C气相色谱分析法实用.pptx

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1、柱液相色谱分离方法第1页/共68页简单配置的高效液相色谱仪第2页/共68页二、色谱法定义、实质和目的定义：利用物质的物理化学性质建立的分离、分析方法实质：分离目的：定性分析或定量分析三、分类：按两相分子的聚集状态分：流动相流动相 固定相固定相 类型类型液相色谱液相色谱液液液液体体体体 固固固固体体体体 液液液液-固色谱固色谱固色谱固色谱液液液液体体体体 液液液液体体体体 液液液液-液色谱液色谱液色谱液色谱气体气体气体气体 固体固体固体固体 气气气气-固色谱固色谱固色谱固色谱气气气气体体体体 液液液液体体体体 气气气气-液色谱液色谱液色谱液色谱气相色谱气相色谱第3页/共68页色谱法的分类第4页/

2、共68页四、色谱法的特点优点：缺点：高选择性高选择性可将性质相似的组分分开可将性质相似的组分分开 高效能高效能反复多次利用组分性质的差异反复多次利用组分性质的差异 产生很好分离效果产生很好分离效果 高灵敏度高灵敏度1010-11-111010-13-13g g，适于痕量分析，适于痕量分析 分析速度快分析速度快几几 几十分钟完成分离几十分钟完成分离 一次一次 可以测多种样品可以测多种样品 应用范围广应用范围广气体、液体和固体物质试样气体、液体和固体物质试样(柱柱温条件下能汽化温条件下能汽化)对未知物分析的定性专属性差对未知物分析的定性专属性差 需要与其他分析方法联用需要与其他分析方法联用(GC-

3、MS,LC-MS)(GC-MS,LC-MS)第5页/共68页五.气相色谱分析法流程（填充柱）图14-4 气相色谱分析示意图第6页/共68页流流量量控制器控制器进样口口检测器器柱温箱柱温箱柱柱气气体体钢瓶瓶电信号 数据处理GC 的结构第7页/共68页色谱分析过程第8页/共68页气相色谱柱(column)色谱柱组成色谱柱组成 柱管柱管 填充剂填充剂填充柱：填充柱：2424米柱长，米柱长，26mm26mm内径内径毛细管柱：几十米毛细管柱：几十米 几百米柱长几百米柱长 0.10.5mm0.10.5mm内径内径固体吸附剂固体吸附剂气气-固吸附色谱柱固吸附色谱柱载体载体+固定液固定液气气-液分配色谱柱液分

4、配色谱柱第9页/共68页一、色谱过程、分离原理及特点（一）色谱过程 指被分离组分在两相中的“分配”平衡过程以吸附色谱为例见图示 吸附 解吸再吸附 再解吸 反复多次洗脱被测组分分配系数不同 差速迁移 分离第二节 色谱法的原理第10页/共68页图示分配系数的微小差异吸附能力的微小差异微小差异积累较大差异吸附能力弱的组分先流出；吸附能力强的组分后流出back第11页/共68页（二）色谱分离原理色谱法的分离原理主要是利用物质在流动相与固定相之间的分配系数差异而实现分离。分配平衡可以用分配系数和分配比来衡量（三）色谱分离特点1不同组分通过色谱柱时的迁移速度不等提供了分离的可能性2各组分沿柱子扩散分布峰宽

5、不利于不同组分分离第12页/共68页二、分配过程及其表征参数基本概念：固定相固定相（s）；流动相流动相（m）n n气固色谱气固色谱 GSCGSC分配过程分配过程吸附吸附 脱附脱附n n气液色谱气液色谱 GLCGLC分配过程分配过程溶解溶解 挥发挥发n n分配系数分配系数 partition coefficient (partition coefficient (色谱分离的依据色谱分离的依据)指在一定温度和压力下，组分在色谱柱中达分配平衡后，在固定相与流动相中的浓度比指在一定温度和压力下，组分在色谱柱中达分配平衡后，在固定相与流动相中的浓度比 K K=C=CS S/C/CMMn n分配比分配比

6、partition ratio or capacity factorpartition ratio or capacity factor 最终决定组分的分离最终决定组分的分离.质量比质量比 k k=m =m S S/m/mM M 质量比质量比第13页/共68页（一）气固色谱法固定相吸附剂（硅胶、Al2O3或高分子多孔微球GDX等）具表面活性吸附中心分离机制分离机制：利用吸附剂对不同组分的吸附能力差异而实现分离利用吸附剂对不同组分的吸附能力差异而实现分离吸附解吸再吸附再解吸无数次洗脱分开 第14页/共68页（二）气液色谱法固定相担体(惰性多孔性固体)表面涂固定液(高沸点的有机物)流动相必须与固定

7、相不互溶载体(担体)惰性，性质稳定，不与固定相和流动相发生化学反应分离机制分离机制利用组分在固定液里的溶解度差别实现分离类似类似连续萃取连续萃取过程过程 第15页/共68页典型气相色谱图（岛津色谱软件记录）第16页/共68页三、色谱图有关参数及其色谱基本关系(P 271)n n单个组分峰相关参数单个组分峰相关参数 重点重点色谱图色谱图色谱流出曲线色谱流出曲线 峰高峰高 h h 峰面积峰面积 A A基线基线 保留值保留值区域宽度区域宽度第17页/共68页单个组分的模拟色谱图“非滞留组分”-不与固定相作用的组分峰，与所使用的检测器有关，如使用热导检测器热导检测器时指的是空气空气 组分峰，使用氢焰检

8、测器氢焰检测器则为甲烷甲烷 峰。第18页/共68页保留值（retentionvalue定性参数）1保留时间保留时间tR：从进样开始到某组分色谱峰顶（浓度极大点）的时间，即组分在色谱柱中的停留时间或 组分流经色谱柱所需要的时间。2死时间死时间（hold-up time）tM：不被固定相滞留的组分的出峰时间，即组分在流动相中的停留时间或流动相流经色谱 柱所需要的时间（又称流动相保留时间）。第19页/共68页r21=tR(2)/tR(1)3调整保留时间保留时间tR：扣除了死时间的保死时间的保留时间留时间4相对保留值相对保留值r21 或选择因子或选择因子 保留值tR=tR-tM 第20页/共68页区域

9、宽度 peak widthn标准偏差 standard deviationn半峰宽 peak width at half-height Y1/2=2.354 n峰底宽 peak width at peak base Wb b=4 第21页/共68页分配系数K、分配比k及其与保留值的关系 分配系数（partition coefficient）K 当组分进入色谱柱时，流动相携带组分前移，组分就在固定相和流动相之间进行分配。分配系数K是在一定温度、压力下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比：cS和cM和分别为组分分配在固定相和流动相中的浓度。在条件（固定相、流动相和温度等）一定，cS和cM很小时，

10、分配系数K只决定于组分的性质，而与浓度无关。第22页/共68页 分配比（partition ratio）k分配比k定义为在一定温度、压力下，组分在两相间达到分配平衡时的质量比：mS和mM分别为组分分配在固定相和流动相中的质量，故k值有时又称为质量分配系数。k值还可以表示为：k又称容量因子 （capacity factor）k值大小可根据式（1410）直接从色谱图测得。第23页/共68页 由上式可得 保留值的表达式：tR=tM（1k）样品中k值大的组分在固定相中滞留时间长，后流出色谱柱；k值小的组分则滞留时间短，先流出色谱柱。第24页/共68页分配比k 与分配系数K 的关系：VS和VM分别为流动

11、相和固定相占有的体积；=VM/VS，称为色谱柱的相比（phase ratio），是色谱柱的结构参数之一。分配比k与相比有关色谱保留方程：tR=tM（1 ）第25页/共68页色谱柱效能（columnefficiency）塔板理论提出以理论塔板数表示色谱柱分离效能塔板理论模型-解释色谱分离过程 半经验理论 马丁（Martin）和辛格（Synge）提出 第26页/共68页塔板理论模型假设（1）色谱柱存在多级塔 板;（2）组分通过时在每级塔板两相间达到一次平衡r0r1r2。rnLH第27页/共68页 理论塔板数n（number of theoretical plates）柱效能的指标 理论塔板高度H（

12、height equivalent to a theoretical plate）有效塔板数n有效（number of effective plate 有效塔板高度H有效（height equivalent to a effective plate）第28页/共68页多个组分峰的模拟色谱图第29页/共68页相邻组分峰相关参数（1）相对保留值r2,1（relative retention value）相对保留值是指两个组分的调整保留值之比：色谱定性中常被用于判断未知峰，它可以把未知峰和标准物联系起来：-未知化合物和标准物的调整保留时间之比 第30页/共68页选择性因子相对保留值表示了固定相（色谱

13、柱）对两种组分的选择性，可以反映分离效率，称为 分离因子（separation factor）或 选择性因子（selectivity factor）常用符号表示：值越大，说明两组分的相差越大，两组分的分配比或分配系数相差越大，分离得就越好，当=1时，两组分根本不能被分离两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。值与峰宽无关，不能说明相邻峰实际分离的程度。第31页/共68页（2）分离度R（resolution）分离度-两相邻色谱峰的组分（物质对）的实际分离程度可用来定量描述。广泛采用的是峰底分离度R定义:相邻两组分色谱峰的保留值之差与两组分色谱峰底宽平均值的比值(峰间距与平均峰底宽之比)tR

14、1、tR2分别为相邻两峰的保留时间，Wb1、Wb2分别为两峰的峰底宽度。R是无量纲量。tR和Wb的单位（时间或长度）要统一。第32页/共68页第三节色谱基本理论p276一、色谱分离过程物质组分在两相之间发生的吸附、脱附(气固色谱)和溶解、挥发（气液色谱）的过程称为分配过程。色谱分离过程就是物质分子在相对运动的两相间分配“平衡”的过程。这种分配行为可用分配系数、分配比和相比率来定量描述 第33页/共68页色谱中的分配系数是广义的，包括溶解、吸附、离子交换、亲和力和分子大小等分离特性。色谱法的高效率在于其独特的“动态分离过程”，即反复多次的分配，大大扩大了原来分配系数的差异，从而实现混合物的分离。

15、第34页/共68页二、色谱分离的基本理论塔板理论速率理论第35页/共68页塔板理论要点：要点：u将色谱柱比拟为由许多塔板将色谱柱比拟为由许多塔板组成的蒸馏塔。组成的蒸馏塔。u 即把一根连续的色谱柱设即把一根连续的色谱柱设想成由许多小段组成。想成由许多小段组成。u 在每一小段内，一部分空在每一小段内，一部分空间为固定相占据，另一部分间为固定相占据，另一部分空间充满流动相。组分随流空间充满流动相。组分随流动相进入色谱柱后，就在两动相进入色谱柱后，就在两相间进行分配相间进行分配r0r1r2。rn第36页/共68页塔板理论假设色谱柱存在多级塔 板;组分通过时在每级塔板两相间达到一次平衡r0r1r2。r

16、nLH第37页/共68页假定在每一小段内组分可以很快地在两相中达到分配平衡，把这样一个小段称为一个理论塔板（theoretical plate），一个理论塔板的长度称为理论塔板高度（theoretical plate height）H当色谱柱长 L 一定时，n 值越大，或 H 值越小，组分被反复分配的次数越多，柱效能越高，分离能力越强。因此，n 或H 可以作为描述柱效能的一个指标。第38页/共68页经过多次分配平衡，分配系数小的组分，先离开蒸馏塔，分配系数大的组分后离开蒸馏塔。由于色谱柱内的塔板数相当多，即使组分的分配系数只有微小差异仍可以获得好的分离效果。色谱柱的分离效能用理论塔板数、理论塔

17、板高度、有效塔板数、有效塔板高度等表示。第39页/共68页理论塔板数的计算第40页/共68页组分保留时间相同、塔板数不同的色谱峰第41页/共68页柱效能与峰分离（a）低柱效，峰形宽，两峰重叠，分离不完全（b）高柱效，峰形窄，两峰分离完全 第42页/共68页柱效能不能表示被分离组分的实际分离效果色谱柱的理论塔板数的大小只能说明色谱柱对某一组分分离效能的好坏，不能说明组分间分离的好坏，因为分离好坏决定于各组分在两相间分配系数的差别，而不是分配次数的多少。因此无论是有效塔板数还是理论塔板数都不能作为两个组分能否分离的依据。第43页/共68页速率理论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

18、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，显然塔板理论不足以说明色谱柱的分离过程。速率理论克服塔板理论的不足，充分考虑组分在两相间达到分配平衡的实际速率，即充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程。第44页/共68页速率理论Van Deemter 方程1956年 Van Deemter 提出速率方程：u流动相流动的线速度第45页/共68页涡流扩散项涡流扩散项涡流扩散项涡流扩散项传质阻力项传质阻力项传质阻力项传质阻力项纵向扩散项纵向扩散项纵向扩散项纵向扩散项三个动力学因数导致色谱峰展宽第46页/共68页1.A 涡流扩散项（又称多径项）指固定相填充不均匀引起的扩散 填充不规则 因子dp

19、固定相颗粒粒径 毛细管柱 A0由于色谱柱内固定相颗粒大小不同以及填充不均匀，同时进入色谱柱的同一组分的分子在柱内的运行路径长短不一，从而造成峰扩展。第47页/共68页气相色谱柱（填充柱和毛细管柱）第48页/共68页2.B/u分子扩散项（又称纵向扩散项）指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽B=2 r Dmr弯曲因子，填充柱 r 1 空心柱 r=1Dm组分在流动相中的扩散系数载气的线速度愈小，分子扩散项B/u的影响愈大，是峰扩展的主要原因。分子扩散项系数进样后组分分子在柱内存在浓度梯度，导致轴向扩散而引起峰扩展 第49页/共68页3.Cu传质阻力项指组分在流动相和固定相之间传质的阻力传质阻力项

20、系数 C=Cg+Cl由于组分在气液两相进行质量传递时不能瞬间达到平衡而造成的峰扩展 q 和 为与两相的构型和性质有关的常数dp 和 df 为固定相颗粒直径和固定液膜的厚度第50页/共68页综上所述，速率方程为：速率方程表明理论塔板高度是引起峰扩展的诸因素对理论塔板高度的贡献的总和，对色谱分离条件的选择具有理论指导意义。速率方程指出了填充均匀程度、填充物粒度、流动相的种类及流速、固定相的液膜厚度等因素对柱效、峰展宽的影响 第51页/共68页谱带展宽载气轴向第52页/共68页三、分离度与分离条件的选择1.分离度分离度 Resolution:Resolution:是一个色谱柱分离效能色谱柱分离效能综

21、合指标，考虑了保留时间（热力学）和峰宽度（动力学）对于对于难分离物质对难分离物质对:第53页/共68页分离度分离度 R （ResolutionResolution）:色谱柱分离效能指标色谱柱分离效能指标 l R R 是是峰间距峰间距与与平均峰底宽平均峰底宽之比之比l l 要使两组分分离：要使两组分分离：l l 两峰之间必须有足够的距离两峰之间必须有足够的距离(分配系数分配系数有差异有差异),),l l 峰形较窄峰形较窄(柱效能柱效能足够高足够高)第54页/共68页柱效能与峰分离（a）低柱效，峰形宽，两峰重叠，分离不完全（b）高柱效，峰形窄，两峰分离完全 第55页/共68页第四节气相色谱定性与定

22、量p281一、定性分析一、定性分析定性依据定性依据:各种物质在一定的色谱条件下均有确定不变的保留值各种物质在一定的色谱条件下均有确定不变的保留值1利用保留值 t tR R 定性 1）已知对照物定性：定性专属性差 2）相对保留值r r2121定性2.利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR第56页/共68页微量注射器第57页/共68页（一）峰面积的测量（一）峰面积的测量 p2831对于正常峰 2 2自动求和（自动积分仪或色谱工作站）：自动求和（自动积分仪或色谱工作站）：直接给出直接给出A A，h h，WW1/21/2二、定量分析以峰高或峰面积定量第58页/共68页色谱工作站色谱参数的选择和设

23、定：自动化操作仪器；色谱数据的采集和存储，并作“实时”处理；对采集和存储的数据进行后处理；自动打印，给出一套完整的色谱分析数据和图谱。同时也可把一些常用色谱参数、操作程序，及各种定量计算方法存入存储器中，需用时调出直接使用。第59页/共68页N2010色谱工作站 第60页/共68页（二）定量校正因子（二）定量校正因子 相对校正因子f fmi与待测物i、基准物s和检测器类型有关，与操作条件无关第61页/共68页（三）定量方法1归一化法 2外标法 3内标法 第62页/共68页前提：试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰前提：试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰依据：组分含量与峰面积成正比依据：组分含量与峰面积成正比优点：简便，准确;色谱条件略有变化对结果几乎无影响缺点：所有组分必须在一定时间内都出峰;必须已知所有组分的校正因子 1.归一化法第63页/共68页第五节气相色谱检测器p290n检测器的作用是将流出色谱柱的被测组分的浓度 转变为电信号n n常用检测器常用检测器热导检测器（TCD）氢焰检测器（FID）第64页/共68页TCD检测原理检测原理依据组分与载气的热导率差别进行检测第65页/共68页TCD结构第66页/共68页TCD检测原理1）进样前：两臂均通载气时 2）进样后：测量臂通样品气体+载气 参比臂通载气时第67页/共68页感谢您的欣赏！第68页/共68页