第二章 气相色谱法

第二章气相色谱分析 色谱法 名称的由来 石油醚 流动相 碳酸钙 固定相 色谱带 叶绿素A 叶黄素 胡萝卜素 2 1概述 1906年 俄国植物学家茨维特 M Tswett 创立 色谱法是一种分离技术 在色谱法中 将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相 固体或液体 称为固定相 自上而下运动的一相 一般是气体或液体 称为流动相 装有固定相的管子 玻璃管或不锈钢管 称为色谱柱 是利用混合物不同组分在固定相和流动相中分配系数 或吸附系数 渗透性等 的差异 使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配 实现分离的分析方法 色谱法 1 根据固定相的外形分 柱色谱平板色谱 平板色谱 色谱法的分类 2 根据分离机理可分为 吸附色谱分配色谱离子交换色谱排阻色谱 相间的相互作用 3 按流动相不同分类 2 2色谱流出曲线及有关术语 色谱图 chromatogram 试样中各组分经色谱柱分离后 按先后次序经过检测器时 检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号 由记录仪所记录下的信号 时间曲线或信号 流动相体积曲线 称为色谱流出曲线 基线 在操作条件下 仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线 一 保留值 定性参数 1死时间tM 或t0 不被保留的样品通过色谱柱的时间 流动相平均线速度 柱长 2保留时间tR 或tr 某组分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 它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间 3调整保留时间tR 或tr tR tR tM 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 由于组份在色谱柱中的保留时间tR包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间 所以tR 实际上是组份在固定相中停留的总时间 保留时间可用时间单位 如s 或距离单位 如cm 表示 保留时间是色谱法定性的基本依据 但同一组份的保留时间常受到流动相流速的影响 因此色谱工作者有时用保留体积等参数进行定性检定 4死体积VM 或V0 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 其值就相当于色谱柱内流动相的体积 死体积可由死时间与流动相体积流速qV 0 mL min 1 计算 5保留体积VR 或Vr 从进样开始到色谱峰最大值出现时所通过的流动相的体积 单位mL 6调整保留体积VR 或Vr 保留体积减去死体积 即组分停留在固定相时所消耗的流动相体积或 7 相对保留值r2 1某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比 称为相对保留值 由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关 而与柱径 柱长 填充情况及流动相流速无关 因此 它在色谱法中 特别是在气相色谱法中 广泛用作定性的依据 在定性分析中 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 此时可用符号 表示 即 tR i tR s 式中tR i 为后出峰的调整保留时间 所以 总是大于1的 相对保留值往往可作为衡量固定相选择性的指标 又称选择性因子 二 区域宽度 柱效色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一 用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素 表示色谱峰区域宽度通常有三种方法 1 标准偏差 即0 607倍峰高处色谱峰宽度的一半 2 半峰宽 Y1 2 色谱峰高一半处的宽度Y1 2 2 354 3 峰底宽 Y 通过流出曲线的拐点所作的切线在基线上的截距Y 4 三 峰高与峰面积 定量峰高h 从色谱峰顶点到基线的距离峰面积A 峰与基线延长线所包围的面积A 1 065hY1 2 1 根据色谱峰的个数 可判断样品所含的最少组份数 2 根据色谱峰的保留值 可以进行定性分析 3 根据色谱峰的面积或峰高 可以进行定量分析4 色谱峰的保留值及其区域宽度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 或流动相 选择是否合适的依据 四 色谱流出曲线上的信息 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 即与色谱过程的动力学性质有关 因此 要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为 2 3色谱分析的基本原理 一 分配系数K和分配比k1 分配系数K分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次的分配过程 而吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附 脱附过程 这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述 而描述这种分配的参数称为分配系数K 组分在固定相中的浓度 组分在流动相中的浓度 分配系数定义 在一定温度和压力下 组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值 用K表示 分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的 它是每一个溶质的特征值 它仅与两个变量有关 固定相和温度 与两相体积 柱管的特性以及所使用的仪器无关 组分一定时 K主要取决于固定相性质组分及固定相一定时 温度增加 K减小试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础选择适宜的固定相可改善分离效果 影响K的因素 固定相温度 2 分配比 容量因子 k 组分在固定相中的质量 组分在流动相中的质量 在一定温度和压力下 组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比 称为容量因子 也称分配比 用k表示 k值越大 说明组分在固定相中的量越多 相当于柱的容量大 因此又称分配容量或容量因子 它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数 K与k都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数 K与k都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数 数值越大 该组分的保留时间越长 k可直接从色谱图上求得 其中 称为相比率 它是反映各种色谱柱型特点的又一个参数 例如 对填充柱 其 值一般为6 35 对毛细管柱 其 值为60 600 3 分配系数K与分配比k的关系 结论a 分配系数是组分在两相中的浓度之比 分配比则是组分在两相中分配总量之比 它们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 b 分配系数只决定于组分和两相性质 与两相体积无关 分配比不仅决定于组分和两相性质 且与相比有关 亦即组分的分配比随固定相的量而改变 c 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两相中的相对量 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重要参数 k值越大 保留时间越长 k值为零的组分 其保留时间即为死时间 d 若流动相 载气 在柱内的线速度为u 由于固定相对组分有保留作用 所以组分在柱内的线速度us将小于u 则两速度之比称为滞留因子RS RS us u 4 保留值与K k的关系 推导1 当某一组分的色谱峰最高点出现时 说明该组分恰好有一半的量随着VR体积的流动相流出柱子 其余一半则留在柱内 即留在柱内的流动相 体积为VM 与固定相 体积为Vs 中 根据物料等衡原理得 VRcM VMcM VScSVR VM VScS cM VM KVS 即 VR KVs色谱过程的基本方程VR VM 1 k 和tR tM 1 k 色谱基本保留方程 由得 k KVS VM 将 代入得 k VR VM VM VR VM tR tM tR tM tM k VR VM tR tM 推导2 滞留因子Rs若用质量分数来表示整理可得 tR tM 1 k 色谱基本保留方程变形可得 5 分离因子与分配系数K及分配比k的关系 上式表明 通过选择因子 把实验测量值k与热力学性质的分配系数K直接联系起来 对固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 下图是A B两组分沿色谱柱移动时 不同位置处的浓度轮廓 图中KA KB 因此 A组分在移动过程中滞后 随着两组分在色谱柱中移动距离的增加 两峰间的距离逐渐变大 同时 每一组分的浓度轮廓 即区域宽度 也慢慢变宽 显然 区域扩宽对分离是不利的 但又是不可避免的 若要使A B组分完全分离 必须满足以下三点 第一 两组分的分配系数必须有差异 第二 区域扩宽的速率应小于区域分离的速度 第三 在保证快速分离的前提下 提供足够长的色谱柱 第一 二点是完全分离的必要条件 而作为一个色谱理论 它不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率 而且应说明组分在移动过程中引起区域扩宽的各种因素 因此引入了塔板理论和速率理论 二者均以色谱过程中分配系数恒定为前提 故称为线性色谱理论 色谱法研究的核心 选择最适合的色谱体系和条件 在最短的时间达到最佳的分离效果 2 4色谱理论一 塔板理论 柱分离效能指标最早由Martin等人提出塔板理论 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 即色谱柱是由一系列连续的 相等的水平塔板组成 每一块塔板的高度用H表示 称为塔板高度 简称板高 简单地认为 在每一块塔板上 溶质在两相间很快达到分配平衡 然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动 对于一根长为L的色谱柱 溶质平衡的次数应为 n称为理论塔板数 与精馏塔一样 色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加 随板高H的增大而减小 该理论假定 i 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 ii 以气相色谱为例 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 iii 所有组分开始时存在于第0号塔板上 而且试样沿轴 纵 向扩散可忽略 iv 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 为简单起见 设色谱柱由5块塔板 n 5 n为柱子的塔板数 组成 并以r表示塔板编号 r 1 2 n 1 某组分的分配比k 1 k 1 塔板理论指出 第一 当溶质在柱中的平衡次数 即理论塔板数n大于50时 可得到基本对称的峰形曲线 在色谱柱中 n值一般很大 如气相色谱柱的n约为103 106 因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线 第二 当样品进入色谱柱后 只要各组分在两相间的分配系数有微小差异 经过反复多次的分配平衡后 仍可获得良好的分离 按上述分配过程 对于n 5 k 1 m 1的体系 随着脉动进入柱中板体积载气的增加 组分分布在柱内任一板上的总量 气液两相中的总质量 由塔板理论可建流出曲线方程 m为组分质量 VR为保留体积 n为理论塔板数 当流动相体积V VR时 C值最大 即 式中 c为流出曲线上某一点组分浓度 m为进样量 VR为保留体积 由色谱流出曲线可知 c最大时 t tR 因此 上式说明 色谱峰高度与进样量成正比 当塔板数n较少时 组分在柱内达分配平衡的次数较少 流出曲线呈峰形 但不对称 当塔板数n 50时 峰形接近正态分布 色谱峰为正态分布时 色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为 理论塔板数与色谱参数之间的关系为 tR 保留时间Y 色谱峰底宽Y1 2 色谱峰半峰宽 n 理论塔板数 理论塔板数 理论塔板高度 色谱柱长度 柱效能指标 当色谱柱长度一定时 塔板数n越大 塔板高度H越小 被测组分在柱内被分配的次数越多 柱效能越高 所得色谱峰越窄 从上两式可以看出 色谱峰Y越小 n就越大 而H就越小 柱效能越高 因此 n和H是描述柱效能的指标 通常填充色谱柱的n 103 H 1mm 而毛细管柱n 105 106 H 0 5mm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值较大 H很小 但与实际柱效能相差甚远 所以 提出把tM扣除 采用有效理论塔板数neff和有效塔板高Heff评价柱效能 不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同 用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时 应指明测定物质 有效塔板数 有效板高 塔板理论的特点和不足 1 当色谱柱长度一定时 塔板数n越大 塔板高度H越小 被测组分在柱内被分配的次数越多 柱效能则越高 所得色谱峰越窄 2 不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同 用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时 应指明测定物质 3 柱效 n或H 不能表示被分离组分的实际分离效果 当两组分的分配系数K相同时 无论该色谱柱的塔板数多大 都无法分离 4 塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果 也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径 塔板理论用热力学观点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 但色谱过程不仅受热力学的影响 而且还与分子的扩散 传质等动力学因素有关 因此 塔板理论只能定性地给出了板高的概念 却不能解释影响塔板高度的原因 也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 更无法提出降低塔板高度的途径 这就限制了它的应用 1956年荷兰学者VanDeemter等在研究气液色谱时 提出了色谱过程动力学理论 速率理论 他们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 该理论模型对气相 液相色谱都适用 二 速率理论 影响柱效的因素 范第姆特方程 VanDeemter方程的数学简化式为 式中 u为流动相的线速度 A涡流扩散项系数 B分子扩散项系数 C传质阻力项系数 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 形象地如图所示 1 涡流扩散项A 动画 dp 固定相的平均颗粒直径 固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小dp 填充的越均匀 A H 柱效n 表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻 色谱峰较窄 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 对于空心毛细管柱 不存在涡流扩散 因此A 0 纵向分子扩散是由浓度梯度造成的 组分从柱入口加入 其浓度分布的构型呈 塞子 状 如图所示 它随着流动相向前推进 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 2 分子扩散项B u 纵向扩散项 弯曲因子 填充柱色谱 1 Dg 试样组分分子在气相中的扩散系数 cm2 s 1 由于柱中存在着浓度差 产生纵向扩散 a 扩散导致色谱峰变宽 H n 分离变差 b 分子扩散项与流速有关 流速 滞留时间 扩散 c 扩散系数 Dg M载气 1 2 M载气 B值 3 传质阻力项Cu 由于气相色谱以气体为流动相 液相色谱以液体为流动相 它们的传质过程不完全相同 现分别讨论之 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 组分 固定液 担体 df dp dp为填充颗粒直径 df为固定相液膜厚度 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 有的则进人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 固定相颗粒越小 载气分子量越小 气相传质阻力越小 式中k为容量因子 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 液相传质阻力 是由于组分分子从气液二相界面扩散至固定液内 达到平衡后再返回二相界面的传质过程所形成的 固定液粘度及液膜厚度越小 液相传质阻力越小 df为固定相液膜厚度 Dl为组分在液相中扩散系数 由上式看出 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Cl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 但比表面太大 由于吸附造成拖尾峰 也不利于分离 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 将以上各式总结 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 4 流动相线速度对板高的影响 载气流速高时 传质阻力项是影响柱效的主要因素 流速 柱效 载气流速低时 分子扩散项成为影响柱效的主要因素 流速 柱效 以H对u作图 可得H u曲线 如图 载气流速与柱效 最佳流速 H u曲线与最佳流速 由于流速对B u和cu这两项完全相反的作用 流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值 即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值 以塔板高度H对应载气流速u作图 曲线最低点的流速即为最佳流速 液液色谱速率理论 采用如下方法提高柱效 1 减小填料颗粒粒度dp 2 用粘度低的溶剂作流动相 3 采用低流速流动相 4 减小填料孔穴深度 5 适当提高柱温 例1 已知一色谱柱在某温度下的速率方程的A 0 08cm B 0 65cm2 s C 0 003s 求最佳线速度u和最小塔板高H 解 H A B u Cu欲求u最佳和H最小 要对速率方程微分 即dH du d A B u Cu du B u2 C 0最佳线速 u最佳 B C 1 2 0 65 0 003 1 2 14 7cm s最小板高 H最小 A 2 BC 1 2 0 08 2 0 65 0 003 1 2 0 17cm 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度 即柱效为多大时 相邻两组份能够被完全分离 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响 保留值之差 色谱过程的热力学因素 区域宽度 色谱过程的动力学因素 色谱分离中的四种情况如图所示 2 5分离度 柱效较高 K 分配系数 较大 完全分离 K不是很大 柱效较高 峰较窄 基本上完全分离 柱效较低 K较大 但分离的不好 K小 柱效低 分离效果更差 由此可见 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 故需引人一个综合性指标 分离度R 分离度是既能反映柱效率又能反映选择性的指标 称总分离效能指标 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 分离度定义 tR2 tR1 组分2和组分1的保留时间 Y2 Y1 组分2和组分1的峰底宽度 利用此式 可直接从色谱流出曲线上求出分离度R R 1 5完全分离 Y 4 Y1 2 2 354 R值越大 表明相邻两组分分离越好 一般说 R 0 8 两峰的分离程度可达89 R 1 分离程度98 R 1 5 达99 7 相邻两峰完全分离的标准 分离度的表达式 2 6基本色谱分离方程式R的定义并未反映影响分离度的各种因素 也就是说 R未与影响其大小的因素 柱效n 选择因子 和保留因子k联系起来 对于难分离相邻两组分1和2 由于它们的分配系数K相差小 可合理假设 k1 k2 k Y1 Y2 Y因此可导出R与n neff 和k的关系 若以组分2反映柱效 则有 分离度与k n及的关系 k从1增加到3 R增加到原来的1 5倍 k 2 7 n增加到原来的3倍 R增加到原来的1 7倍 从1 01增加到1 1 增加约9 R增加到原来的9倍 结论 选择合适的固定相 流动相 以增加是改善分离度最有效的方法 1 各组分的分配系数必须不同 这一条件通过选择合适的固定相来实现 2 区域扩宽的速度应小于区域分离的速度 即色谱柱的柱效要高 3 在保证快速分离的前提条件下 色谱柱应足够长 使试样中的不同组分分离需要满足的条件 例1 有一根lm长的柱子 分离组分1和2得到如下色谱图 图中横坐标l为记录笔走纸距离 若欲得到R 1 2的分离度 有效塔板数应为多少 色谱柱要加到多长 解法1 R 1 2 1 2 解法2 1 同解法1 2 2 7气相色谱仪 一 气相色谱仪及工作流程 载气系统 进样系统 分离系统 检测系统 温控系统 记录系统 一 载气系统 常用载气 氮气 氦气 氢气及氩气 气源净化干燥管载气流速控制装置 载气系统 二 进样系统 温度比柱温高出30 70 取样位置试样导入色谱柱 六通阀进样器 六通阀进样原理 流动相入口 流动相和试样进色谱柱 流动相进色谱柱 载样 load 进样 injector 由柱箱和色谱柱组成 柱箱 一般为配备隔热层的不锈钢壳体 内装一恒温风扇和测温热敏元件 由电阻丝加热 电子线路控温 色谱柱 通常是由玻璃 石英或不锈钢制成的圆管 管内装有固定相 分为装满填料的填充柱和空心的开管柱 三 分离系统 色谱柱 填充柱与开管柱的比较 不同色谱柱的截面示意图A 填充柱 B 壁涂开管柱 WCOT C 多孔层开管柱 PLOT 1气液色谱固定相 红色硅藻土 结构紧密 强度较好 但表面存在吸附中心 不宜涂极性固定液 白色硅藻土 结构疏松 强度较差 表面吸附性小 可与极性固定液配合使用 1 担体 载体 多孔性固体颗粒 起支持固定液的作用 对载体的要求 具有多孔性 即比表面积大 化学惰性 表面没有活性 有较好的浸润性 热稳定性好 有一定的机械强度 使固定相在制备和填充过程中不易粉碎 担体的表面处理 a 酸洗 浓盐酸浸泡 除去碱性作用基团b 碱洗 氢氧化钾甲醇溶液浸泡 除去酸性作用基团c 硅烷化 除去担体表面的氢键作用力 二甲基二氯硅烷 载体的粒度越小 填装越均匀 柱效越高 但柱压会增大 一般粒度直径为柱内径的1 20 1 25为宜 2 固定液 高沸点的有机化合物 对固定液的要求 热稳定性好 在操作温度下不发生聚合 分解等反应 具有较低的蒸气压 以免流失 化学稳定性好 不与样品或载气发生不可逆的化学反应 粘度和凝固点低 以便在载体表面能均匀分布 对样品中的各组分有适当的溶解度 填充柱 毛细管柱 组分与固定液分子间的相互作用 静电力 极性分子之间的作用力诱导力 极性与非极性分子之间的作用力色散力 非极性分子之间的作用力氢键力 氢原子与电负性很大的原子 如F O N等 之间的作用力 固定液的相对极性P 被测固定液 氧二丙腈 角鲨烷 固定液的特性 假定 强极性液 氧二丙腈相对极性为100 用1表示 非极性液角鲨烷相对极性为0 用2表示 待测固定液的极性为P 用x表示 分别制成三根色谱柱 分别分离试验物质 试验物质 正丁烷 丁二烯or环己烷 苯 则 按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级P在0 1间 为非极性固定液 P在 1 2间 为弱极性固定液 P在 3左右 为中极性固定液 P在 4 5间 为强极性固定液 麦氏常数 麦克雷诺 以非极性固定液角鲨烷为基准 选用10种物质作为探测物来表征不同固定液的分离特性 常用5种 其计算方法为 X IP苯 IS苯Y IP丁醇 IS丁醇Z IP2 戊酮 IS2 戊酮U IP硝基丙烷 IS硝基丙烷S IP吡啶 IS吡啶式中采用重现性好的保留指数I代替调整保留值 下标p为待测固定液 s为角鲨烷固定液 IP苯为以苯作为探测物时在待测固定液上的保留指数 IS苯为以苯作为探测物时在角鲨烷固定液上的保留指数 其余类同 应用 两者的差值可表征以标准非极性固定液角鲨烷为基准时欲测固定液的相对极性 将5种探测物 I值之和 I称为总极性 其平均值称为平均极性 固定液的总极性越大 则极性越强 不同固定液的麦氏常数相近 表明它们的极性基本相同 麦氏常数值越小 则固定液的极性越接近于非极性固定液的极性 麦氏常数中某特定值如X 或Y 值越大 则表明该固定液对相应的探测物所表征的性质越强 因而利用麦氏常数将有助于固定液的评价 分类和选择 固定液分类 按化学结构分类 常见固定液的结构和性质 按相对极性分类 固定液的选择原则 相似相溶 a 非极性物质 非极性固定液 沸点越低的组分越早出峰 b 极性物质 极性固定液 极性越小的组分越早出峰 c 极性与非极性混合物 极性固定液 极性越小的组分越早出峰 d 易形成氢键物质 极性或氢键型固定液 不易形成氢键的组分先出峰 易形成氢键的组分后出峰 e 复杂难分离样品 多种固定液混合 2气固色谱固定相 分离测定有机物中的痕量水 高分子多孔微球 气固色谱固定相 无机吸附剂 开管柱分类 壁涂开管柱 WCOT 广泛应用载体涂渍开管柱 SCOT 应用不太普遍多孔层开管柱 PLOT 主要用于永久气体和低分子量有机化合物的气固色谱分离 WCOT柱的尺寸分类 WCOT柱常用的固定液有OV 1 SE 30 OV 101 SE 54 OV 17 OV 1701 FFAP及PEG 20M等 1 检测器分类据响应原理的不同浓度型检测器 测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化 即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比 如热导池检测器 TCD 和电子捕获检测器 ECD 质量型检测器 测量的是载气中某组分质量比率的变化 即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比 如氢火焰离子化检测器 FID 和火焰光度检测器 FPD 四 检测系统 通用检测器有 1 热导池检测器 TCD Thermalconductivitydetector 测一般化合物和永久性气体2 氢火焰离子化检测器 FID Hydrogenflameionizationdetector 测一般有机化合物选择性检测器有 3 电子俘获检测器 ECD Electroncapturedetector 测带强电负性原子的有机化合物4 火焰光度检测器 FPD Flamephotometricdetector 测含硫 含磷的有机化合物特殊检测器有 FTIR MS 测化合物结构 2 检测器的性能指标 1 噪声和漂移评价检测器稳定性的指标 同时还影响检测器的灵敏度 噪声反映检测器背景信号的基线波动 用N表示 来源 主要有检测器构件的工作稳定性 电子线路的噪声以及流过检测器的气体纯度等分类短期噪声基线的瞬间高频率波动 是一般检测器所固有的背景信号长期噪声与色谱峰信号相似的基线波动 往往是由于载气纯度降低 色谱柱固定相流失或检测器被污染所造成的 很难通过滤波器除去 故对实际分析影响较大 基线随时间的单向缓慢变化 通常表示为单位时间 0 5或1 0小时 内基线信号值的变化 即 Dr R t单位 mV h或pA h多是仪器系统某些部件未进入正常工作状态 如温度 载气流速 以及色谱柱固定相的流失 漂移 原因 2 灵敏度 信号对进入检测器的组分量的变化率 灵敏度的测量应在检测器的线性范围内进行 对于浓度型检测器 R取mV C取mg ml 1 灵敏度S的单位是mV ml mg 1 对于质量型检测器 c取g s 1 则灵敏度S的单位为mV s g 1 浓度型检测器 质量型检测器 单位 mV ml mg 记录仪灵敏度mV cm 样品质量mg 走纸速度cm min 检测器入口载气流速度cm3 min 同qV 0 Ai一色谱峰面积 cm2 现用处理机 V S 3 检出限 浓度型检测器 质量型检测器 噪声信号的平均值 检出限是衡量检测器性能好坏的综合指标 定义 指检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时 在单位体积或时间需向检测器进入的物质的量 单位 mg mL 单位 g s 4 最小检测量 Q0与检测器的检出限成正比 但与检出限不同 它不仅与检测器性能有关 还与柱效率及操作条件有关 浓度型检测器 单位 mg 质量型检测器 单位 g 指检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时所需进入色谱柱的最小物质量 或浓度 5 线性范围 检测器信号大小与被测物质的量成线性关系的范围 绘制工作曲线时 样品的浓度范围应当控制在检测器的线性范围内 6 时间常数 响应时间 定义 某一组分从进入检测器到响应值达到其实际值的63 所经过的时间 用 表示 产生原因 主要是检测器的死体积和电子放大线路的滞后现象引起色谱系统对输出信号的滞后时间 要求 越小越好 理想检测器 1 足够高的灵敏度 一般要求10 8 10 15g s2 稳定性 再现性好3 线性范围较宽 几个数量级4 使用温度 室温 400 5 响应迅速并与流速无关6 可靠 易操作 并可防止误操作损坏7 对所有样品成分响应相似或对一类物质响应相近8 不破坏样品 1 热导池检测器 TCD 浓度型 利用载气与组分热导系数的差异进行测量 3 检测器类型 载气对热导检测器灵敏度的影响 某些气体与蒸气的热导系数 10 4J cm s 1 影响热导检测器灵敏度的因素 桥电流在允许的工作电流范围内 工作电流越大 灵敏度越高 一般控制在100 200mA左右 2 池体温度钨丝与池体温差越大 灵敏度越高 但避免冷凝样品 一般不低于柱温 3 载气热导系数大的载气 灵敏度高 常用载气热导系数大小顺序 H2 He N2 4 热敏元件阻值阻值高 电阻温度系数大的热敏元件 灵敏度高 还取决于池体的体积和载气的纯度 综上 较大的桥电流 较低的池体温度 低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度 适用范围测量对象 通用色谱柱 填充柱 1 在发射极和收集极之间加有一定的直流电压 100 300V 构成一个外加电场 2 氢焰检测器需要用到三种气体 N2 载气携带试样组分 H2 为燃气 空气 助燃气 使用时需要调整三者的比例关系 检测器灵敏度达到最佳 2 氢火焰离子化检测器 FID 质量型 结构 利用有机化合物在氢火焰中燃烧时能产生带电离子碎片 收集其荷电量进行测定 A区 预热区B层 点燃火焰C层 热裂解区 温度最高D层 反应区 c 生成的正离子CHO 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应 b 产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应 a 当含有机物CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时 在C层发生裂解反应产生自由基 氢焰检测器的原理 d 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流 约10 6 10 14A e 在一定范围内 微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比 所以氢焰检测器是质量型检测器 f 组分在氢焰中的电离效率很低 大约五十万分之一的碳原子被电离 g 离子电流信号输出到记录仪 得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线 FID特点1 灵敏度高2 线性范围宽 107数量级 3 噪声低4 耐用且易于使用5 为质量型检测器 色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量 在样品量一定时 峰高与载气流速成正比 因此在用峰高定量时 应控制流速恒定 6 对无机物 永久性气体和水基本上无响应 不足 因此FID特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水 N和S的氧化物污染的有机物分析 7 对含羰基 羟基 卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应 8 样品受到破坏 影响氢焰检测器灵敏度的因素 各种气体流速和配比的选择 N2流速的选择主要考虑分离效能 N2 H2 1 1 1 1 5氢气 空气 1 10 极化电压正常极化电压选择在100 300V范围内 3 电子捕获检测器 ECD 浓度型 结构 在检测器池体内有一圆筒状 放射源 63Ni或3H 作为负极 一个不锈钢棒作为正极 在此两极间施加一直流或脉冲电压 电子捕获机理 原理及工作过程 从色谱柱流出的载气 N2或Ar 被ECD内腔中的 放射源电离 形成次级离子和电子 此时 电子减速 在电场作用下 离子和电子发生迁移而形成电流 基流10 9 10 8A 当较大电负性有机物被载气带入ECD内时 将捕获已形成的低速自由电子 生成负离子并与载气正离子复合成中性分子 此时 基流下降形成 倒峰 饮用水中三卤甲烷色谱图 水 氯 氯仿 二氯溴甲烷 二溴氯甲烷 溴仿 ECD主要对含有较大电负性原子的化合物响应 特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析 卤素 磷 硫 氧等元素的化合物有很高的灵敏度 检测下限10 14g mL 高选择性检测器 4 火焰光度检测器 FPD 质量型 结构 喷嘴 滤光片 光电管原理 待测物在低温H2 Air焰中燃烧产生S P化合物的分解产物并发射特征分子光谱 测量光谱的强度则可进行定量分析 响应机理 适用范围 FPD对含S P化合物具有高选择性和高灵敏度 因此也称硫磷检测器 主要用于SO2 H2S 石油精馏物的含硫量 有机硫 有机磷的农药残留物分析等 含P化合物 含S化合物 常用GC检测器的性能 5 质谱检测器 动画 6 原子发射光谱检测器 2 8色谱分离操作条件的选择根据及 1 色谱柱 固定相 固定液液膜厚度 柱长等 由分离度R的定义可得 R1 R2 2 n1 n2 L1 L2即柱越长 理论塔板数越高 分离越好 但柱过长 分析时间增加且峰宽也会增加 导致总分离效能下降 因此柱长L要根据R的要求 R 1 5 选择刚好使组分得到有效分离为宜 2 载气及其线速的选择 检测器 载气 柱效 u较小时 选择分子量较大的载气 N2 Ar u较大时 选择分子量较小的载气 H2 He u的选择 分析时间 u大 t小 3 柱温的选择 改变柱温产生的影响 柱效 增加柱温可加快气相 液相的传质速率 有利于降低塔板高度 改善柱效 但同时又会加剧纵向扩散 从而导致柱效下降 分离度 柱温升高 K减小 分离度下降 分析时间 降低柱温 分析时间增加 柱温应控制在固定液的最高使用温度和最低使用温度范围之内 使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下 采取适当低的柱温 但以保留时间适宜 峰形不拖尾为度 柱温一般选择在组分平均沸点左右 组分复杂 沸程宽的试样 采用程序升温 选择原则 5 气化室温度 检测室温度高于柱温30 70度 程序升温50 250 8 min 恒温150 正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较 程序升温不仅可以改善分离 而且可以缩短分析时间 4 进样量的选择 进样量 柱效 进样量过大 使色谱柱超载 柱效急剧下降 峰形变宽 检测器 进样量过大 峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内 2 9气相色谱分析方法及应用 定性分析分析试样的前处理GC分析对象是在气化室温度下能生成气态的物质 为保护色谱柱 降低噪声 防止生成新物质 杂峰 需要在进样前对样品进行处理 1 水 乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质 柱效下降 需除去2 非挥发份 会产生噪声 同时慢慢分解 产生杂峰3 稳定性差得组分 生成新物质 杂峰 一 定性分析 定性分析方法 1用已知纯物质对照定性 保留值定性峰高增加法定性 峰高加高法 进样量 低 2用经验规律和文献值定性 1 经验规律 碳数规律 在一定温度下 同系物的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系 如果知道两种或更多同系物的调整保留时间 则可求出常数A和C 从色谱图查出未知物的后 根据上式即可求出未知物的碳数 2 相对保留值 对于同族具有相同碳数碳链的异构体化合物 其调整保留时间的对数和它们的沸点呈线性关系 A C为常数 Tb为组分沸点由此可见 根据同族同数碳链异构体中几个已知组分的调整保留时间的对数值 可求得同族中具有相同碳数的其它异构体的调整保留时间 3 保留指数 Z Z 1 正构烷烃的碳原子数 进样 TC I 例 乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲线如下图所示 由图中测得调整保留距离为 乙酸正丁酯310 0mm 正庚烷174 0mm 正辛烷373 4mm 求乙酸正丁酯的保留指数 在与文献值对照时 一定要重视文献值的实验条件 如固定液 柱温等 而且要用几个已知组分进行验证 3 与其他分析仪器联用的定性方法 小型化的台式色质联用仪 GC MS LC MS 色谱 红外光谱仪联用仪 组分的结构鉴定 GC MS 气相色谱 质谱 例 川桂皮挥发油的化学成分分析 色谱柱 SE 54 30m 0 25mm 0 25 m 色谱操作条件 载气 氦气 流速1mL min 柱温 初温60 保持1min 8 min升温至150 6 min升温至190 8 min升温至250 保持1min 总离子流色谱图 6号峰的质谱图 GC AES 气相色谱 原子发射光谱 二甲基硒 烯丙基甲基硒 甲基亚磺基硒酸甲酯 二甲基二硒 2 丙稀硫硒酸甲酯 1 丙稀硫硒酸甲酯 双 甲硫 硒 烯丙基甲基硫 二甲基二硫 二烯丙基硫 烯丙基甲基二硫 二甲基三硫 二烯丙基二硫 烯丙基甲基三硫 二烯丙基三硫 GC AES同时检测大蒜中碳 硫 硒化合物 Se 196 1nm C 193 1nm S 180 7nm 4 几种方法联合定性 质谱和保留指数两种鉴定方法的结果 例 缬草挥发油化学成分的研究 多种方法联合定性可大大提高鉴定的可靠性 气相色谱定量分析的依据 检测器对溶质产生的响应信号与溶质的量成正比 通过色谱图上的面积或峰高 计算样品中溶质的含量 二 定量分析 RSD 1 3 一 定量基础 或 fi 待测物质定量校正因子 mi 待测物质质量 Ai 待测物质色谱峰的积分面积 可见 进行色谱定量分析时需要 1 准确测量检测器的响应信号 峰面积或峰高 2 准确求得比例常数 校正因子 3 正确选择合适的定量计算方法 将测得的峰面积或峰高换算为