第七章 气相色谱法(GC)1.ppt

第七章第七章 气相色谱气相色谱法法（GC）7.1 色谱法概述色谱法概述 7.1.1 历史历史 7.1.2 色谱法分类色谱法分类 7.1.3 基本概念和术语基本概念和术语 7.1.4 分离效能指标分离效能指标7.2 色谱法理论色谱法理论 7.2.1 塔板理论塔板理论 7.2.2 速率理论速率理论 7.2.3 分离条件的选择分离条件的选择7.3 气相色谱法气相色谱法 7.3.1 气相色谱仪气相色谱仪 7.3.2 气相色谱分析方法气相色谱分析方法17.1 色谱法概述色谱法概述 色谱法是一种重要的色谱法是一种重要的分离分析分离分析方法，它是方法，它是根据组分与固定相和流动相的作用力不同而达根据组分与固定相和流动相的作用力不同而达到分离目的的。到分离目的的。27.1 色谱法概述色谱法概述7.1.1 历史历史1906 Michael Tswett 研究植物色素分离，提出色谱法的概念研究植物色素分离，提出色谱法的概念A+BA+BBAABtSchromatographychromagraphein希腊语希腊语colorto write37.1 色谱法概述色谱法概述7.1.1 历史历史1941 Martin和和Synge提出液提出液-液色谱理论；液色谱理论；1952 James和和Martin发展了气相色谱；发展了气相色谱；1956 Van Deemter提出速率理论；提出速率理论；AJP Martin and RLM AJP Martin and RLM SyngeSynge:Nobel prize winners in 1952:Nobel prize winners in 19521967 Kirkland等研制高效液相色谱法；等研制高效液相色谱法；1937-1972:12 Nobel prize winners from chromatography1937-1972:12 Nobel prize winners from chromatography吸附柱色谱吸附柱色谱1906GC1950年代年代GC-MS1950年代末年代末HPLC1960年代年代毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱法毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱法1980年代中期年代中期47.1 色谱法概述色谱法概述7.1.2 色谱法分类色谱法分类按流动相分按流动相分气相色谱（气相色谱（GC）液相色谱（液相色谱（LC）超临界流体色谱（超临界流体色谱（SFC）按机理分按机理分吸附色谱（吸附色谱（adsorption）分配色谱（分配色谱（partition）离子交换色谱（离子交换色谱（ion exchange）排阻色谱（排阻色谱（size exclusion）正相色谱正相色谱反相色谱反相色谱57.1 色谱法概述色谱法概述7.1.2 色谱法分类色谱法分类按固定相在支持体中按固定相在支持体中的形状分的形状分柱色谱柱色谱平板色谱平板色谱纸色谱纸色谱薄层色谱薄层色谱新型色谱新型色谱微柱色谱微柱色谱毛细管电动色谱毛细管电动色谱67.1 色谱法概述色谱法概述7.1.3 基本概念和术语基本概念和术语1 色谱流出曲线或色谱图（色谱流出曲线或色谱图（chromatogram）指样品注入色谱柱后，信号随时间变化的曲线。指样品注入色谱柱后，信号随时间变化的曲线。W1/277.1 色谱法概述色谱法概述7.1.3 基本概念和术语基本概念和术语2 基线基线 无组分通过色谱柱时，检测器的噪音随时间变化的无组分通过色谱柱时，检测器的噪音随时间变化的 曲线曲线3 峰宽峰宽 峰底宽峰底宽Wi 峰峰半宽半宽W1/2 标准偏差标准偏差 Gaussian分布曲线的特征：分布曲线的特征：84 保留值保留值保留时间保留时间tR 进样到出现色谱峰的时间进样到出现色谱峰的时间保留体积保留体积VR 进样到出现色谱峰时消耗进样到出现色谱峰时消耗 的流动相体积的流动相体积死时间死时间tM 流动相流过色谱柱的时间流动相流过色谱柱的时间死体积死体积VM 色谱柱的空隙体积色谱柱的空隙体积7.1 色谱法概述色谱法概述7.1.3 基本概念和术语基本概念和术语校正保留时间校正保留时间校正保留体积校正保留体积流动相流动线速度流动相流动线速度97.1 色谱法概述色谱法概述7.1.3 基本概念和术语基本概念和术语5 相对保留值，选择性系数相对保留值，选择性系数6 分配系数和分配比（容量因子）分配系数和分配比（容量因子）分配系数分配系数 K：一定温度与压力下两相达平衡后，一定温度与压力下两相达平衡后，组分在固定相和流动相浓度的比值组分在固定相和流动相浓度的比值分配比（容量因子）分配比（容量因子）k：一定温度与压力下两相达平衡后，：一定温度与压力下两相达平衡后，组分在固定相和流动相量的比值组分在固定相和流动相量的比值流速一定！流速一定！10K与与k的关系：的关系：7.1 色谱法概述色谱法概述7.1.3 基本概念和术语基本概念和术语7 容量因子容量因子k与保留值的关系与保留值的关系色谱基本保留方程色谱基本保留方程11证明色谱保留方程：证明色谱保留方程：当组分一半流出色谱柱时当组分一半流出色谱柱时7.1 色谱法概述色谱法概述7.1.3 基本概念和术语基本概念和术语127.1 色谱法概述色谱法概述7.1.4 分离效能指标分离效能指标1 选择性（相对保留值）选择性（相对保留值）selectivity factor相对保留值由两组分的热力学性质（相对保留值由两组分的热力学性质（k）决定，与）决定，与色谱柱的长短粗细（峰宽）无关。色谱柱的长短粗细（峰宽）无关。2 峰宽度峰宽度3 分离度分离度 resolutionR 1.0 两峰明显重叠两峰明显重叠R=1.0 两峰达两峰达97.7%分离分离R 1.5 基线分离基线分离13小结小结色谱法研究的核心：色谱法研究的核心：选择最适合的色谱体系和条件，选择最适合的色谱体系和条件，在最短的时间达到最佳的分离效果。在最短的时间达到最佳的分离效果。147.2 色谱法理论色谱法理论目的目的从理论上得到描述色谱流出曲线的从理论上得到描述色谱流出曲线的方程，并通过这一方程各参数来研究影响分方程，并通过这一方程各参数来研究影响分离的因素。离的因素。7.2.1 塔板理论塔板理论假设假设（1）色谱柱存在多级塔板色谱柱存在多级塔板;（2）组分通过时在每级塔板两相间）组分通过时在每级塔板两相间 达到一次平衡达到一次平衡;157.2.1 塔板理论塔板理论16p块塔板上质量守恒：块塔板上质量守恒：而而上式变为上式变为0块塔板上溶质只在移动相中存在，块塔板上溶质只在移动相中存在，微分方程的解：微分方程的解：n+1块塔板块塔板7.2.1 塔板理论塔板理论17 峰宽峰宽流动相气体通过体积流动相气体通过体积 后格塔板上的浓度分布后格塔板上的浓度分布7.2.1 塔板理论塔板理论18除除n=0外，每条曲线都有一个极大点，外，每条曲线都有一个极大点，2个拐点：个拐点：7.2.1 塔板理论塔板理论极大点极大点拐点拐点切线与横轴的两个交点切线与横轴的两个交点峰底宽峰底宽n+1块塔板时块塔板时 色谱流出曲线色谱流出曲线流出曲线方程流出曲线方程流出曲线方程与流出曲线方程与K有关有关197.2.1 塔板理论塔板理论 由于所获得的流出曲线在由于所获得的流出曲线在n很大时呈正态分布，因此很大时呈正态分布，因此可将流出曲线方程转化为正态分布方程形式：可将流出曲线方程转化为正态分布方程形式：将此将此方程与标准正态分布曲线方程比较：方程与标准正态分布曲线方程比较：或：或：207.2.1 塔板理论塔板理论根据：根据：所以：所以：n 称为色谱柱的理论塔板数。称为色谱柱的理论塔板数。因为因为tR是热力学常数，当色是热力学常数，当色谱柱的长度一定，理论板数目谱柱的长度一定，理论板数目n越大，色谱峰越窄。越大，色谱峰越窄。217.2.1 塔板理论塔板理论neff 与与 n 的关系：的关系：塔板高度塔板高度H 与塔板数与塔板数 n 的关系：的关系：221 从理论上得到了描述色谱流出曲线的方程，从理论上得到了描述色谱流出曲线的方程，通过该方程可以预测具有不同分配系数通过该方程可以预测具有不同分配系数K的两的两种物质在塔板数为种物质在塔板数为n的色谱柱上分离的情况的色谱柱上分离的情况:小结小结2 通过方程看出影响柱效的因素是理论板数通过方程看出影响柱效的因素是理论板数n，其其值越大，色谱峰越窄，分离效果越好：值越大，色谱峰越窄，分离效果越好：233 既然色谱分离的依据是组分在两相中的既然色谱分离的依据是组分在两相中的分配能力差异，因此，两相不限于液分配能力差异，因此，两相不限于液-固固相，也可是气相，也可是气-固相或气固相或气-液相。液相。4 问题：怎样提高色谱柱的理论塔板数问题：怎样提高色谱柱的理论塔板数n，从而提高色谱柱的效率？从而提高色谱柱的效率？小结小结247.2 色谱法理论色谱法理论5.2.2 速率理论速率理论不足：不足：指出了理论板数指出了理论板数n或理论板高度或理论板高度H对色谱柱效率的影响，未对色谱柱效率的影响，未指出影响塔板高度的因素，不能从理论上指导如何装柱，指出影响塔板高度的因素，不能从理论上指导如何装柱，不能指导如何从实验上提高色谱柱的效率。不能指导如何从实验上提高色谱柱的效率。1 塔板理论的特点塔板理论的特点252 Van Deemter方程方程1956年年Van Deemter提出速率方程，指出了提高柱效率的途径提出速率方程，指出了提高柱效率的途径7.2 色谱法理论色谱法理论7.2.2 速率理论速率理论267.2.2 速率理论速率理论塔板理论研究的是平衡态塔板理论研究的是平衡态速率理论从动态角度出发，速率理论从动态角度出发，提出改变色谱条件，控制流速，提出改变色谱条件，控制流速，提高分离效率提高分离效率色谱峰变宽是由于某些粒子色谱峰变宽是由于某些粒子的移动速度较慢造成的。的移动速度较慢造成的。27Van Deemter方程方程7.2.2 速率理论速率理论式中式中 u 流动相流动的线速度流动相流动的线速度（1）A 涡流扩散项涡流扩散项,multiple flow path 指固定相填充不均匀引起的扩散指固定相填充不均匀引起的扩散 为填充的不规则因子为填充的不规则因子dp 固定相颗粒粒径固定相颗粒粒径28涡流扩散示意图涡流扩散示意图12分子分子1扩散路径长，扩散路径长，到达柱出口的时间晚到达柱出口的时间晚色谱峰变宽色谱峰变宽7.2.2 速率理论速率理论297.2.2 速率理论速率理论（2）B/u 纵向分子扩散项，纵向分子扩散项，longitudinal diffusion指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽式中：式中：弯曲因子，填充柱弯曲因子，填充柱 空心柱空心柱 组分在流动相中的扩散系数组分在流动相中的扩散系数 由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的1/105，因此，因此在液相色谱中在液相色谱中B可以忽略。可以忽略。30（2）B/u 纵向分子扩散项，纵向分子扩散项，longitudinal diffusion 分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽317.2.2 速率理论速率理论（3）Cu 传质阻力项，传质阻力项，mass transfer coefficient指组分在流动相和固定相之间传质的阻力指组分在流动相和固定相之间传质的阻力D 为扩散系数，为扩散系数，td：解吸时间解吸时间dp 和和 df 为填充粒子直径和固定液膜的厚度为填充粒子直径和固定液膜的厚度流动相传质阻力流动相传质阻力固定相传质阻力固定相传质阻力液体固定相液体固定相固体固定相固体固定相327.2.2 速率理论速率理论速率方程为：速率方程为：思考：思考：1 怎样装柱才能怎样装柱才能提高提高色谱柱的效率？色谱柱的效率？2 空心柱是否能够用于色谱分离？空心柱是否能够用于色谱分离？3 如何获得色谱最佳流速？如何获得色谱最佳流速？337.2.2 速率理论速率理论u 在上述方程各项中存在矛盾，因此，应求出最佳值：在上述方程各项中存在矛盾，因此，应求出最佳值：347.2 色谱法理论色谱法理论7.2.3 分离条件的选择分离条件的选择 综合塔板理论和速率理论，可获得影响色谱分离综合塔板理论和速率理论，可获得影响色谱分离效率的因素：效率的因素：35改变选择因子改变选择因子 提高分离效率提高分离效率 提高选择因子提高选择因子 比增加分离时间更有效比增加分离时间更有效改变相对保留值比改变绝对保留值更有效改变相对保留值比改变绝对保留值更有效 365.3.1 气相色谱仪气相色谱仪7.3 气相色谱法气相色谱法载载气气净化器净化器流量计流量计色谱柱色谱柱柱箱柱箱汽化室汽化室检测器检测器记录器记录器进进样样放放空空气相色谱仪流程图气相色谱仪流程图377.3.1 气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪主要包括四部分：气相色谱仪主要包括四部分：1 1 载气系统载气系统2 2 进样系统进样系统3 3 分离系统分离系统4 4 检测系统检测系统1 载气系统载气系统载气由压缩气体钢瓶供给，经减压阀、稳压载气由压缩气体钢瓶供给，经减压阀、稳压阀控制压力和流速，由压力表指示气体压力，然后阀控制压力和流速，由压力表指示气体压力，然后进入检测器热导池的参考臂，继而进入色谱柱。最进入检测器热导池的参考臂，继而进入色谱柱。最后通过热导池、流量计而放入大气。后通过热导池、流量计而放入大气。38载气的基本要求：载气的基本要求：（1）纯净）纯净 通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的水分、通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的水分、氧等有害杂质。氧等有害杂质。（2）稳定）稳定 如如N2,He,Ar等。等。后两者价格高。后两者价格高。7.3.1 气相色谱仪气相色谱仪397.3.1 气相色谱仪气相色谱仪2 进样系统进样系统 包括进样装置和汽化室。包括进样装置和汽化室。进样通常用微量注射器和进样阀将样品引入。液体样品引进样通常用微量注射器和进样阀将样品引入。液体样品引 入后需要瞬间汽化。汽化在汽化室进行。入后需要瞬间汽化。汽化在汽化室进行。对汽化室的要求：对汽化室的要求：（1）体积小；）体积小；（2）热容量大；）热容量大；（3）对样品无催化作用）对样品无催化作用40