《色谱分离基础》PPT课件.ppt

绪论 色谱分离基础,1.Separation techniques 2.History of chromatography3.Classification of chromatography4.The principle of chromatography5.Chromatogram and some terminology,Fundamental of chromatograph separation,Section 1 Overview,1.Separation techniques,Extraction:partition(L-L phase)Distillation:boiling point(L-G phase)Participation:solubility(L-S phase)Chromatography:consecutive use of separation steps,萃取（分配）、蒸馏（沸点）、沉淀（溶解度）、色谱（连续使用分离步骤）,2.History of chromatography,1906,Russian botanist Michail TswettCalcium carbonateExtracts of leaf pigments 色素Chlorophylls 叶绿素Xanthophylls 叶黄素 Spirilloxanthin 螺旋黄质,3.Classification of chromatography,()internal chromatography:planar:paper,thin-layer()external chromatography:column:packing,capillary column,Classification of column chromatography according to the mobile and stationary phases used,4.The principle of chromatography,Question 1:How chemically similar compounds can be separated in a chromatographic column?P 2-3,5.Chromatogram and some terminology,Base lineTotal retention timeDead timeZone broadening,用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法：,()Standard deviation()The half-band width()The base-line width,Section 2 Chromatographic theory,1.Thermal dynamic equilibrium2.Plate theory3.Rate theory4.The resolution,色谱理论需要解决的问题：(1)色谱分离过程的热力学和动力学问题。(2)影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径。(3)柱效与分离度的评价指标及其关系。,组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：塔板理论和速率理论；,色组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？理论,1.Thermal dynamic equilibrium,Question 2:Why do different constituents move at different rate?,K:partition coefficient,对分配系数的讨论,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。,Question 3:How can the relationship between the retention time and the partition coefficient be established?,Phase ratio Capacity factor(1-5)Adjusted retention time,对容量因子的讨论,Selectivity factorSeparation factor,2.Plate theory,柱分离效能指标,塔板理论的假设：(1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可 以 迅速达到；(2)将载气看作成脉动（间歇）过程；(3)试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4)每次分配的分配系数相同。,一、塔板理论-,塔板理论（plate theory）,色谱柱长：L，虚拟的塔板高度：H plate hight 色谱柱的理论塔板数：N number of theoretical plate 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：,对塔板理论的讨论,(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.Rate theory 影响柱效的因素,H=A+B/u+Cu,H：理论塔板高度，u：载气的线速度(cm/s),A涡流扩散项(Eddy diffusion),A=2dp dp：固定相的平均颗粒直径：固定相的填充不均匀因子,B/u 分子扩散项,B=2 Dg：弯曲因子，填充柱色谱，1。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）,k为容量因子；Dg、DL为扩散系数。,B u 传质阻力项,C=（Cg+CL）,载气流速与柱效最佳流速,对速率理论的讨论,(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。,(2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。,(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。,(4)各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。,三、分离度,4.The resolution 分离度 R,分离度的表达式：,Definition of resolution,讨论：,k:changing temperature or mobile phase N:length of columnH:flow rate,particle size of packing,viscosity of the phase,Optimum of separation,a:Choosing a different type of molecular interaction by changing stationary phase,第一章 气相色谱法Gas Chromatography,Section 1 modules of a GCSection 2 detector of gas chromatographSection 3 stationary phases in gas-liquid chromatograph Section 4 stationary phases for G-S chromatographSection 5 qualitative analysis and quantitative analysis,Section 1 modules of a GC,1 carrier gases2 sample injection system3 column packing and column ovens4 detectors,载气系统,进样系统,色谱柱,检测系统,温控系统,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；,1 carrier gases,常用的载气有：Inert gases such as helium,argon,nitrogen,carbon dioxide,hydrogen净化干燥管：through a molecular sieve to remove traces of water载气流速控制:pressure regulation 压力表 flow regulation 流量计,载气系统,2 sample injection system,进样系统,六通阀,液体进样器：,syringe,3 column packing and column ovens,色谱柱,柱材质:stainless steel,glass or fused silica internal diameter:3-8mm,Length:1-3m.柱填料：粒度为60-80或80-100目(mesh)的色谱固定相。液-固色谱：固体吸附剂 液-液色谱：担体+固定液,检测器：广普型对所有物质均有响应；专属型对特定物质有高灵敏响应；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；,4 detectors,检测系统,温度控制系统,温度是色谱分离条件的重要选择参数；气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；,程序升温实例,Section 2 detector of gas chromatograph,1 specific property of detector2 thermal conductivity detector3 flame ionization detector,FID4 electron capture detector,ECD5 other detector,一、检测器特性 1 1 specific property of detector,检测器类型浓度型检测器：测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测 信号值与组分的浓度成正比。热导检测器；质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。FID；广普型检测器：universal 对所有物质有响应，热导检测器；专属型检测器：specific 对特定物质有高灵敏响应，电子俘获检测器；,二、热导检测器 2 thermal conductivity detector,TCD,1.热导检测器的结构池体（一般用不锈钢制成）热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱 出口处。,2.检测原理,进样前：R参=R测;R1=R2 R参R2=R测R1 进样后：R参R测 则：R参R2R测R1,3.影响热导检测器灵敏度的因素,桥路电流I：池体温度：载气种类：,表 某些气体与蒸气的热导系数（），单位：J/cms,三、氢火焰离子化检测器 3 flame ionization detector,FID,1.特点（FID：hydrogen flameionization detector）简称氢焰检测器(1)典型的质量型检测器;(2)对有机化合物具有很高的灵敏度;(3)无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度 低或不响应;(4)氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅 速等特点;(5)比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达 10-12g。,2.氢焰检测器的结构,3.氢焰检测器的原理,A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区,4.影响氢焰检测器灵敏度的因素,各种气体流速和配比的选择 N2流速的选择主要考虑分离效能，N2 H2=1 11 1.5 氢气 空气=1 10。极化电压 正常极化电压选择在100300V范围内。,4 electron capture detector,ECD,高选择性检测器，仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g/mL，对大多数烃类没有响应。,Section 3 stationary phases in gas-liquid chromatograph,气液色谱固定相 固定液+担体（支持体）：小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。固定液特点：固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。,1.作为担体使用的物质应满足的条件,比表面积大，孔径分布均匀；化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、80100目。,2.担体（硅藻土）,红色担体：孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。白色担体：煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。颗 粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。,Section 4 stationary phases for GSC,1.种类(1)活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。(2)活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。(3)硅胶 与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。,(4)分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。(5)高分子多孔微球（GDX系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。,Section 5 qualitative analysis and quantitative analysis,qualitative analysis 1.利用纯物质定性的方法2.利用文献保留值定性3.Retention index I 保留指数,1.峰面积的测量（1）峰高（h）乘半峰宽（Y 1/2）法：近似将色谱峰当作等腰三角形。此法算出的面积是实际峰面积的0.94倍：A=1.064 hY1/2（2）峰高乘平均峰宽法：当峰形不对称时，可在峰高0.15和0.85处分别测定峰宽，由下式计算峰面积：A=h（Y 0.15+Y 0.85）/2（3）峰高乘保留时间法：在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比，对于难于测量半峰宽的窄峰、重叠峰（未完全重叠），可用此法测定峰面积：A=hbtR（4）自动积分和微机处理法,2 quantitative analysis,2.定量校正因子,试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：m i=fi Ai 绝对校正因子：比例系数f i，单位面积对应的物质量：f i=m i/Ai 定量校正因子与检测器响应值成倒数关系：f i=1/Si 相对校正因子f i：即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。,3.常用的几种定量方法（1）归一化法：,特点及要求：归一化法简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。,（2）外标法,特点及要求：外标法不使用校正因子，准确性较高，操作条件变化对结果准确性影响较大。对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。,（3）内标法,内标物要满足以下要求：（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。试样配制：准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物mS,内标法特点,(a)内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍许变动对定量结果的影响不大。(b)每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合大批量试样的快速分析。(c)若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：,第九章气相色谱分析法,一、色谱柱及使用条件的选择chromatographic columns and choice of operating condition 二、载气种类和流速的选择classification of carrier gas and choice of flow rate 三、其它操作条件的选择choice of other operating condition,第四节 分离操作条件的选择,gas chromatographic analysis,GC,choice of chromatographic operating condition,一、色谱柱及使用条件的选择 chromatographic columns and choice of operating condition,1.固定相的选择 气液色谱，应根据“相似相溶”的原则,分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。,分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。,分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。,醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。,组成复杂、较难分离的试样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。,2.固定液配比（涂渍量）的选择,配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比，配比通常在5%25%之间。配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。,3.柱长和柱内径的选择,增加柱长对提高分离度有利（分离度R正比于柱长L2），但组分的保留时间tR，且柱阻力，不便操作。柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。填充色谱柱的柱长通常为13米。可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长或实验确定。柱内径一般为34厘米。,4.柱温的确定,首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。,柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。,柱温，分离度，分析时间。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。,柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,二、载气种类和流速的选择 classification of carrier gas and choice of flow rate,1.载气种类的选择 载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。,2.载气流速的选择,由图可见存在最佳流速（uopt）。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。,三、其它操作条件的选择 choice of other operating condition,1.进样方式和进样量的选择 液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L等。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。进样要求动作快、时间短。气体试样应采气体进样阀进样。,2.气化温度的选择,色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化；气化温度一般较柱温高3070C 防止气化温度太高造成试样分解。,第九章 气相色谱分析法,一、裂解气相色谱技术与应用application and technology of pyrolysis gas chromatograph二、顶空气相色谱技术与应用applications and technology of headspace gas chromatograph,第五节 气相色谱应用技术,gas chromatographic analysis,GC,application technology of gas chromatograph,一、裂解气相色谱的原理与应用application and technology of pyrolysis gas chromatograph,裂解气相色谱（pyrolysis gas chromatograph，PyGC）热裂解和气相色谱两种技术的结合。一些分子量较大、结构复杂、难挥发、难溶解的物质的分析鉴定方法。如：聚合物分析；热裂解：在热能作用下，物质发生的化学降解过程；热裂解+气相色谱+质谱（红外、核磁）技术研究高分子化合物的有力工具；在高分子、生物医学、环境科学、考古学、地球化学、矿物燃料、炸药等领域有广泛应用。,1.基本原理及方法,基本原理：在一定条件下，高分子及非挥发性有机化合物遵循一定的裂解规律，即特定的样品能够产生特征的裂解产物及产物分布，采用气相色谱分析、鉴定裂解产物，据此可对原样品进行表征。方法：样品置于裂解器中，在严格控制的条件下，快速加热，使之迅速分解成为可挥发的小分子产物，然后直接将裂解产物送入色谱柱中进行分离，获得定性定量数据。,特点:,(1)分离效率高(色谱法自身的特点)(2)灵敏度高(色谱法自身的特点)(3)分析速度快 快速裂解、快速分析；不丢失信息；(4)信息量大 裂解条件与裂解产物关系；样品组成与裂解产物；裂解机理和反应动力学研究(5)适合于各种形态样品 粘稠液体、粉末、纤维及弹性体、固化树脂、涂料、硫化橡胶、塑料等；(6)简单、易行,2.流程,3.对裂解器的要求,(1)裂解反应控制 裂解温度的精确控制(裂解温度不同，裂解产物不同)；可重复进行；(2)裂解温度范围可调 不同物质需要不同的裂解温度；400-1500 C(3)裂解器与接口的体积小 减小死体积；防止色谱峰变宽；(4)对裂解反应无催化反应 防止歧化反应和二次反应；,4.裂解器,(1)管式炉裂解器 外壁加热的圆管，简单，易于控制。死体积大，二次反应突出；(2)热丝裂解器 样品放置在加热丝的螺旋管中；(3)居里点裂解器 利用电磁感应加热；铁磁性材料置于高频电场中，吸收射频能量迅速升温，达到居里点温度时，变为顺磁质，不再吸收能量，温度稳定在该点；样品放置在铁磁性材料制成的加热元件上。不同组成的铁磁质合金具有不同居里点温度；(3)激光裂解器,二、顶空气相色谱的技术与应用applications and technology of headspace gas chromatograph,对液体或固体试样中的挥发性成分进行气相色谱分析的技术；试样置于密闭的恒温系统中，气-液（气-固）两相达到热力学平衡时，测定气相组成。,两种方式：静态法：恒温密闭系统，平衡时，测定气相组成；动态法：吹扫-捕集法，采用吸附剂吸附，加热解吸。,理论依据,当顶空瓶中样品上面的蒸气压相当低时，峰面积Ai的大小与样品上面的气相中挥发性组分 i 的蒸气压pi成正比：Ai=fi pifi为校正因子，在真实体系中，蒸气分压通常用下式表示：pi=poiixi poi为气相中组分i 的摩尔分数；xi为样品中组分i 的摩尔分数；i为组分i 的活度系数。Ai=fi pi=fiixi poi当系统平衡时：Ai=fi pi=ki xi 通过顶空分析，可确定试样中的含量。,应用1：,在职业病和法庭分析中，经常要测定体液等中的苯、甲苯、二甲苯等有毒成分，采用顶空分析是一种有效、方便、快速的方法。司法部司法鉴定科学技术学院制订了分析水、尿、血中苯类化合物的静态顶空分析方法。方法：,5mL青霉素小瓶，取1mL试样（水、尿、血），加入0.4内标物和约1g硫酸铵至饱和，加盖密封，置于80 C的恒温器中30min，取0.6mL顶空的气样色谱分析。色谱柱：2m 2mm；80-100目；固定液 PEG 20M柱温：110 C，以10 C/min程序升温到110 C。,应用2：,分析血样中的酒精是顶空气相色谱应用最广泛的方法，可检查汽车司机是否酒后驾车。方法：,样品平衡温度 50C；平衡时间 30min；色谱柱：30m 0.53mm；石英毛细管柱；固定液：聚二甲苯硅氧烷；,应用3：,固体样品（塑料、食品等）的顶空分析。塑料食品包装袋中的甲苯残留量的测定。方法：,将塑料食品包装袋剪成30mm10mm装入100mL玻璃注射器，在80C预热20min，用空气稀释为100mL，恒温10min后进样分析。色谱柱：500mm 3mm，填充柱，80-100目；固定液：20%的 PEG 20M；柱 温：80 C；最小检测浓度为0.031 mg/m2.,