第7章-气相色谱法

1第7章气相色谱法7.1.1气相色谱仪与色谱图1色谱法是一种重要的分离、分析技术，它是将待分析样品的各组分一一进行分离，然后按顺序检测各组分的含量。色谱法是1906年由俄国植物学家茨维特（M.Tswett）创立的。7.1色谱法概述2洗出液固定相(CaCO3)色谱柱流动相(石油醚)黄色层(胡萝卜素)黄色层(叶黄素)绿色层(叶绿素A)图7-1植物叶绿素的分离36进样放空851234放大器7恒温箱记录器图7.2气相色谱流程示意图1.高压气瓶；2.减压阀（使高压气体降至~1.5kg/cm2)；3.净化器(除掉载气中的水、氧等有害气体)，4.气流调节阀；5.转子流量计(测定其流速)；6.气化室；7.色谱柱；8.检测器42、色谱法的分类（1）．按流动相和固定相所处状态分类表7-1色谱法分类流动相气体液体方法名称气相色谱（GC）液相色谱（LC）固定相固体吸附剂液体固体吸附剂液体分离依据吸附分配吸附分配方法名称气-固色谱（GSC）气-液色谱（GLC）气-液分配谱（GLPC）液-固色谱（LSC）液-液色谱（LLC）5（2）.按固定相的固定方式分类柱色谱法：固定相装在色谱柱中纸色谱法：用滤纸作固定相，水分子作流动相薄层色谱法：将吸附剂粉末制成薄层作固定相（3）按分离过程的机制分类吸附色谱法：利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离分配色谱法：利用不同组分在两相中有不同分配系数来进行分离离子交换色谱法：利用离子交换原理排阻色谱法：利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用63、色谱法的特点和应用优点及应用：（1）.分离效能高能在较短的时间内对组成极为相近的混合物同时进行分离和测定。（2）.灵敏度高可检测10-11～10-13g的物质，适于作痕量分析。（3）.分析速度快一般只需几分钟或几十分钟便可完成一个分析周期，一次分析可同时测定多种组分。（4）.应用范围广可分析气体、液体和固体物质。不适于色谱分离或检测的物质，可通过化学衍生等方法转化为适于色谱分离、分析的物质。7缺点：对未知物的定性分析比较困难。发展高选择性的检测器，发展色谱与其它分析方法联用（如色谱-质谱、色谱-红外光谱、色谱-电化学等），就可以解决未知物的定性分析问题，并更能发挥色谱法高分离效能的特点，大大提高分析工作的水平。87.1.2色谱图及常用术语试样各组分经色谱柱分离后，从柱后流出进入检测器，检测器将各组分浓度（或质量）的变化转换为电压（或电流）信号，再由记录91、基线当没有待测组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器噪声随时间变化的曲线称为基线。如图6-2中的OCJ图7.3色谱图A′信号O′tMO01/2h0.607hY1/2空气峰GEB′BICAFHW进样2tRt’RIW1/2102、峰高从色谱峰顶点到基线的距离叫峰高，以h表示：如图7-2中的AB’3、区域宽度（1）.标准偏差σ拐点（位于0.607倍峰高处）间距离的一半，即图6-2中的1/2EF。（2）.半峰宽ω1/2峰高一半处的峰宽度，如图7-2中的GH。半峰宽容易测量，使用方便。ω1/2＝2.354σ(7.1)（3）.峰底宽度ωb在色谱峰两边的转折点所画的切线与基线相交的截距，如图7-2中的IJ。如图7-2中的点E和F。峰底宽ωb＝4σ114、保留值（1）.保留时间tR从进样开始到色谱峰最大值出现时所需要的时间，称为保留时间。（2）.死时间tM不被固定相保留的组分，从进样到出现峰极大值所需要的时间称为死时间。式中L为柱长（cm）；为流动相平均线速度（cm/s）。LtM(7.2)12（3）.调整保留时间指组分的保留时间与死时间之差值t’R=tR–tM(7-3)实际上就是组分被固定相滞留的总时间。反映了组分与固定相之间的作用，tM反映了柱内流动相所占体积大小，而与组分性质无关。（4）.保留体积VR从进样开始到色谱峰最大值出现时所通过的流动相的体积。单位:mL(7-4)RcRtFV13:流动相平均体积流速（5）.死体积VM不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积:VM=tM(7-5)（6）.调整保留体积保留体积减去死体积，叫做调整保留体积，即组分停留在固定相时所消耗的流动相体积。V’R＝VR－VM＝t’R(7-6)cFcFcF14(7)相对保留值2,1组分2与组分1的调整保留时间之比：在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准(s)，然后再求其它峰对这个峰的相对保留值，此时可用表示：又称为选择因子。'1'2'1'21,2RRRRVVtt（7.7))()(''jtitRR（7.8)157.2气相色谱固定相气相色谱固定相分为两类：用于气固色谱的固体吸附剂用于气液色谱的固液体固定相（包括固定液和载体）167.2.1气液色谱固定相1载体（担体）（1）对担体的要求：为多孔性固体颗粒，起支持固定液的作用。①表面应是化学惰性的（化学稳定性好）；②比表面积大；③热稳定性好；④粒度均匀，有足够的机械强度。17(2)．载体的分类：载体硅藻土型载体非硅藻土型载体红色载体：结构紧密，强度较好，但表面存在吸附中心，不宜涂极性固定液。白色载体：含有助熔剂Na2CO3，结构疏松，表面吸附性小，可与极性固定液配合使用，但强度较差。玻璃微球载体石英微球载体氟塑料载体18(3).硅藻土载体的预处理普通硅藻土表面并非完全惰性的，仍有不同程度的活性中心，特别是在固定液用量较小并用于分析极性样品时，表面的非惰性就会对分离有明显的影响，使柱效降低，色谱峰拖尾。在涂渍固定液前，应对载体进行预处理，使其表面钝化。常用的预处理方法有:酸洗（除去碱性作用基团）、碱洗（除去酸性作用基团）、硅烷化（消除氢键结合力）、釉化（表面玻璃化、堵住微孔）等处理方法。192.固定液(1).对固定液的要求①挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。②在使用温度下为液体，热稳定性及化学稳定性好。③在操作温度下粘度要低，以保证固定液能均匀地分布在载体上形成均匀的液膜。④能溶解被分离混合物中各组分，使各组分有足够的分离能力。20(2)．固定液和组分分子间的作用力主要包括静电力、诱导力、色散力和氢键力①静电力也称定向力.由于极性分子有永久偶极矩，彼此间产生的静电作用所引起。在极性固定液柱上分离极性样品时，分子间的作用力主要是静电力。这种静电力越强，该组分在柱内滞留的时间就越长。由于静电力的大小与绝对温度成反比，所以，对于这种柱子，升高柱温对分离不利。②诱导力存在于极性分子和非极性分子之间，由于在极性分子永久偶极矩电场的作用下，非极性分子也会极化而产生诱导偶极矩。21③色散力是非极性分子间存在的一种作用力。由于分子中正负电中心瞬间相对位置的变化，产生周期性变化的瞬间偶极矩，使周围分子极化，极化了的分子又反过来加剧瞬间偶极矩变化的幅度，从而产生色散力。非极性和弱极性分子间主要是色散力。④氢键力当分子中一个氢原子和一个电负性（原子的电负性是原子吸引电子的能力，电负性越大，吸引电子的能力越强）很大的原子（以X表示，如F、O、N等）构成共价时，它又能和另一个电负性很大的原子（以Y表示）形成一种强有力的有方向性的静电吸引力，这种能力叫做氢键作用力。22氢键的强弱还与Y的半径有关，半径越小，愈易靠近X－Y，因而氢键愈强。氢键的类型和强弱次序为：F－Ｈ…ＦO－Ｈ…ＯＯ－Ｈ…ＮＮ－Ｈ…ＮＮ≡Ｃ－Ｈ…Ｎ(3)固定液的特性①相对极性规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液β,β’-氧二丙腈的极性为100。然后选一对物质（如正丁烷-丁二烯）来进行实验，分别测定其在β,β′-氧二丙腈、角鲨烷及欲测极性固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数，得到：23被测固定液的相对极性为：式中下标0，s和x分别表示β,β’-氧二丙腈、角鲨烷及欲测极性固定液。)(lg'')(正丁烷丁二烯RRttq(7.9)sxxqqqqP00)(100100(7.10)24由此测得的各种固定液的相对极性均在0~100之间。将其分为五级，每20单位为一级：0～+1非极性固定液+1～+2弱极性固定液+3中等极性固定液+4～+5强极性固定液257.126②固定液特征常数A.罗氏常数相对极性并不能全面反应组分和固定液分子间的全部作用力。Rohrschneider（罗氏）提出用保留指数的差值I来表示固定液的相对极性。选用五种标准物质表征固定液的特性：苯（电子给予体）：代表易极化物质；乙醇（质子给予体）：代表氢键化合物；甲乙酮（质子接受体）：代表接受氢键能力强的化合物；硝基甲烷（质子接受体）：代表特殊氢键化合物；吡啶（质子接受体）：代表氮杂环上可形成大π键化合物。27若分别测定这五种标准物质的被测固定液和参比固定液（角鲨烷）上的保留指数，可得五种标准物质的保留指数差值：I=Ip–Is(7.11)I–任一标准物质保留指数差值Ip、Is-分别为任一标准物质在被测固定液和参比固定液的保留指数。I，固定液和分子间作用力罗氏常数用I/100表示。287.229B.麦氏（McReynolds)常数选用苯、正丁醇、2-戊酮、1-硝基丙烷、吡啶、2-甲基-2-戊醇、碘丁烷、2-辛炔、二氧六环、顺八氢化茚10种物质，在柱温120oC下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的I值。归纳后，只用前五种物质足以表达固定液的相对极性，把该五项之和称为总极性。307.3317.2.2气固色谱固定相1吸附剂多孔、大表面、具有吸附活性的固体物质。优点：吸附容量大，耐高温无流失，适于分离永久性气体（在色谱柱中是指在常温常压下为气态的气体）和低沸点物质。缺点：吸附等温线不呈线性关系，进样量稍大就得不到对称峰。常用的有非极性的活性炭，弱极性的氧化铝，强极性的硅胶等。322聚合物固定相以苯乙烯或乙基苯乙烯为单体，二乙烯基苯为交链剂共聚而成。优点：（1）这类固定相颗粒是均匀的圆球，所以色谱柱易填充均匀，结果重现性好；（2）在直接用作固定相时，无液膜存在，也就无流失问题，有利于大幅度程序升温操作，用于宽沸点的样品的分离。337.3色谱分离原理7.3.1分配系数和分配比1分配系数K分配系数K又称平衡常数，是指在一定的温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相中的浓度cs与在流动相中的浓度cm之比，即：（7.12)msccK溶质在流动相中的浓度溶质在固定相中的浓度342分配比κ分配比κ又称容量因子或容量比，是在一定温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相中质量ms和在流动相中质量mm之比，即：（7.13)(7.14)cs、cm意义同前，Vs和Vm分别为柱中固定相和流动相的体积。msmmk组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量mmssmsVcVcmmk35分配比k的测定：可直接从色谱图测得。设流动相在柱内的线速度为u，组分在柱内线速度为us,定义此两速度之比为滞留因子Rs：Rs=us/u(7.15)若用质量分数表示Rs，则（7.16)组分和流动相通过长度为L的色谱柱时，所需时间分别为：kmmmmmRmssmms111136tR=L/us(7.16)tM=L/u(7.17)整理式(7.12)~(7.15),可得：tR=tM(1+k)(7.18)MRMRMMRVVtttttk''(7.19)373分配系数K与分配比k的关系β：相比率。填充柱β：6~35毛细管柱β：60~6004分配系数K及分配比k与选择因子α的关系根据式(7.8),(7.19)和(7.20)kVVkVmVmccKsmmmssms//(7.20))()()()()()(''AKBKAkBkAtBtRR(7.21)387.3.2塔板理论该理论假定：A组分可以在两相中迅速达到平衡；B载气以脉冲式进入色谱柱；且每次进气为一个塔板体积；C所有组分开始时存在于第0块塔板，沿轴向（纵向）的扩散可忽略不计；D分配系数在所有的塔板上为一常数。39理论塔板高度（H）：为使组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需要的柱长。理论塔板数（n）：组分流过色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数。当色谱柱长为L时，则