第2章-气相色谱法

1第3章色谱理论基础与气相色谱法23.1色谱法概述混合物最有效的分离、分析方法。俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置：色谱原型装置.色谱法是一种分离技术.试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。其中的一相固定不动，称为固定相；另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。3色谱法当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础4色谱过程分配系数的微小差异→吸附能力的微小差异微小差异积累→较大差异→吸附能力弱的组分先流出；吸附能力强的组分后流出53.⒈1色谱法的特点和分类1分类：⑴按两相分子的聚集状态分：流动相固定相类型液相色谱液体固体液-固色谱液体液体液-液色谱气体固体气-固色谱气体液体气-液色谱气相色谱6⑵按固定相的固定方式分：⑶按分离机制分：平面色谱纸色谱薄层色谱柱色谱填充柱色谱毛细管柱色谱分配色谱：利用分配系数的不同吸附色谱：利用物理吸附性能的差异离子交换色谱：利用离子交换原理空间排阻色谱：利用排阻作用力的不同7色谱法简单分类82．色谱法的特点（1）分离效率高（2）灵敏度高可检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)（3）分析速度快在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4）应用范围广气相色谱：沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。不足之处：被分离组分的定性较为困难。93.1.2色谱基本参数与色谱曲线的表征⒈流出曲线和色谱峰流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线色谱峰：流出曲线上突起部分10不对称因子正常峰（对称）非正常峰前沿峰拖尾峰色谱峰ABAAWfhs2)(205.0——fs在0.95~1.05之间——fs小于0.95——fs大于1.05112．基线（baseline）：当色谱柱后没有待测组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪音随时间变化的曲线。噪音（baselinenoise）：各种因素引起的基线起伏。漂移（baselinedrift）：基线随时间定向的缓慢变化。123．保留值（retentionvalue）：用于表征试样组分被固定相滞留程度的参数保留值越大，表明组分在固定相中停留的时间越长，即组分与固定相之间具有较大的作用力。如果某组分不被固定相滞留，则仅流经分离柱中颗粒之间的空隙体积，则在最短时间内流出。保留值受色谱分离过程中的热力学因素控制，可以用时间或体积值表示。13死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；调整保留时间（tR‘）：tR＇=tR－tM（1）时间表示的保留值保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；14（2）用体积表示的保留值保留体积（VR）：VR=tR×F0F0为柱出口处的载气流量，单位：ml/min。死体积（VM）：VM=tM×F0调整保留体积(VR＇)：VR＇=VR－VM153．相对保留值r2，1（选择性系数α）：某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比。12'1'2'1'212kkVVttrRRRR，121212kkKKr，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。16⒋区域宽度（peakwidth）：色谱柱效参数⑴标准差σ：正态分布色谱曲线两拐点距离的一半。σ→对应0.607h处峰宽的一半注：σ↓小，峰↓窄，柱效↑高⑵半峰宽Y1/2：峰高一半处所对应的峰宽⑶峰底宽度Wb：正态分布色谱曲线两拐点切线与基线相交的截距355.221Y4bW21699.1YWb175．色谱峰高和峰面积定量参数⑴峰高（h）组分在柱后出现浓度极大时的检测信号，即色谱峰顶致基线的距离。⑵峰面积（A）色谱曲线与基线间包围的面积2/1065.1WhA对称峰2WWh0.850.15）（不对称峰A183.2色谱理论基础•色谱理论需要解决色谱分离过程中的热力学和动力学两个方面的问题，即影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效评价指标及柱效与色谱参数间的关系等。•组分的保留时间受色谱过程的热力学因素控制（温度及流动相和固定液的结构与性质），而色谱峰变宽则受色谱过程的动力学因素控制（组分在两相中的运动情况）。193.2.1气相色谱分离过程中的基本关系式•气相色谱柱分为填充柱和毛细管柱。•填充柱中使用的固定相：固体吸附剂颗粒、表面涂敷固定液的颗粒。•当固定相为固体吸附剂颗粒时，固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同是分离的基础；当采用固定液时，试样中各组分在流动相和固定液两相间分配的差异则是分离的依据。20气相色谱分离过程•当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附；•随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附；•挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附；•随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。211.分配系数K•组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。•在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g/mL）比，称为分配系数，用K表示，即：msccK组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度分配系数是色谱分离的依据。22•一定温度下，组分的分配系数K越大（即在固定相中的含量大），出峰越慢；•试样一定时，K主要取决于固定相性质；•组分在不同性质固定相上的分配系数K的差异越小，分离越困难，因而选择适宜的固定相，使组分间分配系数的差别增大，可显著改善分离效果；•试样中的各组分在某一固定相上具有不同的K值是色谱分离的前提条件；•某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。232．分配比（partitionradio）kmsmmk组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。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：分配比也称：容量因子；容量比；•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。243．分配系数和容量因子的关系填充柱相比：6～35；毛细管柱的相比：50～1500。容量因子越大，保留时间越长。Vm为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；VS为固定相体积。气-液色谱柱：VS为固定液体积；气-固色谱柱：VS为吸附剂表面容量；KVVVVmVVmmmkmsmsmmmsssmsβ=Vm/Vs为相比254．分配比与保留时间的关系)1'(R滞留因子（retardationfactor）：uuRssus：组分在分离柱内的线速度；u：流动相在分离柱内的线Rs取决于组分与固定相之间的作用力，与组分在两相中存在的量有关。滞留因子RS也可以用质量分数ω表示：kmmmmmRmssmms111126若组分和流动相通过长度为L的分离柱，需要的时间分别为tR和tM，则：uLtuLtMsR;）（或msMRMRVVKttktt1)1(RtKMt'RMMRttttk则K↑，tR↑，组分后出柱K=0，组分不保留K→∞，组分完全保留27色谱分离前提注：应选择合适分离条件使得难分离的组分K不等)(0BAmsRRRKKVVttttBA)1(0msARVVKttA)1(0msBRVVKttB2）色谱条件（s，m，T）一定时，K一定→tR一定0RBAtKK各组分分配系数不等1）组分一定，K不等的前提s和m改变T改变285．分配系数与分离温度的系数对于一定的溶质和固定相，溶质的分配系数与分离温度的关系：a，b为常数，Tc为分离时的热力学温度分离温度越高，分配系数越小，即溶质在流动相中的浓度越大，保留时间越短。bTaKclg296．分离因子•分离因子（也称为选择因子）为两物质的调整保留时间（或分配系数）的比值，可用来衡量两物质的分离程度，用α表示。•分离因子仅考虑了色谱过程中的热力学因素，而没有考虑分离过程中的动力学因素，即色谱峰的变宽，故不能反映两物质的实际分离情况。12''1212RRttkkKK307．色谱流出曲线的数学描述•色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间（t）的关系可以用下式描述：222)(02Rttecc31•半经验理论；将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复塔板理论的假设：(1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；(2)将载气看作成脉动（间歇）过程；(3)试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4)每次分配的分配系数相同.3.2.2塔板理论-柱分离效能指标32质量分配和转移⑴单一组分B（kB=0.5）的分配和转移①设色谱柱的塔板数n=5，即r=0、1、2、3、4（或n-1）号。②将单位质量的B加到第0号塔板上。③分配平衡后，0号塔板内ms/mm＝0.333/0.667。④进入一个塔板体积的流动相（一次转移）。3334经过N次转移后，质量分布符合二项式(ms+mm)N的展开式。如N=3，展开式为：(0.333+0.667)3=0.037+0.222+0.444+0.2960123号在固定相和流动相中的质量分布由k(K)决定35转移N次后，第r号塔板中的质量Nmr：rrNrNmmrNrNmms)!(!!－－例：转移3次后，在第2号塔板内的溶质分数444066703330)23(232)23(23...!!!m36组分B(kB=0.5)在n=5的色谱柱内及出口的分布Nr01234柱出口010000010.3330.667000020.1110.4440.44500030.0370.2220.4440.2960040.0120.0990.2690.3950.198050.0040.0410.1640.3290.3290.13260.0010.0160.0820.2190.3290.219700.0060.0380.1280.2560.219800.0020.0170.0680.1700.1709000.0070.0330.1020.11410000.0020.0160.0560.06837⑵两组分的分离A(kA=1)和B(kB=0.5)两组分组分A(kA=1)在n=5的色谱柱内和出口的分布Nr01234柱出口010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.2500.3750.2500.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1650.2740.2740.11880.0040.0320.1110.2200.2740.13790.0020.0180.0720.1660.2470.137100.0010.0100.0450.0940.2070.12438组分B:k=0.5,当N=6和7时，柱出口产生B的浓度最大点。组分A：k=1，N=8和9时，柱出口处达到浓度最大点。两组分开始分离，k小的组分B在柱后先出现浓度极大值,即先出柱。一根色谱柱n=103以上，组分有微小的分配系数(容量因子)差别即可实现完全分离。分配系数(容量因子)不等是分离的前提。39二项式分布曲线以组分A在柱出口处的质量分数对N作图。k=1的组分从n=5色谱柱中的流出