仪器分析笔记--《气相色谱分析》

第一章气相色谱分析§1.1气相色谱法概述（掌握）1.1.1色谱法概述1、色谱法的定义及基本概念定义：根据混合物中各组分在互不相溶的两相（固定相与流动相）中的吸附能力或分配系数或其他亲和作用性能的差异作为分离依据的分析方法。色谱法能解决那些在物理常数相近、化学性质类似的同系物、异构物及多组分混合物的分离分析。基本概念色谱柱：进行色谱分离用的细长管；色谱柱分为填充柱和毛细管柱。固定相：管内保持固定、起分离作用的填充物；固定液：固定相中的液体，常为高沸点有机物。流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。2、色谱法的分类A、按流动相和固定相的状态分类①气相色谱(GC)：流动相为气体气－固色谱气－液色谱②液相色谱(LC)：流动相为液体液－固色谱（LSC）液－液色谱（LLC）现代液相色谱多使用高压输液装置，常称：高效液相色谱（HPLC）B、按固定相形状分类①柱色谱：柱色谱又可分为填充柱（固定相填入不锈钢柱中）和毛细管柱（固定液涂渍在毛细管柱内壁）②纸色谱：以多孔滤纸为载体，吸附在滤纸上的水为固定相，各组分在滤纸上分开。③薄层色谱（平板色谱）：以涂渍在玻璃版上的吸附剂薄层为固定相。C、按分离的原理分类①吸附色谱：利用组分在固定相上的吸附能力强弱不同分离。②分配色谱：利用组分在固定液中溶解度不同分离。③凝胶（排阻）色谱：利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透分离④离子交换色谱法：利用组分在离子交换剂上的亲和力大小不同分离3、气相色谱仪组成Ⅰ载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表；※提供纯净的一定压力和流速的载气，由气源输出的载气通过装有催化剂或分子筛的净化器，以除去水、氧等有害物质。Ⅱ进样系统：进样器、汽化室；※把样品快速而定量地加到色谱柱上端，以便进行分离。Ⅲ分离系统：色谱柱、控温柱箱；※试样各组分分离过程在色谱柱内进行。Ⅳ检测系统：检测器、检测室；※将组分的浓度或质量大小转变成电信号。Ⅴ记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。图1-1-1气相色谱仪流程示意图4、气相色谱分离过程及相关术语A、B两组分组成的混合物，由载气携带进入色谱柱。由于A、B两组分在固定相和流动相之间分配系数不同，两组分随载气沿柱不断移动，产生差速迁移而逐渐分离。图1-1-2气相色谱分离过程示意图色谱图是以组分的浓度变化引起的电信号为纵坐标，流出时间为横坐标的曲线，又称色谱流出曲线。现以色谱流出曲线介绍有关色谱术语：（1）基线——仅有载气通过色谱柱时，检测响应信号随时间变化的曲线。①基线漂移：基线随时间定向缓慢变化。②基线噪声：各种因素引起的基线起伏。图1-1-3色谱流出曲线（2）保留值——表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。常用时间或组分带出色谱柱所需载气的体积表示。保留值由色谱分析过程中的热力学因素决定，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，这样就可以作为定性参数。A、保留时间Rt：指被测组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间，如图'OB；B、死时间Mt：不与固定相作用的物质（如空气、甲烷等）的保留时间，如图''OA；C、调整保留时间'Rt：指扣除死时间后的保留时间（即'RRMttt），如图'AB。D、死体积MV：不被固定相滞留的组分，从进样到出现峰极大值所需要的载气体积，如图OA；,0MMVVtq式中——,0Vq表示校正到柱温柱压下载气在柱内的平均体积流速，单位mL·min—1。『MV反映了柱和仪器系统的几何特性，它与被测物的性质无关。』E、保留体积RV：从进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积，即,0RRVVtqVR与在载气流量无关。F、调整保留体积'RV：扣除死体积后的保留体积，即,0''RRVVtq或'RRMVVVG、相对保留值21r（又称选择因子）：某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，即：(2)(2)(2)(2)21(1)(1)(1)(1)''''RRRRRRRRtVtVrtVtV相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性，广泛用作色谱定性分析的依据。21r相邻两组分的差值'Rt色谱图中两峰相距分离程度；211r两组分不能被分离。（3）区域宽度A、标准偏差：它是0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半，如图EF的一半；B、半峰宽1/2Y或1/2W：色谱峰高为一半处的宽度，如图GH，其与标准偏差的关系为：1/222ln22.354Y半峰宽与体积的关系：1/22RYVVC、峰底宽Y：自色谱峰两侧的转折点所作切点在基线上的截距，如图IJ表示，其与标准偏差的关系为：1/241.7YY图1-1-4色谱流出曲线从色谱流出曲线中，可解决以下问题：①色谱峰个数：判断样品中所含组分最少个数；②色谱保留值：定性分析；③色谱峰面积或峰高：定量分析；④色谱保留值及区域宽度：评价色谱柱分离效能；⑤峰间距离：评价固定相和流动相选择是否合适。§1.2气相色谱分析理论基础（理解）1.2.1气相色谱分离的原因复杂组分混合物，在通过色谱柱后实现相互分离的原因如下：①被测组分与固定相分子间的作用力；②分配系数和分配比。1、被测组分与固定相分子间的作用力在气液色谱中被测组分与固定液之间表现为溶解作用，产生溶解作用的原因可能是因为存在下述作用力：①取向力：被测组分的分子直径0相互作用力在色谱柱内保留时间；同样地，固定液的极性大，它的选择性强。同时，由于取向力与温度成反比，故降低柱温有利于提高柱效能。②诱导力：如苯与环己烷沸点相近，且偶极矩均为零，但在极性固定液的作用下，苯易极化，环己烷不易极化，所以，苯与固定液分子能产生较大的诱导力，在柱内保留时间长，于是环己烷会先从色谱柱中馏出，苯后馏出，达到了分离检测的目的。③色散力④氢键：欲分离含F、O、N元素的样品时，可带有醇、胺、羧酸、酯等基团的固定液时被测组分与固定相分子之间形成氢键，可按形成氢键大小进行分离。氢键强弱：F－H…F＞O－H…O＞O－H…N＞N－H…N＞O－H…Cl⑤特殊的配位反应：分离含烯烃的低级烷烃样品时，往固定液中加入适量的AgNO3或AgClO4，烯烃上的π电子可与Ag+形成弱的配合物，即||—C=C—↑Ag+这样，烯烃就被选择性地保留，使同碳数的烷烃先从柱子馏出。2、分配系数和分配比A、气固色谱分填充柱和毛细管柱两种：填充柱（Packingcolumn）：常用不锈钢制成，内径2～4mm，柱长1～3m。填充吸附剂或覆盖在载体上均匀固定液膜。毛细管柱（Capillarycolumn）：常用石英制成，内径0.1～0.5mm，柱长可达数十米。固定液直接涂在毛细管内壁表面。B、气相色谱固定相可分为：气—固色谱固定相：•具有多孔性及较大表面积的吸附剂的颗粒。•分离过程：吸附-脱附……过程气—液色谱固定相：•将固定液（高沸点有机物）均匀涂渍在载体上。载体是固定液的支持骨架，使固定液能在其表面上形成一层薄而匀的液膜。•分离过程：溶解-挥发……过程被测组分在固定液和载气两相间进行反复地溶解和逸出，这种现象叫分配过程。用分配系数或分配比来综合描述被测组分分子与固定液分子间各种作用力大小。（1）分配系数K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，称为分配系数。SMCKC式中——SC：组分在固定相中的浓度；MC：组分在流动相中的浓度。K该组分与固定液分子间作用力Rt；空气在固定液中不溶解，其0K，故空气在柱子内的滞留时间最短，最先从色谱柱中馏出，因此，将空气的保留时间称之为死时间；被测组分的K相差越大，越容易分离；试样一定时，K主要取决于固定相性质，每个组分在各种固定相中的分配系数K不同，这是色谱分离的依据；选择适宜的固定相可改善分离效果。（2）分配比k（又称容量因子或容量比）分配比是指在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：SMmkm式中——Sm：组分在固定相中的质量；Mm：组分在流动相中的质量。分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化；分配系数与分配比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。分配比可以由实验测得；分配比与两相的体积有关，而分配系数则与两相的体积无关。（3）分配系数与分配比之间的关系SSSSSSMMMmmmmVmVCVKkmmCVVV式中——：相比率。MSVV，它反映色谱柱柱型及其结构特征。如填充柱β：6～35；毛细管柱β：50～1500。Vm：流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；VS：固定相体积，在不同类型色谱中VS有不同的内容，如在分配色谱中表示固定液体积，在吸附色谱中表示吸附剂表面容量，在凝胶色谱中表示凝胶孔体积。（4）色谱过程基本方程式由于固定相对组分有保留作用，所以，组分在柱内的线速度小于流动相（载气）的线速度。一般用滞留因子（SR）表示组分在柱内的移动速度。SR有两种表示方法：①用两速度之比表示：SSuRu（a）式中——Su：组分在柱内的线速度；u：流动相（载气）在柱内的线速度。②用质量分数表示：1111MSSSMMmRmmmkm（b）组分和流动相通过长为L的色谱柱，所需时间分别为RSLtu（c）MLtu（d）由（a）、（b）、（c）、（d）四式可得：1RMttk（e）''RMRRMMMtttVkttV（f）由（f）式知，通过实验测得校正保留时间（体积）及死时间（死体积），就可以求出分配比。（5）分配系数K及分配比k与选择因子的关系对A、B两组分的选择因子，用下式表示：''rrtBkBKBtAkAKA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；两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。1.2.2色谱分离的基本理论柱效率可用理论塔板数（n）或理论塔板高度（H）表示。柱效率的高低能反映组分在柱内两相间的分配情况和组分通过色谱柱后峰加宽的程度，它与组分在气相中的扩散及在液相中的传质阻力有关。1、塔板理论塔板理论是将色谱柱比作蒸馏塔，柱内有若干“想象”的塔板。每两块塔板之间的距离称为板高，各组分就在这些塔板间隔的气液两相间进行分配，经过多次分配平衡后，分配系数小的组分先离开色谱柱，分配系数大的组分，后离开色谱柱。（1）塔板理论假设：①在柱内一小段长度H内，组分可在两相间迅速达到平衡；②载气进入色谱柱是脉动式迁移，每次进气为一个板体积mV；③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；④分配系数在所有塔板上是常数。A、塔板理论方程（流出曲线方程）用概率论推导，可得到：2122RnVVRnmCeV式中——C：不同时间时的组分浓度；m：进样量；RV：组分的保留体积；n：理论塔板数；V：载气体积。塔板理论方程说明被分离组分通过V体积载气的淋洗，离开有n块塔板的填充柱而进入检测器时组分的浓度。当进样量很小时，组分在色谱柱中的吸附或分配在等温曲线范围内，色谱峰呈正态分布。B、理论塔板数和理论塔板高度的关系假设色谱柱长为L，虚拟的塔板间距离为H，色谱柱的理论塔板数为n，则三者的关系为：LnH0Hn组分在柱内分配平衡的次数色谱柱效率色谱峰0峰越对称。一般填充柱的1mmH，毛细管柱的0.5mmH由塔板理论导出，理论塔板数与色谱参数之间的关系（重要公式）：（e）、（f）称为色谱保留方程式221/25.5416RRttnYY（2）有效塔板数与有效塔板高度由于柱内存在死体积，进样后载气首先占据这些孔隙，在这个死时间内被测组分不参加柱内分配，所以，计算出来的n和H值往往不符合色谱柱实际，