仪器分析3

第二章 气相色谱分析(Gas Chromatography.GC)2.1 概述 历史、色谱分离过程、分类2.2 色谱流出曲线 色谱图及相关术语2.3 色谱法基本原理 描述分配过程参数、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述(塔板理论及速率理论)2.4 分离度及色谱分离方程 分离度及色谱分离方程、影响分离的因素,2.1 概述 色谱：最为有效的一种分离技术，其应用涉及每个科学领域。 历史：1903年，俄国植物学家Mikhail Tswett 最先发明。他采用填充有固体CaCO3细粒子的玻璃柱，将植物色素的混合物(叶绿素和叶黄素 chlorophylls “graphein”=write) 。 50年代，色谱发展最快（一些新型色谱技术的发展；复杂组分分析发展的要求。 1937-1972年，15年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的！,1 色谱分离基本原理： 使用外力使含有样品的流动相（气体、液体或超临界流体）通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。样品中各组份在两相中进行不同程度的作用。与固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢，反之，与固定相作用弱的组份随流动相流出的速度快。由于流出的速度的差异，使得混合组份最终形成各个单组份的“带(band)”或“区(zone)”，对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。 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（又称层析法、色层法）,2 色谱分类方法：1）按流动相的物态 气相色谱（流动相是气体，），有气固与气液色谱之分。 液相色谱（流动相是液体），有液固与液液色谱之分。2). 按固定相外形分：柱色谱（填充柱、空心柱）；平板色谱（ 薄层色谱和纸色谱）。3). 按组份在固定相上的分离机理分： 吸附色谱：不同组份在固定相的吸附作用不同； 分配色谱：不同组份在固定相上的溶解能力不同； 离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和 力不同； 凝胶色谱（尺寸排阻色谱）不同尺寸分子在固定相上的渗透 作用,4）. 按两相状态分类,3 气相色谱分析流程,一、气路系统(Carrier gas supply)气路系统：获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体 净化装置。载气：要求化学惰性，不与有关物质反应。载气的选择除了要求考虑 对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配。净化器：多为分子筛和活性碳管的串联，可除去水、氧气以及其它杂 质。压力表：多为两级压力指示：第一级，钢瓶压力(总是高于常压。对填 充柱：10-50 psi；对开口毛细柱：1-25 psi)；第二级，柱头压 力指示；流量计：在柱头前使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确。通常在 柱后，以皂膜流量计(Soap-bubble meter)测流速。许多现代仪 器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。,三、柱分离系统 柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和开管柱(或称毛细管柱)。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、Teflon等填充柱：多为U形或螺旋形，内径24 mm，长13m，内填固定相；开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径0.10.5mm，长达几十至 100m。通常弯成直径1030cm的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质 快，因而分离效率高(n可达106)、分析速度快、样品用量小。过去是 填充柱占主要，但现在，这种情况正在迅速发生变化，除了一些特定 的分析之外，填充柱将会被更高效、更快速的开管柱所取代！柱温：是影响分离的最重要的因素。其变化应小0.xoC。选择柱温主要是考虑 样品待测物沸点和对分离的要求。柱温通常要等于或略高于样品的平均 沸点(分析时间20-30min)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。,四、温控系统 温度控制是否准确、升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。控温系统包括对三个部分的控温，即，气化室、柱箱和检测器。控温方式：恒温和程序升温。温度选择：在介绍仪器组成时给出，此处略。,五、检测器 气相色谱检测器种类繁多，本节将介绍最为常用的几种检测器： 1. 热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD); 2. 氢火焰离子化检测器(Flame ionized detector, FID); 3. 电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD); 4. 火焰光度检测器(Flame photometric detector, FPD); 5. 氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionic detector, TID); 6. 原子发射检测器(Atomic emission Detector, AED) 7. 硫荧光检测器（Sulfur chemiluminescence Detector, SCD）根据检测器的响应原理，可将其分为浓度型和质量型检测器。浓度型：检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与浓度成正比。质量型：检测的是载气中组分进入检测器中速度变化，即响应值与单位时间 进入检测器的量成正比。,目前气相色谱仪有近百厂家、提供数百种型号、价格在USD$15004000的气相色谱仪。 过去几十年内，色谱仪器得到了极大发展，主要归于： 1970s电子积分仪及计算机数据处理装置的发展； 1980s计算机技术对仪器各类参数的自动控制。如柱温、流速、自动进样等。 随着这些技术的发展，仪器性价比大幅提高。GC最重要的发展是开管柱的引入，使含有数百种混合物样品得以分离！,气相色谱仪组成：1）载气系统（气源、气体净化、气体流速控制和测量。2）进样系统（进样器、气化室）3）分离系统（色谱柱、柱箱、温度控制装置）4）检测系统（检测器、检测器的电源及温度控制系统）5）记录与信号处理（记录仪、放大系统或数据处理系统） 当试样中各组份经色谱柱分离后，随载气依次流出色谱柱，经检测器转换为电信号，记录仪将各组分的信号变化记录下来，可得到如下色谱图。,2-2 色谱流出曲线（色谱图） 混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应,色谱术语：1）基线：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线，S/N大的、稳定的基线为水平直线,2）峰高：色谱峰顶点与基线的距离。3）保留值(Retention value, 热力学因素) a. 死时间(Dead time, tM) ：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。据 tM 可求出流动相平均流速 b. 保留时间tR：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过柱子的时间tM和组份在固定相中滞留的时间。,c. 调整保留时间 ：某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组份在固定相中的滞留时间。即 由于时间为色谱定性依据。但同一组份的保留时间与流速有关，因此有时需用保留体积来表示保留值。 d. 死体积VM：色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和。勿略后两项可得到：,其中，Fo为柱出口的载气流速（mL/min)，其值为：F0-检测器出口流速；Tr-室温；Tc-柱温；p0-大气压；pw-室温时水蒸汽压。e 保留体积VR：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。,f. 调整保留体积VR/:某组分的保留体积扣除死体积.g.相对保留值r2,1：组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之 比.,注意：r2,1只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长L、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其是GC中广泛用于定性的依据！ 具体做法：固定一个色谱峰为标准s，然后再求其它峰 i 对标准峰的相对保留值，此时以 表示： 1, 又称选择因子(Selectivity factor)。,h. 区域宽度：用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因 素。通常有三种表示方法：标准偏差：0.607倍峰宽处的一半。半峰宽W1/2：峰高一半处的峰宽。W1/2=2.354 峰底宽W：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离。 W= 4色谱流出曲线的意义： 色谱峰数=样品中单组份的最少个数； 色谱保留值定性依据； 色谱峰高或面积定量依据； 色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效能评价指标； 色谱峰间距固定相或流动相选择是否合适的依据,2-3 色谱法基本原理 气固色谱分离原理：基于各组分在两相之间吸附差异。 气液色谱分离原理：基于各组分在两相之间分配差异。 两组份峰间距：由为各组份在两相间的分配系数决定，即由色谱过程的热力学性质决定。 每个组份峰宽：由组份在色谱柱中的传质和扩散决定，即由色谱过程动力学性质决定。 因此，研究、解释色谱分离行为要考虑热力学和动力学两方面因素 。,一、描述分配过程的参数 分配过程：物质在固定相和流动相（气相）之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程。1、 分配系数(Distribution constant, K)： 定义： 一定温度下，各组份在固定相和流动相间的分配达到平衡时的浓度比，称为分配系数。K 只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。 气相色谱分析的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数。,2. 分配比(Retention factor or capacity factor, k)： 在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比。它反映了组分在柱中的迁移速率。又称保留因子。其中VmV0，Vs为固定相体积。 Vm：色谱柱中流动相体积，既柱内固定相颗沥间的空隙体积。 对于不同类型色谱Vs有不同内容，在气液色谱它为固定液体积，在气固色谱分析中为吸附剂表面容量。,分配比 k 的求算：1）组分滞留因子：两速度之比称滞留因子u：流动相在柱内的线速度；既一定时间里载气在柱内流动的 距离us：组分在柱内的线速度uSu若组分的Rs=1/3，表明该组分的移动速度只有流动相速度的1/3，因此Rs可用质量分数表示。2）又，3）因此，,3. K 与 k 的关系： 称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，=635；对毛细管柱， =60600。 K 与 k 的异同点： 共同点：都与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。 不同点： 1）分配系数是组分在两相中浓度之比，分配比则是组分在两相中分配总量之比。,2）分配系数只决定组分和两相性质.分配比不仅决定于组分和两相性质,且与相比有关,既组分的分配比随固定相的量而改变. 3)对于一给定色谱体系（分配体系），组分的分离最终决定于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的