（物理化学专业论文）溶胶凝胶技术在气相色谱毛细管柱制备中的应用.pdf

摘要 本论文共有4 个部分： 1 、第一章首先简要的叙述了气相色谱的发展历程，在对气相色谱的动力学理论和热力 学理论加以阐述的基础上，介绍了气相色谱的结构和构造；接着大体上介绍了常用的气相色 谱固定相，并对传统的毛细管气相色谱柱制备方法加以阐述的基础上提出了新的观点。 2 、第二章是对溶胶凝胶化学技术的阐述和应用。首先从原理上对溶胶一凝胶的化学反 应历程进行阐述，随后介绍了溶胶一凝胶技术在光谱分析、电色谱、色谱柱、固相微萃取等 分析化学领域的应用，最后提出溶胶磺胶法制备毛细管气相色谱柱，并从多方面探讨了溶 胶凝胶法制各毛细管气相色谱柱的影响因素。 3 、第三章是采用溶胶凝胶法制备了毛细管气相色谱柱，苯乙烯丙烯酸丁酯改性聚硅氧 烷，苯乙烯醋酸丁酯改性聚硅氧烷是p d m s 接枝大分子固定相，对比了分别采用这两种固 定相涂渍的毛细管柱的分离性能、热稳定性、柱极性及柱效率。随后将制备毛细管柱的单体 甲基三甲氧基硅烷更换为乙烯基三甲氧基硅烷，涂溃了p d m s 毛细管柱，该柱具有优异的 分离性能，尤其是能够很好的分离胺类、酚类等有机类物质，该柱耐老化性能很好，使用寿 命明显延长。再采用了小分子固定相丙三酵制备了溶胶操胶丙三醇毛细管气相色谱柱，此 柱的使用温度较传统的丙三醇柱有很大的改进，分离范围明显增加，能够分离烷烃、醇类、 酚类、胺类、以及带有苯环的化合物。 4 、第四章是将自制的溶胶，凝胶端羟基聚二甲基硅氧烷毛细管柱应用于实际分离。采用 内标法对酒精饮料中的乙醇和胶粘剂中有害有机成分进行了测定，结果显示：自制的溶胶 凝胶柱虽然很短但能够将各种成分完全分离，分析速度快，周期短，准确度高。 关键词：溶胶礞胶法 气相色谱毛细管柱分离性能 v a b s t r a c t t h et h e s i sc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gf o u rs e c t i o n s ： s f c t j o aht h eh i s t o r i c a lp r o c e s so fg a sc h r o m a t o g r a p h yi sm e n t i o n e db r i e f l y , a n dt h et h e o r yo f d y n a m i c sa n dt h et h e r m o d y n a m i c so ng a sc h r o m a t o g r a p h yi sd e s c r i b e d t h e n ，t h ef u n d a m e n t a l s t r u c t u r eo fg a sc h r o m a t o g r a p h ya n dt h ec o m n l o ns t a t i o n a r yo fg a sc h r o m a t o g r a p h yi se x p l a i n e d ， a tt h es a r l l et i m e ，t h ep r e p a r a t i o no ft h eg a sc a p i l l a r yc o l u m nw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o di si l l u s t r a t e d a n dt h en c wv i e w l m i n ti sr a i s e d s e c t i o n2 ：t h em a i nc o n t e n to ft h es e c t i o ni sa b o u tt h es o l - g e lc h e m i s t r y f i r s tt h ep r i n c i p l eo ft h e s o l - g e lc h e m i c a lr e a c t i o ni se x p l a i n e d t h e nt h ea p p l i c a t i o no ft h es o l - g e lt e c h n o l o g y 缸s p “t r u m a n a l y s i s ，e l e c t r o e h r o m a t o g r a p h y , c o l u m n , s o l i d - p h a s em i c r c c x t r a c t i o n , i si n g o d u c c d a tl a s t , t h e s o l - g e lm e t h o df o rt h ep r e p a r a t i o no ft h ec a p i l l a r yc o l u m no fg a sc h r o m a t o g r a p h yi sr a i s e da n dt h e m a i ni n f l u e n c ef a v o r sa r ep o i n t e do u l s e c t i o n3 ：t h ep d m s s t - a c - b aa n dp d m s v a c - b a - g a sc h r o m a t o g r a p h yc a p i l l a r yc o l u m nw i t h s o l - g e lm e t h o di sp r e p a r e d t h es e p a r a t i o np o w e r , t h et h e r m a ls m b f l i 哪, t h ec o l u m ne f f i c i e n c y , t h e p o l a r i t yo ft h es m f i o n a r ya r cc o m p a r e d 喇l he a c ho t h e r n e x tt h ev i n y l t r i m e t h o x y s i l a n ei si n s t e a d o ft r i m e t h o x y s i l s n ew i t ht h ep r e p a r a t i o no ft h ep d m sc a p r l a r yc o l u n m ，t h ep d m s c a p i l l a r y c o l u m nb o a s t so fi t sp l e a s e ds e p a r a t i o np o w e r , e s p e c i a l l yt oa m i n e s , p h e n o h cc o m p o u n d s ，a n di t s l i f ep e r f o r m a n c e a n o t h e rk i n do fs m a l lm o l e c u l cs m t i o n a r y ，g l y c e r i n e ，i sa p p l i e df o rp r e p a r i n g g l y c e r i n ec s p m a r yc o l u m nw i t hs o l - g e lm e t h o d ，t h et e m p e r a t u r e sa tw h i c hg l y c e r o lc a p i l l a r y c o l u m nc a l lb eu s e di se n h a n c e dg r e a t l y , a n dv a r i o u sc o m p o u n d sc a l lb ew e l l - s e p a r a t e d ，s u c ha s a l k a n e s ，a l c o h o l s ，a m i n e s ，p h e n o l i cc o m p o u n d s ，a r o m a t i ch y d r o c a r b o n 。 s c i o n4 ：s o l - g e lc a p i l l a r y p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e mc o l u m ni sa p p l i e df o rq u a n t i t a t i v e d e t e r m i n a t i o no fe t h a n o li na l c o h o ld r i n k sa n dt h ep e r n i c i o u sc o m p o u n d si na d h e s i v e ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h es o l - g e lc a p i l l a r yc o l u m nc a nc o m p l e t e l ys e p a r a t ev a r i e t i e so f c o m p o u n d si nt h em i x t u r et h o u g hi ti ss h o r t t h ea n a l y s i sp r o c e s sc o s t ss h o r tt i m ef o rt h es h o r t c o l u m nb u tt h er e s u l ti sa c c u r a t e k e yw o r d s ：s o l - g e lg a sc h r o m a t o g r a p h y c a p i l l a r yc o l u m ns t a t i o n a r yp h a s e v l 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：丛钰龌 日 期：越12 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：塑丝垒 e t 期：地：z 第一章概述 第一章概述 色谱分析是一种重要的化学检测手段，自从色谱问世以来，它一直对科学的发展和社会 的进步起着不可或缺的作用。色谱是一种现代分离、分析方法，同时也是一种很好地研究许 多科学的工具。色谱的分离受到热力学和动力学的控制，所以任何两种不同的物质只要存在 物理、化学或生物学性质的差异，就能在色谱过程中得到分离。根据不同的物相，色谱可以 分为气相色谱( g c ) 、高效液相色谱( h p l c ) 、超临界流体色谱( s f c ) 、以及毛细管区带电泳 色谱( c e ) 。气相色谱已经发展比较成熟，但也还有一些需要进一步完善的方面。 1 1 气相色谱动力学理论 气相色谱的原理基于被分离组分在不混溶的固定相、流动相中的迁移，样品溶解在流 动相中通过固定相，为此色谱技术的理论基础大致归纳为色谱动力学和色谱热力学。 色谱过程是一个分离过程，不同溶质在色谱柱不同位置的浓度分布是不断变化的，各 组分在柱内的浓度分布形状称为谱带。色谱过程的塔板理论是m a r t i n 和s y n g e 于1 9 4 1 年首 先提出来，随后s a i d “1 等学者对色谱塔板理论加以补充和完善，使得色谱塔板理论得到色 谱界的接受；稍后v a nd e c m t e r 和g i d d i n g s 从动力学的角度出发，提出和发展了色谱过程 速率理论，深入的论述了影响与控制分离过程的各种因素脚。 1 1 1 气相色谱塔板理论要点 塔板理论描述溶质在色谱柱中浓度的变化，m a r t i n 和s y n g e 把色谱柱看作类似于一个有 若干层塔板的分馏塔，物质在每块塔板中进行物质交换而达到平衡。这意味着每块塔板越短， 一根色谱柱能包容的塔板数越多，在色谱柱上能够重复分离的次数越多。一根色谱柱能包容 的塔板数称为理论塔板数( 以n 表示) 。每一块塔板所占有的长度称为理论塔板高度( 以h 表示) ，当n 值越大时，气相色谱柱分离出的色谱峰越接近于高斯分布，其峰形越对称。当 加长柱子的长度时，塔板数n 值增加，流动相中溶质的浓度会减小，峰高降低，而峰形也更 接近于高斯分布而更对称。 1 1 2 气相色谱保留体积与保留时间 第一章概述 保留体积v r 与保留时间t r 是色谱图的两个基本参数，可以直接从色谱图中得到。它们 代表自进样点至溶质峰的最高点之间，通过柱子的流动相的体积及相应的通过时间。保留体 积v r = v m + k v s + v b 不在柱子中保留的溶质的体积即为死体积v 0 v 0 = v m + v e ，v e 是连接 管路、进样器以及检测器等的体积之和。调整保留体积v r = v r v 0 = k v s 。v f 只与溶质在 两相中的分配系数k 以及固定相体积v s 有关而与流速等其它柱参数无关。若流动相以恒定 的流速淋洗，那么流动相的流速与保留时间之间的乘积即保留体积；若己知保留体积也可换 算出相应的保留时间t r 和调整保留时间t m 。在实际的色谱分析中，由于计时比较方便，保 留时问t r 可以直接从色谱图上得到，所以常被采用。 1 1 3 气相色谱的容量因子茁7 容量因子描述色谱柱中溶质的迁移度，它定义为溶质的分配系数与柱子相比之商，即 。，：冬：ikv_i：譬：堕=箬，七为分配系数，驴为相比。这是一种理想状态，每一个柱ii 庐 o f 。 子都要连接于色谱体系上，都必须使用连接管，也必须使用检测器，因此总会有柱外体积存 在，上式中v o 与v m 总是有差别存在。 1 1 4 气相色谱的分离因子a 分离因子a 描述和表征两种不同的溶质在柱子中的分离过程；a 、b 两种溶质在柱子上 的分离因子定义为两者的分配系数l 奴、岛之比。定义式：a = i i g = 歹v i t r i ( a ) = 笔。从该 推导公式可以得到：a 可以从色谱图直接测量两个溶质的保留时间或保留体积后通过计算得 到。它只取决于溶质在两相中的分配系数以及温度，也就是在温度相同的条件下，在以相同 的填料填充的不同的柱子上某一对物质可以获得相同的分离因子。 i 1 5 气相色谱的死体积v 将一个样品注射进入色谱柱后，几乎都可以观察有一个小峰先于其它组分而第一个流出 色谱柱。这是在柱中不保留的成分或杂质峰，它所需流动相的体积代表死体积。 1 1 6 气相色谱峰的对称性 一般都假设色谱峰都服从高斯分布，即成对称分布。但实际的色谱分离过程中，会经常 遇到不对称的拖尾或前伸色谱峰，对所进行的分离、分析过程带来干扰。不对称峰的出现意 2 第一章概述 味着溶质谱带在柱子中的移动速度的不均匀性。当柱长、流速均为常数，谱带移动速度与分 配系数成反比，这表明谱带移动速度与溶质在固定相上的吸附等温曲线密切相关。下图示意 性的给出了三种不同的等温吸附曲线。纵坐标x s 表示溶质在固定相中的浓度：横坐标 表示溶质在流动相中的浓度。e q q 曲线代表线性吸附等温线，p r r 曲线代表凹型吸附等温线， p s $ 代表凸型吸附等温线。 暧时等萱线 在线性吸附条件下，溶质在固定相上的分配系数是常数，谱带移动速度也是常数，此时 色谱峰服从高斯分布，为正常峰。凹型吸附等温曲线的出现主要是溶质分子问的作用力大于 溶质与溶剂分子间的作用力。此时，随着进样量的增加，圃定相表面上吸附的溶质分子对流 动相中的溶质分子产生更强的作用力，从而固定相上的溶质分子急剧增加，更多的溶质分子 被吸附于固定相上，吸附曲线成凹型，分配系数增大。在此情况下，溶质谱带通过色谱柱的 流动速度在高浓度f 慢，而在低浓度下快，- 峰尖后移出现前伸峰。在样品超载时色谱蜂会出 现这种情况。凸型吸附等温曲线多出现在吸附色谱上，溶质分子被吸附于固定相上，导致产 生屏蔽效应。减弱了溶质分子与固定相表面的相互作用力：使得外层溶质分子仅和固定相表 面发生远程相互作用，甚至仅和溶质层产生作用，分配系数必然变小从而谱带移动速度将大 于正常的线性吸附等温线的情况。在这种情况下，含有浓度较高的谱带将会较快的移动，从 而造成拖尾状峰。极性较强的碱性化合物，羧酸、醇类物质色谱峰常会严重拖尾，甚至因强 吸附而不能洗脱。此时除需要改变洗脱条件外更需要从设计和制造毛细管入手，制备出高惰 性、低流失的色谱柱。 峰的类型和进样量密切相关，进行制备色谱或半制各色谱分离时经常都需要超载进样。 超载进样包括体积超载和质量超载。体积超载不会引起峰的变形与不对称。质量超载会引起 吸附等温曲线的变化，从而导致峰的变形并使分离度下降。 1 1 7 气相色谱的柱效率 两种物质的完全分离在色谱图上表现为色谱峰能彼此分开。线性色谱条件下，色谱峰是 3 第一章概述 高斯分布，峰形尖锐对称，其形状可以用曲线拐点间的峰宽来表征。色谱柱的效率可用理论 塔板数n 表达：1 1 = ( t da ) 1 6 ( u w ) 2 - 5 5 4 ( t 。吼n ) 2 。t t 是保留体积。o 是标准偏差。 t t 是保留时间，w 是峰底宽，w b z 是1 2 峰高处的峰宽。大多数情况下取1 2 峰高处的峰宽 计算。在上述的计算公式中，若一根色谱柱的理论塔板数越高，则溶质流出曲线峰宽越小， 蜂越尖锐，这根柱子对化合物的分离能力就越强，理论塔扳数的大小可用来表征柱效率的高 ， 低。理论塔板高度系指每一理论塔板所占的柱子长度，即h - - - - - 二- ，f 为柱子的长度，单位一 n 般为。理论塔板高度越小，则该柱子所能达到的理论塔板数就越高。 1 1 8 气相色谱的最大样品体积 质量超载会引起峰的变形；当样品体积超载时，含有样品溶液的体积的方差会直接加和 到流出曲线方差中，流出曲线的方差增加使理论塔板数下降，柱效降低。注入的样品v t 会 在柱头形成一个矩形的谱带。现在，大家公认的可以允许的峰的展宽为标准偏差增加5 ， 此时样品体积所占方差为( v2 1 2 ) ，可以推导出v i - 1 1 吖如。 这一公式给出了允许最大峰展宽为标准偏差增量的5 时的最大进样体积。根据此公式 可以知道，柱效越高，允许的最大进样体积越小。此外，样品的保留体积越小则可允许的最 大进样体积也越小；反之，对保留体积大的样品，则可允许较大的最大进样体积。 1 1 ，气相色谱的分离度r 色谱分离的根本目的是将混合物逐一分开，其分离效果的评价采用分离度来区别。分离 度r 定义为两峰a 、b 间距离的2 倍与其底宽之和的商：r 2 裂，t m 为物质b 的保 留时间，t “为物质a 的保留时间，w 是物质a 出峰的峰底宽，w b 是物质b 出峰的峰底宽。 经过推导，可以得到r = 孚 一1 ) ( i 鲁) ，即分离度r 与柱效率n 、分离因子a 以及 容量因子k 等基本色谱参数有关。从上式可见，色谱柱的分离度与塔板数的平方根成正比， 当柱子加长一倍时，柱效并没有成倍增加，分离度只提高到原来的1 4 1 倍，因此靠增加柱 长来增加分离度有一定的效果，但不明显。若更换固定相种类或其厚度或改变淋洗条件等可 以提高分离因子a 和e ，也能够提高分离度。当两峰都成高斯分布时分离度达r = 1 5 时，两峰能够完全分离，也就是基线分离。 4 第一章概述 1 2 气相色谱速率理论 塔板理论所提出和建立的描述色谱分离过程的参数和概念，整体上能得到接受，但塔 板理论的提出是建立在两相问的分配达到平衡状态，实际上这只是一种理想状态，只有当色 谱峰处于最高点处，两相闻才趋于平衡。在实际运用塔板理论时会带来偏离和误差。再塔板 理论主要考虑的是溶质在色谱柱中的静态分配过程而没有涉及到动力学过程，不能很好的说 明引起柱效变化的复杂的动力学因素以及谱带展宽发生的位置及特点，例如，填充柱中填 料颗粒的大小形状与性质，柱系统的几何形状与参数，流动相的种类与流速均会影响到谱带 的展宽与变化，塔板理论无法解释。v a nd e e m t e r 总结前人的工作的基础上，归纳、总结并 提出了描述色谱峰展宽的速率理论，对柱子及其色谱条件进行了优化。 1 2 1 气相色谱峰柱外展宽因素 柱外谱带展宽效应大致有六种，包括样品引起的方差、进样阀引起的方差、连接进样阀 和柱子以及柱子和检测器的连接管路引起的方差、柱头引起的方差、检测池形状和体积引起 的方差和电子线路与传感器引起的方差。柱外展宽效应不可避免，只能尽量的降低而不能根 本的消除它们。柱外方差不能超过总方差的1 0 或标准偏差的5 。 1 2 2 气相色谱峰柱内展宽因素 v a nd e e m t e r 将色谱过程动力学理论和影响塔板高度的动力学因素结合在一起，导出了 塔板高度与线速度“的关系： h = a + b u + c ua 、b 、c 为常数。此式称之为范第姆特方程或速率方程，其中a 为涡 流扩散项，b 为分子扩散系数，c 为传质阻力项系数，“为流动相的平均线速度，即单位时 间里流动相在柱中流动的距离，单位是e m s 。由此可见影响h 因素有：涡流扩散项，分子 扩散项和传质阻力项。 涡流扩散项a = 2 ad o ，a 反映柱填充状态的系数，对于给定的色谱柱，a 为常数通常 接近子1 。它与粒径分布有关，粒径分布越窄则其值越小，反之越大。d o 为粒子直径。减少 涡流扩散项对理论塔扳高度的影响，应尽可能减少a 和d o ，即采用小而均匀的颗粒。 样品组分被载气带入色谱柱后，以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空间中，在色谱 柱的轴向上形成浓度梯度，组分分子有从浓度高处向低处扩散的趋势，引起色谱峰展宽。分 s 第一章概述 子扩散项系数b 为：b = 2 y d pt 为弯曲因子；d ；为组分分子在气相中的扩散系数( c m 2 s ) 。 弯曲因子是与填充物有关的因素，其意义可以理解为，由于在填充中固定相颗粒的存在，使 分子自由扩散受到阻碍，扩散程度降低。分子扩散项与组分在柱中的停留时问有关，停留时 间越长，分子扩散越严重。因此，当球大时，b u 项可以忽略；当“小时，b u 较大，在峰 展宽中起重要作用。分子扩散项还与组分在气相中的扩散系数d 瘩成, e l t 。d g 与组分的性质、 载气的性质、柱温、柱压等因素有关。组分的分子量大，d g 小；d l 还与载气密度的平方根 或载气分子量的平方根成反比，它也随柱温升高而增大，随柱压增大而减小。因此，为降低 分子扩散程度，宜使用相对分子质量较大的载气，采用较高的载气线速度，控制较低的柱温。 物质由于浓度不均匀而发生的物质迁移过程，称为传质。影响该过程进行速度的阻力， 称为传质阻力。传质阻力系数c 包括气相传质阻力系数c g 和液相传质阻力系数q ，即c - - - - q + g 气相传质阻力与填充物粒度的平方成正比，与组分在气相中的扩散系数成反比。采用 粒度小的填充物和相对分子量小的气体作载气，可使c b 减小，提高柱效。 液相传质阻力与固定相液膜厚度成正比，与组分分子在液相中的扩散系数成反比。因 此，液膜厚度小，组分在固定液中的扩散系数大，可以减小液相传质阻力，减小峰展宽。当 固定液含量交高，液膜较厚，载气流速为中等线速度时塔板高度主要受液相传质系数c l 的控制。随着快速色谱的发展，当采用低固定液含量柱和高载气线速度进行分析时，气相传 质阻力就会成为影响塔板高度的重要因素。 如果以塔板高度对流动相线速度作图，得到的双曲线就是范氏曲线如下图所示： 工 o | - h 黟 l7 么瓮 医圭三兰； 气相色谱的h 一云曲线有一最低点，也叫最佳点。此点对应的板商称为最小板高，记做 h m 。与此点对应的线速度称为最佳线速度，以云量佳表示。在气相色谱中，当i i 最佳，分子扩散项基本不起作用了，而传质阻力 项是关键因素，h 随i 增大而增大。 1 3 气相色谱热力学 气相色谱热力学基础主要讨论色谱保留值和热力学参数的关系、色谱柱的选择性以及固 定相的分类及选择等，以有助于了解色谱分离过程的实质，并用于解决实际问题。两组分在 色谱柱出口获得分离的必要条件是两组分的分配系数必须有差别，因此热力学基础的讨论首 先从分配平衡开始。 1 3 。1 气相色谱的气液平衡常数和亨利定律( h e n r yl a w ) 从理论上讲，组分在两相间的平衡都可以表示为它在两相间的化学势口的等式，即 群。式中上标g 、1 分别代表气相和液相，下标i 代表组分。化学势相等也可表示为在 两相的逸度f 的等式，即：，j 。- 五；根据热力学可知，一般情况下此式又可表示为：f p y t = y 函正。，式中f 为逸度系数，为活度系数，p 为压力y l 、x i 为溶质在气相、液相的摩 尔分数，f 。为溶质在液相标准态时的逸度。若溶质在液相是稀溶液，它在气相的分压又很 低，符合理想气体定律问这样f 等于1 。p y j 就可以用溶质的分压p i 表示，为此有： p r - ，：x f ? - h ? x 。 日，一= r ；只o 。 这即是亨利定律的数学表达式，它表明物质在渡相的溶解度正比于它在气相的分压。 日，为亨利系数，上标* 表示无限稀释时的值，f 为溶质的饱和蒸汽压，r ；为亨利活度 系数。而拉乌尔定律描述了理想溶液的规律。当溶液符合拉乌尔定律时。活度系数y 等于1 。 正。可以用饱和蒸汽压只。表示，气相同样满足分压定律这样拉乌尔定律的数学表达式为： p i = p j 。) ( i ；拉乌尔定律指出溶质在液相的溶解度正比于它在气相的分压其比例系数即是它 纯态时的饱和蒸汽压。 当被分离的物质在无限稀释的情况下，气相色谱中两相间的平衡符合亨利定律时，为线 7 第一章概述 性色谱，色谱峰成高斯状态分布；在通常情况下，当被分离的物质在气相色谱中两相间的平 衡不符合亨利定律时对拉乌尔定律出现正偏差时，色谱流出峰拖尾；出现负偏差时，色谱流 出峰前伸。因此当被分离物质在无限稀释的情况下，只耍温度一定，固定相一定，符合亨利 定律就满足两相之间的线性分配。 1 3 2 固定相的选择与热力学的关系 一个气相色谱固定相在使用条件下要求化学性质稳定、热稳定性好、可适用的温度范 围和样品分析的范嗣宽，易于在载体上铺展。除此之外，还应对被分离的对象有好的选择性。 气相色谱固定相种类很多，在实际工作中如何有依据地选择固定相是气相色谱分析关注的问 题。固定相可分为强极性、极性、中等极性、弱极性以及非极性五类固定液。为了把不同固 定相按其极性强弱进行分类，罗施奈德( r o h m c h e i d e r ) 选用了5 种代表作用力不同的物质 苯、乙醇、甲乙酮、硝基甲烷和吡啶，以鲨鱼烷固定相为基准来表征不同固定液的相常数。 麦克里诺德( m c r e y n o l d s ) 在罗氏常数的基础上，选用了苯，1 一丁醇、2 一戊酮、1 一硝基 丙烷、砒啶5 种代表物，也以鲨鱼烷固定相为基准，测定其它固定相相常数 p 葺_ l i 藩 ) ，一，p ，1 丁群一，j t i l l z 7 一i p , 2 - 虎m - - i s 2 一度酮 h 7 i ，p ，l - 硝基丙烷一l ，l _ 砖萋丙垸 1 ，7 正，魁碇一，m 咤z 上式中x 、y 、z 、v 为麦氏相常数，为在相应固定液上的保留指数，其下标 p 为待测固定相ts 为固定相鲨鱼烷。保留指数，的定义式： l = 加。【z + 乏鬟畿 ，式中 t z ，、靠、靠t “o 分别为待测物x 以及在 其前后两侧出峰的正构烷烃( 其碳原子数分别为z 和z + 1 ) 的调整保留时间。确定色谱柱 参数后，特定固定液的，值应为一常数川。 麦氏常数相同，则表明不同固定相的性质基本相同；相反，麦氏常数差别很大，则表 明它们的性质差别较大。麦氏常数的加和越小，则固定相的性质越接近非极性的鲨鱼烷固定 8 第一章概述 相的性质：麦氏常数的加和越大，则固定相的极性越强：麦氏常数中某特定的值如x 或y 的值越大，则表明该固定相对相应的基准物所表征的性质越强。利用麦氏常数及其所表征的 性质有助于固定相的分类、选择嘲。 1 4 气相色谱仪 气相色谱法利用气体做流动相，根据物质的沸点、极性、吸附性质的差异实现混合物 分离。已经广泛应用于分离各种气体、液体和某些固体物质，还可以用来测定一定的物理化 学常数。气相色谱仪作为一种分析仪器，结构简单、使用方便；具有高选择性、高效能、高 速度以及高灵敏度的特点。气相色谱仪主要由气路系统、进样系统、气相色谱柱、检测系统 以及数据处理和控制系统组成。本篇论文所使用的仪器是a g i l e n t 4 8 9 0 d 气相色谱仪、h p 3 3 9 8 气相色谱工作站、f i d 检测器、载气是氮气。毛细管气相色谱流程图如下所示唧。 毛细管气相色谵攸瘫程示意屉 1 一羲气钢概2 - 藏目；3 一净 匕器；4 一饕压毗5 一压办表；6 - 注射霉；7 一气n 崖( 避抨 系统) ；8 一桩测霉；9 - 昔电是i 0 - 己录慢| 1 1 一糖转鬟是1 2 一& # 处理系毙1 3 一毛自 口邑毒挂；1 4 一孝 壳气( 是女气) 二1 5 一柱恒温螽二1 6 一目形r 1 4 i 气相色谱仪进样系统 气化室是色谱仪的样品注入口，同时能使液体样品迅速气化。将样品送入色谱系统的器 件，称为进样器，常用注射器和六通阀等。把样品快速定量地送入色谱气路操作，称为进样。 1 4 1 1 气褶色谱气化室 汽化室预热载气，使液体样品瞬时气化，并使样品被载气运送进色谱柱。汽化室热容 量大，死体积小，对样品不起催化作用。常用金属块制成汽化室，并附有功率约7 0 一1 0 0 w 的电热元件。可调节控制的温度范围为5 0 - - 5 0 0 ”。为了避免样品因金属的催化作用而 分解，在汽化室内加有一根石英玻璃衬管，使样品不与高温金属表面接触。 9 第一章概述 1 4 1 2 气相色谱直接进样 直接进样是一种常用进样方式，填充柱色谱样品容量大，可进样0 卜l opl 采用直接 进样方式；定量失真主要源于针头失真，因进样量大，失真不严重。毛细管柱样品容量比填 充柱小一个数量级，可进样0 卜1p1 ，用直接进样方便准确。 1 4 1 3 气相色谱分湖不分流进样 分流进样通常是一种闪蒸一汽化装置，液体样品通过注射器注入汽化室，样品帮溶剂 迅速汽化，然后使- - 4 , 部分样品进入色谱柱，而绝大部分样品放空，从而使得样品形成窄的 谱带。只需要改变操作条件、树管类型就可成为无分流进样器，所以现在通称分流无分流 进样，进样系统如下所示： 避祥系统气路图 1 一气化室；2 一衬管；3 一毛细管柱；4 电磁凤5 ，6 一针闷；7 一载气a 口 汽化室是一个金属圆筒。内装有衬管，样品用注射器通过隔垫注入，衬管起样品蒸发 作用，载气一部分( 3 - - 5 m l m i n ) 作为隔垫清扫器吹洗隔垫，使隔垫分解产物尽量不进入柱 内，从而避免在程序升温过程中产生鬼峰。另一部分进入衬管，在衬管内与样品充分混合后 一部分进入毛细管，大部分分流放空，隔垫支持块是用来压紧衬管密封环使进口载气从衬 管内部通过而不会从衬管外壁与进样器壳体之间的空隙通入。毛细管柱通过导管伸进衬管 内，柱内的插入位置就是分流点，分流点位于衬管内。分流器沿衬管外壁排出，经捕集器除 去有机组分并通过电磁阀和分流阀排出，电磁阀用于控制放空开关，可以用计算机设置放 空程序。分流比按具体要求而设定，对稀释样品、气体样品和大口径柱分流比为1 ：5 1 ： 1 5 。一般毛细管柱分流比为1 ：5 0 一l ：5 0 0 ，对小口径柱、低容量柱和很浓的样品分流比会 高达1 ：1 0 0 0 。高分流会引起失真增大叫l 。 分流进样结构简单，操作方便，分流比很容易调节，用于未知样品操作条件筛选很有 1 0 第一章概述 用处。复杂样品分析需要很高的柱效，要求色谱峰很窄，采用分流进样时只要色谱柱安装合 适，就可以消除由于死体积g i 起的柱外效应，使色谱峰很窄。当样品含有难挥发的组分时。 难挥发的组分会残留在蒸发室内，容易引起拖尾，需要经常更换衬管内的填料。分析物在溶 剂之前流出时，使用分流进样特别有用。但是载气消耗量大，分流进样是蒸发进样，对熟稳 定性差的样品容易产生分解，会产生样品失真。 无分流进样是指样品注入后全部迁移进毛细管柱进行分离，这种方法适用于痕量分析。 无分流进样同样在分流进样器上进行，此时进样器内装内径约2 衄的衬管作样品蒸发室。 关闭电磁阀。载气进入衬管并把样品迁移进柱，经过3 0 一8 0s 的时同，样品全部迁移进柱。 打开电磁阀，蒸发残余样品随载气放空，色谱的烘箱开始程序升温进行分析。无分流进样也 属于气化进样，进样温度足够高，以达到蒸发样品的目的，但因样品在衬管内停留时间较长， 容易产生分解，故进样器温度不能过高，这样可以减少样品的反吹与分解。无分流进样需要 的溶剂量较大，应该选用耐溶剂冲洗的交联毛细管柱。 1 4 2 气相色谱检测器 被测组分经色谱柱分离后，是以气态分子与载气分子相混合的状态从柱后流出的，将 混合气体中的组分的真实浓度或质量流量变成可测量的电信号，信号的大小与组分的量成正 比。检测器据此相应的分为浓度型和质量型检测器，常用的浓度型检测器是t c d 、p i d 。而 属于质量型的有：f m 、n p d 、f p d 、e c d 及m s d 检测器。 本论文使用的是火焰电离检测器( f i d ) ，利用氢火焰电离源，使有机物电离产生徼电 流。f d 是破坏型的、典型的质量型检测器。f d 突出的优点是对几乎所有的有机物均有响 应，特别是对烃类灵敏度高且响应与碳原子数成正比。它对h 2 0 、c o ：和c s ：等无机物都不 敏感，对气体流速、压力和温度的变化也不敏感。它线性范围广，结构简单，操作方便。它 的死体积几乎为0 ，可与毛细管直接相连。 1 4 2 1f i d 检测器工作原理 f i d 由电离室和检测线路组成，下图为其系统示意图。 1 1 第一章概述 4 7 一 从毛细管柱( 1 ) 后流出的气体在喷嘴( 2 ) 处与从( 3 ) 进入的氢气以及( 4 ) 进入的 尾吹气混合，用点火灯丝( 5 ) 点燃氢火焰，从( 6 ) 通入空气助燃极化极和收集极( 8 ) 通过高电阻、基流补偿和3 0 - - 3 5 0 v 的直流电源( e ) 组成检测电路，覆8 量氢焰中产生的微电 流，检测电路又是微电流放大器的输入“”。 该电路在收集和极化极间形成一高压静电场。当仅有载气从柱后流出时，因载气( n d 本身不会被电离，只有载气中的有杌杂质和流失的固定相在氢火焰中被电离成正、负离子和 电子。在电场作用下，正离子极移向收集极( 负极) ，负离子和电子移向极化极( 正极) ，形 成的微电流流经输入电阻r i ，在其两端产生电压降u m 它经微电流放大器放大后，从输出 衰减器中取出信号，在记录器记录下即为基流，或称本底电流、背景电流。只要载气流速、 柱温等条件不变，该基流亦不变。如载气纯度高，流速小，柱温低或固定相耐熟性好，基流 就低，反之就高。为了易于测得微电流的微小变化( 很小信号) ，希望基流越小越好，但实 际上总有一定大小的基流。进样后，载气和分离后的组分一起从柱后流出，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大，此即该组分 的信号。该信号大小与单位时间进入火焰中物质的碳原子数成正比，即“等碳响应”。 1 4 2 2f i d 检测器性能特征 f i d 检测器除对h ：o 、0 2 、n 2 、c o 、c 0 2 等无机物无响应外，对烃类物质的检测限达 1 0 - 1 2 9 ，s 。即使对含杂原子的有机化合物响应值偏低，但仍高于t c d 。f 1 d 属于高灵敏度检 测器之一。在h d 中，毛细管柱可直接插至喷嘴，被测组分一出毛细管柱进入火焰电离， 故h i ) 的池体积接近零，消除了柱后峰变宽。毛细管柱样品容量小、分离效能高，它要求 灵敏度高、池体积小的检测器与之配合，而f i d 正具备了此两性能特征。所以，考虑其它 检测器是否有柱后峰变宽，通常均以f i d 为基准。 1 2 第一章概述 f i d 检测器对烃类的相对质量响应( s ) 值基本上是相等的。分子中有一个碳原子。就 有一份响应值。不同分子量的烷、烯环烷和芳烃，其化舍物的s 。值均在1 左右。含有杂 原子有机物，如氧、硫、氮、卤素等化台物，其s - 值低于相应的烃类。 f i d 检测器的线性范围据文献和仪器说明书均标出f i d 为线性相应。其线性范围为1 d 7 。 f m 的n 2 和h 2 流速比对其灵敏度和线性及线性范围均有影响。通常调节氮氢比在1 左右， 此时灵敏度最佳。 1 4 2 3f i d 检测条件的选择 f i d 检测器在操作过程中需要控制的参数有：毛细管柱插入喷嘴的深度；载气、尾吹气 种类和载气流速；氢气和空气的流速；色谱柱、气化室和检测室的温度及柱后压力。毛细管 柱安装时要注意确保柱头洁净和光滑平整以及适当的插入深度。毛细管插入的深度对改善峰 形很重要，通常插入至离喷嘴口平面下卜3 珊。 载气将被测组分带入f i d ，同时又是氢火焰的稀释剂。、a r 、也、h e 均可傲f i d 载气。 、a r 作载气，f i d 的灵敏度高、线性范围宽。采用尾吹气能够使蜂面积增大近一倍。用h e 或比作载气时，还能改善其线性和线性范围。在内径为0 2 5m 的喷嘴的f i d 检测器上， n 2 的流速大约在2 0 一3 0 m l m i n 。空气的流速在3 0 0 - - 5 0 0 m l m i n 之内。常量分析时，载气、 1 1 2 和空气的纯度在9 9 9 9 | ；【上即可。做痕量分析时，纯度要求相应提高，一般要求达到 9 9 9 9 9 以上，这样基线稳定性好。 f i d 是质量型检测器，它对温度变化不敏感。但柱温的变化间接的影响基线漂移，检测 器温度的变化间接影响f i d 的灵敏度和噪声，敌对他们也要正确选择。气化室温度变化对 f i d 性能没有影响。f i d 检测器的温度务必要在1 2 0 以上，当温度比较低的时候，水蒸气 不能以蒸汽状态从检测器中排出，冷凝成水，使灵敏度下降，噪声增加“。 总之，肋检测器的性能特征表现在：高灵敏度和零池( 喷嘴) 体积；适于有机物特别 是烃类定量；线性范围宽，但定量时要注意是否为线性且在线性范围内。 1 5 气相色谱柱 气相色谱柱有多种类型，可按色谱柱的材料、形状、柱内径的大小和长度、固定相的化 学性能等进行分类。按照色谱柱内径的大小和长度，又可分为填充柱和毛细管柱。前者内径 在2 4 长度为1 1 0c m ；后者内径在0 2 - - 0 5m ，长度一般在2 5 一1 0 0m 。在进行 色谱分析时，色谱柱的选择是至关重要的。不仅要考虑被测组分的性质，实验条件，还应注 1 3 第一章概述 意和检测器的性能相匹配。 1 5 1 毛细管气相色谱拄固定相 1 5 1 1 固定相的进展 固定相的性质决定了其可以分离的物质的范围和色谱拄的最高使用温度。选择某一种 固定相，首先要对所需分离的样品的各组分的物理化学性能、分子式、结构，官能团、化合 物等有所了解，从而找出这些化合物之间的沸点、极性、官能团等方面的差别，利用固定相 和这些化合物之间的作用力的大小不同来选择合适的固定相。目前色谱固定相的开发的两大 趋势分别为：适应强的广普性、色谱固定相和选择性高的专一性色谱固定相的开发和研制。 对色谱固定相保留机理的研究可以指导人们更好地开发新型色谱固定相。色谱固定相本身的 基本要求如下： ( 1 ) 对组分有良好的选择性：为使样品中的各组分能够彼此分离，固定相对组分应有 不同的溶解和吸附性，即在操作条件下，固定相能够使欲分离的两组分有较大的相对保留值。 ( 2 ) 蒸汽压低，这样从色谱柱内流失的固定相就减少，柱子的效能不会改变，对高 敏度的监测器也没有影响。在操作温度下，蒸汽压大于1 3 1 0 2 p a 的固定相不宜使用。 ( 3 ) 润湿性好：固定相应能够很均匀的涂渍在空心柱的内壁，即其表面张力应小于空 心柱内壁的临界表面张力。 ( 4 ) 熟稳定性好：固定相的热稳定性好是指其在高温条件下不发生分解或聚合反应， 可保持固定液原有的特性。 ( 5 ) 化学惰性好：固定相应不与组分、载体、载气发生不可逆的化学反应。载体的活 性中心、载气中微量氧等杂质会使固定液在高温下分解，这一点常被人们忽视。 ( 6 ) 凝固点低，粘度适当：凝固点低则在低温下可以使用；粘度适当则可减少因柱温 下降粘度变大而造成柱效降低的弊端。 ( 7 ) 成分稳定：不会由于生产原因，各批的成分变化大，影响色谱峰定性的重复性。 合成和研究各种性能优良的固定相是色谱工作者的重要任务。气相色谱柱固定相的研 究大致可以分为聚硅氧烷、聚乙二醇等传统固定相，以及今年来新发展起来的液晶、环糊精、 冠醚等专属性固定相。 1 5 1 2 传统固定相 1 4 第一章概述 聚硅氧烷和聚乙二醇、聚醚类固定相等是目前所使用色谱固定相的主力军。 聚硅氧烷类固定相是使用最为广泛的一类固定楣，其特点是粘度的温度系数小，柱温 对柱效的影响不大，蒸汽压低，流失量小，热稳定性好；特别是对大多数有机物都有很好的 溶解能力；在硅原子上可以引入不同的官能团，从而形成具有不同极性的固定相。 聚乙二醇类化合物作为气相色谱的一类重要的常规固定相，在实际工作申得到了广泛 的应用。近年来，由于聚乙二醇无毒、易于分离和提纯、可溶于多种溶剂等特点，将其衍生 为具有特定支链结构的聚乙二醇衍生物。该衍生物具有一些特殊的性能，对位置异构体具有 较好的分离性