仪器分析讲义.doc

现代仪器分析技术第一章 概论随着近代科学技术的进步，尤其是电子技术计算机技术和激光技术的应用，分析化学的理论和测试技术也有了飞跃的发展。应用机械、光学和电子技术的新物理分析方法也不断勇现，从而在分析化学范畴内形成了一个较完整的领域，称为现代仪器分析技术。物质的许多物理性质与其化学组成含量和结构之间存在着密切的内在联系。因此，测量物质的物理性质，可以获得所需的定性定量分析以及结构信息。从而为确定物质成分及其数量与结构，以至空间取向 旋光异够等方面的研究，提供了强有力的手段。分析化学从以化学分析为主的经典分析化学，发展到当今以仪器分析为主的现代分析化学，是由生产技术发展的需求所决定的，可以毫不夸张地说，一个国家所具备的分析化学水平，是衡量其科学技术水平的重要标志之一。一 仪器分析法的分类通常将利用较特殊的仪器，以测量物质的物理性质为基础的一大类化学分析法，称为现代仪器分析。1较特殊的仪器：1.1色谱分析仪器：薄层色谱扫描法、气相色谱法、高效液相色谱法、毛细管电永法气相色谱仪，主要对物质的各组分先行分离并同时进行定性、定量分析。1.2光谱分析仪器：可见一紫外分光光度法、荧光分光光度法、原子吸收光谱法，等离子体发射波谱法，主要对物质的组分及元素组成进行分析。1.3质谱分析仪器：高分辨磁质谱、飞行时间质谱、四级杆质谱、离子阱质谱，主要确定物质的分子量和结构。1.4核磁共振波谱分析仪器：氢谱、碳谱，主要确定物质的分子结构。1.5电子显微镜分析仪器：透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等，主要用于物质的晶体结构和微观形态分析。1.6电化学分析仪器：电位分析、库伦分析、极谱分析等，主要用于无机离子的定量分析。2物质的物理性质2.1物质组成分子无机分子有机分子阳离子阴离子物质 （一） （二） （三） （一）、有机分子1沸点低于400含碳、氢、氧、氮硫的低沸点有机物。2沸点高于于400含碳、氢、氧、氮硫的高沸点有机物。3含有多个不饱和双键和芳香族化合物。4含有多种键和官能团的有机物。5能转化成带点离子的有机物。6有机物中含有特殊磁的原子核。（二）、阳离子钾、钠、钙、镁、铝、锌、铁、锡、铅、铜、铬、汞、银、金等。（三）、阴离子卤素、硫酸根、亚硫酸、硝酸根、亚硝酸根、碳酸根等离子。3化学分析方法物质几乎所有的物理性质，都可用于分析化学上。可用于分析目的的物理性质及仪器分析方法的分类，可以简单归纳为色谱 光谱 电化学及其它方法（见表11）。习惯上也有按分析目的来进行分类的如： 成分分析：，如可见一紫外分光光度法、荧光分光光度法、原子吸收光谱法，等离子体发射波谱法及电子探针等。分离分析：如薄层色谱扫描法、气相色谱法、高效液相色谱法、毛细管电冰法及超离心法等。形态分析：对待测物的表面或剖面的结构形态进行分析，如利用透射电子成象的透射电子显微镜和利用二次电子成象或其他成象原理的扫描电子显微镜等。 ，结构分析：，是研究未知化合物必不可少的手段之一，如红外吸收光谱法，核磁共振波谱法、质谱法及X一射线衍射分析法等。二 仪器分析法的特点仪器分析方法与经典化学分析方法相比较，有如下特点：（一）灵敏度高 仪器分析法的检出限相当低，通常为百万分之一（10-6）级，有些方法可达十亿分之一（10-9）级，甚至还可达到万亿分之一（10-12）级。因此。仪器分析法特别适用于微量和痕量成分的测定。这对于物质中微量组分及纯物质的分析等具有重要和特殊得意义。（二）选择性好 一般来说仪器分析法的选择性比化学分析法好的多。某些仪器分析法消除背景干扰能力强，可不需预处理，只要选择适当的条件，可对混合物中的某一组分或多个组分进行分析测定。因此，用于复杂组分试样或生物组织试样的分析是十分方便的。（三）分析速度快 由于电子技术 计算机技术和激光技术的应用，分析结果可在很短的时间内得出。例如发射光谱法可在23分钟内，同时测定2030种元素。傅立叶红外光谱法可在12秒中之内完成一个化合物的红外谱图测定。气相色谱法可在520分钟内完成，对一个多组分复杂有机混合物中各组分的定量分析。（四）应用范围广 仪器分析法是分析化学的重要组成部分，是一门新兴的学科，近50年来得到了深入快速的发展，已广泛用于石油化工 有机合成生理生化 医药卫生 乃至空间探索等领域。表11 仪器分析方法的分类及用途仪器分析名称所利用的物质的物理性质用途色谱法：1气相色谱 2高效液相色谱3薄层色谱4毛细管电泳色谱物质在两相间的分配 吸附 排阻 交换 分离分析；对物质的各组分先行分离并同时进行定性定量分析。光学分析法：1非光谱分析2光谱分析 原子发射光谱 原子吸收光谱 可见紫外光光谱 荧光光谱 红外光谱1物质使光的传播方向改变2物质使光的能量改变1原子外层电子从激发态返回基态时所发射出的光2原子外层电子从基态跃迁至激发态时所吸收的光3分子中电子能级的跃迁对可见紫外光的吸收4紫外光使分子中电子发生跃迁后，从激发态返回基态时所发射的光5 组成分子的原子之间的振动能级跃迁对光的吸收成分分析对物质的组分及元素组成进行分析多种无机元素的定性及半定量分析指定无机元素的定量分析无机络合物及不饱和有机物的定量分析痕量有机物的定量分析结构分析：有机物特征官能团的测定及分子结构的推断电化学分析法1电位分析2伏安分析3库仑分析物质的电学性质1利用物质间的膜电位2通过物质的电流与外加电压的关系3电解反应所需要的电量与反应产物质量的关系无机离子的定量分析核磁共振波谱法组成分子的原子核的磁性质与共振磁场的关系结构分析：测定H1核或C13核周围的化学环境质谱法阳离子的运行轨迹与加速电压和磁场强度的关系结构分析：测定分子量分子式及分子结构（五）相对误差较大 通常仪器分析法相对误差为35%，因此，不适合常量及高含量组分的分析。（六）设备复杂昂贵 操作者不但需要有较广泛的基础理论知识和较高的素质，而切还要有一定的工作经验 操作技巧及一般维护保养知识与经验。才能灵活运用各种大型精密分析仪器，发挥其功能，体现出使用大型精密仪器进行分析工作的特点。三 仪器分析法的发展趋势现代科学技术及国民经济的发展，对分析化学的要求不断提高，分析化学的飞跃发展，使其经典的定义、基础、原理、方法、技术及仪器等方面，均发生了根本的变化。仪器分析已远远超出了化学的概念，突破了纯化学领域，将数学、物理学、电子学、计算机科学等现代科学技术紧密的结合起来，而发展成为一门多学科的综合性科学。1、一机多用或多机连用是今后的发展趋势，充分发挥各种分析方法的优点，从而提高分析的效能，成为分析复杂样品的有利工具。如GCMS、GCIR、HPLCMS等仪器，已实现了联机并应用于分析测试。2、吸取其它学科的新成果，创建新的分析方法，也是今后仪器分析发展的趋势之一。如光声波谱法及毛细管电泳分析法等。利用物质一切可以利用的性质，建立表征测量的新方法、新技术、从而开拓新的领域。总之，仪器分析趋向于小型化、简单化、智能化、精度高、分析速度快、分辨本领强、用途广等方面。3、应该指出，仪器分析方法用于高含量组分的分析，仍具有一定的局限性，其准确性不是很高。目前不能以仪器分析方法来替代化学分析，一般在进行仪器分析测试之前，需采用化学方法 对试样进行预处理。如：萃取分离；富集纯化；排除干扰等。同时，仪器分析法在定性、定量时，需要标准物进行对照，而一般标准物均需用化学分析方法进行标定在进行复杂物质分析时，往往采用几种方法综合应用。因此，化学分析与现代仪器分析是相互不可代替的是互为补充的。第二章 色谱分析法21概述：色谱学是现代分离、分析技术中的重要方法之一，也是一门新兴的学科。近五十年来色谱学各分支，都得到了深入的发展。将一定样品中相关的化学物质拆解成纯的物质称为分离。分离是研究物质组成乃至整体性能的一种十分有效和常用的现代分析化学方法。混合是自发的，而分离是被动的。如将盐、糖、水放入同一杯子中，溶解后就无法再分别出谁是谁了，除非对它施加某种影响力或作用力。根据所加的作用力不同，可以将分离分成不同的类型。如表21。表格2 1分离类型及表征分离类型作用力分离的主要依据表征萃取 沉淀离心色谱电泳筛分过滤分子间力重力离心力分子间力、静电力电场力穿插阻力穿插阻力溶解度或溶解速度密度与降沉阻力密度与降沉阻力分配系数迁移速度体积或尺寸大小体积或尺寸大小从一相进入另一相的速度差降沉速度不同降沉速度不同表现为前进速度不同表现为前进速度不同表现为前进速度不同被截留者可视为零速其余为全速（速度差异）将色谱学分离技术应用于分析化学中，就是色谱分析。它以其具有高分离效能、高检测性能、分析时间快速而成为现代仪器分析方法中应用最广泛的一种方法。它的分离原理是，使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相，另一相是携带混合物流过此固定相的流体，称为流动相。当流动相中所含混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用。由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相发生作用的大小、强弱也有差异，因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。这种借在两相间分配原理而使混合物中各组分分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法（又称色层法、层析法）。211色谱法的由来最早的色谱分离方法是俄国的植物学家茨维特于1906年首先提出来的。他把植物色素的石油醚抽提液到入一根装有碳酸钙吸附剂的竖直玻璃管中，并再加入纯的石油醚，任其自由下流，结果在管内形成不同颜色的谱带，即溶液中不同的色素得到了分离，“色谱”一词因而的名。后来这种方法逐渐地用于无色物质得分离，但“色谱”一词却沿袭使用下来。212色谱法的分类现在的所谓色谱法，实质是利用不同的物质在不同的两相中具有不同的分配系数。当两相作相对运动时，这些物质在两相中的分配反复进行多次，这样使得那些分配系数只有微小差异的组分产生很大的分离效果，从而使不同的组分得到分离。色谱法有许多类型，从不同的角度出发，有以下几种色谱分类方法。一、按流动相分类：1、 气相色谱法GC（气固色谱GSC；气液色谱GLC）2、 液相色谱法LC（液固色谱LSC； 液液色谱LLC中如果固定液的极性大于流动相极性称为正相色谱，当固定液的极性小于流动相的极性时称为反相色谱）3、 超临界流体色谱法SFC（超临界流体与固体色谱SFSC；超临界流体与液体色谱SFLC）流动相密度：气体 10-3 g/ml液体 0.81 g/ml超临界流体0.20.9 g/ml（对多种物质优良好的溶解性）所谓超临界流体色谱是指：以超过其物质的临界压力和临界温度的流体为流动相的色谱分析方法，也就是利用界于液态和气态之间的流体作为流动相。二、按固定相的形状分类：1、 柱色谱（仪器分析方法中都是使用柱色谱）2、 纸色谱3、薄层色谱4、棒色谱三、按所利用的物理化学原理分类1、 吸附色谱：利用表面对物质的物理吸附原理。2、 分配色谱：利用组分在两个不相混溶的相中，有不同的分配系数的原理。3、 离子交换色谱：利用离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子进行可逆交换。4、 离子对色谱：将一种（或多种）与溶质分子电荷相反的离子（称为对离子或反离子）加到流动相或固定相中，使其与溶质离子结合形成离子对化合物，从而控制溶质离子的保留行为。5、 离子色谱：以离子交换树脂为固定相，电解质溶液为流动相，主要用于无机离子的分离及定量。6、 空间排阻色谱：以凝胶（gel）为固定相它类似于分子筛的作用，按分子的大小进行分离。213色谱法的发展历史1906年出现“液固色谱”以后的40年里，液相色谱技术得到初步的应用与发展，并开始采用紫外检测技术。同时，气固色谱也在逐渐发展。1946年出现了热导池检测器。（气相色谱检测器）50年代中期出现了氢火焰离子化检测器（10-12g/s）；电子捕获检测器（10-13g/s）这些新型检测器的出现，推动了气相色谱的发展，使其理论基础得到了不断的进展，并加以完善，建立了系统的色谱理论基础。60年代中期出现了电子数字积分仪大大提高了数字处理精度。同时，人们把气相色谱上获得系统理论与实践经验应用于液相色谱的研究。采用了高压输液泵和紫外检测器，所以高效液相色谱法才蓬勃发展起来。70年代色谱仪的性能不断得到改善，初期已产生带小型微机的色谱仪。后期这些小型微机不仅可以进行数据采集、数据处理，还可以用来控制色谱条件。色谱工作者可以根据自己的要求编排程序进行工作。80年代出现了很多功能全面的高智能的气相色谱仪。如：反应色谱、裂解色谱、程序升温色谱等。90年代出现毛细管色谱、超临界流体色谱、毛细管电泳色谱等。后期出现色谱工作站与普通微机联用，测定结果可以送入微机网站。21世纪的色谱分离分析技术主要体现在多机联用，目前应用最多的是GCMS，HPLCMS。22色谱法的特点221选择性：能够分离分析性质极其相似的物质。222高效能：在较短的时间里，同时分离和测定极为复杂的混合物。223高灵敏度：由于检侧器灵敏度的不断提高，很容易实现微量和痕量分析。一般可达到10-1210-13g/s224分析速度快：前处理简单，分析周期短。225应范围广：理论上讲，自然界中的有机物几乎可以全部用色谱法进行分离测定。一般物质沸点较低（低于4000C）、热稳定性好、相对分子量低（低于400）的有机物用气相色谱分析。而沸点较高、热稳定性差的有机物用液相色谱分析。23色谱过程231气相色谱仪器构造及样品分析流程气相色谱法是采用气体作为流动相的一种色谱法。在此法中，载气（是不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体，如氢、氮、氦等）载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别进行检测。其简单流程如图2-1所示。载气由高压钢瓶1供给，经减压阀减压后，进入载气净化干燥管，除去载气中的水分。由总流量控制阀调节载气的压力和流量。压力表可以指示载气的柱前流量和压力。再经过进样器（包括气化室、及温度控制装置），试样就从进样器注入（如为液体试样，经进样器瞬间气化为气体）。由不断流动的载气携带试样进入色谱柱，将各组分分离，各组分依次进入检测器后放空。检测器信号由记录系统记录下来，就可得到如图2-2所示的色谱图。图中的各个峰代表混合物中的各个组分。图21气相色谱流程图（FID检测器）图22色谱图（24种有机磷农药的分离）由图2-1可见，气相色谱仪一般由五部分组成。一、气相色谱组成：气路部分、进样部分、分离部分、检测部分、记录部分。1、气路部分主要提供稳定的气相环境。（如图21）2、进样部分主要提供试样瞬间汽化的环境。要求待分析试样瞬间汽化而不分解必须使进样系统热容量大、死体积小、无催化作用。3、分离部分主要提供混合物分离的环境。载气 A+B色谱柱 检测器 记录器样品在色谱柱中的分离情况示意图234、检测部分主要是实现物质的物理或化学特性与电信号之间的转化。5、记录部分主要是记录试样某一组分电信号的大小、保留值的大小、组分分离情况等。232液相色谱仪器构造及样品分析流程一、高效液相色谱组成：液路部分、进样部分、分离部分、检测部分、记录部分。见图24图24高效液相色谱流程图1、液路部分主要提供稳定的液体流动相。、高压泵 液相色谱分析的流动相(载液)是用高压泵来输送的。由于色谱柱很细(16mm)，填充剂粒度小(目前常用颗粒直径为510m)，因此阻力很大，为达到快速、高效的分离，必须有很高的柱前压力，以获得高速的液流。对高压输液泵来说，一般要求压力为150350X105Pa，关键是要流量稳定，因为它不仅影响柱效能，而且直接影响到峰面积的重现性和定量分析的精密度，还会引起保留值和分辨能力的变化；另外，要求压力平稳无脉动，这是因为压力的不稳和脉动的变化，对很多检测器来说是很敏感的，它会使检测器的噪声加大，仪器的最小检测量变坏；对于流速也要有一定的可调范围，因为载液的流速是分离条件之一。 高压泵按其性质可分为恒流泵和恒压泵两类。现介绍常用的两种。 、往复式柱塞泵： 这是目前较广泛使用的一种恒流泵，其结构如图25所示。当柱塞推人缸体时，泵头出口(上部)的单向阀打开，同时，流动相(溶剂)进口的单向阀(下部)关闭，这时就输出少量(约01mL)的流体。反之，当柱塞从缸体向外拉时，流动相入口的单向阀打开，出口的单向阀同时关闭，一定量的流动相就由存放流动相的容器中吸入缸体中。为了维持一定的流量，柱塞每分钟大约需往复运动100次。这种泵的特点是不受整个色谱体系中其余部分阻力稍有变化的影响，连续供给恒定体积的流动相。这种泵可方便地通过改变柱塞进入缸体中距离的大小(即冲程大小)或往复的频率来调节流量。另外，由于死体积小(约01mL)，更换溶剂方便，很适用于梯度淋洗。不足之处是输出有脉冲波动，它会干扰某些检测器(如差示折光检测器)的正常工作，并且由于产生基线噪声而影响检测的灵敏度。但对在高效液相色谱最常用的紫外吸收检测器却影响不大。为了消除输出脉冲，可使用脉冲阻尼器，或能对输出流量相互补偿的具有两个泵头的双头泵。图25 往复式柱塞泵、气动放大泵 气动放大泵是根据液体的压力传导原理：P1SA=P2SB而设计的，其结构如图26所示。它的工作原理是：压力为P1的低压气体推动大面积(SA)活塞A，则在小面积(SB)活塞B输出压力增大至P2的液体。压力增大的倍数取决于A和B两活塞的面积比，如果A与B的面积之比(SA：SR)为50：1，则用压力为5X105Pa的气体就可得到压力为250X105Pa的输出液体。气动放大泵属恒压泵。泵体一次吸入液体的量取决于液缸的体积(数十毫升至一百毫升以上)。气动泵活塞回转装置是自动控制的，它可将流动相存放器中的液体吸入泵体。在往泵中补充溶剂时，基线会受干扰，但时间很短，通常在1 s以内。最好避免在吸液过程内出现色谱峰。这种泵的缺点是液缸体积大，更换流动相不方便，不适用于频繁更换流动相的选择合适溶剂的试验，也不便于梯度淋洗(需要用两台泵)。但它能供给无脉冲的、稳定流量的输出。由于气动泵能使输送的液体迅速达到输出的压力，在泵的负荷的阻力小的情况下，可提供大的输出流量，因此，它适用于匀浆法填装色谱柱。图26 气动放大泵、梯度淋洗(又称梯度洗脱、梯度洗提)装置 高效液相色谱法中的梯度淋洗和气相色谱法中的程序升温一样，给分离工作带来很大的方便，现在已成为完整的高效液相色谱仪中一个重要的不可缺少的部分。所谓梯度淋洗，就是载液中含有两种(或更多)不同极性的溶剂，在分离过程中按一定的程序连续改变载液中溶剂的配比和极性，通过载液中极性的变化来改变被分离组分的分离因素，以提高分离效果。应用梯度淋洗还可以使分离时间缩短，分辨能力增加，由于峰形的改善，还可以提高最小检测量和定量分析的精度。梯度淋洗可以采用在常压下预先按一定的程序将溶剂混合后再用泵输人色谱柱，这叫做低压梯度，也称外梯度；也可以将溶剂用高压泵增压以后输入色谱系统的梯度混合室，加以混合后送人色谱柱，即所谓高压梯度或称内梯度系统。2、进样部分主要是保证试样在密封状况下进入高压系统。在高效液相色谱中，进样方式及试样体积对柱效有很大的影响。要获得良好的分离效果和重现性，需要将试样“浓缩”地瞬时注人到色谱柱上端柱担体的中心成一个小点。如果把试样注入到柱担体前的流动相中，通常会使溶质以扩散形式进入柱顶，就会导致试样组分分离效能的降低。目前，符合要求的进样方式主要有以下两种。、注射器进样装置 这种进样方式同气相色谱法一样，试样用微量注射器刺过装有弹性隔膜的进样器，针尖直达上端固定相或多孔不锈钢滤片，然后迅速按下注射器芯，试样以小滴的形式到达固定相床层的顶端。缺点是不能承受高压，在压力超过150X105Pa后，由于密封垫的泄漏，带压进样实际上成为不可能。为此可采用停流进样的方法。这时打开流动相泄流阀，使柱前压力下降至零，注射器按前述方法进样后，关闭阀门使流动相压力恢复，把试样带入色谱柱。由于液体的扩散系数很小，试样在柱顶的扩散很缓慢，故停流进样的效果同样能达到不停流进样的要求。但停流进样方式无法取得精确的保留时间，峰形的重现性亦较差。、高压定量进样阀 这是通过进样阀(常用六通阀)直接向压力系统内进样而不必停止流动相流动的一种进样装置。六通进样阀的原理如图27所示。操作分两步进行。当阀处于装样位置(准备)时，1和6，2和3连通，试样用注射器由4注入到一定容积的定量管中。根据进样量大小，接在阀外的定量管按需要选用。注射器要取比定量管容积稍大的试样溶液，多余的试样通过接连6的管道溢出。进样时，将阀芯沿顺时针方向迅速旋转60，使阀处于进样位置(工作)，这时，1和2，3和4，5和6连通，将贮存于定量管中固定体积的试样送人柱中。图27 如上所述，进样体积是由定量管的体积严格控制的，所以进样准确，重现性好，适于作定量分析。更换不同体积的定量管，可调整进样量。也可采用较大体积的定量管进少量试样，进样量由注射器控制，试样不充满定量管，而只是填充其一部分的体积。3、分离部分主要提供混合物分离的环境。目前液相色谱法常用的标准柱型是内径为46或39 mm，长度为1530cm的直形不锈钢柱。填料颗粒度510m，柱效以理论塔板数计大约7 00010000。液相色谱柱发展的一个重要趋势是减小填料颗粒度(35 m)以提高柱效，这样可以使用更短的柱(数厘米)，更快的分析速度。另一方面是减小柱径(内径小于1 mm，空心毛细管液相色谱柱的内径只有数十微米)，既大为降低溶剂用量又提高检测浓度，然而这对仪器及技术将提出更高的要求。 高效液相色谱柱的获得，主要取决于柱填料的性能，但也与柱床的结构有关，而柱床结构直接受装柱技术的影响。因此，装柱质量对柱性能有重大的影响。 液相色谱柱的装柱方法有干法和湿法两种。填料粒度大于20m的可用和气相色谱柱相同的干法装柱；粒度小于20m的填料不宜用干法装柱，这是由于微小颗粒表面存在着局部电荷，具有很高的表面能，因此在干燥时倾向于颗粒间的相互聚集，产生宽的颗粒范围并粘附于管壁，这些都不利于获得高的柱效。目前，对微颗粒填料的装柱只能采用湿法完成。 湿法也称匀浆法，即以一合适的溶剂或混合溶剂作为分散介质，使填料微粒在介质中高度分散，形成匀浆，然后，用加压介质在高压下将匀浆压入柱管中，以制成具有均匀、紧密填充床的高效柱。液相色谱柱的装填是一项技术性很强的工作。为装填出高效柱，除根据柱尺寸和填料性质选择适宜的装柱条件外，还要注意许多操作细节，这需要在实践中摸索。4、检测部分主要是实现物质的物理或化学特性与电信号之间的转化。一个理想的检测器应具有灵敏度高、重现性好、响应快、线性范围宽、适用范围广、对流动相流量和温度波动不敏感、死体积小等特性。以后将介绍几种常用检测器的特性。5、记录部分主要是记录试样某一组分电信号的大小、保留值的大小、组分分离情况等。233色谱流出曲线及有关术语一、色谱流出曲线：描述样品中各组分所产生的信号大小与保留值（保留时间、保留体积等）的变化关系。如图28所示。图2-8色谱流出曲线图二、有关色谱术语：1、关于基线：基线：当色谱柱后没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。稳定的基线是一条直线，如图2-8中所示的直线。基线漂移：指基线随时间定向的缓慢变化。基线噪声：指由各种因素所引起的基线起伏。2、关于保留值：保留值表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。通常用时间来表示。如前所述，被分离组分在色谱柱中的滞留时间，主要取决于它在两相间的分配过程，因而保留值是由色谱过程中的热力学因素所控制的，在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样就可用作定性参数。死时间（tM）：指不被固定相吸附或溶解的气体（如：空气、甲烷）从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需要的时间，如图2-8中AB所示。显然，死时间正比于色谱柱的空隙体积。保留时间（tR）指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需要的时间，如图2-8中AC所示。调整保留时间（tR）指扣除死时间后的保留时间，如图2-8中BC所示，即：tR= tRtM （2-1）此参数可理解为，某组分由于溶解或吸附于固定相，比不溶解或不被吸附的组分在色谱柱中多滞留的时间。相对保留时间（或r12）指某组分2的调整保留时间与另一组分1的调整保留时间之比：r12= （2-2）相对保留时间的优点是，只要柱温、固定相性质不变，即使柱径、柱长、填充情况及流动相流速有所变化，r12值仍保持不变，因此它是色谱定性分析的重要参数。r12亦可用来表示固定相（色谱柱）的选择性。r12数值越大，相邻两组分的tR就相差越大，分离的越好，此数值等于1时，两组分不能被分离。3、关于区域宽度：色谱峰区域宽度是色谱流出曲线中一个重要参数。从色谱分离角度着眼，希望区域宽度越窄越好通常度量色谱峰区域宽度有两种方法：半峰宽度（Wh/2）：又称半宽度或区域宽度，即峰高一半处的宽度，如图2-8中FG所示，由于它易于测量，使用方便，所以常用它表示区域宽度。峰底宽度（W）：自色谱峰两侧的转折点所作的切线在基线上的截距，如图2-8中DE所示。三、色谱流出曲线的作用：1、根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性检定；2、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量测定；3、根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱分离情况进行评价。24流动相、固定相的种类及选择241色谱柱的结构：色谱柱名称制做材料柱长（米）内径（毫米）气相色谱填充柱不锈钢或玻璃0.5624气相色谱毛细管柱弹性石英玻璃10500.20.4小口径毛细管柱弹性石英玻璃10500.10.2大口径毛细管柱弹性石英玻璃10500.4以上液相色谱填充柱不锈钢0.150.34.6或3.9毛细管电泳色谱柱弹性石英玻璃0.330.50.20.4242流动相一、气相色谱流动相：通常使用纯度在99.99%以上的氮气（N2）、氢气（H2）、氦气（He）。当使用电子捕获检测器时，气体流动相（N2）的纯度要在99.999%以上。二、液相色谱流动相：水（极性最大）、甲酰胺、乙晴、乙醇、丙醇、丙酮、二氧六环、四氢呋喃、甲乙酮、正丁醇、醋酸乙酯、乙醚、异丙醚、二氯甲烷、氯仿、溴乙烷、苯、氯丙烷、甲苯、四氯化碳、二硫化碳、环己烷、庚烷、煤油（极性最小）有时为了获得合适的溶剂极性，常采用二元或多元的溶剂组合成混合流动相。液体流动相的纯度要求在99.9%以上，液体中最小颗粒直径小于0.45微米，一般将液体流动相用0.45微米的过滤膜过滤后使用。243固定相一、固体固定相：固体固定相一般指活性吸附剂。这种色谱叫做气固色谱或吸附色谱。在使用分子筛和多孔微小球之前，由于适用的吸附剂种类不多，并且还存在着一定的缺陷，所以在很大的一段时间里气固色谱发展较慢。在气固色谱法中作为固定相的吸附剂，常用的有非极性的活性炭，弱极性的氧化铝，强极性的硅胶等。它们对各种气体吸附能力的强弱不同，因而可根据分析对象选用。一些常用的吸附剂及其一般用途列于表22中。表22 一些常用的吸附剂及其用途固定相名称化学组成最高使用温度性质分析对象活性炭C低于300OC非极性分离永久性气体及低沸点烃类，适合于分离分析非极性低碳有机化合物和无机气体。石墨化碳黑C500OC以上非极性分离气体及烃类，对高沸点有机化合物也能获得较好的分离效果。硅胶SiO2XH2O低于400OC氢键型分离永久性气体和低级烃类。氧化铝AL2O3低于400OC弱极性分离烃类及有机异够体，在低温下可分离氢的同位素。分子筛X（MO）Y（AL2O3）Z（SiO2）nH2O低于400OC极性特别适用于永久性气体和惰性气体的分离。GDX多孔聚合物见下表聚合时原料不同，极性不同。见表231、气固色谱的特点：分析物质在吸附剂上的吸附能力比在气液色谱柱上的分配能力大，着使得气固色谱上被分离物质的保留时间较大。气固色谱常用来分析H2 O2 N2 CO CH4等，因为这些气体在液相里溶解很小，还没有满意的固定液能分离它们，而在吸附剂上它们的吸附热差别较大。气固色谱的的吸附等温线不都是线性的，所得色谱峰多为非对称的，如下图29所示。由图中可以看出，气固色谱只有进样很小的情况下，才能出现对称性好的峰。固体吸附剂在高温下常具有催化活性，因而气固色谱一般不适于分析高沸点物质，也不适于分析含有活性组分的样品。 固体吸附剂的活性吸附中心易中毒，使保留时间改变，寿命变短。2、气固色谱固定相的改进由于最初的气固色谱可使用的吸附剂种类不多，不是同批制备的吸附剂的性能往往又不易重复，且进样量稍多时色谱峰就不对称，有拖尾现象等等。近年来，通过对吸附剂表面进行物理化学改性，改进的方法有：加减尾剂、通入恒量水蒸汽、吸附剂表面涂固定液等，研制出表面结构均匀的吸附剂（例如石墨化碳黑、碳分子筛等），不但使极性化合物的色谱峰不致拖尾，而且可以成功地分离一些顺、反式空间异构体。气固色谱固定相的最大改进是研制出高分子多孔微球（国产商品牌号为GDX）是以二乙烯基苯作为单体，经悬浮共聚所得的交联多孔聚合物，是一种应用日益广泛的气固色谱固定相。例如有机物或气体中水的含量测定，若应用气液色谱柱，由于组分中含水会给固定液、担体的选择带来麻烦与限制；若采用气固色谱柱，由于水的吸附系数很大，以致于实际上无法进行分析；而采用高分子多孔微球固定相，由于多孔聚合物和烃基化合物的亲和力极小，且基本按分子质量顺序分离，故相对分子质量较小的水分子可在一般有机物之前出峰，峰形对称，特别适于分析试样中的痕量水含量，也可用于多元醇、脂肪酸、腈类等强极性物质的测定。由于这类多孔微球具有耐腐蚀和耐辐射性能，可用以分析如HCl、NH3、Cl2、SO2等。高分子多孔微球随共聚体的化学组成和共聚后的物理性质不同，不同商品牌号具有不同的极性及应用范围如表23。该固定相除应用于气固色谱外，又可作为担体涂上固定液后使用。图29三种吸附等温线及其相应的色谱峰形状 表23 常见的高分子多孔小球固定相及其用途牌号化学组成极性使用温度OC用途GDX101二乙烯苯交联共聚非极性270气体和低沸点化合物GDX201二乙烯苯交联共聚非极性270高沸点化合物GDX301二乙烯苯、三氯乙烯共聚弱极性250乙炔、氯化氢GDX401二乙烯苯、含氮杂环共聚中极性250氯化氢中的微量水分GDX501二乙烯苯、含氮极性有机物共聚中极性270C4烯烃异够体GDX601含强极性基团的二乙烯基苯共聚物强极性200环己烷、苯3、高分子多孔微球固定相的特点 具有特殊的均匀的表面孔径结构，有很大的表面积（1500m2/g）和一定的机械强度。改变制备条件，可合成出不同极性、不同孔径、不同分离性能的多孔聚合物。使气固色谱的应用范围扩大。 无论分析非极性或极性物质拖尾都很少，有利于分析水、多元醇、脂肪酸、腈类等强极性物质。高分子多孔微球和羟基化合物亲和力极小，且因其基本上按分子量的顺序分离，故分子量小的水分子可在一般的有机物之前流出，峰形也对称，特别适用于分析样品中的水分。具有耐腐蚀和耐辐射的特性，可以分析如HCl、NH3、HCN、Cl2、SO2等。这些活泼性气体不仅彼此分离，且很快馏出。在大气净化、毒性气体和高分子单体的控制分析中，用多孔聚合物分析痕量的这些气体和CO2、H2O等是极为有利的，因为这些杂质在主峰之前流出可不受主峰拖尾的影响。直接作固定相时不存在固定液的流失问题。耐高温性好，可达250290摄氏度。考虑到热胀冷缩性，在高温使用时最好采用5080目，并在高于柱温20摄氏度（如230摄氏度）用N2气流预处理约10小时。对同一样品，其分离柱温应比用其他固定液的柱温高50100摄氏度。二、液体固定相在气液色谱中，固定相是液体。它是一种高沸点有机物液膜（称为固定液），很薄的均匀涂在惰性固体支持物（称为担体）上面。所以液体固定相实际上是由担体和固定液组成。为了能正确地选择固定液以得到好的分离效果，以及推测组分在柱上的分配情况和流出顺序，有必要先了解一下影响分配系数大小的各种分子间作用力。1、组分分子与固定液分子间的相互作用力在气液色谱中分子之间的作用力，有溶质（组分）分子与载气分子间；溶质分子与固定液分子间；气相或液相中溶质分子之间等的作用力。载气是用惰性气体，气相中溶质分子浓度很小，故气相近似于理想气体行为，各分子质点间作用力很小，可忽略之。在液相中溶质和固定液间挥发性差别较大，再加有分子大小和极性大小的差别，造成了溶液的非理想性，因此，在气液色谱中不可用理想溶液的规律如拉乌尔定律等。但是，由于液相里溶质分子的浓度很低，约为10-13mol/L，彼此距离大，不足以产生相互影响，近似“无限稀释”的溶液，所以溶质分子间的作用力可忽略。在此无限稀释的溶液里，主要存在着溶质分子和固定液分子间的作用力使溶质溶于固定液中，同时溶质分子由于热搅动产生足够动能克服固定液的引力而逸到气相。由此可见，溶质分子挥发度（或蒸气分压）大小主要是决定于溶质和固定液分子间的作用力。作用力大的，溶质在液相浓度大，分配系数大，溶质就较晚流出；作用小的就先流出。溶质分子与固定液分子间的相互作用力是一种较弱的力，不象分子内的化学键力那么强。包括静电力、诱导力、色散力和氢键力。前三种就是一般所说的范德华力，是一种内聚力。氢键力实际上也是一种特殊的定向力，静电力（定向力）：这种力是由于极性分子的永久偶极间存在静电作用而引起的。极性分子具有永久偶极矩（），使分子间存在静电作用能，由此产生定向位能，所以定向力又称静电力。 （2-3）式中AB为溶质和固定液分子的永久偶极矩；r是分子间的平均距离（或偶极矩间的距离）；K是波兹曼常数；T是绝对温度。在极性固定液柱上分离极性试样时，分子间的作用力主要就是静电力。被分离组分的极性越大，与固定液间的相互作用力就越强，因而该组分在柱内滞留的时间就越长。因为静电力的大小与绝对温度成反比，所以在较低柱温下依靠静电力有良好选择性的固定液，在高温时选择性就变差，亦即升高柱温对分离不利。诱导力：极性分子和非极性分子共存时，由于在极性分子永久偶极的电场作用下，非极性分子极化而产生诱导偶极，此时两分子相互吸引而产生诱导力。这个作用力一般是很小的。在分离非极性分子和可极化分子的混合物时，可以利用极性固定液的诱导效应来分离这些混合物。例如苯和环己烷的沸点很相近（80.10摄氏度和80.81摄氏度）。若用非极性固定液（例如液体石蜡）是很难将它们分离的但苯比环己烷容易极化，所以用一个中等极性的邻苯二甲酸二辛酯固定液，使苯产生诱导偶极，则苯的保留时间是环己烷的1.5倍；若选用强极性的，氧二丙 固定液，则苯的保留时间是环己烷的6.3倍，这样就很容易分离了。色散力：非极性分子间虽没有静电力和诱导力相互作用，但其分子却具有瞬间的周期变化的偶极矩（由于电子运动、原子核在零点间的振动而形成的），只是这种瞬间偶极矩的平均值等于零，在宏观上显示不出偶极矩而已。这种瞬间偶极矩带有一个同步电场，能使周围的分子极化，被极化的分子又反过来加剧瞬间偶极矩变化的幅度，产生所谓色散力。对于非极性和弱极性分子而言，分子间作用力主要是色散力。例如用非极性的角鲨烷固定液分离C1C4烃类时，它的色谱流出次序与色散力大小有关。由于色散力与沸点成正比，所以组分基本按沸点顺序分离。氢键力：也是一种定向力，当分子中一个H原子和一个电负性（原子的电负性是原子吸收电子的能力，电负性愈大，吸引电子的能力愈强）很大的原子（以X表示，如F，O，N等）构成共价键时，它又能和另一个电负性很大的原子（以Y表示）形成一种强有力的有方向性的静电吸引力，这种能力就叫氢键作用力。这种相互作用关系表示为“XHY”，X，H之间的实线表示共价键，H，Y之间的点线表示氢键。X，Y的电负性愈大，也即吸引电子的能力愈强，氢键作用力就愈强。同时，氢键的强弱还与Y的半径有关，半径愈小，愈易靠近XH，因而氢键愈强。氢键的类型和强弱次序为：FHFOHOOHNNHNNCHN因为CH2中的碳原子电负性很小，因而CH键不能形成氢键，即饱和烃之间没有氢键作用力存在。固定液分子中含有OH，COOH，COOR，NH2，=NH官能团时，对含氟、含氧、含氮化合物常有显著的氢键作用力，作用力强的在柱内保留时间长。氢键型基本上属于极性类型，但对氢键作用力更为明显。2、液体固定相的组成：、担体：填充柱的担体，主要作用是提供一个大的惰性表面，以便涂上一层薄而均匀的液膜，构成固定相。一个好的担体应具有：单位体积有大的表面积；不与试样组分起化学反应；表面没有或有很弱的吸附性能；热稳定性好；机械性能好，在涂渍或装柱过程中不易粉碎和凝集；是均匀和规则的球形颗粒，孔径分布均匀，孔隙结构有利于组分在气液两相中快速分配；固定液在其表面上能形成均匀的薄膜。为了达到上述要求，一般对天然担体进行前处理。其方法有：酸洗、碱洗、硅烷化处理等。另外还必须保证颗粒均匀，一般制成4060目，6080目或80100目。常用的担体有：硅藻土担体（包括：红色担体、白色担体）、非硅藻土担体、多孔聚合物等类型。担体的选择往往对分离是有影响的，通常的选择原则是：固定液的用量大于5%时，选用硅藻土担体（红色担体或白色担体）；固定液的用量小于5%时，选用酸洗、碱洗、硅烷化处理过的担体；对于高沸点组分的分离，用非硅藻土担体。如：玻璃球担体；对于强腐蚀性组分的分离，可选用氟担体。、固定液：有上千种化合物可作为气相色谱分析中的固定液，本文简单介绍以下较常用的几种，见表24、固定液的极性：在色谱分析过程中组分分子与固定液分子间的作用力起着支配作用，而被分离组分分子和固定液分子的极性是影响这些作用力的主要因素。因此，在气相色谱中常用极性大小来描述组分和固定液的一些性质。一般把固定液分为非极性、中等极性、强极性和特殊性质（氢键）的固定液。表24常用固定液固定液相对极性级别固定液相对极性级别角鲨烷0-1XE6052+3阿皮松78+1新戊二醇丁二酸聚酯+3SE30、OV0113+1PEG20M68+3DC55020+2PEG60074+4己二酸二辛酯21+2己二酸聚乙二醇酯72+4邻苯二甲酸二辛酯23+2己二酸二乙二醇酯80+4邻苯二甲酸二壬酯25+2双甘油89+5聚苯醚OS12445+3TCEP98+5磷酸三甲酚酯45+3、氧二丙氰100+5、相对极性：固定液相对极性的测定方法是： 规定鲨鱼烷的极性为0 ，另规定、氧二丙腈的极性为100，以苯和环己烷为试样，在这两根柱上以及被测固定液柱上，分别测出其相对保留时间的对数q ，通过式（24）进行计算。被测固定液相对极性=100100 （2-4）式中为自甲烷峰起，环己烷和苯在、氧二丙腈柱上的相对保留时间的对数；即：lg （、氧二丙腈柱）（2-5）为自甲烷峰起，环己烷和苯在鲨鱼烷柱上的相对保留时间的对数；为自甲烷峰起，环己烷和苯在欲测固定液柱上的相对保留时间的对数。把测定结果自0至100分为5级，每20为一级。用“+”表示，非极性以“表示。如、氧二丙腈为”+5“，聚乙二醇为”+4“。都属于强极性固定液；相对极性在+2+3之间属于中等极性的固定液；相对极性在0+1之间属于非极性固定液，见表24所示。、麦克雷诺（McReynolds）常数：应用相对极性表征固定液性质，显然并未能全面反映被测组分和固定液分子间的全部作用力，为能更好地表征固定液的分离特征，麦克雷诺对68种化合物在25种固定液上的保留指数I作了回归分析，结果认为用苯、丁醇、2戊酮、硝基丙烷及吡啶作为基准