气相色谱讲座概要.ppt
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1、气相色谱理论(II)n2004年11月23日内容提要n检测器种类及适用范围n色谱分离操作条件的选择n休息n定性定量分析方法原理n复习提纲n讨论检测器种类及适用范围n检测器的作用n检测器的类型n检测器选择的原则n常用的检测器n检测器的适用范围检测器的作用n检测器相当于“眼睛”和“笔”u检测器将流出色谱柱的被测组分的浓度转变为可量测信号的装置n样品中不含,还是组分未被检出?u检测器的普适能力n检测器的选择具有灵敏性和选择性两方面的要求u灵敏性越高,选择性越强是衡量检测器选择的标准检测器的类型n浓度型检测器u测量组分浓度的变化u响应值与组分的浓度成正比,比如TCD n质量型检测器u测量组分质量流速的
2、变化u响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比,比如FIDn普适型检测器:u对所有物质有响应,比如TCDn专属型检测器:u对特定物质有高灵敏响应,比如ECD检测器选择的原则n理想的检测器u较高的灵敏性u稳定、重现性好u非破坏性u普适性:对所有的组分响应程度近似u选择性u较宽的响应线性范围n实际运用中,我们只能在上述指标中寻找一种平衡。检测器的性能指标n噪声与漂移u噪声:无样品通过时,由仪器本身和工作条件等偶然因素引起基线的起伏称为噪声u漂移:基线随时间向一个方向的缓慢变化称为漂移n灵敏度u响应值,应答值u浓度型:1ml载气带入1mg样品所产生的信号强度u质量型:1s带入1mg样品所产生的信号
3、强度u灵敏度越高,仪器性能越好n检测限u组分峰高为噪音二倍时的灵敏度u检出限越小,仪器性能越好n线性度和线性范围u线性度:检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。u线性范围:检测器在线性工作时,被测物质的最大浓度(或质量)与最低浓度(或质量)之比。常用的检测器n火焰离子化检测器FID:flame ionization detectorn热导检测器TCD:thermal conductivity detectorn电子俘获检测器ECD:electron capture detectorn氮磷检测器NPD:nitrogen phosphor detectorn光离子化检测器PID:ph
4、otoionization detectorn火焰光度检测器FPD:flame photometric detectorn原子散射检测器AED:atomic emission detectorn傅立叶变换红外检测器FTIRD:fourier transform infared detector n质谱检测器MSD:mass spectrometry detector火焰离子化检测器FIDn一般用的是氢火焰u原理是在氢火焰燃烧时,在火焰的上方会有一个温度很高的区域,样品在这个区域被离子化,形成一些正负离子,在火焰的周围加上一个电场,让离子定向移动,形成电流,经过一系列放大后得到放大信号,也就是检
5、测到的信号。n特点:质量型检测器n优点:专属型检测器(只能测含C有机物)u灵敏度高(TCD)u响应快u线性范围宽n缺点:燃烧会破坏离子原形,无法回收(制备纯物质,不采用)火焰离子化检测器FID火焰离子化检测器FIDn载气的选择:u载气N2气u燃气H2气u助燃气空气n影响火焰离子化检测器灵敏度的因素 u各种气体流速和配比的选择pN2流速的选择主要考虑分离效能 pN2:H2=1:11:1.5p氢气:空气=1:10u极化电压p正常极化电压选择在100300V范围内热导检测器TCDn检测原理u不同的气体有不同的热导系数n特点:浓度型检测器n优点:u通用型,应用广泛u结构简单u稳定性好u线性范围宽u不破
6、坏组分,可重新收集制备n缺点:与其他检测器比灵敏度稍低(因大多数组分与载气热导率差别不大)热导检测器TCD 测量臂测量臂测量臂测量臂接在色谱柱后接在色谱柱后接在色谱柱后接在色谱柱后 通样品气体通样品气体通样品气体通样品气体+载气,电阻为载气,电阻为载气,电阻为载气,电阻为R R1 1惠斯通电桥惠斯通电桥惠斯通电桥惠斯通电桥 参比臂参比臂参比臂参比臂接在色谱柱前接在色谱柱前接在色谱柱前接在色谱柱前 只通载气,电阻只通载气,电阻只通载气,电阻只通载气,电阻R R2 2 两个等阻值电阻两个等阻值电阻两个等阻值电阻两个等阻值电阻R R3 3=R=R4 4热导检测器TCDn影响热导检测器灵敏度的因素u桥
7、路电流桥路电流I:I,钨丝的温度,钨丝与池体之间的温差,有利于热传导,检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3,但稳定性下降,基线不稳。桥路电流太高时,还可能造成钨丝烧坏。u池体温度池体温度:池体温度与钨丝温度相差越大,越有利于热传导,检测器的灵敏度也就越高,但池体温度不能低于分离柱温度,以防止试样组分在检测器中冷凝。u载气种类:载气与试样的热导系数相差越大,在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大,检测灵敏度越高。载气的热导系数大,传热好,通过的桥路电流也可适当加大,则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数,但价格较高。电子俘获检测器ECDn高选择性检测器u仅对含有卤素、磷、硫、氧等
8、元素的化合物有很高的灵敏度,检测下限10-14 g/mLu对大多数烃类没有响应n较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定n以63Ni为放射源n当电负性强的原子通过时,将俘获放射源发出的电子,故名为“电子俘获检测器”氮磷检测器NPDn对氮、磷有高灵敏度n在FID检测器的喷嘴与收集极之间加一个含硅酸铷的玻璃球,含氮、磷化合物在受热分解时,受硅酸铷作用产生大量电子,信号强n适合于做含氮、磷的有机化合物 光离子化检测器PIDn原理u光激发:R+hn n R u光致离子化:R R+e-n紫外激发源:8.3 11.7 eV(max=106 150 nm)n与化合物的离子化势能有关n适合于分析芳香族
9、化合物以 及含杂原子的化合物火焰光度检测器FPDn化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原,激发后,辐射出400、520 nm 左右的光谱,可被检测uR R+hn nuS2 S2+hn n (max=394 nm)uHPO HPO+hn n (max=510-526 nm)n该检测器是对含硫磷化合物的高选择性检测器原子散射检测器AEDn适合于多种原子的同时测定n等离子激发(微波或者ICP)傅立叶变换红外检测器FTIRDn第一台用于定性的检测器n非破坏性检测器质谱检测器MSDn样品经柱子分离后进入离子源,在离子源中化合物的分子被电子流轰击产生各种碎片离子,生成的碎片离子可用Scan和SIM两种模式进行扫
10、描,质谱仪按照原子质量单位设定的方法进行扫描 n普适性的检测器n选择性和灵敏性都很高n化合物的定性能力很强n尤其适合于毛细管气相色谱色谱分离操作条件的选择n分离效果的评价和指标n色谱柱及使用条件的选择n载气种类和流速的选择n其它操作条件的选择分离效果的评价和指标n塔板理论-柱分离效能指标n速率理论-影响柱效的因素n分离度塔板理论色谱柱长:色谱柱长:L L,虚拟的塔板间距离:虚拟的塔板间距离:H H,色谱柱的理论塔板数:色谱柱的理论塔板数:n n,则三者的关系为:则三者的关系为:n n=L L/H H理论塔板数与色谱参数之间的关系为:理论塔板数与色谱参数之间的关系为:有效塔板数和有效塔板高度单位
11、柱长的塔板数越多,表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多,表明柱效越高。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。组分在组分在tM时间内不参与柱内分配。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:需引入有效塔板数和有效塔板高度:塔板理论的特点和不足1.1.当当色色谱谱柱柱长长度度一一定定时时,塔塔板板数数 n n 越越大大(塔塔板板高高度度 H H 越越小小),被被测测组组分分在在柱柱内内被被分分配配的的次次数数越越多多,柱柱效效能能则则越越高,所得色谱峰越窄。高,所得色谱峰越窄。2.2.不不同同物物质质在在同同一一色色谱谱柱柱上上的的分分配配系系数数不
12、不同同,用用有有效效塔塔板板数数和和有有效效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。明测定物质。3.3.柱柱效效不不能能表表示示被被分分离离组组分分的的实实际际分分离离效效果果,当当两两组组分分的的分分配配系系数数K K相相同同时时,无无论论该该色色谱谱柱柱的的塔塔板板数数多多大大,都都无法分离。无法分离。4.4.塔塔板板理理论论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出影影响响柱柱效效的的因因素素及及提提高柱效的途径。高柱效的途径。速率理论速率方程(也称范速率方程
13、(也称范.弟姆特方程式)弟姆特方程式):H=A+B/u+Cu H:理论塔板高度,:理论塔板高度,u:载气的线速度:载气的线速度(cm/s)A涡流扩散项:涡流扩散项:A=2dp dp:固定相的平均颗粒直径固定相的平均颗粒直径:固定相的填充不均匀因子固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小dp,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。B B/u u 分子扩散项:分子扩散项:B=2 Dg:弯曲因子,填充柱色谱,1。Dg:试样组分分子在气相中的扩散系数(cm2s-1)存在着浓度差,产生纵向扩散。扩散导致色谱峰变宽,H(n),分离变差。分子扩散项与流速有关,流速
14、,滞留时间,扩散,扩散系数:Dg(M载气)-1/2;M载气,B值。C u C u 传质阻力项:传质阻力项:传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即:C=(Cg+CL)载气流速与柱效-最佳流速载气流速高时:载气流速高时:传质阻力项是影响柱效的主要因素,随着流速的提高,柱效下降。载气流速低时:载气流速低时:分子扩散项成为影响柱效的主要因素,随着流速的增加,柱效提高。H H-u u曲线与最佳流速:曲线与最佳流速:由于流速对这两项完全相反的作用,流速对柱效的总影响使得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
15、流速。速率理论的要点n被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、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扩展柱效下降的主要原因。n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。n速率理论为色谱分离和操作条件的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。n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。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度。即柱效为多大时,
16、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如图所示:色谱分离中的四种情况如图所示: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,分离效果更差。分离度的表达式R=0.8:两峰的分离程度可达89%;R=1:分离程度98%;R=1.5:达99.7%(相邻两峰完全分离的标准)。令Wb(2)=Wb(1)=Wb(相邻两峰的峰底宽近似相等),引入相对保留值和塔板数,可导出下式:影响分离的因素柱选择项柱选
17、择项柱容量项柱容量项柱容量项柱容量项柱效项柱效项柱效项及其影响因素n影响色谱峰的宽窄n主要取决于色谱柱性能及载气流速讨论v增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段v 提高柱效、改善分离的途径:增加柱长;降低板高v 根据速率理论,降低板高、提高柱效的方法是:1)采用粒度较小、均匀填充的固定相(A项)2)分配色谱应控制固定液液膜厚度(C项)3)适宜的操作条件:流动相的性质和流速,柱温等等(B项)选用分子量较大、线速度较小的载气N2气,控制较低的柱温柱选择项及其影响因素影响峰的间距 主要受固定相性质,以及柱温影响讨论v增大柱选择性是改善分离度的最有力手段v 气相色谱中,柱选择性取决于固定相性质和柱温
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