1、5 氣相色譜法原理Gas Chromatography,教學(xué)目的: 1.掌握色譜法的基本原理,概念和踏板理論,速率理論 2.了解色譜法的定性,定量測(cè)定方法 3.了解GC的特點(diǎn) 4.了解氣相色譜儀的組成 5.掌握如何選擇分離操作條件 6.了解GC的應(yīng)用 7.掌握有關(guān)計(jì)算 重點(diǎn): 踏板理論,速率理論,分離操作條件,檢測(cè)器 學(xué)時(shí):6學(xué)時(shí),3-1 概述,3.1.1. 色譜法:一種分離技術(shù) 1. 由俄國(guó)植物學(xué)家Tsweett創(chuàng)立 2.原理 使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行分配,其中一相是不動(dòng) 的(固定相),另一相(流動(dòng)相)攜帶混合物流過(guò)此固定相,與固 定相發(fā)生作用,在同一推動(dòng)力下,不同組分在固定相中滯留 的

2、時(shí)間不同,依次從固定相中流出,又稱色層法,層析法 3.分類 (1)氣相色譜和液相色譜(流動(dòng)相) (2)柱色譜,紙(PC)色譜,薄層色譜(TLC)(固定相) (3)吸附色譜,分配色譜,離子交換色譜,排阻色譜(物理化學(xué)原理) (4)洗脫法,頂替法,迎頭法,3.1.2色譜圖及相關(guān)術(shù)語(yǔ) 色譜圖:試樣中各組分經(jīng)色譜柱分離后,在柱的末端收集各組分,經(jīng)檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),用紀(jì)錄儀將各組分濃度記錄下來(lái),得到色譜圖 基線(baseline):O-t 反映檢測(cè)器系統(tǒng)噪聲隨時(shí)間變化的線 基線漂移(baseline drift):基線隨時(shí)間定向的變化 基線噪聲(baseline noise):由各種因素引起的基線起伏

3、 保留值(retention value): 試樣中各組分在色譜柱中的滯留時(shí)間,由色譜分離過(guò)程中的熱力學(xué)因素控制,作定性參數(shù) 1.死時(shí)間(dead time)tM:不被固定相吸附或溶解的物質(zhì)進(jìn)入色譜柱時(shí),從進(jìn)樣到出現(xiàn)極大值所需時(shí)間OA u=L/ tM 2.保留時(shí)間(retention time)tR:試樣從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)峰極大值所經(jīng)歷的時(shí)間OB 3.調(diào)整保留時(shí)間tR: tR= tR- tM,4.死體積VM: VM = tM.F0(流動(dòng)相體積流速) 5.保留體積VR: VR= tR . F0(流動(dòng)相體積流速) 6.調(diào)整保留體積VR: VR= VR- VM 7.相對(duì)保留值r21: r21= VR(

4、2)/ VR(1) = tR(2)/ tR(1) r21只與柱溫,固定相性質(zhì)有關(guān),是色譜定性分析的重要參數(shù),可用來(lái)表示固定相的選擇性 分配比k(partition ratio): 分配過(guò)程 分配系數(shù)K=CS/CM 分配比k:在一定溫度,壓力下,在兩相間達(dá)到平衡時(shí),組分在兩相之中的質(zhì)量比 k=nS/nM k=KVS/VM (why?) r21=k2/k1=K2/K1 k= tR/ tM,色譜峰高區(qū)域?qū)挾?Peak width):色譜峰寬度1標(biāo)準(zhǔn)偏差（）即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。2半峰寬（Y1/2）峰高一半處色譜峰的寬度 Y1/2=2.3543基線寬度（Y）Y=4從色譜圖得到的信息:1

5、.樣品中所含組分?jǐn)?shù)(峰個(gè)數(shù))2.定性分析(色譜峰的保留值)3.定量分析(色譜峰面積或峰高)4,評(píng)價(jià)色譜柱分離性能(區(qū)域?qū)挾?,5-2 色譜分離法基本理論涉及到試樣中各組分在兩相間的分配情況和各組分在色譜柱中的運(yùn)動(dòng)情況5.2.1 踏板理論1.假定:(1)在每小段,氣相平均組成與液相平均組成可以很快達(dá)到平衡,每小段高度稱為理論踏板高度(2)載氣進(jìn)入色譜柱是脈動(dòng)似的,每次進(jìn)氣為一個(gè)板體積(3)試樣開(kāi)始均加在第0號(hào)板上(4)分配系數(shù)在各踏板上是常數(shù)(線性色譜)2內(nèi)容(1) 理論踏板數(shù)n50(n=L/H)時(shí),可得到基本對(duì)稱的峰型曲線(2)樣品進(jìn)入色譜柱后,可得到良好分離(3)n與半峰寬及峰底寬的關(guān)系式,

6、當(dāng)tR一定時(shí),如果色譜峰越窄,則n越大,H越小,柱效能越高 (4)有效踏板數(shù) 踏板理論只能定性給出板高的概念 例題:p366 例1,例2 5.2.2 速率理論(rate theory) 1956年, Van Deemter等人提出的色譜過(guò)程的動(dòng)力學(xué)理論,吸取 了踏板理論中板高的概念,考慮影響板高的動(dòng)力學(xué)因素,導(dǎo)出方程,5.2.2 速率理論(rate theory),H=A+B/u+u,1.渦流擴(kuò)散項(xiàng)A(eddy diffusion term) A=2dp 使用適當(dāng)細(xì)粒度和顆粒均勻的擔(dān)體,盡量填充均勻,是減少渦流擴(kuò)散,提高柱效的有效途徑 2.分子擴(kuò)散項(xiàng)(縱向擴(kuò)散項(xiàng))B(molecular dif

7、fusion term) B=2 Dg 采用相對(duì)分子質(zhì)量較大的載氣;擔(dān)體填充均勻,可減少分子擴(kuò)散 采用較高的載氣流速,控制較低的柱溫 3.傳質(zhì)項(xiàng)Cu)(resistance to mass transfer) 采用粒度小的填充物和分子量小的氣體作載氣可提高柱效 固定相的液膜厚度薄,組分在液相的擴(kuò)散系數(shù)大,則液相傳質(zhì)阻力就小,板高方程對(duì)選擇色譜分離條件具有實(shí)際指導(dǎo)意義,它指出了色譜柱填充的均勻程度,填料粒度的大小,流動(dòng)相的種類與流速,固定相的液膜厚度對(duì)柱效的影響,4.載氣流速u對(duì)理論踏板高度的影響,5-3 色譜分離條件的選擇,5.3.1 柱效和選擇性 衡量柱效的指標(biāo):理論踏板數(shù)n有效 衡量色譜柱

8、的選擇性:色譜圖上兩峰間的距離,主要取決于組分在固定相上的熱力學(xué)性質(zhì) 5.3.2 分離度(resolution) R1時(shí),兩峰不能分離 R=1時(shí),兩峰能分離 R=1.5時(shí),兩峰能完全分離,要增大分離度需 1.增加踏板數(shù)n 2.加大容量因子 3.增大選擇性參數(shù)k,5.3.3色譜柱的選擇與制備 1固定相的選擇 根據(jù)“相似相溶”的原則選擇固定液,對(duì)于常見(jiàn)物質(zhì)的分析，也可參閱色譜手冊(cè)來(lái)確定合適的固定液。 固定液種類繁多，色譜手冊(cè)中通常給出十幾種優(yōu)選固定液，能滿足大部分色譜分析需要，對(duì)新試樣要判別試樣是否完全分離，需在不同分離柱上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 2柱長(zhǎng)和柱內(nèi)徑的選擇 已知分離度R正比于柱長(zhǎng)的平方根，增加柱長(zhǎng)

9、對(duì)分離度有利，但會(huì)使組分的保留時(shí)間增加，且柱阻力增加，不便操作。柱長(zhǎng)的選用原則是在能滿足分離目的的前提下，盡可能選用較短的柱。填充色譜柱的柱長(zhǎng)通常為13 m，內(nèi)徑34 cm。柱內(nèi)徑增加，柱效下降。,3柱的制備 柱的制備包括固定液的涂漬和柱的填裝。當(dāng)選定固定液和擔(dān)體后，還需確定固定液用量，原則是固定液應(yīng)能均勻覆蓋擔(dān)體表面形成薄的液膜，固定液的用量通常用配比來(lái)表示（固定液與擔(dān)體的質(zhì)量比），一般在5%25%之間。低配比，柱效較高。分析速度快，但允許的進(jìn)樣量低。 固定液的涂漬是將選定的固定液用合適的溶劑溶解后（溶劑用量以能完全浸沒(méi)單體為宜），加入擔(dān)體，緩慢蒸發(fā)溶劑至干燥。 螺旋形柱的填充通常采用真空填

10、充法，應(yīng)注意填充均勻，致密，但又不可使柱壓太大。 4色譜柱的老化 制備好的色譜柱在使用前要進(jìn)行老化處理，即將柱子在比其工作過(guò)程中的最高使用溫度高25的情況下通載氣加熱幾小時(shí)。為防止污染檢測(cè)器，需將柱出口與檢測(cè)器脫離直接引至室外。在老化過(guò)程中，填料中殘存的溶劑以及固定相中可能存在的低沸點(diǎn)組分隨載氣流出。此外，還有助于使擔(dān)體上的固定液分布的更加均勻。,5.3.4分離條件的選擇 1載氣種類和流速的選擇 由速率理論方程式：H = A + B / u + Cu可知，分子擴(kuò)散項(xiàng)與流速成反比，傳質(zhì)阻力項(xiàng)與流速成正比，故必有一最佳載氣流速能使色譜柱的理論塔板高度最小，柱效最高。當(dāng)載氣流速較小時(shí)，分子擴(kuò)散項(xiàng)對(duì)柱

11、效的影響較大，此時(shí)選用摩爾質(zhì)量較大的氣體如（N2，Ar）作為載氣，可抑制試樣的縱向擴(kuò)散，提高柱效。當(dāng)載氣流速較大時(shí)，傳質(zhì)阻力項(xiàng)起主要作用，采用較小摩爾質(zhì)量的載氣（如H2，He），可減小傳質(zhì)阻力，提高柱效，載氣的選擇還應(yīng)考慮檢測(cè)器的種類。 柱溫的選擇 當(dāng)柱子確定后，組分的分離程度還與柱溫有關(guān)，因此，柱溫的選擇是十分重要的。首先應(yīng)使柱溫在固定液的最高至最低使用范圍內(nèi)。柱溫升高，分離度下降，保留時(shí)間縮短，色譜峰變窄變高；柱溫下降，分離度增加，分析時(shí)間延長(zhǎng)。一般選擇接近或略低于組分平均沸點(diǎn)的溫度為柱溫。對(duì)于組分復(fù)雜，沸程很寬的試樣應(yīng)采用程序升溫的方法,進(jìn)樣方式和進(jìn)樣量的選擇 液體試樣采用色譜微量進(jìn)樣進(jìn)

12、樣，進(jìn)樣器規(guī)格有1L，10L，100L。 填充柱一般使用10L進(jìn)樣器，進(jìn)樣量應(yīng)控制在柱容量允許范圍及檢測(cè)器線性檢測(cè)范圍之內(nèi)。進(jìn)樣動(dòng)作要快，時(shí)間要短。氣體試樣應(yīng)采用氣體進(jìn)樣閥進(jìn)樣。 氣化溫度的選擇 在色譜儀進(jìn)樣口下端有一氣化器，液體試樣進(jìn)樣后，需要在此瞬間氣化，氣化溫度一般較柱溫高3070。應(yīng)防止氣化溫度太高而造成試樣分解。,5-4氣相色譜 5.4.1氣相色譜固定相 1.氣固色譜固定相 氣固色譜固定相通常是具有一定活性的固體吸附劑細(xì)小顆粒，常見(jiàn)的有：活性炭，三氧化二鋁，硅膠，分子篩，高分子多孔微球（GDX系列）等。 二、氣液色譜固定相 氣液色譜固定相是以一種惰性固體微粒作支持劑（稱其為擔(dān)體或載體

13、），在其表面涂敷上一高沸點(diǎn)的物質(zhì)（其在色譜分離操作溫度下呈液態(tài)，稱其為固定液）而構(gòu)成。,（一）擔(dān)體 化學(xué)惰性的多孔固體微粒，具有較大的比表面積，固定液能均勻地分布在其表面。擔(dān)體應(yīng)能滿足一定的要求。常見(jiàn)擔(dān)體有硅藻土型和非硅藻土型兩類。硅藻土型擔(dān)體應(yīng)用較廣泛，它又分為紅色擔(dān)體和白色擔(dān)體兩種，它們都是由天然硅藻土煅燒而成。白色擔(dān)體在煅燒前加入了少量助溶劑，如碳酸鈉等。 紅色擔(dān)體：孔徑較小，比表面積較大，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。 白色擔(dān)體：孔徑較大，比表面積較小，機(jī)械強(qiáng)度較差，吸附性小適宜分離極性組分的試樣。 擔(dān)體使用前需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理（經(jīng)酸洗、堿洗、硅烷化及釉化等處理，使

14、擔(dān)體表面鈍化）。,（二）固定液 1固定液 通常是高沸點(diǎn)的有機(jī)化合物，使用時(shí)注意其使用溫度。固定液應(yīng)能滿足一定的要求。 2固定液的極性 相對(duì)極性。 麥?zhǔn)铣?shù)。 3固定液的選擇 在掌握了固定液的相對(duì)極性和麥?zhǔn)铣?shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)試樣的性質(zhì)，參照“相似相溶”的原則，初步選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄒ骸?固定液的選擇大致可分為以下五種情況： （1）分離非極性組分一般選用非極性固定液。 （2）分離極性組分一般選用極性固定液。 （3） 分離非極性和極性（或易被極化的）組分的混合物一般選用極性固定液。,（4）分離能形成氫鍵的組分（如：醇，胺，水等）一般選用極性的或氫鍵型的固定液。 （5）對(duì)于復(fù)雜的難分離組分的分離通常采用特

15、殊的固定液或混合固定液。 5.4.2氣相色譜儀,1.氣路系統(tǒng)(carrier gas) (1)載氣 (2)氣路結(jié)構(gòu) (3)凈化器 (4)穩(wěn)壓恒流裝置,2.進(jìn)樣系統(tǒng)(sample injection) (1)進(jìn)樣器 (2)氣化室,3.分離系統(tǒng) 色譜柱 (capillary column),4.溫控系統(tǒng) 5.檢測(cè)器(detector) 濃度型微分檢測(cè)器:熱導(dǎo)池檢測(cè)器(thermal-conductivity detector TCD), 電子捕獲檢測(cè)器(electron-capture detector ECD) 質(zhì)量型微分檢測(cè)器:氫氧焰離子化檢測(cè)器(hydrogen-flame ionizati

16、on detector FID) 1.熱導(dǎo)池檢測(cè)器 檢測(cè)原理:不同的物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)系數(shù),ECD,FID,(2)FID,思考題: 1.進(jìn)行色譜分析時(shí),載氣流速時(shí)高一些好,還是低一些好? 2.選擇固定相時(shí),應(yīng)遵循什么原則? 3.熱導(dǎo)池檢測(cè)器的工作原理如何?,5-5 氣相色譜分析方法及應(yīng)用 5.5.1試樣的預(yù)處理 1.化學(xué)衍生化 2.裂解技術(shù) 3.分離與富集 蒸餾,萃取,吸收,冷凍 5.5.1定性方法 1.利用保留值與已知物對(duì)照 (1)保留時(shí)間 (2)峰高增量 (3)雙色譜系統(tǒng) 2.利用保留值經(jīng)驗(yàn)規(guī)律定性 碳數(shù)規(guī)律,沸點(diǎn)規(guī)律,2.利用保留值經(jīng)驗(yàn)規(guī)律定性 碳數(shù)規(guī)律:一定溫度下,同系物保留值的對(duì)數(shù)值與其分子中碳原子數(shù)成正比 lgtR=A1n+C1 沸點(diǎn)規(guī)律:在一定色譜條件下,同族具有相同碳數(shù)的碳鏈異構(gòu)體,其保留值的對(duì)數(shù)與其沸點(diǎn)成正比 lgtR=A2Tb+C2 3.根據(jù)文獻(xiàn)保留值定性 (1)相對(duì)保留值定性法 (2)保留指數(shù)定性法,5.5.2色譜定量方法,定量分析的依據(jù):mi=fi.Ai fi:相對(duì)校正因子 fi=fi/fs=miAs/msAi 需要: (1)準(zhǔn)確測(cè)量峰面積 (2)準(zhǔn)確求出比例常數(shù) (3)正確選用定量分析方法