第二章-气相色谱法

GasChromatography,GC基本要求：1、了解色谱法的分类，掌握色谱流出曲线和相关术语；2、掌握色谱分析的基本原理；3、理解柱效率的物理意义及其计算方法；4、理解速率理论方程对实际分离的指导意义；5、掌握分离度的计算方法以及影响分离度的重要色谱参数；6、理解固定相及重要操作条件选择的原则；7、理解常用检测器原理、优缺点及适用范围；8、掌握常用定性方法和定量方法的优缺点。第一节概述第二节色谱理论基础第三节气相色谱法色谱法是一种分离方法。–它的特点是：有两相，一是固定相，一是流动相，两相作相向运动。将色谱法用于分析中，则称为色谱分析。--集富集、分离和检测于一体的高自动化、高选择性和高灵敏度的分析方法一、色谱法简介二、色谱法的分类第一节概述1931年，德国库恩（Kuhn)利用色谱法分离研究维生素和胡萝卜素，获1938年诺贝尔化学奖1940年，马丁（Martin)和辛格(Synge)提出液相分配色谱法，固定相是吸附在硅胶上的水，流动相：某种有机溶剂。1941年，马丁（Martin)和辛格(Synge)提出用气体代替液体作流动相的可能性。石油醚1、色谱法发展历史一、色谱法简介1903年俄国植物学家茨维特分离植物色素发明色谱原型装置。--起名Chromatography1944年，Consden提出纸色谱。1949年，MaclleanAl2O3中加入淀粉粘合剂，薄层色谱。1952年，James,Martin发表了从理论到实践均比较完整的气液色谱方法而获得1952年诺贝尔化学奖。1957年，Golay提出开管柱气相色谱。1956年，VanDeemter提出色谱过程速率理论。1965年，Giddings总结、扩展了前人的色谱理论为色谱的发展奠定了理论基础。60年代，高压泵和化学键合固定相用于液相色谱，高效液相色谱（HPLC）80年代初，毛细管超临界流体色谱（SFC）得到发展，Jorgenson毛细管电泳（CIE）.90年代，毛细管电色谱（集HPLC、CIE的优点）。1937~1972年，15年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的。气相色谱技术的发展1948年，8天分离16种氨基酸的色谱图1958年，22小时分离19种氨基酸的色谱图1982年,约30分钟分离18种氨基酸的色谱图2、色谱法的装置石油醚色谱柱：固定相：流动相：填装有固定相的玻璃管或金属管在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的一相。与固定相处于平衡状态、带动样品向前移动的另一相。色谱法具有：分离作用分析作用（又称色层法或层析法）利用物质在两相中的分配系数的微小差异，当互不相溶的两相做相对运动时，被测物质在两相之间进行连续多次分配，这样原来微小的分配差异被不断放大，从而使各组分得到分离的方法。3、色谱法的定义色谱法4.分离原理(2)当两相作相对运动时样品各组分在两相中反复多次受到各种作用力的作用，从而使混合物中各组分获得分离。(1)利用物质在两相中的分配系数（由物理化学性质：溶解度、吸附能力、离子交换能力或其它亲和能力等决定）的微小差异二、色谱分类1、按流动相、固定相的物理状态分类色谱类型流动相气体气相色谱法（GC）固定相固体气-固色谱法液体气-液色谱法液体液相色谱法（LG）固体液-固色谱法液体液-液色谱法超临界流体超临界流体色谱法（SFC）分类依据：——两相状态，分离机理，固相容器形状三、气相色谱分离过程及有关术语气相色谱是以气体（此气体称为载气）为流动相的柱色谱分离技术（一）气相色谱法(二)气相色谱分离过程以A、B二组分混合物为例，用图示的方法表示二组分在色谱柱中的分离过程在图中：A：B：载气进样（混合物）色谱柱检测器记录仪ABA（三）色谱图及有关术语1、色谱图（色谱流出曲线）色谱分析过程所得到的检测信号随时间变化的曲线图色谱流出曲线2、常用术语基线：无试样（单纯流动相），通过检测器时检测到的信号即为基线。色谱峰色谱流出曲线突起部分峰形——对称（呈高斯分布）.峰高峰顶点--基线垂直距离保留值保留值通常用时间、距离或用将组分带出色谱柱所需流动相的体积来表示。保留值用来衡量试样中各组分在色谱柱中保留行为的量度。在一定的固定相和操作条件下，任一物质都有一确定的保留值。故：保留值是定性分析的重要参数（1）保留时间（tR）：某组分通过色谱柱所需时间即组分从进样到出现色谱峰最大值时所需的时间。（2）死时间（tM）：不与固定相作用的物质（不保留）如空气，从进样到出现其色谱峰最大值时所需的时间。（3）调整保留时间(tR＇)tR＇=tR－tM意义：等于样品在固定相中的停留时间。试样从进样到出现峰极大点时所通过的流动相的体积（mL）.（4）保留体积（VR）：VR=tR×F0（F0载气的流量mL/min)（5）死体积（VM）:不被保留的组分通过色谱柱所需的载气的体积（mL）。（6）调整保留体积（VR＇）：扣除死体积后的保留体积（mL）VM=tM×F0（F0为流动相流速）实际指色谱柱中未被固定相占据的体积即色谱柱内流动相的体积。VR＇=VR－VM（7）相对保留值r21：组分2与组分1调整保留值之比：r21=t’R2/t’R1=V’R2/V’R1它与流动相的流速和色谱柱的物理指标无关；仅与柱温和固定相的性质有关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。''12RRtt=a选择因子R=a选择因子a•定义与相对保留值(r21)基本相同•不同之处在于选择性系数是两个相邻峰的调整保留值之比（后峰比前峰，a≥1），而不是被测物与标准物质的调整保留值之比（可小于1）•它是评价固定液选择性的指标。选择性系数越大，该柱对此相邻峰的分离越好。色谱峰的区域宽度：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或W1/2)：色谱峰高一半处的宽度Y1/2=2.35（3）峰底宽(Y或Wb)：Y=4色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距.总结：利用色谱图可以解决下列问题：（1）样品中所含组分的最少个数（2）保留值---定性分析（3）色谱峰面积（或峰高）---定量分析（4）色谱峰的保留值和区域宽度---评价色谱柱的分离效能（5）根据相邻色谱峰之间的距离来选择合适的色谱分离条件第二节色谱理论基础色谱理论色谱过程中的热力学因素塔板理论色谱过程中的动力学因素速率理论分离条件的最优化问题——分离条件优化一、塔板理论（一）分配平衡组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。1.分配系数K在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度比，称为分配系数，用K表示，即：组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度K=cScM=K只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。(Distributionconstant)分配系数K的讨论试样一定时，K主要取决于固定相性质一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；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。组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度=K2、分配比kk=组分分配在固定相中的质量组分分配在流动相中的质量mSmM=（容量因子）(Partitionratioorcapacityfactor)3、分配比与分配系数分配比k与分配系数K的关系为：000tttttkRR'==分配比越大，保留时间越长。可由保留时间计算出分配比，两者有以下关系：SSSMMMMSkcmVVKkcmVV====相对保留值r21或a————选择性因子与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关。r21表示了固定相对这两种组分的选择性。（１）r21=1，两个组分的色谱峰必将重合，不能分离(2)r21越大，则分离得越好1212121221KKkkVVttrRRRR====''''（二）塔板理论塔板理论把气液色谱柱当作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念描述溶质在两相间的分配行为，并引入理论塔板数（thenumberoftheoreticalplates）N和理论塔板高度（theoreticalplateheight）H作为衡量柱效的指标。根据塔板理论，溶质进入柱入口后，即在两相间进行分配。对于正常的色谱柱，溶质在两相间达到分配平衡的次数在数千次以上，最后，挥发度最大（保留最弱）的溶质最先从塔顶（色谱柱出口）逸出（流出），从而使不同挥发度（保留值）的溶质实现相互分离。色谱分离过程当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附。随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附，挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附。随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。2.结论色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：n，理论塔板数与色谱参数之间的关系为：则三者的关系为：n=L/H221/25.54()16()RRttnYY==有效塔板数和有效塔板高度221/25.54()16()RRttnYY==•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t0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：''221/25.54()16()RRttnYYLHn===有效有效有效3.塔板理论的特点：(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)塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。n=L/H塔板数n→多，理论塔板高→小，柱效能→高，色谱峰→窄。因而n或H是描述柱效能的一个重要指标塔板理论:221/25.54()16()RRttnYY==''221/25.54()16()RRttnYYLHn===有效有效有效4塔板理论的贡献塔板理论有助于我们形象的理解色谱的分离过程。导出色谱流出曲线方程，它符合高斯分布，与实验现象相吻合。导出理论塔板数的计算公式，作为柱效的评价指标。5塔板理论的局限塔板高度H是一个抽象的物理量，它的色谱本质是什么？它与哪些参变量有关，又怎样影响峰的扩张？对实验的指导意义有限。不能解释流速对理论塔板数的影响。有些假设不合理，如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等。在实验中，如何比较不同色谱柱的柱效？在相同的实验操作条件下，用同一物质通过不同色谱柱，根据所得的色谱峰分别计算出neff,neff越大，则柱效能越高思考：某人制备了一根色谱柱，用组分Ａ，Ｂ为测试样测得该柱的理论塔板数为４５００和４０００，因而推断Ａ和Ｂ组分在该柱上一定能得到很好的分离，该推断正确吗？思考：答：不正确。？因为塔板数n多，只能说明柱效能高，色谱峰窄；不能判断二组分是否能被分离怎样判断二组分能否被色谱柱分离？221/25.54()16()RRttnYY==二、速率理论速率方程（也称范第姆特VanDeemter方程式）1956年荷兰学者范第姆特（vanDeemter)等提出了色谱过程的动力学理论。H=A+B/u+C·uH：理论塔板高度u：流动相流速控制流动相流速，减小A、B、C三项可提高柱效A、B、C为常数–运用流体分子规律研究色谱过程中产生色谱峰扩展的因素，导出了理论塔板高度与流动相线速度的关系，揭示了影响塔板高度的动力学因素。1.涡流扩散项－AA=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。但dp↓，同时引起柱流阻增加H=A+B/u+C·u1、使用适当小颗粒和粒度均匀的填充物；为了减少涡流扩散，提高柱效的有效途径：2、使填充物均匀