色谱

第十章气相色谱法二、色谱分析法的分离原理及特点实现色谱分离的先决条件是必须具备固定相和流动相。固定相可以是一种固体吸附剂或为涂渍于惰性载体表面上的液态薄膜，此液膜可称作固定液。流动相可以是具有惰性的气体、液体或超临界流体，其应与固定相和被分离的组分无特殊的相互作用（若流动相为液体或超临界流体可与被分离的组分存在相互作用）。色谱分离能够实现的内因是由于固定相与被分离的各组分发生的吸附（或分配）作用的差别。其宏观表现为吸附（或分配）系数的差别，其微观解释就是分子间相互作用力（取向力、诱导力、色散力、氢键力、络合作用力）的差别。实现色谱分离的外因是由于流动相的不间断的流动。由于流动相的流动使被分离的组分与固定相发生反复多次（达几百、几千次）的吸附（或溶解）、解吸（或挥发）过程，这样就便那些在同一固定相上吸附（或分配）系数只有微小差别的组分，在固定相上的移动速度产生了很大的差别，从而达到了各个组分的完全分离。此外，色谱分析法具有物理分离方法的一般优点，即进行操作时不会损失混合物中的各个组分，不改变原有组分的存在形态也不生成新的物质。因此若用色谱法分离出某一物质，则此物质必存在于原始样品之中。色谱分离过程的平衡常数可用吸附系数KA.分配系数Kp和分配比k定量地表述。吸附系数KAAWmKV在一定柱温和色谱柱的平均压力下，m表示每1cm2吸附剂吸附组分的量，单位为g/cm2;Vw表示每1mL流动相中所含组分的量，单位为g/mL。分配系数KpSMCKpC在一定柱温和色谱柱平均压力下，Cs和CM分别为样品组分在单位体积固定液和单位体积流动相中的浓度(mol/L)。分配比（或称容量因子）k：式中，Vs和VM分别为柱温、柱平均压力下，色谱柱中固定相和流动相所占有的体积(L)，填充色谱柱内流动相与固定相的体积比叫相比，用ρ表示，ρ=长。第二节气相色谱法简介气相色谱法是近50多年以来迅速发展起来的新型分离、分析技术，主要用于低分子量、易挥发有机化合物（约占有机韧的15%-20%）的分析，目前从基础理论、实验方法到仪器研制已发展成为一门趋于完善的分析技术。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、分离效率高、灵敏度高、分析速度快。选择性高是指对性质极为相似的烃类异构体、同位素、旋光异构体具有很强的分离能力。分离效率高是指一根2m的填充柱可具有几千块理论塔板数，一根25m的毛细管柱可具有105-106块理论塔板数，能分离沸点十分接近和组成复杂的混合物。例如一根25m毛细管柱可分析汽油中50-100多个组分。灵敏度高是指使用高灵敏度的检测器可检测出10-11-10-13g的痕量物质。分析速度快是相对化学分析法而言的，通常完成一个分析，仅需几分钟或几十分钟。而且样品用量少，气样仅需1mL，液样仅需1μL。气相色谱法的上述特点，扩展了它在各种工业中的应用，不仅可以分析气体，还可分析液体、固体及包含在固体中的气体。只要样品在-196-450℃温度范围内，可以提供26-1330Pa蒸气压，都可用气相色谱法进行分析。气相色谱法的不足之处，首先是从色谱峰不能直接给出定性的结果，它不能用来直接分析未知物，必须用已知纯物质的色谱图和它对照。其次，当分析无机物和高沸点有机物时比较困难。需采用其它的色谱分析方法来完成。二、气相色谱流出曲线的特征被分析的样品经气相色谱分离、鉴定后，由记录仪绘出样品中各个组分的流出曲线，即色谱图。色谱图是以组分的流出时间(t)为横坐标，以检测器对各组分的电讯号响应值(mV)为纵坐标。色谱图上可得到一组色谱峰，每个峄代表样品中的一个组分。由每个色谱峰的峰位、峰高和峰面积、峰的宽窄及相邻峰间的距离都可获得色谱分祈的重要信息。（一）色谱峰的位置从进样开始至每个组分流出曲线达极大值（峰项）所需的时间，可作为色谱峰位置的标志，此时间称为保留时间，用tR表示。图16-2为气相色谱流出曲线图，图中与横坐标保持平行的直线，叫做基线，它表示在实验条件下，纯载气流经检测器时（无组分流出时）的流出曲线。基线反映了检测器的电噪声随时间的变化。从进样开始到惰性组分（指不被固定相吸附或溶解的空气或甲烷）从柱中流出呈现浓度极大值的时间，称为死时间，用tM表示。它反映了色谱柱中未被固定相填充的柱内死体积和检测器死体积的大小，与被测组分的性质无关。从保留时间中扣除死时间后的剩余时间，称为调整保留时间，用t’R表示t’R=tR-tMt’R反映了被分析的组分因与色谱柱中固定相发生相互作用，而在色谱柱中滞留的时间，其由被测组分和固定相的热力学性质所决定，因此调整保留时间从本质上更准确的表达了被分析组分的保留特性，它已成为气相色谱定性分析的基本参数，比保留时间更为重要。由调整保留时间t’R和死时间tM可以计算出气相色谱分析中的重要分配平衡常数——分配比（容量因子）k：Rt'Mkt由上述可知，色谱峰的峰位与气相色谱分离过程的热力学性质密切相关，是进行气相色谱定性分析的主要依据。（二）色谱峰的峰高或峰面积色谱峰的峰高是指由基线至峰顶间的距离，用矗表示，如图10-3所示。色谱峰的峰面积4，是指每个组分的流出曲线和基线间所包含的面积，对于峰形对称的色谱峰，可看成是一个近似等腰三角形的面积，可由峰高矗乘以半峰宽Wh/2（即峰高一半处的峰宽）来计算：/2hAhW峰高或峰面积的大小和每个组分在样品中的含量相关，因此色谱峰的峰高或峰面积是气相色谱进行定量分析的重要依据。（三）色谱峰的宽窄在气相色谱分析中，通常进样量很小，可以获得对称的色谱峰形，可用正态分布函数表示。正态分布函数通常用来描述偶然误差的分布规律，正态分布曲线的宽窄表明了多次测量的精密度，它可用标准偏差σ的大小来表示，σ值愈大，曲线愈宽，测量值分散，则测量精密度低；反之若σ值愈小，曲线愈窄，测量值集中，则测量精密度高。对称的色谱峰形和正态分布曲线相似，同样色谱峰的宽窄也可用标准偏差σ的大小来衡量，σ大峰形宽，σ小峰形窄。在正态分布曲线上标准偏差σ为曲线两拐点间距离的一半，曲线拐点高度相当于峰高h的0.607倍，即0.607h。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3个特征高度的峰宽：①拐点宽度即位于0.607h处的峰宽，为图16-3中的Wi，Wi=2σ②半峰宽度即峰高一半处，0.5h处的峰宽，为图16-3中的Wh/2，Wh/2=2.354σ。③基线宽度从色谱峰曲线的左、右两拐点作切线，其在基线上的截距为基线宽度（此处峰高为零），为图16-3中Wb，Wb，=4σ。上述Wi、Wh/2和形Wb都表示了色谱峰的宽窄，最常用的是易于测量的Wh/2或b色谱峰的宽窄不仅可用区域宽度表示，它还可用来说明色谱分离过程的动力学性质——色谱柱柱效率的高低，色谱峰形愈窄说明柱效愈高，峰形愈宽表明柱效愈低。用区域宽度的大小只能定性的表达柱效，其定量表达常用理论塔板数n或理论塔板高度H表示：式中，L为柱长。（四）色谱峰间的距离在色谱图上，两个色谱峰之间的距离大，表明色谱柱对各组分的选择性好；两个色谱峰之间的距离小，表明色谱柱对各组分的选择性差。在色谱分析中，色谱柱的选择性表明它对不同组分的分离能力，可定量的用分离度（分辨率）R来表示：分离度综合考虑了保留时间和基线宽度两方面的因素。通常R=1.5，才认为两个相邻峰完全分离；R=1.0，两个相邻峰恰好分离；R1.0，表明两个相邻峰不能分离开。上述气相色谱流出曲线的几个特征，具有通用性，适用于各种色谱分离方法（如高效液相色谱法、超临界流体色谱法等）。六、气相色谱仪的使用和维护气相色谱仪是结构比较复杂的分析仪器，使用时要分别控制气体流路的压力、流量参数和气化室、色谱柱箱和检测器室的温度参数；要使用多种进样技术；要控制和调节多种检测器的最佳检测条件，以获得快速、灵敏和准确的分析结果。（一）气相色谱仪的性能指标(l)载气、燃气、助燃气流量控制。(2)气化室的温度控制50~400℃，控温精度为±0.01℃。(3)色谱柱箱的温度控制室温~400C，多阶程序升温（3~8阶），升温速率0-30℃/min，控温精度为±0.01℃。(4)检测器室的温度控制。(5)常用检测器的灵敏度(S)或敏感度(M)指标控制。①TCDS≥5000MV*mL/mg（苯），噪声Ii≤0.02mV②FIDM≤1×10-llg/s，噪声Ii≤1×l0-14A③NPDMN:1×l0-13g/S,Mp:lxl0-13g/S①ECDM≤2×l0-l1g/mL(r-666)⑤FPDMs≤5×10-1lg/s（噻吩），Mp≤1×10-11g/s(1605)，噪声Ib≤2×10-12A。（二）气相色谱仪的使用规则(l)气相色谱仪应安置在通风良好的实验室中，对高档仪器应安装在恒温(20-25℃)空调实验室中，以保证仪器和数据处理系统的正常运行。(2)按仪器说明书要求安装好载气、燃气和助燃气的气源气路与气相色谱仪的连接，确保不漏气。配备与仪器功率适应的电路系统，将检测器输出信号线与数据处理系统连接好。(3)开启仪器时，首先接通载气气路，打开稳压阀和稳流阀，调节至所需的流量。(4)先打开主机总电源开关，再分别打开气化室、柱恒温箱、检测器室的电源开关，并将调温旋钮设定在预定数值。(5)待气化室、柱恒温箱、检测器室达到设置温度后，可打开热导池检测器电源，调节好设定的桥流值，再调节平衡旋钮、调零旋钮至基线稳定，即可进行分析。(6)若使用氢火焰离子化检测器，应先调节燃气氢气和助燃气空气的稳压阀和针形阀，达到合适的流量后，按点火开关，使氢焰正常燃烧；打开放大器电源，调基流补偿旋钮和放大器调零旋钮至基线稳定，即可进行分析。(7)若使用碱焰离子化检测器（氮磷检测器）和火焰光度检测器，点燃氢焰后，调节燃气和助燃气流量的比例至适当值，其它调节与氢火焰离子化检测器相似。(8)若使用电子捕获检测器，应使用超纯氮气并经24h烘烤后，使基流达到较高值再进行分析。(9)每次进样前应调整好数据处理系统，使其处于备用状态，进样后由绘出的色谱图和打印出的各种数据而获得分析结果。(10)分析结束后，先关闭燃气、助燃气气源，再依次关闭检测器桥路或放大器电源；气化室、柱恒温箱、检测器室的控温电源；仪器的总电源，待仪器加热部件冷至室温后，最后关闭载气气源。（三）气相色谱仪的维护1．气路系统的维护(l)气源至气相色谱仪的连接管线可使用铜管、尼龙管或聚四氟乙烯管，应定期用无水乙醇清洗，并用干燥N2气吹扫干净。(2)气体自气源进入气相色谱仪前需通过的干燥净化管，管中活性炭、硅胶，分子筛应定期进行更换或烘干，以保证气体的纯度满足检测器的要求。(3)稳压阀、针形阀、稳流阀的调节应缓慢进行。稳压阀不工作时，应顺时针放松调节手柄使阀关闭；针形阀不工作时，应逆时针转动手柄至全开状态；调节稳流阀时，应使阀针从大流量调至小流量，不工作时使阀针逆时针转至全开状态。切记稳压阀、针形阀、稳流阀皆不可作开关阀使用。各种阀的气体进、出口不能安装反。(4)使用皂膜流量计校正气体流量时，应使用澄清的洗涤剂，用后洗净，晾干放置。(5)定期清理气化室内的积炭结垢，对内衬管要清除污垢，洗净干燥后重新装入气化室，并及时更换进样口硅橡胶隔垫，保证密封不漏气。(6)更换色谱柱时，要认真检查色谱柱与气化室接口和与检测器室的接口，保证密封不漏气。2．电路系统的维护(1)对高档仪器要充分利用由微处理机控制的仪器自检功能，开机后，待自检显示正常后再调节控制参数。(2)对气路系统和电路系统安装在一起的整体仪器，应将由检测器输出的信号线与由计算机控制的数据处理系统连接好，以保证绘图、打印功能的正常进行。(3)对气路系统和电路系统分离开的组合式仪器，应注意连接好气化室、柱箱、检测器室的温度控制电路；控制热导池的电桥电路；FID的放大器电路；检测器输出信号与数据处理系统的连接电路等。保证电路畅通。(4)当电路系统发生故障时，应及时与仪器供应商联系进行维修。第五节检测器一、检测器的性能指标气相色谱仪中检测器性能的好坏，主要依据记录仪连续记录检测器屯信号的变化，即通过色谱图来衡量。通常把纯载气进入检测器时，色谱图上记录的图线叫做