清華儀器分析課件--第二章 氣相色譜分析.ppt

1、,第二章 氣相色譜分析 2-1 氣相色譜法概述 色譜法(chromatography)：以試樣組分在固定相和流動(dòng)相間的溶解、吸附、分配、離子交換或其他親和作用的差異為依據(jù)而建立起來(lái)的各種分離分析方法稱色譜法。 色譜柱：進(jìn)行色譜分離用的細(xì)長(zhǎng)管。 固定相：（stationary phase） 管內(nèi)保持固 定、起分離作用的填充物。 流動(dòng)相：（mobile phase）流經(jīng)固定相的空隙 或表面的沖洗劑。,按固定相的幾何形式分類： 1.柱色譜法， 2.紙色譜法， 3.薄層色譜法 。 按兩相所處的狀態(tài)分類：,氣相色譜法,液相色譜法,氣-固色譜法,液-固色譜法,氣-液色譜法,液-液色譜法,氣相色譜儀通常由五

2、部分組成： 載氣系統(tǒng)：氣源、氣體凈化器、供氣控 制閥門和儀表。 進(jìn)樣系統(tǒng)：進(jìn)樣器、汽化室。 分離系統(tǒng)：色譜柱、控溫柱箱。 檢測(cè)系統(tǒng)：檢測(cè)器、檢測(cè)室。 記錄系統(tǒng)：放大器、記錄儀、 色譜工作站。,國(guó)產(chǎn)氣相色譜儀,圖1 、色譜過(guò)程 圖2、 色譜圖,A,B,KAKB,色譜圖（chromatogram）： 試樣中各組分經(jīng)色譜柱分離后，按先后次序經(jīng)過(guò)檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器就將流動(dòng)相中各組分濃度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，由記錄儀所記錄下的信號(hào)時(shí)間曲線或信號(hào)流動(dòng)相體積曲線，稱為色譜流出曲線，,色譜圖界面,常用術(shù)語(yǔ)： 基線： 在操作條件下，僅有純流動(dòng)相進(jìn) 入檢測(cè)器時(shí)的流出曲線。 峰高與峰面積：色譜峰頂點(diǎn)與峰底之間的 垂

3、直距離稱為峰高(peak height)。用h表示。 峰與峰底之間的面積稱為峰面積(peak area)， 用A表示。 峰的區(qū)域?qū)挾龋?a、峰底寬 WD = 4=1.70 Wh/2 b、半高峰寬 Wh/2=2.355 c、標(biāo)準(zhǔn)偏差峰寬 W0.607h=2,保留值: 1) 保留時(shí)間：從進(jìn)樣至被測(cè)組分出現(xiàn)濃度最大值時(shí)所需時(shí)間tR。 2) 保留體積 ：從進(jìn)樣至被測(cè)組分出現(xiàn)最大濃度時(shí)流動(dòng)相通過(guò)的體積，VR。 死時(shí)間： 不被固定相滯留的組分，從進(jìn)樣至出現(xiàn)濃度最大值時(shí)所需的時(shí)間稱為死時(shí)間(dead time)，tM。 死體積: 不被固定相滯留的組分，從進(jìn)樣至出現(xiàn)濃度最大值時(shí)流動(dòng)相通過(guò)的體積稱為死體積(de

4、ad volume) ，VM。（F0為柱尾載氣體積流量） VM = tM F 0,調(diào)整保留值: 1) 調(diào)整保留時(shí)間：扣除死時(shí)間后的保留時(shí)間。 tR= tR tM 2) 調(diào)整保留體積：扣除死體積后的保留體積。 VR = VR VM 或 VR = tR F0 相對(duì)保留值（relative retention） 在相同的操作條件下，待測(cè)組分與參比組分的調(diào)整保留值之比，用ri，s 表示,色譜分析的實(shí)驗(yàn)依據(jù)： 、根據(jù)色譜峰的位置（保留時(shí)間）可以進(jìn)行定性分析。 2、根據(jù)色譜峰的面積或峰高可以進(jìn)行定量分析。 3、根據(jù)色譜峰的展寬程度，可以對(duì)某物質(zhì)在實(shí)驗(yàn)條件下的分離特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 由此可知：相對(duì)保留值應(yīng)該與柱

5、長(zhǎng)、柱徑、填充情況、流動(dòng)相流速等條件無(wú)關(guān)，而僅與溫度、固定相種類有關(guān)。 當(dāng)ri，s =1時(shí)兩個(gè)組分不能分離。,2-2 氣相色譜分析理論基礎(chǔ) 一、分配平衡的幾個(gè)參數(shù)： 1、分配系數(shù)（distribution coefficient） 在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相間達(dá)到分配平衡時(shí)的濃度比值，用K表示。 。 2、容量因子（capacity factor） 在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相之間分配達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量比，稱為容量因子，也稱分配比，用k表示。,cs、cm分別為組分在固定相和流動(dòng)相的濃度(g/ml)；V m為色譜柱中流動(dòng)相的體積，近似等于死體積， Vs為色譜柱中固定相的體積

6、。 3、分配系數(shù)和分配比之間的關(guān)系 分配系數(shù)K 與柱中固定相和流動(dòng)相的體積無(wú)關(guān)，而取決于組分及兩相的性質(zhì)，并隨柱溫、柱壓變化而變化。 容量因子k 決定于組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)，隨柱溫、柱壓的變化而變化，還與流動(dòng)相及固定相的體積有關(guān)。,理論上可以推導(dǎo)出：,Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各種色譜柱柱型及其結(jié)構(gòu)特征 填充柱（Packing column）: 635 毛細(xì)管柱（Capillary column）: 501500,色譜過(guò)程的基本方程式：,二、色譜分離的基本理論 1、塔板理論（ Martin and Synge 1941） 塔板理論認(rèn)為，一根柱子可以分為n段

7、，在每段內(nèi)組分在兩相間很快達(dá)到平衡，把每一段稱為一塊理論塔板。設(shè)柱長(zhǎng)為L(zhǎng)，理論塔板高度為H，則 H = L / n 式中n為理論塔板數(shù)。 理論塔板數(shù)（n）可根據(jù)色譜圖上所測(cè)得的保留時(shí)間（tR）和峰底寬（w）或半峰寬（ wh/2 ）按下式推算：,或,有效塔板數(shù)（neff）的計(jì)算公式為；,通常用有效塔板數(shù)（neff）來(lái)評(píng)價(jià)柱的效能比較符合實(shí)際。 neff 越大或Heff越小，則色譜柱的柱效越高。,Heff=L/neff,2、速率理論 （J. J. Van Deemter 1956） 速率理論認(rèn)為，單個(gè)組分粒子在色譜柱內(nèi)固定相和流動(dòng)相間要發(fā)生千萬(wàn)次轉(zhuǎn)移，加上分子擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)途徑等因素，它在柱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是

8、高度不規(guī)則的，是隨機(jī)的，在柱中隨流動(dòng)相前進(jìn)的速度是不均一的。 A項(xiàng)為渦流擴(kuò)散項(xiàng)；B/ u項(xiàng)為分子擴(kuò)散項(xiàng)；C u為傳質(zhì)項(xiàng)，；u為載氣線速度，單位為cm/s。,范第姆特方程式(Van Deemter equation),Stationary phase,Stationary liquid,Capillary wall,2-3 色譜分離條件的選擇 一、分離度（resolution） 相鄰兩色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰底寬度平均值之比，用R表示。分離度可以用來(lái)作為衡量色譜峰分離效能的指標(biāo)。 R 越大，表明兩組分分離效果越好 保留值之差取決于固定液的熱力學(xué)性質(zhì) 色譜峰寬窄反映色譜過(guò)程動(dòng)力學(xué)因素 及柱效

9、能高低,對(duì)于峰形對(duì)稱且滿足正態(tài)分布的色譜峰： R=1, 分離程度為98%； R=1.5，分離程度可達(dá)99.7%。 所以R=1.5時(shí)可認(rèn)為色譜峰已完全分開(kāi)。,二、色譜分離關(guān)系式 設(shè)兩相鄰峰的峰寬相等，即w1=w2，則,又知,另,稱為柱效項(xiàng)；,稱為柱選擇項(xiàng)；,容量因子項(xiàng)。,相對(duì)保留因子,與柱效的關(guān)系（柱效因子） 與容量因子的關(guān)系,R n1/2,增加柱長(zhǎng),減小塔板高度,限制：L過(guò)長(zhǎng)，保留時(shí)間延長(zhǎng)，分析時(shí)間延長(zhǎng)，色譜峰擴(kuò)展。,使用性能優(yōu)良的色譜柱，并選擇最佳分離條件,k值增大，有利于分離，但k 10時(shí)，對(duì)R的增加不明顯，也會(huì)顯著增加分析時(shí)間 k的最佳范圍：1 10,與柱選擇性的關(guān)系 分離度、柱效、柱選

10、擇性的關(guān)系,r2,1越大，柱選擇性越好，分離效果越好。如果兩個(gè)相鄰峰的選擇因子足夠大，則即使色譜柱的理論塔板數(shù)較小，也可以實(shí)現(xiàn)分離。,例題：設(shè)有一對(duì)物質(zhì)，其r2,1 =1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分離，試計(jì)算至少需要多長(zhǎng)的色譜柱？ 解：要實(shí)現(xiàn)完全分離，R1.5,故所需有效理論塔板數(shù)為：,使用普通色譜柱，有效塔板高度為0.1cm, 故所需柱長(zhǎng)應(yīng)為：,三、色譜條件的選擇 1、載氣流速的選擇（與分析時(shí)間、柱效有關(guān)）,實(shí)際工作中，為了縮短分析時(shí)間，常使流速 稍高與最佳流速。,2、分離柱型的選擇（與總柱效、分離度R有關(guān)）,3、柱溫的選擇（與ri，j有關(guān)） 能使沸點(diǎn)最高的組分達(dá)

11、到分離的前提下，盡量選擇較低的溫度。當(dāng)然被測(cè)物的保留時(shí)間要短、峰形不能有嚴(yán)重拖尾。最好用程序升溫方法，以實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選擇的條件為工作條件。 4、固定液與擔(dān)體的選擇（與相比有關(guān)） 由實(shí)驗(yàn)手冊(cè)查出參考值，再由實(shí)驗(yàn)選擇。 5、汽化室與檢測(cè)室溫度（與被測(cè)對(duì)象的利用度有關(guān)） 汽化溫度、檢測(cè)室溫度高于柱溫30-70度。 6、進(jìn)樣量：（與柱容量有關(guān)） 根據(jù)擔(dān)液比及柱子形式?jīng)Q定進(jìn)樣量，進(jìn)樣 方式為柱塞進(jìn)樣。,2-4 固定相及其選擇 一、固定相的類型： 吸附劑型固定相 固定相 擔(dān)體+固定液型固定相 常用吸附劑型固定相有：,常用擔(dān)體+固定液型固定相中： 常用擔(dān)體有： 1、紅色擔(dān)體：（101型擔(dān)體） 特點(diǎn)是：表面空隙小

12、、比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度 高、擔(dān)液能力強(qiáng)、表面有吸附中心。 2、白色擔(dān)體：（6201型擔(dān)體） 特點(diǎn)是：表面空隙較大、比表面積較小、機(jī)械 強(qiáng)度較差、擔(dān)液能力中、表面無(wú)吸附中心。 3、非硅藻土型擔(dān)體：聚合氟塑料擔(dān)體、玻璃 微球擔(dān)體、高分子微球擔(dān)體等。 特點(diǎn)是：表面空隙適中、比表面積適中、機(jī)械強(qiáng) 度較強(qiáng)、耐高溫、耐強(qiáng)腐蝕、價(jià)格偏高。 硅藻土型擔(dān)體用前要預(yù)處理：酸洗、堿洗、硅烷化。,二、固定液的類型：,三、固定液的極性： 固定液與待測(cè)化合物之間的作用力主要屬定向力、誘導(dǎo)力、色散力、氫鍵力等弱相互作用為主，所以固定相的極性對(duì)分離過(guò)程非常重要，固定相極性用相對(duì)極性P的公式表示： 規(guī)定：,-氧二丙腈固定液的P

13、=100、角鯊?fù)楣潭ㄒ旱腜=0 、測(cè)試標(biāo)樣為環(huán)己烷-苯,按P的數(shù)值將固定液的極性以20間隔分為五級(jí)： 020 為0+1 ，稱非極性固定液； 2040 為+1+2 ，稱弱極性固定液； 4060 為+2+3 ，稱中極性固定液； 80100 為+4+5 , 稱強(qiáng)極性固定液； 固定液的極性與待測(cè)組分極性的選擇原則為： “相似相溶原理”,四、固定液選擇示例,2-5 氣相色譜檢測(cè)器 一、氣相色譜檢測(cè)器的類型 氣相色譜檢測(cè)器根據(jù)響應(yīng)原理的不同可分為濃度型檢測(cè)器和質(zhì)量型檢測(cè)器兩類。 濃度型檢測(cè)器：測(cè)量的是載氣中某組分瞬間濃度的變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和組分的瞬間濃度成正比。如熱導(dǎo)池檢測(cè)器（TCD）和電子捕獲檢測(cè)

14、器（ECD） 質(zhì)量型檢測(cè)器：測(cè)量的是載氣中某組分質(zhì)量比率的變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和單位時(shí)間進(jìn)入檢測(cè)器的組分質(zhì)量成正比。如氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）和火焰光度檢測(cè)器（FPD）,通用檢測(cè)器有： 1、熱導(dǎo)池檢測(cè)器，TCD (Thermal conductivity detector) 測(cè)一般化合物和永久性氣體 2、氫火焰離子化檢測(cè)器,FID (Hydrogen flame ionization detector) 測(cè)一般有機(jī)化合物 專用檢測(cè)器有： 3、電子俘獲檢測(cè)器，ECD (Electron capture detector) 測(cè)帶強(qiáng)電負(fù)性原子的有機(jī)化合物 4、火焰光度檢測(cè)器，F(xiàn)PD (Flam

15、e photometric detector) 測(cè)含硫、含磷的有機(jī)化合物 特殊檢測(cè)器有：FTIR、MS、測(cè)化合物結(jié)構(gòu),二、氣相色譜檢測(cè)器的工作原理 1、熱導(dǎo)檢測(cè)器 原理；就是利用不同的物質(zhì)具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。,Self-study & Exam: 熱導(dǎo)池的構(gòu)造，工作原理及影響檢測(cè)靈敏度的因素。,2、氫火焰離子化檢測(cè)器 原理：利用有機(jī)化合物在氫火焰中燃燒時(shí)能產(chǎn)生帶電離子碎片，收集其荷電量進(jìn)行測(cè)定。,Self-study & Exam: 氫火焰檢測(cè)器的構(gòu)造，工作原理及影響檢測(cè)靈敏度的因素。,三、色譜檢測(cè)器的靈敏度 1、靈敏度,2、最小檢出量 3、響應(yīng)時(shí)間 4、線性范圍 5、噪音及檢處出限,2-6

16、氣相色譜定性法 一、利用內(nèi)標(biāo)物與待測(cè)物的相對(duì)保留值r1，2 進(jìn)行定性分析。 實(shí)驗(yàn)中要用雙柱、或多柱進(jìn)行分析，必 須要有適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。 二、利用保留指數(shù)進(jìn)行I進(jìn)行定性分析,Xz+1 ， Xz 分別代表含Z+1、Z個(gè)碳原子的正構(gòu)烷烴在測(cè)定柱上的調(diào)整保留參數(shù)， Xi代表待測(cè)物質(zhì)在測(cè)定柱上的調(diào)整保留參數(shù)。 由于I 的值溫度之間呈線性關(guān)系，所以可以方便的外推求出文獻(xiàn)測(cè)定條件下的I 值而進(jìn)行定性分析，無(wú)須標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。,Figure Sketch map for determination of rotention index,2-7 氣相色譜定量法 一、色譜定量公式：,mi = fi Ai,mi ：待測(cè)物

17、質(zhì)質(zhì)量,fi ：待測(cè)物質(zhì)定量校正因子,Ai ：待測(cè)物質(zhì)色譜峰的積分面積,二、色譜峰的面積求法： 1、峰高乘半峰寬法 2、峰高乘平均峰寬法 3、峰高乘保留值法 4、電子積分法,三、定量校正因子 （Quantitative calibration factor） 絕對(duì)校正因子： 相對(duì)校正因子：用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為參照物、求出待測(cè)物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)物之間絕對(duì)校正因子的比值。對(duì)熱導(dǎo)池檢測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)物是苯、對(duì)氫火焰離子化檢測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)物是正庚烷。,1.質(zhì)量校正因子（Mass calibration factor fm ）,2.摩爾校正因子（Molar calibration factor fM ）,各物質(zhì)的量以摩爾數(shù)計(jì)，M

18、i , Ms分別表示被測(cè) 物與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量（摩爾質(zhì)量）,四、定量計(jì)算方法 1、歸一化法：若樣品中所有的組分均能流出色譜柱且有較好的、可分辨的色譜峰時(shí)可用此法定量。,2、內(nèi)標(biāo)法：若樣品中除待測(cè)的幾個(gè)色譜峰有良好分離，但其它所有的組分不能全部流出色譜柱或有不可分辨的色譜峰時(shí)可用此法定量。,3、內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法：若樣品用量與加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量完全固定，則內(nèi)標(biāo)法的計(jì)算就可以簡(jiǎn)化為內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法，它適用于工廠內(nèi)成批樣品的定量分析。,如果經(jīng)常需要測(cè)定同一物質(zhì)，可固定試樣的稱取量，并加入恒定量的內(nèi)標(biāo)物，此時(shí)fi mS / fs m為一常數(shù)故：,wi Ai / AS,適合于液體試 樣的常規(guī)分析,2、外標(biāo)法：所謂外標(biāo)法就是應(yīng)用欲測(cè)組分的純物質(zhì)來(lái)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。此時(shí)用欲測(cè)組分的純物質(zhì)加稀釋劑(對(duì)液體樣品用溶劑稀釋、氣體樣品用載氣或空氣稀釋)配成不同含量()標(biāo)準(zhǔn)溶液，取固定量標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣分析，從所得色譜圖上測(cè)出響應(yīng)訊號(hào)(峰面積或峰高等)、然后繪制響應(yīng)信汛號(hào)(縱坐標(biāo))對(duì)百分含量(橫坐標(biāo)）的標(biāo)準(zhǔn)曲線。分析試樣時(shí)，取和制作標(biāo)準(zhǔn)