2 气相色谱

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1、00:46:15,第2章 气相色谱分析 (GC),00:46:15,2-1 气相色谱法概述,2-1-1 色谱法俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置： 色谱法是一种分离技术， 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。 其中的一相固定不动，称为固定相； 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。,00:46:15,色谱法,当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分

2、被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。,（动画）,与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础,00:46:15,2-1-2.色谱法分类,流动相为气体，固定相为固体吸附剂,气相色谱,气固色谱,气液色谱,流动相为气体，固定相为液体,流动相为液体，固定相为固体吸附剂。,液相色谱,液固色谱,液液色谱,流动相为液体，固定相为液体,00:46:15,气相色谱 (1)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,00:46:15,液相色谱,(2)液相色谱：

3、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值的水溶液为流动相。,00:46:15,(3)其他色谱方法,薄层色谱和纸色谱： 比较简单的色谱方法,凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。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。,00:46:15,2-1-3 气相色谱仪,00:46:15,气相色谱流程,1. 载气系统：包括气源、气体净化、气体流速的控制和测量；2. 进样系统：包括进样器、气化室；3. 色谱柱：柱体、固定相；4. 检测系统：包括检测器、

4、放大器、记录仪，有的还带有数据处理装置。,00:46:15,00:46:15,2-1-4 色谱图及常用术语,色谱流出曲线，如何表征？,00:46:15,(1).基线（base line）,无试样通过检测器。(2).峰高 峰顶点到基线的距离,00:46:15,(3) 区域宽度(peak width),用来衡量色谱峰宽度的参数 有三种表示方法： 标准偏差(standard deviation,) 即0.607h处色谱峰宽的一半。 半峰宽(peak width at half height,Y1/2) h/2处的宽度 Y1/2 =2.35 峰基宽度(peak width at peak base,Y

5、b) Yb = 4 ,00:46:15,2-1-5 保留值（retention value）,1.时间表示保留值: (1)保留时间(retention time, tR)： 组分从进样到柱后出现浓度最大值时所需的时间。 (2)死时间(dead time, tM)： 不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间。 (3)调整保留时间(adjusted retention time, tR)： tR= tRtM,00:46:15,2. 体积表示的保留值,保留体积（VR）： VR = tRF0F0为柱出口处的载气流量，单位：m L / min。 死体积（VM）： VM = tM F0 调整保留体积(VR

6、)： V R = VR VM,00:46:15,3. 相对保留值r21,组分2与组分1调整保留值之比： r21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1,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。,选择最难分离的物质对，它们的调整保留值即选择因子，用表示，且总大于1。,00:46:15,2-2 气相色谱分析理论基础,气相色谱分离过程是在色谱柱内完成的。气-固色谱的固定相: 多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。气-液色谱的固定相: 由 担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。气-固色谱的

7、分离机理: 吸附与脱附的不断重复过程；气-液色谱的分离机理： 气液两相间的反复多次分配过程。,00:46:15,2 分配系数与容量因子,(1).分配系数（partition coefficient） 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。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度(g / mL)比, 称为分配系数，用K 表示， 即:,00:46:15,分配系数 K 的讨论,(1) 一定温度下， K值最小的组分最先流出色谱柱，而 K值越大的组分，出峰越慢；(2) 试样一定时，K 主要取决于固定相性质；(3) 每个组份在各种固定相上的分配系数 K 不同；(4)

8、 选择适宜的固定相可改善分离效果；(5) 试样中的各组分具有不同的 K 值是分离的基础；(6) 某组分的 K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。,00:46:15,2.容量因子（capacity factor） k,亦称分配比(partition ratio)或容量比(capacity ratio)。定义：k 是指在一定温度、压力下组分在两相间达到分配平衡时，它在两相间的质量比。,对于一定的色谱体系，组分的分离最终决定于组分在两相中的质量，而不是平衡浓度，因此分配比更能表征分配达到平衡时的分离情况。 K与 k 的之间存在什么样的关联？,00:46:15,K与 k 的关系：,VM：色谱柱中流

9、动相的体积(空隙体积) Vs：色谱柱中固定相的体积。在气液色谱中Vs为固定液体积；在气固色谱中为吸附剂 表面容量。(2) : 相比(phase ratio)。 填充柱的值为635，毛细管 柱的为501500。,00:46:15,3.保留值与容量因子的关系,00:46:15,色谱理论,色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。,组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？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

10、：塔板理论和速率理论；,00:46:15,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-柱分离效能指标,1.塔板理论（plate theory）半经验理论； 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；,（动画）,00:46:15,色谱柱长：L， 虚拟的塔板间距离：H， 色谱柱的理论塔板数：n，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：,保留时间包含

11、死时间，在死时间内不参与分配!,00:46:15,2.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tM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：,00:46:15,(1). 塔板理论柱分离效能指标,色谱柱长：L虚拟的塔板间距离：H色谱柱的理论塔板数：n则三者的关系为：,式中tR、Y1/2、Wb以同一单位（cm 或 s）表示。,理论塔板数与色谱参数之间的关系为：,2-2-2 色谱分离的基本理论,00:46:15,有效塔板数和有效塔板高度:,组分在 tM 时间内不参与柱内分配。 有效塔板数和有效塔板高度：,00:46:1

12、5,1. 气相色谱分离过程,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，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。,00:46:15,随着载气的流动，溶解、挥发,或吸附、脱附的过程反复地进行。,00:46:15,塔板理论的特点和不足：,(1) 当色谱柱长度一定时，塔板数 n (塔板高度 H )，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高, 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

13、量柱效能的指标时,应指明测定所用物质。,(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) 该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。,00:46:15,(2).速率理论影响柱效能的因素,速率方程也称范弟姆特方程式: H = A + B/u + C u H : 理论塔板高度 u : 载气的线速度(cm/s)减小 A、B、C 三项可提高柱效；三个常数的物理意义存在着最佳流速；A、B、C三项各与哪些因素有关？,00:46:15,(1) A涡流扩散项,A = 2dp d

14、p：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。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。,00:46:15,(2) B/u 分子扩散项,B = 2 Dg ：弯曲因子, 填充柱色谱,1 Dg：气相中的扩散系数（cm2s-1）,(1) 存在着浓度差，产生纵向扩散; (2) 扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差; (3) 该项与流速有关，流速，滞留时间，扩散; (4) 扩散系数：Dg (M载气)-1/2 ； M载气，B值。,00:46:15,(3) C u 传质阻力项,传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即： C =（Cg + CL）,k为容量因子； Dg 、DL为扩散系数。 减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。,00:46:15,速率理论的要点:,(1)色谱峰扩展、柱效下降的主要原因: 组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度、两相分配平衡不能瞬间达到。,(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，但同时传质阻力项的影响增大；柱温升高，有利于传质，但加剧了分子扩散的影响。,