氣相色譜法工作原理

1、關(guān)于氣相色譜法工作原理第一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3-1 概述3.1.1. 色譜法:一種分離技術(shù)1. 由俄國植物學(xué)家Tsweett創(chuàng)立2.原理 使混合物中各組分在兩相間進行分配,其中一相是不動的(固定相),另一相(流動相)攜帶混合物流過此固定相,與固定相發(fā)生作用,在同一推動力下,不同組分在固定相中滯留的時間不同,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,迎頭法第二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于202

2、2年6月第三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1.2色譜圖及相關(guān)術(shù)語色譜圖: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)檢測器轉(zhuǎn)換為電信號,用紀(jì)錄儀將各組分濃度記錄下來,得到色譜圖基線(baseline):O-t反映檢測器系統(tǒng)噪聲隨時間變化的線基線漂移(baseline drift):基線隨時間定向的變化基線噪聲(baseline noise):由各種因素引起的基線起伏保留值(retention value):試樣中各組分在色譜柱中的滯留時間,由色譜分離過程中的熱力學(xué)因素控制,作定性參數(shù)1.死時間(dead time)tM:不被固定相吸附或溶解的物質(zhì)進入色譜柱時,從進樣到出

3、現(xiàn)極大值所需時間OA u=L/ tM2.保留時間(retention time)tR:試樣從進樣到柱后出現(xiàn)峰極大值所經(jīng)歷的時間OB3.調(diào)整保留時間tR: tR= tR- tM第四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月4.死體積VM: VM = tM.F0(流動相體積流速)5.保留體積VR: VR= tR . F0(流動相體積流速)6.調(diào)整保留體積VR: VR= VR- VM7.相對保留值r21: r21= VR(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),可用來表示固定相的選擇性分配

4、比k(partition ratio):分配過程分配系數(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,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第六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月色譜峰高區(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.樣品中所含組分?jǐn)?shù)(峰個數(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,評價色

5、譜柱分離性能(區(qū)域?qū)挾? 第七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月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動情況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)載氣進入色譜柱是脈動似的,每次進氣為一個板體積(3)試樣開始均加在第0號板上(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,可得到基本對稱的峰型曲線(2)樣品進入色譜柱后,可得到良好分離(3)n與半峰寬及峰底寬的關(guān)系式第八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第九張，P

6、PT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)tR一定時,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25.2.2 速率理論(rate theory) 1956年, Van Deemter等人提出的色譜過程的動力學(xué)理論,吸取了踏板理論中板高的概念,考慮影響板高的動力學(xué)因素,導(dǎo)出方程第十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2.2 速率理論(rate theory)第十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 H=A+B/u+u1.渦流擴散項A(eddy diffusion term) A=2dp 使用適當(dāng)細(xì)粒度和顆粒均勻

7、的擔(dān)體,盡量填充均勻,是減少渦流擴散,提高柱效的有效途徑2.分子擴散項(縱向擴散項)B(molecular diffusion term) B=2 Dg 采用相對分子質(zhì)量較大的載氣;擔(dān)體填充均勻,可減少分子擴散采用較高的載氣流速,控制較低的柱溫3.傳質(zhì)項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,組分在液相的擴散系數(shù)大,則液相傳質(zhì)阻力就小第十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 板高方程對選擇色譜分離

8、條件具有實際指導(dǎo)意義,它指出了色譜柱填充的均勻程度,填料粒度的大小,流動相的種類與流速,固定相的液膜厚度對柱效的影響4.載氣流速u對理論踏板高度的影響第十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月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,兩峰不能分離R=1時,兩峰能分離R=1.5時,兩峰能完全分離第十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月要增大分離度需1.增加踏板數(shù)n2.加

9、大容量因子3.增大選擇性參數(shù)k第十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月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,對于常見物質(zhì)的分析，也可參閱色譜手冊來確定合適的固定液。 固定液種類繁多，色譜手冊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，對新試樣要判別試樣是否完全分離，需在不同分離柱上進行實驗。2柱長和柱內(nèi)徑的選擇 已知分離度R正比于柱長的平方根，增加柱長對分離度有利，但會使組分的保留時間增加，且柱阻力增加，不便操作。柱長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

10、長通常為13 m，內(nèi)徑34 cm。柱內(nèi)徑增加，柱效下降。第二十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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充法，應(yīng)注意填充均勻，致密，但又不可使柱壓

11、太大。4色譜柱的老化 制備好的色譜柱在使用前要進行老化處理，即將柱子在比其工作過程中的最高使用溫度高25的情況下通載氣加熱幾小時。為防止污染檢測器，需將柱出口與檢測器脫離直接引至室外。在老化過程中，填料中殘存的溶劑以及固定相中可能存在的低沸點組分隨載氣流出。此外，還有助于使擔(dān)體上的固定液分布的更加均勻。第二十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月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，分子擴散項與流速成反比，傳質(zhì)阻力項與流速成正比，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，分子擴散項對

12、柱效的影響較大，此時選用摩爾質(zhì)量較大的氣體如（N2，Ar）作為載氣，可抑制試樣的縱向擴散，提高柱效。當(dāng)載氣流速較大時，傳質(zhì)阻力項起主要作用，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，保留時間縮短，色譜峰變窄變高；柱溫下降，分離度增加，分析時間延長。一般選擇接近或略低于組分平均沸點的溫度為柱溫。對于組分復(fù)雜，沸程很寬的試樣應(yīng)采用程序升溫的方法第二十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月進

13、樣方式和進樣量的選擇 液體試樣采用色譜微量進樣進樣，進樣器規(guī)格有1L，10L，100L。 填充柱一般使用10L進樣器，進樣量應(yīng)控制在柱容量允許范圍及檢測器線性檢測范圍之內(nèi)。進樣動作要快，時間要短。氣體試樣應(yīng)采用氣體進樣閥進樣。氣化溫度的選擇 在色譜儀進樣口下端有一氣化器，液體試樣進樣后，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。第二十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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，常見的有：活性炭，三氧化二鋁，硅膠，分子篩，高分子多孔微球（GDX

14、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），在其表面涂敷上一高沸點的物質(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。第二十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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，具有較好的機械強度，適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。白色擔(dān)體：

15、孔徑較大，比表面積較小，機械強度較差，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)過預(yù)處理（經(jīng)酸洗、堿洗、硅烷化及釉化等處理，使擔(dān)體表面鈍化）。第二十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）固定液1固定液通常是高沸點的有機化合物，使用時注意其使用溫度。固定液應(yīng)能滿足一定的要求。 2固定液的極性相對極性。麥?zhǔn)铣?shù)。3固定液的選擇在掌握了固定液的相對極性和麥?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?。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

16、的）組分的混合物一般選用極性固定液。第二十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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）對于復(fù)雜的難分離組分的分離通常采用特殊的固定液或混合固定液。5.4.2氣相色譜儀第二十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月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)壓恒流裝置第三十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.進樣系統(tǒng)(sample injection)(1)進樣器

17、(2)氣化室 第三十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3.分離系統(tǒng)色譜柱(capillary column)第三十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月4.溫控系統(tǒng)5.檢測器(detector)濃度型微分檢測器:熱導(dǎo)池檢測器(thermal-conductivity detector TCD), 電子捕獲檢測器(electron-capture detector ECD)質(zhì)量型微分檢測器:氫氧焰離子化檢測器(hydrogen-flame ionization detector FID)1.熱導(dǎo)池檢測器檢測原理:不同的物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)第三十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于20

18、22年6月第三十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月ECD第三十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月FID第三十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)FID 第四十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月思考題:1.進行色譜分析時,載氣流速時高一些好,還是低一些好?2.選擇固定相時,應(yīng)遵循什么原則?3.熱導(dǎo)池檢測器的工作原理如何?第四十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月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照(1)保留時間(2)峰高增量(3)雙色譜系統(tǒng)2.利用保留值經(jīng)驗規(guī)律定性碳數(shù)規(guī)律,沸點規(guī)律第四十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.利用保留值經(jīng)驗規(guī)律定性碳數(shù)規(guī)律:一定溫度下,同系物保留值的對數(shù)值與其分子中碳原子數(shù)成正比 lgtR=A1n+C1沸點規(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,其保留值的對數(shù)與其沸點成正比 lgtR