环境工程仪器分析第六章气相色谱分析法.ppt
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1、气相色谱分析法,gas chromatography,GC,第一节 概 述,色谱法又称色层法或层析法,是一种用以分离、分析多组分混合物质的极有效的物理及物理化学方法。,历史背景资料,色谱法是1901年有俄国植物学家茨维特提出,最初的认识在于它的分离价值,用于分离植物中的色素等有色物质。现代的发展,不再局限于有色物质,而且大量用于分离无色物质。气相色谱法(GC)是英国生物化学家马丁等人在研究液液分配色谱的基础上,于1952年创立的一种极为有效的分离方法,它可以分析和分离复杂的多组分混合物。气相色谱与质谱(GC-MS)联用、气相色谱与fourier红外光谱(GC-FTIR)联用。气相色谱与原子发射
2、光谱(GC-AES)联用。,1903年,俄国植物学家Mikhail Tswett最先发明.他采用填有固体CaCO3细粒子的玻璃柱,将植物色素的混合物(叶绿素和叶黄素)加于柱顶,然后用溶剂淋洗,被分离的组分在柱中显示了不同的色带,他称之为色谱(希腊与众chroma=color,”graphein”=write)50年代,色谱发展最快(一些新型色谱技术的发展;复杂组分分析发展的要求)。1937-1972年:15年中有15个nobel奖是有关色谱研究的。,意 义,色谱法是利用不同物质在流动相和固定相两相中分配系数的不同,当两相作相对运动时,各组分在两相中经过反复多次的分配,使原来分配系数只有微小差异
3、的物质能够得到分离。,概念固定相:在色谱法中,将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相(固体或液体)。流动相:自上而下运动的一相(一般是气体或液体)。色谱柱:装有固定相的管子(玻璃管或不锈钢管)色谱分离基本原理 当含有样品的流动相经过固定相表面时,流动相中所含混合物就会与固定相发生作用。由于各组分在性质和结构(溶解度、极性、蒸气压、吸附能力)上的差异,使它们与固定相发生作用的大小、强弱也有差异(即有不同的分配系数),因此在同一推动力作用下,不同组分在固定相中的滞留时间有长有短,从而按先后不同的次序从固定相中流出。,各组分被分离后,可进一步进行定性和定量分析,经典:分离过程和其含量测定过程是离线的
4、,既不能连续进行现代:分离过程和其含量测定过程是在线的,既能连续进行经典色谱法:将潮湿的碳酸钙挤出玻璃管,用刀将各色带切下,用适宜的方法分析现代色谱法:当一个两组分(A和B)的混合物样品在时间t1从柱头加入,随着流动相的不断加入,洗脱作用连续进行,直至A和B组分先后流出柱子进入检测器,从而是各组分浓度转换成电信号后在荧光屏上显示出来。,根据峰的位置(出峰时间t):定性根据峰的面积A(或峰高h):定量,GC专长:同系物(其他方法无法测定)GC 主要用于分离和定量,可广泛用在环保、临床、药物、农药、食品、污染物等方面的测定。对不易汽化的高分子,热稳定性差、化学性质极为活泼或者强腐蚀性物质不能用GC
5、测定。应用范围受到限制,在所有的有机物分析中只有15-20%能用GC进行分离分析。,色谱法的分类,一)按两相状态分气相色谱(GC):用气相做流动相的色谱法。气固色谱:固定相为固体吸附剂气液色谱:固定相为液体(涂在担体上或毛细管壁上)液相色谱(LC):用液相做流动相的色谱法。液固色谱:固定相为固体吸附剂 液液色谱:固定相为液体(涂在担体上),3.超临界立体色谱(SFC)用超临界状态的流体做流动相的色谱法。超临界状态流体不是一般的气体或流体,而是临界压力临界温度以上高度压缩的气体,其密度比一般气体大得多儿与液体相似,故称为“高密度气相色谱法”,超临界流体(SCF)是指在临界温度和临界压力以上的流体
6、。通常有二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、氧化二氮(N2 O)、乙烯(C2 H4)、三氟甲烷(CHF3)等。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时,气液两相性质非常接近,以至于无法分辨,故称之为SCF。,超临界流体相,超临界状态是物质的一种特殊流体状态,当气液平衡的物质升温升压时,热膨胀引起液体密度减小,而压力升高引起的气相密度变大,当温度和压力达到某一点时,气液两相界面消失成为一均相体系,这一点就是临界点。超临界流体的物理性质特殊,具有和液体相近的密度,与气体相近的粘度,但扩散系数为液体的10100倍,有较好的流动、传质、传热性能,对许多物质有较好的渗透行和
7、较强的溶解能力。,二)按分离原理分 1.吸附色谱法(adsorption chromatography)【定义】根据吸附剂表面对不同组分物理吸附能力的强弱差异进行分离的方法。如:气-固色谱法、液-固色谱法吸附色谱法 2.分配色谱法(partition chromatography)根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相间分配系数的差异进行分离的方法。气-液色谱法、液-液色谱法分配色谱 3.离子交换色谱法(ion exchange chromatography)根据不同组分离子对固定相亲和力的差异进行分离的方法。,4.排阻色谱法(size exclusion chromatography)又称
8、凝胶色谱法(gel chromatography)【提示】根据不同组分的分子体积大小的差异进行分离的方法。其中:以水溶液作流动相的称为凝胶过滤色谱;以有机溶剂作流动相的称为凝胶渗透色谱法。5.亲和色谱法(affinity chromatography)利用不同组分与固定相共价键合的高专属反应进行分离的方法。,三)安固定相的形式分 1.柱色谱法(column chromatography)固定相装在柱中,试样沿着一个方向移动而进行分离。包括 填充色谱法:固定相填充满玻璃管和金属管中。开管柱色谱法:固定相固定在毛细管内壁(毛细管柱色谱法)2.平板色谱法(planer chromatography)
9、:固定相呈平面状的色谱法。包括:纸色谱法:以吸附水分的滤纸作固定相;薄层色谱法:以涂敷在玻璃板上的吸附剂做固 定相。,色谱法的特点,高效能 在分离多组分复杂混合物时,可以高效地将各个组分分离成单一色谱峰。例如,一根长30 m,内径0.32 mm的SE-30柱,可以把炼油厂原油分离出150180个组分。高灵敏度 色谱分析的高灵敏度表现在可检出10-1110-14 g的物质,高选择性 色谱法对那些性质相似的物质,如同位素、同系物、烃类异构体等有很好的分离效果。例如,一个两米长装有有机皂土及邻苯二甲酸二壬酯的混合固定相柱,可以很好的分离邻、间、对位二甲苯。分析速度快 色谱法,特别是气相色谱法分析速度
10、是较快的。一般分析一个试样只需几分钟或几十分钟便可完成。,第三节 气相色谱分析理论基础,色谱曲线及常用术语 色谱曲线,现以组分的流出色谱图(图9-1)来说明有关色谱术语。1.基线 在实验操作条件下,当色谱柱后没有组分进入检测器时所得到的信号-时间曲线称为基线。它反映检测器系统噪声随时间变化的情况。稳定的基线是一条直线。a.基线漂移 指基线随时间定向的缓慢变化。这种变化是由于操作条件如温度、流动相速度,或检测器及附属电子原件的工作状态的变更等引起的。b.基线噪声 指由各种未知的偶然因素如流动相速度、固定相的挥发、外界电信号干扰等所引起的基线起伏。漂移和噪声给准确测定带来了困难。,2.死时间t0(
11、dead time)指不被固定相吸附或溶解的组分(空气、甲烷等)从进样开始到色谱峰顶所对应的时间,如t0。3.死体积V0(dead volue)由进样器到检测器的流路中,未被固定相占有的体积称为死体积。【提示】死体积为导管空间、色谱柱中固定相间隙、检测器内腔空隙总和。当色谱柱载气流速为F0(mL/min),它与死时间的关系:V0=F0t0,4.保留值:定性参数,是在色谱分离过程中,试样中各组分在色谱柱中滞留行为的一个指标。(1)保留时间(retention time)从进样到柱后出现待测组分最大浓度值时(色谱峰顶点)所需的时间。如图中tR(1)、tr(2)所示,是待测组分流经色谱柱时,在两相中
12、滞留的时间和。保留时间和固定相和流动相的性质、固定相的量、柱温、流速和柱体积有关,可用单位min 表示。,(2)调整保留时间tR(adjusted retention time)【定义】扣除死时间后的组分保留时间,如图中的tR1、tR2所示。表示某组分因溶解或吸附于固定相后,比非滞留组分在柱中多停留的时间。tR1=tR-tR0,(3)保留体积(retention volume)【定义】从进样到柱后出现待测组分最大浓度值时所通过的载气体积。当色谱柱载气流速为F0(mL/min)时,它与保留时间的关系:VR=F0tR(4)调整保留体积(adjusted retention volume)【定义】是
13、指扣除死体积后的 保留体积,即 VR=VR-V0=TRF0【提示】在一定的实验条件下,VR,VR与载气流速无关。,(5)相对保留值r21【定义】指组分2 和组分 的调整保留值之比。r21=tR2/tR1=VR2/VR1【提示】相对保留值的特点是只与温度和固定相的性质有关,与色谱柱及其他操作条件无关。反应了色谱柱对待测组分1和2 的选择性,是气相色谱中最常用的定性参数。,从色谱溜出曲线中,可得到许多重要信息 1)根据色谱峰的个数,可以判断样品中所含组分的最少个数;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
14、离效能的依据;5)色谱峰两峰间的距离,是评价固定相(流动相)选择是否合适的依据。,几种分离理论气相色谱仪气相色谱分析方法应用,气相色谱理论,一 分配理论 物质在固定相和流动相(气相)之间发生的吸附、脱附和溶解、解析的过程,叫做分配过程。被测组分按其溶解和解析能力(或吸附和脱附能力)的大小,以一定的比例分配在固定相和气相之间。在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比称为分配系数K。K=组分在固定相中的浓度/组分在流动相中的浓度=CL/Cg,一定温度下,不同物质在两相之间的分配系数是不同的。显然,具有小的分配系数的组分,每次分配后在气相中的浓度较大,因此就较早地流出色谱柱。而分配系数大的组
15、分,则由于每次分配后在气相中的浓度较小,因而流出色谱柱的时间较迟。当分配次数足够多时,就能将不同的组分分离开来。由此可见,分配系数是色谱分离的依据。,分配比 在实际工作中,常应用分配比表征色谱分配平衡过程。分配比亦称容量因子或容量比,以表示,是指在一定温度、压力下,在两相间达到分配平衡时,组分在两相中的质量比:=p/q 式中:p为组分分配在固定相中的质量,q为组分分配在流动相中的质量。,分配系数K与分配比的关系 K=CL/Cg=(p/VL)/(q/Vg)=p/q(VL/Vg)=VL/Vg之比称为相比,以表示,它反映了各种色谱柱柱型的特点。例如,填充柱的值约为635,毛细管柱的值为501500。
16、,二 塔板理论 1941年詹姆斯(James)和马丁(Martin)提出半经验理论,并用数学模型描述了色谱分离过程。他们把色谱柱比作一个由许多塔板组成的精馏塔,借用精馏塔中塔板的概念、理论来处理色谱过程、并用理论塔板数作为衡量柱效率的指标。,1.塔板理论 塔板理论把组分在流动相和固定相间的分配行为看作在精馏塔中的分离过程,柱中有若干块想象的塔板,一个塔板的长度称为理论塔板高度。当组分随流动相进入色谱柱后,在每一块塔板内很快地在两相间达到一次分配平衡,经过若干个假想塔板的多次分配平衡后,分配系数小的组分先离开色谱柱,分配系数大的组分后离开色谱柱。尽管这个概念并不完全符合色谱柱内的真实分离过程,但
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- 环境工程 仪器 分析 第六 章气相 色谱
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