儀器分析-氣相色譜法基礎

1、1,第二章 氣相色譜法(1),Gas Chromatography(GC),2,3,氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 GCMS-QP2010E,4,1. 色譜法的產(chǎn)生 色譜法是一種分離技術，它是俄國植物學家茨維特(M.Tswett)1906年創(chuàng)立的。他分離植物葉子中的色素時，將葉片的石油醚（飽和烴混合物）提取液倒入玻璃管中，柱中填充CaCO3粉末（CaCO3 有吸附能力)，用純石油醚洗脫（淋洗）。,一、色譜分析法簡介,,

2、67;2-1 色譜分析法概述,5,色素受兩種作用力影響: 柱內(nèi)填充CaCO3 ，其吸附作用使色素在柱中停滯下來；,同時，由于被石油醚流動并溶解，使色素向下移動；,各種色素結(jié)構(gòu)不同，受兩種作用力大小不同，經(jīng)過一段時間洗脫后，色素在柱子上分開，形成了各種顏色的譜帶，這種分離方法稱為色譜法。,6,7,8,液相色譜：液體作流動相，傳統(tǒng)的液相色譜，由 于流速慢，分析速度很慢。通過加

3、 壓， 使其流速加快，1969年HPLC發(fā) 展（高壓液相色譜），液相色譜被廣 泛應用。,氣相色譜：氣體作流動相，1952年產(chǎn)生氣相色 譜，是色譜法一項革命性進展。,9,隨著被分離樣品種類的增多，該方法廣泛地用于無色物質(zhì)的分離，因而，“色譜”名稱中的“色”失去了原有的意義，但“色譜”這

4、一名稱沿用至今。,我國在色譜分析領域的研究起于1954年，由中 國科學院大連化學物理研究所首先開發(fā)。經(jīng)過幾十年的努力，我國色譜基礎理論研究和應用技術研究方面具有特色，居世界領先行列。,大連依利特分析儀器有限公司http://www.elitehplc.com/,10,1. 按流動相和固定相狀態(tài)分類氣體作流動相 氣相色譜（GC）（1）氣固色譜：氣體作流動相，固體吸附劑作固 定相。（2）氣液色譜：氣體作流動相

5、，固定液作固定相。,二、色譜分析法分類,,11,2. 按固定相的固定方式分類,（1）柱色譜： 填充柱色譜：固定相填充到柱管內(nèi); 毛細管柱色譜：把固定相涂在毛細管內(nèi)壁上， 中間是空的。（2）紙色譜：濾紙為固定相的色譜法，流動相是 含一定比例水的有機溶劑，樣品在

6、 濾紙上展開進行分離。（3）薄層色譜：把固體固定相壓成或涂成薄膜的 色譜法。,12,3. 按分離原理分類,（1）吸附色譜：利用吸附劑表面對被分離的各組分吸附能力不同進行分離。（2）分配色譜：利用不同組分在兩相分配系數(shù)或溶解度不同進行分離。（3）離子交換色譜：利用不同組分對離子交換劑親和力不同進行分離。（4）空間排阻色譜：利用凝膠對分子的大小和形狀

7、不同的組分所產(chǎn)生的阻礙作用不同而進行分離的色譜法?！?13,三、色譜分析法的特點,14,3. 分析速度快 幾分鐘、幾十分鐘可完成一個分析周期，一次分析可以同時多個組分。,4. 應用廣泛 氣體、液體、固定樣品均可。 色譜法幾乎能分析所有的化學物質(zhì)，廣泛用于無機、有機、生物、食品、醫(yī)藥、環(huán)境等分析任務。,15,四、色譜分離過程與常用術語,1. 色譜分離過程（1）色譜基本過程,16,17,（2）色譜

8、分離過程,現(xiàn)以填充柱內(nèi)進行分配色譜說明色譜分離過程。下圖表示A、B兩組分在色譜柱內(nèi)的分離過程示意圖。將混合物樣品一次注入色譜柱后，流動相連續(xù)不斷地流經(jīng)色譜柱：,18,19,2. 色譜圖（流出曲線）,試樣各組分經(jīng)色譜柱分離，從色譜柱流入檢測器，并將組分濃度（質(zhì)量）變化轉(zhuǎn)換成電壓（電流）信號，并記錄下來。 將從進樣開始到分析結(jié)束，檢測信號隨時間變化的曲線，稱色譜圖。 因其記錄了各個組分流出色譜柱的情況，又

9、叫色譜流出曲線。,20,,,21,3.色譜圖中的基本術語,（2）基線 當沒有待測組分進入檢測器時（僅有流動相），檢測器的噪音隨時間的變化關系。圖中OA’ 穩(wěn)定情況下，基線是一條直線，基線上下波動稱為噪音。,（1）色譜峰 某組分的響應信號隨時間的變化曲線。 正常：對稱鐘形（符合高斯分布） 不正常：產(chǎn)生拖尾峰,22,（3）色譜峰的高度h,色譜

10、峰最高點與基線之間的距離，可用mm ,mV， mA表示。峰的高低與組分濃度有關，峰越高越窄越好。,23,（4）色譜峰區(qū)域?qū)挾?色譜峰的區(qū)域?qū)挾仁墙M分在色譜柱中譜帶擴展的函數(shù)，它反應了色譜操作條件的動力學因素，常用表示方法有三種：,A 標準偏差— σ 色譜峰是高斯分布，在0.607倍峰高處有一拐點。標準偏差即0.607倍峰高處色譜峰寬的一半。,24,,,,σ,,25,B 峰底寬Wb 色譜峰兩側(cè)拐點所作

11、切線在基線上的距離。 下圖中IJ,峰高一半處色譜峰的寬度。,C 半峰寬,下圖中GH,26,27,色譜峰與基線延長線所包圍的面積。 對于對稱的色譜峰： 對于非對稱的色譜峰：,（5） 色譜峰面積A,28,,（6）色譜保留值,保留值:試樣中各組分在色譜柱中滯留時間的數(shù)值，反映了組分分子與固定相分子作用力大小；,保留值可用時間t 和所消耗流動相的體積V來表示；,組分與固定相作用越強，則在柱中滯留的時間越長

12、，消耗的流動相體積越大；,固定相、流動相固定，色譜操作條件一定時，組分的保留值是個定值。,組分保留值由色譜分離過程的熱力學因素決定。,29,,30,,31,C 調(diào)整保留時間,組分的保留時間與死時間的差值。,32,D 保留體積VR 組分從進樣開始到色譜柱后出現(xiàn)最大值時所需流動相體積。,流動相平均體積流速,33,E 死體積VM (V0),,不被固定相保留的組分流經(jīng)色譜柱所消耗的流動相體積。,,死體積可以認為是色譜柱內(nèi)未被固定相

13、所占據(jù)的空隙體積，也即色譜柱內(nèi)流動相體積。但在實際測量時，包括了柱外死體積（即色譜儀中管路和連接頭之間的空間，以及進樣系統(tǒng)和檢測器的空間）。,34,,F 調(diào)整保留體積V’R,扣除了死體積的保留體積，真實的將待測組分從固定相中攜帶出柱子所需的流動相體積。,注意：保留時間受流動相流速的影響，而保留體積與流動相流速無關。,35,,G 相對保留值,在相同操作條件下，組分2對另一參比組分1調(diào)整保留值之比。,36,一般兩組分的相對保留值只與柱溫及固

14、定相的性質(zhì)有關，與柱長、柱徑、柱填充情況及載氣流速等無關。,37,,§ 2-2 氣相色譜分析理論基礎,38,39,Vs：固定相體積。Vm：流動相體積。,40,3. 保留值與分配比的關系,可以證明：組分的分配比它等于該組分的調(diào)整保留時間與死時間的比：,所以，分配比可由色譜圖直接求出。,41,4. 保留值與分配系數(shù)K的關系,所以：,42,5. 色譜基本保留方程式,,43,,色譜分析包括分離、檢測兩個方面，無論是定性或定量分析，分

15、離是前提。,樣品在色譜柱內(nèi)的分離過程基本理論包括兩方面：,一是混合物中各組分在色譜柱中兩相間的分配與待分離組分、流動相、固定相的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關;可以用保留值評價組分在兩相間的分配情況 (熱力學過程),另一是各組分在色譜柱中的運動情況與分離組分在色譜柱中遇到的阻力有關;各色譜峰的半寬度反映了各組分在色譜柱中的運動情況，

16、 (動力學過程),二、色譜分離的基本理論,44,,1. 塔板理論,45,46,在20世紀50年代，色譜技術發(fā)展的初期，由Martin、Synge等人提出。把色譜分離過程比作精餾過程，并把精餾中的半經(jīng)驗理論－塔板理論用于色譜分析法。,,（1）塔板理論基本假設,A 一根連續(xù)色譜柱為由許多小段組成。在每一 小段內(nèi)，一部分空間為 固定相占據(jù)，另一部 分空間充滿流動相，每一小段相應一個蒸餾，

17、 稱為一個理論塔板。,47,B 在每一個小段內(nèi)，組分在流動相和固定相之間可以很 快達到分配平衡，這樣達到分配平衡的一小段柱長稱 為理論塔板高度H；,C 流動相進入色譜柱不是連續(xù)的，而是脈動的， 即每次進入一個塔板體積；,D 組分沿色譜柱方向的擴散（縱向擴散）可 忽略不計；,E 組分分配系數(shù)在各塔板上是常數(shù)。,48,（2

18、）塔板理論基本描述A 理論塔板高度H 組分在柱內(nèi)兩相間達到一次分配平衡所需柱長。B 理論塔板數(shù) n 組分流經(jīng)色譜柱時，在兩相間進行平衡分配的總次數(shù)。 設柱長為L，則：,L固定，則H越小，n越大，柱效率越高分離效果越好，用 H，n 評價柱效。,49,可見，組分保留時間tR越長，色譜峰寬度越小，n值越大，H越小，色譜柱效率越高。,50,D 有效塔板數(shù) 計

19、算,在實際應用中，有時發(fā)現(xiàn)盡管理論塔板數(shù)很大，但色譜分離效率不高的現(xiàn)象，主要原因是未將不參與分配的死時間扣除。,51,E 有效塔板數(shù) 與理論塔板數(shù)關系,分配比k值越小，有效塔板數(shù)明顯小于理論塔板數(shù)； k值越大，有效塔板數(shù)接近理論塔板數(shù)。,52,（3）塔板理論的成功與局限,53,所以，用塔板理論來說明色譜柱內(nèi)各組分的分離過程并不完全合理，因為色譜柱內(nèi)并沒有塔板。當同一試樣進入同一色譜柱，當流動相速度

20、變化時，得到不同的色譜圖。測得的 n 和 H 也不同，充分說明塔板理論不足以說明色譜柱的分離過程，根源在于塔板理論把色譜過程看成純粹的熱力學過程，是不合理的。,54,2. 速率理論,1956年，荷蘭學者范第姆特（Van Deomter）等人研究氣相色譜時，提出了色譜過程的動力學理論——速率理論。吸收了塔板理論的有益成果：塔板高度的概念，并把影響塔板高度的動力學因素結(jié)合進去，指出：理論塔板高度H是色譜峰展寬的量度，導出了塔板高度與流動相

21、流速的關系式：,55,,56,范第姆特方程式提出了影響Ｈ的三項因素：渦流擴散項、分子擴散項、 傳質(zhì)阻力項。 在流動相流速一定時： 當Ａ、Ｂ、Ｃ小時，Ｈ小，n 才高，柱效高。 當Ａ、Ｂ、Ｃ大時，Ｈ大，n 才少，柱效低。,57,Ⅰ產(chǎn)生原因,（1）渦流擴散項A（多徑項）,在填充色譜柱中，由于柱內(nèi)固體填充顆粒大小的不完全相同，以及填充的不均勻性，當組分隨流動相向柱出口遷移時，流動相由于受到固

22、定相顆粒障礙，不斷改變流動方向，使組分分子在前進中形成紊亂的類似“渦流”的流動，因而，同一組分的分子通過色譜柱時，有許多長短不同的路徑，到達柱尾出口有先有后，產(chǎn)生色譜峰擴展，故稱渦流擴散。,58,Ⅱ渦流擴散項計算,A與固定相顆粒大小、幾何形狀以及裝填緊密程度有關，與流動相流速無關。,,59,60,（2）分子擴散項B/u（縱向擴散項）,Ⅰ產(chǎn)生原因,當樣品組分在色譜柱內(nèi)被流動相帶向前進時，由于組分在柱內(nèi)存在濃度差，因而組分分子隨流動相前進時

23、，自發(fā)地由濃→稀方向擴散，產(chǎn)生了縱向擴散，使色譜峰展寬。,61,γ：彎曲因子，指填充柱內(nèi)流動相擴散路徑彎曲的因素，它反映了固定相的幾何形狀對分子擴散的阻礙情況。 D：為組分在流動相中擴散系數(shù)（c m2·s-1）。 Dg：組分在氣相中擴散系數(shù)比液相擴散系數(shù) Dm大的多（約105倍）,Ⅱ 分子擴散項計算,62,Ⅲ 減小縱向擴散項Ｂ／u 采取措施：,A 適當提高流動相流速u，減小保留時間，

24、減 小分子擴散引起的峰展寬；,B 對于氣相色譜，應采用相對分子質(zhì)量較大的 氣體作流動相。 因為：,（擴散系數(shù)與載氣分子量平方根成反比。）,63,（3）傳質(zhì)阻力項Cu,Ⅰ傳質(zhì)：物質(zhì)由于濃度不均勻而發(fā)生的物質(zhì)遷 移過程。 傳質(zhì)阻力：影響傳質(zhì)過程進行的各種因素。,64,Ⅱ 流動相傳質(zhì)阻力系數(shù) Cm,組分從流動相移動到固定相表面，進行兩相之間的質(zhì)量交換時所受到的阻力，質(zhì)量交換慢

25、，引起色譜峰變寬。,65,減小流動相傳質(zhì)阻力系數(shù)的措施：,,在分子量小的載氣中，組分的擴散系數(shù)大，流動相傳質(zhì)阻力小。,66,,Ⅲ 固定相傳質(zhì)阻力系數(shù) Cs,即組分從兩相界面移動到固定相內(nèi)部，達分配平衡后，又返回到兩相界面，在這過程中所受到的阻力為固定相傳質(zhì)阻力。這一過程需要時間長，固定相傳質(zhì)阻力就大，造成色譜峰變寬。,67,① 降低固定液液膜厚度(Cs∝df2)并且液膜要均勻；若膜厚，擴散費時；但不能太薄，否則包不住載體。② 增加組分

26、在固定相中的擴散系數(shù)。,減小固定相傳質(zhì)阻力系數(shù) Cs的措施：,（4）色譜速率方程式,68,（5）載氣流速u對理論塔板高度H的影響,色譜速率方程式：,若以H對流動相流速u作圖，得到H—u關系曲線：,下圖為氣相色譜和液相色譜的H—u關系曲線,69,GC（a）——u有一最低點u最佳；u小或u大，H都大LC（b）——u沒有最低點； u大，H增大不多，因此可用較高的流速，提高分析速度。,u,70,氣相色譜中的最佳流速可通過實驗和計算方法求得,將

27、 微分：,71,1）載氣流速小的時候，分子擴散項Ｂ／u是影響H的 主要因素，應選相對分子量大的載氣，N２、Ar； 2）載氣流速大的時候，傳質(zhì)阻力C u是影響H的主 要因素，應選相對分子量小的載氣，H2，Ne，以 改善傳質(zhì)。,可測三種流速對應的板高H，解三元一次方程，求出A、B、C即可求出u最佳和H最小。 實際工

28、作中，為縮小分析時間，可選略高u最佳的流速，常用2 u最佳。,72,§ 2-3 色譜分離條件的選擇,73,A B,74,,式中：保留值差別是反映了分離組分在兩相中分配 行為，是色譜分離的熱力學因素。 譜峰的寬窄反映了動態(tài)過程組分區(qū)帶的擴寬 對分離的影響，是色譜分離的動力學因素。,１. 分離度R——色譜柱的總分離效能指標,,定義：相鄰

29、兩個峰的保留值之差與兩峰峰底寬度 平均值之比。,因此，分離度R是衡量色譜柱效率的總性能指標。,75,兩個峰tR 相差越大，W越窄，R值越大，說明柱分離較能高。 R≥１.5 兩個組分能完全分開(峰重疊小于1%)。 R＝１.0 兩組分能分開(峰重疊約2%) ，滿足分 析要求。 R＜１.0 兩峰有部分重疊。,76,,,77,2. 分離度與色譜柱效能、選擇性,柱效能——指色譜柱在分離過程

30、中的分離效能， 常用n，H來描述，對單個組分而言， n 越大，H越小， 柱效越高。(動力學因素),對多個組分的分離來說，無法用n，H 來描述，n 大，H小，幾個峰未必分的開。(當r接近于1時),,78,,選擇性——描述兩個相鄰組分在同一固定相中熱力 學分配行為的重要參數(shù)，用r2,1相對保留 值表示。 r2,1越大，保留時間相差大，

31、 分離越好（但未考慮動力學因素）,79,二、色譜分離基本方程式,1. 公式推導 設兩個相鄰的色譜峰A、B，假設兩峰底寬相等，即：,80,代入分離度公式：,81,又：,代入上式得：,82,83,根據(jù)理論塔板數(shù)與有效塔板數(shù)關系：,84,2. 分離度與柱效、柱容量、選擇性的關系,85,A:柱效項：,增加理論塔板數(shù)是提高分離度的最有效手段。,86,B：柱容量項：k大一些對分析有利；太大，分析時

32、 間長，柱容量合適,分得才好。 一般1＜ k ＜10（理想 2＜ k ＜5）,87,C：選擇性項：r2,1越大，tR（B）與t’R（A） 相差越 大，分的越好。,88,3. 色譜分析對分離度的要求,定性分析,峰高法定量,峰面積定量,89,色譜定性分析的任務是確定色譜圖上各個色譜峰代表什么物質(zhì)。,各種物質(zhì)在一定色譜條件下，均有確定的保留值，因此，色譜保留值可作為一種

33、定性指標。,不同物質(zhì)在同一色譜條件下，可能具有相同或相似的保留值，即保留值并非物質(zhì)的專屬性質(zhì)，因此，僅僅根據(jù)保留值對一個求知樣進行定性分析有困難。通常結(jié)合樣品來源、性質(zhì)、分析目的等，并根據(jù)具體方法來進行定性分析更為有效。,90,,一、利用標準物質(zhì)對照定性 在相同色譜條件下，將標準物和樣品分別進樣，若兩者保留值相同，可能為同一物質(zhì)，否則不是。 此方法要求操作條件穩(wěn)定、一致，必須嚴格控制操作條件，尤其是流速。,91,,,,,

34、,92,93,1. 人為規(guī)定：正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)為其碳數(shù)乘以 100，即：,2. 選擇兩個正構(gòu)烷烴為基準物，使被測物的調(diào)整 保留值位于所選正構(gòu)烷烴之間,3. 將含待測物及所選兩個正構(gòu)烷烴混合物注入 一定固定相的色譜柱內(nèi)，在一定條件下，測 得色譜圖。,94,95,96,4. 計算保留指數(shù) 大量實驗結(jié)果表明：保留指數(shù)

35、與調(diào)整保留時間對數(shù)值呈線性關系，因而可用內(nèi)插法求出未知組分保留指數(shù)：,97,若 n = 1，即所選為兩個相鄰的兩個正構(gòu)烷烴。,98,五、與其它分析儀器聯(lián)用的定性方法,色質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS；LC-MS）色譜-紅外光譜儀聯(lián)用儀；,99,定量分析任務：求混合物中各組分的百分含量。,定量分析依據(jù)：在一定操作條件下，被測組分的 質(zhì)量（或濃度）與檢測器的響應

36、 信號成正比。,,§ 2-7 色譜定量分析方法,100,一、峰面積計算法,1. 峰高乘以半峰寬法 對于對稱峰，符合高斯分布,2. 峰高乘以平均峰寬法 對于不對稱峰，可在峰高0.15及0.85處分別峰寬，再取平均值。,3. 自動積分法 儀器自動積分后，給出峰面積（現(xiàn)代儀器基本功能）。,101,二、定量校正因子,色譜定量分析是基于峰面積與組分的量

37、成正比關系。 但由于同一檢測器對不同物質(zhì)具有不同的響應值，即不同物質(zhì)檢測器的靈敏度不同，相同的峰面積并不意味著有相等的量。,因此，不能根據(jù)色譜峰面積直接計算組分含量，需對峰面積進行校正。,102,,,1. 絕對校正因子,絕對校正因子：單位峰面積對應組分的質(zhì)量。,103,104,,可見，相對校正因子就是當組分的質(zhì)量與標準物質(zhì)質(zhì)量相等時，標準物質(zhì)的峰面積是組分峰面積的倍數(shù)。,105,,結(jié)論：通過相對校正因子，可以把各組分的峰面

38、積分別換算成與其質(zhì)量相等的標準物質(zhì)的峰面積，即統(tǒng)一了標準。,相對校正因子可從相關手冊上查得，只與被測物、標準物質(zhì)及檢測器類型有關，與操作條件無關。也可自行測定而得。,106,三、定量方法,107,108,則：,109,C 對內(nèi)標物的要求1）內(nèi)標物應是樣品中原來不存在的純物質(zhì)；2）內(nèi)標物性質(zhì)與被測物盡可能接近；3）不與樣品組分發(fā)生化學反應；4）內(nèi)標物色譜峰與待測組分峰盡可能接近。,110,因此，內(nèi)標法結(jié)果可靠性高，只需被測組分和內(nèi)

39、標物出峰即可，適用于微量組分的測定，應用廣泛。,缺點： 每次測定都要準確稱量樣品和內(nèi)標物，稍麻煩。,111,,3. 外標法—標準曲線法,當樣品中各組分不能完全流出，又沒有合適內(nèi)標時，可采用此法。將待測組分的純物質(zhì)配制不同濃度的標準系列，在相同操作條件下，定量進樣，測各個峰的A或h ，繪制A—x%曲線或h —x%曲線。,在完全相同條件下，測待測樣品，根據(jù)A待或h待，從曲線上查出待測組分含量。,112,優(yōu)點：操作簡單，計算方便，不用

40、 。缺點：要求準確進樣，操作條件穩(wěn)定.,113,例 題,已知物質(zhì)A和B在一根30.00 cm長的柱上的保留時間分別為16.40 min和17.63 min。不被保留組分通過該柱的時間為1.30 min。峰底寬度分別為1.11 min和1.21 min，計算：（1）柱的分離度；（2）柱的平均塔板數(shù)；,114,（2）柱的平均塔板數(shù) n = 16 (16.40 /1.11)2 = 3493