第七章 气相色谱法.ppt
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1、第七章第七章 气相色谱法气相色谱法Gas Chromatographyu色谱法是一种分离分析方法色谱法是一种分离分析方法u各物质在两相中具有不同的分配系数,当各物质在两相中具有不同的分配系数,当两相作相对运动时,在两相中进行多次反两相作相对运动时,在两相中进行多次反复的分配达到分离。复的分配达到分离。n流动相流动相:气相色谱、液相色谱、超临界流体色谱:气相色谱、液相色谱、超临界流体色谱n固定相固定相:气固、气液;液固、液液:气固、气液;液固、液液2.按固定相的形式分类按固定相的形式分类7.1 概述概述1.按两相物理状态分类按两相物理状态分类n柱色谱柱色谱:填充柱色谱、毛细管色谱:填充柱色谱、毛
2、细管色谱n平面色谱平面色谱:纸色谱、薄层色谱纸色谱、薄层色谱色谱法的分类色谱法的分类3.按分离机制分类按分离机制分类n分配色谱分配色谱:根据不同组分在固定液中:根据不同组分在固定液中溶解溶解度的大小度的大小而分离而分离n吸附色谱吸附色谱:根据不同组分在吸附剂上的:根据不同组分在吸附剂上的吸吸附和解吸能力的大小附和解吸能力的大小而分离而分离n离子交换色谱离子交换色谱:不同组分对离子交换树脂不同组分对离子交换树脂的的亲和力亲和力不同不同n空间排阻色谱空间排阻色谱:依据:依据分子几何尺寸大小分子几何尺寸大小不不同进行分离同进行分离色谱法色谱法气相色谱法气相色谱法液相色谱法液相色谱法超临界流体色谱超临
3、界流体色谱柱色谱柱色谱平面色谱法平面色谱法柱色谱法柱色谱法毛细管电泳毛细管电泳纸色谱法纸色谱法薄层色谱法薄层色谱法色谱法的分类色谱法的分类7.2 气相色谱的基本理论气相色谱的基本理论n基线、峰高基线、峰高 h、半峰宽、半峰宽 W1/2、峰宽、峰宽W7.2.1 气相色谱常用术语气相色谱常用术语7.2.1.1 色谱流出曲线和色谱峰色谱流出曲线和色谱峰色谱峰高和峰面积色谱峰高和峰面积n1.1.峰高峰高 组分在柱后出现浓度极大时的检测信号,组分在柱后出现浓度极大时的检测信号,即色谱峰顶至基线的距离即色谱峰顶至基线的距离n2.2.峰面积峰面积色谱曲线与基线间包围的面积色谱曲线与基线间包围的面积色谱峰宽色
4、谱峰宽1.标准差标准差 0.607h处的峰宽处的峰宽2.半峰宽半峰宽 W1/2W1/2=2.35 3.峰宽峰宽 WW=4 7.2.1.2 保留值保留值n保留时间保留时间 tRn死时间死时间 tMn调整保留时间调整保留时间 t R=tR tM(组分在固定相中停留的总时间)(组分在固定相中停留的总时间)n保留体积保留体积 VR=tRFc(与流动相流速无关)(与流动相流速无关)n死体积死体积 VM=tMFc(从进样器至检测器的流路中未被固定相占有的空间)(从进样器至检测器的流路中未被固定相占有的空间)n调整保留体积调整保留体积 VR=tRFc n相对保留值相对保留值保留值保留值(只与柱温及固定相的性
5、质有关)(只与柱温及固定相的性质有关)由色谱峰的流出曲线可以实现以下目的:由色谱峰的流出曲线可以实现以下目的:(1)依据色谱峰的)依据色谱峰的保留值保留值进行进行定性定性分析分析(2)依据色谱峰的)依据色谱峰的面积或峰高面积或峰高进行进行定量定量分析分析(3)依据色谱峰的)依据色谱峰的保留值以及峰宽保留值以及峰宽评价色谱评价色谱柱的柱的分离效能分离效能1.1.分配系数分配系数nK K大大的组分,滞留在固定相中的时间长,在的组分,滞留在固定相中的时间长,在柱内移动的速度慢,柱内移动的速度慢,后流出后流出柱子。柱子。n温度升高,温度升高,K K变小。变小。nK K为常数时为常数时,是,是线性线性色
6、谱。色谱。7.2.1.3 分配系数和容量因子分配系数和容量因子2.分配比分配比(容量因子)(容量因子)3.色谱保留基本方程色谱保留基本方程n色谱分离是色谱体系色谱分离是色谱体系热力学过程热力学过程和和动力学过动力学过程程的综合表现。的综合表现。n热力学过程热力学过程是指与组分在体系中是指与组分在体系中分配系数分配系数相相关的过程,以关的过程,以塔板理论塔板理论为代表。为代表。n动力学过程动力学过程是指组分在该体系是指组分在该体系两相间扩散和两相间扩散和传质传质的过程,以的过程,以速率理论速率理论为代表。为代表。组分保留时间为何不同?色谱峰为何变宽?组分保留时间为何不同?色谱峰为何变宽?7.2.
7、2 塔板理论塔板理论 塔板理论假定塔板理论假定:n塔板和塔板之间不连续;塔板和塔板之间不连续;n塔板之间无分子扩散;塔板之间无分子扩散;n组分在每块塔板的两相间的分配平衡组分在每块塔板的两相间的分配平衡瞬时达到,达到一次分配平衡所需的瞬时达到,达到一次分配平衡所需的最小柱长称为理论塔板高度;最小柱长称为理论塔板高度;n一个组分在每块塔板上的分配系数相一个组分在每块塔板上的分配系数相同;同;n流动相以不连续的形式加入,即以一流动相以不连续的形式加入,即以一个一个塔板体积加入。个一个塔板体积加入。nn越大,越大,H越小,色越小,色谱峰越窄,柱效越谱峰越窄,柱效越高。高。nH与柱长无关。与柱长无关。
8、理论塔板数和理论塔板高度理论塔板数和理论塔板高度塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足(1)L一一定定时时,n 越越大大,H 越越小小,则则柱柱效效越越高高,色色谱谱峰峰越窄。越窄。(2)用用塔塔板板数数和和塔塔板板高高度度作作为为衡衡量量柱柱效效能能的的指指标标时时,应应指指明测定物质(不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同)。明测定物质(不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同)。(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果。柱效不能表示被分离组分的实际分离效果。(4)无无法法解解释释同同一一色色谱谱柱柱在在不不同同的的载载气气流流速速下下柱柱效效不不同同的的实实验验结结果果,也也无无法法指指出
9、出影影响响柱柱效效的的因因素素及及提提高高柱柱效效的的途途径。径。7.2.3 速率理论速率理论1.涡流扩散项涡流扩散项 A2.分子扩散项分子扩散项 B/uDg与分子量的平方根成反比,随柱温升高而增大,与分子量的平方根成反比,随柱温升高而增大,随柱压增大而减小随柱压增大而减小流速较流速较低低时,用分子量较时,用分子量较大大的载气,如氮气;的载气,如氮气;流速较流速较高高时,用分子量较时,用分子量较小小的载气,如氢气。的载气,如氢气。影响塔板高度的动力学因素影响塔板高度的动力学因素3.传质阻力项传质阻力项 Cu液相传质阻力系数液相传质阻力系数 Cl气相传质阻力系数气相传质阻力系数 Cg液相传质占主
10、导作用液相传质占主导作用液相传质液相传质:组分从气液界面扩散进入固定液,并:组分从气液界面扩散进入固定液,并扩散至固定液深部,进而达到分配平衡扩散至固定液深部,进而达到分配平衡液膜越薄,传质阻力越小;液膜越薄,传质阻力越小;载气流速增大,传质阻力就增大。载气流速增大,传质阻力就增大。7.2.4 分离度分离度例:例:在在1m长的填充色谱柱上,某镇静药物长的填充色谱柱上,某镇静药物A及其异构体及其异构体B的保留时间分别为的保留时间分别为5.80min和和6.60min;峰底宽度分别为;峰底宽度分别为0.78min及及0.82min,空气通过色谱柱需,空气通过色谱柱需1.10min。计算:计算:载气
11、的平均线速度;组分载气的平均线速度;组分B的分配比;的分配比;A及及B的分的分离度。离度。解:解:证明:证明:色谱分离的基本方程式色谱分离的基本方程式例例 在在2m长的色谱柱上,测得某组分保留时间长的色谱柱上,测得某组分保留时间(tR)6.6min,峰宽,峰宽0.5min,死时间,死时间1.2min,柱出口用皂膜流量计测得载气体积流速柱出口用皂膜流量计测得载气体积流速40mL/min,固定相体积,固定相体积2.1mL,求,求:(:(1)容)容量因子;(量因子;(2)死体积;()死体积;(3)调整保留体积;)调整保留体积;(4)分配系数;()分配系数;(5)有效塔板数;()有效塔板数;(6)有)
12、有效塔板高度。效塔板高度。解解例例 在在3.0m色谱柱上,空气、组分色谱柱上,空气、组分X和组分和组分Y的保留时间的保留时间分别为分别为1.0、14.0、17.0min,Y的峰宽为的峰宽为1.0min,计算计算X和和Y完全分离时,柱长最短为多少?完全分离时,柱长最短为多少?例例 已知物质已知物质A和和B的分配系数的分配系数K分别为分别为6.50和和6.31,已知固定相和流动相的体积比为已知固定相和流动相的体积比为0.422。试计算:。试计算:(1)两物质的分配比)两物质的分配比;(2)选择性系数;)选择性系数;(3)欲得到分离度为)欲得到分离度为1.5时需多少塔板数?时需多少塔板数?(4)若柱
13、长为)若柱长为806cm,流动相的流速为,流动相的流速为7.10cm.s-1,则需多长时间可冲洗出各物质?则需多长时间可冲洗出各物质?解解载气流速载气流速u 对塔板高度对塔板高度H 的影响的影响低低流速时,流速时,B/u项起主导作用,选择分子量较大的项起主导作用,选择分子量较大的载气,如氮气、氩气载气,如氮气、氩气高高流速时,流速时,Cu项起主导作用,项起主导作用,选择分子量较小的选择分子量较小的载气,如氢气、氦气载气,如氢气、氦气柱温的选择柱温的选择n最高温度:固定液最高使用温度最高温度:固定液最高使用温度n最低温度:一般必须高于固定液的熔点最低温度:一般必须高于固定液的熔点n柱温降低,选择
14、性增加,即柱温降低,选择性增加,即 增大增大n柱温升高,柱效增大,即柱温升高,柱效增大,即n增大增大n宽沸程混合物,选用程序升温法宽沸程混合物,选用程序升温法柱长和柱径柱长和柱径n柱长增加,柱长增加,R R增大,但分析时间延长,填充柱通常增大,但分析时间延长,填充柱通常为为2 26m6mn内径增大,增加分离的试样量,但纵向扩散路径内径增大,增加分离的试样量,但纵向扩散路径增加,柱效降低,填充柱内径一般为增加,柱效降低,填充柱内径一般为3 36mm6mm其他实验条件其他实验条件n气化室温度:气化室温度:取决于试样的沸点取决于试样的沸点n检测室温度:检测室温度:高于或等于柱温高于或等于柱温n进样时
15、间和进样量:进样时间和进样量:快,快,1 1秒以内,秒以内,线性关系线性关系n载体粒度:载体粒度:减小,柱效将明显提高,但是粒度减小,柱效将明显提高,但是粒度过细,阻力增加,操作不便,一般载体直径为过细,阻力增加,操作不便,一般载体直径为柱内径的柱内径的1/201/251/201/25之间之间例:例:试解释下列各项对试解释下列各项对柱的塔板高度的影响柱的塔板高度的影响(1)增大相比)增大相比(2)减小进样速度)减小进样速度(3)提高载气的流速)提高载气的流速(4)减小填料的粒度)减小填料的粒度(5)降低柱温)降低柱温 解:解:(1)使固定液液膜厚度增加,)使固定液液膜厚度增加,C增增大,大,H
16、增大增大(2)柱前谱峰扩宽,)柱前谱峰扩宽,H增大增大(3)H增大或减小增大或减小(4)增大比表面积,减小液膜厚度,)增大比表面积,减小液膜厚度,可减小可减小C和和A,H减小减小(5)减小)减小B而增大而增大C,H增大或减小增大或减小在气液色谱中,色谱柱使用的上限温度取决于在气液色谱中,色谱柱使用的上限温度取决于 。固定液的最高使用温度固定液的最高使用温度在使用热导检测器时,为了提高灵敏度,常使用的载气为在使用热导检测器时,为了提高灵敏度,常使用的载气为 。氢气氢气例例 在在2m长的色谱柱上,以氦为载气,测得不同长的色谱柱上,以氦为载气,测得不同载气线速下组分的保留时间载气线速下组分的保留时间
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- 第七章 气相色谱法 第七 色谱
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