氣相色譜基礎(chǔ)知識——基本原理（氣相色譜法GC）【PPT】課件

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1、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,*,,*,第十章,,氣相色譜法（,CG,）,§,10-1,色譜法引論,一,,概述,?,“,色譜法”,,名稱的由來,石油醚,(,流動相,),碳酸鈣,,(,固定相,),},色,,譜,,帶,,是利用混合物不同組分在,固定相,和,流動相,中分配系數(shù),(,或吸附系數(shù)、滲透性等,),的差異，使不同組分在作相對運動的兩相中進行反復分配，實現(xiàn)分離的分析方法。,色譜法,?,色譜法的分類,根據(jù)流動相的,,物態(tài)可分為,氣相色譜,(GC),,液相色譜,

2、(LC),超臨界流體色譜,,(SFC),{,根據(jù)固定相的外形分,柱色譜,,平板色譜,{,平 板 色 譜,,根據(jù)分離機理,,可分為,吸附色譜,,分配色譜,,離子交換色譜,,排阻色譜,,二,,色譜流出曲線及有關(guān)術(shù)語,(,一）保留值－,定性,1,,死時間,t,0,,流動相,,平均線速度,,柱長,2,,保留時間,t,r,3,,校正,(,調(diào)整,),保留時間,4,,死體積,V,0,5,,保留體積,V,r,6,,校正,(,調(diào)整,),保留體積,7,,相對保留值,r,i,,,s,8,,分離因子,α,>,(,二）峰高與峰面積,－定量,（三）區(qū)域?qū)挾?－柱效,峰底寬度,W,,半峰寬,W,1/2,,標準偏差,σ,(,

3、四）色譜流出曲線上的信息,1,根據(jù)色譜峰的個數(shù)，可判斷樣品所含的最少組份數(shù)。,,2,根據(jù)色譜峰的保留值，可以進行定性分析。,,3,根據(jù)色譜峰的面積或峰高,,,可以進行定量分析,,4,色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾仁窃u價色譜柱分離效能的依據(jù),,5,色譜峰兩峰間的距離，是評價固定相,(,或流動相,),選擇是否合適的依據(jù)。,,三,色譜分析的基本原理,?,組分保留時間為何不同？,,?,色譜峰為何變寬？,(,一）分配系數(shù),K,和分配比,k,,組分在固定相中的濃度,組分在流動相中的濃度,,1,,分配系數(shù),組分一定時，,K,主要取決于固定相性質(zhì),,組分及固定相一定時,,,溫度增加,,,K,減小,,試樣中的各組分

4、具有不同的,K,值是分離的基礎(chǔ),,選擇適宜的固定相可改善分離效果,影響,K,的因素,{,固定相,,溫度,2,,分配比,(,容量因子,),k,,組分在固定相中的質(zhì)量,,組分在流動相中的質(zhì)量,K,與,k,都是與組分及固定相的熱力學性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。,,K,與,k,都是衡量色譜柱對組分保留能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時間越長。,,k,可直接從色譜圖上獲得。,3,,分配系數(shù),K,與分配比,k,的關(guān)系,4,,分離因子,與,分配系數(shù),K,及,分配比,k,的關(guān)系,(,二）色譜理論,1,,塔板理論－,柱分離效能指標,* k,=1,,塔板號,,載氣塔板體積數(shù),0,1,2,3,4,柱出口,0,,1,,2,,3

5、,,4,,5,,6,,7,,8,,9,,10,,11,,12,,13,,14,,15,,16,1,,0.5,,0.25,,0.125,,0.063,,0.032,,0.016,,0.008,,0.004,,0.002,,0.001,,0,,0,,0,,0,,0,,0,0,,0.5,,0.5,,0.375,,0.25,,0.157,,0.095,,0.056,,0.032,,0.018,,0.010,,0.005,,0.002,,0.001,,0,,0,,0,0,,0,,0.25,,0.375,,0.375,,0.313,,0.235,,0.165,,0.111,,0.072,,0.045,,0

6、.028,,0.016,,0.010,,0.005,,0.002,,0.001,0.,,0,,0,,0.125,,0.25,,0.313,,0.313,,0.274,,0.22,,0.166,,0.094,,0.070,,0.049,,0.033,,0.022,,0.014,,0.008,0,,0,,0,,0,,0.063,,0.157,,0.235,,0.274,,0.274,,0.247,,0.207,,0.151,,0.110,,0.08,,0.057,,0.040,,0.027,0,,0,,0,,0,,0,,0.032,,0.079,,0.118,,0.138,,0.138,,0.12

7、4,,0.104,,0.076,,0.056,,0.040,,0.028,,0.020,,理論塔板數(shù),,理,,論,,塔,,板,,高,,度,,色譜柱長度,柱效能指標,當色譜柱長度一定時，塔板數(shù),n,,越大,(,塔板高度,H,越小,),，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能越高，所得色譜峰越窄。,?,,不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應(yīng)指明測定物質(zhì)。,,有效塔板數(shù),有效板高,2,,速率理論－,影響柱效的因素,,流動相,,線速度,范弟姆特方程,1),渦流擴散項,A,固定相顆粒越小，填充的越均勻,A,越小，,H,越小，柱效越高，色譜峰越窄。,,

8、2),分子擴散項,B,/,u,(,縱向擴散項,),流動相,柱內(nèi)譜帶構(gòu)型,相應(yīng)的響應(yīng)信號,產(chǎn)生原因：,濃度梯度,,影響因素：,流動相流速；,,氣體擴散系數(shù),3),傳質(zhì)阻力項,Cu,?,氣相傳質(zhì)阻力,固定相顆粒越小，載氣分子量越小,氣相傳質(zhì)阻力越小,,?,液相傳質(zhì)阻力,固定液粘度及液膜厚度越小,液相傳質(zhì)阻力越小,,4),流動相線速度對板高的影響,例,1,：已知一色譜柱在某溫度下的速率方程的,A=0.08cm; B=0.65cm,2,/s; C=0.003s,,求最佳線速度,u,和最小塔板高,H.,解,: H=A+B/u+Cu,,欲求,u,最佳和,H,最小,,,要對速率方程微分,

9、,,即,,,dH,/du,＝,d(A+B/u+Cu)/du,＝,-B/u,2,+C,＝,0,,最佳線速,: u,最佳,＝,(B/C),1/2,,,＝,(0.65/0.003),1/2,＝,14.7cm/s,,最小板高,:,,H,最小,＝,A+2(BC),1/2,,,＝,0.08+2(0.65×0.003),1/2,＝,0.17cm,四,分離度,定義：,t,r2,,,t,r1,:,組分,2,和組分,1,的保留時間,W,2,,,W,1,:,組分,2,和組分,1,的峰底寬度,R=1.5,,完全分離,五,基本色譜分離方程式,對于難分離相鄰兩組分：,W,1,≈,W,2,≈,W,P,185,(10

10、-12),分離度與,k,、,n,及,的關(guān)系,?,,k,從,1,增加到,3,，,R,增加到原來的,1.5,倍,,,(,k,: 2-7),?,n,增加到原來的,3,倍,，,R,增加到原來的,1.7,倍,?,,從,1.01,增加到,1.1,，,增加約,9,％，,R,增,,加到原來的,9,倍,結(jié)論,選擇合適的固定相,(,流動相,),以增加,,是改善分離度最有效的方法,1),各組分的分配系數(shù)必須不同。這一條件通過選擇合適的固定相來實現(xiàn)。,,2),區(qū)域擴寬的速度應(yīng)小于區(qū)域分離的速度，即色譜柱的柱效要高。,,3),在保證快速分離的前提條件下，色譜柱應(yīng)足夠長。,使試樣中的不同組分分離需要滿足的條件,例,1,：

11、,有一根,,l m,長的柱子，分離組分,1,和,2,得到如下色譜圖。圖中橫坐標,l,為,記錄筆走紙距離。若欲得到,,R=1.2,的分離度，有效塔板數(shù)應(yīng)為多少？色譜柱要加到多長？,,,解法,1,R,=1.2,,1),,,2),,,解法,2,1),同解法,1,2),§,10-2,氣相色譜實驗技術(shù),一 氣相色譜儀,GC,工作過程,載氣系統(tǒng),進樣系統(tǒng),分離系統(tǒng),檢測和,,記錄系統(tǒng),溫控系統(tǒng),,（一）載氣系統(tǒng),常用載氣：,氮氣、氦氣、氫氣及氬氣,氣源,,凈化干燥管,,載氣流速控制裝置,{,載氣系統(tǒng),載氣選擇依據(jù),檢測器,,柱效,{,（二）進樣系統(tǒng),注射器,氣化室,進樣系統(tǒng),{,進樣器,氣化室,溫度比柱溫

12、高出,10,～,50℃,取樣位置 試樣導入色譜柱,六通閥進樣器,（三）分離系統(tǒng),(,色譜柱,),色譜柱,填充柱,毛細管柱,柱內(nèi)徑,1-10 mm,0.05-0.5 mm,柱長度,0.5-10 m,10-150 m,總塔板數(shù),~10,3,~,,10,6,樣品容量,10-1000,,,0.1-50,1,,氣液色譜固定相,?,組成,{,擔體,(,載體,),,固定液,{,硅藻土,紅色,,白色,非硅藻土,{,1),擔體,(,載體,),?,對載體的要求,具有多孔性，即比表面積大。,,化學惰性，表面沒有活性，有較好的浸潤性。,,熱穩(wěn)定性好。,,有一定的機械強度，使固定相在制備和填充

13、過程中不易粉碎。,?,擔體的表面處理,a.,,酸洗－,濃鹽酸浸泡，除去堿性作用基團,,b.,,堿洗－,氫氧化鉀甲醇溶液浸泡，除去酸,,性作用,基團,,c.,,硅烷化－,除去擔體表面的氫鍵作用力,二甲基二氯硅烷,2),,固定液,－,高沸點的有機化合物,,?,對固定液的要求,熱穩(wěn)定性好，在操作溫度下不發(fā)生聚合、分解等反應(yīng)；具有較低的蒸氣壓，以免流失。,,化學穩(wěn)定性好，不與樣品或載氣發(fā)生不可逆的化學反應(yīng)。,,粘度和凝固點低，以便在載體表面能均勻分布。,,對樣品中的各組分有適當?shù)娜芙舛取?(,填充柱 ，毛細管柱,),?,組分與固定液分子間的相互作用,靜電力－極性分子之間的作用力

14、,,誘導力－極性與非極性分子之間的作用力,,色散力－非極性分子之間的作用力,,氫鍵力－氫原子與電負性很大的原子,(,如,F,、,O,、,N,等,),之間的作用力,?,固定液的相對極性,P,?,固定液的選擇原則,－“相似相溶”,a.,,非極性物質(zhì),—,非極性固定液,。,,沸點,越低的組分越早出峰。,b.,極,性物質(zhì),—,極性固定液,。,,極性,越小的組分出越早出峰。,c.,極,性與非極性混合物,—,極性固定液,。,,極性越小的組分出越早出峰。,d.,易,形成氫鍵物質(zhì),—,極性或氫鍵型固定液。,,不易形成氫鍵的組分先出峰，易形成氫鍵的組分后出峰。,e.,復雜難分離樣品,—,多種固定液混合,固定液,

15、極性,適用范圍,100,％,二甲基聚硅氧烷,非極性,脂肪烴化合物，石化產(chǎn)品,(50,％,三氟丙基,),甲基聚硅氧烷,中等極性,極性化合物，如高級脂肪酸,聚乙二醇,中強極性,極性化合物，如醇、羧酸酯等,常用毛細管色譜柱固定液,2,,氣固色譜固定相,永久性氣體,,惰性氣體,,低沸點有機化合物,分離對象,,分離測定有機物中的痕量水,高分子多孔微球,硅膠－強極性,,氧化鋁－弱極性,,活性炭－非極性,,分子篩,－強極性,,高分子多孔微球,(GDX),固體吸附劑,,(,四,),檢測系統(tǒng),1,,熱導池檢測器,,(TCD),參比,測量,R,1,R,2,A,B,R,1,*R,參比,=,R,2,*R,測量,只有載

16、氣通過時,載氣,+,組分,R,1,*R,參比,≠,R,2,*R,測量,利用載氣與組分熱導系數(shù)的差異進行測量,,?,載氣對,熱導檢測器靈敏度的影響,某些氣體與蒸氣的熱導系數(shù),/10,-4,J,·,(cm,·,s,·,℃),-1,氣體,熱導系數(shù),氣體,熱導系數(shù),氫氣,22.4,甲烷,4.56,氦氣,17.41,乙烷,3.06,氮氣,3.14,丙烷,2.64,氧氣,3.18,甲醇,2.30,空氣,3.14,乙醇,2.22,氬氣,2.18,丙酮,1.76,?,影響熱導檢測器靈敏度的因素,載氣種類；,,熱絲工作電流；,,熱絲與池體溫度差。,?,適用范圍,,測量對象：通用,,色譜柱：填充柱,,,2,氫,火

17、焰離子化檢測器,(FID),,?,火焰離子化機理,?,適用范圍,含碳有機化合物,?,影響檢測靈敏度的因素,,氫氮比；空氣流量；極化電壓。,3,電子捕獲檢測器,(ECD),,?,電子,捕獲機理,?,適用范圍,鹵素及親電子物質(zhì),飲用水中三鹵甲烷色譜圖,水,氯,氯仿,二氯溴甲烷,二溴氯甲烷,溴仿,4,火焰光度檢測器,(FPD),,?,響應(yīng)機理,?,適用范圍,含硫、磷化合物,含磷化合物,含硫化合物,三,,九,,一,,一,乙拌磷,地亞農(nóng),倍硫磷,對硫磷,丙硫磷,乙硫磷,乙丙硫磷,谷硫磷,壤蟲磷,豐索磷,蠅毒磷,馬拉硫磷,一,0,五九,5,質(zhì)譜檢測器,毛,,細,,管,,柱,接口,離子源,離子檢測器,加,,

18、熱,,器,溫,,度,,傳,,感,,器,6,原子發(fā)射光譜檢測器,,二 色譜分離操作條件的選擇,1.,色譜,柱,固定相；,,固定液液膜厚度；,,柱長等,2.,載氣及其線速的選擇,檢測器,載氣,柱效,u,較小時，選擇分子量較大的載氣（,N,2,，,Ar,）；,u,較大時，選擇分子量較小的載氣,(H,2,，,He),u,的選擇,3.,柱溫,的選擇,改變柱溫產(chǎn)生的影響,柱效,增加柱溫可加快氣相、液相的傳質(zhì)速率，有利于降低塔板高度，改善柱效；但同時又會加劇縱向擴散，從而導致柱效下降。,分離度,柱溫升高，,K,,減小，分離度下降。,分析時間,降低柱溫，分析時間增加,柱溫應(yīng)控制在固定液的,最高使用溫度,和最低

19、使用溫度范圍之內(nèi)。,,使最難分離的組分有盡可能好的分離前提下，采取適當?shù)偷闹鶞兀员Ａ魰r間適宜，峰形不拖尾為度。,,柱溫一般選擇在組分平均沸點左右。,,組分復雜，沸程寬的試樣，采用程序升溫。,選擇原則,程序升溫,50~250℃,，,,8,℃/,min,恒溫,150,℃,正構(gòu)烷烴恒溫和程序升溫色譜圖比較,程序升溫不僅可以改善分離，而且可以縮短分析時間。,4.,進樣量的選擇,,進樣量,柱效,進樣量過大，使色譜柱超載，柱效急劇下降，峰形變寬,檢測器,進樣量過大，峰高或峰面積與進樣量的線性關(guān)系被破壞,·,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),§,10-3,氣相色譜分析方法及應(yīng)用,

20、一 定性分析,1,用已知純物質(zhì),,對照定性,保留值定性,,峰高增加法定性,2,用經(jīng)驗規(guī)律和文獻值定性,(1),經(jīng)驗規(guī)律,碳數(shù)規(guī)律,在一定溫度下，,同系物,的調(diào)整保留時間的對數(shù)與分子中碳數(shù)成線性關(guān)系,,,如果知道兩種或更多同系物的調(diào)整保留時間，則可求出常數(shù),A,和,C,。從色譜圖查出未知物的 后，根據(jù)上式即可求出未知物的碳數(shù)。,(2),相對保留值,(3),保留指數(shù),Z,,,Z,+1:,正構(gòu)烷烴的碳原子數(shù),進樣,例：乙酸正丁酯在阿皮松,L,柱上的流出曲線如下圖所示。由圖中測得調(diào)整保留距離為：乙酸正丁酯,310.0 mm,，正庚烷,174.0 mm,，正辛烷,373.4 mm,。求乙酸正定酯的

21、保留指數(shù)。,在與文獻值對照時，一定要重視文獻值的實驗條件，如固定液、柱溫等。而且要用幾個已知組分進行驗證。,3,聯(lián)機定性,?,GC/MS(,氣相色譜,-,質(zhì)譜,),例：川桂皮揮發(fā)油的化學成分分析,色譜柱：,SE,－,54(30m×0.25mm×0.25,μ,m),色譜操作條件,載氣：氦氣，流速,1mL/min,柱溫：初溫,60℃,保持,1min,，,8 ℃ /min,升溫至,150 ℃,，,6 ℃ /min,升溫至,190 ℃,，,8 ℃ /min,升溫至,250 ℃,，保持,1min,總離子流色譜圖,6,號峰的質(zhì)譜圖,,?,GC/AES(,氣相色譜－原子發(fā)射光譜,),二甲基硒,烯丙基甲基硒,

22、甲基亞磺基硒酸甲酯,二甲基二硒,2,－丙稀硫硒酸甲酯,1,－丙稀硫硒酸甲酯,雙,(,甲硫,),硒,烯丙基甲基硫,二甲基二硫,二烯丙基硫,烯丙基甲基二硫,二甲基三硫,二烯丙基二硫,烯丙基甲基三硫,二烯丙基三硫,GC-AES,同時檢測大蒜中碳、硫、硒化合物,Se(196.1 nm),C(193.1 nm),S(180.7 nm),,4,幾種方法聯(lián)合定性,,化合物,GC-MS,色譜保留指數(shù),,,質(zhì)譜相似度,OV-101,柱,PEG 20M,柱,9,號峰定性數(shù)據(jù),,985,1149,β,-,蒎烯,934,981,1124,香葉烯,926,986,1156,,質(zhì)譜和保留指數(shù)兩種鑒定方法的結(jié)果,例：纈草揮

23、發(fā)油化學成分的研究,多種方法聯(lián)合定性可大大提高鑒定的可靠性,二 定量分析,1,,定量基礎(chǔ),或,單位峰面積,(,或單位峰高,),的組分的量,定量校正因子,相對校正因子,2,,常用的幾種定量分析方法,(1),歸一化法,試樣中所有組分均須出峰,要求,操作條件如進樣量、載氣流速等變化時對結(jié)果的影響較小。,優(yōu)點,組分,乙苯,對二甲苯,間二甲苯,鄰二甲苯,峰面積,120,75,140,105,f,i,',0.97,1.00,0.96,0.98,校正因子歸一化定量結(jié)果,27.0,17.5,31.3,24.1,峰面積直接歸一化定量結(jié)果,27.2,17.1,31.8,23.9,,C,8,芳烴異構(gòu)體歸一化定量分析

24、,,(2),外標法,(,校準曲線法,),或,?,不使用校正因子,?,需準確控制進樣量、,,載氣流速等,操作條件,?,適合測定大批量樣品,(3),內(nèi)標法,,對內(nèi)標物的要求：,,（,a,）試樣中不含有該物質(zhì)；,,（,b,）與被測組分性質(zhì)比較接近；,,（,c,）不與試樣發(fā)生化學反應(yīng)；,,（,d,）出峰位置應(yīng)位于被測組分附近，且無,,組分峰影響。,準確度高,優(yōu)點,例,:,測定二甲苯氧化母液中乙苯和二甲苯含量，采用內(nèi)標法。稱取試樣,1500 mg,，加入內(nèi)標物壬烷,150 mg,，混合均勻后進樣，測得如下數(shù)據(jù)：,組分,壬烷,乙苯,對二,,甲苯,間二,,甲苯,鄰二,,甲苯,峰面積,,校正因子,98,,1.02,70,,0.97,95,,1.00,120,,0.95,80,,0.98,計算樣品中乙苯、對二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯的含量。,解：,三,應(yīng)用,（一）分離分析中的應(yīng)用,氣體、易揮發(fā)的物質(zhì)及可轉(zhuǎn)化為易揮發(fā)化合物的液體或固體物質(zhì),適用對象,（二）化學研究中的應(yīng)用,1.,通過測定保留時間，研究某些化學平衡性質(zhì)，如溶解熱、活度系數(shù)、熵變及焓變等,2.,通過測定色譜峰柱后擴寬程度，研究某些動力學過程，如測定液體和氣體的擴散系數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)等,3.,根據(jù)保留體積或峰面積，測定相對分子質(zhì)量、表面積、孔率分布及液膜厚度等物化性質(zhì),