气相色谱原理及分析方法大全

气相色谱分析气相色谱分析第一章气相色谱分析GasChromatography（GC）要求：1:理解混合物中各组分在色谱柱内分离的原因;2:理解色谱分析法的两个重要理论;3:掌握分离度的计算及影响分离度的重要色谱参数;4:了解气相色谱法的优点及适用范围;5:了解固定相及重要操作条件的选择;6:了解常用检测器原理，优缺点及适用范围;7:掌握色谱分析的定性、定量方法.气相色谱分析1.1色谱法的特点、分类及作用1.2气相色谱分析理论基础1.3色谱分离条件的选择1.4固定相及其选择1.5气相色谱仪1.6气相色谱定性方法1.7气相色谱定量方法1.8毛细管柱色谱法1.9气相色谱分析的特点及其应用范围气相色谱分析1.1色谱法的特点、分类和作用1.1.1概述混合物最有效的分离、分析方法。俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置：色谱原型装置，如图。色谱法是一种分离技术.试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为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（stationaryphase）；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（mobilephase）。动画气相色谱分析色谱法混合物中各组分在两相间（固定相和流动相）进行分配，当流动相中所含混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用。由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相发生作用的大小，强弱也有差异。因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中滞留时间有长有短，从而按先后不同次序从固定相中流出。流动相※※※※※※※※※※BA动画气相色谱分析1.1.2分类(1)气相色谱：流动相为气体（称为载气）。按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱气相色谱分析(2)液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。气相色谱分析（3)其他色谱方法薄层色谱和纸色谱：比较简单的色谱方法凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。超临界色谱:CO2流动相。高效毛细管电泳:九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。气相色谱分析1.1.3.色谱法的特点（1）分离效率高复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2）灵敏度高可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。（3）分析速度快一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4）应用范围广气相色谱：沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。不足之处：被分离组分的定性较为困难。气相色谱分析1.1.4色谱的流出曲线与术语色谱图以组分浓度为纵坐标，流出时间为横坐标，这种曲线称为色谱流出曲线，也称色谱峰。气相色谱分析1基线(baseline)操作条件稳定后，无样品通过时检测器所反映的信号--时间曲线。如图OM2保留值（1）死时间tm（deadtime）惰性气体从进样开始到色谱峰顶（浓度最大）所对应的时间如图O’A’´所示。（2）保留时间tR（retentiontime）组分从进样开始到柱后出现最大值所对应时间。如图O’B所示。气相色谱分析（3）调整保留时间t’R扣除死时间后的保留时间.如图A’B所示。t’R´=tR-tm（4）死体积VM（deadvolume）色谱柱填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留空间、色谱仪管路和连接头间空间以及检测器空间的总和。VM=tMFoFo-载气体积流速（ml.min-1）气相色谱分析(5)保留体积VR（retentionvolume）进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积。VR=tRFo（6）调整保留体积VR´扣除死体积后的保留体积。VR´=tR´Fo或VR´=VR-VM（7）相对保留值r21（α）组分2的调整保留值与另一组分1调整保留值之比。气相色谱分析)1(R)2(R21ttr)1()2(RRVV)1()2()1()2(RRRRVVttr21越大，分离越好；r21=1时两组分重叠.3区域宽度（1）标准偏差σ0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半，如图EF一半气相色谱分析（2）半峰宽度Y12峰高一半处宽度。如图（3）峰底宽度Y色谱峰两侧转折点所作切线在基线上的截距。如图利用色谱流出曲线可解决问题：①根据色谱峰位置（保留值）进行定性鉴定；②根据色谱峰面积或峰高进行定量测定；③根据色谱峰位置及宽度，可对色谱柱分离情况进行评价。气相色谱分析1.2气相色谱分析理论基础1.2.1气固色谱和气-液色谱分析的基本原理1.气固相色谱分离分析原理固定相:具有多孔和较大面积的吸附剂颗粒。分析原理（动画）被测组分在吸附剂表面进行反复的物理吸附、脱附过程。由于被测物质是各个组分的性质不同，它们在吸附剂上的吸附能力不一样，向前移动速度不一样。一定时间后，即通过一定量的载气后，试样中各个组分就彼此分离先后流出色谱柱。气相色谱分析2．气液相色谱分离分析原理：固定相：化学惰性的固体颗粒表面，涂上一层高沸点有机化合物液膜。分析原理（动画）被测组分在固定液反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥发。由于各组分在固定液中溶解能力不同，停留在柱中时间长短不一样，经过一段时间，各组分就彼此分离。气相色谱分析3．分配系数(partionfactor)（K）分配过程：物质在固定相和流动之间发生吸附、脱附和溶解、挥发的过程。分配系数（K）：在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时浓度比。MSCCK组分在流动相的浓度组分在固定相的浓度分配系数是色谱分离的依据。气相色谱分析分配系数K的讨论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；每个组份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。气相色谱分析4．分配比（k）partionratio在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中质量比。MSmmkmS—组分分配在固定相中质量；mM—组分分配在流动相中质量。分配比k与分配系数K关系：kVVkVmVmCCKSMMMSSMS分配比也称：容量因子(capacityfactor)；容量比(capacityfactor)；气相色谱分析由上式可知：①K：两相中浓度比。k：组分在两相中分配总量比。都与固定相性质有关，且与柱温、柱压有关。②K：决定于组分和两相性质，与两相体积有关。k：决定于组分和两相性质，与两相体积无关。③组分分离最终决定于组分在每相中相对量，而非相对浓度。因此,k是重要参数。k越大，tR越长.k=0时tR=tM气相色谱分析5.分配比与保留时间的关系uuRSSus——组分在柱内线速度u——流动相在柱内线速度1111MSMSMSmmmmmRRs可用质量分数表示：滞留因子（retardationfactor）：气相色谱分析uLtuLtMSR综上可得)1(MRtt所以MRMMRttttt由于柱长相同tRus=tMutR=tMu/us分配比可以由实验测得。气相色谱分析1.2.2色谱分离的基本理论1.塔板理论塔板理论假定：①组分在每块塔板两相间分配平衡瞬时达到。达到一次色配平衡所需的最小柱长称为理论塔板高度（H）。②流动相以不连续形式加入，即以一个一个塔板体积加入。③分配系数在各塔板上是常数。④试样开始都加在第0号塔板上，且试样沿色谱柱方向扩散（纵向扩散）忽略不计。气相色谱分析色谱柱长：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：n=L/H理论塔板数与色谱参数之间的关系为(注意单位)222/1)(16)(54.5YtYtnRR气相色谱分析n2.有效塔板数和有效塔板高度•单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。•用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。•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：222/1)(16)(54.5YtYtnRR理有效有效有效nLHYtYtnRR2'22/1')(16)(54.5气相色谱分析(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。3.塔板理论的特点和不足气相色谱分析2.速率理论速率理论吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去。导出了H与载气流速u的关系。CuuBAHH：理论塔板高度，u：载气的线速度(cm/s)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？气相色谱分析（1）涡流扩散项A试样组分在气相中形成类似“涡流”的流动，引起色谱峰扩张。A=2λdpdp——填充物平均颗粒直经（cm）λ——填充的不均匀性。因此，使用适当细粒度和颗粒均匀担体，尽量填充均匀，是成为涡流扩散提高柱效的有效途径。气相色谱分析动画DgB2γ——载体填充在柱内引起气体扩散路经弯曲的因数（弯曲因子）；Dg——组分在气相中扩散系数。（2）分子扩散项β/u气相色谱分析由β/u和上式可看出：①纵向扩散项与u有关，u越小，色谱峰展宽显著；)P1Dg(M1Dg气气Dg随柱温升高而增加，反比于柱压。②纵向扩散项与Dg成正比。③纵向扩散项与γ成正比空心毛细管柱,扩散程度最大γ=1填充柱中，扩散程度降低，例如硅藻土担体γ=0.5～0.7气相色谱分析（3）传质项cu①气相传质项气相传质过程：gpGdCg222)1(01.0k——容量因子(分配比)；dp——填充物平均颗粒直经（cm）；Dg——组分在气相中扩散系数。粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可使Cg减小，柱效增加。气相色谱分析②液相传质阻力项液相传质过程：试样组分从固定相的气液界面移到液相内部并发生质量交换，达分配平衡，然生又返回气液界面传质过程。llDdCf22)1(32df——固定相液膜厚度；Dl——组分在液相中扩散系数；df越薄，Dl越大，液相中传质阻力越小。气相色谱分析将以上各项代入CuuBAHuDdf)1(32Ddp)1(01.0uD2dp2HL22g222g即由上式可见：填充均匀程度，担体粒度、载气种类、载气流连、柱温、固定相液膜厚度等对柱效，峰扩张有影响。气相色谱分析1.3色谱分离条件的选择1.3.1分离度两个分组怎样才能达到完全分离？①两组分的色谱之间的距离必须相差足够大。②峰必须窄。色谱分离中的四种情况如图所示：气相色谱分析讨论：色谱分离中的四种情况的讨论：①柱效较高，△K(分配系数)较大,完全分离；②△K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；③柱效较低，，△K较大,但分离的不好；④△K小，柱效低，分离效果更差。气相色谱分析分离度R定义：相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值：21)1()2(21YYttRRRtR（2）和tR（1）——分别为两组分的保留时间；Y1和Y2为相应组分的色谱峰的峰底宽度。气相色谱分析半峰宽表示分离度：）（）（221121)1()2(21YYttRRRR=0.8：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度98%；R=1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。气相色谱分析1.3.2色谱分离基本方程式kknR1141色谱分离基本方程式：α-相对保留值，k-分配比。n与n有效（有效理论塔板数）的关系式：有效nkkn21气相色谱分析色谱分