仪器分析-气相色谱法基础

1第二章气相色谱法(1)GasChromatography(GC)23气相色谱质谱联用仪GCMS-QP2010E41.色谱法的产生色谱法是一种分离技术，它是俄国植物学家茨维特(M.Tswett)1906年创立的。他分离植物叶子中的色素时，将叶片的石油醚（饱和烃混合物）提取液倒入玻璃管中，柱中填充CaCO3粉末（CaCO3有吸附能力)，用纯石油醚洗脱（淋洗）。一、色谱分析法简介§2-1色谱分析法概述5色素受两种作用力影响:柱内填充CaCO3，其吸附作用使色素在柱中停滞下来；同时，由于被石油醚流动并溶解，使色素向下移动；各种色素结构不同，受两种作用力大小不同，经过一段时间洗脱后，色素在柱子上分开，形成了各种颜色的谱带，这种分离方法称为色谱法。6样品溶液纯溶剂CaCO372.定义借助于混合物中各组分在两相中吸附能力、分配能力等差异，而使混合物中各组分分离并检测的技术。（先分离、后检测）3.基本概念（1）色谱柱：盛装固定相的玻璃管或不锈钢管。（2）固定相：色谱柱内固定不动的组分（固体或液体）（3）流动相：流经色谱柱的组分（气体或液体）8液相色谱：液体作流动相，传统的液相色谱，由于流速慢，分析速度很慢。通过加压，使其流速加快，1969年HPLC发展（高压液相色谱），液相色谱被广泛应用。气相色谱：气体作流动相，1952年产生气相色谱，是色谱法一项革命性进展。9随着被分离样品种类的增多，该方法广泛地用于无色物质的分离，因而，“色谱”名称中的“色”失去了原有的意义，但“色谱”这一名称沿用至今。我国在色谱分析领域的研究起于1954年，由中国科学院大连化学物理研究所首先开发。经过几十年的努力，我国色谱基础理论研究和应用技术研究方面具有特色，居世界领先行列。大连依利特分析仪器有限公司按流动相和固定相状态分类气体作流动相气相色谱（GC）（1）气固色谱：气体作流动相，固体吸附剂作固定相。（2）气液色谱：气体作流动相，固定液作固定相。二、色谱分析法分类液体作流动相液相色谱（1）液固色谱：液体作流动相，固体吸附剂作固体相。（2）液液色谱：液体作流动相，固定液作固定相。超临界液体色谱——超临界流体作色谱流动相。112.按固定相的固定方式分类（1）柱色谱：填充柱色谱：固定相填充到柱管内;毛细管柱色谱：把固定相涂在毛细管内壁上，中间是空的。（2）纸色谱：滤纸为固定相的色谱法，流动相是含一定比例水的有机溶剂，样品在滤纸上展开进行分离。（3）薄层色谱：把固体固定相压成或涂成薄膜的色谱法。123.按分离原理分类（1）吸附色谱：利用吸附剂表面对被分离的各组分吸附能力不同进行分离。（2）分配色谱：利用不同组分在两相分配系数或溶解度不同进行分离。（3）离子交换色谱：利用不同组分对离子交换剂亲和力不同进行分离。（4）空间排阻色谱：利用凝胶对分子的大小和形状不同的组分所产生的阻碍作用不同而进行分离的色谱法。……13三、色谱分析法的特点1.分离效率高可以反复多次利用被分离组分在性质上的差异产生很大的分离效果，能在很短时间内对组成极为复杂、各组分性质十分相似的混合物进行分离和测定。顺反异构体、旋光异构体等分离。2.灵敏度高可以检测10-11～10-12g的痕量物质分析样品用量少，μg、μL143.分析速度快几分钟、几十分钟可完成一个分析周期，一次分析可以同时多个组分。4.应用广泛气体、液体、固定样品均可。色谱法几乎能分析所有的化学物质，广泛用于无机、有机、生物、食品、医药、环境等分析任务。15四、色谱分离过程与常用术语1.色谱分离过程（1）色谱基本过程色谱仪构造进样系统流动相系统：连续不断地流经整个色谱仪器。固定相系统：固定在色谱柱内检测系统：用于检测经色谱仪分离，被流动相载带的各组分含量。记录系统：记录检测信号16进样色谱柱检测器流动相废弃流动相色谱过程示意图17（2）色谱分离过程现以填充柱内进行分配色谱说明色谱分离过程。下图表示A、B两组分在色谱柱内的分离过程示意图。将混合物样品一次注入色谱柱后，流动相连续不断地流经色谱柱：18024681012024681002468101202468100246810120246810A+BABABABAB192.色谱图（流出曲线）试样各组分经色谱柱分离，从色谱柱流入检测器，并将组分浓度（质量）变化转换成电压（电流）信号，并记录下来。将从进样开始到分析结束，检测信号随时间变化的曲线，称色谱图。因其记录了各个组分流出色谱柱的情况，又叫色谱流出曲线。20213.色谱图中的基本术语（2）基线当没有待测组分进入检测器时（仅有流动相），检测器的噪音随时间的变化关系。图中OA’稳定情况下，基线是一条直线，基线上下波动称为噪音。（1）色谱峰某组分的响应信号随时间的变化曲线。正常：对称钟形（符合高斯分布）不正常：产生拖尾峰22h（3）色谱峰的高度h色谱峰最高点与基线之间的距离，可用mm,mV，mA表示。峰的高低与组分浓度有关，峰越高越窄越好。23（4）色谱峰区域宽度色谱峰的区域宽度是组分在色谱柱中谱带扩展的函数，它反应了色谱操作条件的动力学因素，常用表示方法有三种：A标准偏差—σ色谱峰是高斯分布，在0.607倍峰高处有一拐点。标准偏差即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。EF2124σ25B峰底宽Wb色谱峰两侧拐点所作切线在基线上的距离。下图中IJ峰高一半处色谱峰的宽度。21WC半峰宽4bW下图中GH354221.W26Wb27色谱峰与基线延长线所包围的面积。对于对称的色谱峰：对于非对称的色谱峰：（5）色谱峰面积A210651hWA.20651850150)(...WWhA28（6）色谱保留值保留值:试样中各组分在色谱柱中滞留时间的数值，反映了组分分子与固定相分子作用力大小；保留值可用时间t和所消耗流动相的体积V来表示；组分与固定相作用越强，则在柱中滞留的时间越长，消耗的流动相体积越大；固定相、流动相固定，色谱操作条件一定时，组分的保留值是个定值。组分保留值由色谱分离过程的热力学因素决定。29B死时间tM（t0）不被固定相保留的组分流经色谱柱所需的时间。即从进样开始到柱后出现峰最大值所需的时间。在气相色谱就是惰性气体（空气、甲烷等）流出色谱柱所需的时间。O’A’A保留时间tR组分流经色谱柱时所需时间。即从进样开始到色谱峰出现最大值时所需的时间。O’B)(scmcmuLtM流动相平均速度柱长30t031C调整保留时间,Rt组分的保留时间与死时间的差值。MRRttt'Rt'Rt由组分与固定相之间相互作用而引起组分在柱内滞留所需要的时间。Mt组分流经色谱柱所需要的时间。32D保留体积VR组分从进样开始到色谱柱后出现最大值时所需流动相体积。RCRtFVCF流动相平均体积流速33E死体积VM(V0)不被固定相保留的组分流经色谱柱所消耗的流动相体积。MCMtFV死体积可以认为是色谱柱内未被固定相所占据的空隙体积，也即色谱柱内流动相体积。但在实际测量时，包括了柱外死体积（即色谱仪中管路和连接头之间的空间，以及进样系统和检测器的空间）。34F调整保留体积V’R扣除了死体积的保留体积，真实的将待测组分从固定相中携带出柱子所需的流动相体积。CRMRRFtVVV''注意：保留时间受流动相流速的影响，而保留体积与流动相流速无关。35G相对保留值2112,,rr或在相同操作条件下，组分2对另一参比组分1调整保留值之比。')(')(')(')(.121212RRRRVVtt')(')(')(')(,212121RRRRVVtt36一般两组分的相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，与柱长、柱径、柱填充情况及载气流速等无关。两组分的相对保留值越大，越易分离，显然，当：112,r两组分色谱峰重叠，无法分离。37§2-2气相色谱分析理论基础1.分配系数K(浓度分配系数)指在一定温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相中的浓度与在流动相中的浓度之比。msCCK在一定温度下，组分在流动相和固定相之间所达到的平衡叫分配平衡，组分在两相中的分配行为常采用分配系数K和分配比k来表示。一、色谱分配系数和分配比38K值越大，与固定相亲合力越大，保留时间长，移动慢；K值越小，与固定相亲合力越小，保留时间短，移动快；K值与温度、压力、组分性质、固定相、流动相性质等因素有关。2.分配比k(又叫容量因子，容量比)指在一定温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相中的质量与在流动相中的质量之比。39msmmssmsVVKVCVCmmkVs：固定相体积。Vm：流动相体积。smVV定义：相比kK所以：403.保留值与分配比的关系可以证明：组分的分配比它等于该组分的调整保留时间与死时间的比：MRMRMMRVVtttttk''所以，分配比可由色谱图直接求出。414.保留值与分配系数K的关系MMRMRVVVVVk'所以：ssMMRKVVkkVVVSMRKVVV425.色谱基本保留方程式)(kttMR1sMRKVVV43色谱分析包括分离、检测两个方面，无论是定性或定量分析，分离是前提。样品在色谱柱内的分离过程基本理论包括两方面：一是混合物中各组分在色谱柱中两相间的分配与待分离组分、流动相、固定相的分子结构和性质有关;可以用保留值评价组分在两相间的分配情况(热力学过程)另一是各组分在色谱柱中的运动情况与分离组分在色谱柱中遇到的阻力有关;各色谱峰的半宽度反映了各组分在色谱柱中的运动情况，(动力学过程)二、色谱分离的基本理论441.塔板理论4546在20世纪50年代，色谱技术发展的初期，由Martin、Synge等人提出。把色谱分离过程比作精馏过程，并把精馏中的半经验理论－塔板理论用于色谱分析法。（1）塔板理论基本假设A一根连续色谱柱为由许多小段组成。在每一小段内，一部分空间为固定相占据，另一部分空间充满流动相，每一小段相应一个蒸馏，称为一个理论塔板。47B在每一个小段内，组分在流动相和固定相之间可以很快达到分配平衡，这样达到分配平衡的一小段柱长称为理论塔板高度H；C流动相进入色谱柱不是连续的，而是脉动的，即每次进入一个塔板体积；D组分沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可忽略不计；E组分分配系数在各塔板上是常数。48（2）塔板理论基本描述A理论塔板高度H组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需柱长。B理论塔板数n组分流经色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数。设柱长为L，则：nLHHLnL固定，则H越小，n越大，柱效率越高分离效果越好，用H，n评价柱效。49可见，组分保留时间tR越长，色谱峰宽度越小，n值越大，H越小，色谱柱效率越高。C理论塔板数n计算由塔板理论可导出n的计算公式为：221254516)(.)(WtWtnRbR可根据色谱图直接求出！50D有效塔板数计算有效n在实际应用中，有时发现尽管理论塔板数很大，但色谱分离效率不高的现象，主要原因是未将不参与分配的死时间扣除。221'2')(54.5)(16WtWtnRbR有效有效有效nLH51E有效塔板数与理论塔板数关系有效n21)(kknn有效分配比k值越小，有效塔板数明显小于理论塔板数；k值越大，有效塔板数接近理论塔板数。52（3）塔板理论的成功与局限成功A解释色谱流出曲线形状（正态分布）B色谱峰浓度极大点位置C提出了评价色谱柱效的指标（H、n）局限A某些假设不合理，甚至不正确（纵向扩散忽略、分配系数与浓度无关等）B理论依据不足，无法解释塔板高度受哪些因素影响等本质问题；C不能解释为什么流动相流速不同，测定理论塔板数不同的原因53所以，用塔板理论来说明色谱柱内各组分的分离过程并不完全合理，因为色谱柱内并没有塔板。当同一试样进入同一色谱柱，当流动相速度变化时，得到不同的色谱图。测得的n和H也不同，充分说明塔板理论不足以说明色谱柱的分离过程，根源在于塔板理论把色谱过程看成纯粹的热力学过程，是不合理的。542.速率理论色谱过程热力学因素动力学因素19