氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座

第十二章氣相色譜法

(GasChromatography）教學(xué)目標(biāo):1.掌握色譜法基本原理,概念和塔板理論,速率理論2.了解色譜法定性,定量測(cè)定方法3.了解氣相色譜特點(diǎn)4.了解氣相色譜儀組成5.掌握怎樣選擇分離操作條件氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第1頁(yè)12-1氣相色譜分類、普通流程以及慣用術(shù)語(yǔ)按固定相狀態(tài)分為氣-固色譜（GSC）氣-液色譜(GLC)按色譜柱粗細(xì)分為填充柱色譜4-6mm毛細(xì)管柱色譜0.1-0.5mm按分離原理分為吸附色譜（氣固色譜）分配色譜（氣液色譜）12-1-1氣相色譜分類氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第2頁(yè)氣相色譜特點(diǎn)（1）先分離后檢測(cè)（2）選擇性好（3）分離效能高，理論塔板數(shù)到達(dá)103-106（4）靈敏度高（檢測(cè)器）納克級(jí)（5）樣品用量少：微升級(jí)，適合用于痕量分析（6）適用范圍廣缺點(diǎn)：受試樣蒸汽壓限制，不適合難揮發(fā)和熱穩(wěn)定性差物質(zhì)分析氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第3頁(yè)1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；7-進(jìn)樣閥；8-色譜柱;9-檢測(cè)器；10-放大器；11-溫度控制器；12-統(tǒng)計(jì)儀；載氣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)色譜柱檢測(cè)系統(tǒng)溫控系統(tǒng)12-1-2氣相色譜結(jié)構(gòu)流程氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第4頁(yè)12-1-3氣相色譜圖及慣用術(shù)語(yǔ)色譜圖是指柱后流出物組分在流經(jīng)檢測(cè)器時(shí)，載氣中各組分量所產(chǎn)生信號(hào)對(duì)時(shí)間曲線。色譜圖中凸起部分稱為色譜峰。1.基線baseline：在操作條件下，沒有組分流出時(shí)流出曲線。基線反應(yīng)是儀器（主要是檢測(cè)器）信號(hào)隨時(shí)間改變。峰面積peakarea：峰與峰底之間面積，用A表示

峰高peakheight：色譜峰最高點(diǎn)至峰底之間距離用h表示。氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第5頁(yè)2.保留值能夠用保留時(shí)間和保留體積來(lái)表示。（1）保留時(shí)間（tR）：組分從進(jìn)樣到出現(xiàn)信號(hào)最大值時(shí)時(shí)間（2）死時(shí)間（tM）：不被固定相滯留組分保留時(shí)間（3）調(diào)整保留時(shí)間（

tR′

）：組分保留時(shí)間和死時(shí)間之差tR′=tR-tM

tR′表示固定相滯留組分時(shí)間

氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第6頁(yè)(4)保留體積VR，是組分從進(jìn)樣到出現(xiàn)最大信號(hào)所需要流動(dòng)相體積VR=tR·F0

(5)死體積VM,，不被固定相滯留組分保留體積VM

=t0·F0

(6)調(diào)整保留體積，VR′VR'=VR-VMVR和VR′與載氣流速無(wú)關(guān)(7)相對(duì)保留值，組份2調(diào)整保留值與組份1調(diào)整保留值之比，稱為相對(duì)保留值r21表示：因?yàn)橄鄬?duì)保留值只與柱溫及固定相性質(zhì)相關(guān)，而與柱徑、柱長(zhǎng)、填充情況及流動(dòng)相流速無(wú)關(guān)，所以，它是色譜法中，尤其是氣相色譜法中，廣泛使用定性數(shù)據(jù)．必須注意，相對(duì)保留值絕對(duì)不是兩個(gè)組份保留時(shí)間或保留體積之比

.氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第7頁(yè)3區(qū)域?qū)挾龋海?）標(biāo)準(zhǔn)偏差σ：正態(tài)分布色譜峰上兩拐點(diǎn)間距離二分之一或者是0.607倍峰高處峰寬二分之一（2）峰底寬Wb:

指色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)處切線在基線上截取距離（3）半峰寬W1/2

：峰高二分之一處對(duì)應(yīng)峰寬

Wb=4σW1/2

=2.354σW0.607h=2σσ值大小表示色譜柱后流出組分分散程度，σ

值

越小，表明流出組分越集中，柱效越高。氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第8頁(yè)從色譜流出曲線上，得到信息是：（1）依據(jù)色譜峰個(gè)數(shù)，能夠判斷樣品中所合組份最少個(gè)數(shù)．（2）依據(jù)色譜峰保留值(或位置），能夠進(jìn)行定性分析．（3）依據(jù)色譜峰下面積或峰高，能夠進(jìn)行定量分析．（4）色譜峰保留值及其區(qū)域?qū)挾?，是評(píng)價(jià)色譜柱分離效能依據(jù)．（5）色譜峰兩峰間距離，是評(píng)價(jià)固定相(和流動(dòng)相)選擇是否適當(dāng)依據(jù)．氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第9頁(yè)4分配系數(shù)：氣相色譜分析過(guò)程中，組分在固定相和流動(dòng)相之間重復(fù)進(jìn)行分配，組分一部分處于固定相中，一部分處于流動(dòng)相中，在一定壓力、溫度條件下，組分在兩相中到達(dá)分配平衡時(shí)，固定相中組分濃度（Cs）與流動(dòng)相中組分濃度（Cm）之比，稱為分配系數(shù)，用K

表示。分配系數(shù)大小由組分和固定相熱力學(xué)性質(zhì)決定，隨柱溫、柱壓變化與兩相體積無(wú)關(guān)，與儀器無(wú)關(guān)。氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第10頁(yè)5.分配比(容量因子)：它是指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間分配達(dá)平衡時(shí)，分配在固定相和流動(dòng)相中質(zhì)量比。由色譜理論分析可知，兩組分在兩相中質(zhì)量比，實(shí)際上等于其滯留在兩相中時(shí)間比或?qū)?yīng)流動(dòng)相體積之比k值越大，說(shuō)明組分在固定相中量越多，相當(dāng)于柱容量大，所以又稱分配容量或容量因子。它是衡量色譜柱對(duì)被分離組分保留能力主要參數(shù)。k值也決定于組分及固定相熱力學(xué)性質(zhì)。它不但隨柱溫、柱壓改變而改變，而且還與流動(dòng)相及固定相體積相關(guān)。

氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第11頁(yè)12-2氣相色譜基本理論熱力學(xué)理論塔板理論（platetheory）從相平衡觀點(diǎn)來(lái)研究分離過(guò)程動(dòng)力學(xué)理論速率理論（ratetheory）研究動(dòng)力學(xué)原因?qū)χв绊憵庀嗌V法GasChromatography主題知識(shí)講座第12頁(yè)12-2-1塔板理論

最早由Martin等人提出塔板理論，把色譜柱比作一個(gè)精餾塔，沿用精餾塔中塔板概念來(lái)描述組分在兩相間分配行為，同時(shí)引人理論塔板數(shù)作為衡量柱效率指標(biāo)。氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第13頁(yè)柱長(zhǎng)LH△V012345（1）在柱內(nèi)一小段長(zhǎng)度H內(nèi)，組分能夠在兩相間快速到達(dá)平衡。H稱為理論塔板高度。（2）塔板中下層是固定相，上層是流動(dòng)相，該空間稱為板體積ΔVm，載氣進(jìn)入色譜柱不是連續(xù)進(jìn)行，而是脈動(dòng)式。（3）組分在各塔板內(nèi)兩相之間快速到達(dá)分配平衡，分配系數(shù)恒定不變，與組分濃度無(wú)關(guān)（4）組分全部加在0號(hào)塔板上，試樣在沿色譜柱方向縱向擴(kuò)散忽略不計(jì)12-2-1-1塔板理論假設(shè)氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第14頁(yè)用分離過(guò)程中分解動(dòng)作來(lái)說(shuō)明色譜過(guò)程組分在兩相中連續(xù)轉(zhuǎn)移過(guò)程間歇在單個(gè)塔板中分配平衡過(guò)程氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第15頁(yè)塔板號(hào)01234N=0進(jìn)樣1.000流動(dòng)相固定相分配平衡0.500流動(dòng)相0.500固定相N=1進(jìn)氣△V0.500流動(dòng)相0.500固定相分配平衡0.2500.250流動(dòng)相0.2500.250固定相N=2進(jìn)氣△V0.2500.250流動(dòng)相0.2500.250固定相分配平衡0.1250.2500.125流動(dòng)相0.1250.2500.125固定相N=3進(jìn)氣△V0.1250.2500.125流動(dòng)相0.1250.2500.125固定相分配平衡0.0630.1880.1880.063流動(dòng)相0.0630.1880.1880.063固定相N=4進(jìn)氣△V0.0630.1880.1880.063流動(dòng)相0.0630.1880.1880.063固定相分配平衡0.0320.1250.1880.1250.032流動(dòng)相0.0320.1250.1880.1250.032固定相組分A在柱內(nèi)分配過(guò)程模型，假設(shè)n=5,k=1氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第16頁(yè)01234出柱口010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2740.2740.11880.0040.0320.0860.1960.2740.13390.0020.0180.0590.1410.2360.138100.0010.0100.0380.1000.1890.1181100.0050.0240.0690.1450.0951200.0020.0160.0460.1070.0731300.0010.0080.0300.0760.05414000.0040.0190.0530.03815000.0020.0120.0360.02816000.0010.0080.0240.018r載氣板體積數(shù)n組分在色譜柱內(nèi)塔板上分配情況（n=5,k=1，m=1)氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第17頁(yè)12-2-2-2柱效能指標(biāo)1.理論塔板數(shù)n2.有效塔板數(shù)neffn物理意義：n越大，說(shuō)明組分在柱中重復(fù)分配平行次數(shù)越多，平衡次數(shù)越多，組分與固定相相互作用力越顯著，柱效越高。色譜峰越窄，塔板數(shù)多，理論塔板高越小，柱效能越高。因而n或H作為描述柱效能一個(gè)指標(biāo)3.塔板理論高度H有效塔板高度Heff氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第18頁(yè)【例】某組分經(jīng)過(guò)2m長(zhǎng)色譜柱時(shí)，保留時(shí)間為6.6min，峰底寬為30s，已知死時(shí)間為1.2min,試計(jì)算組分在色譜柱上理論塔板數(shù)、有效塔板數(shù)、理論塔板高度和有效塔板高度。解：組分在該色譜柱上理論塔板數(shù)為：有效塔板數(shù)為：理論塔板高度為：有效塔板高度為：氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第19頁(yè)12-2-2-3總結(jié)1.計(jì)算neff和Heff時(shí)，扣除了組分不參加分配死時(shí)間所以用計(jì)算neff和Heff表示柱效能時(shí)，反應(yīng)柱分離作用完全是固定相對(duì)組分作用，愈加真實(shí)反應(yīng)了色譜柱效能高低2.色譜柱柱長(zhǎng)L一定時(shí)，組分H或（Heff）越小，

n或neff就越大，表明色譜柱對(duì)該組分作用越大，柱效能越高3.在同一色譜柱上，因?yàn)椴灰粯咏M分tR

(或tR′

)值一定、Wb值不一樣，所以色譜柱對(duì)不一樣組分n

或neff不一樣，H或者neff不一樣，柱效能也就不一樣。4.對(duì)于某一組分來(lái)說(shuō)，當(dāng)峰位一定，即tR

(或tR′

)值一定，組分Wb越小，則neff值越大，說(shuō)明組分柱效能越高，峰形越窄；當(dāng)色譜柱對(duì)全部組分柱效能都很高時(shí)，全部峰形都很窄，相互重合可能性很小，色譜柱對(duì)樣品含有很好分離效果。5.長(zhǎng)度一定色譜柱，H或（Heff）增大時(shí)，n

或neff必定減小，造成Wb

值增大色譜峰區(qū)域?qū)挾茸儗挕！瘹庀嗌V法GasChromatography主題知識(shí)講座第20頁(yè)12-2-2-4塔板理論優(yōu)點(diǎn)和不足

優(yōu)點(diǎn)：(1)很好解釋了色譜峰形正態(tài)分布規(guī)律

（2）提出了柱效評(píng)價(jià)指標(biāo)

缺點(diǎn)：塔板理論是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)式理論，假設(shè)條件與柱內(nèi)實(shí)際條件不一致，沒有考慮動(dòng)力學(xué)原因?qū)ιV過(guò)程影響。(1)無(wú)法解釋載氣流速對(duì)n影響（2）未能回答H對(duì)峰形擴(kuò)張?jiān)敿?xì)影響原因（3）沒有提出影響塔板高度原因氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第21頁(yè)12-2-2速率理論H=A+B/u+CuH：理論塔板高度，A為渦流擴(kuò)散項(xiàng)；B/u為分子擴(kuò)散項(xiàng)；Cu為傳質(zhì)阻力項(xiàng)；

u：載氣線速度(cm/s)，A,B,C為常數(shù)1956年,VanDeemter等人提出色譜過(guò)程動(dòng)力學(xué)理論,吸收了塔板理論中板高概念,考慮影響板高動(dòng)力學(xué)原因,研究了組分相間擴(kuò)散和傳質(zhì)阻力導(dǎo)出速率方程也稱范.弟姆特方程式氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第22頁(yè)1.A─渦流擴(kuò)散項(xiàng)

A=2λdpdp：固定相平均顆粒直徑λ：固定相填充不均勻因子固定相顆粒越大，dp越大，填充顆粒對(duì)分子妨礙作用就越嚴(yán)重；色譜柱填充均勻性越差，λ越大，造成A越大，H越大，柱效n降低。表現(xiàn)在渦流擴(kuò)散所引發(fā)色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄?？招拿?xì)管柱柱內(nèi)無(wú)填充物時(shí)，dp=0，A=0，無(wú)“渦流”現(xiàn)象，峰擴(kuò)張程度小氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第23頁(yè)2.B/u—分子擴(kuò)散項(xiàng)（縱向擴(kuò)散項(xiàng)）

B=2γDg

γ：彎曲因子，填充柱色譜，反應(yīng)了固定相顆粒幾何形狀對(duì)自由分子縱向擴(kuò)散妨礙情況，妨礙程度越大，縱向擴(kuò)散越難，γ值越小。毛細(xì)管空心柱為0，普通填充柱小于1。

Dg：試樣組分分子在氣相中擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s-1）

(1)存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴(kuò)散;(2)擴(kuò)散造成色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差;(3)分子擴(kuò)散項(xiàng)與流速相關(guān)，流速下降，滯留時(shí)間變長(zhǎng)，擴(kuò)散項(xiàng)變大;(4)擴(kuò)散系數(shù)：Dg∝(M載氣)-1/2；M載氣↑，B值↓。選擇分子量大載氣，降低色譜柱溫，降氣壓都可減小Dg氣相色譜法GasChromatography主題知識(shí)講座第24頁(yè)k為容量因子；Dg、DL為擴(kuò)散系數(shù)。

使用填充物粒度?。╠p?。?，載氣分子量大（Dg

?。?，可降低傳質(zhì)阻力，提升柱效。3.Cu—傳質(zhì)阻力項(xiàng)：組分在氣液兩相中溶解、擴(kuò)散、平衡、轉(zhuǎn)移過(guò)