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1、第四章 气相色谱与反气相色谱,4.1 色谱分离原理与基本概念 4.2 气相色谱仪简介 4.3 气相色谱基本理论（难点） 4.4 气相色谱的定性与定量分析 4.5 反气相色谱 4.6 气相色谱与反气相色谱在聚合物中的应用。,要求：重点掌握色谱基本分离原理，掌握气相色谱 工作流程、相关理论，掌握气相色谱的定性定量应用。,4.1 色谱分离原理与基本概念,1.色谱的发展历史 2.色谱分离原理 3. 色谱图及相关概念 4.色谱分类 5.色谱法的特点,1.色谱法发展的历史 俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置： 色谱原型装置，如图。 色谱法是一种分离技术 色谱柱：试样混合物各组分的分离过程在色谱柱中进
2、行。 其中的一相固定不动，称为固定相（可以是液体或固体固定相）； 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。,植物色素分离示意,色谱原型装置,色 谱 柱,2. 色谱分离原理,由于各组分的物理化学特性的不同，固定相对各组分的作用能力不同，在两相中的分配存在差异，而这种差异使不同组分在随流动相流经色谱柱时，洗脱速度不同，洗脱顺序出现先后，得以达到分离目的。,固定相与之作用能力不同,两相的分配差异,洗脱先后的不同,两相间的反复多次分配,不同组分相互分离,t或V,色谱分离原理示意图,色谱图,多组分分离过程的机理,浓度与时间的检测,检测装置,讨论： 分离在色谱柱中完成 与固定相
3、作用能力的差异是分离的根本原因。 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础,（1）. 分配系数（ partion factor） K,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。 组分在两相中分配能力不同，大小用分配系数加以衡量 分配系数： 在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g / mL）比，称为分配系数，用K 表示，即：,分配系数是色谱分离的依据。,分配系数 K 的讨论,一定温度下，组分的分配系数K越大，柱中保留时间越长，出峰越慢； 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。 同一组份在各种固定
4、相上的分配系数K不同，组分一定时，K主要取决于固定相性质； 选择适宜的固定相可改善分离效果；,（2）.分配比 （partion radio）k,在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：,1. 分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。 2.分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。 3. 分配比可以由实验测得。,分配比也称： 容量因子(capacity factor)；容量比(capacity factor)；,固定相为多孔性的固体吸
5、附剂颗粒： 分离基础： 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。 液体固定相: 固定液涂渍在惰性载体上 分离基础： 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。 凝胶渗透色谱： 分离基础：各组分的流体力学体积不同 离子色谱：固定相与流动相之间离子交换竞争,（3） 常见分离机理：,3、色谱图及相关概念,横坐标：流动相 体积或流动相从 进样到流出的时间,纵坐标：检测器 测量的各组分浓度,各组分的浓度随 流出体积或分析 时间的变化曲线 称为色谱峰。,色谱图,（1）.基线 无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。 （2）.保留值,时间表示的保留值 保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的
6、时间；或者说：进样到出现色谱峰的时间,死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；或者说流动相流经色谱柱的时间 调整保留时间（tR ） tR = tRtM,用体积表示的保留值,保留体积（VR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所耗的流动相体积 VR = tRFc Fc为载气流速， 单位：m L / min。,死体积（VM）：不与固定相作用的组分（如空气）从近样到出现色谱峰所耗流动相体积；或者说色谱柱的空隙体积（如：凝胶渗透色谱） VM = tM Fc 调整保留体积(VR)： V R = VR VM,色谱图,（3）. 相对保留值r21,有时固定相在分离过程中有流失，保留值不易测准，
7、采用相对值，定义为：组分2与组分1调整保留值之比： r21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1,注意：相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。,色谱峰的位置：保留时间或体积。定性的主要依据；反应了色谱的热力学过程。,(4)色谱图的解析要素,色谱峰的大小与形状： 峰高（h）大小是定量依据；峰宽反映了分离过程动力学过程，组分在两项中的扩散、传质状况相关，也受操作条件影响。 色谱峰的分离状况：表征分离效果,（5）.色谱流出曲线方程,色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：,当色谱峰为非正态分布时，可按正态分布函数加指数
8、衰减函数构建关系式。,P109，方程417,（6）峰宽（区域宽度）,峰宽反映了分离过程动力学过程，是与分离效果相关的重要参数。 衡量色谱峰宽度的参数： （1）标准偏差()：0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。 （2）半峰宽(Y1/2)：峰高一半处的宽度 Y1/2 =2.354 （3）峰底宽(Wb)：Wb=4 ,（7）分离效能指标, 选择性（相对保留值）,相对保留值由两组分与固定相的热力学性质决定，与色谱柱的长短粗细无关。它表示了固定相对这两种组分的选择性。 r2.1越大，选择性差异越大，组分分离效果越好, 峰宽度 从色谱分离角度着眼，希望区域宽度越窄越好, 分离度,分离度考虑了保留时间和峰宽度
9、，是一个综合指标：,R 1.5 两峰完全分开 R = 1.0 两峰达97.7%分离 R 1.0 两峰明显重叠,4、色谱分类,按流动相分 以此分类为主,气相色谱（GC） 液相色谱（LC） 超临界流体色谱（SFC）,色谱虽然仪器构造、分离机理基本相同，但由于流动相、固定相以及分离机理的细微差别，可将色谱 分为几类：,举例：气相色谱：流动相为气体（称为载气）。 按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱； 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱,例：液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。 按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。 离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同pH
10、值的水溶液为流动相。,凝胶色谱：测聚合物分子量分布。,例：其他色谱方法,薄层色谱和纸色谱： 比较简单的色谱方法,超临界色谱: CO2流动相。 高效毛细管电泳: 九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。,5.色谱法的特点,（1）分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。 （2） 灵敏度高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。 （3） 分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。 （4） 应用范围广 气相色谱：沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。 不足之处：
11、 被分离组分的定性较为困难。,卷烟香气成分分析,保留时间,4.2 气相色谱仪,气相色谱的分离过程 气相色谱仪简介,气相色谱的分离,关注以下方面： 固定相： 流动相： 组分在固定相与流动相之间分配的机理 色谱图 分离效能,气相色谱的分离过程,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，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。,气相色谱仪主要包括四部分： 1、载气系统 2、进样系统 3、分离系统 4、检测系统 5.控温系统,气相色谱仪
12、简介,气相色谱仪流程图,色谱仪,1、载气系统 载气由压缩气体钢瓶供给，经减压阀、稳压阀控制压强和流速，由压强计指示气体压强，然后进入检测器热导池的参考臂，继而进入色谱柱。最后通过热导池、流量计而放入大气。 气相色谱对载气的基本要求： （1）纯净 通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的水分、氧等有害杂质。 （2）稳定： 流速稳定。 （3）常用的载气：氮气，氢气，氦气,2、进样系统 包括进样装置和汽化室。 进样通常用微量注射器和进样阀将样品引入。液体样品引入后需要瞬间汽化。汽化在汽化室进行。 对汽化室的要求是： （1）体积小；（2）热容量大；（3）对样品无催化作用,载气入口,接色谱柱,散热片,加热
13、块,汽化室示意图,对高分子样品，采用裂解装置： 管式炉裂解器 热丝裂解器 居里点裂解器,裂解的小分子随载气进入色谱柱,3、分离系统-色谱柱,（1）固体固定相： 固体吸附剂包括活性碳、硅胶、Al2O3、分子筛等。非极性碳，弱极性氧化铝，强极性硅胶,（2）液体固定相：液体固定相涂渍或键合在惰性载体上,担体,固定液,不同种类的固定液对混合物组分的作用能力（分配系数)不同，分离效果差异很大。 如何选择恰当的固定液使组分得以更好的分离呢？,固定液的选择：组分与固定相的相互作用力,（A）非极性组分分离非极性固定液 ，组分出峰的顺序由蒸汽压决定，沸点高保留时间长,（B）中等极性组分分离中等极性固定相，沸点与
14、分子间力同时起作用,（C）强极性组分分离强极性固定相，分子间力起作用，按极性大小出峰,（D）极性+非极性组分分离极性固定相,依据相似相溶原则；（极性原则）,例如：苯和环己烷的色谱分离 苯 沸点 80.10C 环己烷 沸点 80.70C 采用非极性固定液 ，因组分出峰的顺序由蒸汽压决定，所以分不开；,但是苯容易极化 tR(苯）/tR（环己烷） （1）用弱极性的邻苯二甲酸二辛酯 1.5 （2）用极性的聚乙二醇-400 3.9 （3）用，氧二丙氰 6.3,P105,4、检测器 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。 检测器相关性能指标：,灵敏度（Sensitivity）
15、 指样品量变化引起信号变化的程度，程度越大灵敏度越高。 检测限（Detection Limit）二倍噪音所相当的物质的量称为检测限 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。,常用检测器： 热导检测器 氢火焰离子化检测器 电子捕获检测器,对检测器性能要求： 灵敏度高 线性范围宽 响应速度快 通用性强 结构简单,（1）热导检测器 (Thermal Conductivity Detector, TCD),利用载气与样品组分热导系数的差异，当它们通过 热敏电阻元件时，阻值出现差异而产生电信号。,热导检测器的主要特点: (1) 结构简单 (2) 对无机物
16、和有机物都有响应 (3) 灵敏度不高,（2）、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+样品组分,H2,空气,极化极,收集极,放大记录,离子流方向,氢火焰离子化检测器的特点： （1）灵敏度高，响应快，线性范围宽 （2）通用性强，适于有机物的检测 （3）是目前最广泛使用的检测器之一。,（3）、电子俘获检测器 载气在-射线源的照射下发生电离： N2 N2 + e 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。,放射源 （-）,不锈钢棒 （+）,放大与 检测系统,电子俘获检测器的特点： （1）对卤素、硫、磷、氮、氧有很强的响应； （2）灵敏度高，可用于痕量农药残留物的
