色谱概述和色谱理论基础.ppt

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1、色谱概述和色谱理论基础石油化工科学研究院,色谱法历史色谱法分类色谱有关术语色谱基本理论气相色谱流程,色谱法的历史,色谱法的历史 1903年，Tswett 发表了吸附色谱分离植物色素的论文，并于1906年正式提出色谱法。1931年，Ledeer的工作，色谱技术受到重视。1938年,Izomailov 和Shraiber 薄层色谱，同年，Taylor和 Uray用离子交换色谱分离了锂和钾同位素 1944年，美国橡树岭实验室和衣阿华州大学分离和鉴定了稀土元素。1941年，Martin和Synge发展了分配色谱。,色谱法的历史,1944年，Martin发展了纸色谱 1952年，Martin和 Jame

2、s发展了气-液分配色谱，气相色谱问世。1956年，Van Deemter等发表了速率理论。1957年，制作了离子色谱交换氨基酸分析仪。1959年，凝胶过滤色谱。Giddings 于1963年奠定色谱理论。1969年，现代液相色谱，1975年，离子色谱法。1981年，毛细管电泳。,色谱法分类,按两相状态分类 气体为流动相的色谱称为气相色谱（GC），根据固定相是固体吸附剂还是固定液（附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体），又可分为气固色谱（GS C）和气液色谱（GLC）液体为流动相的色谱称液相色谱（LC）。同理，液相色谱亦可分为液固色谱（LSC）和液液色谱（LLC）超临界流体为流动相的色谱称为超

3、临界流体色谱（SFC）。,色谱法分类,按分离机理分类利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法。利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法。利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法。利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。,色谱法分类,最近，又有一种新分离技术，利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属性亲和力不同进行分离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的分离 按固定相的外形分类 固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。固定相呈平板状的色谱

4、法，称为平板色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。,色谱有关术语,色谱有关术语,基线 是柱中仅有流动相通过时，检测器响应信号的记录值，稳定的基线应该是一条水平直线。保留值1.保留时间tR 试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间，称为保留时间。2.死时间tM 不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间。,色谱有关术语,3调整保留时间tR 某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间，即 tR=tR-tM组分在色谱柱中的保留时间tR包含了组分随流动相通过柱子所需的时间和组分在固定相中滞留所需的时间。保留时间可用时间单位（s）或距离单位（cm）表示。

5、,色谱有关术语,注意：但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响，因此有时用保留体积等参数进行定性。4保留体积 VR 指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相体积。保留体积与保留时间tR的关系如下：VR=tRF0,色谱有关术语,5死体积 VM 指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和当后两项很小而可忽略不计时，死体积可由死时间与流动相体积流速F0（mLmin）计算：VM=tMF0 6调整保留体积VR 某组份的保留体积扣除死体积后，称该组份的调整保留体积，即 VR=VR-VM,色谱有关术语,7相对保留值2.1 某组份2

6、的调整保留值与组份1的调整保留值之比，称为相对保留值：,色谱有关术语,注意：由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，是气相色谱中广泛使用的定性数据。相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比。分离度、柱效、理论塔板数、有效塔板数的概念在“色谱基本理论”介绍。,色谱有关术语,选择因子 在定性中，通常固定一个色谱峰作为标准（s），然后再求其它峰（i）对这个峰的相对保留值。将它们的相对保留值作为重要参数，可用符号表示：,tR2为后出峰的调整保留时间，所以这时总是大于1的,色谱有关术语,峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示。区域宽度（峰宽、半

7、峰宽）色谱峰的区域宽度是组份在色谱柱中谱带扩张的函数，它反映了色谱操作条件的动力学因素度量色谱峰区域宽度通常有三种方法:1.标准偏差 即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半，如上图中EF距离的一半。,色谱有关术语,2.半峰宽W1/2 即峰高一半处对应的峰宽，如前图中GH间的距离它与标准偏差的关系是：W1/2=2.3543.基线宽度W 即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，如前图中IJ的距离它与标准偏差的关系是：W=4 峰面积：A=1.065XW1/2bXh,色谱有关术语,从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息：(l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数。（2）根据色谱峰的保留值，进

8、行定性分析。(3)根据色谱峰的峰面积或峰高，进行定量分析。（4）色谱峰的保留值及其区域宽度（峰高、峰面积），是评价色谱柱分离效能的依据。（5）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相)选择是否合适的依据。,色谱基本理论,概述分配系数K和分配比k 塔板理论 速率理论 分离度 基本色谱保留式,色谱基本理论,概述 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与

9、色谱过程的动力学性质有关。,色谱基本理论,分配系数K和分配比k 分配系数是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即,分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。即,色谱基本理论,它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。分配系数K与分配比k的关系,称为相比率，它是反映各种色谱柱型特点的又一个参数。,色谱基本理论,分配系数K及分配比k与选择因子的关系通过选择因子把实测值k与分配系数K直接联系起来，对固

10、定相的选择具有实际意义。如果两组分的K或k值相等，则=1，两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的K或k值相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。,色谱基本理论,塔板理论 最早由Martin等人提出塔板理论，在平衡色谱理论基础上发展起来,把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。四点假设:1)、在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H,色谱基本理论,2）载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（Vm）。3）所有组分开

11、始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。4）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。,色谱基本理论,由于死时间tm包括在tr中,而实际的tm不参与柱内分配,所计算的n值尽管很大,H很小,但与实际柱效能相差甚远。采用有效理论塔板数neff和有效塔板高Heff评价柱效能。,色谱基本理论,塔板理论形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数。存在问题：1 不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素；2 不能说明为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数。,色谱基

12、本理论,速率理论 吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素,色谱基本理论,分子涡流项：在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似“涡流”的流动，故称涡流扩散。A2dp A与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子有关，与流动相的性质、线速度和组分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。对于空心毛细管，不存在涡流扩散，因此A0。,色谱基本理论,分子扩散项B/u（纵向扩散项）纵向分子扩散是由浓

13、度梯度造成的。组分从柱入口加入，其浓度分布的构型呈“塞子”状。由于存在浓度梯度，“塞子”必然自发地向前和向后扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为 B2Dg 式中是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，也称弯曲因子，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。Dg为组分在流动相中扩散系数（cm2s-1）。,色谱基本理论,传质阻力项Cu 对于气液色谱，传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl两项，即 CCgCl 气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。有的分子还来不及进入两相界面，就被气相带走；有的则

14、进入两相界面又来不及返回气相。这样，使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，引起滞后现象，从而使色谱峰变宽。对于填充柱，气相传质阻力系数Cg为,色谱基本理论,由上式看出，气相传质阻力与填充物粒度的平方成正比、与组分在载气流中的扩散系数成反比。因此，采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体（如氢气）做载气，可使Cg减小，提高柱效。,色谱基本理论,固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数Dl大，则液相传质阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值随之变小，又会使C1增大。当固定液含量一定时，液膜厚度随载体的比表面积增加而降低，因此，一般采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度，但比表面

15、太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利分离。虽然提高柱温可增大Dl，但会使k值减小，为了保持适当的Cl值，应控制适宜的柱温。,色谱基本理论,将上面式总结，即可得气液色谱速率板高方程:这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义，它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响。,色谱基本理论,色谱基本理论,分离度(柱效和选择性对分离的影响)看下图,色谱基本理论,上图说明了柱效和选择性对分离的影响。图中（a）两色谱峰距离近并且峰形宽。两峰严重相叠，这表示选择性和柱效都很差。图中（b）虽然两峰距离拉开了，但峰形仍很宽，说明选择性好，但柱效低。图中（c）分离最

16、理想，说明选择性好，柱效也高。单独用柱效或选择性不能真实反映组分在色谱柱中分离情况，故需引入一个综合性指标分离度R。,色谱基本理论,分离度又叫分辨率，它定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值，即,气相色谱色谱流程,气相色谱色谱流程,一、概述 GC是Martin 等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952 年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复杂的多组分混合物。目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及化学工作站，使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。,气相色谱色谱流程,气相色谱法又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）：

17、前者是用多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物；而后者的固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上或将固定液采用涂敷或交联的方法涂于毛细管壁上，由于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广泛。下图为气相色谱仪系统流程图,气相色谱色谱流程,气源,进样系统,分离系统,检测系统,数据处理系统,温度和流量控制系统,温度和流量控制系统,温度控制系统,气相色谱色谱流程,二、气源 常用的载气和燃烧气、载气纯度的分类、气体中污染物、气体净化器。最常用的载气是氦气和氢气。有时也用氮气、氩气。作用是携带样品进入色谱柱进行分离，然后进入检测器对各组分进行定量。来源：钢瓶、气体发生器

18、载气的纯度是至关重要的。了解气体纯度的分类（低纯度、高纯度、超纯度、研究级）。,气相色谱色谱流程,气体中常见的污染物 烃类化合物、卤代烃;水分;氧 注：气体纯度越高，成本越高，在既不干扰分析，又不损害仪器的情况下，使用最低纯度的气体可以最大程度地降低成本。,气相色谱色谱流程,具体到实际工作中，一般选用适当的净化器（又叫捕集阱）需对净化器进行正确的安装和维护，一个不进行维护的净化器会失效，并成为一个污染源。水分捕集阱：一般为13X分子筛氧捕集阱：为一含金属插件的支持反应试剂烃类捕集阱：活性炭吸附,气相色谱色谱流程,三.进样系统,在这一部分主要包括：进样垫、样品瓶、进样针，进样口。,气相色谱色谱流

19、程,四.分离系统 分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。1）填充柱 填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为24 mm，长13m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。,气相色谱色谱流程,2）毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱，分为壁涂渍，多孔层和载体涂层空心柱。壁涂渍空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到几十米长。与填充往相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度快、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并

20、且制备较难。,气相色谱色谱流程,五.检测系统 是指样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进入检测器检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。六.数据处理系统 积分仪、工作站,七.温度和压力控制系统 温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。温度控制主要指对色谱柱炉，气化室，检测器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。,气相色谱色谱流程,气相色谱固定相及色谱柱技术杨 永 坛石油化工科学研究院2007年9

21、月,气相色谱固定相 包括气液色谱固定相和气固色谱固定相。固体吸附剂 用于制备PLOT柱和气-液-固毛细管柱。液体固定相 由载体(担体)和固定液组成。色谱柱技术(柱材料、柱制备及柱评价）,气液色谱固定相,气液色谱固定相 载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相载体(担体)对载体的要求 具有足够大的表面积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应；热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。,气液色谱固定相,载体类型 大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载

22、体是目前气相色谱中常用的一种载体，它是由称为硅藻的单细胞海藻骨架组成，主要成分是二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法不同，又分为:红色载体和白色载体。,气液色谱固定相,红色载体是将硅藻土与粘合剂在900煅烧后，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色，故称红色载体，其特点是表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，如醇、胺、酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。,气液色谱固定相,白色载体是将硅藻土与20的碳酸钠（助熔剂）混合煅烧而成，它呈白色、比表面积较小、吸附性和催化性弱，适宜于分析各种极性化合物。101，102系列，英国的Celit

23、e系列，英国和美国的Chromosorb系列，美国的GasChrom A，C，L，P，Q，S，Z系列等，都属这一类。,气液色谱固定相,非硅藻土载体：有机玻璃微球载体，氟载体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分析，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2等分析。但由于表面非浸润性，其柱效低。载体的表面处理 硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心。如含硅醇基,气液色谱固定相,或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化等。,气液色谱固定相,（i）酸洗：用36mol/L 盐酸浸煮载体、过滤，水洗

24、至中性。甲醇淋洗，脱水烘干。可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化物。适用于分析酸性物质。（ii）碱洗：用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质。(iii)硅烷化：用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚，以除去表面氢键作用力。如：,气液色谱固定相,常用硅烷化试剂有：二甲基二氯硅烷（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）,气液色谱固定相,固定液对固定液要求首先是选择性好。固定液的选择性可用相对调整保留值2.1来衡量。对于填充柱一般要求2.11.15；对于毛细管柱，2.11.08.另外还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分

25、有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。,气液色谱固定相,固定液的特性 固定液的特性主要是指它的极性或选择性，用它可描述和区别固定液的分离特征。目前大都采用相对极性和固定液特征常数表示。（i）相对极性：1959年由Rohrschneider提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液，-氧二丙睛的极性为100然后，选择一对物质（如正丁烷一丁二烯或环乙烷一苯），来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到:,气液色谱固定相,上右式中下标1，2和X分别表示氧二丙睛，角鲨烷及被测固定液

26、。由此测得的各种固定液构相对极性均在0100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。相对极性在0+l之间的叫非极性固定液，+2级为弱极性固定液，+3级为中等极性，+4+5为强极性。非极性亦可用“”表示。下表列出了一些常用固定液的相对极性数据。,气液色谱固定相,气液色谱固定相,固定液的分类 气液色谱可选择的固定液有几百种，它们具有不同的组成、性质、用途。如何将这许多类型不同的固定液做一科学分类，对于使用和选择固定液是十分重要的。现在大都按固定液的极性和化学类型分类。按固定液极性分类就是如前所述。此外，还可根据化学类型分类。这种分类方法是将有相同官能团的固定液排列在一起，然后按官能团的类型分类。

27、这样就便于按组分与固定液结构相似原则选择固定液。,气液色谱固定相,固定液的选择 对固定液的选择并没有规律性可循。一般可按“相似相溶”原则来选择。在应用时，应按实际情况而定。（i）分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。（ii）分离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出。极性大的后流出。,气液色谱固定相,（iii）分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。（vi）分离能形成氢键的试样：一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出，

28、不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。,气液色谱固定相,（v）复杂的难分离物质：可选用两种或两种以上混合固定液。对于样品极性情况未知的，一般用最常用的几种固定液做试验。,气固色谱固定相,气固色谱固定相 常用的固体吸附剂 用于制备PLOT柱和气-液-固毛细管柱。主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。使用时，可根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最合适的吸附剂。见下表,气固色谱固定相,气固色谱固定相,人工合成的固定相 作为有机固定相的高分子多孔微球是一类人工合成的多孔共聚物。它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液

29、后再用。由于是人工合成的，可控制其孔径大小及表面性质。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类、胶类的分析。,色谱柱技术,色谱柱材料 柱内表面处理 涂柱方法 毛细管柱固定相的固定化 毛细管色谱柱评价 常用的几类色谱柱,色谱柱技术,色谱柱材料 Golay 第一根色谱柱（聚乙烯材料）1960年，Desty 研制出第一台玻璃毛细管柱拉制机。1979年，Dandeneau报告了石英毛细管柱。玻璃柱：内表面吸附，催化活性来源 石英柱：（天然石英、人造石英）,色谱柱技术,石英

30、遇水易断裂。金属材料：机械强度好，耐高温。重点屏蔽金属表面的活性点。首先，完成屏蔽金属表面，完成柱惰化，改进表面湿润性并成为可键合固定相表面。,色谱柱技术,柱内表面处理 为什么进行表面处理呢？表面处理的手段：采用柱内表面粗糙化，水热处理，毛细管内表面钝化。内表面粗糙化：使表面增大，液相与表面的接触角减小，改善固定液润湿性。,色谱柱技术,水热处理：将一定浓度的盐酸灌进柱内，加热沥取。毛细管内表面钝化：产生一个稳定的层，以屏蔽柱表面的活性中心，使用与固定液有相似官能团的钝化试剂，改善固定液的润湿性。了解硅烷化去活试剂。,色谱柱技术,涂柱方法（静态法、动态法、超动态法）静态法 将固定液以合适的溶剂配

31、制成涂渍溶液装进储液罐中，储液罐放进加压容器，待涂渍的毛细管垂直插入储液罐的溶液中，通N2加压使涂渍溶液慢慢压入毛细管，溶液要充满毛细管，柱一端严格排气泡后，用胶封口。制柱重复性好，柱效好，表面张力大 但制柱时间长，充满涂渍液的柱内不能有气泡,色谱柱技术,动态法：涂渍液的浓度为10%60%，涂柱时，在涂柱装置上将涂渍液压入柱。简单、快速，柱效、重复性较静态法差，适于粘度较低的固定液的涂渍。超动态法：高流速气体使液栓快速通过柱子，当液栓快速离开柱子时，通N2吹12小时。适于大口径厚液膜毛细管制备。,色谱柱技术,毛细管柱固定相的固定化 可以是原位交联，也可以是固定相在柱内表面发生键合。交联的优点：

32、液膜稳定；阻止固定液热重排，柱效稳定；交联后的固定液分子排列有变化，交联柱使用温度高，流失小；不易被熔剂冲洗；物理和化学稳定性好。,色谱柱技术,交联方法（缩合法，自由基引发，臭氧引发交联，高能辐射交联）一般采用自由基引发：交联剂为过氧化物，偶氮化合物。固体吸附剂需先与固定液一起制成涂渍液进行交联；液体吸附剂，先涂好柱，然后用N2把引发剂通入毛细管。,色谱柱技术,毛细管色谱柱评价 分离效率 涂敷效率 柱活性 酸、碱性 柱稳定性 交联效率,色谱柱技术,常用的几类色谱柱 吸附型PLOT柱 OV-1柱 FFAP柱,色谱柱技术,吸附型PLOT柱 PLOT柱的制备方法 用化学处理内管壁 制PLOT柱 从大

33、内径玻璃管拉制毛细管制PLOT柱 管内壁沉积多孔层物质制PLOT柱 原位聚合制多孔高聚物PLOT柱,色谱柱技术,不同的PLOT柱类型 氧化铝，分子筛，碳分子筛，硅胶，环糊精键合到硅胶柱，OPPLOT柱。重点介绍一下氧化铝和分子筛柱。,色谱柱技术,Al2O3/KCl PLOT柱 对分离轻烃是非常有效的，尤其是碳四异构体的分离是独一无二的。需对Al2O3的表面进行处理。一般用水、有机液体进行钝化处理，目前常用的是能与活性部位有很强亲合力而本身又不会流失的无机盐。,色谱柱技术,Al2O3/KCl PLOT柱 进行钝化后，对轻烃的分离非常好，但载气或样品中的微量水会被吸收，导致保留值降低，分离度下降。

34、应对样品进行处理和使用绝对无水无氧的载气。使用Al2O3/KCl PLOT柱的几点注意事项,色谱柱技术,分子筛柱 分子筛是由不同阳离子的碱金属硅酸铝制备，是一种沸石分子筛，pH大约10，按分子的大小进行分离，常用作分离永久气体。主要包括5和13x分子筛。5分子筛：孔径大小为5。分离机理为筛分机理和吸附动力学机理。,色谱柱技术,5分子筛具有很大的比表面积，对能够形成偶极作用的化合物，如水，二氧化碳等有很强的吸附作用。对5分子筛PLOT柱，当载气中有微量水时，可降低柱子的容量比，使分离能力下降，但不会伤害柱子。,色谱柱技术,13x分子筛也可分离氧、氮。常用于分析石脑油中的链烷烃和环烷烃。对制备PL

35、OT柱的涂层厚度有一定要求。13x分子筛柱对柱子材料的要求。13x分子筛PLOT柱比13x分子筛填充柱要优越（分离能力强，相同碳数样品的分离，其流出温度要低）。,色谱柱技术,OV-1柱 通用性的非极性色谱柱，在石化领域，汽油族组成、柴油正碳分布、模拟蒸馏、硫化物类型分析等领域应用。甲基聚硅氧烷。按沸点规律出峰 FFAP柱,色谱柱技术,FFAP柱 通用性的极性色谱柱，在石化领域，汽油中醇、酚类化合物的测定等领域应用。PEG-20M和硝基对苯二酸加成物。按化合物熄性大小进行分离。,气相色谱检测器杨 永 坛石油化工科学研究院2007年9月,检测器概述 热导检测器 氢火焰离子化检测器 电子俘获检测器

36、火焰光度检测器 其它检测器 多种检测器的组合,检测器概述,检测器发展历史检测器分类对检测器要求检测器的性能指标,检测器概述,检测器发展历史气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。1952年，James 和Martin提出气液色谱法，同时也发明了第一个气相色谱检测器（为一接在填充柱出口的滴定装置），随后又发明了密度天平。1954年，Ray 提出热导检测器。1957年，Mcwillian和 Harley同时发明了氢火焰离子化检测器,检测器概述,1960年，Lovelock 提出了电子俘获检测器1966年，Brody发明了FPD1974年，Klob 和Bischoff

37、提出了电加热NPD1976年，美国推出光电离检测器。八十年代以后，传统检测器进一步发展，同时又发展了其它新的检测器。CLD、FTIR、MSD、AED,检测器概述,检测器分类根据样品是否被破坏 破坏性检测器：FID、NPD、FPD、MSD、AED非破坏性检测器：TCD、PID、ECD、IRD,检测器概述,对检测器的要求 一个理想的检测器能瞬间真实地反映柱后载气中组分的存在及量的变化在无组分流出时，其响应信号是稳定而无波动的极痕量组分进入检测器有响应,检测器概述,有时要求所有进入检测器的组分有响应，而有时希望仅对某类化合物响应保持高效毛细管柱的分离效能十分窄的谱带快速通过检测器时，峰形不失真要求有

38、好的定量关系,检测器概述,检测器的性能指标 灵敏度高，检出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽，稳定性好。通用性检测器要求适用范围广；选择性检测器要求选择性好。噪声和漂移的概念 噪声：有各种原因引起的基线波动，称基线噪声 漂移：基线随时间单方向的缓慢变化，称基线漂移。,检测器概述,灵敏度和检测限 从两个角度衡量检测器的敏感程度.灵敏度：是指通过检测器物质的量变化时，该物质响应值的变化率。检测限：产生两倍噪音信号时，单位体积的载气在单位时间内进入检测器的组分量,检测器概述,最小检测量 在实际工作中，检测器不可能单独使用，它总是与柱、气化室、记录器及连接管道等组成一个色谱体系。最小检测量指产生二倍

39、噪声峰高时，色谱体系（即色谱仪）所需的进样量。对于浓度型检测器组成的色谱仪，最小检测量（单位：mg）为,检测器概述,质量型检测器的最小检测量（单位：g）为,检测器概述,柱后谱带展宽(E2)样品体积扩展(s2)连接管线扩展(T2)牛顿流扩展(CF2)检测池体积扩展(cm2)E2=s2+T2+CF2+cm2,检测器概述,为减小柱外效应的影响 柱内径越小，要求柱外变宽体积越小 柱后至检测器的连接管应尽量短和内径小 检测器池体积尽可能小,检测器概述,时间常数组分进入检测器至响应出63%的电信号所经过的时间，为该检测器的响应时间（）即为系统对输出信号的滞后时间。一般都小于0.5s。检测器应使峰形失真小于

40、1%。下图为不同响应时间的峰形,检测器概述,检测器概述,相对响应因子、线性、线性范围检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或叫最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比。下图为某检测器对两种组分的RCi图。R为检测器响应值，Ci为进样浓度。对于组分A进样浓度在CA。至CA之间为线性，线性范围为CACA。对于组分B则在CB至CB之间为线性，线性范围为CB/CB。不同的组分的线性范围不同。,热导检测器,发展情况工作原理响应机理热导池的结构和检测电路介绍一下单丝流路调制式TCD性能特征检测条件的选择注意事项主要应用,热导检测器,发展情况 气相色谱出现后，热导检测器开创了现代

41、气相色谱检测器的新时代。其操作原理、响应机理和特征在60年代已发展成熟。热导检测器的主要特点 近十年，发展了微型热导。,热导检测器,工作原理 热导检测器是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的。载气经参考热导池腔、进样器、色谱柱，从色谱池腔排出（如图所示）。R2、R3为固定电阻，R1、R4为测量臂和参考臂热丝,热导检测器,通过调节合适的载气流速、桥电流及TCD温度至一定值后，TCD处于工作状态。R1、R4处于被加热状态。只有载气流过测量臂和参考臂时，由于气体相同，从热丝向池臂传导的热量，热丝温度恒定，阻值不变，电桥处于平衡，无信号输出。当进样后，由于这时的气体是载气和组分的混合物，其热导系

42、数不同于纯载气，从热丝向池臂传导热量不同两臂热丝温度不同阻值不同电桥平衡破坏产生信号。看下图,热导检测器,热导检测器,响应机理 先介绍一下热平衡的概念TCD 响应是热平衡被破坏的结果。TCD载气、桥电流、池温恒定时，TCD达平衡，桥电流在热丝上所产生的热量与热散失相等。,热导检测器,热散失包括：热丝周围气体的热传导 热丝的热辐射 热丝两端导线传导 质量流量或称载气的强制对流 气体的自然对流 热传导散热比例越大，TCD性能越好。,热导检测器,需要注意的是：进入池腔的是载气和组分的混合气，不仅热导系数改变，而且比热也相应改变。如果是同方向变化，使响应值加强，这时，检测器在高流速时，灵敏度也高。如果

43、变化方向不同，则响应值变小或无响应，甚至出现负峰、W峰、n形峰，TCD一般不用重载气。了解常用气体的热导率（课堂上给出相应数据）,热导检测器,热导检测器,响应机理组分进入测量臂池腔，由于气体组成的改变热导系数的变化从热丝向池臂传导热量不同两臂热丝温度不同阻值不同电桥平衡破坏产生信号。需了解组分浓度对热导系数的的影响热导系数对热丝温度的影响热丝温度对热丝电阻的影响,热导检测器,组分浓度对热导系数的的影响 热导系数随组分浓度的变化率与载气热导系数成正比，即轻载气变化率大 变化率与载气分子横截面积的平方成反比 变化率与载气和组分的平均横截面积的平方成正比，被测组分与载气的横截面积的差别越大，变化率越

44、大。,热导检测器,热导系数对热丝温度的影响热丝温度对热导系数求导，即变化率与桥电流平方及热丝阻值成正比。变化率与传热介质热导系数平方成反比。变化率与池腔和热丝的几何形状有关即对热丝TCD，池体半径越大，热丝半径和长度越小，变化率越大。,热导检测器,热丝温度对热丝电阻的影响 热丝电阻对热丝温度求导，得出：与热丝0oC的电阻率有关 与热丝电阻的温度系数成正比,热导检测器,热导池的结构和检测电路 由热敏元件和池体组成，可分双臂和四臂热导池两种。由于四臂热导池热丝的阻值比双臂热导池增加一倍，故灵敏度也提高一倍。目前仪器中都采用四根金属丝组成的四臂热导池。其中二臂为参比臂，另二臂为测量臂，将参比臂和测量

45、臂接入惠斯通电桥，由恒定的电流加热组成热导的测量线路,热导检测器,热敏元件是热导检测器的感应元件，其阻值随温度而变化，可以是热敏电阻或热丝。热敏电阻是由锰、镍、钴等氧化物半导体制成直径约为0.11mm 的小珠，密封在玻壳内。热敏电阻的优点：热敏电阻阻值大 热敏电阻体积小 对载气的波动变化不明显,热导检测器,热敏电阻的缺点：使用范围受到一定限制 对温度变化敏感，稳定性差 对还原条件敏感，不能用氢作载气一般应用范围：痕量分析，小池体积,热导检测器,热丝 目前最常用 对热丝的要求：（电阻率、电阻温度系数、强度、耐氧化）常用热丝的种类和性能对比 钨丝、铼钨丝,热导检测器,热导池体 为一内部加工成池腔和

46、孔道的金属体 不锈钢,体积为100500L.通常，热导池体有三种流型（直通、扩散、半扩散）性能特征 通用性 通用性响应 响应因子通用性好线性范围 灵敏度,热导检测器,检测条件的选择（从提高灵敏度角度）载气种类 纯度、流速 载气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。故选择热导系数大的氢气或氦气作载气有利于灵敏度提高。如用氮气作载气时，有些试样（如甲烷）的热导系数比它大就会出现倒峰。载气纯度影响灵敏度和峰形。载气流速 对流速波动很敏感，峰面积的响应值反比于载气流速，要求载气流速必须保持恒定，还会引起基线噪音和漂移增大,热导检测器,桥电流 桥电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体

47、就容易将热量传出去，灵敏度就提高。响应值与工作电流的三次方成正比。所以，增大电流有利于提高灵敏度。但电流太大，噪声增大，钨丝寿命缩短。一般桥电流控制在1OO20OmA左右（N2作载气时为100150mAH2作载气时150200mA为宜）。,热导检测器,检测器温度 灵敏度与热丝和池体间的温差成正比。两个途径提高桥流，以提高热丝温度及降低池体温度。池体温度降低，可使池体和钨丝温差加大，有利于提高灵敏度。但池体温度过低，被测试样会冷凝在检测器中。池体温度一般不应低于柱温。有利于分析永久性气体。,热导检测器,热敏元件的阻值 阻值高、温度系数较大的热敏元件，灵敏度高。钨丝是一种广泛应用的热敏元件，它的阻

48、值随温度升高而增大，其电阻温度系数为5.510-3cm-1-1，电阻率为5.51O-6cm。为防止钨丝气化，可在表面镀金或镍。,热导检测器,使用注意事项 确保毛细管柱插入池深度合适 避免热丝温度过高而烧断 避免样品或固定液带来的异常 确保载气净化系统正常 注意调整基线漂移最小 保证TCD恒温箱的温度控制精度,热导检测器,应用（举一个用于裂解气体分析的例子）,氢火焰离子化检测器,发展情况工作原理响应机理FID的结构性能特征检测条件的选择介绍两种选择性改善的FID检测器注意事项主要应用,氢火焰离子化检测器,氢火焰离子化检测器的发展和特点1958年，由Mcwilliam和 Harley同时提出。是一

49、种利用氢火焰作电离源，使有机物电离产生微电流而响应的检测器，是破坏性的质量型检测器。优点：几乎对所有有机物都有响应，对烃类灵敏度高对气体流速、压力和温度的变化不敏感线性范围宽，结构简单，可与毛细管直接相连缺点：需三种气源和流速控制系统,氢火焰离子化检测器,氢火焰离子化检测器,工作原理 从上图可得以下几点认识：在喷嘴位置，从毛细管柱流出的气体，从柱外侧流入的氢气及从最外层流入的空气混合，用点火灯丝点燃氢火焰 极化极和收集极通过高电阻、基流补偿和50350V的直流电源组成检测电路，测量氢焰中产生的微电流。,氢火焰离子化检测器,原理 当仅有载气从柱后流出时，因载气中的有机杂质和流失的固定液在氢火焰中

50、被电离成正、负离子。在电场的作用下，正离子移向收集极，负离子和电子移向极化极，形成的微电流经放大输出，即为基流。当载气和分离后的组分一起从柱后流出时，氢火焰中增加了组分被电离后产生的正、负离子和电子，从而使电路中收集的微电流显著增加，即为该组分的信号。,氢火焰离子化检测器,该信号大小与单位时间内进入火焰中物质的碳原子数成正比，即“等碳响应”。为什么是“等碳响应”呢？有必要进一步了解其响应机理，这也有利于检测条件的选择。,氢火焰离子化检测器,响应机理 至今还不十分清楚其机理，普遍认为这是一个化学电离过程。重点了解烃类饱和烃首先产生热氢解作用，生成甲烷、乙烯和乙炔的混合物，非烷烃再加氢成饱和烃C-