第二章 气相色谱法ppt课件.ppt
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1、Gas Chromatography,GC,第二章 气相色谱分析法,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
2、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Chromatography,1944年,Consden
3、 提出纸色谱。,1949年,Macllean Al2O3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,Van Deemter 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
4、的优点)。,19371972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
5、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
6、,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,A,B,A,(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
7、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= tRtM 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 = tRF0,(F0 载气的流量mL/
8、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。,V R = VR VM,(7)相对保留值r21:,组分2与组分1调整保留值之比: r21 = tR2 / tR1= VR2 / 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。,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
9、前峰,a1),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):,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
10、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:,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。,(Distribution constant),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
11、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。,2、分配比k,(容量因子),(Partition ratio or capacity factor),3、分配比与分配系数,分配比k与分配系数K的关系为:,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:,相对保留值r21或,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。,() 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,(二) 塔板
12、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(the number of theoretical plates)N和理论塔板高度(theoretical plate height)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,
13、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 / H,有效塔板数和有效塔板高度,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:,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
14、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:,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
15、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,为测试样测得该柱的理论塔板数为和,因而推断和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
16、是否能被分离,怎样判断二组分能否被色谱柱分离?,二、 速率理论,速率方程(也称范第姆特Van Deemter方程式),1956年荷兰学者范第姆特(van Deemter)等提出了色谱过程的动力学理论。,H = A + B/u + Cu,H: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A,A = 2dp dp:固定相的平均颗粒直径 :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
17、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 + Cu,1、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、使填充物均匀而紧密的填充在柱中,涡流扩散项A 由不等路径造成的色谱峰扩展。由于柱填料粒径大小不同,粒度分布范围不一致及填充的不均匀,形成宽窄、长短不同的路径,因此流动相沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动,有些溶质分子沿较窄且直的路径运行,以较快的速度通过色谱柱,发生分子超前,反之,有些分子发生滞后,从而使色谱峰产生扩散。,2. 分子扩散项B/U,B = 2 Dg :弯曲因子,表示固定相对分子扩散的阻
18、碍作用。 Dg:试样组分分子在流动相(气相)中的扩散系数。,分子扩散导致色谱峰变宽,H(n),柱效变差。分子扩散项B/U与流速有关,流速,滞留时间,扩散 扩散系数:Dg (M载气)-1/2 ; M载气,B值 ; T, Dg ,B分子扩散系数,减少分子扩散B/U ,提高柱效的有效途径:,1、使用分子量较大的载气;,2、采用较高的载气线速度,3、控制柱温,分子扩散项 由于分子的纵向扩散造成的色谱峰扩展。即由于试样组分被载气带入色谱柱后,是以塞子的形式存在于色谱柱的很小一段空间中,由于在塞子前后存在浓度梯度,因此使运动着的分子产生纵向扩散,引起色谱峰扩展。,即大流速、低柱温、相对分子质量大的载气,3
19、.传质阻力项Cu 传质阻力系数C, 组分在气相和液相两相间进行反复分配时,遇到阻力。,传质阻力系数包括气相传质阻力系数Cg 和液相传质阻力系数Cl 。 即: C =(Cg + Cl),传质阻力分为: 气相传质阻力 液相传质阻力,气相传质阻力项Cg 试样组分从气相移动到固定相表面的过程中,由于质量交换过程需要一定时间(即传质阻力)而使分子有滞留倾向。在此过程中,部分组分分子随流动相向前运动,发生分子超前,引起色谱峰扩展。,容量因子,粒度小、相对分子质量小的载气、高柱温,液相传质阻力项CL 试样组分从固定相表面移动到固定相内部的过程中,由于质量交换过程需要一定时间(即传质阻力)而使分子有滞留倾向。
20、在此过程中,部分组分分子先离开固定相表面,发生分子超前,引起色谱峰扩展。,液相扩散系数,液膜厚度,增加担体的比表面积、高柱温,减少传质阻力Cu,提高柱效的有效途径:,1、使用分子量较小的载气;,2、采用较低的载气线速度,3、控制柱温,气相色谱中的速率方程,速率方程给我们的什么启示?,为柱型的研究和发展提供理论依据为操作条件的选择提供理论指导为色谱柱的填充提供理论指导,对柱型研究和发展的影响(1),A=0?Golay1957年提出毛细管柱的概念(opentube)毛细管柱A=0,H=B/u+CuH,N,分离能力大大提高,对柱型研究和发展的影响(2),B=0?溶质在液体中的扩散系数DL10-5cm
21、2/s溶质在气体中的扩散系数Dg10-1cm2/sDL Dg当采用液体作流动相时 B0液体作流动相时可用更细的固定相,A HPLC柱效比GC要高23个数量级,4载气流速对塔板高度的影响,H= A + Bu + Cu,(1)对于一定的色谱柱和试样有一最佳流速,使柱效最高。,曲线的最低点,塔板高度H最小,柱效最高,其相应的流速是最佳流速uopt。,对该式微分:,H = A + B/u + Cu,(2) 分子扩散项和传质阻力项对塔板高度的贡献,u较低时,分子扩散项B/u是影响H的主要因素。,u较高时,传质阻力项Cu是影响H的主要因素,宜采用分子量较大的载气,宜采用分子量较小的载气,u/cm.s-1,
22、H,Hmin,uopt,B/u,最佳条件,A,图 各项因素对板高H的影响,Cu,对色谱柱的填充提供理论指导(1),柱径:柱径越小,固定相越难填充均匀。柱长L:柱长增加,总塔板数增加,但分离时间将增加。固定相粒径dp:根据速率方程,粒径减小,A项减小,C项减小,柱效增加。但粒径太小,不易填充均匀,A项又增大。,对色谱柱的填充提供理论指导(2),液膜厚度df:从柱效角度考虑,液膜越薄,柱效越高(根据速率方程),但允许的进样量减小。固定液与担体的配比一般在5:100-25:100之间,但现在更低配比的固定相也应用广泛。更重要的是:不同沸点的物质,应采用不同配比的固定相。,5. 速率理论的要点,(2)
23、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。,H = A + B/u + Cu,(1) 速率理论为色谱分离和操作条件的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,(3) 各种因素相互制约,选择最佳条件,才能使柱效达到最高。,影响谱带扩展的其他因素,非线性分配色谱载体表面活性吸附中心造成的拖尾柱外效应色谱柱外引起色谱峰扩展的因素:如进样系统及进样方式、系统连接管、检测器死体积,检测器响应时间常数等因素引起的谱带宽展。,三、分离度,总分离效能指标,选择性 K, k, 柱 效 n,色谱分离中的四种典型情况, 分离效果差,柱效低,选择性( )低 完全分离,柱效高,峰窄
24、,选择性( )低 ;完全分离,选择性( )增加,柱效低,峰宽完全分离,柱效高,选择性()好,R 1.0:两峰部分重叠;R =1.0:分离程度98%,基本分离;R =1.5:分离程度达99.7% , 完全分离。,. 分离度定义式,R =1.5是相邻两峰完全分离的标志。,R1,. 色谱基本分离方程式,要改善物质对的分离(提高R),即提高两相邻物质的分离度,可以采取以下措施:,提高柱效n 提高选择性系数 增大容量因子k,分离度与柱效的关系,当固定相确定,被分离物质对的r21确定后,分离度将取决于neff。,讨论:,说明较长的柱可以提高分离度,但延长了分析时间。因此提高分离度的好方法是制备出一根性能优
25、良的柱子,通过降低板高H,以提高分离度。,对于一定理论板高的柱子,分离度的平方与柱长成正比,即,例:,某二组分在1m长的色谱柱上初试分离,所得分离度为1, 要使二组分完全分离,则柱长至少应为多少米?,解:,分离度与容量因子的关系,分离度与容量因子有关,容量因子越大,分离越好。 k 1 3 5 7 9 11 13 k/k+1 0.50 0.75 0.83 0.88 0.90 0.92 0.93 1.00但当容量因子大于10,k/(k+1)的改变不大,而分析时间将大大延长。因此,k的最佳范围是1k10。,改变容量因子的方法有:,改变柱温改变相比,即改变固定相的量和改变柱死体积,其中死体积对k/(k
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