页数：55页文件大小：2.37 MB来源： 分析化学ppt课件
本课件系统讲解色谱分析法，从发展历史与分类入手，说明固定相、流动相与色谱柱等基本概念，阐述分配系数与色谱分离基本原理，并展开气相色谱分析流程、固定相选择、分离操作条件与定性定量方法。
11.1概述20世纪中期,大量采用一些经典的分离方法:沉淀、蒸馏和萃取现代分析中,大量采用色谱和电泳分离方法。
迄今为止,色谱方法是最为有效的分离手段!其应用涉及每个科学领域。
11.1.1历史:1903年,俄国植物学家MikhailTswett最先发明。
他采用填充有固体CaCO3细粒子的玻璃柱,将植物色素的混合物(叶绿素和叶黄素加于柱顶端,然后以溶剂淋洗,被分离的组份在柱中显示了不同的色带,他称之为色谱(希腊语中“chroma”=color;
“graphein”=write)。
50年代,色谱发展最快(一些新型色谱技术的发展;
复杂组分分析发展的要求。
1937-1972年,15年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的!第十一章气相色谱法
11.1.2 概念固定相;
在色谱法中,将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相(固体或液体)流动相:自上而下运动的一相(一般是气体或液体)色谱柱: 装有固定相的管子(玻璃管或不锈钢管)11.1.3色谱分离基本原理:使用外力使含有样品的流动相(气体、液体或超临界流体)通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。
样品中各组份在两相中进行不同程度的作用。
与固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢,反之,与固定相作用弱的组份随流动相流出的速度快。
由于流出的速度的差异,使得混合组份最终形成各个单组份的“带(band)”或“区(zone)”,对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。
分配系数K分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次的分配过程,而吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附-脱附过程。
这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述,而描述这种分配的参数称为分配系数K。
它是指在一定温度和压力下,组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值,即K=溶质在固定相中的浓度/溶质在流动相中的浓度=Cs/Cm
混合组分的分离过程及检测器对
本页以图示、公式或曲线为主，源文件提取到的文字较少：混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应
按两相状态分
本页以图示、公式或曲线为主，源文件提取到的文字较少：按两相状态分
第二节气相色谱固定相在介绍色谱仪器时,我们提到色谱分离系统是色谱仪器中最为灵魂的部分,而其中分离柱中固定相组成与性质更是直接与分离效能有关。
气相色谱柱可分为两类:1)用于气固色谱的固定相:固体吸附剂;
2)用于气液色谱的固定相:固定液+载体。
11.2.1气固色谱固定相——固体吸附剂该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。
主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。
1.常用固体吸附剂
2.固定液及其选择对固定液的要求:a)热稳定性好、蒸汽压低——流失少;
b)化学稳定性好——不与其它物质反应;
c)对试样各组分有合适的溶解能力(分配系数K适当);
d)对各组分具有良好的选择性。
固定液与组分的作用力:a)色散力——非极性分子之间(瞬时偶极之间静电吸引);
b)诱导力——极性与非极性分子之间(偶极与瞬时偶极之间静电吸引);
c)取向力——极性与极性分子之间(偶极与偶极之间静电吸引)d)氢键力——强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引,亦属取向力。
前三种统属范德华力,后者属特殊范德华力。
3.固定液的选择固定液的特性是指其极性和选择性。
极性的表示方法(i)相对极性P:规定非极性固定液角鲨烷的极性为0,强极性固定液·,·-氧二丙腈的极性为100,以物质对正丁烷-丁二烯或环已烷-苯在角鲨烷、·,·-氧二丙腈及待测固定液上分离得到相对保留值,并取对数:从下列公式求得待测固定液的相对极性Px:其中q1,q2,qx分别表示物质对在角鲨烷、·,·-氧二丙腈和待测固定液的相对保留值。
Px在0~100之间,每20单位为一级,即将极性分为5级:0,+1(非极性);
+1,+2(弱极性);
+3(中等极性;
+4,+5(强极性)(ii)固定液特性常数·I:包括罗氏常数麦氏常数。
此处介绍略
从色谱流出曲线中,可得许多重要信息:(i)根据色谱峰的个数,可以判断样品中所含组分的最少个数;
(ii)根据色谱峰的保留值,可以进行定性分析;
(iii)根据色谱峰的面积或峰高,可以进行定量分析;
(iv)色谱峰的保留值及其区域宽度,是评价色谱柱分离效能的依据;
(v)色谱峰两峰间的距离,是评价固定相(或流动相)选择是否合适的依据。
响应信号保留时间t
本页以图示、公式或曲线为主，源文件提取到的文字较少：1.0响应信号保留时间t, min11.3.2 色谱柱性能
一。
.塔板理论(Platetheory)1952年,Martin等人提出的塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔,用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。
塔板是从精馏中借用的,是一种半经验理论,但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。
塔板理论假定:1)塔板之间不连续;
2)塔板之间无分子扩散;
3)组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡,达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H;
4)某组分在所有塔板上的分配系数相同;
5)流动相以不连续方式加入,即以一个一个的塔板体积加入。
当塔板数n较少时,组分在柱内达分配平衡的次数较少,流出曲线呈峰形,但不对称;
当塔板数n>50时,峰形接近正态分布。
根据呈正态分布的色谱流出曲线可以导出计算塔板数n的公式,用以评价一根柱子的柱效。
由于色谱柱并无真正的塔板,故塔板数又称理论塔板数:可见理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。
若柱长为L,则每块理论塔板高度H为由上述两式知道,理论塔板数n越多、理论塔板高度H越小、色谱峰越窄,则柱效越高。
但上述两式包含死时间t0,它与组分在柱内的分配无关,因此不能真正反映色谱柱的柱效。
通常以有效塔板数neff和有效塔板高度Heff表示:
2.速率理论(Ratetheory)1956年,荷兰化学工程师vanDeemter提出了色谱过程动力学速率理论:吸收了塔板理论中的板高H概念,考虑了组分在两相间的扩散和传质过程,从而给出了vanDeemter方程:u为流动相线速度;
A,B,C为常数,其中A—分别表示涡流扩散系数;
B—分子扩散系数;
C—传质阻力系数(包括液相和固相传质阻力系数)。
该式从动力学角度很好地解释了影响板高(柱效)的各种因素!任何减少方程右边三项数值的方法,都可降低H,从而提高柱效。
涡流扩散项(Multipathterm,A)在填充柱中,由于受到固定相颗粒的阻碍,组份在迁移过程中随流动相不断改变方向,形成紊乱的“涡流”:从图中可见,因填充物颗粒大小及填充的不均匀性——同一组分运行路线长短不同——流出时间不同——峰形展宽。
展宽程度以A表示:A=2·dp其中dp—填充物平均直径;
—填充不规则因子。
可见,使用细粒的固定相并填充均匀可减小A,提高柱效。
对于空心毛细管柱,无涡流扩散,即A=0。
流动方向
分子扩散项(Longitudinaldiffusionterm,B/u)纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。
当样品被注入色谱柱时,它呈“塞子”状分布。
随着流动相的推进,“塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散,使谱峰展宽。
其大小为B=2·D·—称为弯曲因子,它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况;
D—组分在流动相中的扩散系数。
组份为气体或液体时,分别以Dg或Dm表示;
讨论:·分子量大的组分,Dg小,即B小·Dg随柱温升高而增加,随柱压降低而减小;
流动相分子量大,Dg小,即B小;
u增加,组份停留时间短,纵向扩散小;
(B/u)·对于液相色谱,因Dm较小,B项可勿略。
球状颗粒;
大分子量流动相;
适当增加流速;
短柱;
低温。
传质阻力项(Mass-transferterm,Cu)因传质阻力的存在,使分配不能“瞬间”达至平衡,因此产生峰形展宽。
气相色谱以气体为流动相,液相色谱以液体为流动相,二者传质过程不完全相同。
下面分别作讨论。
a)气液色谱:传质阻力项C包括气相传质阻力系数Cs和液相传质阻力系数Cl。
流动相固液界面固定液组分分子ClCg讨论:·减小填充颗粒直径dp;
采用分子量小的流动相,使Dg增加;
减小液膜厚度df,Cl下降。
但此时k又减小。
因此,当保持固定液含量不变时,可通过增加固定液载体的比表面来降低df。
但比表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。
增加柱温,可增加Dl,但k值也减小,为保持合适Cl值,应控制柱温。
三、分离度(Resolution,R)同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。
也称总分离效能指标或分辨率。
其定义为:利用此式,可直接从色谱流出曲线上求出分离度R。
R越大,相邻组分分离越好。
当R=1.5时,分离程度可达99.7%,因此R=1.5通常用作是否分开的判据。
第四节色谱分离操作条件的选择各项因素对板高H的影响图中曲线的最低点,塔板高度最小,柱效最高,所以该点对应的流速即为最佳流速。
H净影响CuB /uA当u值较小时,分子扩散项B/u将成为影响色谱峰扩张的主要因素,此时,宜采用相对分子质量较大的载气(N2、Ar),以使组分在载气中有较小的扩散系数。
当u较大时,传质项Cu将是主要控制因素。
此时宜采用相对分子质量较小,具有较大扩散系数的载气(H2、He),以改善气相传质。
最佳线速和最小板高可以通过H = A + B / u + C u进行微分后求得。
上图的虚线是速率理论中各因素对板高的影响。
比较各条虚线可知,当u值较小是,分子扩散项B/u将成为影响色谱峰扩张的主要因素,此时,宜采用相对分子质量较大的载气(N2、Ar),以使组分在载气中有较小的扩散系数。
另一方面,当u较大时传质项Cu将是主要控制因素。
此时宜采用相对分子质量较小,具有较大扩散系数的载气(H2、He),以改善气相传质。
当然,还须考虑与所用的检测器相适应。
二、柱温的选择柱温是一个重要的色谱操作参数,它直接影响分离效能和分析速度。
柱温不能高于固定液的最高使用温度,否则会造成固定液大量挥发流失。
某些固定液有最低操作温度。
一般地说,操作温度至少必须高于固定液的熔点,以使其有效地发挥作用。
降低柱温可使色谱柱的选择性增大,但升高柱温可以缩短分析时间,并且可以改善气相和液相的传质速率,有利于提高效能。
所以,这两方面的情况均需考虑。
在实际工作中,一般根据试样的沸点选择柱温、固定液用量及载体的种类。
对于宽沸程混合物,一般采用程序升温法进行。
三、柱长和内径的选择由于分离度正比于柱长的平方根,所以增加柱长对分离是有利的。
但增加柱长会使各组分的保留时间增加,延长分析时间。
因此,在满足一定分离度的条件下,应尽可能使用较短的柱子。
增加色谱柱的内径,可以增加分离的样品量,但由于纵向扩散路径的增加,会使柱效降低。
毛细管柱的发明使得气相色谱分析发生了革命性的变化!50年代初,主要进行填充柱的理论和应用研究,并开始进行非填充柱(内径为十分之几毫米)的理论可行性研究。
1956年Golay正式提出了非填充柱(空心柱)的理论并制作出效率极高毛细管柱;
次年发表了该研究论文。
50年代后期,一些研究人员都制成了各类毛细管柱,经测定,一些毛细管的理论塔板数可达到300,000!然而,自毛细管柱发明以来,20多年都没有广泛应用,主要是因为:1)柱容量小;
2)柱强度小;
3)样品引入及管与检测器的连结问题;
3)固定液涂渍的重现性不好;
4)寿命短;
5)柱易堵塞;
6)专利1977年才过期。
70年代后期,以上问题大多得到解决,毛细管柱的应用越来越多。
1987年,荷兰ChrompackInter.Coporation制成了世界最长、理论塔板数最多的熔融石英毛细管柱(2100m长,内径0.32mm,内壁固定液厚度0.1·m,理论塔板数超过3,000,000)并被载入吉力斯世界记录。
第五节毛细管气相色谱法
二、毛细管柱
1.分类填充型:先在玻璃管内填充疏松载体,再拉制成毛细管,最后再涂渍固定液。
开管型:按固定液涂渍方法不同,可分为(i)涂壁开管柱(Wall-coatedopentubular,WCOT)·管内壁经处理后,直接涂渍固定液;
管内壁经处理后,将固定液引入到管壁,再经高温处理,使其交联(Cross-lined)至管壁——高效、耐高温、抗溶剂冲刷。
管内壁经处理后,将固定液以化学键合(Bonded)的方式引入到管壁或预先涂渍的硅胶上——高热稳定性。
(ii)载体涂渍开管柱(SCOT):管内壁经处理后,先涂载体,再涂固定液——液膜厚,因而柱容量大。
(iii)多孔层开管柱(Porouslayercoatedopentubular,PLOT)管内壁涂渍一层多孔吸附剂颗粒,不涂固定液,实际上是毛细管气固色谱柱。
以上开管柱玻璃材料已被外涂聚酰亚胺保护层的熔融石英管(含金属氧化合物少、管壁更薄,因而不与待测物作用、柔韧性好、强度高、更易弯曲)所取代。
此外,现在也发展了一种大口径开管柱(Megaborecolum,0.53mmi.d.),可容许更大样品量(类似于填充柱),尽管柱效低些,但大大高于填充柱。
毛细管气相色谱图(分别涂渍不同的固定相, 温度为最高使用温度)聚乙烯醇(Carbonwax 20M, 250oC)50%聚氰丙基-二甲基硅氧烷(OV-275, 240oC)聚二甲基硅烷(OV-1, SE-30, 350oC)5%苯甲基二甲基硅氧烷(OV-3, SE-52, 350oC)50%聚苯甲基二甲基硅氧烷, OV-17, 250oC)50%聚(三氟丙基-甲基)硅氧(OV210, 200oC)葡萄籽油血液中酒精氯代芳烃醇类有机碱胆固醇
2.毛细管柱特点(i)渗透性好:可使用较长的色谱柱;
(ii)相比率大:分配快,有利于提高柱效;
加上保留因子k小,渗透性好,因而分析速度快;
(iii)柱容量小:因而进样量小。
需采用分流技术并使用更高灵敏度的检测器;
(iv)总柱效高:尽管毛细管柱效比填充柱大,但仍处于同一数量级。
但毛细管柱长很大,因而总柱效高。
毛细管GC与其它仪器联用
本页以图示、公式或曲线为主，源文件提取到的文字较少：3.毛细管GC与其它仪器联用1)GC-MS接口图离子阱
空气水HCN乙醇乙醛未知乙腈丙酮未知CS2未知未知苯甲苯苯的质谱图M/z=78色谱总离子流图,TIC化学灭火器扑灭燃烧的布料后的气体样品
6.1热导检测器(TCD)TCD是一种应用较早的检测器,又称导热析气计(Katharometer)。
现在仍在广泛应用。
原理:由于不同气态物质所具有的热传导系数不同,当它们到达处于恒温下的热敏元件(如Pt,Au,W,半导体)时,其电阻将发生变化,将引起电阻变化通过某种方式转化为可以记录的电压信号,从而实现其检测功能。
构成:由池体和热敏元件构成。
通常将参比臂和样品臂组成Wheatstone电桥。
如图。
单臂四臂柱前柱前柱后柱后AB第六节气相色谱检测器
2.火焰离子化检测器(FID)又称氢焰离子化检测器。
主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。
原理:含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子,在电场作用下形成离子流,根据离子流产生的电信号强度,检测被色谱柱分离的给分。
结构:主体为离子室,内有石英喷嘴、发射极(极化极,此图中为火焰顶端)和收集极。
工作过程:来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧,产生电子和离子碎片,这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下(几百伏)形成电流,经放大后测量电流信号(10-12A)。
3.电子捕获检测器(ECD)ECD主要对含有较大电负性原子的化合物响应。
它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。
原理及工作过程:从色谱柱流出的载气(N2或Ar)被ECD内腔中的·放射源电离,形成次级离子和电子(此时·电子减速),在电场作用下,离子和电子发生迁移而形成电流(基流)。
当含较大电负性有机物被载气带入ECD内时,将捕获已形成的低速自由电子,生成负离子并与载气正离子复合成中性分子,此时,基流下降形成“倒峰”。
63Ni或3HUU过高,电子速度快,不易捕获通常为基流电压的2/3
4.火焰光度检测器(FPD)FPD对含S、P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。
因此,也称硫磷检测器。
主要用于SO2、H2S、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。
FPD结构:喷嘴+滤光片+光电管。
原理:待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物并发射特征分子光谱。
测量光谱的强度则可进行定量分析。
>滤光片放大器记录仪光电管石英窗H2Air载气+组分出口
第七节气相色谱定性鉴定方法由于各种物质在一定的色谱条件下均有确定的保留值,因此保留值可作为一种定性指标。
目前各种色谱定性方法都是基于保留值的。
但是不同物质在同一色谱条件下,可能具有相似或相同的保留值,即保留值并非专属的。
因此仅根据保留值对一个完全未知的样品定性是困难的。
(一)利用纯物质对照定性在一定的色谱条件下,一个未知物只有一个确定的保留时间。
因此将已知纯物质在相同的色谱条件下的保留时间与未知物的保留时间进行比较,就可以定性鉴定未知物。
若二者相同,则未知物可能是已知的纯物质;
不同,则未知物就不是该纯物质。
纯物质对照法定性只适用于组分性质已有所了解,组成比较简单,且有纯物质的未知物
(二)相对保留值法相对保留值αis 是指组分i与基准物质s调整保留值的比值αis= tri ·/ trS´= Vri·/ Vrs·它仅随固定液及柱温变化而变化,与其它操作条件无关。
相对保留值测定方法:在某一固定相及柱温下,分别测出组分i和基准物质s的调整保留值,再按上式计算即可。
第七节气相色谱定性鉴定方法用已求出的相对保留值与文献相应值比较即可定性。
通常选容易得到纯品的,而且与被分析组分相近的物质作基准物质,如正丁烷、环己烷、正戊烷、苯、对二甲苯、环己醇、环己酮等。
(三)加入已知物增加峰高法当未知样品中组分较多,所得色谱峰过密,用上述方法不易辨认时,或仅作未知样品指定项目分析时均可用此法。
首先作出未知样品的色谱图,然后在未知样品加入某已知物,又得到一个色谱图。
峰高增加的组分即可能为这种已知物。
相对校正因子fi由于绝对校正因子fi’与检测器灵敏度有关,它即不易准确测得(为什么?),因此定量分析中常用相对校正因子表示:即用一个物质作标准,用相对校正因子将所有待测物的峰面积校正成相对于这个标准物质的峰面积,使各组分的峰面积与其质量的关系有一个统一的标准进行折算。
采用的标准物因检测器不同而不同:TCD——苯;
FID——正庚烷。
fi(w)=fi’(w)/fs’(w)=(Aswi/Aiws) …………..通式当w分别为质量m、摩尔M、和气体体积V时,上式分别表示为
3.相对校正因子的测量准确称取被测物与标准物,混合后进样。
从所得色谱图分别求出它们的峰面积,然后通过前述公式计算校正因子(省去“相对”二字)。
必须注意:校正因子只与试样、标准物和检测器类型有关,与其它所有条件无关!可以查表得到。
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