氣相色譜的原理及定性定量分析

1、.氣相色譜的原理及定性定量分析基本原理氣相色譜是將有機(jī)物分離的一種方法，它也可以對(duì)混合物的組成進(jìn)行定性定量分析。混合物是通過(guò)在流動(dòng)相和固定相中的相作用而分離的。流動(dòng)相和固定相構(gòu)成色譜法的基礎(chǔ)。流動(dòng)相可以有氣體和液體兩種狀態(tài)，固定相則有液體和固體兩種狀態(tài)。流動(dòng)相是氣體的稱作氣相色譜。流動(dòng)相是液體的稱做液相色譜。氣相色譜是一種分配色譜，其固定相是由特定的液體黏附在一些固體基質(zhì)上組成的。各種氣相色譜儀雖然在功能、價(jià)格和操作上有所不同，但其都是由氣流系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所組成的。如下圖：氣相色譜的氣流系統(tǒng)主要包括氣源和氣體純化及調(diào)節(jié)裝置。氣源一部分是作為流動(dòng)相的載氣，我們所使用的載氣

2、是氮?dú)?。氣源的另一部分是作為后期檢測(cè)所用的燃燒氣體，主要是氫氣和空氣。由于進(jìn)入分離系統(tǒng)的氣體純度需要保證，所以不論氣源純度如何，都應(yīng)通過(guò)氣體凈化裝置才能進(jìn)入色譜分離系統(tǒng)。雖然根據(jù)檢測(cè)器或色譜柱不同，氣相色譜的氣體純度有所差異，但所有氣體的純度至少要達(dá)到99以上，許多情況下應(yīng)達(dá)99?99。氣相色譜分離系統(tǒng)包括樣品汽化室和色譜柱兩部分。氣相色譜分離技術(shù)需要所測(cè)有機(jī)物樣品必須在氣態(tài)才能進(jìn)行，因此，首先需要將液態(tài)或固態(tài)的樣品加熱 (100一300)汽化才能進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分離。這樣氣相色譜進(jìn)樣是用人工或自動(dòng)注射的方式將有機(jī)樣品首先注入汽化室。氣相色譜的定性定量分析氣相色譜主要功能不僅是將混合有機(jī)物中的各

3、種成分分離開(kāi)來(lái)，而且還要對(duì)結(jié)果進(jìn)行定性定量分析。所謂定性分析就是確定分離出的各組分是什么有機(jī)物質(zhì)，而定量分析就是確定分離組分的量有多少。色譜在定性分析方面遠(yuǎn)不如其它的有機(jī)物結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)，但在定量分析方面則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它的儀器方法。有機(jī)物進(jìn)入氣相色譜后得到兩個(gè)重要的測(cè)試數(shù)據(jù):色譜峰保留值和面積，這樣氣相色譜可根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定性定量分析。色譜峰保留值是定性分析的依據(jù)，而色譜峰面積則是定量分析的依據(jù)。 定性分析氣相色譜的定性分析主要有保留值定性法、化學(xué)試劑定性法和檢測(cè)器定性法。氣相色譜的保留值有保留時(shí)間和保留體積兩種，現(xiàn)在大多數(shù)情況下均用保留時(shí)間作為保留值。在相同的儀器操作條件和方法下，相同的有機(jī)

4、物應(yīng)有同樣的保留時(shí)間，即在同一時(shí)間出峰。但必須注意：有同樣保留時(shí)間的有機(jī)物并不一定相同。氣相色譜保留時(shí)間定性分析方法就是將有機(jī)樣品組分的保留時(shí)間與已知有機(jī)物在相同的儀器和操作條件下保留時(shí)間相比較，如果兩個(gè)數(shù)值相同或在實(shí)驗(yàn)和儀器容許的誤差范圍內(nèi)，就推定未知物組分可能是已知的比較有機(jī)物。但是，因?yàn)橥挥袡C(jī)物在不同的色譜條件和儀器中保留時(shí)間有很大的差別，所以用保留時(shí)間值對(duì)色譜分離組分進(jìn)行定性只能給初步的判斷，絕對(duì)多數(shù)情況下還需要用其它方法作進(jìn)一步的確認(rèn)。一個(gè)最常用的確證方法是將可能的有機(jī)物加到有機(jī)樣品中再進(jìn)行一次氣相色譜分析，如果有機(jī)樣品中確含已知有機(jī)物的組分，則相應(yīng)的色譜峰會(huì)增大。這樣比較兩次色譜

5、圖峰值的變化，就可以確定前期初步推斷是否正確。 定量分析氣相色譜是對(duì)有機(jī)物各組分定量分析最有效的方法，其準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越光譜和質(zhì)譜等儀器對(duì)有機(jī)物組分的定量分析。所謂定量分析就是要通過(guò)氣相色譜測(cè)試有機(jī)混合樣品中各種組分的準(zhǔn)確含量。氣相色譜的定量分析是指在某些條件限定下，儀器檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)值 (色譜峰面積)與相應(yīng)組分的量或濃度成正比關(guān)系。這樣氣相色譜的定量分析首先要取得很好的分離和定性效果，即有機(jī)混合物中的各組分要被完全分離開(kāi)，沒(méi)有很好分離的氣相色譜結(jié)果是不能進(jìn)行定量分析的。其次要解決色譜峰面積和組分重量的關(guān)系問(wèn)題，這方面涉及色譜峰面積準(zhǔn)確測(cè)量，定量校正因子和定量計(jì)算方法3個(gè)根本性問(wèn)題。因此，氣相色

6、譜的定量分析實(shí)質(zhì)上就是如何測(cè)定色譜峰面積，并在確定定量校正因子的基礎(chǔ)上選擇合適的定量計(jì)算方法。 色譜峰面積測(cè)量有機(jī)樣品進(jìn)入氣相色譜，各組分經(jīng)過(guò)檢測(cè)器就產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)，這種信號(hào)就是色譜峰。信號(hào)的大小與各組分含量相關(guān)，因而色譜峰面積大小就與相應(yīng)組分的濃度顯著相關(guān)。這樣，氣相色譜定量分析首先要準(zhǔn)確得到待分析組分的色譜峰面積。對(duì)于完全分開(kāi)并且對(duì)稱的標(biāo)準(zhǔn)色譜峰面積的確定是很容易的事情，但大多數(shù)情況下氣相色譜峰并不是理想的，對(duì)于這類色譜峰面積的測(cè)量需要采取許多辦法?，F(xiàn)在的氣相色譜儀都有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使用積分儀，在設(shè)定合適的參數(shù)后就可以直接給出色譜峰面積數(shù)據(jù)。色譜峰面積的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要，它是氣相

7、色譜定量分析最基本的數(shù)據(jù)。 定量校正因子由于儀器條件和其它因素的影響，進(jìn)入氣相色譜中有機(jī)物各組分的真實(shí)量或濃度與儀器檢測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)并不完全相同，也就是說(shuō)各組分的量或濃度(W)并不等同于色譜峰面積 (A)，但兩者成正比關(guān)系，可用下式表示:W = f A上式中f是定量校正因子，它與氣相色譜儀器操作條件和檢測(cè)器類型等都有關(guān)系。一般而言，熱導(dǎo)檢測(cè)器在氫氣和氦氣為載氣曠定量校正因子基本上可以通用，兩者誤差不超過(guò)3，但若用氮?dú)庾鬏d氣，則校正因子不再可用。氣相色譜定量校正因子的測(cè)定有很多種方法，也涉及太多的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，但主要原理是用已知組分的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以準(zhǔn)確的量加入到有機(jī)混合樣品中，然后進(jìn)行氣相色譜分析，所

8、得峰面積進(jìn)行必要的計(jì)算分析就可以得到校正因子。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一儀器，同一批有機(jī)物樣品，在做氣相色譜定量分析前都需要測(cè)定定量校正因子，而不能參考文獻(xiàn)或在其它條件下測(cè)定的定量校正因子。定量校正因子測(cè)量一般使用已知濃度的基準(zhǔn)物質(zhì)和被測(cè)物質(zhì)，在設(shè)定的色譜條件下，然后以準(zhǔn)確體積進(jìn)樣，最后根據(jù)所得色譜峰面積和進(jìn)樣量可以依據(jù)下式求出校正因子:f = A1m2 / A2m1上式中A1和A2分別是基準(zhǔn)物質(zhì)和被測(cè)物質(zhì)的色譜峰面積;m1和m2分別是基準(zhǔn)物質(zhì)和被測(cè)物質(zhì)的進(jìn)樣量或濃度。只要有了定量校正因子，就可以根據(jù)色譜峰面積對(duì)各組分進(jìn)行定量分析。必須指出:氣相色譜的定量校正因子是針對(duì)相應(yīng)的組分而言的，也就是說(shuō)氣相色

9、譜圖上的每一個(gè)峰都有一個(gè)校正因子，而不是一個(gè)校正因子適用于全部組分。如表所示:有4種組分的氣相色譜定量分析，4個(gè)峰都有各自的定量校正因子，雖然這4個(gè)校正因子差異不大，但都不能互換使用。 定量計(jì)算方法在得到氣相色譜峰面積和相應(yīng)的定量校正因子后，就可以選擇合適的計(jì)算方法對(duì)相應(yīng)的組分進(jìn)行定量分析了。氣相色譜的定量分析一般采用歸一化法、內(nèi)標(biāo)法和外標(biāo)法三種方法。歸一化法是將有機(jī)樣品中所有組分的含量之和定為100，計(jì)算出其中某一組分含量的百分?jǐn)?shù)。歸一化法的優(yōu)點(diǎn)是方便簡(jiǎn)單，樣品進(jìn)樣量和流動(dòng)相載氣流速等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。主要問(wèn)題是歸一化法必須在有機(jī)樣品中各組分都完全分開(kāi)，即氣相色譜峰面積能準(zhǔn)確地計(jì)算的前提下

10、才能進(jìn)行。因此，歸一化法僅對(duì)組分少，且色譜峰很標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)樣品進(jìn)行定量分析。內(nèi)標(biāo)法是向有機(jī)樣品中加入標(biāo)準(zhǔn)已知含量的純有機(jī)物 (可以和樣品中組分相同，也可以是不相同)進(jìn)行氣相色譜測(cè)定，然后利用欲測(cè)組分和內(nèi)標(biāo)物的色譜峰面積和定量校正因子進(jìn)行定量分析。內(nèi)標(biāo)法的特點(diǎn)是不需要全部組分的色譜峰面積和校正因子，只需欲測(cè)組分和內(nèi)標(biāo)物的色譜峰面積和校正因子就可進(jìn)行定量分析，這就避免了歸一化方法的缺點(diǎn)。內(nèi)標(biāo)法的缺點(diǎn)是需要標(biāo)準(zhǔn)稱取有機(jī)樣品和內(nèi)標(biāo)物的重量，而且選用的內(nèi)標(biāo)物必須能與有機(jī)樣品有很好的互溶性，且不能與樣品中任一組分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。另外，內(nèi)標(biāo)物還必須不與樣品中的任一組分峰重疊，且最好能在欲測(cè)組分色譜峰附近出峰，以

11、減少誤差。若選用有機(jī)樣品中相同組分的純物質(zhì)作為內(nèi)標(biāo)物，則首先要在相同條件下測(cè)定末加內(nèi)標(biāo)物的樣品氣相色譜圖，然后再測(cè)試加入內(nèi)標(biāo)物的樣品氣相色譜，然后通過(guò)對(duì)兩種情況下相關(guān)色譜峰面積的差異，經(jīng)過(guò)必要的轉(zhuǎn)換，計(jì)算出相應(yīng)組分的含量。外標(biāo)法是在進(jìn)樣量、色譜儀器及操作等分析條件嚴(yán)格固定不變的前提下，先使用不同含量的組分純物質(zhì)等量進(jìn)樣進(jìn)行色譜分析，求出純物質(zhì)含量和色譜峰面積的關(guān)系，并給出相應(yīng)的定量校證曲線或給出線性方程式。然后將有機(jī)樣品在相同條件下進(jìn)行色譜分析，并根據(jù)定量校正曲線或線性方程式，計(jì)算出所需組分的定量分析結(jié)果。外標(biāo)法方法也比較簡(jiǎn)便，尤其適合相同樣品的大批量測(cè)試，這對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)或環(huán)境中某種有機(jī)物的檢

12、測(cè)或控制非常有效。但這一方法對(duì)液體或揮發(fā)性不好的有機(jī)物組分定量分析時(shí)，往往誤差較大。氣相色譜定性定量分析 字體： 大 中 小進(jìn)入論壇 一定性分析 氣相色譜的優(yōu)點(diǎn)是能對(duì)多種組分的混合物進(jìn)行分離分析，（這是光譜、質(zhì)譜法所不能的）。但由于能用于色譜分析的物質(zhì)很多，不同組分在同一固定相上色譜峰出現(xiàn)時(shí)間可能相同，進(jìn)憑色譜峰對(duì)未知物定性有一定困難。對(duì)于一個(gè)未知樣品，首先要了解它的來(lái)源、性質(zhì)、分析目的；在此基礎(chǔ)上，對(duì)樣品可有初步估計(jì)；再結(jié)合已知純物質(zhì)或有關(guān)的色譜定性參考數(shù)據(jù)，用一定的方法進(jìn)行定性鑒定。 （一）利用保留值定性1. 已知物對(duì)照法 各種組分在給定的色譜柱上都有確定的保留值，可以作為定性指標(biāo)。即通過(guò)

13、比較已知純物質(zhì)和未知組分的保留值定性。如待測(cè)組分的保留值與在相同色譜條件下測(cè)得的已知純物質(zhì)的保留值相同，則可以初步認(rèn)為它們是屬同一種物質(zhì)。由于兩種組分在同一色譜柱上可能有相同的保留值，只用一根色譜往定性，結(jié)果不可靠?？刹捎昧硪桓鶚O性不同的色譜柱進(jìn)行定性，比較未知組分和已知純物質(zhì)在兩根色譜柱上的保留值，如果都具有相同的保留值，即可認(rèn)為未知組分與已知純物質(zhì)為同一種物質(zhì)。 利用純物質(zhì)對(duì)照定性，首先要對(duì)試樣的組分有初步了解，預(yù)先準(zhǔn)備用于對(duì)照的已知純物質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照品）。該方法簡(jiǎn)便，是氣相色譜定性中最常用的定性方法。 2. 相對(duì)保留值法 對(duì)于一些組成比較簡(jiǎn)單的已知范圍的混合物或無(wú)已知物時(shí)，可選定一基準(zhǔn)物按

14、文獻(xiàn)報(bào)道的色譜條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算兩組分的相對(duì)保留值： (5) 式中：i-未知組分；s-基準(zhǔn)物。 并與文獻(xiàn)值比較，若二者相同，則可認(rèn)為是同一物質(zhì)。（ris僅隨固定液及柱溫變化而變化。） 可選用易于得到的純品，而且與被分析組分的保留值相近的物質(zhì)作基準(zhǔn)物。 2. 保留指數(shù)法 又稱為Kovats指數(shù)，與其它保留數(shù)據(jù)相比，是一種重現(xiàn)性較好的定性參數(shù)。 保留指數(shù)是將正構(gòu)烷烴作為標(biāo)準(zhǔn)物，把一個(gè)組分的保留行為換算成相當(dāng)于含有幾個(gè)碳的正構(gòu)烷烴的保留行為來(lái)描述，這個(gè)相對(duì)指數(shù)稱為保留指數(shù)，定義式如下： (6) IX為待測(cè)組分的保留指數(shù)，z與 z+n 為正構(gòu)烷烴對(duì)的碳數(shù)。規(guī)定正己烷、正庚烷及正辛烷等的保留指數(shù)為600

15、、700、800，其它類推。 在有關(guān)文獻(xiàn)給定的操作條件下，將選定的標(biāo)準(zhǔn)和待測(cè)組分混合后進(jìn)行色譜實(shí)驗(yàn)（要求被測(cè)組分的保留值在兩個(gè)相鄰的正構(gòu)烷烴的保留值之間）。由上式計(jì)算則待測(cè)組分X的保留指數(shù)IX，再與文獻(xiàn)值對(duì)照，即可定性。 3. 聯(lián)用技術(shù) 氣相色譜對(duì)多組分復(fù)雜混合物的分離效率很高，但定性卻很困難。而質(zhì)譜、紅外光譜和核磁共振等是鑒別未知物的有力工具，但要求所分析的試樣組分很純。因此，將氣相色譜與質(zhì)譜、紅外光譜、核磁共振譜聯(lián)用，復(fù)雜的混合物先經(jīng)氣相色譜分離成單一組分后，再利用質(zhì)譜儀、紅外光譜儀或核磁共振譜儀進(jìn)行定性。未知物經(jīng)色譜分離后，質(zhì)譜可以很快地給出未知組分的相對(duì)分子質(zhì)量和電離碎片，提供是否含有

16、某些元素或基團(tuán)的信息。紅外光譜也可很快得到未知組分所含各類基團(tuán)的信息。對(duì)結(jié)構(gòu)堅(jiān)定提供可靠的論據(jù)。近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，大大促進(jìn)了氣相色譜法與其它方法聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展。 二定量分析 在一定的色譜操作條件下，流入檢測(cè)器的待測(cè)組分i的含量mi（質(zhì)量或濃度）與檢測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)（峰面積A或峰高h(yuǎn)）成正比： mi = fiAi 或 mi= fi hi 式中，fi 為定量校正因子。要準(zhǔn)確進(jìn)行定量分析，必須準(zhǔn)確地測(cè)量響應(yīng)信號(hào)，確求出定量校正因子fi 。 此兩式是色譜定量分析的理論依據(jù)。1峰面積的測(cè)量 (1)峰高乘半峰寬法：對(duì)于對(duì)稱色譜峰，可用下式計(jì)算峰面積： (7) 在相對(duì)計(jì)算時(shí)，系數(shù)1.06可約去

17、。 （2）峰高乘平均峰寬法： (8)對(duì)于不對(duì)稱峰的測(cè)量，在峰高0.15和0.85處分別測(cè)出峰寬，由下式計(jì)算峰面積： 此法測(cè)量時(shí)比較麻煩，但計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。（3）自動(dòng)積分法 具有微處理機(jī)（工作站、數(shù)據(jù)站等），能自動(dòng)測(cè)量色譜峰面積，對(duì)不同形狀的色譜峰可以采用相應(yīng)的計(jì)算程序自動(dòng)計(jì)算，得出準(zhǔn)確的結(jié)果，并由打印機(jī)打出保留時(shí)間和A或h等數(shù)據(jù)。 2. 定量校正因子 由于同一檢測(cè)器對(duì)不同物質(zhì)的響應(yīng)值不同，所以當(dāng)相同質(zhì)量的不同物質(zhì)通過(guò)檢測(cè)器時(shí)，產(chǎn)生的峰面積（或峰高）不一定相等。為使峰面積能夠準(zhǔn)確地反映待測(cè)組分的含量，就必須先用已知量的待測(cè)組分測(cè)定在所用色譜條件下的峰面積，以計(jì)算定量校正因子。 (9)式中： fi

18、 稱為絕對(duì)校正因子，即是單位峰面積所相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)量。它與檢測(cè)器性能、組分和流動(dòng)相性質(zhì)及操作條件有關(guān)，不易準(zhǔn)確測(cè)量。在定量分析中常用相對(duì)校正因子，即某一組分與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的絕對(duì)校正因子之比，即： (10)式中： Ai、As分別為組分和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的峰面積； mi、ms分別為組分和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的量。mi、ms可以用質(zhì)量或摩爾質(zhì)量為單位，其所得的相對(duì)校正因子分別稱為相對(duì)質(zhì)量校正因子和相對(duì)摩爾校正因子，用 fm 和 fM 表示。使用時(shí)常將“相對(duì)”二字省去。校正因子一般都由實(shí)驗(yàn)者自己測(cè)定。準(zhǔn)確稱取組分和標(biāo)準(zhǔn)物，配制成溶液，取一定體積注入色譜柱，經(jīng)分離后，測(cè)得各組分的峰面積，再由上式計(jì)算fm 或 fM 。 4. 定量方法（1）歸一化法：如果試樣中所有組分均能流出色譜柱，并在檢測(cè)器上都有響應(yīng)信號(hào)，都能出現(xiàn)色譜峰，可用此法計(jì)算各待測(cè)組分的含量。其計(jì)算公式如下： (11) 歸一化法簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確，進(jìn)樣量多少不影響定量的準(zhǔn)確性，操作條件的變動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響也較小，尤其適用多組分的同時(shí)測(cè)定。但若試樣中有的組分不能出峰，則不能采用此法。 （2）內(nèi)標(biāo)法： 內(nèi)標(biāo)法是在試樣中加入一定量的純物質(zhì)作為內(nèi)標(biāo)物來(lái)測(cè)定組分的含量。內(nèi)標(biāo)物應(yīng)選用試樣中不存在的純物質(zhì)，其色譜峰應(yīng)位于待測(cè)組分色譜峰附近或幾個(gè)待測(cè)組分色譜峰的中間，并與待測(cè)組分完全分離，內(nèi)標(biāo)物的加入量也應(yīng)接近試樣中待測(cè)組分的含量。具體作法是準(zhǔn)確稱取m（g）試樣，加入