《气相色谱法(2010)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气相色谱法(2010)（115页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第11章 气相色谱法,第一节 概述,气相色谱法是从1952年才迅速发展起来的一种分离方法。最早是用于分离分析石油产品，目前已广泛用于石油化学、化工、有机合成、医药、生物化学、食品分析和环境监测等领域。在药物分析中，气相色谱法已成为有关物质检查、原料药和制剂的含量测定、中草药成分分析、药物的纯化、制备的一种重要手段。,以气体为流动相的色谱法称为气相色谱法(GC)。,2,、气相色谱法的分类,就其操作形式而言，气相色谱法属于柱色谱法。按固定相的物态，分为 气固色谱法(GSC) 气液色谱法(GLC),按柱的粗细和填充情况，分为 填充柱色谱法 毛细管柱色谱法 填充柱是将固定相填充在金属或玻璃管中(常
2、用内径4mm)，毛细管柱(内径0.10.5mm)又可分为开管毛细管柱、填充毛细管柱等。,3,按分离机制，可分为 吸附色谱法 分配色谱法 气液色谱法属于分配色谱法。在气固色谱法中，固定相常用吸附剂，因此多属于吸附色谱法。,二、气相色谱法的一般流程,1. 高压载气瓶；2. 压力调节器（a. 瓶压，b. 输出压）；3. 净化器；4. 气流调节阀 5. 气化室；6. 检测器；7. 柱温箱与色谱柱；8. 色谱工作站,4,5,气相色谱仪一般由五部分组成：,三、气相色谱法的特点,分离效能高、选择性好、灵敏度高、分析速度快、应用广泛,直接分析的有机物约占全部有机物的20左右,载气系统,进样系统,分离系统,检测
3、和 记录系统,温控系统,6,第二节 色谱法基本理论,色谱理论可分为热力学和动力学理论两方面。热力学理论是从相平衡观点研究分离过程，以塔板理论为代表。动力学理论是从动力学观点来研究各种动力学因素对柱效的影响，以速率理论为代表。,一、塔板理论,1952年，Martin等人提出的塔板理论是把色谱柱看作一个分馏塔。在每个塔板的间隔内，样品混合物在气液两相中达到分配平衡。经过多次的分配平衡后，组分因分配系数不同而可获得分离。,7,8,（一） 塔板理论假定 （1）在柱内一小段高度H内，组分可以很快在两相中达到分配平衡，H称为理论塔板高度 （2）载气通过色谱柱不是连续前进，而是间歇式的，每次进气为一个塔板体
4、积。 （3）样品和新鲜载气都加在第0号塔板上，且样品的纵向扩散可以忽略。 （4）分配系数在各塔板上是常数。 塔板理论的假设实际上是把组分在两相间的连续转移过程，分解为间歇的在单个塔板中的分配平衡过程。,9,（二）质量分配和转移,根据塔板理论的假设，可以用二项式定理来计算各塔板中组分的浓度。设一个组分A，质量分数为1，分配系数为2。进入0号塔板并达到分配平衡后，固定相和载气中含溶质分别为p(0.667)和q(0.333)。,进气一次后，原第0号塔板中载气及其中溶质进入第1号塔板，停止进气。组分在第0号及第1号塔板内重新达到分配平衡。进气N次后，在各塔板内溶质含量的分布符合二项式的展开式，即：,(
5、pq) n l,10,用二项式定理计算进气三次后各塔板内的溶质含量： (pq)3 p3 3p2 q3pq2 q3 将p0.667；q0.333代入： (0.6670.333)3 0.2970.4440.2220.0371 塔板号： 0 1 2 3,如果样品为两组分A和B的混合物，且Ka2，Kb0.5。用二项式定理计算各塔板中组分A与B的含量，再用分配系数计算它们各自在固定相与载气中的含量，计算结果列于下图,11,12,13,在进气四次后，分配系数大的组分A的浓度最高峰在第1号塔板(0.1320.263)。而分配系数小的组分B的浓度最高峰则在第3号塔板(0.2630.132)。这说明分配系数小的
6、组分迁移速度快。一根色谱柱的塔板数成千上万，因此, 只要组分的分配系数有差别，就有可能获得良好的分离效果。,（三）流出曲线方程,14,用二项式定理计算溶质在各塔板的分布，绘制的流出曲线为不对称的二项式分布曲线，这是因为塔板数n太小的缘故。而一根色谱柱塔板数在103以上，流出曲线趋于正态分布曲线，因此可用正态分布方程式来讨论流出曲线上组分浓度(C)与时间( t)的关系,m为单一组分流出色谱柱的总量, 可用峰面积A代替，C为t时刻组分流出色谱柱的浓度，其最大值可用峰高h代替。,上式称为塔板理论方程 ，也称为色谱流出曲线方程,15,用该方程所作的曲线，是一条左右对称的钟形曲线，即正态分布曲线。该曲线
7、的标准差是,代入上述方程，得,CO 即为组分的总量m。,当ttR 时，式中e的指数为零，此时浓度最大，用Cmax 表示。,16,将= 0.4246W1/2 代入上式, 得：,A1.065W1/2 h,将 代入流出曲线方程，得,上式为流出曲线方程式的常用形式。,17,由此式可知：不论ttR 或ttR 时，浓度C恒小于Cmax ， C随时间t向峰两侧对称下降，下降速率取决于，越小，峰越锐。,（三）理论塔板高度和理论塔板数,理论塔板高度H使组分在柱内两相间达到 一次分配平衡所需要的柱长 理论塔板数n组分流过色谱柱时，在两相间 进行平衡分配的总次数,根据,，则,将,和,，代入得,18,上式称为柱效方程
8、,色谱峰越窄，塔板数n越多，板高H就越小，柱效能越高, 因而n或H可作为描述柱效能的指标.通常气相色谱填充柱的n在10 3以上，H在1mm左右；毛细管柱n为105106，H在0.5mm左右。,19,若用tR代替tR计算塔板数，称为有效塔板数，求得的塔板高度称为有效塔板高度。nef和Hef扣除了死时间，能更真实地反映柱效。,有效塔板数,有效板高,20,例： 在柱长为2m的5%的阿皮松柱、柱温为1000C，记录纸速度为2.0cm/min的色谱条件下，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.20cm，求理论塔板数和板高。若用甲烷测得死时间为0.20min, 求有效塔板数和板高。,21,虽然塔板理
9、论在解释流出曲线的形状、浓度极大点的位置及评价柱效等方面是成功的，但由于它的某些假设与实际色谱过程不符，塔板理论无法解释柱效与载气流速的关系，不能说明影响柱效（峰宽）有哪些主要因素等。,二、速率理论,填充柱速率理论方程（Van Deemter方程）,1956 年，荷兰化学工程师 van Deemter 提出了色谱过程动力学速率理论, 吸收了塔板理论中的板高 H 概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而给出了 van Deemter 方程：,22,u 为流动相线速度； A 涡流扩散系数； B 分子扩散系数； C 传质阻力系数,这里H表示单位柱长引起的分子的离散程度（谱峰展宽）,1. 涡流扩
10、散项A,23,由于填充物颗粒大小的不同及填充物的不均匀性，使组分在色谱柱中路径长短不一，因而相同组分到达柱出口的时间并不一致，引起了色谱峰的展宽。,dp：固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不均匀因子,使用细小而均匀的颗粒，并且填充均匀，可以 减少涡流扩散，提高柱效，,2分子扩散项（纵向扩散项）B / u,24,分子扩散系数为,也称弯曲因子，它反映了固定相的几何形状对分子扩散的阻碍情况。 空心毛细管柱r1、填充柱中扩散程度降低r1、硅藻土担体r0.50.7 Dg为组分在流动相（载气）中扩散系数，与载气 相对分子质量的平方根成反比,25,采用相对分子质量较大的流动相，降低柱温， 增加流动相流速，
11、可使纵向扩散减小。,3. 传质阻力项Cu,传质阻力包括流动相（气相）传质阻力和 流动相（液相）传质阻力。溶质分子要从流动相转移到固定相中，就要从流动相主体扩散到气-液界面，阻碍这一扩散过程的阻力称流动相传质阻力。,溶质分子到达两相界面后，将继续扩散到固定相内部达到分配平衡，然后又返回到两相界面。溶质在这一移动过程中的阻力称固定相传质阻力。,26,载气,固定液,两相界面,由于传质阻力的存在，使谱峰展宽,流动相（气相）传质阻力为,固定相（液相）传质阻力为,Cg气相传质阻力系数,Cl液相传质阻力系数,27,在气液色谱法中，气相传质阻力可以忽略（Dg大）， 故传质阻力项,由上式看出，固定液的液膜厚度（
12、df）薄，组分在液相的扩散系数（Dl）大，则液相传质阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值也随之变小。因此，一般采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度。虽然提高柱温可增大Dl，但会使k减小.,减小流动相流速u，可使传质阻力项减小。,28,Van Deemter方程,29,例1：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的A=0.08cm; B=0.65cm2/s; C=0.003s, 求最佳线速度u和最小塔板高H.,解: H=A+B/u+Cu 欲求 u最佳和H最小,要对速率方程微分,即 dH/dud(A+B/u+Cu)/du-B/u2+C0 最佳线速: u最佳(B/C)1/2 (0.65/0
13、.003)1/214.7cm/s 最小板高: H最小A+B/u+Cu 0.08+0.65/14.7+0.00314.70.17cm,30,第三节 固定相,在气相色谱分析中，某一多组分混合物中各组分能否完全分离，主要取决于固定相。因此选择适当的固定相就成为色谱分析中的关键问题。气相色谱固定相分为液体固定相、固体固定相。,一、液体固定相,Van Deemter方程式主要说明使色谱峰扩张而降低柱效的因素，包括填充均匀程度、载体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定液层厚度等对柱效的影响，对于实际工作中分离条件的选择具有指导意义。,31,一般是将固定液(高沸点液体)涂渍在载体上，构成液体固定相，利用组分
14、的分配系数差别而实现分离。,（一）固定液,固定液一般是一些高沸点的液体，在操作温度下为液态，在室温时为固态或液态。 1. 对固定液的要求：,在操作温度下应呈液态，且蒸气压应很低。,对样品中各组分应具有足够的溶解能力。,对各组分的分配系数应有较大差别。,稳定性要好,粘度要小，凝固点要低,对载体具有良好的浸润性,32,2. 固定液的分类,（1）固定液的相对极性,用P来表示相对极性。规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液，-氧二丙睛的极性为100然后，选择一对物质（如丁二烯正丁烷）来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷的色谱柱上的相对保留值，将其取对数,两个对数值分别为q1和q2，然后在
15、待测固定液柱上测得qX，,33,待测固定液的相对极性pX,由此测得的各种固定液的相对极性均在0100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。相对极性在0+l之间的叫非极性固定液，+2， +3为中等极性，+4+5为强极性。,34,35,（2）分类,非极性固定液。,适用于非极性和弱极性化合物的分析。,中等极性固定液,适用于弱极性和中等极性化合物的分析。,强极性固定液,适用于极性化合物的分析。,氢键型固定液,适用于分析含F，N，O等的化合物,36,37,3固定液的选择,按相似性原则选择,被分离组分的极性或官能团与固定液相似,（1）按极性相似选择,非极性化合物应首先选择非极性固定液 这时组分与固定液
16、分子间的作用力是色散力，组分基本上以沸点顺序出柱，低沸点（分子量小）的组分先出柱。,中等极性化合物可首选中等极性固定液。 分子间作用力主要为色散力，基本上仍按沸点顺序出柱。但对沸点相同极性有差别的组分，定向力起附加作用，极性成分后出柱。,38,强极性化合物，首选极性固定液。 分子间主要作用力为定向力。组分按极性顺序出柱，极性强的组分后出柱。,能形成氢键的试样，选用极性或氢键型固定液。 不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分后出峰。,对于复杂混合物，要抓主要矛盾。若组分的沸点差别是主要矛盾，可选非极性固定液；若极性差别为主要矛盾，则选极性固定液。,39,（2）按化学官能团相似选择,例如，被分离化合物为酯可选酯和聚酯固定液。化合物为醇可选醇类或聚乙二
