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1、2020 5 21 第二章气相色谱分析 第一节色谱法概述 一 色谱法简介generalizationofchromatograph二 气相色谱分离过程separationprocessofgaschromatograph fundamentalofchromatographanalysis generalizationofchromatographanalysis 1 定义和分离原理色谱法是一种分离技术 分离的原理 基于试样中各组分在两相中的作用力不同 从而使具有微小性质差异的各组分产生良好分离 达到共存组分的分离与分析 一 色谱法简介 2 色谱法分类 1 按固定相使用形式分 柱色谱 平板色谱
2、2 按组份在固定相上的分离机理分 吸附色谱 不同组份在固定相的吸附作用不同 分配色谱 不同组份在固定相上的溶解能力不同 离子交换色谱 不同组份在固定相上的亲和力不同 凝胶色谱 不同尺寸分子在固定相上的渗透作用 3 按两相状态分 3 气相色谱法简介 气相色谱法 GC 是英国生物化学家MartinATP等人在研究液液分配色谱的基础上 于1952年创立的一种极有效的分离方法 1941年 马丁和辛基提出色谱的塔板理论 1956年 范弟姆特等提出色谱速率理论为色谱的理论发展奠定了基础 1958年出现了毛细管柱 以后相继出现高效能的色谱柱 高灵敏度的检测器及微处理机 使得气相色谱法成为一种分析速度快 灵敏
3、度高 应用范围广的分析方法 4 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 或ng g 1 10 9 的物质量 3 分析速度快一般在几分钟或几十分钟内可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 被分离组分的定性较为困难 5 气相色谱仪 6 气相色谱仪的结构流程 三 色谱流出曲线与术语 动画 1 基线无试样通过检测器时 检测到的信号即为基线 2 峰高 h 色谱峰顶与基线之间的垂直距离 1 时间表示的保留值保留时间 tR 组
4、分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间 死时间 tM 不与固定相作用的气体 如空气 的保留时间 调整保留时间 tR tR tR tM 3保留值 2 用体积表示的保留值 保留体积 VR VR tR F0F0为柱出口处的载气流量 单位 mL min 死体积 VM VM tM F0调整保留体积 VR VR VR VM 4 相对保留值r21 组分2与组分1调整保留值之比 r21 t R2 t R1 V R2 V R1 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 柱长 柱径 填充情况 无关 它表示了固定相对这两种组分的选择性 在色谱分析中 尤其是GC中广泛应用于定性的数据 5 区域宽度 用
5、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 色谱峰高一半处的宽度Y1 2 2 354 3 峰底宽 Y Y 4 6 色谱流出曲线的数学描述 色谱峰为正态分布时 流出曲线上浓度与时间的关系为 色谱峰为非正态分布时 可按正态分布函数加指数衰减函数构建关系式 色谱峰数色谱保留值色谱峰高或面积色谱的位置及其宽度色谱峰间距 色谱流出曲线应用意义 判断样品中单组分数 定性依据 定量依据 评价色谱柱分离效能 固定相或流动相选择是否合适 二 气相色谱分离过程 气相色谱 气固色谱和气液色谱气固色谱的固定相 多孔性的固体吸附剂颗粒 气液色谱的固定
6、相 由担体和固定液所组成 气固色谱的分离机理 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的溶解与挥发过程 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 2 分配系数 partionfactor 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 在一定温度下 组分在两相间分配达到平衡时的浓度比 单位 g mL 称为分配系数 用K表
7、示 即 讨论 一定温度下 组分的分配系数K越大 出峰越慢 试样一定时 K主要取决于固定相性质 每个组份在各种固定相上的分配系数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 3 分配比 partionradio k 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 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 分配比可以由实验测得 分配比也称 容量因子 capacityfactor 4 容量因子与分配系数的关系 VM为流动相体积 即柱内固
8、定相颗粒间的空隙体积 VS为固定相体积 对不同类型色谱柱 VS的含义不同 气 液色谱柱 VS为固定液体积 气 固色谱柱 VS为吸附剂表面容量 2020 5 21 第二章气相色谱分析理论 第二节色谱理论基础 一 塔板理论platetheory二 速率理论ratetheory三 分离度resolution fundamentalofchromatographanalysis fundamentalofchromatographtheory 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 组分保留时间由K决定 与色谱过程的热力学性质有关 组分和固定液的结构和性质 色谱峰宽窄 与色
9、谱过程的动力学性质有关 两相中的运动阻力 扩散 色谱理论 塔板理论和速率理论 塔板理论假设 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 柱效能指标 1 塔板理论 platetheory 最早由Martin等人提出塔板理论 把色谱柱比作一个精馏塔 沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为 同时引入理论塔板数作为衡量柱效能的指标 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 n L H理论塔板数与色谱参数之间的关系为 为什么n和H是描述柱效能的指标
10、 有时计算的n值很大 H很小 但与实际柱效能相差甚远 为什么 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越多 柱效能则越高 所得色谱峰越窄 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 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 塔板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 2塔板理论的特点和不足 塔板理论在解释色谱图的形状 计算n和H方面是成功的 但其某些基本假设不完全符合色谱的实际
11、情况 如K和组分的量无关 组分在两项中分配能迅速达到平衡 纵向扩散可以忽略等 塔板理论只能定性地给出塔板高度的概念 而未能找出影响板高H的因素 也就更无法提出降低板高的途径 这主要是由于塔板理论没有考虑到动力学因素对色谱分离过程的影响 二 速率理论 影响柱效的因素 1 速率方程 也称范 弟姆特方程式 H A B u C uH 理论塔板高度 u 载气的线速度 cm s A B C为常数 分别代表涡流扩散项系数 分子扩散项系数 传质阻力项系数 减小A B C三项可提高柱效 A B C三项各与哪些因素有关 A 涡流扩散项 eddydiffusionterm A 2 dpdp 固定相的平均颗粒直径 固
12、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 B u 分子扩散项 moleculardiffusion B 2 Dg 弯曲因子 反映固定相颗粒对自由分子扩散的阻碍情况Dg 组分在气相中的扩散系数 cm2 s 1 1 扩散导致色谱峰变宽 H n 分离变差 2 分子扩散项与流速有关 流速 滞留时间 扩散 3 Dg随柱温的升高而增加 4 相对分子量大的组分Dg小 Dg M载气 1 2 M载气 B 由Cg式看出 减小担体粒度 选择分子量小的气体作载气 可降低Cg 提高柱效 由Cl式看出 减小固定相液膜厚度 增大组分在液相的
13、扩散系数 可降低Cl 提高柱效 C u 传质阻力项 resistancetomasstransfer 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 2 综上所述 可得气液色谱的板高方程 这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义 它指出了色谱柱填充的均匀程度 填料颗粒的大小 流动相的种类及流速 固定相的液膜厚度等对柱效的影响 涡流扩散项 使用适当细粒度和颗粒均匀的担体 尽量填充均匀 是减少涡流扩散 提高柱效的有效途径 分子扩散项 采用相对分子质量较大的载气 担体填充均匀 可减少分子扩散 传质项 采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可提高柱效 固定相的液膜厚度薄 组分在液
14、相的扩散系数大 则液相传质阻力就小 2 载气流速对板高的影响 载气流速高时 传质阻力项是影响柱效的主要因素 流速 柱效 载气流速低时 分子扩散项成为影响柱效的主要因素 流速 柱效 H A B u C u 最佳流速 最小板高 3 速率理论的要点 1 组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散 浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰展宽 柱效下降的主要原因 3 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 4 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 2 各种因素相互制约 如载气流速增大 分子扩
15、散项的影响减小 使柱效提高 但同时传质阻力项的影响增大 又使柱效下降 柱温升高 有利于传质 但又加剧了分子扩散的影响 选择最佳条件 才能使柱效达到最高 三 分离度 resolution 难分离物质对的分离受色谱过程中两种因素的综合影响保留值之差 色谱过程的热力学因素 区域宽度 色谱过程的动力学因素 讨论 如图所示色谱分离中的4种情况 柱效较高 K 分配系数 较大 完全分离 K不是很大 柱效较高 峰较窄 基本上完全分离 柱效较低 K较大 但分离的不好 K小 柱效低 分离效果更差 单独用柱效或选择性都不能真实反映组分在色谱柱中分离情况 即柱效为多大时 相邻两组份能够被完全分离 故需引入一个综合性指
16、标 分离度R作为色谱柱的总分离效能指标 分离度的表达式 分离度为多大时 相邻两组份能够被完全分离 当两组分的色谱峰分离较差 峰底宽难以测量时 分离度R R 0 59R 分离度R作为色谱柱的总分离效能指标 R 0 8 两峰的分离程度可达89 R 1 分离程度98 R 1 5 达99 7 相邻两峰完全分离的标准 四 色谱分离方程 对于相邻的难分离组分 由于它们的分配系数K相差小 可合理假设k1 k2 k Y1 Y2 Y 因此可导出R与n有效 n 和k的关系 讨论 1 分离度R与n的关系 提高分离度可通过增加柱长和减小板高H的方法实现 然而增加柱长 分析时间也相应增加 且峰也展宽 因此提高分离度的好方法是制备一根性能优良的柱子 通过降低板高 以提高分离度 n增加 R增大 2 分离度R与选择因子 的关系 1 R 0 无法实现分离 当 从1 01增加至1 10 增加9 时 R则增加9倍 说明 的微小变化可引起R较大改变 越大 柱选择性越好 对分离有利 增加 的有效方法是通过改变固定相和流动相的性质和组成 或降低柱温 3 分离度R与分配比k的关系 从表2 2可知 但当k 10 则R的增加不明显 通
