《工学色谱法》PPT课件.ppt

作业：p.358 思考题5、9、10、12、14、15、16、21、22 (可以不交，但要理解) p.359.习题2、3、4、5、7,网站地址如下：,色谱分析法 Chromatography,俄国植物学家茨维特在1906年用于分离植物叶色素的装置,碳酸钙,石油醚,植物叶色素,一.概述,色谱分析基于物质的物理性质进行分离和分析的方法。,色谱法是一种分离方法，其特点为存在两相,流动相携带试样混合物流过固定相的流体（气体或液体)。,固定相固定不动的一相,将色谱法用于分析中，称为色谱分析,3.色谱法的分类方式 :,按二相状态分类,气相色谱,液相色谱,固体吸附剂(S),液体(涂在管壁或 固态载体上)(L),(S),液固色谱(L.S.C),(L),液液色谱(L.L.C),Gas chromatography,气相色谱法？,以气体为流动相的色谱法，简称GC（Gas Chromatogaphy）。,应用范围：用于分离分析易汽化、热稳定物质，特别适合用于同系物、同分异构体的分离。,按固定相状态的不同可分为气固色谱(GSC)和气液色谱(GLC)。,1.气相色谱仪的流程图 :,一.载气系统 :,二.进样系统:,进样并气化,三. 柱系统:,完成样品的分离,四.检测器:,将浓度或质量信号 电信号,五.记录系统:,将电信号放大,记录出色谱图,经数据处理 得出结果,包括气源、净化干燥管和载气流速控制、测量装置,2.气相色谱的分离原理,(1).分离原理 ：,（G.L.C或G.S.C）,各组分性质和结构的差异，与固定相的作用力不同，使其保留时间不同。,气固色谱吸附能力不同而分离，与固定相作用力大，脱附难，随载气推进慢，后离柱， tR大。,气液色谱溶解能力不同而分离，与固定相作用力大，挥发难，随载气推进慢，后离柱， tR大。,(2) 分配系数 K ：,定义：,一定温度时，试样在固定相和流动相中分配达到平衡时的浓度比,特征：,T，固定相确定，不同物质的 K值不同。,总结 :,气相色谱的分离原理： 不同物质在两相间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，试样中的各组分在两相中进行反复多次的分配，使原来分配系数只有微小差异的各组分彼此分离开来。,关于色谱峰 关于保留值 关于峰宽度 关于柱效,3.色谱相关术语,(1) 色谱流出曲线（色谱图） :,组分浓度（或电信号）随时间的变化曲线,E,正态分布. 定性. 定量. 分离效果显示,基线,(3) 保留值 :, 用时间表示的保留值,tR保留时间：进样色谱峰出现最大值时所需时间,tM死时间:,不与固定相作用的组分的保留时间,t R 调整保留时间:,t R =tR - tM,进样, 用体积表示的保留值,VR保留体积 :,VR=tRF0,V R调整保留体积: V R=VR-VM,VM死体积： VM=tMF0,进样,空气峰,F0为柱出口处的载气流速, mLmin-1, 相对保留值 r21,在气相色谱中，相对保留值的大小仅与固定相种类和柱温有关。,r21 越大，两组分分离越容易。, 标准偏差 （）, 半峰宽（Y1/2）, 峰基宽度（Wb）： 流出曲线上拐点所作的切线在基线上的截距,A,B,关于峰宽度的术语,关于柱效的术语,色谱柱的塔板数n和塔板高度H：,H有效=L/n有效,H=L/n,n越大，H越小，表明组分在柱中达到的分配平衡次数越多，色谱峰越窄，对分离越有利，但还不能预言各组分有被分离的可能性。,R越大，说明两组分分离得越好。一般来说R应大于1.5。 由于该定义综合了色谱动力学和热力学因素，可作为色谱柱的总分离效能指标。,(2) 色谱分离基本方程,a.分离度R的定义,b.色谱分离基本方程,要改善物质对的分离（提高R），即提高两相邻物质的分离度，可以采取以下措施： 提高有效塔板数 增大相对保留值r21,增大r21 是提高分离度最有效的手段。 在气相色谱中，增大r21最有效的手段是改变固定相，选择合适的固定相种类是解决分离问题的关键,4.气相色谱法的定性定量方法,1.定性分析：,利用保留值定性的方法 :,各物质在一定的色谱条件下均有确定不变的保留值，因此保留值可作为定性指标。,利用加入纯物质以增加峰高的定性方法,在试样中加入纯物质，如果某一组分的峰高增加,则表明该组分与加入的纯物质相同.,应用范围：适用于简单混合物，对该样品已有了解并具有纯物质的情况。 优点：应用简便，不需要其他仪器。 缺点：定性结果的可信度不高。 提高可信度的方法：双柱定性,(2) 与其它仪器联用定性 混合物经色谱分离后，将各组分直接由接口导入其它仪器中进行定性。常用的联用方法有：GC-MS、GC-FTIR其它仪器相当于色谱仪的检测器。 使用范围：复杂样品的定性。 优点：不需要标准物，定性结果可信度高，操作方便。 缺点：需要特殊仪器或设备。,2.定量分析的方法,(1) 定量依据 :,定量校正因子 -单位峰面积相当的物质量,(2) 定量分析需要解决的问题 :,1) 峰面积(Ai)的测定,2) 求出定量校正因子,3) 选择合适的方法计算组分含量,响应值，灵敏度,Ai = Simi,峰面积的测量与计算,积分仪或色谱工作站 简便、速度快，精度高，可达0.2-2%，对小峰及不对称峰的结果准确。 手动测量与计算,2）定量校正因子的获得方法,绝对定量校正因子（fi）,指单位峰面积相当的物质量,相对定量校正因子（fi）,下标 s： 标准物 下标 i： 被测物,ms 和 mi 准确称取的量（已知）,As 和 Ai 色谱图上测得的值,（4）定量分析方法,归一化法 内标法 外标法,3）计算组分含量的几种方法,归一化法,应用范围：当试样中各组分都能流出色谱柱，且在色谱图上都显示色谱峰，各组分峰没有重叠时，可用此法。,3）计算组分含量的几种方法,归一化法,推导 ：,优点：简便、准确，当操作条件如进样量等变化时，对定量结果影响很小，该法适合于常量物质的定量。 缺点：对该法的苛刻要求限制了它的使用。,若各组分的定量校正因子相近或相同，则上式可简化为：,内标法,适用范围：当只需测定试样中某几个组分，且试样中所有组分不能全部出峰时可用。,内标法,推导 将一定量的纯物质作为内标物，加入到准确称量的试样中。,优点：受操作条件的影响较小，定量结果较准确，使用上不象归一化法那样受到限制。 缺点：每次分析必须准确称量试样和内标物，不适合于快速分析。,外标法,适用条件 ：,大批量试样的快速分析,具体方法：,取被测试样的纯物质，制成一系列不同浓度的标准系列，经色谱分析，测得相应的峰面积，作AiCi%的工作曲线图。在相同条件下，测定试样，得出Ai由标准曲线上查出相应的Ci% 。,评价 ：,不使用校正因子，准确度高。要求操作条件稳定,进样量复性好,否则对分析结果影响较大。,单点校正,当试样中待测组分的浓度变化范围不大时而用单点校正法。 即配制一个与被测组分浓度十分接近的标准溶液，定量进样，计算被测物的浓度。,5.气相色谱的固定相,(1)气-固色谱固定相 表面具有活性的吸附剂,(2)气-液色谱担体+固定液,担体,提供一个大的惰性表面,承载固定液.。,3）热稳定性好，有一定的机械强度,1）多孔性，表面积大，颗粒及孔径均匀,2）表面化学惰性，无吸附和催化性能,非硅藻土型担体,硅藻土型担体,固定液,要求:,1）操作温度下，呈液态，粘度低；,2）挥发性小，热稳定性高；,3）能牢固地吸附在担体表面，形成均匀和结构稳定的薄层；,4）化学稳定性好，对组分有适当的溶解能力，并具有高选择性。,一般是高沸点有机物,固定液的极性：,固定液的极性大小，关系到各组分在其的溶解能力。,极性的表示方式：,一般用相对极性（P）表示固定液的极性大小,0-20 + +1 20-40 + +2 40-60 + +3 60-80 + +4 80-100 + +5,P 极性,弱极性,中等极性,强极性,固定液的选择：,一般是根据“相似相溶”的原则进行，即固定液与被测物组分在性质上有某些相似时，其溶解度就大，即作用力大，保留时间越长。,固定液的选择：,“相似相溶” 的原则,非极性固定液,按沸点由低至高出峰,极性固定液,按极性由小至大出峰,中等极性 固定液,先非极性，后极性出峰,氢键型固定液,按氢键由弱至强出峰,特殊固定液,检测器按响应特性分类: 浓度型检测器： 测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测信号值与组分的浓度成正比。 质量型检测器： 测量的是载气中某组分进入检测器的质量流速变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。,6.气相色谱的检测器,功能:,被色谱柱分离的各组分，按其物理和化 性质，转化为相应的电信号。,检测器性能评价指标,灵敏度（或响应值）S ： 在一定范围内，信号E与进入检测器的物质量m呈线性关系： E = S m S = E / m 单位： mV/（mg / cm3） ；（浓度型检测器） mV /（mg / s） ；（质量型检测器） S 表示单位量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。S值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就越高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（A）除以试样质量求得： S = A / m,2. 检测器 ：,热导池池体,热敏元件,由不锈钢制成,钨（铼钨）丝,参比臂:,连在进样器之前， 只允许载气通过。,测量臂:,连在色谱柱出口处， （载气+组分气）通过。,参比臂,测量臂,载气,载气+组分气,(1)热导池检测器 （TCD),基本原理:,不同的气体具有不同的导热系数,未进样: 热敏元件通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参R2=R测R1 a,b两端无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）。,进样后:,载气携带试样组分流过测量臂而这时参比臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，R参R测 则： R参R2R测R1,a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。 信号与载气中组分浓度成正比。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。,热导检测器操作条件的选择,桥流：桥流越大，灵敏度越高，但不能太大，否则热丝会烧断 载气种类：使用热导系数大的氢气、氦气作载气时灵敏度高 池体温度：温度低灵敏度高，但不能低于柱温,TCD的响应特性,通用型检测器 灵敏度较低，适合于大于几十ppm组分的测定 对卤化物、重金属酯响应较小 浓度型检测器 非破坏型检测器,结构 ：,+,-,(1) 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压构成一个外加电场。 (2) 氢焰检测器需要用到三种气体： N2 ：载气携带试样组分； H2 ：为燃气； 空气：助燃气。,(2) 氢火焰离子化检测器（FID ）：,工作原理 :,试样随载气进入氢气和空气燃烧的火焰,发生离子化反应,形成的离子在外加电场的作用下定向运动而产生微电流; 离子电流经高电阻放大转换为电压信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线.,在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。,FID操作条件的选择,气体流量 载气流量 ：根据色谱柱条件选取 氢气流量：用氮气作载气时，氢气与氮气的流量之比为1:1-1:1.5，此时不仅灵敏度高，且稳定性好。 空气流量：一般，氢气与空气流量之比为1:10。 气体纯度：要求高，对基线影响很大 使用温度：大于80,FID的响应特性,选择性检测器：对大多数有机物有响应，对无机物无响应，对含硫、卤素、氧、氮、磷的有机物响应很小。 质量型检测器 灵敏度高，一般比热导检测器高几个数量级，能检测ppb级物质，适合于痕量分析。 线性范围宽，在107以上。 结构简单、价格低廉。,其他检测器,电子捕获检测器,高选择性检测器， 仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g /mL， 对大多数烃类没有响应。,火焰光度检测器 该检测器是对含硫、磷化合物的高选择性检测器 化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400、550 nm 左右的光谱，可被检测；,2. 毛细管柱气相色谱法,毛细管气相色谱法的特点,可使用长的色谱柱。 总柱效高，分离复杂混合物的能力大为提高。 柱容量小，允许进样量小。 操作条件严格，要求柱外死体积小。,毛细管柱色谱系统,