氣相色譜法1分解課件

1、第二十章 氣相色譜法第一節(jié) 概述以氣體為流動相的色譜法稱為氣相色譜法(gas chromatography； GC)。1氣相色譜法的分類氣相色譜法屬于柱色譜法。按固定相的物態(tài)可分為 氣一固色譜法(GSC) 氣一液色譜法(GLC) 按柱的粗細和填充情況可分為 填充柱色譜法，固定相填充在金屬或玻璃管中 毛細管柱色譜法， (內(nèi)徑0.01至0.75mm)，可進一步分為開管毛細管柱、填充毛細管柱等。第二十章 氣相色譜法第一節(jié) 概述按分離機制，可分為 吸附色譜法（氣一液色譜法） 分配色譜法（氣一固色譜法多屬于吸附色譜法，固定 相為分子篩時，分離是靠分子大小差異及吸附兩種 作用。2氣相色譜法的一般流程載氣由

2、高壓氣瓶供給，經(jīng)壓力調節(jié)器降壓，經(jīng)凈化器脫水及凈化，由穩(wěn)壓閥調至適宜的流量而進入色譜柱，經(jīng)檢測器流出色譜儀。待流量、溫度及基線穩(wěn)定后，即可進樣。液態(tài)樣品用微量注射器吸取，由進樣器注入，氣態(tài)樣品可用六通閥或注射器進樣，樣品被載氣帶入色譜柱。按分離機制，可分為圖201氣相色譜儀示意圖1.載氣瓶2.壓力調節(jié)器(a.瓶壓，b.輸出壓力) 3.凈化器4.穩(wěn)壓閥5.柱前壓力表 6.轉子流量計7.進樣器8.色譜柱9.色譜柱恒溫箱10.餾分收集口(柱后分流閥) 11.檢測器12.檢測器恒溫箱13.記錄器14.尾氣出口圖201氣相色譜儀示意圖3氣相色譜法的特點優(yōu)點 分離效能高 選擇性好 靈敏度高 樣品用量少 分

3、析速度快(幾秒至幾十分鐘) 應用廣弱點 受樣品蒸氣壓限制對于揮發(fā)性較差的液體、固體，需采用制備衍生物或裂解等方法，增加揮發(fā)性。據(jù)統(tǒng)計，能用氣相色譜法直接分析的有機物約占全部有機物的20。3氣相色譜法的特點4氣相色譜法的應用氣相色譜法是從1952年才迅速發(fā)展起來的一種分離分析方法。最早是用于分離分析石油產(chǎn)品，目前已廣泛用于石油化學、化工、有機合成、醫(yī)藥、生物化學、食品分析和環(huán)境監(jiān)測等領域。在藥物分析中，氣相色譜法已成為有關物質檢查、原料藥和制劑的含量測定、中草藥成分分析、藥物的純化、制備的一種重要手段。4氣相色譜法的應用氣相色譜理論 熱力學理論從相平衡觀點來研究分離過程，以塔片理論 為代表 動力

4、學理論從動力學觀點來研究各種動力學因素對柱效的影響，以 Van Deemter方程式為代表。一、基本概念1色譜峰(流出峰) 由電信號強度對時間作圖所繪制的曲線稱為色譜流出曲線。流出曲線(后圖)上的突起部分稱為色譜峰。正常色譜峰為對稱形正態(tài)分布曲線，曲線有最高點，以此點的橫坐標為中心，曲線對稱地向兩側快速、單調下降。第二節(jié) 基本理論氣相色譜理論第二節(jié) 基本理論圖202 流出曲線(色譜圖)圖202 流出曲線(色譜圖) 拖尾峰(tailing peak)：前沿陡峭，后沿平緩 前延峰(leading peak)：前沿平緩，后沿陡峭對稱因子或叫拖尾因子fS(Symmetry factor) 見下圖fs=

5、W0.05h2A = (AB)2A (201)圖203 對稱因子的求算0.95 fs 1.05：對稱峰fs1.05：拖尾峰。 一個組分的色譜峰可用三項參數(shù)即峰高或峰面積(用于定量)、峰位(用保留值表示、用于定性)及峰寬(用于衡量柱效)說明。 拖尾峰(tailing peak)：前沿陡峭，后沿平緩圖22基線 在操作條件下，沒有組分流出時的流出曲線稱為基線。穩(wěn)定的基線應是一條平行于橫軸的直線。基線反映儀器(主要是檢測器)的噪音隨時間的變化。3保留值(滯留值) 是色譜定性參數(shù)。(1)保留時間(retention time, tR)：從進樣開始到某個組分的色譜峰頂點（柱后某組分出現(xiàn)濃度極大）的時間間隔

6、。(2)死時間(dead time, t0)：分配系數(shù)為零的組分的保留時間稱為死時間。通常把空氣或甲烷視為此種組分，用來測定死時間。2基線 (3) 調整保留時間(adjusted retention time, )：某組分由于溶解(或被吸附)于固定相，比不溶解(或不被吸附)的組分在柱中多停留的時間稱為調整保留時間，又稱為校正保留時間。調整保留時間與保留時間和死時間有如下關系： tRtRt0 (202)在實驗條件(溫度、固定相等)一定時，調整保留時間僅決定于組分的性質 (調整保留時間是實驗條件的函數(shù)) ，因此調整保留時間是定性的基本參數(shù)。(3) 調整保留時間(adjusted retentio(

7、4) 保留體積(retention volume, VR)：從進樣開始到某個組分在柱后出現(xiàn)濃度極大時，所需通過色譜柱的載氣體積 。對于正常峰， VR為該組分的 12量被帶出色譜柱時所消耗的載氣體積。 VR與tR和載氣流速(Fc，mlmin)有如下關系： VRtR Fc (203)對一定tR的物質，VR與載氣流速無關。(5) 死體積(dead volume, V0)：由進樣器至檢測器的流路中未被固定相占有的空間稱為死體積，包括進樣器至檢測器間各導管的容積、色譜柱中固定相顆粒間間隙、及檢測器內(nèi)腔容積的總和。死體積與死時間和載氣流速有如下關系：V0t0 Fc (204)死體積大，色譜峰擴張(展寬)，

8、柱效降低。死時間相當于載氣充滿死體積所需的時間。(4) 保留體積(retention volume, VR)(6)調整保留體積(VR)：由保留體積扣除死體積后的體積 VRVR V0 =tR Fc (205)VR與載氣流速無關，是常用的色譜定性參數(shù)之一。(7)保留指數(shù)(I)：把組分的保留行為換算成相當于正構烷烴的保留行為，又稱Kovats指數(shù)，定義式如下： (206)Ix為待測組分的保留指數(shù)，Z與Zn為正構烷烴對的碳原子數(shù)。n可為1、2，通常為1。多數(shù)同系物每增加一個CH2，保留指數(shù)約增加 100，較少例外。乙酸正丁酯在Apiezon L柱上的保留指數(shù)見書上例子保留指數(shù)與分子結構有關，因此是常用

9、的定性參數(shù)。(6)調整保留體積(VR)：4色譜峰區(qū)域寬度 是色譜柱柱效參數(shù)。(l)標準差(s)：s 為正態(tài)分布曲線上兩拐點間距離之半。在色譜中，s 的大小表示組分被帶出色譜柱的分散程度，s 越小，柱效越高。在tR+s 及tRs 間的面積為峰面積的68.3，即流出組分量為該組分總量的68.3%。對于正常峰，s 為0.607倍峰高處的峰寬之半。證明如下： (207)式(207)為標準正態(tài)分布方程式，用于描述色譜峰。當X=0時，f(X)為峰高。將X=0代入上式，則f(X)=0.3989。拐點在X=+s及s處。將X=+s及s 代入(207)式，f(X)=0.2420。因為峰高h為0.3989，0.24

10、20相當于 0.607h，因此拐點在峰高的0. 607倍處。由于 0. 607 h不好測量，故區(qū)域寬度還常用半峰寬描述(圖204)。4色譜峰區(qū)域寬度 是色譜柱柱效參數(shù)。圖204 色譜峰帶寬圖204 色譜峰帶寬(2)半峰寬(peak width at half height；W1/2或Y1/2)：峰高一半處的峰寬稱為半峰寬，又稱為半腰寬及半寬度等。W1/2=2.355s(3)峰寬(peak width； W)：通過色譜峰兩側的拐點作切線，在基線上的截距稱為峰寬，或稱基線寬度，也可用Y表示。 W=4s 或W=1.699W1/2 (209)W1/2與W都是由s 派生而來的，除用它們衡量柱效外，還用它

11、們計算峰面積。(2)半峰寬(peak width at half heig5.相平衡參數(shù) 色譜過程是相平衡過程。常用的相平衡參數(shù)有分配系數(shù)(K)及容量因子(k)，分配系數(shù)與保留時間的關系如式(186)所示。由式(186)、(194)及式(202)可得：tR / t0 = k (2010)式(2010)說明k表示組分在色譜柱中多停留的時間與死時間的倍數(shù)，k大則保留時間長。在第18章中已經(jīng)介紹，分配系數(shù)不等是分離的前提，用容量因子表示則更方便。 DtRt0(kAkB)容量因子k與柱效參數(shù)及定性參數(shù)密切相關，而且比分配系數(shù)易于測定，在色譜分析中一般都是用容量因子代替分配系數(shù)。因此，容量因子是最重要的

12、色譜參數(shù)之一。 5.相平衡參數(shù) 二、等溫線在一定溫度下，某組分在固定相和流動相間分配達到平衡時，該組分在兩相中濃度的關系曲線稱為等溫線(isotherm)。等溫線有線性和非線性兩種，如圖205所示。圖205等溫線與色譜峰形線性等溫線是一理想等溫線，表示固定相的活性中心未被溶質所飽和，分配系數(shù)K是一個定值，與溶液中溶質濃度無關。當流動相保持恒速向前移動時，溶質區(qū)帶向前移行速度亦恒定，得到的流出曲線為一對稱的正態(tài)分布曲線，如圖205中a。二、等溫線圖205等溫線與色譜峰形線性等溫線是一理想等溫非線性等溫線： 凸形等溫線產(chǎn)生拖尾峰，如圖205中的b 凹形等溫線產(chǎn)生前延峰，如圖205中的c當固定相表面

13、具有活性不同的活性中心時，溶質分子將首先占據(jù)活性強的中心。強活性中心被飽和后，一部分溶質分子將與弱活性中心作用。結果使分配系數(shù)K隨著溶質濃度的增加而減小，形成凸形等溫線。在洗脫過程中，保留在強吸附中心上的低濃度區(qū)的溶質分子較難被洗脫，因此常產(chǎn)生拖尾峰。有時固定相具有多種保留機制的活性中心，當溶質濃度增加時，保留機制也可能發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不對稱色譜峰。如果高濃度時的保留機制的分配系數(shù)K比低濃度時大，就形成凹形等溫線，而產(chǎn)生前延峰。非線性等溫線：從圖205還可以看到，無論凸形或凹形等溫線在低濃度范圍內(nèi)都趨于一條直線。當溶質濃度降低至等溫線線性范圍內(nèi)，流出曲線就近似于正常峰。因此在色譜分析中，應注

14、意控制溶質的量(進樣量)，以獲得正常色譜峰，防止拖尾峰等不對稱峰的產(chǎn)生。從圖205還可以看到，無論凸形或凹形等溫線在低濃度范圍內(nèi)塔板(塔片)理論是把色譜柱看作一個分餾塔，在每個塔板間隔內(nèi)，樣品混合物在氣液兩相中達到分配平衡。經(jīng)過多次的分配平衡后，分配系數(shù)小的組分(揮發(fā)性大的組分)先到達塔頂(先流出色譜柱)。由于色譜柱的塔板相當多，因此分配系數(shù)的微小差別，即可獲得很好的分離效果。（一）基本假設組分被載氣帶入色譜柱后在兩相中分配，由于流動相移動較快，組分不能在柱內(nèi)各點瞬間達到分配平衡。但塔板理論假定：(下頁)三、塔板理論塔板(塔片)理論是把色譜柱看作一個分餾塔，在每個塔板間隔內(nèi) 1.在柱內(nèi)一小段高

15、度H內(nèi)，組分可以很快在兩相中達到分配平衡。H稱為理論塔板高度(height equivalent to a theoretical plate)，用 HETP或 H表示。 2.載氣通過色譜柱不是連續(xù)前進，而是間歇式的，每次進氣為一個塔板體積。3.樣品和新鮮載氣都加在第0號塔板上，且樣品的縱向擴散可以忽略。4.分配系數(shù)在各塔板上是常數(shù)。 1.在柱內(nèi)一小段高度H內(nèi)，組分可以很快在兩相中達到分配平(二) 二項式分布根據(jù)塔板理論的假設，可以用二項式定理來計算各塔板中組分的濃度。設一個組分A，分配系數(shù)為 2，進入 0號塔板并達到分配平衡后，固定相和載氣中含溶質分別為0.667(p)和0.333(q)。進

16、氣一次后，原第0號塔板中載氣及其中溶質進入第1號塔板，停止進氣。組分在第0號及第1號塔板內(nèi)重新達到分配平衡。進氣N次后，在各塔板內(nèi)溶質含量的分布符合二項式的展開式，故稱為二項式分布。即：(pq)N1 (2011)(二) 二項式分布用二項式定理計算進氣三次后各塔板內(nèi)的溶質含量： (pq)3 = p33p2q3pq2十q3將q=0.667；q=0.333代入： (0.6670.333)3 = 0.2970.4440.2220.037 = l 塔板號： 0 1 2 3所計算出的四項數(shù)分別是第0、l、2及3號塔板中的溶質分數(shù)。進氣N次后第r號塔板中的含量NXr，可由下述通式求出： (2011)用二項式

17、定理計算進氣三次后各塔板內(nèi)的溶質含量： 00.050.10.150.20.250.3123456789101100.0050.010.0150.020.0250.03020406080100120進入第10塊塔板后進入第100塊塔板后進入第1000塊塔板后K = 100.050.10.150.20.250.31234567800.050.10.150.20.250.312345678910進入第10塊塔板后進入第100塊塔板后進入第1000塊塔板后K = 2810-177210-156310-141210-128410-117710-107110-97510-89410-81710-741 1

18、0-320210-333210-347610-362110-377210-393510-411410-430510-451110-47100.050.10.150.20.250.31234567800.050.10.150.20.250.30.350.40.451234567891011進入第10塊塔板后進入第100塊塔板后進入第1000塊塔板后K = 1000.0050.010.0150.020.0250.0302040608010012000.050.10.150.20.250.30.350.40氣相色譜法1分解課件(三) 正態(tài)分布用二項式定理計算溶質在各塔板的分布，繪制的流出曲線為不對稱

19、的二項式分布曲線(圖206)。色譜柱塔板數(shù)在103以上，流出曲線趨于正態(tài)分布曲線，因此可用正態(tài)分布方程式來討論流出曲線上組分濃度(C)與時間(t)的關系： (2013)式(2013)稱為流出曲線方程式，也稱高斯方程式。式中s為標準差，tR為保留時間，C為任意時間t時的濃度，C0為峰面積A，即組分的總量(錯）。(三) 正態(tài)分布當t=tR時，式(2013)中e的指數(shù)為零，此時濃度最大，用Cmax表示。Cmax即流出曲線的峰高，也可用h表示。將h及W1/2=2.355s代入式(2014)得： Al.065WI2h (2015)將式(2014)代入式(2013)得： (2016)式(2016)為流出曲

20、線方程式的常用形式。由此式可知：不論tt0或tt0時，濃度C恒小于Cmax。C隨時間t向峰兩側對稱下降，下降速率取決于s，s 越小，峰越銳。當t=tR時，式(2013)中e的指數(shù)為零，此時濃度最大(四) 理論塔板高度和理論塔板數(shù)理論塔板高度(H)和理論塔板數(shù)(n)都是柱效指標。由于s 的大小是柱效高低的反映，因此將理論塔板高度定義為每單位柱長(L)的方差s2 () 。即：H=s2L (2017)理論塔板數(shù)為： n= LH (2018)在實驗中，理論塔板數(shù)由峰寬和保留時間計算： (2019) 或者 或 (2020)(四) 理論塔板高度和理論塔板數(shù)從(2017)： H=s2L 及(2018)： n

21、= LHn = s 2/L2從(2020)：n = tR 2/L2所以：s = tR (?) 從(2017)： H=s2L 及(2018)： n= 由上式可以說明相對于保留時間s 或W1/2越小，色譜柱的塔板高度越小，柱效越高。若用tR代替tR計算塔片數(shù)，稱為有效理論塔板數(shù)(nef)，求得塔板高度為有效理論塔板高度(Hef)。例在柱長2m、5阿皮松柱、柱溫100C、記錄紙速為2.0cmmin的實驗條件下，測定苯的保留時間為1.5min，半峰寬為0.20cm。求理論塔板高度。由上式可以說明相對于保留時間s 或W1/2越小，色譜柱的塔四、 Van Deemter方程式Van Deemter方程式主

22、要說明使色譜峰擴張而降低柱效的因素。雖然塔板理論在解釋流出曲線的形狀、濃度極大點的位置及評價柱效等方面是成功的，但由于它的某些假設與實際色譜過程不符： 如組分在塔板內(nèi)達到分配平衡(沒有時間達到平衡） 縱向擴散可以忽略（存在著濃度梯度） 沒有指出與影響柱效的主要因素（載氣流速）的關系通過實驗發(fā)現(xiàn)：用塔板高度H對載氣流速u作圖為曲線。其最低點所對應的塔板高度最小(H最小)，柱效最高，此時的流速稱為最佳流速(u最佳)。Hu曲線如下圖所示。四、 Van Deemter方程式圖207 塔片高度一流速曲線1. Bu2. Cu 3. A圖207 塔片高度一流速曲線Van Deemter從動力學理論研究了使色

23、譜峰擴張、影響塔板高度的因素，提出了Van Deemter方程式： H =A+Bu+Cu (2021)H(cm)為塔板高度， A(cm) 、B(cm2/s)及C (s)為常數(shù)。 u (cm/s)為載氣線速。uL/t0，L(cm)為柱長，t0(s)為死時間。上式說明：在u一定時， H與 A、B及C三個常數(shù)有關。用 Van Deemter方程式可以解釋塔板高度一流速曲線。在低流速時(0u最佳之間)， u越小，B/u項越大，Cu項越小。此時，Cu 項可以忽略，B/u項起主導作用，u增加則H降低，柱效增高。在高流速時(uu最佳)，u越大，Cu越大，B/u越小。這時Cu項起主導作用，u增加，H增加，柱效

24、降低。Van Deemter從動力學理論研究了使色譜峰擴張、影響以下討論影響塔片高度的其他因素：1.渦流擴散 (eddy diffusion)常數(shù)A稱為渦流擴散項。 (2022)l 為填充不規(guī)則因子，dp為填料(固定相)顆粒的直徑。填充越不均勻，l越大。根據(jù)式(2022)，dp越小越好，但太小，則不易填勻，而且柱阻也大。因此，普通填充柱多采用粒度6050目或80100目的填料。以下討論影響塔片高度的其他因素：l 為填充不規(guī)則因子，dA項說明填充柱由于填充不均勻而引起的峰展寬。填充不均勻，使同一個組分的分子經(jīng)過多個不同長度的途徑流出色譜柱，因此也稱為多徑項。填充不均勻引起的峰展寬示意圖如圖208

25、。開管(空心)毛細管柱，只有一個流路，無多徑項，A=0。圖208 多徑擴散對峰展寬的影響A項說明填充柱由于填充不均勻而引起的峰展寬。填充不均勻，使2.縱向擴散 (longitudinal diffsion) B/u 常數(shù)B稱為縱向擴散系數(shù)或分子擴散系數(shù)。在色譜過程中，組分“塞子”的前后，因存在濃度差，向柱的縱向擴散，所引起的色譜峰(譜帶)展寬的現(xiàn)象，稱為縱向擴散。 (2023)g 為與填充物有關的因數(shù)，Dg為組分在載氣中的擴散系數(shù)。填充柱 g l。硅藻土載體的g 為0.50.7，毛細管往因無擴散的障礙，g = l。2.縱向擴散 (longitudinal diffsion擴散即濃度趨向均一的現(xiàn)象。擴散速度的快慢用擴散系數(shù)衡量?？v向擴散的程度與分子在載氣中停留的時間及擴散系數(shù)成正比。停留時間越長及Dg越大，由縱向擴散引起的峰展寬越大。組分在載氣中的擴散系數(shù)