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1、第第十八十八章章气相色谱分析法气相色谱分析法一一、分离度、分离度resolution 二二、载气种类和流速的选择载气种类和流速的选择classification of carrier gas and choice of flow rate 三三、色谱柱及使用条件的选择色谱柱及使用条件的选择chromatographic columns and choice of operating condition四四、其它操作条件的选择其它操作条件的选择choice of other operating condition第三节第三节第三节第三节 分离操作条件的选择分离操作条件的选择分离操作条件的选择分离
2、操作条件的选择gas chromatographic analysis, GCchoice of chromatographic operating condition 2024/7/29一、一、 分离度分离度 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难难分分离离物物质质对对的的分分离离度度大大小小受受色色谱谱过过程程中中两两种种因因素素的的综综合影响：合影响：保留值之差保留值之差色谱过程的热力学因素；色谱过程的热力学因素； 区域宽度区域
3、宽度色谱过程的动力学因素。色谱过程的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示：AB2024/7/29讨论：讨论： 色谱分离中的四种情况的讨论：色谱分离中的四种情况的讨论： 柱效较高，柱效较高，K(分配系数分配系数)较大较大,完全分离；完全分离； K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，柱效较低，K较大较大,但分离的不好；但分离的不好； K小，小，柱效低，分离效果更差。柱效低，分离效果更差。AB2024/7/29分离度的表达式分离度的表达式：R=0.8：两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达89%；R=1
4、：分离程度：分离程度98%；R=1.5：达：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。（相邻两峰完全分离的标准）。2024/7/29令令W(2)=W(1)=Wb（相邻两峰的峰底宽近似相等相邻两峰的峰底宽近似相等），），引入相对保引入相对保留值和塔板数，可导出下式：留值和塔板数，可导出下式：分离度与柱效能及相对保留值的关系：分离度与柱效能及相对保留值的关系：2024/7/29分离度分离度R与柱效能与柱效能n，相对保留值，相对保留值r21，容量因子容量因子k的关系：的关系： （A） （B） （C）2024/7/29讨论讨论：（1）分离度与柱效分离度与柱效 分离度与柱效的平方根成正比。分离度与柱效的平
5、方根成正比。 固固定定相相一一定定，r21一一定定时时，增增加加柱柱效效（通通过过增增加加柱柱长长），可提高分离度，可提高分离度， 但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。2024/7/29增加柱长对分离度的影响2024/7/29（2）分离度与分离度与r21 增大增大r21是提高分离度的最有效方法，计是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当算可知，在相同分离度下，当r21增加一倍，增加一倍，需要的需要的n有效有效 减小减小10000倍。倍。 增大增大r21的最有效方法是选择合适的固定的最有效方法是选择合适的固定液。液。2024/7/29（3
6、）分离度与）分离度与k的关系的关系k=2102024/7/29例题例题1： 在在一一定定条条件件下下，两两个个组组分分的的调调整整保保留留时时间间分分别别为为85秒秒和和100秒秒，要要达达到到完完全全分分离离，即即R=1.5 。计计算算需需要要多多少少块块有有效效塔板。若填充柱的塔板高度为塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？柱长是多少？解：解： r21= 100 / 85 = 1.18 n有效有效 = 16R2 r21 / (r21 1) 2 = 161.52 (1.18 / 0.18 ) 2 = 1547（块）块） L有效有效 = n有效有效H有效有效 = 15470.1
7、= 155 cm 即柱长为即柱长为1.55米时，米时，两组分可以得到完全分离。两组分可以得到完全分离。2024/7/29二、二、 载气种类和流速的选择载气种类和流速的选择 classification of carrier gas and choice of flow rate 1. 1. 载气种类的选择载气种类的选择 载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。 载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。 热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵
8、敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。 在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。2024/7/292. 2. 载气流速的选择载气流速的选择 由图可见存在最佳流速（uopt）。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间，提高柱效。2024/7/29三、三、 色谱柱及使用条件的选择色谱柱及使用条件的选择 chromatographic columns and choice of operating condition 1. 1. 固定相的选择固定相的选择 气液色谱，应根据“相似相溶”的原则 分分离离非非极极性性组组分分时时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，
9、低沸点组分先出峰。 分分离离极极性性组组分分时时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。2024/7/29 分分离离非非极极性性和和极极性性的的（或或易易被被极极化化的的）混混合合物物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。 醇醇、胺胺、水水等等强强极极性性和和能能形形成成氢氢键键的的化化合合物物的的分分离离，通常选择极性或氢键性的固定液。 组组成成复复杂杂、较较难难分分离离的的试试样样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。2024/7/292.2.柱温的确定柱温的确定 首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液
10、易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。 柱温升高，色谱峰变窄变高，分离度下降。柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。 柱温，分离度，分析时间。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。 柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。2024/7/29程序升温程序升温:即柱温按设定的程序，随时间呈线即柱温按设定的程序，随时间呈线性或非
11、线性增加。性或非线性增加。恒温：恒温：4545o oC C程序升温：程序升温：3018030180o oC C恒温：恒温：145145o oC C温度低，分离效果较好，但分析时间长温度低，分离效果较好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，分析时间短，但分离效果差温度高，分析时间短，但分离效果差2024/7/293. 3. 固定液配比（涂渍量）的选择固定液配比（涂渍量）的选择 配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比。 配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。 配比较低时，固定相的负载量低，允
12、许的进样量较小。 填充诸色谱中配比通常在5%25%之间。2024/7/294.4.柱长和柱内径的选择柱长和柱内径的选择 增加柱长对提高分离度有利（分离度R正比于柱长L2），但组分的保留时间tR ，且柱阻力，不便操作。 柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。 填充色谱柱的柱长通常为13米。 可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长或实验确定。 柱内径一般为34mm。2024/7/29 四、四、 其它操作条件的选择其它操作条件的选择 choice of other operating condition1.1.进样方式和进样量的选择进样方式和进样量的选择
13、 液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L等。等。 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。进样要求动作快、时间短。范围之内。进样要求动作快、时间短。 一般液体进样量为一般液体进样量为0.110L； 气体进样量为气体进样量为0.110ml 气体试样应采气体进样阀进样。气体试样应采气体进样阀进样。2024/7/292.2.气化温度的选择气化温度的选择 色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化；温度一般取决于待测样品的挥发性，
14、沸程，此瞬间气化；温度一般取决于待测样品的挥发性，沸程，试样的稳定性等因素。试样的稳定性等因素。 气化温度稍高于组分的沸点但不气化温度稍高于组分的沸点但不要太高防止气化温度太高造成试样分要太高防止气化温度太高造成试样分解。一般较柱温高解。一般较柱温高3070C2024/7/29 第十八章气相色谱分析法一、一、一、一、 GCGC色谱柱的分类色谱柱的分类色谱柱的分类色谱柱的分类二、二、二、二、 GCGC固定相固定相固定相固定相三三三三 、填充色谱柱的制备、填充色谱柱的制备、填充色谱柱的制备、填充色谱柱的制备 第四节 气相色谱柱gas chromatographic analysis, GC col
15、umm in gas chromatograph 2024/7/29色谱柱是色谱仪器的心脏1、在色谱分离分析过程中，所有的、在色谱分离分析过程中，所有的分离过程都是在色谱柱中完成的。分离过程都是在色谱柱中完成的。2、被测组分能否被分离主要取决于、被测组分能否被分离主要取决于色谱柱的分离效能和选择性色谱柱的分离效能和选择性2024/7/29一、一、GCGC色谱柱的分类 按柱的粗细和填充方式分按柱的粗细和填充方式分 ： 填充柱填充柱 毛细管柱毛细管柱 （packde columm） （capillary columm）材质：不锈钢，玻璃材质：不锈钢，玻璃 玻璃，熔融的石英玻璃，熔融的石英 内径：内
16、径： 34mm 0.10.5mm柱长：柱长： 13m 10100m 色谱柱由柱管和填充在内部的固定相组成色谱柱由柱管和填充在内部的固定相组成色谱柱由柱管和填充在内部的固定相组成色谱柱由柱管和填充在内部的固定相组成2024/7/292024/7/292024/7/29二、GC固定相v气-液色谱固定相v气-固色谱固定相2024/7/29气-液色谱固定相l1 1 固定液：固定液：l 高沸点的有机化合物，在操作条高沸点的有机化合物，在操作条件下为液体，称固定液。件下为液体，称固定液。l 固定液不能直接装在色谱柱内，固定液不能直接装在色谱柱内，必须将它涂渍在一种颗粒状的固体表必须将它涂渍在一种颗粒状的固
17、体表面上，这种固体叫载体或担体。面上，这种固体叫载体或担体。2024/7/29 对固定液的要求l A、 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态定呈液体状态lB、热稳定性好，蒸气压低（、热稳定性好，蒸气压低（0.1mmHg）；）；lC、化学稳定性好；、化学稳定性好；lD、固定液对试样中各组分应有一定的溶解力，分、固定液对试样中各组分应有一定的溶解力，分配系数较大配系数较大;lE、对各组分选择性能高、对各组分选择性能高: K1 K2 K3 - lF、对载体具有良好的浸润性，以形成均匀液膜、对载体具有良好的浸润性，以形成均匀液膜 2024
18、/7/29H ClHHO环己烷环己烷苯苯C COOOO 极性分子极性分子，非极性分子非极性分子与与偶极偶极： 在任何一个分子中，都可以找到一个正电荷重心和一在任何一个分子中，都可以找到一个正电荷重心和一个负电荷重心。个负电荷重心。如果分子中正电荷重心与负电荷重心相重合，这种分子叫如果分子中正电荷重心与负电荷重心相重合，这种分子叫做非极性分子；做非极性分子；如果分子中正电荷重心与负电荷重心不重合，这种分子如果分子中正电荷重心与负电荷重心不重合，这种分子叫做极性分子，则分子就因显正负两极而形成偶极。叫做极性分子，则分子就因显正负两极而形成偶极。 （2 2）组分与固定液分子间的相互作用）组分与固定液
19、分子间的相互作用2024/7/29（2 2）组分与固定液分子间的相互作用）组分与固定液分子间的相互作用nA A、静电力、静电力 1 10 0 2 2 00nB B、诱导力、诱导力 1 10 0 2 2=0=0nC C、色散力、色散力 1 1=0=0 2 2=0=0nD D、氢键力、氢键力 : :能形成氢键的化合物，如：能形成氢键的化合物，如：H H2 2O , NHO , NH3 3 , ROH., ROH.nE E、分子间的特殊作用力、分子间的特殊作用力2024/7/29按化学结构、极性、应用等有不同的分类方法。 ( (1)1) 按化学结构的分为按化学结构的分为：烃类（非极性）、醇类（氢键型
20、）、酯类（中强极性型）、聚硅氧烷（通用性）等。（2 2）按极性分）按极性分：A 强极性， 氧二丙氰 ： CH2CH2CN 相对极性为： P=100 O CH2CH2CN B 非极性的角鲨烷（异三十烷）：P=0C 其它固定液的极性 PX 应在0100之间， 并在0100分为五级 ： （3 3）固定液的分类）固定液的分类2024/7/29常用固定液的相对极性2024/7/29 常用固定液2024/7/29（3）麦氏（）麦氏（McReynolds）常数常数分子间的作用力比较复杂，仅用相对极性来评价固定液分子间的作用力比较复杂，仅用相对极性来评价固定液的性质不太科学；的性质不太科学；麦氏提出用五个常数
21、麦氏提出用五个常数X，Y，Z，U，S来表述分子间来表述分子间的各种作用力：的各种作用力： 标准物质：苯、标准物质：苯、 正丁醇、正丁醇、2-戊酮、戊酮、 硝基丙烷、吡啶。硝基丙烷、吡啶。l条件：在柱温条件：在柱温120下分别测定它们在下分别测定它们在226种固定液和角种固定液和角鲨烷上的鲨烷上的I值。把该五项值。把该五项I之和称为总极性。之和称为总极性。2024/7/292024/7/29（4）固定液的选择选择的基本原则：选择的基本原则： “相似相溶相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相选择与试样性质相近的固定相具体方式：具体方式：A、 非极性物质分离非极性物质分离 - 非极性固定液非极性固定
22、液B 、极性物质分离、极性物质分离 - 极性固定液极性固定液C、 非极性、极性物质分离非极性、极性物质分离-极性固定液极性固定液D 、氢键型物质的分离、氢键型物质的分离-强极性或氢键型固定液强极性或氢键型固定液E 、复杂的难分离组分、复杂的难分离组分-两种或两种以上混合固定液两种或两种以上混合固定液2024/7/29 2.担体（1）作为担体使用的物质应满足的条件： 比表面积大，孔径分布均匀；比表面积大，孔径分布均匀； 化化学学惰惰性性，表表面面无无吸吸附附性性或或吸吸附附性性很很弱弱，与与被被分分离离组组份份不起反应；不起反应； 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；具有较高的热稳定性和机械
23、强度，不易破碎； 颗粒大小均匀、适度。一般常用颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、目、80100目。目。 载体分类：载体分类：硅藻土载体：硅藻土载体： 红色担体，白色担体非硅藻土载体：非硅藻土载体： 氟载体、玻璃微球、高分子多孔微球2024/7/29硅藻土载体结构n 硅藻土载体是用硅藻土在高温下煅烧而成。硅藻土载体是用硅藻土在高温下煅烧而成。n 所谓硅藻土，它是由单细胞海藻所依附的硅所谓硅藻土，它是由单细胞海藻所依附的硅藻骨架构成，这种硅藻骨架是由微小的无定型含藻骨架构成，这种硅藻骨架是由微小的无定型含水二氧化硅和其它无机物杂质组成。水二氧化硅和其它无机物杂质组成。n 硅藻土的比表面积有硅
24、藻土的比表面积有 20 20 m m2 2/g/g 。n 分为白色担体和红色担体分为白色担体和红色担体2024/7/29硅藻土红色担体红色担体： 孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。性吸附中心点。白色担体白色担体： 煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。 颗颗 粒疏粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离
25、极性组分的试样。显著减小，适宜分离极性组分的试样。助熔剂（助熔剂（Na2CO3）煅烧（煅烧（900）天然硅藻土天然硅藻土白色担体白色担体煅烧（煅烧（900）红色担体红色担体天然硅藻土天然硅藻土（添加粘合剂）（添加粘合剂）2024/7/29表 气液色谱担体2024/7/29（3 3）载体的预处理）载体的预处理 酸洗法酸洗法酸洗法酸洗法 -除去载体表面的碱性活性基团，以消除去载体表面的碱性活性基团，以消除去载体表面的碱性活性基团，以消除去载体表面的碱性活性基团，以消除载体对酸性组分的吸附作用除载体对酸性组分的吸附作用除载体对酸性组分的吸附作用除载体对酸性组分的吸附作用 载体载体载体载体 HClHC
26、lHClHCl（浓）浸泡约（浓）浸泡约（浓）浸泡约（浓）浸泡约30min.30min.30min.30min. 碱洗法碱洗法碱洗法碱洗法 - - - - 除去载体表面的酸性活性基团，以除去载体表面的酸性活性基团，以除去载体表面的酸性活性基团，以除去载体表面的酸性活性基团，以消除载体对碱性组分的吸附作用。消除载体对碱性组分的吸附作用。消除载体对碱性组分的吸附作用。消除载体对碱性组分的吸附作用。 10%NaOH10%NaOH10%NaOH10%NaOH浸泡或回流。浸泡或回流。浸泡或回流。浸泡或回流。 硅烷化硅烷化硅烷化硅烷化-除去载体表面的硅醇基，以消除氢键结除去载体表面的硅醇基，以消除氢键结除去
27、载体表面的硅醇基，以消除氢键结除去载体表面的硅醇基，以消除氢键结合力。合力。合力。合力。 釉化釉化釉化釉化 -表面玻璃化，堵住微孔，表面玻璃化，堵住微孔，表面玻璃化，堵住微孔，表面玻璃化，堵住微孔， 10101010倍体积倍体积倍体积倍体积20%20%20%20%硼砂水溶液浸泡硼砂水溶液浸泡硼砂水溶液浸泡硼砂水溶液浸泡48h.48h.48h.48h.而后而后而后而后 在在在在950950950950灼烧。灼烧。灼烧。灼烧。2024/7/29气-固色谱固定相 stationary phases in Gas-solid chromatograph1. 1. 种类种类 (1)活性炭活性炭 有较大的
28、比表面积，吸附性较强。 (2)活性氧化铝活性氧化铝 有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。 (3)硅胶硅胶 与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。2024/7/29气固色谱固定相 (4)分子筛分子筛 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO
29、、N2O等。 (5)高分子多孔微球（高分子多孔微球（GDX系列）系列） 新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。 型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。2024/7/292. 气固色谱固定相的特点（1）性能与制备和活化条件有很大关系；）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同同一一种种固固定定相相，不不同同厂厂家家或或不不同同活活化化条条件件，分分离离效效果果差异较大；差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；）种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。）使用方便。2024/7/29三、填充色谱柱的制备三、填充色谱柱的制备1 、色谱柱的清洗：、色谱柱的清
30、洗：玻璃柱：玻璃柱： 酸泡酸泡水洗水洗烘干烘干不锈钢柱：碱抽洗不锈钢柱：碱抽洗水洗水洗烘干烘干2 、固定液的涂渍（静态涂渍法和旋转蒸发法）：、固定液的涂渍（静态涂渍法和旋转蒸发法）：称取固定液称取固定液溶剂溶解溶剂溶解称取担体称取担体混合搅混合搅拌（旋转涂渍）拌（旋转涂渍）烘干烘干过筛装柱过筛装柱3 色谱柱的填充：真空泵抽气填充法。色谱柱的填充：真空泵抽气填充法。4 色谱柱的老化（色谱柱的老化（point）：）：除去柱中残留的溶剂和挥发除去柱中残留的溶剂和挥发组分。一定温度下通入载气和加温处理。组分。一定温度下通入载气和加温处理。2024/7/29色谱柱的填充（抽气法）色谱柱的填充（抽气法）液体固定相液体固定相玻璃棉玻璃棉抽真空抽真空2024/7/29色谱柱的老化（色谱柱的老化（point）q老化：老化：q 在操作温度低于固定液最高使用温在操作温度低于固定液最高使用温度下，通入载气，将柱加热数小时（度下，通入载气，将柱加热数小时（48h），），甚至更长。甚至更长。q老化目的：老化目的：q 除去残留溶剂及挥发性杂质，并使除去残留溶剂及挥发性杂质，并使固定液在呈液体状态下更趋稳定。固定液在呈液体状态下更趋稳定。q注意：老化时缓慢升高柱温，且柱注意：老化时缓慢升高柱温，且柱末端与检测器断开。末端与检测器断开。2024/7/29
