分析化学(第三版)9-.1

第九章色谱分析法气相色谱分析法2高效液相色谱分析法3色谱分析法的原理及分类1第九章色谱分析法色谱分析法是现代仪器分析法的一个重要组成部分，它不仅作为分析工具能高效、快速、灵敏、精确地测定物质的含量，还可作为分别工具进行物质的纯化制备。第一节色谱分析法的原理及分类一、茨维特的经典试验（见图9-1）第一节色谱分析法的原理及分类二、色谱分析法的分别原理及特点1.实现色谱分别的缘由①内因：由于固定相与被分别的各组分发生的吸附（或支配）作用的差别，宏观表现为吸附（或支配）系数的差别，微观说明就是分子间相互作用力（取向力、诱导力、色散力、氢键、协作作用）的差别。第一节色谱分析法的原理及分类②外因：由于流淌相的不间断的流淌，使被分别的组分与固定相发生反复多次（几百、几千次）的吸附（或溶解）、解吸（或挥发）过程，这样就使那些在同一固定相上吸附（或支配）系数只有微小差别的不同组分，在固定相上的移动速度产生了很大的差别，从而达到了不同组分的完全分别。第一节色谱分析法的原理及分类第一节色谱分析法的原理及分类三、色谱分析法的分类（1）依据固定相和流淌相的状态分类见表9-1第一节色谱分析法的原理及分类（2）依据固定相性质和操作方式分类见表9-2第一节色谱分析法的原理及分类（3）按色谱分别过程的物理化学原理分类见表9-3其次节气相色谱分析法一、方法简介（一）方法特点及应用范围气相色谱法的主要特点是选择性高、分别效率高、灵敏度高、分析速度快。

其次节气相色谱分析法（二）气相色谱流出曲线的特征1.色谱峰的位置其次节气相色谱分析法2.色谱峰的峰高或峰面积其次节气相色谱分析法3.色谱峰的宽窄在色谱图中色谱峰形的宽窄常用区域宽度表示，区域宽度是指色谱峰三个特征高度的峰宽，如下所述。（1）拐点宽度（2）半峰宽度（3）基线宽度其次节气相色谱分析法4.色谱峰间的距离色谱柱的选择性表明它对不同组分的分别实力，可定量地用分别度（辨别率）R表示。其次节气相色谱分析法二、气相色谱仪典型双柱气相色谱仪的流路限制示意图见图9-4其次节气相色谱分析法（一）载气流速限制及测量装置1.载气及其净化通常规定上述气体高压气瓶的颜色见表9-4其次节气相色谱分析法2.载气流速的限制（1）减压阀高压气瓶阀和减压阀如图9-6所示其次节气相色谱分析法（2）稳压阀其次节气相色谱分析法（3）针形阀其次节气相色谱分析法（4）稳流阀其次节气相色谱分析法3.载气流速的测量（1）转子流量计其次节气相色谱分析法（2）皂膜流量计其次节气相色谱分析法（二）进样器和汽化室1.进样器（1）气体样品进样①注射器进样此法的优点是运用灵敏便利，缺点是进样量的重复性差其次节气相色谱分析法②气体定量管进样一种是平面六通阀，如图9-13所示其次节气相色谱分析法另一种是拉杆六通阀，如图9-14所示其次节气相色谱分析法（2）液体样品进样其次节气相色谱分析法（3）固体样品进样2.汽化室汽化室的作用是将液体样品瞬间汽化为蒸气。汽化室事实上是一个加热器其次节气相色谱分析法（三）色谱柱及柱温限制装置各种色谱柱的分类见表9-6其次节气相色谱分析法2.柱温限制为了适应在不同温度下运用色谱柱的要求，通常把色谱柱放在一个恒温箱中（也叫柱炉或色谱炉），以供应可以变更的，匀整的恒定温度。恒温箱的构造见图9-20其次节气相色谱分析法（四）检测器检测器可分为两类，一类是浓度型检测器。另一类是质量型检测器。（五）记录仪或色谱数据工作站1.满标量程2.满标时间3.阻抗匹配4.记录纸速度其次节气相色谱分析法三、气相色谱固定相（一）气固色谱的固定相气固色谱常用的固定相即固体吸附剂为活性炭、氧化铝、硅胶、分子筛及高分子聚合物，见表9-7和表9-8（二）气液色谱的固定相常用载体的性质及处理方法①表面应当是化学惰性的，即没有吸附和催化性能②表面积应较大，孔径分布匀整③热稳定性好，有确定的机械强度其次节气相色谱分析法气液色谱的载体种类很多，总的来说可分为硅藻土型与非硅藻土型两类。目前应用比较普遍的是硅藻土型。见表9-9其次节气相色谱分析法一般载体改性前后的性能比较见表9-10其次节气相色谱分析法2.常用固定液的分类及选择固定液的原则（1）对固定液的要求①固定液应是一种高沸点的有机化合物，其蒸气压低，热稳定性好，在色谱分析操作温度下呈液体状态。②在色谱柱的操作温度下，固定液的黏度要低，以保证固定液能匀整地分布在载体的表面上。其次节气相色谱分析法③在色谱柱的操作温度下，固定液要有足够的化学稳定性，这对高温（200℃以上）色谱柱尤为重要④对欲分别的组分要有高选择性，即对两个沸点相同（或相近）的组分（如正、异异构体，顺、反异构体）有尽可能高的分别实力。其次节气相色谱分析法（2）选择固定液的原则在选择固定液时，应依据不同的分析对象和分析要求进行考虑。①依据“相像相溶原则”，若被分别的组分为非极性物质，应选用非极性固定液组分流精彩谱柱的先后次序一般符合沸点规律，即低沸点的先流出，高沸点的后流出（色散力）起作用。其次节气相色谱分析法②对能形成氢键的物质，如醇、酸、醚、醛、酮、酯、酚、胺、腈和水的分别，一般选择极性或氢键型固定液，流出依次取决于组分与固定液分子间形成氢键实力的大小，不易形成氢键的先流出，易形成氢键的后流出。③被分析的物质与固定液发生某种特殊作用时，会被选择性地分别出。其次节气相色谱分析法其次节气相色谱分析法1.壁涂渍开管柱

2.多孔层开管柱

3.填充毛细管柱

4.微填充柱最常用的键合石英毛细管商品柱见表9-15色谱柱内径对柱性能的影响见表9-16其次节气相色谱分析法四、气相色谱检测器（一）检测器的性能指标1.灵敏度（确定响应值）灵敏度表示了响应值和组分含量之间的关系，通常用S表示，其数学表达式为式中，R为响应值，Q为被测物质的含量，S为灵敏度其次节气相色谱分析法2.敏感度（或检测限）敏感度规定为当检测器产生的电信号是噪声的两倍时，单位时间（或单位体积）内进入检测器的组分的数量，用M表示式中，D为敏感度；In为噪声，mV；S为检测器的灵敏度其次节气相色谱分析法由于S值有三种表示法，因此D也对应有三种计算方法其次节气相色谱分析法3.响应时间（或应答时间）响应时间是指从进样起先，至到达记录仪最终指示的90％处所需的时间。响应时间的长短和检测器的体积有关。其次节气相色谱分析法4.线性范围线性范围指响应值（即检测器产生的电信号）随组分浓度变更的曲线上直线部分所对应的组分浓度变更范围其次节气相色谱分析法（二）热导池检测器（TCD）热导池检测器由于其结构简洁、灵敏度适中、稳定性较好、线性范围宽，而且适用于检测无机气体和有机物，因而是目前应用最广泛的一种检测器。1.检测原理热导池之所以能够作为检测器，是依据不同的物质具有不同的热导率。其次节气相色谱分析法2.热导池的结构热导池是由池体、池槽（气路通道）、热丝三部分组成的。其次节气相色谱分析法双臂直通式金属热导池的结构如图9-24所示其次节气相色谱分析法3.影响热导池灵敏度的因素（1）热丝阻值（2）桥流4.运用留意事项（1）温度（2）热丝其次节气相色谱分析法（三）氢火焰离子化检测器（FID）氢火焰离子化检测器是一种高灵敏度的检测器，适用于有机物的微量分析，其特点除灵敏度高外，还有响应快、定量线性范围宽、结构简洁、操作稳定等优点。1.检测原理其次节气相色谱分析法2.检测器的结构其次节气相色谱分析法3.影响灵敏度的因素（1）喷嘴的内径（2）电极形态和距离（3）极化电压（4）气体纯度和流速其次节气相色谱分析法4.运用留意事项①离子头绝缘要好，金属离子头外壳要接地②氢火焰离子化检测器的运用温度应高于100℃（常用150℃此时氢气在空气中燃烧生成的水以水蒸气逸出检测器。③离子头内的喷嘴和收集极在运用确定时间后应进行清洗，否则燃烧后的灰烬会沾污喷嘴和收集极，从而降低灵敏度。其次节气相色谱分析法（一）电子捕获检测器（ECD）电子捕获检测器是一种选择性检测器，它仅对具有电负性（指化合物分子或原子因对电子有强的亲和力而产生负离子的性质）的物质有响应信号。其次节气相色谱分析法1.检测原理其次节气相色谱分析法2.检测器的结构其结构见图9-29其次节气相色谱分析法3.操作条件（1）载气纯度及流速（2）进样量（3）检测器的烘烤时间（4）检测器的运用温度（5）极化电压及电极间距离其次节气相色谱分析法（五）火焰光度检测器（FPD）1.检测原理2.火焰光度检测器由两部分组成，见图9-30其次节气相色谱分析法（1）火焰燃烧喷嘴（2）硫或磷特征放射光谱的检测系统3.操作条件①各种气体流速对响应信号的影响②检测器的运用温度应大于100℃，以防止检测器积水，增大噪声℃其次节气相色谱分析法③检测器运用的光电倍增管对检测器灵敏度影响很大，要求所用光电倍增管的暗电流小、基流小、噪声小。光电倍增管运用的直流高压电源通常为750V可由晶体管直流高压电源供电³其次节气相色谱分析法五、气相色谱的定性及定量方法（一）定性分析1.常用的保留值其次节气相色谱分析法2.常用的定性方法（1）纯物质比照法（2）利用保留值的阅历规律定性（3）利用其他方法定性①利用化学方法协作进行未知组分定性②结合仪器进行定性其次节气相色谱分析法（三）定量分析1.峰高（峰面积）定量法——检量线法（工作曲线法）其次节气相色谱分析法峰面积的计算方法如图9-34其次节气相色谱分析法2.定量校正因子在气相色谱分析中，进行定量计算的依据是每个组分的含量（质量或物质的量）与其峰面积（或峰高）成正比，即其次节气相色谱分析法定量校正因子可分为确定校正因子与相对校正因子（1）确定校正因子其次节气相色谱分析法（2）相对校正因子其次节气相色谱分析法3.定量校正因子与检测器相对响应值的关系其次节气相色谱分析法4.内标法把确定量的纯物质作为内标物，加入到已知质量的样品中，然后进行色谱分析，测定内标物和样品中几个组分的峰面积。引入相对质量校正因子，就可计算样品中待测组分的含量，其计算式如下：其次节气相色谱分析法5.外标法在相同条件下对样品进行色谱分析，由样品中待测物的峰面积和待测组分对外标物的相对质量（摩尔）校正因子，就可求出待测组分的含量。其计算式如下：其次节气相色谱分析法6.归一化法其次节气相色谱分析法六、气相色谱法基本原理（一）塔板理论（二）速率理论速率理论可用范第姆特（VanDeemter）方程式表示：其次节气相色谱分析法（三）色谱操作条件的选择（1）柱子对各组分的选择性要好分别度（见图9-27）定义为相邻两色谱峰保留时间的差值与两色谱峰基线宽度之和一半的比值，可用下述数学式表示。其次节气相色谱分析法其次节气相色谱分析法（2）柱子的效率要高即每个组分的色谱峰要窄。柱效率的凹凸与载气流量、载体性能、进样量等因素有关。前面在气固、气液色谱的原理中，有关吸附剂、载体、固定液的性质及其对选择性、柱效率的影响均已涉及，下面主要探讨如何选择柱温、载气流量、进样量等色谱操作条件。其次节气相色谱分析法1.柱温的选择柱温对选择性和柱效率的影响见图9-18其次节气相色谱分析法2.载气流量的选择对一般色谱柱，载气流量为20~100mL/min。有时为了缩短分析时间，可加大流量，但此时分别效果较差，色谱峰会有拖尾或重叠现象。3.进样量和进样速度的选择样品最好以气态瞬间注入。进样量不要过大!应在色谱柱的负荷限度内。其次节气相色谱分析法4.色谱柱形及柱长的选择色谱柱形以U形为好，当柱长度增加时，分析时间会延长并要增大载气的柱前压力，应在保证选择性和柱效率的前提下，使柱长减至最短。（四）毛细管柱的速率理论及色谱操作条件的选择1.毛细管柱的速率方程式其次节气相色谱分析法其次节气相色谱分析法2.毛细管柱的操作条件（1）柱效评价及柱内径的选择当毛细管柱在最佳载气流速下操作，对应于最高柱效时的最低理论塔板高度为（2）载气线速的选择对毛细管柱，与最低板高对应的最佳线速为6~12cm/s其次节气相色谱分析法（3）固定液液膜厚度的选择对毛细管柱气液色谱，固定液液膜厚度是一个重要的参数，通常对一般毛细管柱液膜不稳定，会形成液滴而降低柱。（4）进样量的选择毛细管柱的样品容量取决于涂渍的固定液液膜厚度，通常只允许相当于填充柱进样量的1/10~1/100进入毛细管柱，当进样量超载时，会使柱效下降，引起色谱峰形扩展。其次节气相色谱分析法（5）柱温的选择由于毛细管柱具有高柱效，因此分别组成困难的混合物，应尽可能在低柱温下进行，以获得高分别度；但柱温也不宜太低，否则分析时间过长，柱效下降。因此柱温选择应兼顾分别度和分析时间两个方面的须要。3.毛细管柱与填充柱的比较（1）毛细管柱比填充柱的柱效高（2）毛细管柱比填充柱的柱容量小（3）毛细管柱比填充柱的渗透率高其次节气相色谱分析法七、程序升温操作技术其次节气相色谱分析法其次节气相色谱分析法七、程序升温操作技术图9-41表示程序升温常用的两种方式，即单阶或多阶线性程序升温操作。其次节气相色谱分析法表9-21为恒和顺程序升温气相色谱分析方法的比较。其次节气相色谱分析法程序升温必需限制的操作条件为起始温度、终止温度、升温速率和载气流速，后两者是影响色谱分别的主要因素。（1）初始温度（2）终止温度（3）升温速率（4）载气流速其次节气相色谱分析法八、气相色谱分析法测定实例（一）永久性气体的分析1.方法原理2.仪器和试剂3.色谱分析条件（1）色谱柱（2）供气系统（3）检测器（4）汽化室（5）进样量其次节气相色谱分析法4.定性分析其次节气相色谱分析法5.定量分析由色谱图中各组分的峰面积及从手册上查到的各个组分的相对质量校正因子，就可用归一化法计算出各个组分的含量。其次节气相色谱分析法（三）有机溶剂中微量水的分析1.方法原理2.仪器和试剂3.色谱分析条件（1）色谱柱（2）载气（3）检测器（4）汽化室（5）进样量其次节气相色谱分析法4.定性分析甲醇中微量水测定的色谱图见图9-44其次节气相色谱分析法5.定量分析其次节气相色谱分析法（四）碳六至碳八芳烃