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仪器分析第第9 9讲讲色谱分析法 1 朱永法清华大学化学系2024/5/25 周六2概述概述 Introduction色谱法（色层法，层析法）是一种重要的分离和分析方法，它是利用不同物质在两相中具有不同的分配系数(或吸附系数、渗透性)，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复分配而实现分离的一种方法。气相色谱法（gas chromatography,GC）是采用气体作为流动相的一种色谱分析方法。固定相：不动的一相；流动相：携带混合物流过固定相的流体；2024/5/25 周六3历史1906 Tswett 研究植物色素分离，提出色谱法概念ts2024/5/25 周六4历史1941 Martin和Synge提出液-液色谱理论1952 James和Martin发展了气相色谱法1967 Kirkland等研制高效液相色谱法；1980年以后，出现毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱分析方法。2024/5/25 周六5分类按流动相分按流动相分气相色谱（气相色谱（GC，流动相为气体），流动相为气体）液相色谱（液相色谱（LC，流动相为液体），流动相为液体）超临界流体色谱（超临界流体色谱（SFC，流动相为，流动相为超临界液体）超临界液体）按机理分按机理分吸附色谱：吸附色谱：物理吸附性能差异进行分离物理吸附性能差异进行分离分配色谱：分配色谱：利用在两相中的分配系数差异进行分离；利用在两相中的分配系数差异进行分离；离子交换色谱：离子交换色谱：利用离子交换能力原理；利用离子交换能力原理；排阻色谱：排阻色谱：利用多孔物质对不同大小分子的排阻差异；利用多孔物质对不同大小分子的排阻差异；2024/5/25 周六6分类按固定相在支持按固定相在支持体中的形状分体中的形状分柱色谱：柱色谱：固定相在色谱柱中固定相在色谱柱中平板色谱平板色谱纸色谱：纸色谱：固定相为滤纸固定相为滤纸薄层色谱：薄层色谱：吸附剂薄层作吸附剂薄层作为固定相为固定相按分离效率分按分离效率分经典液相色谱经典液相色谱高效液相色谱高效液相色谱最新进展最新进展微柱色谱微柱色谱毛细管电动色谱毛细管电动色谱2024/5/25 周六7色谱法的特点分离效能高，具有很高的理论塔板数；灵敏度高；分析速度快；不需要进行分离；可以进行组分分离；2024/5/25 周六8气相色谱法气相色谱：利用气体作为流动相的色谱分析方法；是分析气体和液体的最常用方法；特点：分析灵敏度高，检测限低，不需要分离直接测量，适用范围广，可定性和定量分析；2024/5/25 周六9基本概念与术语色谱流出曲线（chromatogram）指样品注入色谱柱后，信号随时间变化的曲线。WW1/21/2h0.607h2 空气峰2024/5/25 周六10常用术语（1）基线无组分通过色谱柱时，检测器的噪音随时间变化的曲线。（2）峰宽峰底宽W 峰半宽W1/2标准偏差2024/5/25 周六11色谱参数示意图1/2h0.607hW1/22 WtRt02024/5/25 周六12保留值保留时间tR:进样到出现色谱峰的时间保留体积VR:进样到出现色谱峰时消耗的流动相体积死时间t0:流动相流过色谱柱的时间死体积V0:色谱柱的空隙体积校正保留时间校正保留体积F流动相流动线速度流动相流动线速度2024/5/25 周六13相对保留值相对保留值：两种物质的相对保留时间的比值。仅与柱温和固定相有关，与柱径，柱长，流动相速度无关2024/5/25 周六14分配系数和分配比（容量因子）分配过程：组分在固定相和流动相之间发生的吸附，脱附，溶解，挥发的过程；分配系数：一定温度与压力下两相达平衡后，组分在固定相和流动相中浓度的比值分配比（容量因子）：一定温度与压力下两相达平衡后，组分在固定相和流动相中的质量的比值固定相质量固定相质量流动相质量流动相质量分配系数和容量因子的关系2024/5/25 周六15容量因子k与保留值的关系2024/5/25 周六16证明：当组分一半流出色谱柱时当组分一半流出色谱柱时因此因此色谱基本保留方程色谱基本保留方程推导部分了解即可推导部分了解即可2024/5/25 周六17分离效能指标1、选择性（相对保留值）相对保留值由两组分的热力学性质决定，与色谱柱的长短粗细无关。2024/5/25 周六18分离效能指标2、峰宽度2024/5/25 周六19分离效能指标3.分离度分离度分离度考虑了保留时间和峰宽度，是一个综合指标：定义为相考虑了保留时间和峰宽度，是一个综合指标：定义为相邻两组分保留时间之差与两组分基线宽度总和之半的比值；邻两组分保留时间之差与两组分基线宽度总和之半的比值；R 1.0R 1.0两峰明显重叠两峰明显重叠R=1.0R=1.0两峰达两峰达97.7%97.7%分离分离R R 1.5 1.5两峰完全分开两峰完全分开R=1.5R=1.5 基线分离基线分离2024/5/25 周六20色谱理论一、塔板理论目的从理论上得到描述色谱流出曲线的方程，并通过这一方程各参数来研究影响分离的因素。假设（分离塔板）（1）色谱柱存在多级塔板（2）组分通过时在每级塔板两相间达到一次平衡（3)经过多次分配平衡后，各组分由于分配系数不同而得以分离。2024/5/25 周六21r 塔板数N 转移次数设：有A、B两组分，kA=2kB=1/2当 N=0r=0r0r1r2。rnA组分在两相分配达平衡后：组分在两相分配达平衡后：流动相分量流动相分量=固定相分量固定相分量=2024/5/25 周六22塔板理论理论塔板数的经验表达式：由此可知，组分保留时间越长，峰形越窄，理论塔板由此可知，组分保留时间越长，峰形越窄，理论塔板数越大，因此数越大，因此n和和H（塔板高度）可以做为描述柱效能（塔板高度）可以做为描述柱效能的指标，高柱效有大的的指标，高柱效有大的n值和小的值和小的H值值L为色谱柱长度为色谱柱长度2024/5/25 周六23塔板理论为了消除死时间的影响，使用有效理论塔板为了消除死时间的影响，使用有效理论塔板数数n有效有效和有效塔板高度和有效塔板高度H有效有效做为柱效能指标做为柱效能指标2024/5/25 周六24速率理论塔板理论的不足塔板理论虽然指出了理论板数n或理论板高度H对色谱柱效率的影响，但是没有指出影响塔板高度的因素，因此无法在理论指导下从实验上提高色谱柱的效率。2024/5/25 周六25Van Deemter方程1956年Van Deemter提出速率方程，指出了提高柱效率的途径Van Deemter方程式中式中 u流动相流动的线速度流动相流动的线速度2024/5/25 周六26A涡流扩散项指固定相填充不均匀引起的扩散 为填充的不规则因子为填充的不规则因子dp固定相颗粒粒径固定相颗粒粒径涡流扩散示意图涡流扩散示意图A与载气性质、线速度和组分性质无关。与载气性质、线速度和组分性质无关。使用较细粒度和颗粒均匀的填料，并尽量使用较细粒度和颗粒均匀的填料，并尽量填充均匀，可减少涡流扩散，提高柱效。填充均匀，可减少涡流扩散，提高柱效。对于空心毛细管柱，因无填充物，不存在对于空心毛细管柱，因无填充物，不存在A项项2024/5/25 周六27B/u 纵向分子扩散项指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽分子扩散系数分子扩散系数式中：式中：r曲折性校正因子，填充柱曲折性校正因子，填充柱 r 1 空心柱空心柱r=1 Dm组分在流动相中的扩散系数（组分在流动相中的扩散系数（cm2/s）在气相色谱中，在气相色谱中，Dm与组分的性质、载气的性质、温度、与组分的性质、载气的性质、温度、压力等有关。压力等有关。增加载气密度或载气分子量，可以降低增加载气密度或载气分子量，可以降低Dm，Dm随柱温增高而增加随柱温增高而增加由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的1/105，因此在液相色，因此在液相色谱中谱中B可以忽略。可以忽略。2024/5/25 周六28Cu传质阻力项指组分在流动相和固定相之间传质的阻力流动相传质阻力流动相传质阻力固定相传质阻力固定相传质阻力q 和和 为与两相的为与两相的构型和性质有关的常构型和性质有关的常数数dp 和和 df 为固定相颗为固定相颗粒直径和固定液膜的粒直径和固定液膜的厚度厚度综上，得综上，得2024/5/25 周六29Van Deemter方程载气流速u 在上述方程各项中存在矛盾，因此，应求出最佳值：uHuopt2024/5/25 周六30影响谱带展宽的其它因素柱前展宽、柱后展宽、柱外效应2024/5/25 周六31分离条件的选择色谱柱对试样的分离效果，可以从三方面进行评价：1.具有较低的塔板高度或很大的理论塔板数2.有较好的选择性3.分离度的大小2024/5/25 周六32选择性所谓选择性是指难分离物质对的调整保留时间之比，用选择因子 表示：越大，两组分分离的越好越大，两组分分离的越好2024/5/25 周六33分离度对于难分离物质对，假定相邻二峰峰宽相等，W1=W2=W，因为它们的保留值的差别小，可合理地认为2024/5/25 周六34由塔板理论：2024/5/25 周六35分离度由色谱分离基本方程分离度与n的平方根成正比，增加柱长可改进分离度，但同时引起峰展宽。故在达到一定R时应使用短一些的色谱柱。增加n的另一方法是减小柱的H值。容量因子k值较大，对R有利。选择因子 越大，柱选择性越好，分离效果越好。增大 值是提高分离度的有效办法。2024/5/25 周六36柱温的选择提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板高度，改善柱效；增加柱温可以促进分子扩散加剧，加大塔板高度，降低柱效；柱温降低会延长分析时间；2024/5/25 周六37气相色谱仪载载气气净化器净化器流量计流量计色谱柱色谱柱柱箱柱箱汽化室汽化室检测器检测器记录器记录器进进样样放放空空气相色谱仪流程图气相色谱仪流程图2024/5/25 周六38气相色谱仪载气系统载气通常为氮、氦、氢气，需经过装有活性炭或分子筛的净化器，以除去载气中的水、氧等有害物质。一般采用稳压阀或双气路控制流量恒定。进样系统包括进样装置和汽化室。汽化室温度通常比使用的最高柱温高1050，以保证样品全部汽化。2024/5/25 周六39检测器作用：作用：将色谱分离后的各组分的量转变成可测量的电信号，然后纪录下来要求：要求：灵敏度高、线性范围宽、响应速度快、结构简单、通用性强常用检测器：常用检测器：热导检测器（TCD）氢火焰离子化检测器（FID）电子捕获检测器（ECD）2024/5/25 周六40热导检测器(Thermal Conductivity Detector,TCD)2024/5/25 周六41TCD原理TCD的原理是基于不同物质的导热系数不同，测量热体热量损失的比率，度量气体的组成和质量的方法；影响因素工作电流载气热导系数池体温度 池体常数（降低死体积）2024/5/25 周六42某些气体和蒸汽的热导系数气体气体 00C1000C气体气体 00C1000CH217.41 22.4甲烷甲烷3.014.56He14.57 17.41乙烷乙烷1.803.06N22.433.14丙烷丙烷1.512.64空气空气2.173.14正丁烷正丁烷 1.342.34CO21.472.22甲醇甲醇1.422.302024/5/25 周六43热导检测器的主要特点检测器结构简单；对无机物和有机物都有响应，适用分析气体范围广；灵敏度不高；2024/5/25 周六44氢火焰离子化检测器Flame Ionization Detector(FID)有机物在火焰中电离形成离子流，根据离子流的出现和大小进行分析载气载气+样品组分样品组分H2空气空气极化极极化极收集极收集极放放大大记记录录离离子子流流方方向向2024/5/25 周六45FID影响因素H2/N2比；1:11:1.5H2流量低，灵敏度降低和火焰熄灭 H2流量高，热噪声大空气流量，H2/O2=1:10 低流量时，信号随流量增加；大于800mL/min，火焰晃动，噪声大；极化电压：150-300V与电压增加而增加，超过一定值就达到饱和2024/5/25 周六46氢火焰离子化检测器的特点1.灵敏度高，比热导高2-3数量级，10-12g/s2.线性范围宽；3.适于可燃性有机物的检测4.不能检测不燃性有机物气体，惰性气体、空气、水、CO、CO2NO、SO2等2024/5/25 周六47电子俘获检测器载气在-射线源的照射下发生电离，形成稳定的基流卤素等含电负性的原子捕获电子生成稳定的负离子，并与载气正离结合，使基流信号下降，根据信号是否降低和降低程度，可检测组分的量。放射源放射源（-）不锈钢棒不锈钢棒（+）放大放大与与检测检测系统系统2024/5/25 周六48电子俘获检测器的特点1.对卤素、硫、磷、氮、氧含有电负性元素有很强的响应；2.灵敏度高，可用于痕量农药残留物的分析；10-14g/mL，电负性越高，灵敏度也越高；3.线性范围较窄，稳定性不是很好；4.使用过程复杂；2024/5/25 周六49火焰光度检测器（Flame Photometric Detector，FPD）是一种对硫磷选择性分析的检测器，这两种元素燃烧中被激发，从而、发射特征的光信号，对特定波长光信号的检测就可以获得S，P元素的浓度载气载气+组分组分H2PMT滤光片滤光片180029000CS394 nmP526 nm2024/5/25 周六50其它检测器及其联用技术GC-MS采用四极杆质谱作为检测器，检测速度快，灵敏度高；GC-FTIR检测速度快，灵敏度低，使用方便2024/5/25 周六51检测器的性能指标（1）灵敏度（Sensitivity）RQQR单位浓度（或质量）的物质通过单位浓度（或质量）的物质通过检测器时所产生信号的大小。检测器时所产生信号的大小。R 峰高峰高mV面积面积A=（mV）2Q浓度浓度mg/ml，ml/ml质量质量g/sS浓度浓度mV ml/mgA ml/mg质量质量mV s/gA s/g2024/5/25 周六52检测器的性能指标（2）检测限（Detection Limit）检测限：能进行信号鉴别的最小量，采用三倍噪音所相当的物质的量称为检测限（3）线性范围（Linear range）指检测器信号与样品浓度（或量）之间成正比关系的范围。N为噪音，单位为为噪音，单位为mV2024/5/25 周六53样品的制备方法直接进样法气体，低熔点液体衍生法高熔点有机物如有机酸裂解色谱法高聚物，分析裂解产物；顶空色谱法具有一定饱和蒸汽压的液体或固体2024/5/25 周六54气相色谱重要内容色谱法原理固定相，流动相；保留时间；分配系数；分离度；塔板理论；流速的影响；柱温的影响；气相色谱仪结构检测器种类及特点灵敏度和检测限色谱柱的种类和特点定性分析方法定量分析方法样品制备方法毛细管色谱法2024/5/25 周六55思考题p255-256Q2，Q4，Q7，Q9，Q10The EndThanks!