第二章 气相色谱分析

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,*,第二章 气相色谱分析,为什么用气相色谱,If you can do it by GC,You should do it by GC.,-,H.M.McNair,如果你能用气相色谱完成，你就应该用气相色谱完成。,气相色谱可分析的有机物占目前发现总有机物的,15,20,。,应用范围：挥发温度,500,热稳定性好,相对分子量,400,气相色谱系统,检测器,进样器,色谱柱,GAS,气源,柱温箱,数据处理,2-1,气相色谱法概述,色谱法,(chromatography),：以试样,组分在固定相和流动相间的,溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异,为依据,而建立起来的各种,分离分析方法,称色谱法。,色谱柱：,进行色谱分离用的细长管。,固定相：,（,stationary phase,）,管内保持固,定、起分离作用的填充物。,流动相：,（,mobile phase,）,流经固定相的空隙,或表面的,冲洗剂,。,按固定相的几何形式分类：,1.,柱色谱法，,2.,纸色谱法，,3.,薄层色谱法,。,按两相所处的状态分类,：,气相色谱法,液相色谱法,气,-,固,色谱法,液,-,固,色谱法,气,-,液,色谱法,液,-,液,色谱法,色谱过程示意图,待分离组分 ，和,载气,A,B,C,D,气相色谱仪通常由五部分组成：,载气系统：气源、气体净化器、供气控,制阀门和仪表。,进样系统：进样器、汽化室。,分离系统：色谱柱、控温柱箱。,检测系统：检测器、检测室。,记录系统：放大器、记录仪、,色谱工作站。,图,1,、色谱过程 图,2,、色谱图,A,B,K,A,K,B,色谱图,（,chromatogram,）,：,试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中,各组分浓度变化转变为相应的电信号,，,由记录仪所记录下的,信号,时间曲线,或,信号,流动相体积曲线,，称为,色谱流出曲线,.,色谱图界面,色谱流出曲线及有关术语,相关术语：,基线：,在操作条件下，仅有,纯流动相,进,入检测器时的流出曲线。,峰高与峰面积：,色谱峰顶点与峰底之间的,垂直距离称为峰高,(peak height),。,用,h,表示。,峰与峰底之间的面积称为峰面积,(peak area),，,用,A,表示。,峰的区域宽度：,a,、峰底宽,W,D,=4=1.70 W,h/2,b,、半高峰宽,W,h/2,=2.355,c,、标准偏差,峰宽,W,0.607h,=2,保留值,:,1),保留时间,：,从,进样至被测组分出现浓度最大值,时所需时间,t,R,。,2),保留体积：从,进样至被测组分出现最大浓度,时,流动相通,过的体积，,V,R,。,死时间：,不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间,(dead time),，,t,M,。,死体积,:,不被固定相滞留的组分,，从,进样至出现浓度最大值时流动相通,过的体积称为死体积,(dead volume),，,V,M,。,（,F,0,为柱尾载气体积流量）,V,M,=,t,M,F,0,调整保留值,:,1),调整,保留时间：扣除死时间后的保留时间。,t,R,=t,R,t,M,2,),调整,保留体积：扣除死体积后的保留体积。,V,R,=V,R,V,M,或,V,R,=t,R,F,0,相对保留值（,relative retention,）,在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用,r,i,，,s,表示,色谱分析的实验依据：,、根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定性分析。,2,、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。,3,、根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价。,由此可知：相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。当,r,i,，,s,=1,时两个组分不能分离。,思考题：请简述气相色谱仪的主要构成部分有哪些？,组分在固定相中的浓度,组分在流动相中的浓度,2-2,气相色谱分析理论基础,一、分配平衡的几个参数：,1,、分配系数,组分一定时，,K,主要取决于固定相性质,组分及固定相一定时,温度增加,K,减小,试样中的各组分具有不同的,K,值是分离的基础,选择适宜的固定相可改善分离效果,影响,K,的因素,固定相,温度,2,分配比,(,容量因子,),k,组分在固定相中的质量,组分在流动相中的质量,c,s,、,c,m,分别为组分在固定相和流动相的浓度,(g/ml),；,V,m,为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积，,V,s,为色谱柱中固定相的体积,3,、分配系数,和分配比之间的关系,分配系数,K,与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。,容量因子,k,决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关。,K,与,k,都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数。,K,与,k,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。,k,可直接从色谱图上获得。,理论上可以推导出：,Phase ratio(,相比，,b,):,V,M,/V,S,反映各种色谱柱柱型及其结构特征,填充柱（,Packing column,）,:635,毛细管柱（,Capillary column,）,:501500,色谱柱类型,柱长（米）,内径（毫米）,.5-10,2-4,5-100,.530,5-100,.1-.25,填充柱,530,系列柱,细孔径柱,填充柱,开管柱（毛细管柱）,壁涂,开管柱,GCTECH 2-05,Analytical Training Center,二、色谱分离的基本理论,1,、塔板理论（,Martin and Synge 1941,）,塔板理论认为，一根柱子可以分为,n,段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。设柱长为,L,，,理论塔板高度为,H,，,则,H=,L/n,式中,n,为理论塔板数。,理论塔板数（,n,）可根据色谱图上所测得的保留时间（,t,R,）,和峰底宽（,w,）,或半峰宽（,w,h/2,）,按下式,推算,：,或,1,塔板理论柱分离效能指标,*k,=1,塔板号,载气塔板体积数,0,1,2,3,4,柱出口,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,1,0.5,0.25,0.125,0.063,0.032,0.016,0.008,0.004,0.002,0.001,0,0,0,0,0,0,0,0.5,0.5,0.375,0.25,0.157,0.095,0.056,0.032,0.018,0.010,0.005,0.002,0.001,0,0,0,0,0,0.25,0.375,0.375,0.313,0.235,0.165,0.111,0.072,0.045,0.028,0.016,0.010,0.005,0.002,0.001,0.,0,0,0.125,0.25,0.313,0.313,0.274,0.22,0.166,0.094,0.070,0.049,0.033,0.022,0.014,0.008,0,0,0,0,0.063,0.157,0.235,0.274,0.274,0.247,0.207,0.151,0.110,0.08,0.057,0.040,0.027,0,0,0,0,0,0.032,0.079,0.118,0.138,0.138,0.124,0.104,0.076,0.056,0.040,0.028,0.020,理论塔板数,理,论,塔,板,高,度,色谱柱长度,柱效能指标,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。,有效塔板数,有效板高,通常,用有效塔板数（,n,eff,）,来评价柱的效能比较符合实际。,n,eff,越大或,H,eff,越小，则色谱柱的柱效越高。,n,=,1+k,k,2,n,eff,2,速率理论影响柱效的因素,速率理论认为,（,J.J.Van,Deemter,1956),，,单个组分粒子,在色谱柱内固定相和流动相间要发生,千万次转移,，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是,随机的,，在柱中随流动相前进的速度是不均一的。,流动相,线速度,范弟姆特方程,A,项为,涡流扩散项,；,B/u,项,为分子扩散项,；,Cu,为,传质项,，,u,为载气线速度，单位为,cm/s,。,1),涡流扩散项,A,固定相颗粒越小，填充的越均匀,A,越小，,H,越小，柱效越高，色谱峰越窄。,2),分子扩散项,B,/,u,(,纵向扩散项,),流动相,柱内谱带构型,相应的响应信号,产生原因：,浓度梯度,影响因素：,流动相流速；,气体扩散系数,3),传质阻力项,Cu,气相传质阻力,固定相颗粒越小，载气分子量越小,气相传质阻力越小,液相传质阻力,固定液粘度及液膜厚度越小,液相传质阻力越小,4),流动相线速度对板高的影响,2-3,色谱分离条件的选择,一、分离度（,resolution,）,相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比，用,R,表示。,分离度可以用来作为衡量色谱峰分离效能的指标。,R,越大，表明两组分分离效果越好,保留值之差取决于固定液的热力学性质,色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素,及柱效能高低,对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰：,R=1,分离程度为,98%,；,R=1.5,，分离程度可达,99.7%,。,所以,R=1.5,时可认为色谱峰已完全分开。,二、色谱分离关系式,设两相邻峰的峰宽相等，即,w,1,=w,2,，,则,又知,另,称为柱效项；,称为柱选择项；,容量因子项。,相对保留因子,与柱效的关系（柱效因子）,与容量因子的关系,R n,1/2,增加柱长,减小塔板高度,限制：,L,过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。,使用性能优良的色谱柱，并选择最佳分离条件,k,值增大，有利于分离，但,k,10,时，对,R,的增加不明显，也会显著增加分析时间,k,的最佳范围：,1 10,与柱选择性的关系,分离度、柱效、柱选择性的关系,r,2,1,越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。,L=,16R,2,H,有效,a,a,-1,2,=n,有效,H,有效,例题：,设有一对物质，其,r,2,1,=,=1.15,要求在,H,eff,=0.1cm,的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？,解：要实现完全分离，,R1.5,故所需有效理论塔板数为：,使用普通色谱柱，有效塔板高度为,0.1cm,故所需柱长应为：,分离度与,k,、,n,及,的关系,k,从,1,增加到,3,，,R,增加到原来的,1.5,倍,(,k,:2-7),n,增加到原来的,3,倍,，,R,增加到原来的,1.7,倍,从,1.01,增加到,1.1,，,增加约,9,，,R,增,加到原来的,9,倍,结论,选择合适的固定相,(,流动相,),以增加,是改善分离度最有效的方法,1),各组分的分配系数必须不同。这一条件通过选择合适的固定相来实现。,2),区域扩宽的速度应小于区域分离的速度，即色谱柱的柱效要高。,3),在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。,使试样中的不同组分分离需要满足的条件,例,1,：,有一根,l m,长的柱子，分离组分,1,和,2,得到如下色谱图。图中横坐标,l,为,记录笔走纸距离。若欲得到,R=1.2,的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？,解法,1,R,=1.2,1),2),解法,2,1),同解法,1,2),三、色谱条件的选择,1,、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关）,实际工作中，为了缩短分析时