气相色谱法_27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,*,第十七章 气相色谱法,17-1 概 述,色谱法是一种用于分离、分析多组分混合物质的非常有效的方法。色谱法起始于1906年俄国植物学家茨维特对植物色素分离、分析的研究。用气体作为流动相的色谱法称为,气相色谱法（,gas chromatography）,。,一、分类,根据固定相的状态不同，又可将气相色谱法分为：,气固色谱：多孔性固体为固定相，实际应用较少。,气液色谱：高沸点的有机化合物涂渍在惰性载体上作为,固定相，,固定液种类很多，有广泛的实用价值。,1,17-1 概 述,二、气相色谱分析流程,气相色谱法用于分离分析样品的基本过程如下图：,气相色谱流程图,由高压钢瓶1供给的流动相载气。经减压阀2、净化器3、流量调节器4和转子流速计5后，以稳定的压力恒定的流速连续流过气化室6、色谱柱7、检测器8，最后放空。检测器信号经放大并驱动自动记录仪9，同时记录时间与响应信号的相应关系，从而获得一组峰形曲线，简称色谱图。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,2,17-1 概 述,三、气相色谱的分离原理,以气液色谱为例：色谱柱中的固定相是惰性担体上均匀涂布的固定液，当气态的试样组分随载气进入色谱柱时，试样组分分子与固定液分子充分接触，组分在固定相和流动相两相间发生溶解、挥发的分配过程，设,Cs,为组分在固定相中的浓度，,Cm,为组分在流动相中的浓度，则在每次分配过程达到平衡时都应满足下列关系：,式中,K,为分配系数。,不同物质在两相间的,K,值各不相同。,K,值大，柱内停留时间长；,K,值小，柱内停留时间短。因此试样中各组分得以分离。,3,17-1 概 述,四、气相色谱法的特点,（1）分离效能高。可分离性质非常接近的同分异构体、立体异构体等物质。,（2）灵敏度高。可以检测10,-11,10,12,g,物质。,（3）分析速度快。在进样后只要几分钟或几十分钟即可完成一个分析全过程。,（4）应用范围广。在柱温条件下能气化的有机试样、无机试样都可进行分离与测定。,4,17-2,气相色谱固定相及其选择原则,一、气固色谱固定相（吸附剂）,用气相色谱分析永久性气体及气态烃时，常采用固体吸附剂作固定相。在固体吸附剂上，永久性气体及气态烃的吸附热差别较大，故可以得到满意的分离。,1.常用的固体吸附剂,主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。,2.人工合成的固定相,作为有机固定相的高分子多孔微球（如,GDX,系列）是人工合成的多孔共聚物，它既是载体又起固定相的作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再使用。,由于是人工合成的，可控制其孔径的大小及表面性质。,5,17-2,气相色谱固定相及其选择原则,二、气液色谱的固定相,将固定液均匀涂渍在载体而成。,1.担体（亦称载体）,载体是固定液的支持骨架，使固定液能在其表面上形成一层薄而匀的液膜。载体应有如下的特点：,第一，具有多孔性，即比表面积大；,第二，化学惰性且具有较好的浸润性；,第三，热稳定性好；,第四，具有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。,载体可以分成两类：硅藻土类和非硅藻土类。,6,17-2,气相色谱固定相及其选择原则,硅藻土类载体,是天然硅藻土经煅烧等处理后而获得的具有一定粒度的多孔性颗粒。按其制造方法的不同，可分为红色载体和白色载体两种。,红色载体,因含少量氧化铁颗粒而呈红色。其机械强度大，孔径小，比表面积大，表面吸附性较强，有一定的催化活性，,适用于涂渍高含量固定液，分离非极性化合物。,白色载体,是天然硅藻土在煅烧时加入少量碳酸钠之类的助熔剂，使氧化铁转化为白色的铁硅酸钠。白色载体的比表面积小，孔径大，催化活性小，,适用于涂渍低含量固定液，分离极性化合物。,7,17-2,气相色谱固定相及其选择原则,2.固定液,(1)固定液应具有的性质,第一，选择性好，对被分离组分的分配系数要有适当的差值。,第二，热稳定性好，即沸点高，挥发性小。,第三，对被测组分有适当的溶解能力。,第四，,化学稳定性好，与样品或载气不能发生不可逆的化学反应。,8,17-2,气相色谱固定相及其选择原则,（2）,按固定液的相对极性分类,极性是固定液重要的分离特性，按相对极性分类是一种简便而常用的方法,（按相对极性分类的常用固定液列于教材,P.286,表11-2）。,（3）,固定液的选择原则,在选择固定液时，一般按,“,相似相溶,”,的规律选择，因为这时的分子间的作用力强，选择性高，分离效果好。,在应用中，应根据实际情况并按如下几个方面考虑：,第一，非极性试样一般选用非极性固定液。非极性固定液对样品的保留作用，主要靠色散力。分离时，试样,9,17-2,气相色谱固定相及其选择原则,中各组分基本上,按沸点从低到高的顺序流出色谱柱,；若样品中含有同沸点的烃类和非烃类化合物，则极性化合物先流出。,第二，中等极性的试样应首先选用中等极性固定液。在这种情况下，组分与固定液分子之间的作用力主要为诱导力和色散力。分离时组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱，但对于同沸点的极性和非极性物，由于此时诱导力起主要作用，使极性化合物与固定液的作用力加强，所以非极性组分先流出。,第三，强极性的试样应选用强极性固定液。此时，组分与固定液分子之间的作用主要靠静电力，组分一般按,10,17-2,气相色谱固定相及其选择原则,极性从小到大的顺序流出；对含有极性和非极性的样品，非极性组分先流出。,第四，具有酸性或碱性的极性试样，可选用带有酸性或碱性基团的高分子多孔微球，组分一般按相对分子质量大小顺序分离。此外，还可选用极性强的固定液，并加入少量的酸性或碱性添加剂，以减小谱峰的拖尾。,第五，能形成氢键的试样，应选用氢键型固定液，如,腈醚和多元醇固定液等。各组分将按形成氢键的能力大小顺序分离。,第六，对于复杂组分，可选用两种或两种以上的混合液，配合使用，增加分离效果。,11,17-3,气相色谱法理论基础,一、色谱图有关术语,试样中经分离后的各组分依次进入检测器，后者将组分的浓度（或质量）的变化转化为电压（或电流）信号，记录仪描绘出所得信号随时间的变化曲线，称为色谱流出曲线，即,色谱图,。下图为单组分的色谱图：,1.基线：单纯载气通过检,测器时，响应信号的记,录值，稳定的基线应该,是一条水平线，如,OC。,2.保留值,（1）死时间,t,M,：惰性气,体峰,。,（2）保留时间,t,R,：组分峰。（3）调整保留时间,t,R,：,t,R,=,t,R,-,t,M,。,（4）死体积,V,M,=,t,M,Fo,：色谱仪柱内空间容积之和。（5）保留体积,V,R,=,t,R,Fo,：组分色谱峰出现最大值时所通过的载气体积。（6）调整保留体积,V,R,=,t,R,Fo,。,其中,Fo,为色谱柱出口的载气体积流速（,mL,min,-1,）。,12,17-3,气相色谱法理论基础,（7）相对保留值,r,21：,组分与组分的调整保留值之比。,r,21,只与组分性质、柱温、固定相性质有关，与其它色谱操作条件无关，是气相色谱定性的重要依据。,3.区域宽度：即色谱峰宽度，越窄越尖的峰形越好。通常用下列三种方法之一表示。,（1）,标准偏差,（2）,半峰宽,Y,1/2,：Y,1/2,=2.354,（3）,峰底宽度,W,b,：,W,b,=4,13,17-3,气相色谱法理论基础,二、气相色谱法的基本理论,1.,塔板理论1941年，,Martin、,synge,将色谱柱比作一个分馏塔，在每个塔板高度间隔内，被测组分在气液两相间达到分配平衡。这个塔板高度称为理论塔板高度，以,H,表示。假设色谱柱的长度为,L,，,则一根色谱柱相当的理论塔板数,N,理,=,L/H。,根据塔板理论，,N,理,与色谱峰的峰宽有关，其关系式如下：,14,17-3,气相色谱法理论基础,但是，由于柱内的死体积,V,M,或死时间,t,M,并不参与分配过程，所以,N,理,不能反映柱内组分分配的真实情况，为此应扣除,V,M,或,t,M,，即以调整保留值计算出的有效塔板数,N,有,和有效塔板高度,H,有,，更接近色谱柱的实际情况，计算公式为：,有效塔板高度的计算公式为：,H,有,=,L,/,N,有,15,17-3,气相色谱法理论基础,N,有,可用来衡量柱效能，但应注意两点：,（1）使用,N,有,或,H,有,表示柱效能时，除说明色谱操作条件外，还应指出是对何种物质而言。,（2）,N,有,越多，表示柱效能越高，有利于分离。,例11-1：已知某组分的色谱峰底宽度为40,s，,死时间为14,s，,保留时间6.67,min，,求,N,理,、,N,有,各为多少？,解：6.67,min=400s,16,17-3,气相色谱法理论基础,2.速率理论-,Van,Deemter,方程,影响塔板高度的各种因素，可以用速率理论方程式（亦称,Van,Deemter,方程式）表示：,式中：,A,项为涡流扩散项，与填充物的粒度大小及填充是否均匀有关；,B/u,为分子扩散项，,u,为载气平均线速度。为了减少第二项应增加流速和使用分子量较大的载气；第三项,Cu,为传质项，系数,C,包括气相传质和液相传质两方面，第三项随载气速度增加而增加。,17,17-3,气相色谱法理论基础,三、分离度,色谱柱总的分离效能可用分离度,R,（,亦称分辨率）来评价。,采用峰底宽计算：,采用半峰宽计算：,R,越大，分离效果越好。当,R,=1.5,时，两峰已属完全分离。,假定,W,b2,=W,b1,，,可推得：,18,17-3,气相色谱法理论基础,例11-2：欲分析的两个组分的相对保留值,r,21,为1.231，要在一根色谱柱上得到完全分离（即,R,=1.5）。,设有效塔板高度,H,有,为0.1厘米，应使用多长的色谱柱？,解：,=1022（,块）,L,=,N,有,H,有,=1022 0.1=102.2,厘米,19,17-4,气相色谱分离条件的选择,在气相色谱中，除了要选择合适的固定液之外，还要选择分离时的最佳条件，以提高柱效能，增大分离度，满足分离的需要。,一、载气及其线速度,u,的选择,根据,van,Deemter,方程的数学简化式为,H=A+B/u+C u,可得到下图所示的,H-u,关系曲线。,20,17-4,气相色谱分离条件的选择,塔板高度与载气线速度的关系,图中曲线的最低点，塔板高度最小，柱效最高，所以该点对应的流速即为最佳流速。,当,u,值较小时，分子扩散项,B/u,将成为影响色谱峰扩张的主要因素，此时，宜采用相对分子质量较大的载气（,N,2,、,Ar,），以使组分在载气中有较小的扩散系数。,当,u,较大时，传质项,Cu,将是主要控制因素。此时宜采用相对分子质量较小，具有较大扩散系数的载气（,H,2,、He,），以改善气相传质。,A+Cu,B/u,Cu,A,21,17-4,气相色谱分离条件的选择,二、柱温的选择,柱温是一个重要的色谱操作参数，它直接影响分离效能和分析速度。,柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则会造成固定液大量挥发流失。某些固定液有最低操作温度。一般地说，操作温度至少必须高于固定液的熔点，以使其有效地发挥作用。,降低柱温可使色谱柱的选择性增大，但升高柱温可以缩短分析时间，并且可以改善气相和液相的传质速率，有利于提高效能。所以，这两方面的情况均需考虑。,在实际工作中，一般根据试样的沸点选择柱温、固定液用量及载体的种类。对于宽沸程混合物，一般采用程序升温法进行。,22,17-4,气相色谱分离条件的选择,三、柱长和柱内径的选择,由于分离度正比于柱长的平方根，所以增加柱长对分离是有利的。但增加柱长会使各组分的保留时间增加，延长分析时间。因此，在满足一定分离度的条件下，应尽可能使用较短的柱子。,增加色谱柱的内径，可以增加分离的样品量，但由于纵向扩散路径的增加，会使柱效降低。,23,17-4,气相色谱分离条件的选择,四、进样时间和进样量的选择,进样速度必须很快，因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之边宽，有时甚至使峰变形。一般地，进样时间应在1,s,以内。,色谱柱有效分离试样量，随柱内径、柱长及固定液用量不同而异。柱内径大，固定液用量高，可适当增加试样量。但进样量过大，会造成色谱柱超负荷，柱效急剧下降，峰形变宽，保留时间改变。理论上允许的最大进样量是使下降的塔板数不超过10%。总之，最大允许的进样量，应控制在使峰面积和峰高与进样量呈线性关系的范围内。,24,17-5,气相色谱分析方法,一、定性分析,1.利用保留值定性：通过比较未知物与纯物质的保留值来定性；也可通过比较一物质对某标准物质的,r21,来定性。,2.利用加入已知标准物质增加峰高的方法定性。,3.保留指数法（一般了解）。,二、定量分析,1.峰面积测量,（1）,A=hY1/2,适用峰形对称且不太窄。,（2）,A=h(Y0.15+Y0.85)/2,适用不对称峰形。,（3）,A=,bht,R,适用较窄的峰形，相对计算时，比例,常数,b,可略去。,25,17-5,气相色谱分析方法,2.定量校正因子,（1）,绝对校正因子,（2）相对校正因子,26,17-5,气相色谱分析方法,定量方法,（1）外标法：作,Ai,或,hi,与浓度,C,的标准曲线，在与绘制标准曲线相同的色谱条件下测定试样组分，查得其浓度。,（2）归一化法：,（3）内标法,27,