气相色谱分析-中课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,气相色谱分析理论基础,气相色谱分析理论基础,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。,试样在色谱柱中的分离需要解决两个问题：,1.,试样各组分在两相间的分配,-,反映在各个色谱峰在柱后出现,的时间（保留值）上。,（,热力学因素控制，包括组分和固定液的结构和性质,）,2.,各组分在色谱柱中的运动情况,-,反映在半峰宽度上。,（,动力学因素控制，包括两相中的运动阻力，扩散,）,两种色谱理论：,塔板理论和速率理论。,二、色谱分离的基本理论,色谱理论需要解决的问题：试样在色谱柱中的分离需要解决两个问题,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，达到分配平衡的每一小段柱长为,理论塔板高度,（,H,）；,(2),将载气看作成脉动（间歇）过程；,(3),样品和载气均加在第,0,号塔板上，且,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。,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）,塔板理论,柱分离效能指标,塔板理论的假设：半经验理论塔板理论,色谱柱长：,L,虚拟的塔板间距离：,H,色谱柱的理论塔板数：,n,色谱峰越窄，塔板数越多，理论塔板高度越小，,柱效能越高,描述柱效能的指标,理论塔板数与色谱参数之间的关系为：,用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。,三者的关系为：,n,=,L,/,H,色谱柱长：L色谱峰越窄，塔板数越多，理论塔板高度,组分在,t,M,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：,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。需引入有效塔板数和有效塔,(1),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。它成功,解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的,t,R,阐明了保留值与,K,的关系,评价柱效（,n,，,）,(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量柱效能的指标时，应指明测定物质。,(3),做出了四个与实际不相符的假设，忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程。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),排除了一个重要参数,流动相的线速度,u,，因而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。,塔板理论的特点和不足,(1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H,1),速率方程（也称范弟姆特方程式）：,吸收了塔板理论的概念，结合了影响塔板高度的动力学因素,减小,A,、,B,、,C,三项可提高柱效；,2.,速率理论,(rate theory),影响柱效的因素,存在着最佳流速；,A,、,B,、,C,三项各与哪些因素有关？,1)速率方程（也称范弟姆特方程式）：吸收了塔板理论的概念，,A,=2,d,p,d,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,d,p,，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。,涡流扩散项,A,的大小，与填充物的平均颗粒直径,dp(,单位为,cm),有关，也与固定相填充不均匀因子,有关,注：颗粒太小，柱压过高且不易填充均匀。,A,涡流扩散项,空心毛细管柱（,0.10.5mm,），,A=0,，,n,理,较高,A=2dp 固定相颗粒越小dp，填充的越均,：因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因素,-,弯曲因子,D,g,：试样组分在气相中的扩散系数（,cm,2,s,-1,）,B/u,分子扩散项，也称纵向扩散项,(1),存在着浓度差，产生纵向扩散（产生原因）,;,(2),扩散导致色谱峰变宽，,H,(,n,),，分离变差,;,(3),分子扩散项与流速有关，流速,，滞留时间,，扩散,;,(4),扩散系数：,D,g,(,M,载气,),-1/2,；,M,载气,，,B,值,。,：因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因素-弯曲因,被测组分由于浓度不均匀而发生物质迁移过程，称为传质过程，传质过程所遇到的阻力，称为传质阻力。传质阻力系数,C,包括气相传质阻力系数,C,g,和液相传质阻力系数,C,L,即：,C,=,（,C,g,+,C,L,）,Cu,传质项,被测组分由于浓度不均匀而发生物质迁移过程，称为传质,气相传质阻力系数,(C,g,),气相传质阻力就是组分分子从气相到气液两相界面进行传质交换时的阻力。,传质阻力系数,C,g,的大小，与填充物的平均颗粒直径,d,p,(,单位为,cm),、组分在气体中的扩散系数,D,g,和分配比,k,有关,气相传质阻力系数(Cg)气相传质阻力就是组分分子从气相到气,k,为容量因子；,D,g,、,D,l,为扩散系数；,d,f,为固定相的液膜厚度,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,液相传质过程是组分从固定相的气,液界面扩散到液相内部，然后又从液相内部扩散到气液两相界面的质量转移过程。,C,L,的大小与分配比,k,、固定相液膜的厚度,d,f,、组分在液相的扩散系数,D,L,有关：,k为容量因子；Dg、Dl为扩散系数；df为固定相,对于填充柱，气相传质项数值小，可以忽略。,将常数项的关系式代入简化式得：,范弟姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。,对于填充柱，气相传质项数值小，可以忽略。范弟姆特方程式对于,A,，,B,u,，,C,u,越小，柱效率越高。改善柱效率的因素有如下几点：,(1),选择颗粒较小的均匀填料。,(2),在固定液保持适当粘度的前提下，选用较低的柱温操作。,(3),用最低实际浓度的固定液，降低担体表面液层的厚度。,(4),选用合适的载气：流速较小时，分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素，宜用相对分子质量较大的载气；流速较大时，传质项为控制因素，宜用相对分子质量较小的载气。,(5),选择最合适的载气流速。,讨论,A，Bu，Cu越小，柱效率越高。改善柱效率的因素有如下几点,(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。,(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，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。,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,色谱分离条件的选择,色谱分离条件的选择,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。,难分离物质对的分离度大小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。,色谱分离中的四种情况,一、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离程,色谱分离中的四种情况的讨论：,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，分离效果很差。,色谱分离中的四种情况的讨论：柱效较高，K(分配系数,分离度,R,定义为两相邻组分保留时间之差与两峰底宽度和之半的比值：,分离度,R,综合反映了色谱柱的选择性与柱效能的影响，是色谱柱总分离效能指标。,分离度的定义：,分离度R定义为两相邻组分保留时间之差与两峰底宽度和之半的比,分离程度为,98.7,分离程度为,99.7,一般用,R,1.5,作为完全分开的标志。,不能分离,不同分离度时色谱峰分离的程度,分离程度为98.7分离程度为99.7一般用R1.5作为,R,与,R,/,的物理意义是一致的，但是数值不一样,若两组分分离效果较差，两色谱峰的峰底将相互重叠，测量两色谱峰各自的峰底宽不容易，这时可用,半峰宽,代替峰底宽,(Y),计算分离度。,R与R/的物理意义是一致的，但是数值不一样若两组分分离效果较,为了说明理论塔板数,n,、分配比,k,怎样影响到分离度的大小，在合理假设（,Y,1,=Y,2,=Y,，,k,1,=k,2,=k),下，色谱分离基本方程式将理论塔板数,n,、分配比,k,、相对保留值,和分离度,R,及联系起来：,二、色谱分离基本方程式,为了说明理论塔板数n、分配比k怎样影响到分离度的大小,前提,定义式基础上，相邻两组分的,n,一致（假设）,柱选择项,柱容量项,柱效项,1.,影响分离度的因素,前提定义式基础上，相邻两组分的n一致（假设）柱选择项柱,分离度与柱效,n,的平方根成正比，,一定时，增加柱效，可提高分离度。增加,n,的方法可以通过增加柱长或减少,H,值来实现。但增加柱长使组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。所以一般采用减少,H,值来实现。,2.,讨论：,对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即,(1),分离度与柱效柱长的关系,分离度与柱效n的平方根成正比，一定时，增加柱效，可提高,当,k,10,时，随容量因子增大，分离度的增长是微乎其微的。一般取,k,为,2-10,最宜。,对于,GC,，通过提高温度，可选择合适的,k,值，以改进分离度。,而对于,LC,，只要改变流动相的组成，就能有效地控制,k,值。它对,LC,的分离能起到立竿见影的效果,(2),分离度与容量因子的关系,当k10时，随容量因子增大，分离度的增长,增大,是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当,增加一倍，需要的,n,有效,减小,10000,倍。,(3),分离度与柱选择性的关系,增大,的最有效方法是选择合适的固定液，使各组分的分配系数有较大差别。,气相色谱中，柱选择性取决于固定相性质和柱温,一般说，降低柱温可以增大柱的选择性,增大是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下,k,影响峰位,n,影响峰宽窄,影响两峰间距,容量因子、柱效及分配比对分离度的影响,k 影响峰位n 影响峰宽窄影响两峰间距容量因子、柱效及分配,在一定条件下，两个组分的保留时间分别为,12.2 s,和,12.8 s,，计算分离度。要达到完全分离，即,R,=1.5,，所需要的柱长。已知,n=3600,，,L=1 m,。,分离度,：,解：因,例题：,在一定条件下，两个组分的保留时间分别为12.2 s,1.,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。,载气流速较小时，纵向扩散项起主要作用，采用较大摩尔质量的载气，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,H,2,，,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敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。,在选择载气时，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。,三、分离操作条件的选择,1.载气种类的选择三、分离操作条件的选择,H,-,u,曲线与最佳流速：,由于流速对,B/,和,C,这两项完全相反的作用，因而使得流速对柱效的总影响存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有,一极小值,。,以塔板高度,H,对应载气流速,u,作图，曲线最低点的流速即为,最佳流速,。在曲线的最低点，塔板高度,H,最小，柱效最高，其相应的流速是最佳流速。,2.,载气流速的