仪器分析_色谱

主讲人徐肖邢第一章概论仪器分析方法分类电化学分析仪器分析简介以测量物质的物理和物理化学性质为基础的分析方法。光学分析色谱分析热分析其它返回返回返回返回返回光谱法发射光谱荧光光谱核磁共振吸收光谱拉曼光谱非光谱法x射线衍射折射法干涉法色散法浊度法返回电化学分析法电位分析库仑分析电位滴定极谱分析电导法第二章气相色谱法§2-1气相色谱法概述色谱法是一种分离技术。而且是分离技术中效能最高、应用最广的一种技术。色谱法的创始人是俄国植物学家茨维特。因于1903年用于分离植物色素而得名。在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相；自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱。当流动相中样品混合物经过固定相时，由于各组分在性质和结构上的差异，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。1.按两相状态分类气体为流动相的色谱称为气相色谱（GC）根据固定相是固体吸附剂还是固定液（附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体），又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）。液体为流动相的色谱称液相色谱（LC）液相色谱亦可分为液固色谱（LSC）和液液色谱（LLC）。超临界流体为流动相的色谱为超临界流体色谱（SFC）。从不同角度，可将色谱法分类如下：2.按分离机理分类利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法。利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法。利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法。3.按固定相使用的形式分类固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。固定相呈平板状的色谱，称为平板色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。12345678气相色谱法用于分离分析样品的基本过程如下图：气相色谱过程示意图由高压钢瓶1供给的流动相载气。经减压阀2、净化器3、流量调节器4和转子流速计5后，以稳定的压力恒定的流速连续流过气化室6、色谱柱7、检测器8，最后放空。气相色谱流程11.气路系统气相色谱仪具有一个让载气连续运行、管路密闭的气路系统。通过该系统，可以获得纯净的、流速稳定的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性，对色谱结果均有很大的影响。常用的载气有氮气和氢气，也有用氦气、氩气和空气。流速的调节和稳定是通过减压阀、稳压阀和针形阀串联使用后达到。气相色谱仪的结构气相色谱仪由五大系统组成：气路系统、进样系统、分离系统、控温系统以及检测和记录系统。2.进样系统进样系统的作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱之前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的大小，进样时间的长短，试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。（1）进样器液体样品的进样一般采用微量注射器。气体样品的进样常用色谱仪本身配置定量进样。（2）气化室为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解，因此要求气化室热容量大，无催化效应。3.分离系统分离系统由色谱柱组成。有填充柱和毛细管柱两类。（1）填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2~4mm，长1~3m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。（2）毛细管柱分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.2~0.5mm，长度30~300m，呈螺旋型。色谱柱的分离效果除与柱长、柱径和柱形有关外，还与所选用的固定相和柱填料的制备技术以及操作条件等许多因素有关。4.控制温度系统温度直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要制对色谱柱炉、气化室、检测室的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。5.检测和放大记录系统（1）检测系统浓度型检测器测量的是载气中组分浓度的瞬间变化，即检测器的响应值正比于组分的浓度。如热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）。质量型检测器测量的是载气中所携带的样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内组分进入检测器的质量。如氢焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）。（2）记录系统是一种能自动记录由检测器输出的电信号的装置。色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线色谱流出曲线和色谱峰•基线（a）•峰高（h）信号进样空气峰色谱峰ha1色谱流出曲线和色谱峰在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。2基线1.死时间tM3保留值tM信号进样信号进样tR3.调整保留时间tR´某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，即tR´=tRtM2.保留时间tR试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间，如下图。5.保留体积VR指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系：VR=tRFco4.死体积VM指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两相很小可忽略不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速Fco（cm3·min-1）计算。VM=tMFco7.相对保留值r2,1某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为相对保留值。r21=tR2/tR1´=VR(2)/VR1由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛用作定性的依据。6.调整保留体积Vr某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。VR=VRVM=tRFco色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法。1.标准偏差即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。2.半峰宽W1/2即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为W1/2=2.353.峰底宽度W即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。它与标准偏差的关系是W=44区域宽度从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：(i)根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数；(ii)根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；(iii)根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；(iv)色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依据；(v)色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流动相）选择是否合适的依据。§2-2气相色谱的分析理论基础色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。分配系数是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即K=组分在固定相中的浓度/组分在流动相中的浓度（一）分配系数K和分配比kmsccK1.分配系数K吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附-脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述。分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的，它仅与固定相和温度两个变量有关。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。2.分配比k分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。即k=组分在固定相中的质量/组分在流动相中的质量k=ms/mmk值是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。k=ms/mM=CsVS/CmVm4.分配系数K与分配比k的关系K=Cs/Cm=msVm/mmVS=k.其中β称为相比（二）塔板理论4.分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。塔板理论假设：1.在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。2.载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积。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。n=L/Hn称为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加，随板高H的增大而减小。第一，理论塔板数n大于50时，可得到基本对称的峰形曲线。在气相色谱柱的n约为103~106，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，仍可获得良好的分离。第三，n与半峰宽及峰底宽的关系式为：n=5.54(tR/Y1/2)2=16(tR/Y)2式中tR与W1/2(W)应采用同一单位（时间或距离）。从公式可以看出，在tR一定时，如果色谱峰很窄，则说明n越大，H越小，柱效能越高。塔板理论小结：n有效=5.54(tR/Y1/2)2=16(tR/Y)2有效板高：H有效=L/n有效例已知某组分峰的峰底宽为40s，保留时间为400s，计算此色谱柱的理论塔板数。解：n=16(tR/W)2=16（400/40）2=1600块1956年荷兰学者vanDeemter（范第姆特）等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论——速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。vanDeemter方程的数学简化式为H=A+B/u+Cu式中u为流动相的线速度；A、B、C、为常数，分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。（三）速率理论1.涡流扩散项A在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称涡流扩散。由于填充物颗粒大小的不同及填充物的不均匀性，使组分在色谱柱中路径长短不一，因而同时进色谱柱的相同组分到达柱口时间并不一致，引起了色谱峰的变宽。2.分子扩散项B/u（纵向扩散项）纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分从柱入口加入，其浓度分布的构型呈“塞子”状。它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子”必然自发的向前和向后扩散，造成谱带展宽。3.传质阻力项Cu§2-3色谱分离条件的选择分离度色谱分离基本方程式分离操作条件的选择分离度R是一个综合性指标。分离度是既能反映柱效率又能反映选择性的指标，称总分离效能指标。R=2(tR2-tR1)/Y1+Y2R值越大，表明相邻两组分分离越好。当R1时，两峰有部分重叠；当R=1时，分离程度可达98%；当R=1.5时，分离程度可达99.7%。色谱分离基本方程式分离度与柱效的关系分离度与容量比的关系分离度与选择性的关系分离度受柱效（n）、选择因子（α）和容量因子（k）三个参数的控制。(1)色谱分离基本方程式在实际应用中，往往用n有效代替n。基本的色谱方程的表达式：（2）分离度与柱效的关系分离度直接和有效塔板数有关，说明有效塔板数能正确地代表柱效能。分离度与理论塔板数的关系还受热力学性质的影响。当固定相确定，被分离物质的α确定后，分离度将取决于n。这时，分离度的平方与柱长成正比，即(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2分离度与容量比的关系根据下图R/Q~k的曲线容量因子与分离度、保留时间的关系曲线当k10时，随容量因子增大，分离度的增长是微乎其微的。一般取k为2~10最宜。对于GC，通过提高温度，可选择合适的k值，以改进分离度。而对于LC，只要改变流动相的组成，就能有效地控制k值。k5.010.015.0RtRR/Q由基本色谱方程式判断，当α=1时，R=0。这时，无论怎样提高柱效也无法使两组分分离。显然，α大，选择性好。研究证明α的微小变化，就能引起分离度的显著变化。一般通过改变固定相和流动相的性质和组成或降低柱温，可有效增大α值。分离度与选择性的关