第一章氣相色譜分析法色譜分析基礎(chǔ)演示文稿

第一章氣相色譜分析法色譜分析基礎(chǔ)演示文稿2023/4/15現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日2023/4/15優(yōu)選第一章氣相色譜分析法色譜分析基礎(chǔ)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日色譜法

當(dāng)流動(dòng)相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時(shí)，其與固定相發(fā)生相互作用。由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相之間產(chǎn)生的作用力的大小、強(qiáng)弱不同，隨著流動(dòng)相的移動(dòng)，混合物在兩相間經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時(shí)間不同，從而按一定次序由固定相中流出。[動(dòng)畫2]與適當(dāng)?shù)闹髾z測(cè)方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)混合物中各組分的分離與檢測(cè)。

兩相及兩相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了色譜法的基礎(chǔ)[動(dòng)畫1]現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日2.色譜法分類

(1)氣相色譜：流動(dòng)相為氣體(稱為載氣)。按分離柱不同可分為：填充柱色譜和毛細(xì)管柱色譜；按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日液相色譜(2)液相色譜：流動(dòng)相為液體(也稱為淋洗液)。按固定相的不同分為：液固色譜和液液色譜。

離子色譜：液相色譜的一種，以特制的離子交換樹脂為固定相，不同pH值的水溶液為流動(dòng)相?，F(xiàn)在是5頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日(3)其他色譜方法薄層色譜和紙色譜：比較簡(jiǎn)單的色譜方法凝膠色譜法：測(cè)聚合物分子量分布。高效毛細(xì)管電泳:九十年代快速發(fā)展、特別適合生物試樣分析分離的高效分析儀器。現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日3.色譜法的特點(diǎn)(1)分離效率高

復(fù)雜混合物，有機(jī)同系物、異構(gòu)體。手性異構(gòu)體。(2)靈敏度高

可以檢測(cè)出μg.g-1(10-6)級(jí)甚至ng.g-1(10-9)級(jí)的物質(zhì)量。(3)分析速度快

一般在幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)可以完成一個(gè)試樣的分析。(4)應(yīng)用范圍廣

氣相色譜：沸點(diǎn)低于400℃的各種有機(jī)或無(wú)機(jī)試樣的分析。液相色譜：高沸點(diǎn)、熱不穩(wěn)定、生物試樣的分離分析。

不足之處：

被分離組分的定性較為困難?，F(xiàn)在是7頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日二、氣相色譜結(jié)構(gòu)流程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；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；9-熱導(dǎo)檢測(cè)器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；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)現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日結(jié)構(gòu)流程現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日死時(shí)間(tM)：不與固定相作用的氣體(如空氣)的保留時(shí)間；

調(diào)整保留時(shí)間(tR

＇)：tR＇=tR－tM

三、色譜流出曲線與術(shù)語(yǔ)1.基線

無(wú)試樣通過(guò)檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)即為基線。2.保留值

(1)時(shí)間表示的保留值

保留時(shí)間(tR)：組分從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時(shí)所需的時(shí)間；[動(dòng)畫]現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日

(2)用體積表示的保留值

保留體積(VR)：

VR=tR×F0F0為柱出口處的載氣流量，單位：mL/min。

死體積(VM)：

VM=tM×F0

調(diào)整保留體積(VR＇)：

V

R＇=VR－VM

現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日3.相對(duì)保留值r21組分2與組分1調(diào)整保留值之比：

r21=t′R2

/t′R1=V′R2/V′R1相對(duì)保留值只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無(wú)關(guān)，它表示了固定相對(duì)這兩種組分的選擇性?，F(xiàn)在是12頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日4.區(qū)域?qū)挾?/p>

用來(lái)衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：(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)：色譜峰高一半處的寬度Y1/2=2.354(3)峰底寬(Y)：Y=4現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日四、色譜分離過(guò)程色譜分離過(guò)程是在色譜柱內(nèi)完成的。填充柱色譜:氣固(液固)色譜和氣液(液液)色譜，兩者的分離機(jī)理不同。氣固(液固)色譜的固定相:多孔性的固體吸附劑顆粒。

固體吸附劑對(duì)試樣中各組分的吸附能力的不同。氣液(液液)色譜的固定相:由擔(dān)體和固定液所組成。

固定液對(duì)試樣中各組分的溶解能力的不同。氣固色譜的分離機(jī)理:

吸附與脫附的不斷重復(fù)過(guò)程；氣液色譜的分離機(jī)理：

氣液(液液)兩相間的反復(fù)多次分配過(guò)程?，F(xiàn)在是14頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日1.氣相色譜分離過(guò)程當(dāng)試樣由載氣攜帶進(jìn)入色譜柱與固定相接觸時(shí)，被固定相溶解或吸附;隨著載氣的不斷通入，被溶解或吸附的組分又從固定相中揮發(fā)或脫附;揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動(dòng)時(shí)又再次被固定相溶解或吸附;隨著載氣的流動(dòng)，溶解、揮發(fā)，或吸附、脫附的過(guò)程反復(fù)地進(jìn)行。[動(dòng)畫]現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日2.分配系數(shù)(partionfactor)K

組分在固定相和流動(dòng)相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過(guò)程叫做分配過(guò)程。在一定溫度下，組分在兩相間分配達(dá)到平衡時(shí)的濃度(單位：g/mL)比，稱為分配系數(shù)，用K表示，即：分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)?，F(xiàn)在是16頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日分配系數(shù)K的討論

一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；試樣一定時(shí)，K主要取決于固定相性質(zhì)；每個(gè)組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣中的各組分具有不同的K值是分離的基礎(chǔ)；某組分的K=0時(shí)，即不被固定相保留，最先流出?，F(xiàn)在是17頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日3.分配比(partionradio)k

在實(shí)際工作中，也常用分配比來(lái)表征色譜分配平衡過(guò)程。分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量比：

1.分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。2.分配系數(shù)與分配比都是衡量色譜柱對(duì)組分保留能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時(shí)間越長(zhǎng)。3.分配比可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。分配比也稱：容量因子(capacityfactor)；容量比(capacityfactor)；現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日4.容量因子與分配系數(shù)的關(guān)系

式中β為相比。填充柱相比：6～35；毛細(xì)管柱的相比：50～1500。容量因子越大，保留時(shí)間越長(zhǎng)。

VM為流動(dòng)相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積；

VS為固定相體積，對(duì)不同類型色譜柱，VS的含義不同；

氣-液色譜柱：VS為固定液體積；

氣-固色譜柱：VS為吸附劑表面容量；現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日5.分配比與保留時(shí)間的關(guān)系

滯留因子(retardationfactor)：us：組分在分離柱內(nèi)的線速度；u：流動(dòng)相在分離柱內(nèi)的線速度；滯留因子RS也可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω表示：若組分和流動(dòng)相通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的分離柱，需要的時(shí)間分別為tR和tM，則：由以上各式，可得：tR=tM(1+k)現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日§1-2色譜理論

色譜理論需要解決的問(wèn)題：色譜分離過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其關(guān)系。組分保留時(shí)間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保留時(shí)間：色譜過(guò)程的熱力學(xué)因素控制；

(組分和固定液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì))色譜峰變寬：色譜過(guò)程的動(dòng)力學(xué)因素控制；

(兩相中的運(yùn)動(dòng)阻力，擴(kuò)散)兩種色譜理論：塔板理論和速率理論；現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日

塔板理論的假設(shè)：

(1)在每一個(gè)平衡過(guò)程間隔內(nèi)，平衡可以迅速達(dá)到；

(2)將載氣看作成脈動(dòng)(間歇)過(guò)程；

(3)試樣沿色譜柱方向的擴(kuò)散可忽略；

(4)每次分配的分配系數(shù)相同。一、塔板理論-柱分離效能指標(biāo)

1.塔板理論(platetheory)半經(jīng)驗(yàn)理論；將色譜分離過(guò)程比擬作蒸餾過(guò)程，將連續(xù)的色譜分離過(guò)程分割成多次的平衡過(guò)程的重復(fù)(類似于蒸餾塔塔板上的平衡過(guò)程)；[動(dòng)畫]現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日

色譜柱長(zhǎng)：L，

虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的理論塔板數(shù)：n，則三者的關(guān)系為：

n=L/H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：保留時(shí)間包含死時(shí)間，在死時(shí)間內(nèi)不參與分配!現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日2.有效塔板數(shù)和有效塔板高度

單位柱長(zhǎng)的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。用不同物質(zhì)計(jì)算可得到不同的理論塔板數(shù)。組分在tM時(shí)間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日3.塔板理論的特點(diǎn)和不足

(1)當(dāng)色譜柱長(zhǎng)度一定時(shí)，塔板數(shù)n

越大(塔板高度H越小)，被測(cè)組份在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。

(2)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(biāo)時(shí)，應(yīng)指明測(cè)定物質(zhì)。

(3)柱效不能表示被分離組分的實(shí)際分離效果，當(dāng)兩組份的分配系數(shù)K相同或相近時(shí)，無(wú)論該色譜柱的塔板數(shù)多大，兩組份的分離效果都不會(huì)太理想。

(4)塔板理論無(wú)法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也無(wú)法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑?，F(xiàn)在是25頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日二、速率理論-影響柱效的因素1.速率方程(也稱范.第姆特方程式)

H=A+B/u+C·u

H：理論塔板高度，u：載氣的線速度(cm/s)減小A、B、C三項(xiàng)可提高柱效；存在著最佳流速；

A、B、C三項(xiàng)各與哪些因素有關(guān)？現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日A─渦流擴(kuò)散項(xiàng)

A=2λdp

dp：固定相的平均顆粒直徑λ：固定相的填充不均勻因子

固定相顆粒越小dp↓，填充的越均勻，A↓，H↓，柱效n↑。表現(xiàn)在渦流擴(kuò)散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。[動(dòng)畫]現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日B/u—分子擴(kuò)散項(xiàng)

B=2γDg

γ：彎曲因子，填充柱色譜，γ

<1。Dg：試樣組分分子在氣相中的擴(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)散導(dǎo)致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差;

(3)分子擴(kuò)散項(xiàng)與流速有關(guān)，流速↓，滯留時(shí)間↑，擴(kuò)散↑;

(4)擴(kuò)散系數(shù)：Dg

∝(M載氣)-1/2；M載氣↑，B值↓。[動(dòng)畫]現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日

k為容量因子；Dg、DL為擴(kuò)散系數(shù)。

減小擔(dān)體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質(zhì)阻力。C·u—傳質(zhì)阻力項(xiàng)

傳質(zhì)阻力包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液相傳質(zhì)阻力CL即：

C=(Cg+CL)[動(dòng)畫]現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日2.載氣流速與柱效——最佳流速載氣流速高時(shí)：

傳質(zhì)阻力項(xiàng)是影響柱效的主要因素，流速，柱效。載氣流速低時(shí)：

分子擴(kuò)散項(xiàng)成為影響柱效的主要因素，流速,柱效。H-u曲線與最佳流速：

由于流速對(duì)這兩項(xiàng)完全相反的作用，流速對(duì)柱效的總影響使得存在著一個(gè)最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對(duì)流速的一階導(dǎo)數(shù)有一極小值。以塔板高度H對(duì)應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點(diǎn)的流速即為最佳流速。現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日3.速率理論的要點(diǎn)

(1)組分分子在柱內(nèi)運(yùn)行的多路徑與渦流擴(kuò)散、濃度梯度所造成的分子擴(kuò)散及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達(dá)到等因素是造成色譜峰擴(kuò)展柱效下降的主要原因。

(2)通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。

(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導(dǎo)。闡明了流速和柱溫對(duì)柱效及分離的影響。

(4)各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴(kuò)散項(xiàng)的影響減小，使柱效提高，但同時(shí)傳質(zhì)阻力項(xiàng)的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴(kuò)散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達(dá)到最高?，F(xiàn)在是31頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日三、分離度

塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質(zhì)對(duì)的實(shí)際分離程度。即柱效為多大時(shí)，相鄰兩組份能夠被完全分離。難分離物質(zhì)對(duì)的分離度大小受色譜過(guò)程中兩種因素的綜合影響：保留值之差──色譜過(guò)程的熱力學(xué)因素；

區(qū)域?qū)挾醛ぉどV過(guò)程的動(dòng)力學(xué)因素。色譜分離中的四種情況如圖所示：現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日討論：色譜分離中的四種情況的討論：①柱效較高，△K(分配系數(shù))較大,完全分離；②△K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離；③柱效較低，△K較大,但分離的不好；④△K小，柱效低，分離效果更差?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日分離度的表達(dá)式：R=0.8：兩峰的分離程度可達(dá)89%；R=1：分離程度98%；R=1.5：達(dá)99.7%(相鄰兩峰完全分離的標(biāo)準(zhǔn))?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日令Wb(2)=Wb(1)=Wb(相鄰兩峰的峰底寬近似相等)，引入相對(duì)保留值和塔板數(shù)，可導(dǎo)出下式：色譜分離基本方程現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有42頁(yè)\編輯于星期日討論：(1)分離度與柱效

分離度與柱效的平方根成正比，r21一定時(shí)，增加柱效，可提高分離度，但保留時(shí)間增加且峰擴(kuò)展，分析時(shí)間長(zhǎng)。(2)分離度與r21

增大r21是提高分離度的最有效方法，

增