气相色谱（GC）基础知识_98页.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章,气相色谱法,10-1,色谱法引论,一,概述,“色谱法”,名称的由来,石油醚,(,流动相,),碳酸钙,(,固定相,),色,谱,带,是利用混合物不同组分在,固定相,和,流动相,中分配系数,(,或吸附系数、渗透性等,),的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。,色谱法,色谱法的分类,根据流动相的,物态可分为,气相色谱,(GC),液相色谱,(LC),超临界流体色谱,(SFC),根据固定相的外形分,柱色谱,平板色谱,平 板 色 谱,根据分离机理,可分为,吸附色谱,分配色谱,离子交换色谱,排阻色谱,二,色谱流出曲线及有关术语,(,一）保留值,定性,1,死时间,t,0,流动相,平均线速度,柱长,2,保留时间,t,r,3,校正,(,调整,),保留时间,4,死体积,V,0,5,保留体积,V,r,6,校正,(,调整,),保留体积,7,相对保留值,r,i,s,8,分离因子,(,二）峰高与峰面积,定量,（三）区域宽度,柱效,峰底宽度,W,半峰宽,W,1/2,标准偏差,(,四）色谱流出曲线上的信息,1,根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。,2,根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。,3,根据色谱峰的面积或峰高,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,(,或流动相,),选择是否合适的依据。,三,色谱分析的基本原理,组分保留时间为何不同？,色谱峰为何变宽？,(,一）分配系数,K,和分配比,k,组分在固定相中的浓度,组分在流动相中的浓度,1,分配系数,组分一定时，,K,主要取决于固定相性质,组分及固定相一定时,温度增加,K,减小,试样中的各组分具有不同的,K,值是分离的基础,选择适宜的固定相可改善分离效果,影响,K,的因素,固定相,温度,2,分配比,(,容量因子,),k,组分在固定相中的质量,组分在流动相中的质量,K,与,k,都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数。,K,与,k,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。,k,可直接从色谱图上获得。,3,分配系数,K,与分配比,k,的关系,4,分离因子,与,分配系数,K,及,分配比,k,的关系,(,二）色谱理论,1,塔板理论,柱分离效能指标,*k,=1,塔板号,载气塔板体积数,0,1,2,3,4,柱出口,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,1,0.5,0.25,0.125,0.063,0.032,0.016,0.008,0.004,0.002,0.001,0,0,0,0,0,0,0,0.5,0.5,0.375,0.25,0.157,0.095,0.056,0.032,0.018,0.010,0.005,0.002,0.001,0,0,0,0,0,0.25,0.375,0.375,0.313,0.235,0.165,0.111,0.072,0.045,0.028,0.016,0.010,0.005,0.002,0.001,0.,0,0,0.125,0.25,0.313,0.313,0.274,0.22,0.166,0.094,0.070,0.049,0.033,0.022,0.014,0.008,0,0,0,0,0.063,0.157,0.235,0.274,0.274,0.247,0.207,0.151,0.110,0.08,0.057,0.040,0.027,0,0,0,0,0,0.032,0.079,0.118,0.138,0.138,0.124,0.104,0.076,0.056,0.040,0.028,0.020,理论塔板数,理,论,塔,板,高,度,色谱柱长度,柱效能指标,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，柱效能越高，所得色谱峰越窄。,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。,有效塔板数,有效板高,2,速率理论,影响柱效的因素,流动相,线速度,范弟姆特方程,1),涡流扩散项,A,固定相颗粒越小，填充的越均匀,A,越小，,H,越小，柱效越高，色谱峰越窄。,2),分子扩散项,B,/,u,(,纵向扩散项,),流动相,柱内谱带构型,相应的响应信号,产生原因：,浓度梯度,影响因素：,流动相流速；,气体扩散系数,3),传质阻力项,Cu,气相传质阻力,固定相颗粒越小，载气分子量越小,气相传质阻力越小,液相传质阻力,固定液粘度及液膜厚度越小,液相传质阻力越小,4),流动相线速度对板高的影响,例,1,：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的,A=0.08cm;B=0.65cm,2,/s;C=0.003s,求最佳线速度,u,和最小塔板高,H.,解,:H=A+B/,u+Cu,欲求,u,最佳和,H,最小,要对速率方程微分,即,dH,/du,d(A+B/u+Cu)/du,-B/u,2,+C,0,最佳线速,:u,最佳,(B/C),1/2,(0.65/0.003),1/2,14.7cm/s,最小板高,:,H,最小,A+2(BC),1/2,0.08+2(0.650.003),1/2,0.17cm,四,分离度,定义：,t,r2,t,r1,:,组分,2,和组分,1,的保留时间,W,2,W,1,:,组分,2,和组分,1,的峰底宽度,R=1.5,完全分离,五,基本色谱分离方程式,对于难分离相邻两组分：,W,1,W,2,W,P,185,(10-12),分离度与,k,、,n,及,的关系,k,从,1,增加到,3,，,R,增加到原来的,1.5,倍,(,k,:2-7),n,增加到原来的,3,倍,，,R,增加到原来的,1.7,倍,从,1.01,增加到,1.1,，,增加约,9,，,R,增,加到原来的,9,倍,结论,选择合适的固定相,(,流动相,),以增加,是改善分离度最有效的方法,1),各组分的分配系数必须不同。这一条件通过选择合适的固定相来实现。,2),区域扩宽的速度应小于区域分离的速度，即色谱柱的柱效要高。,3),在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。,使试样中的不同组分分离需要满足的条件,例,1,：,有一根,l m,长的柱子，分离组分,1,和,2,得到如下色谱图。图中横坐标,l,为,记录笔走纸距离。若欲得到,R=1.2,的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？,解法,1,R,=1.2,1),2),解法,2,1),同解法,1,2),10-2,气相色谱实验技术,一 气相色谱仪,GC,工作过程,载气系统,进样系统,分离系统,检测和,记录系统,温控系统,（一）载气系统,常用载气：,氮气、氦气、氢气及氩气,气源,净化干燥管,载气流速控制装置,载气系统,载气选择依据,检测器,柱效,（二）进样系统,注射器,气化室,进样系统,进样器,气化室,温度比柱温高出,10,50,取样位置 试样导入色谱柱,六通阀进样器,（三）分离系统,(,色谱柱,),色谱柱,填充柱,毛细管柱,柱内径,1-10 mm,0.05-0.5 mm,柱长度,0.5-10 m,10-150 m,总塔板数,10,3,10,6,样品容量,10-1000,0.1-50,1,气液色谱固定相,组成,担体,(,载体,),固定液,硅藻土,红色,白色,非硅藻土,1),担体,(,载体,),对载体的要求,具有多孔性，即比表面积大。,化学惰性，表面没有活性，有较好的浸润性。,热稳定性好。,有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。,担体的表面处理,a.,酸洗,浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团,b.,碱洗,氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去酸,性作用,基团,c.,硅烷化,除去担体表面的氢键作用力,二甲基二氯硅烷,2),固定液,高沸点的有机化合物,对固定液的要求,热稳定性好，在操作温度下不发生聚合、分解等反应；具有较低的蒸气压，以免流失。,化学稳定性好，不与样品或载气发生不可逆的化学反应。,粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。,对样品中的各组分有适当的溶解度。,(,填充柱 ，毛细管柱,),组分与固定液分子间的相互作用,静电力极性分子之间的作用力,诱导力极性与非极性分子之间的作用力,色散力非极性分子之间的作用力,氢键力氢原子与电负性很大的原子,(,如,F,、,O,、,N,等,),之间的作用力,固定液的相对极性,P,固定液的选择原则,“相似相溶”,a.,非极性物质,非极性固定液,。,沸点,越低的组分越早出峰。,b.,极,性物质,极性固定液,。,极性,越小的组分出越早出峰。,c.,极,性与非极性混合物,极性固定液,。,极性越小的组分出越早出峰。,d.,易,形成氢键物质,极性或氢键型固定液。,不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分后出峰。,e.,复杂难分离样品,多种固定液混合,固定液,极性,适用范围,100,二甲基聚硅氧烷,非极性,脂肪烃化合物，石化产品,(50,三氟丙基,),甲基聚硅氧烷,中等极性,极性化合物，如高级脂肪酸,聚乙二醇,中强极性,极性化合物，如醇、羧酸酯等,常用毛细管色谱柱固定液,2,气固色谱固定相,永久性气体,惰性气体,低沸点有机化合物,分离对象,分离测定有机物中的痕量水,高分子多孔微球,硅胶强极性,氧化铝弱极性,活性炭非极性,分子筛,强极性,高分子多孔微球,(GDX),固体吸附剂,(,四,),检测系统,1,热导池检测器,(TCD),参比,测量,R,1,R,2,A,B,R,1,*R,参比,=,R,2,*R,测量,只有载气通过时,载气,+,组分,R,1,*R,参比,R,2,*R,测量,利用载气与组分热导系数的差异进行测量,载气对,热导检测器灵敏度的影响,某些气体与蒸气的热导系数,/10,-4,J,(cm,s,),-1,气体,热导系数,气体,热导系数,氢气,22.4,甲烷,4.56,氦气,17.41,乙烷,3.06,氮气,3.14,丙烷,2.64,氧气,3.18,甲醇,2.30,空气,3.14,乙醇,2.22,氩气,2.18,丙酮,1.76,影响热导检测器灵敏度的因素,载气种类；,热丝工作电流；,热丝与池体温度差。,适用范围,测量对象：通用,色谱柱：填充柱,2,氢,火焰离子化检测器,(FID),火焰离子化机理,适用范围,含碳有机化合物,影响检测灵敏度的因素,氢氮比；空气流量；极化电压。,3,电子捕获检测器,(ECD),电子,捕获机理,适用范围,卤素及亲电子物质,饮用水中三卤甲烷色谱图,水,氯,氯仿,二氯溴甲烷,二溴氯甲烷,溴仿,4,火焰光度检测器,(FPD),响应机理,适用范围,含硫、磷化合物,含磷化合物,含硫化合物,三,九,一,一,乙拌磷,地亚农,倍硫磷,对硫磷,丙硫磷,乙硫磷,乙丙硫磷,谷硫磷,壤虫磷,丰索磷,蝇毒磷,马拉硫磷,一,0,五九,5,质谱检测器,毛,细,管,柱,接口,离子源,离子检测器,加,热,器,温,度,传,感,器,6,原子发射光谱检测器,二 色谱分离操作条件的选择,1.,色谱,柱,固定相；,固定液液膜厚度；,柱长等,2.,载气及其线速的选择,检测器,载气,柱效,u,较小时，选择分子量较大的载气（,N,2,，,Ar,）；,u,较大时，选择分子量较小的载气,(H,2,，,He),u,的选择,3.,柱温,的选择,改变柱温产生的影响,柱效,增加柱温可加快气相、液相的传质速率，有利于降低塔板高度，改善柱效；但同时又会加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。,分离度,柱温升高，,K,减小，分离度下降。,分析时间,降低柱温，分析时间增加,柱温应控制在固定液的,最高使用温度,和最低使用温度范围之内。,使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。,柱温,一般选择在组分平均沸点左右。,组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,选择原则,程序升温,50250,，,8,/,min,恒温,150,正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较,程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。,4.,进样量的选择,进样量,柱效,进样量过大，使色谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽,检测器,进样量过大，峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏,进样量应控制在柱容量允许范围,及检测器线性检测范围之内,10-3,气相色谱分析方法及应用,一 定性分析,1,用已知纯物质,对照定性,保留值定性,峰高增加法定性,2,用经验规律和文献值定性,(1),经验规律,碳数规律,在一定温度下，,同系物,的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系,如果知道两种或更多同系物的调整保留时间，则可求出常数,A,和,C,。从色谱图查出未知物的 后，根据上式即可求出未知物的碳数。,(2),相对保留值,(3),保留指数,Z,Z,+1:,正构烷烃的碳原子数,进样,例：乙酸正丁酯在阿皮松,L,柱上的流出曲线如下图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正丁酯,310.0 mm,，正庚烷,174.0 mm,，正辛烷,373.4 mm,。求乙酸正定酯的保留指数。,在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知组分进行验证。,3,联机定性,GC/MS(,气相色谱,-,质谱,),例：川桂皮挥发油的化学成分分析,色谱柱：,SE,54(30m,0.25mm0.25,m),色谱操作条件,载气：氦气，流速,1mL/min,柱温：初温,60,保持,1min,，,8 /min,升温至,150,，,6 /min,升温至,190,，,8 /min,升温至,250,，保持,1min,总离子流色谱图,6,号峰的质谱图,GC/AES(,气相色谱原子发射光谱,),二甲基硒,烯丙基甲基硒,甲基亚磺基硒酸甲酯,二甲基二硒,2,丙稀硫硒酸甲酯,1,丙稀硫硒酸甲酯,双,(,甲硫,),硒,烯丙基甲基硫,二甲基二硫,二烯丙基硫,烯丙基甲基二硫,二甲基三硫,二烯丙基二硫,烯丙基甲基三硫,二烯丙基三硫,GC-AES,同时检测大蒜中碳、硫、硒化合物,Se(196.1 nm),C(193.1 nm),S(180.7 nm),4,几种方法联合定性,化合物,GC-MS,色谱保留指数,质谱相似度,OV-101,柱,PEG 20M,柱,9,号峰定性数据,985,1149,-,蒎烯,934,981,1124,香叶烯,926,986,1156,质谱和保留指数两种鉴定方法的结果,例：缬草挥发油化学成分的研究,多种方法联合定性可大大提高鉴定的可靠性,二 定量分析,1,定量基础,或,单位峰面积,(,或单位峰高,),的组分的量,定量校正因子,相对校正因子,2,常用的几种定量分析方法,(1),归一化法,试样中所有组分均须出峰,要求,操作条件如进样量、载气流速等变化时对结果的影响较小。,优点,组分,乙苯,对二甲苯,间二甲苯,邻二甲苯,峰面积,120,75,140,105,f,i,0.97,1.00,0.96,0.98,校正因子归一化定量结果,27.0,17.5,31.3,24.1,峰面积直接归一化定量结果,27.2,17.1,31.8,23.9,C,8,芳烃异构体归一化定量分析,(2),外标法,(,校准曲线法,),或,不使用校正因子,需准确控制进样量、,载气流速等,操作条件,适合测定大批量样品,(3),内标法,对内标物的要求：,（,a,）,试样中不含有该物质；,（,b,）,与被测组分性质比较接近；,（,c,）,不与试样发生化学反应；,（,d,）,出峰位置应位于被测组分附近，且无,组分峰影响。,准确度高,优点,例,:,测定二甲苯氧化母液中乙苯和二甲苯含量，采用内标法。称取试样,1500 mg,，加入内标物壬烷,150 mg,，混合均匀后进样，测得如下数据：,组分,壬烷,乙苯,对二,甲苯,间二,甲苯,邻二,甲苯,峰面积,校正因子,98,1.02,70,0.97,95,1.00,120,0.95,80,0.98,计算样品中乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯的含量。,解：,三,应用,（一）分离分析中的应用,气体、易挥发的物质及可转化为易挥发化合物的液体或固体物质,适用对象,（二）化学研究中的应用,1.,通过测定保留时间，研究某些化学平衡性质，如溶解热、活度系数、熵变及焓变等,2.,通过测定色谱峰柱后扩宽程度，研究某些动力学过程，如测定液体和气体的扩散系数、反应速率常数等,3.,根据保留体积或峰面积，测定相对分子质量、表面积、孔率分布及液膜厚度等物化性质,