气相色谱-new(1).pdf

第三章 气相色谱分析法第三章 气相色谱分析法Gas Chromatography,GC第一节 色谱分析概述色谱法（色层法、层析法）：色谱法（色层法、层析法）：一种多组分混合物质的分离、分析方法一种多组分混合物质的分离、分析方法1906年，迈克尔年，迈克尔茨维特茨维特(Michael Tswett)华沙大学俄国的植物学家植物的石油醚提取液在碳酸钙吸附剂填充的玻璃管中分离出叶绿素及其他色素华沙大学俄国的植物学家植物的石油醚提取液在碳酸钙吸附剂填充的玻璃管中分离出叶绿素及其他色素(1）粗叶绿素+石油醚（(1）粗叶绿素+石油醚（2）石油醚）石油醚流动相流动相相对运动相对运动固定相（吸附剂）CaCO固定相（吸附剂）CaCO3 3胡萝卜素胡萝卜素利用不同物质利用不同物质叶黄素叶黄素在流动相与固定相在流动相与固定相叶绿素叶绿素作用时的行为差异得到分离(吸附)作用时的行为差异得到分离(吸附)二、色谱法的分类二、色谱法的分类二、色谱法的分类二、色谱法的分类两相状态两相状态流动相流动相的物态的物态液相色谱（液相色谱（LC）气相色谱（）气相色谱（GC）液固色谱液液色谱液固色谱液液色谱气固色谱气液色谱气固色谱气液色谱1.按照两相所处的状态分类：1.按照两相所处的状态分类：2.固定相的形式分类：2.固定相的形式分类：柱色谱、纸色谱、薄层色谱分离原理柱色谱、纸色谱、薄层色谱分离原理吸附色谱分配色谱离子交换色谱凝胶渗透色谱亲和色谱吸附色谱分配色谱离子交换色谱凝胶渗透色谱亲和色谱3.按分离原理分类：3.按分离原理分类：薄层层析法演示三、气相色谱法的特点三、气相色谱法的特点三、气相色谱法的特点三、气相色谱法的特点(1)效能高效能高多组分物质可同时定量、定性多组分物质可同时定量、定性(2)选择性高选择性高复杂混合物，同系物、异构体、手性异构体复杂混合物，同系物、异构体、手性异构体(3)灵敏度高灵敏度高可以检测出可以检测出g/g(10-6)级甚至级甚至ng/g(10-9)级的物质量级的物质量(4)分析速度快分析速度快一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析(5)应用范围广应用范围广气体、可挥发液体和固体气体、可挥发液体和固体有机物有机物15%20%可测定，无机物的应用较少。缺点：热稳定性差或蒸气压低（高沸点）的样品不能测定无待测物纯品，滴定分析困难可测定，无机物的应用较少。缺点：热稳定性差或蒸气压低（高沸点）的样品不能测定无待测物纯品，滴定分析困难色谱图是以组分的浓度变化作为纵坐标，流出时间作为横坐标的。这种曲线称为色谱图是以组分的浓度变化作为纵坐标，流出时间作为横坐标的。这种曲线称为色谱流出曲线色谱流出曲线。第二节 气相色谱分析理论1.基线基线操作条件稳定后，仅有流动相通过检测器时，仪器检测到的信号称为基线。操作条件稳定后，仅有流动相通过检测器时，仪器检测到的信号称为基线。2.峰高峰高h色谱峰顶点与基线之间的垂直距离称为色谱峰高；色谱峰顶点与基线之间的垂直距离称为色谱峰高；（一）（一）色谱流出曲线色谱流出曲线3.半峰宽半峰宽Y1/2 峰高一半处的色谱宽度峰高一半处的色谱宽度4.峰基宽峰基宽(基线宽度基线宽度)Wb通过流出曲线的拐点所做的切线在基线上的截距通过流出曲线的拐点所做的切线在基线上的截距2/170.1YWb=(二二)保留值保留值表示试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值1.表示试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值1.时间时间表示的保留值死时间不与固定相作用的气体的保留时间表示的保留值死时间不与固定相作用的气体的保留时间Mt保留时间待测物从进样开始到柱后浓度出现极大值所需时间保留时间待测物从进样开始到柱后浓度出现极大值所需时间Rt调整保留时间扣除死时间的保留时间调整保留时间扣除死时间的保留时间RtMRRttt=2.2.用载气体积用载气体积表示的保留值保留体积表示的保留值保留体积VR待测组分从进样开始到柱后浓度出现最大值时，所通过的载气体积死体积待测组分从进样开始到柱后浓度出现最大值时，所通过的载气体积死体积VM色谱柱内，除固定相以外的空隙、管路接头空间及检测器空间总和调整保留体积色谱柱内，除固定相以外的空隙、管路接头空间及检测器空间总和调整保留体积VR：扣除死体积后的保留体积：扣除死体积后的保留体积cRRFtV=cMMFtV=MRRcRRVVVFtV=或或Fc：校正到柱温、柱压下的载气流速3.相对保留值指组分2与另一组分1调整保留值之比3.相对保留值指组分2与另一组分1调整保留值之比r21121221RRRRVVttr=只与柱温和固定相性质有关只与柱温和固定相性质有关1 2tMtR1tR2(三)(三)分配系数分配系数1.分配过程物质在固定相和流动相之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程，叫做分配过程分配过程物质在固定相和流动相之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程，叫做分配过程2.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比称为分配系数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比称为分配系数K：MSccK组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度=一定温度下,组分的分配系数一定温度下,组分的分配系数K越大，出峰越慢越大，出峰越慢K相同，两组分不可能分离相同，两组分不可能分离K大小取决于固定相、流动相及分离物本身的性质,选择适宜的固定相可改善分离效果大小取决于固定相、流动相及分离物本身的性质,选择适宜的固定相可改善分离效果色谱图的信息色谱图的信息a.色谱峰个数色谱峰个数判断试样中所含组分的最少数判断试样中所含组分的最少数判断试样中所含组分的最少数判断试样中所含组分的最少数b.色谱保留值色谱保留值定性定性定性定性c.色谱峰面积或峰高色谱峰面积或峰高定量定量定量定量d.保留值与区域宽度保留值与区域宽度评价柱分离效能依据评价柱分离效能依据评价柱分离效能依据评价柱分离效能依据e.两峰间距两峰间距评价两组分能否分离评价两组分能否分离评价两组分能否分离评价两组分能否分离色谱法基本理论色谱法基本理论一、塔板理论-柱效能指标一、塔板理论-柱效能指标半经验理论将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；半经验理论将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；0 1 2 3 4 5 6 气相气相气相气相G G H H 体积体积体积体积V V载气载气载气载气液相液相液相液相L L一个塔板、板高一个塔板、板高一个塔板、板高一个塔板、板高HH塔板理论的假设：塔板理论的假设：(1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到(2)将载气看作成脉动（间歇）过程；(3)试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4)每次分配的分配系数相同。(1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到(2)将载气看作成脉动（间歇）过程；(3)试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4)每次分配的分配系数相同。色谱柱分离效能色谱柱分离效能即色谱柱对一对难分离组分的分离能力要使两峰分离，必须具有足够的距离，峰足够窄即色谱柱对一对难分离组分的分离能力要使两峰分离，必须具有足够的距离，峰足够窄柱效能高单位长度的塔板数多，即塔板高度小柱效能高单位长度的塔板数多，即塔板高度小HLn=n：理论塔板数：理论塔板数 L：色谱柱长：色谱柱长 H：理论塔板高度：理论塔板高度理论塔板数理论塔板数n为：为：222/1)(16)(54.5bRRWtYtn=理论塔板数理论塔板数 n 越多越多，理论塔板高度，理论塔板高度 H 就越小就越小，色谱峰，色谱峰越窄越窄，此时柱效能，此时柱效能越高越高，有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度2221)(16)(54.5bRRWtYtn=有效有效222/1)(16)(54.5bRRWtYtn=理论理论有效有效有效有效nLH二、速率理论-影响柱效的因素二、速率理论-影响柱效的因素1.速率方程（也称范.弟姆特方程式）1.速率方程（也称范.弟姆特方程式）减小减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳流速；三项可提高柱效；存在着最佳流速；A、B、C三项与哪些因素有关？三项与哪些因素有关？CuuBAH+=H：塔板的理论高度：塔板的理论高度u：气体的线速度（：气体的线速度（m/s）A涡流扩散项涡流扩散项A=2dpdp：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固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，填充的越均匀,A，H，n，柱效增大。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。，柱效增大。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。B/u 分子扩散项分子扩散项B=2Dg：弯曲因子，填充柱色谱，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（：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）(1)存在着浓度差，产生纵向扩散存在着浓度差，产生纵向扩散;(2)扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差，分离变差;(3)分子扩散项与流速有关，流速分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，滞留时间，扩散，扩散;(4)扩散系数：扩散系数：Dg(M载气载气)-1/2；M载气载气，B值值。C u 传质阻力项传质阻力项gpgDdkkC22)1(01.0+=+=LfLDdkkC22)1(32+=+=k为容量因子；为容量因子；Dg、DL为扩散系数，为扩散系数，df固定液的液膜厚度固定液的液膜厚度减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。传质阻力包括气相传质阻力传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力和液相传质阻力CL即：即：C=（Cg+CL）速率理论的要点速率理论的要点(1)组分分子在柱内运行的多路径与(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散涡流扩散、浓度梯度所造成的、浓度梯度所造成的分子扩散分子扩散及及传质阻力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。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。(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。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)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。(4)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，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。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，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。三、分离度三、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：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。柱效较高，柱效较高，K(分配系数分配系数)较大较大,完全分离；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，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；较大，但分离的不好；K小，柱效低，分离效果更差。小，柱效低，分离效果更差。分离度分离度R：作为色谱柱的总分离效能指标。其定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值：作为色谱柱的总分离效能指标。其定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值)1()2()1()2()(2bbRRWWttR+=+=R=0.8：两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度：分离程度98%；R=1.5：达：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）（相邻两峰完全分离的标准）分离度分离度R，柱效能，柱效能n有效有效，柱选择性，柱选择性 r21R L1/2分离度同柱长的关系：分离度同柱长的关系：令令W b(2)=W b(1)=W b(相邻两峰的峰底宽近似相等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：，引入相对保留值和塔板数，可导出下式：16)1()1()1()(2212121)1()2()1()2()2()1()2()1()1()2()1()2(有效有效nrrWtttrWtttWttWWttRbbbbbRRRRRRRRRR=+=+=有效有效有效有效HrrRLrrRn=221212221212)1(16 )1(16讨论讨论：（1）分离度与柱效）分离度与柱效分离度与柱效的平方根成正比，分离度与柱效的平方根成正比，r21一定时，增加柱效，可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长一定时，增加柱效，可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长（2）分离度与）分离度与r21增大增大r21是提高分离度的最有效方法，是提高分离度的最有效方法，增大增大r21的最有效方法是选择合适的固定液。的最有效方法是选择合适的固定液。在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和秒和100秒，要达到完全分离，即秒，要达到完全分离，即R=1.5。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？，柱长是多少？解：解：r21=100/85=1.18n有效有效=16R2 r21/(r211)2=161.52(1.18/0.18)2=1547（块）（块）L有效有效=n有效有效H有效有效=15470.1=155 cm即柱长为即柱长为1.55米时，两组分可以得到完全分离。米时，两组分可以得到完全分离。例题载气系统色谱柱系统检测系统记录系统进样系统载气系统色谱柱系统检测系统记录系统进样系统气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪结构气相色谱仪结构(1)活性炭活性炭:有较大的比表面积，吸附性较强。有较大的比表面积，吸附性较强。(2)活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2 2、N2 2、CO、CH4 4、C2 2H6 6、C2 2H4 4等气体的相互分离。等气体的相互分离。CO2 2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。(3)硅胶硅胶:与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2 2、N2 2O、NO、NO2 2等，且能够分离臭氧。等，且能够分离臭氧。提供大的惰性表面，提供大的惰性表面，惰惰 种类 担体名称 特点及用途 生产厂家 红色 藻土 担体 201 红色担体 301 釉化红色担体 6201 红色担体 适用于涂渍非极性固定液分析非极性物质 由 201 釉化而成，性能介于红色与白色硅藻土担体之间，适用于分析中等极性物质 上海试剂厂 大连催化剂厂 硅藻土类 白色 藻土 担体 101 白色担体 101 酸洗 101 硅烷化白色担体 102 白色担体 适用于涂渍极性固定液分析极性物质 催化吸附性小，减小色谱峰拖尾 上海试剂厂 非硅藻土类 高分子微球 玻璃微球 氟担体 由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成 经酸碱处理，比表面积 0.02 m2/g,可在较高温度下使用，适宜分析高沸点物质。由四氟乙烯聚合而成，比表面积 10.5 m2/g 适宜分析强极性物质和腐蚀性物质 上海试剂厂 u稍大于稍大于u最佳最佳iiimSE=Si（检测器灵敏度）：单位质量或单位体积物质进入检测器所产生信号的大小Ei如果用峰面积Ai表示，则：iiiiiimASmSA=3.检测限：iNSRM3=RN：噪声信号4.分类浓度型检测器：信号强度大小，决定于进入检测器的物质浓度大小mlmgmVmESiiC/=质量型检测器：信号强度大小，决定于单位时间进入检测器的物质质量大小g/secmV=iigmES二、热导池检测器优点：（1）构造简单（2）测定范围广（3）稳定性好（4）线性范围可达到105（5）不破坏样品缺点：灵敏度较低，作为常量分析1.保留时间定性用已知纯物质与未知样品对照比较进行定性分析图示a.甲醇峰；b.乙醇峰；c.正丙醇峰；d.正丁醇峰；e.正戊醇峰；1-9：未知物色谱峰四双柱定性四双柱定性：一根极性柱，一根非极性柱。一根极性柱，一根非极性柱。对于一根柱子上有相同保留值的组分可采用双柱定性。对于一根柱子上有相同保留值的组分可采用双柱定性。若二根柱上t若二根柱上tR R未知与t未知与tR R已知都吻合，则定性可靠性就增一倍。已知都吻合，则定性可靠性就增一倍。1.纯物质对照依据:在一定的柱条件操作下,组分有固定的保留值适用:仪器稳定,tR重现性好,且tR可以测量准确.100时对苯及其同系物甲苯，乙苯进行定性一一.已知样品的分析方法已知样品的分析方法:步骤步骤:1)试样:苯+甲苯+乙苯2)标样a:苯+甲苯3)标样b:苯+乙苯分别制色谱图4)验证:换一个固定相重复以上操作,看是否与上述结果相同要求要求:一定有样品种每个组分的纯物质验证方法验证方法:双柱,多柱2峰高增加法上述实验中步骤步骤:1)试样:苯+甲苯+乙苯2)样品B:甲苯+试样则甲苯峰高增加适用于：适用于：仪器稳定性不太好,峰形密集,tR测量不准,式样中某一个组成,某几个组分需定性的情况要求：要求：有待测组分的标准试样二二.未知样品的分析方法未知样品的分析方法:保留指数保留指数I：把某一个物质的保留行为用两个保留行为与之相近的正构烷烃来标定t/R(Z)含C数是Z的正构烷烃的保留时间t/R(X)含C数是X的待测物质的保留时间t/R(Z+1)含C数是Z+1的正构烷烃的保留时间IX含C数是X的待测物质的保留指数X待测物质的含 C的数正构烷烃Z，Z+1正构烷烃碳原子数(1)X=Z，IZ=100Z(该公式实际上定义了正构烷烃的保留指数),I7=700,I8=800(2)XZ,要求:t/R(Z)t/R(X)t/R(Z+1),IX与固定液种类有关.(3)用途:为了说明某一组分的保留行为不受色谱条件的影响，可以确定有机物的极性和用于定量分析有一未知物需定性,已知其沸点为78第一步:根据沸点确定正构烷烃B.P己烷=69,B.P庚烷=98.4,B.P辛烷=175.7,若用角鲨烷做固定液(非极性)，则己烷先出柱,进两个样,(1).己+庚+辛+X (2).己+庚+辛t/R(7)=174.0mm,t/R(8)=373.40mm,t/R(X)=310.6mm第二步:测量计算=776第三步:对照定性，确定待测物查文献：在角鲨烷固定液上 I IX X=776的物质是己酸乙酯验证：双柱或多柱第四步:第七节气相色谱定量分析一、定量分析依据iiimSA=iiiiiAfSAm=iiSf1=定量校正因子if 二、色谱峰面积测量1、峰高乘半峰宽法（对称峰）2/1yhA=实际上2/1065.1yhA=2.峰高乘平均峰宽法：（不对称峰）2/)(85.015.0yyhA+=3.自动积分仪测定峰面积适应：同系物，狭窄峰、密集峰适应：同系物，狭窄峰、密集峰4.峰高定量法：操作条件严格控制下，在一定进样范围内，物质y1/2不变Khyhfmii=2/1三、定量校正因子iiiiSAmf=1物理意义：单位峰面积所代表的组分的量（1）组分不同，fi不同（2）受实验条件影响大，与进样量和面积测量是否准确有关（3）定量不准确（4）单位：g/cm22.相对校正因子（1）定义：待测组分与标准物的绝对校正因子之比可准确测量）siississiisiimmAmAmAmAmfff(/=isiifSSS1=（2）分类：当mi，ms用质量单位：fi=fm相对质量校正因子当mi，ms用摩尔单位：fi=fc相对摩尔校正因子当mi，ms用体积单位：fi=fv相对体积校正因子（3）测定：可自测或者查文献可以准确测量与检测器类型、标准物有关与其他操作条件无关无单位可以准确测量与检测器类型、标准物有关与其他操作条件无关无单位例例:以苯为标准物，测定环己烷的相对校正因子f环环。准确称取色谱纯的环己烷m环环=2.719g=2.719g，苯m苯苯=2.385g=2.385g,混合均匀,进试样2l,测量峰面积分别为A环环=7.20cm2,A苯苯=6.00cm2f环环=f环环/f苯苯=(m环环/A环环)/(m苯苯/A苯苯)=(A苯苯/A环环)(m环环/m苯苯)=(2.719/2.385)(6.00/7.20)=0.951、归一化法要求：混合物各组分都可在色谱图上显示色谱峰。四、几种常用的定量计算方法四、几种常用的定量计算方法%100%100%100%100%10022122121=+=+=+=iiiiinniiinniiiniiifAfAfAfAfAfAfAfAfAfAmmmmmmLLK若f相近（同系物中沸点相近组分），则%100=iiiAA若半峰宽相近，可用峰高校正因子：%100 =iiiiiihfhf特点：简单、准确，仪器和操作条件稍有变化对结果影响不大缺点：要求所有组分都能出峰 标准物质与待测组分要能分开，且两峰距离不要太近。标准物质与待测组分要能分开，且两峰距离不要太近。Standardsi%100=试mmAfAfmAfAfmAfAfmmsssiiisssiiissiisi特点：适合组分不全出峰的情况准确度高不必准确进样内标物有时不好找特点：适合组分不全出峰的情况准确度高不必准确进样内标物有时不好找fs=3.外标标准曲线法（定量进样法）外标标准曲线法（定量进样法）无需加入内标物无需加入内标物1.方法：工业乙醇中水的测定标准系列1234565个容量瓶（10ml），分别加入H2OH2O(ml)0.20.40.60.81.0%H2O2.004.006.008.0010.00X吸取进样(ml)1.001.001.001.001.001.00A水1.011.993.113.934.123.231 2 3 4 5 SampleAmmiAi2.要求：（要求：（1）准确进样（2）仪器稳定性好（3）峰面积的重现性好（4）实际生产时，标准曲线要经常校正。3特点：优点：特点：优点：简单，速度快，不需查 f缺点：缺点：准确度低。4适用范围：适用范围：适用常规分析，快速分析。定量分析误差来源定量分析误差来源1.样品取样代表性2.进样重复性3.柱系统4.操作条件作业:P359：1，2，3，4，5P360：7