；(3)试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4)每次分配的分配系数相同（常数）。P12表2-1组分在n=5,k=1,m=1(1mg)柱内任一板上分配表1.塔板理论（platetheory）塔板理论-柱分离效能指标半经验理论：早期把色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程），半经验理论把色谱柱比着一个蒸馏塔。色谱流出曲线图：见p13图2-4图中，x为质量分数；n为理论塔板数。最大浓度时，n=8-9，流出曲线呈不对称峰形色谱流出曲线方程式:p13(2-17)C20C222)(RtteC为流出曲线上的浓度（柱出口的浓度）；C0为进样浓度；理论塔板数与色谱参数之间的关系为：p14(2-18)式,理论塔板数n的经验公式色谱柱长：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：H=L/n(2-19)保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配!结论P141.色谱峰越窄，塔板数n越多，理论塔板高度H就越小，所以，n或H可作为描述柱效的一个指标。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。2.由于死时间的存在，组分在tM时间内不参与柱内分配。所以，理论塔板数n，理论塔板高度H并不能真正反映色谱柱分离的好坏。需引入有效塔板数和有效塔板高度作为柱效能指标。有效塔板数和有效塔板高度组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：计算公式p14(2-20)、(2-21)式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测得不同的理论塔板数这一实验事实，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。图2-52.速率理论-影响柱效的因素速率方程，也称范弟姆特（VanDeemter）方程式p15(2-22)H=A+B/u+C·uH：理论塔板高度，A─涡流扩散项,B/u—分子扩散项,C·u—传质阻力项u：载气的线速度(cm·s-1)减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳流速；A、B、C三项各与哪些因素有关？A─涡流扩散项A=2λdpλ：固定相的填充不均匀因子dp：固定相的平均颗粒直径固定相颗粒越小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。对于空心毛细管A=0。B/u—分子扩散项B=2γDgγ：弯曲因子，填充柱色谱，γ1；空心毛细管γ=1。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2·s-1）(1)纵向存在着浓度差，产生纵向扩散;(2)扩散导致色谱峰变宽，H↑(n↓)，分离变差;(3)分子扩散项与流速有关，流速↓，滞留时间↑，扩散↑;(4)扩散系数：Dg∝(M载气)-1/2；载气的相对分子质量M载气↑，B值↓。k为容量因子；Dg、Dl为组分在气相、液相中的扩散系数。减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。