气相色谱仪分剖析.pptx

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1、第一节 气相色谱法的分类 和一般流程一、分类 气相色谱-是用气体作为流动相的层析法。根据固定相状态的不同 目前，大部分气相色谱是以液体为固定相的气液色谱。第1页/共84页 二、气相色谱法的特点：高效能：n可达105106高选择性：特别复杂试样 高灵敏度：可以检测10 1110 13g物质分析速度快、操作简单：色谱操作及数据处理自动化 应用广泛：气体和易挥发或可衍生化为气体第2页/共84页GC-7890气相色谱仪第3页/共84页GC-7890气相色谱仪外观内部结构第4页/共84页载气系统进样系统色谱柱检测器记录系统三、气相色谱法的一般流程气相色谱分析流程示意图1 载气钢瓶；2 减压阀；3 净化干

2、燥管；4 针形阀；5 流量计；6 压力表；7 进样器；8 色谱柱；9 检测器；10-放大器；11 记录仪；12-温控器；13-尾气出口第5页/共84页 气气-固色谱固色谱固定相：多孔性及较大表面积的吸附剂。固定相：多孔性及较大表面积的吸附剂。反复的物理吸附反复的物理吸附-解吸附过程解吸附过程。各组分吸附能力不同而进行分离。各组分吸附能力不同而进行分离。吸附力吸附力小小的组分先离开色谱柱。的组分先离开色谱柱。第二节第二节 气相色谱法理论基础气相色谱法理论基础一、分离原理第6页/共84页 气气-液色谱分离原理液色谱分离原理固固定定相相：在在化化学学惰惰性性的的固固体体微微粒粒(用用来来支支撑撑固固

3、定定液液的的，称称为为担担体体)表表面面，涂涂上上一一层层高高沸沸点点有有机机化化合合物物的的液液膜膜。（固定液固定液）各组分的分离是基于各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同各组分在固定液中溶解度的不同 。反复的溶解、挥发过程。反复的溶解、挥发过程。溶解度溶解度小小的组分先离开色谱柱。的组分先离开色谱柱。第7页/共84页气气-液色谱分离原理液色谱分离原理 两相分配固定液载气迁移平衡固定液载气各组分在固定液中溶解能力不同溶解度大难挥发柱中停留时间长向前移动慢固定液载气各成分在固定液中 溶解-挥发平衡分离原理溶解度不同分配系数:固、流两相浓度之比第8页/共84页v 物物质质在在固固定定相

4、相和和流流动动相相之之间间发发生生的的吸吸附附、解解吸吸附附和和溶溶解解、挥挥发发的的过过程程称称为为分配过程分配过程。分配系数分配系数K 在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度值比称为分配系数在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度值比称为分配系数K。一定温度下，各物质在两相之间的分配系数是不同的。气相色谱的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数。第9页/共84页 容量因子（容量比，分配比）k：指在一定温度和压力下，组分在色谱柱中达分配平衡时，在固定相与流动相中的质量比更易测定.第10页/共84页 二、色谱柱二、色谱柱 形状有：螺旋形、U形 材料有：玻璃、不锈钢等 色

5、谱柱有两种：第11页/共84页色谱图界面第12页/共84页2.1 2.1 气相色谱图和有关概念气相色谱图和有关概念X时间色谱图Y信号第13页/共84页 基线 在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线。只有载气通过时的信号，反映检测器系统噪声随时间变化的曲线。稳定的基线应是一条平行于时间轴的直线。色谱峰是色谱图上的突起部分，即组分流经检测器所产生的信号。第14页/共84页 保留值：以时间表示保留时间tR 被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值所需的时间。从进样到检测到信号极大第15页/共84页死时间t0(tM)空气、甲烷等不被固定相吸附或溶解的惰性物质流经柱的时间。第16页/共84页死时间(tM)

6、或流动相充满柱内空隙体积占据的空间所需要的时间，又称流动相保留时间L：色谱柱长，cm；u：载气线速度，cm/s第17页/共84页调整保留时间tR tR=tR-tM由于溶解或吸附于固定相，比不溶解或不被吸附的组分在色谱中多滞留的时间。第18页/共84页 保留值：以体积表示调整保留体积 VR保留体积 VR 死体积V0 Fc:载气的体积流速(ml/min)第19页/共84页 区域宽度半峰宽Y1/2 峰高1/2处的峰宽峰(底)宽Y 自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距 标准偏差()0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半s4Y=第20页/共84页 定量参数定量参数峰高（峰高（h)：组分在柱后出现浓度极

7、大时的检测：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。信号，即色谱峰顶至基线的距离。峰面积峰面积(A)：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。返回第21页/共84页 分离参数分离参数 分离因子()：即相邻两个组分调整保留值之比，又称为分配系数比或选择性系数比。分离度(Rs)：相邻两个组分的色谱峰，其保留时间差与两峰峰底宽平均值之商。第22页/共84页基线空气峰、组分峰死时间tM保留时间tR、调整保留时间tR、相对保留时间r21峰高h半峰宽Y1/2峰底宽Y色谱图（链接）峰面积分离度R第23页/共84页第24页/共84页根据色谱图可得到以下信息根据色谱图可得到

8、以下信息:1.样品是否是纯化合物；样品是否是纯化合物；2.色谱柱效和分离情况；色谱柱效和分离情况；3.提供色谱定性的资料和依据；提供色谱定性的资料和依据；4.色色谱谱图图给给出出的的各各组组分分的的峰峰高高和和峰峰面面积积是是定定量量测测定的依据。定的依据。第25页/共84页例题例题一个气相色谱柱，由固定液的涂量及固定液在柱温下的密度计算得Vs14.1mL，载气流速为43.75mL/min。分离一个含A、B、C三组分的样品，测得组分保留时间分别为1.41min、2.67min、4.18min、空气为0.24min。试计算：死体积；各组分的调整保留时间；相邻两组分的分离因子。解解：已知Fc 43

9、.75mL/min，死时间t00.24min。第26页/共84页27 色谱理论需要解决的问题？色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：塔板理论和速率理论。第27页/共84页第二节第二节 气相色谱法理论基础气相色谱法理论基础2.2塔板理论2.3速率理论第28页/共84页2.2塔板理论 塔塔板板理理论论认认为为，一一根根柱柱子子可

10、可以以分分为为n n段段，在在每每段段内内组组分分在在两两相相间间很很快快达达到到平平衡衡，把把每每一一段段称称为为一一块块理理论论塔塔板板。色色谱谱柱柱塔塔板板高高度度用用H H表表示示，K K小的先出柱，小的先出柱，K K有微小差异组分仍可获较好分离。有微小差异组分仍可获较好分离。（一）塔板理论四个基本假设（二）理论板数和理论塔板高度的计算第29页/共84页（一）塔板理论的四个基本假设1在柱内一小段高度内组分分配瞬间达平衡（H理论塔板高度）2载气非连续而是间歇式（脉动式）进入色谱柱，每次进气一个塔板体积3样品和载气均加在第0号塔板上，且忽略样品沿柱方向的纵向扩散4分配系数在各塔板上是常数第

11、30页/共84页（二）理论板数和理论塔板高度的计算 理理论论塔塔板板高高度度H为使组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需要的柱长理理论论塔塔板板数数n组分流过色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数第31页/共84页续前第32页/共84页续前有效理论塔板数neff第33页/共84页35（三）塔板理论优缺点 (1)当L一定时，n 越大(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)不同物质在同一色谱柱上的 K 不同，用n有效和H有效作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。(3)柱效的高低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相同时，无论该色谱柱的塔板

12、数多大，都无法分离。(4)塔板理论无法解释同一色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35页/共84页练习例1：在柱长为2m的色谱柱、柱温为1000C，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.10min，求理论塔板数和塔板高度。解：第36页/共84页 例2：在一根2 m长的色谱柱上,分析一个混合物,得到以下数据:苯、甲苯及乙苯的保留时间分别为120”,22”及31”；半峰宽为6.33”,8.73”,12.3”，求色谱柱对每种组分的理论塔板数及塔板高度。注意单位换算！第37页/共84页382.3 速率理论-影响柱效的因素1.速率方程（也称范弟姆

13、特方程式）H：理论塔板高度，u：载气的线速率(cm/s)。减小A、B、C三项可提高柱效。存在着最佳流速。A，B，C三项各与哪些因素有关？涡流扩散项涡流扩散项纵向扩散项纵向扩散项传质阻力项传质阻力项第38页/共84页39A涡流扩散项 A=2dp dp：固定相的平均颗粒直径：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39页/共84页40B/u 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）(1)存在着浓度差，产生纵向扩散;(2)扩散导致色谱峰变宽，H(

14、n)，分离变差;(3)B/u与流速有关，流速，滞留时间，扩散;第40页/共84页41 k为容量因子；Dg、DL为扩散系数。减小担体粒度，选择相对分子质量小的气体作载气，可降低传质阻力。C u 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）（动画）第41页/共84页422.载气流速与柱效最佳流速载气流速高时：传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速，柱效。载气流速低时：分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速,柱效。H-u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

15、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。H=A+B/u+Cu第42页/共84页433.速率理论的要点 (1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散、传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。(2)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。(3)为色谱分离和操作条件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。(4)各种因素相互制约：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

16、能使柱效达到最高。第43页/共84页44影响分离的因素与提高柱效的途径 液体的扩散系数仅为气体的万分之一，则在高效液相色谱中,速率方程中的分子扩散项B/u较小，可忽略不计，即 H=A+C u 液体的黏度比气体大100倍，密度为气体的1000倍，故降低传质阻力是提高柱效主要途径。载体粒度较大时的LC曲线。第44页/共84页452.4 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，相邻两组分能够被完全分离。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：第45页/共

17、84页46讨论：色谱分离中的四种情况：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46页/共84页两组分怎样才达到完全分离？两组分怎样才达到完全分离？1.色谱峰之距离相差足够大；2.峰窄。第47页/共84页分离度第48页/共84页分离度R=0.75 不完全分离R=1.0峰A中含有4%的 BRs=1.5 分离程度可达99.7%；基本完全分离（相邻峰完全分开的标志）。保留时间之差两峰宽的均值第49页/共84页分离方程由上式可得第50页/共84页例.解：（1）从图中可以看出，tR2=17min,Y2=1

18、min,所以；n=16(tR2/Y2)2=16172=4624 (2)tR1=tR1-tM=14-1=13min t”R2=tR2 tM=17-1=16min第51页/共84页相对保留值 =tR2/tR1=16/13=1.231根据公式：L=16R2(1.231/(1.231-1)2 Heff通常对于填充柱，有效塔板高度约为0.1cm,代入上式，得：L=102.2cm 1m第52页/共84页第三节第三节 气相色谱仪气相色谱仪3.1 基本流程和主要部件载气系统进样系统色谱柱检测器记录、数据处理系统框架图第53页/共84页GC-7890气相色谱仪外观内部结构第54页/共84页6890 气相色谱仪

19、毛细管柱色谱 （美国安捷伦科技公司 Agilent)第55页/共84页气相色谱分析流程示意图1 载气钢瓶；2 减压阀；3 净化干燥管；4 针形阀；5 流量计；6 压力表；7 进样器；8 色谱柱；9 检测器；10-放大器；11 记录仪；12-温控器；13-尾气出口载气系统进样系统色谱柱检测器记录系统第56页/共84页573.2 载气系统载气系统气源、气体净化、气体流速控制和测量气源、气体净化、气体流速控制和测量1.常用的载气有：常用的载气有：氢气、氮气、氦气；氩气氢气、氮气、氦气；氩气2.净化干燥管净化干燥管:活性炭、硅胶、分子筛等活性炭、硅胶、分子筛等3.载气压力和流速控制、显示载气压力和流速

20、控制、显示第57页/共84页3.3 进样系统进样系统包括进样器和气化室（液包括进样器和气化室（液体进样）体进样）微量注射器（链接）微量注射器（链接）第58页/共84页定量进样常采用定量进样常采用六通阀六通阀 1.取样状态 2.进样状态第59页/共84页气化室 使液体样品迅速完全气化 温度应高于柱温3070 第60页/共84页3.4 色谱柱色谱柱填充柱：填充柱：内内装装固固定定相相，通通常常为为用用金金属属(不不锈锈钢钢)或或玻玻璃璃制制成成的的内内径径24mm、长、长0.5-6m的的U形或螺旋形的管子。形或螺旋形的管子。毛细管柱：毛细管柱：将将固固定定液液均均匀匀地地涂涂敷敷在在毛毛细细管管的

21、的内内壁壁，内内径径0.10.5mm、长长20-200m的毛细管。的毛细管。第61页/共84页固定相对于组分的分离起着固定相对于组分的分离起着关键性关键性作用。作用。气气-固色谱的固定相固色谱的固定相:1.具有吸附活性的多孔固体（吸附剂）具有吸附活性的多孔固体（吸附剂）2.具有特殊吸附活性的分子筛具有特殊吸附活性的分子筛 3.高分子多孔聚合物高分子多孔聚合物 固定相及其选择固定相及其选择第62页/共84页气气-液色谱固定相液色谱固定相 由担体由担体+固定液组成；固定液组成；在担体小颗粒表面涂渍上一薄层固定液在担体小颗粒表面涂渍上一薄层固定液第63页/共84页色谱柱色谱柱担体(如硅藻土)固定液5

22、25%高沸点有机化合物具有化学惰性多孔性固体承载固定液热稳定化学稳定+第64页/共84页(1)固定液固定液 固定液在常温下不一定为液体，但在使用固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下温度下一定一定呈液体状态，固定液种类繁多，一般呈液体状态，固定液种类繁多，一般为高沸点难挥发的有机化合物。为高沸点难挥发的有机化合物。固定液固定液分类分类a.按化学结构和官能团分：按化学结构和官能团分：烃类、醇和聚醇、酯和聚酯、聚硅氧烷、腈类等。烃类、醇和聚醇、酯和聚酯、聚硅氧烷、腈类等。b.按照固定液相对极性分：按照固定液相对极性分：非极性、弱极性、中等极性、强极性非极性、弱极性、中等极性、强极性第65页/共

23、84页第66页/共84页对固定液的要求对固定液的要求：挥发性小挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。热稳定性好热稳定性好，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。对试样各组分有适当的溶解能力对试样各组分有适当的溶解能力，否则易被载气带走而起不到分配作用。，否则易被载气带走而起不到分配作用。具具有有高高的的选选择择性性，即即对对沸沸点点相相同同或或相相近近的的不不同同物物质质有有尽尽可可能能高高的的分分离离能能力。力。化学稳定性好化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。，不与被测物质起化学反应。

24、第67页/共84页(2)固定液的选择固定液的选择 首先选择合适使用温度范围的固定液首先选择合适使用温度范围的固定液;一一般般根根据据“结结构构相相似似”和和“相相似似相相溶溶”的的原原则则，即即选选择择固固定定液液要要与与被被分分离离组组分分结结构构相似。相似。第68页/共84页 气液色谱，应根据“相似相溶”的原则 分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。第69页/共84页(4)柱长和柱内径的选择 增加柱长对提高分离度有利（柱长L与分离度R2成正比）。例如，当柱长由1m增

25、加到4.87m，分离度由0.68增加到1.50。但组分的保留时间tR，且柱阻力，不便操作。填充色谱柱的柱长通常为13米。柱内径一般为24毫米。第72页/共84页(5)柱温的确定 首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。柱温升高，分子扩散作用加剧，柱效下降，分离度下降。柱温，分离度，分析时间。柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。提高柱温可以改善气相和液相传质速率，有利于提高柱效。第73页/共84页柱温的选择原则是：在难分离组分对得到良好分离、而保留时间适宜且色谱在难

26、分离组分对得到良好分离、而保留时间适宜且色谱峰不拖尾的前题下，尽可能采用峰不拖尾的前题下，尽可能采用低的柱温低的柱温。柱温的选择还必须考虑试样的柱温的选择还必须考虑试样的沸点沸点。沸点高的混合物采。沸点高的混合物采用较高的柱温，反之，采用较低柱温。对于沸点范围用较高的柱温，反之，采用较低柱温。对于沸点范围较宽的试样，则宜采用程序升温方式，即柱温按预定较宽的试样，则宜采用程序升温方式，即柱温按预定的加热程序，随时间作线性或非线性的增加。的加热程序，随时间作线性或非线性的增加。第74页/共84页10203010203062 3456789min1345102030minmVmVmV（a）恒温45（

27、b）恒温14521min（c）程序升温301805图 恒温和程序升温对宽沸程试样分离的影响342781第75页/共84页3.5 检测系统检测系统检测器、控温装置检测器、控温装置将经色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转化为相应的电信号。将经色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转化为相应的电信号。根据检测原理不同，根据检测原理不同，浓度型浓度型、质量型质量型浓度型：热导池、电子捕获检测器浓度型：热导池、电子捕获检测器质量型：氢火焰离子化质量型：氢火焰离子化、火焰光度检测器火焰光度检测器第76页/共84页 氢火焰离子化检测器 flame ionization detector,FID1.特点 (1)典

28、型的质量型检测器;(2)对有机化合物具有很高的灵敏度;(3)无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应;(4)氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点;(5)比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12gg-1。第77页/共84页2.氢焰检测器的结构 (1)在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。(2)氢焰检测器需要用到三种气体：N2：载气携带试样组分；H2：为燃气；空气：助燃气。使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。第78页/共84页3.氢焰检测器的原理(1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷

29、出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基：CnHm CH(2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：CH+O CHO+e(3)生成的正离子CHO+与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：CHO+H2O H3O+COA区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区第79页/共84页氢焰检测器的原理（链接）(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）；(5)在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。(6)组分在氢焰中的电离效率很

30、低，大约五十万分之一的碳原子被电离。(7)离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区第80页/共84页气相色谱法应用领域石油和石油化工分析：原油分析、油料分析、单质烃分析、含硫/含氮/含氧化合物分析、汽油添加剂分析、脂肪烃分析、芳烃分析。环境分析：大气污染物分析、水分析、土壤分析、固体废弃物分析。第81页/共84页 食品分析：白酒酒精风味物质分析、香精香料分析、添加剂分析、食品包装材料分析。药物和临床分析：冰片、薄荷油、雌三醇分析、儿茶酚胺代谢产物分析、尿中孕二醇和孕三醇分析、血液中麻醉剂及氨基酸衍生物分析。第82页/共84页农药残留物分析：有机氯农药残留分析、有机磷农药残留分析、杀虫剂残留分析、除草剂残留分析等。精细化工分析：添加剂分析、催化剂分析、原材料分析、产品质量控制。第83页/共84页感谢您的观看。第84页/共84页