气相色谱讲座.pptx
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1、内容提要检测器种类及适用范围色谱分离操作条件的选择休息定性定量分析方法原理复习提纲讨论第1页/共106页检测器种类及适用范围检测器的作用检测器的类型检测器选择的原则常用的检测器检测器的适用范围第2页/共106页检测器的作用检测器相当于“眼睛”和“笔”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样品中不含,还是组分未被检出?检测器的普适能力检测器的选择具有灵敏性和选择性两方面的要求灵敏性越高,选择性越强是衡量检测器选择的标准第3页/共106页检测器的类型浓度型检测器测量组分浓度的变化响应值与组分的浓度成正比,比如TCD 质量型检测器测量组分质量流速的变化响应值与单位时间进入检测器的组
2、分质量成正比,比如FID普适型检测器:对所有物质有响应,比如TCD专属型检测器:对特定物质有高灵敏响应,比如ECD第4页/共106页检测器选择的原则理想的检测器较高的灵敏性稳定、重现性好非破坏性普适性:对所有的组分响应程度近似选择性较宽的响应线性范围实际运用中,我们只能在上述指标中寻找一种平衡。第5页/共106页检测器的性能指标噪声与漂移噪声: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漂移:基线随时间向一个方向的缓慢变化称为漂移灵敏度响应值,应答值浓度型:1ml载气带入1mg样品所产生的信号强度质量型:1s带入1mg样品所产生的信号强度灵敏度越高,仪器性能越好检测限组分
3、峰高为噪音二倍时的灵敏度检出限越小,仪器性能越好线性度和线性范围线性度: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。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。第6页/共106页常用的检测器火焰离子化检测器FID:flame ionization detector热导检测器TCD:thermal conductivity detector电子俘获检测器ECD:electron capture detector氮磷检测器NPD:nitrogen phosphor detector光离子化检测器PID:photoionization detector
4、火焰光度检测器FPD:flame photometric detector原子散射检测器AED:atomic emission detector傅立叶变换红外检测器FTIRD:fourier transform infared detector 质谱检测器MSD:mass spectrometry detector第7页/共106页火焰离子化检测器FID一般用的是氢火焰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,也就是检测到的信号。特点:质量型检测器优点:专
5、属型检测器(只能测含C有机物)灵敏度高(TCD)响应快线性范围宽缺点:燃烧会破坏离子原形,无法回收(制备纯物质,不采用)第8页/共106页火焰离子化检测器FID第9页/共106页火焰离子化检测器FID载气的选择:载气N2气燃气H2气助燃气空气影响火焰离子化检测器灵敏度的因素 各种气体流速和配比的选择N2流速的选择主要考虑分离效能 N2:H2=1:11:1.5氢气:空气=1:10极化电压正常极化电压选择在100300V范围内第10页/共106页热导检测器TCD检测原理不同的气体有不同的热导系数特点:浓度型检测器优点:通用型,应用广泛结构简单稳定性好线性范围宽不破坏组分,可重新收集制备缺点:与其他
6、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)第11页/共106页热导检测器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第12页/共106页热导检测器TCD影响热导检测器灵敏度的因素桥
7、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。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。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。第13页/共106页电子俘获检测器ECD高选择性检测器仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素
8、的化合物有很高的灵敏度,检测下限10-14 g/mL对大多数烃类没有响应较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定以63Ni为放射源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”第14页/共106页氮磷检测器NPD对氮、磷有高灵敏度在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,信号强适合于做含氮、磷的有机化合物 第15页/共106页光离子化检测器PID原理光激发:R+hn n R 光致离子化:R R+e-紫外激发源:8.3 11.7 eV(max=106 150 nm)与化合物的离子化势能有关适合于
9、分析芳香族化合物以 及含杂原子的化合物第16页/共106页火焰光度检测器FPD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R R+hn nS2 S2+hn n (max=394 nm)HPO HPO+hn n (max=510-526 nm)该检测器是对含硫磷化合物的高选择性检测器第17页/共106页原子散射检测器AED适合于多种原子的同时测定等离子激发(微波或者ICP)第18页/共106页傅立叶变换红外检测器FTIRD第一台用于定性的检测器非破坏性检测器第19页/共106页质谱检测器MSD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
10、轰击产生各种碎片离子,生成的碎片离子可用Scan和SIM两种模式进行扫描,质谱仪按照原子质量单位设定的方法进行扫描 普适性的检测器选择性和灵敏性都很高化合物的定性能力很强尤其适合于毛细管气相色谱第20页/共106页色谱分离操作条件的选择分离效果的评价和指标色谱柱及使用条件的选择载气种类和流速的选择其它操作条件的选择第21页/共106页分离效果的评价和指标塔板理论-柱分离效能指标速率理论-影响柱效的因素分离度第22页/共106页塔板理论色谱柱长:L L,虚拟的塔板间距离:H H,色谱柱的理论塔板数:n n,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:第23页/共106
11、页有效塔板数和有效塔板高度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。组分在tM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:第24页/共106页塔板理论的特点和不足1.1.当色谱柱长度一定时,塔板数 n n 越大(塔板高度 H H 越小),被测组分在柱内被分配的次数越多,柱效能则越高,所得色谱峰越窄。2.2.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。3.3.柱效不能表示被分离组分的实际分离效果,当两组分的分配系数K K相同时,无论该色谱柱的塔板数多大,都无法分离。4.4.塔板理论无法解释同一色
12、谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果,也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。第25页/共106页速率理论速率方程(也称范.弟姆特方程式):H=A+B/u+Cu H:理论塔板高度,u: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。第26页/共106页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
13、)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,滞留时间,扩散,扩散系数:Dg(M载气)-1/2;M载气,B值。C C u 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)第27页/共106页载气流速与柱效-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
14、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流速。第28页/共106页速率理论的要点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。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。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。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
15、子扩散的影响,选择最佳条件,才能使柱效达到最高。第29页/共106页分离度 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,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。第30页/共106页分离度的表达式R=0.8:两峰的分离程度可达89%;R=1:分离程度98%;R=1
16、.5:达99.7%(相邻两峰完全分离的标准)。第31页/共106页令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:第32页/共106页影响分离的因素柱选择项柱选择项柱容量项柱容量项柱容量项柱容量项柱效项柱效项第33页/共106页柱效项及其影响因素影响色谱峰的宽窄主要取决于色谱柱性能及载气流速第34页/共106页讨论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:
17、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,控制较低的柱温第35页/共106页柱选择项及其影响因素影响峰的间距 主要受固定相性质,以及柱温影响第36页/共106页讨论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 选择合适的固定相使与不同组分的作用产生差别才能实现分离 一般说,降低柱温可以增大柱的选择性第37页/共106页柱容量项及其影响因素影响峰位主要受固定相用量、柱温和载气流速的影响第38页/共106页讨论综合考虑分离度、分离时间和峰检测几项因素 控制k的最佳范围 25GC中,增加固定液用量和降低柱温可以增加 k第39页
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