氣相色譜分析

1、第二章 氣相色譜分析§2-1 概述一、“色譜法”這一名詞的由來1色譜法是一種分離技術(shù)，應(yīng)用于分析化學(xué)中，就是色譜分析。21906年，俄國植物學(xué)家茨維特首先提出色譜法。當時他做了如下實驗：將植物色素的石油醚抽提液倒入一根裝有CaCO3固體的豎直玻璃管中，并再加入純的石油醚，任其自由流下。結(jié)果在管內(nèi)形成了不同顏色的譜帶，即說明溶液中不同的色素得到分離?！吧V”一詞由此得名。后來這種方法（即分離技術(shù)）應(yīng)用于分析化學(xué)中就被稱為“色譜法”。3“色譜法”一詞現(xiàn)已失去原有的含義，因為色譜法不僅應(yīng)用于有色物質(zhì)的分析，而且已被廣泛應(yīng)用于無色物質(zhì)的分析，但由于人們已習(xí)慣于使用這一名詞，故至今仍被沿用。二

2、、分離的依據(jù)（或原理）使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，即固定的，稱之為固定相。另一相是攜帶混合物流過此固定相的流體（如液體或氣體），稱之為流動相。當流動相中所含混合物經(jīng)過固定相時，就會與固定相發(fā)生作用。由于各組分在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異，與固定相作用的大小、強弱也有差異。因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后順序從固定相中流出。這種借在兩相間分配原理而使混合物中各組分分離的技術(shù)就稱為色譜分離技術(shù)或色譜法，又稱色層法或?qū)游龇āＨ?、簡單分類色譜法有許多種類型，從不同的角度出發(fā)，有各種分類法。1按兩相所處的狀態(tài)分類a按流動相的物態(tài)：可分為氣相色譜法（

3、氣-固色譜法和氣-液色譜法）和液相色譜法（液-固色譜法和液-液色譜法）b按固定相的物態(tài)：可分為氣-固色譜法（固定相為固體）和氣-液色譜法（固定相為液體）2按固定相的使用形式分類a柱色譜法固定相裝在色譜柱中。b紙色譜法濾紙為固定相。c薄層色譜法將吸附劑粉末制成薄層作固定相。3按分離過程的機制分類a吸附色譜法利用吸附劑表面對不同組分的物理吸附性能的差異進行分離。b分配色譜法利用不同組分在兩相中有不同的分配系數(shù)來分離。c離子交換色譜法利用離子交換原理。d排阻色譜法利用多孔性物質(zhì)對不同大小分子的排阻作用等等。本章只討論氣相色譜法。氣相色譜法是以氣體作為流動相的一種色譜法。在此法中，載氣（是不與被測組分

4、作用，用來載送試樣的惰性氣體，如氫氣、氮氣等）載著欲分離的試樣通過色譜柱中的固定相，使試樣中各組分得到分離，然后分別由檢測器檢測，得到如下色譜圖。圖2-1 色譜圖色譜圖：是以組分的濃度變化為縱坐標，流出時間為橫坐標的曲線，稱為色譜流出曲線。四、氣相色譜儀一般由以下五個部分組成：1載氣系統(tǒng)：包括氣源、氣體凈化和氣體流速控制部件。2進樣系統(tǒng)：包括進樣器、汽化室。3色譜柱和柱箱：包括溫度控制裝置。4檢測系統(tǒng)：包括檢測器、放大器、檢測器的電源控制裝置。5記錄系統(tǒng)（記錄及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）：早期采用記錄儀，現(xiàn)采用積分儀或色譜工作站。五、氣相色譜流出曲線及有關(guān)術(shù)語（一）關(guān)于基線的術(shù)語（1）基線：當色譜柱后沒有

5、組分進入檢測器時，在實驗操作條件下，反映檢測器系統(tǒng)噪聲隨時間變化的線稱為基線。穩(wěn)定的基線是一條直線。（2）基線漂移：指基線隨時間定向的緩慢變化。（3）基線噪聲：指由各種因素所引起的基線起伏。（二）保留值1用時間表示（1）死時間：指不被固定相吸附或溶解的氣體（如空氣、甲烷等）從進樣開始到柱后出現(xiàn)濃度最大值時所需的時間。（2）保留時間：指被測組分從進樣開始到柱后出現(xiàn)濃度最大值時所需的時間。（3）調(diào)整保留時間：指扣除死時間后的保留時間。 2用體積表示（1）死體積：指色譜柱在填充后柱管內(nèi)固定相顆粒間所剩留的空間、色譜儀中管路和連接頭間的空間以及檢測器的空間的總和。因后兩項一般很小而被忽略，此時，死體積

6、可由死時間與色譜柱出口的載氣體積流量（mL·min-1）來計算，即 （2）保留體積：指從進樣開始到柱后被測組分出現(xiàn)濃度最大時所通過的載氣體積，即 與載氣流量無關(guān)。載氣流量大，保留時間相應(yīng)降低，而兩者乘積仍為常數(shù)。（3）調(diào)整保留體積：指扣除死體積后的保留體積，即 或 同樣，與載氣流量無關(guān)。死體積反映了柱和儀器系統(tǒng)的幾何特性，它與被測物的性質(zhì)無關(guān)，故保留體積值中扣除死體積后將更合理地反映被測組分的保留特性。（三）相對保留值指某組分2的調(diào)整保留值與另一組分1的調(diào)整保留值之比，即 相對保留值的優(yōu)點是，只要柱溫、固定相性質(zhì)不變，即使柱徑、柱長、填充情況及流動相流速有所變化，值仍保持不變。因此它

7、是色譜定性分析的重要參數(shù)。也可用來表示固定相（色譜柱）的選擇性。值越大，相鄰兩組分的相差越大，分離得越好，=1時，兩組分不能分離。也可用表示。（四）區(qū)域?qū)挾壬V峰區(qū)域?qū)挾仁巧V流出曲線中一個重要參數(shù)。從色譜分離角度著眼，希望區(qū)域?qū)挾仍秸胶?。通常度量色譜峰區(qū)域?qū)挾扔腥N方法。（1）標準偏差：即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。如圖2-2中的一半。（2）半峰寬度：又稱半寬度或區(qū)域?qū)挾?，即峰高為一半處的寬度，如圖2-2中的，它與標準偏差的關(guān)系為 （3）峰底寬度：自色譜峰兩側(cè)的轉(zhuǎn)折點所作切線在基線上的截距，如圖2-2中的所示。它與標準偏差的關(guān)系為 利用色譜流出曲線可以解決以下問題：（1）根據(jù)色譜峰

8、的位置（保留值）可以進行定性檢定；（2）根據(jù)色譜峰的面積或峰高可以進行定量測定；（3）根據(jù)色譜峰的位置及其寬度，可以對色譜柱分離情況進行評價。圖2-2 色譜流出曲線圖§2-2 氣相色譜分析理論基礎(chǔ)氣相色譜分析法包括氣-固和氣-液兩種方法。一、氣-固色譜分析和氣-液色譜分析的基本原理1、色譜柱：包括填充柱和毛細管柱兩種。填充柱：內(nèi)裝固定相，通常用金屬（如銅或不銹鋼）或玻璃制成，內(nèi)徑2-6mm，長0.5-10m的U形的或螺旋形的管子。毛細管柱：將固定液均勻涂在毛細管的內(nèi)壁。內(nèi)徑0.1-0.5mm。長20-200m?，F(xiàn)以填充柱為例簡要說明色譜分離的原理。在填充柱內(nèi)填充的固定相有兩類，即氣-

9、固色譜分析中的固定相和氣液色譜分析中的固定相。氣-固色譜分析中的固定相是一種具有多孔性及較大面積的吸附劑顆粒。氣-液色譜分析中的固定相是在化學(xué)惰性的固體微粒（此固體是用來支持固定液的，稱為擔體）表面，涂上一層高沸點有機化合物的液膜。這種高沸點有機化合物稱為固定液。2、分配過程：物質(zhì)在固定相和流動相（氣相）之間發(fā)生的吸附、脫附和溶解、揮發(fā)的過程，叫做分配過程。3、分配系數(shù)K：在一定溫度下組分在兩相之間分配達到平衡時的濃度比稱為分配系數(shù)K。 分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。在實際工作中，常應(yīng)用另一表征色譜分配平衡過程的參數(shù)分配比。分配比也稱容量因子或容量比，以表示。4、分配比：是指在一定溫度、壓力下，在

10、兩相間達到分配平衡時，組分在兩相中的質(zhì)量比，即 5、分配比與分配系數(shù)的關(guān)系： 式中，為色譜中流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積；為色譜柱中固定相體積，在氣-液色譜分析中它為固定液體積，在氣-固色譜分析中則為吸附劑表面容量。與之比稱為相比，以表示，它反映了各種色譜柱柱型及其結(jié)構(gòu)的重要特性。例如，填充柱的值約為6-35，毛細管柱的值為50-1500。二、色譜分離的基本理論1塔板理論在色譜分離技術(shù)發(fā)展的初期，人們將色譜分離過程比擬作蒸餾過程，因而直接引用了處理蒸餾過程的概念、理論和方法來處理色譜過程，即將連續(xù)的色譜過程看作是許多小段平衡過程的重復(fù)。這是個半經(jīng)驗理論。塔板理論假定：（1）在這樣一

11、個小段間隔內(nèi)，氣相平均組成與液相平均組成可以很快地達到分配平衡。這樣達到分配平衡的一小段柱長稱為理論塔板高度H；（2）載氣進入色譜柱，不是連續(xù)的而是脈動式的，每次進氣為一個板體積；（3）試樣開始時都加在第0號塔板上，且試樣沿著色譜柱方向的擴散（即縱向擴散）可忽略不計；（4）分配系數(shù)在各個塔板上是常數(shù)。為簡單起見，設(shè)色譜柱由5塊塔板組成，r表示塔板編號，r = 0，1，2，n-1，某組分的分配比=1。若有單位質(zhì)量，即m=1（1mg或1ug）的某組分，根據(jù)上述假定，開始時，該組分首先加到第0號塔板上，分配情況如下：圖2-3 組分從n=5柱中流出曲線圖流出曲線上的濃度與時間的關(guān)系可由下式表示：式中，

12、為進樣濃度，為保留時間，為標準偏差，為時間時在柱出口的濃度。此式稱為色譜流出曲線方程式。 由塔板理論可以導(dǎo)出n與色譜峰半峰寬度或峰底寬度的關(guān)系，即 而 由上兩式可見，色譜峰越窄，塔板數(shù)n越多，理論塔板高度就越小，此時柱效越高。因而n或H可作為描述柱效能的一個指標。 塔板理論在解釋流出曲線的形狀（正態(tài)分布）、濃度極大點的位置以及計算評價柱效能等方面都取得了成功。但因其某些基本假設(shè)是不當?shù)?，例如縱向擴散是不能忽略的，分配系數(shù)與濃度無關(guān)只有在有限的濃度范圍內(nèi)成立，而且色譜體系幾乎沒有真正的平衡狀態(tài)。因此塔板理論不能解釋塔板高度是受哪些因素影響的這個本質(zhì)問題，也不能解釋為什么在不同流量（）下可以測得不

13、同的理論塔板數(shù)這一實驗事實。盡管如此，由于以n或H作為柱效能指標還是很直觀，因而迄今仍為色譜工作者所接受。2速率理論1956年荷蘭學(xué)者范第姆特（Van Deemter）等提出了色譜過程的動力學(xué)理論，他們吸收了塔板理論的概念，并把影響塔板高度的動力學(xué)因素結(jié)合進去，導(dǎo)出了塔板高度H與載氣線速度的關(guān)系： 上式為范第姆特方程的簡化式。式中，A，B，C為三個常數(shù)，其中A稱為渦流擴散系數(shù)，B為分子擴散系數(shù)，C為傳質(zhì)阻力系數(shù)。各項的物理意義：（1）渦流擴散項：氣體碰到填充物顆粒時，不斷地改變流動方向，使試樣組分在氣相中形成類似“渦流”的流動，因而引起色譜峰的擴張。（2）分子擴散項或稱縱向擴散項：由于試樣組分

14、被載氣帶入色譜柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空間中，在“塞子”的前后（縱向）存在著濃差而形成濃度梯度，因此使運動著的分子產(chǎn)生縱向擴散。分子擴散項系數(shù)為 式中，為因載體填充在柱內(nèi)而引起氣體擴散路徑的因數(shù)（彎曲因子），為組分在氣相中的擴散系數(shù)（單位）。（3）傳質(zhì)項：系數(shù)包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)兩項。所謂氣相傳質(zhì)過程是指試樣組分從氣相移動到固定相表面的過程，在這一過程中試樣組分將在兩相間進行質(zhì)量交換，即進行濃度分配。這種過程若進行緩慢，表示氣相傳質(zhì)阻力大，就引起色譜峰擴張，對于填充柱 式中，為容量因子。由上式可見，氣相傳質(zhì)阻力與填充物粒度的平方成正比，與組分在載氣流中的擴散

15、系數(shù)成反比。因此采用粒度小的填充物和相對分子質(zhì)量小的氣體（如氫氣）作為載氣可使減小，可提高柱效。所謂液相傳質(zhì)過程是指試樣組分從固定相的氣液界面移動到液相內(nèi)部，并發(fā)生質(zhì)量交換，達到分配平衡，然后又返回氣液界面的傳質(zhì)過程。這個過程也需要一定時間，在此時間內(nèi)，氣相中組分的其他分子仍隨載氣不斷地向柱出口運動，這也造成峰形的擴張。液相傳質(zhì)阻力系數(shù)為因此固定相的液膜厚度薄，組分在液相的擴散系數(shù)大，則液相傳質(zhì)阻力就小。 對于填充柱，固定液含量較高（早期固定液含量一般為20%-30%）。中等線速時，塔板高度的主要控制因素是液相傳質(zhì)項，而氣相傳質(zhì)項數(shù)值很小，可以忽略。然而隨著快速色譜的發(fā)展，在用低固定液含量柱、

16、高載氣線速度進行快速分析時，對的影響不但不能忽略，甚至?xí)蔀橹饕刂埔蛩?。將常?shù)項的關(guān)系式代入簡化式得由上式可見，范第姆特方程對于分離條件的選擇具有指導(dǎo)意義。它可以說明，填充均勻程度、擔體粒度、載氣種類、載氣流速、柱溫 、固定相液膜厚度等對柱效、峰擴張的影響。§2-3 色譜分離條件的選擇一、分離度 圖2-4 色譜分離的兩種情況1相鄰兩組分怎樣才算達到完全分離？第一，色譜峰之間的距離必須足夠大；第二，峰必須足夠窄。2分離度定義：相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩個組分色譜峰峰底寬度總合之半的比值。 或 與的物理意義是一致的，但數(shù)值不同，應(yīng)用時要注意所采用分離度的計算方法。3分離完全的標志：

17、從理論上可以證明，若峰形對稱且滿足于正態(tài)分布，則當R=1時，分離程度可達到98%；當R=1.5時，分離程度可達到99.7%。因而可用R=1.5來作為相鄰兩峰已完全分開的標志。 二、色譜分離基本方程 上式為色譜分離基本方程式。它表明隨體系的熱力學(xué)性質(zhì)（和）的改變而變化，也與色譜柱條件（改變）有關(guān)。而，因此用有效理論踏板數(shù)表示的色譜分離基本方程為： 將分離度、柱效和選擇性參數(shù)聯(lián)系起來還可以得到下式：因而只要已知兩個指標，就可以估算出第三個指標。例如假設(shè)有一物質(zhì)對，其=1.15，要在填充柱上得到完全分離（），所需有效理論塔板數(shù)為：（塊）若用普通柱，一般的有效理論塔板數(shù)高度為0.1cm，所需柱長應(yīng)為三

18、、分離操作條件的選擇1載氣及其流速的選擇對一定的色譜柱和試樣，有個最佳的載氣流速，此時柱效最高，根據(jù)，用在不同流速下測得的塔板高度H對流速作圖，得H-曲線圖。圖2-5 塔板高度與載氣線速度的關(guān)系在曲線的最低點，塔板高度最?。ǎ４藭r柱效最高，該點對應(yīng)的流速為最佳流速。對微分求得，即則在實際工作中，為了縮短分析時間，往往使流速稍高于最佳流速。2柱溫的選擇 柱溫是一個重要的操作變數(shù)，直接影響分離效能和分析速度。首先要考慮到每種固定液都有一定的使用溫度。柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否則固定液會揮發(fā)流失。3固定液的性質(zhì)和用量 固定液的性質(zhì)對分離是起決定作用的。固定液液膜薄。柱效能提高，并可縮短分

19、析時間。但固定液用量太低，液膜越薄，允許的進樣量也就越少。因此固定液的用量要根據(jù)具體情況決定。4擔體的性質(zhì)和粒度 擔體的表面結(jié)構(gòu)和孔徑分布決定了固定液在擔體上的分布以及液相傳質(zhì)和縱向擴散的情況。要求擔體表面積大，表面孔徑分布均勻。這樣，固定液涂在擔體表面上成為均勻的薄膜，液相傳質(zhì)就快，就可提高柱效。對擔體粒度要求均勻、細小，這樣有利于提高柱效。但粒度過細，阻力過大，使柱壓降增大，對操作不利。對3-6mm的色譜柱，使用80-100目（篩號或網(wǎng)目；篩孔大?。┑膿w較為合適。5進樣時間和進樣進樣速度必須很快，一般用注射器或進樣閥進樣時，進樣時間都在1s以內(nèi)。進樣量太多，會使幾個峰疊在一起，分離不好。

20、但進樣量太少，又會使含量少的組分因檢測器靈敏度不夠而不出峰。最大允許的進樣量，應(yīng)控制在使半峰寬基本不變，且峰面積或峰高與進樣量呈線性關(guān)系的范圍內(nèi)。液體試樣一般進樣0.1-5uL；氣體試樣0.1-10mL。6汽化溫度進樣后要有足夠的汽化溫度，使液體試樣迅速汽化后被載氣帶入柱中。在保證試樣不分解的情況下，適當提高汽化溫度對分離及定量有利，尤其當進樣量大時更是如此。一般選擇汽化溫度比柱溫高30-70。§2-4 固定相及其選擇一、氣-固色譜固定相一般為固體吸附劑。二、氣-液色譜固定相則由兩部分組成，即擔體和固定液。1擔體要求：（1）表面應(yīng)是化學(xué)惰性。（2）多孔性，即表面積較大，使固定液與試樣

21、的接觸面較大。（3）熱穩(wěn)定性好，有一定的機械強度，不易破碎。（4）對擔體粒度的要求，一般希望均勻，細小。這樣有利于提高柱效。但顆粒過細，使柱壓降增大，對操作不利。一般選用60-80目或80-100目。2固定液的分離特征：固定液的分離特征是選擇固定液的基礎(chǔ)。固定液的選擇，一般根據(jù)“相似相溶”原理進行，即固定液的性質(zhì)和被測組分有某些相似性時，其溶解度就大。在氣相色譜中常用“極性”來說明固定液和被測組分的性質(zhì)。由電負性不同的原子所構(gòu)成的分子，它的正電中心和負電中心不重合時，就形成具有正負極的極性分子。如果組分與固定液分子性質(zhì)(極性)相似，固定液和被測組分兩種分子間的作用力就強，被測組分在固定液中的溶

22、解度就大，分配系數(shù)就大。也就是說，被測組分在固定液中溶解度或分配系數(shù)的大小與被測組分和固定液兩種分子之間相互作用力的大小有關(guān)。分子間的相互作用力包括靜電力、誘導(dǎo)力、色散力和氫鍵力等。(1)靜電力(定向力) 這種力是由于極性分于的永久偶極間存在靜電作用而引起的。在極性固定液柱上分離極性試樣時，分子間的作用力主要就是靜電力。被分離組分的極性越大，與固定液問的相互作均力就越強，因而該組分在桿內(nèi)滯留的時間就越長。因為靜電力的大小與絕對溫度成反比，所以在較低柱溫下依靠靜電力有良好選擇性的固定液，在高溫對選擇性就變差，亦即升高柱溫對分離不利。(2)誘導(dǎo)力 極性分子和非極性分子共存時，由于在極性分子永久偶極

23、的電場作用下，非極性分子極化而產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，此時兩分子相互吸引而產(chǎn)生誘導(dǎo)力。這個作用力一般是很小的。在分離非極性分子和可極化分子的混合物時，可以利用極性固定液的誘導(dǎo)效應(yīng)來分離這些混合物。例如苯和環(huán)己烷的沸點很相近(8010和8081)。若用非極性固定液(例如液體石蠟)是很難將它們分離的。但苯比環(huán)己烷容易極化，所以用一個中等極性的鄰苯二甲酸二辛酯固定液，使苯產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，苯的保留時間是環(huán)己烷的15倍；若選用強極性的氧二丙腈固定液，則苯的保留時間是環(huán)己烷的63倍，這樣就很易分離了。(3)色散力 非極性分子問雖沒有靜電力和誘導(dǎo)力相互作用，但其分于卻具有瞬間的周期變化的偶極矩(由于電子運動、原子核在零

24、點間的振動而形成的)，只是這種瞬間偶極短的平均值等于零，在宏觀上顯示不出偶極矩而已。這種瞬間偶極矩帶有一個同步電場，能使周圍的分子極化，被極化的分子又反過來加劇瞬間偶極矩變化的幅度，產(chǎn)生所謂色散力。對于非極性和弱極性分子而言，分子間作用力主要是色散力。例如用非極性的角鯊?fù)楣潭ㄒ悍蛛xC1C4烴類時，它的色譜流出次序與色散力大小有關(guān)。由于色散力與沸點成正比，所以組分基本按沸點順序分離。(4)氫鍵力 也是一種定向力，當分子中一個H原子和個電負性(原子的電負性是原子吸引電于的能力，電負性愈大，吸引電子的能力愈強)很大的原子(以X表示，如F，O，N等)構(gòu)成共價鍵時，它又能和另一個電負性很大的原丁(以Y表

25、示)形成一種強有力的有方向性的靜電吸引力，這種能力就叫氫鍵作用力。這種相互作用關(guān)系表示為“XHY”，X，H之間的實線表示共價鍍，H，Y之間的點線表示氫鍵。X，Y的電負性愈大，也即吸引電子的能力愈強，氫鍵作用力就愈強。同時，氫鍵的強弱還與Y的半徑有關(guān)，半徑愈小，眾易靠近XH，因而氫鍵愈強。氫鍵的類型和強弱次序為：FH···FOH···OOH···NNH···NNCH···N因為億H2一中的碳原子電負性很小，因而CH镕不能形成氫鍵即飽和烴之間沒有氫鍵

26、作用力存在。固定液分子中含有OH，OX)H030lR。的H2，一一NH官能團時，對臺氟、臺氧、臺氮化合物常有顯著的氫鍵作用力，作用力強的在柱內(nèi)保留時間長。氫鑲型基本上屬于極性類型，但對氫鍵作用力更為明顯。由上述可見，分子間的相互作用力是與分子的極性有關(guān)的。固定液的極性可以采用相對極性(MktiWp)1M心)尸來表示。這種表示方法規(guī)定強極性的固定液犀，犀氧二丙脯的相對極性尸；100，非極性的固定液角簽烷的相對極性尸；0，然后用一對物質(zhì)正丁烷丁二烯或環(huán)己烷苯進行試驗，分別測定這一對試驗物質(zhì)在A，A氧二丙筋，角笆烷及歇測極性固定濃的色譜柱上的調(diào)整保留值，然后按下列兩式計算欲測固定液的相對極性只100

27、jL業(yè)LL墮(苯)，“萬環(huán)百而式中下標1、2和f分別表示A，p氧二丙臘屆給烷及欲測固定液。這樣測得的各種固定液的相對極性均在0100之間，為了便于在選擇固定液時參考，又將其分為五級，每20為一級，尸在0一?1間的為非極性固定液，?lt 2為弱極性固定掖，?3為中等極性固定液，?4一?5為強極性固定液，非極性亦可用“”表示。3固定液：（1）要求：揮發(fā)性小，在操作溫度下有較低蒸汽壓，以免流失。熱穩(wěn)定性好，在操作溫度下不發(fā)生分解，且呈液體狀態(tài)。對試樣各組分有適當?shù)娜芙饽芰?，否則組分易被載氣帶走而起到分配作用；具有高的選擇性，即對沸點相同或相近的不同物質(zhì)有盡可能高的分離能力。化學(xué)穩(wěn)定性好，不與被測物質(zhì)

28、起化學(xué)反應(yīng)。（2）固定液的選擇 在固定液選擇中“相似相溶”原理是具有一定實際意義并能給予初學(xué)者一個簡單清晰的思考途徑。應(yīng)用此原理的色譜流出規(guī)律為：分離非極性物質(zhì)，一般選用非極性固定液，這時試樣中各組分按沸點次序先后流出色譜柱，沸點低的先出峰，沸點高的后出峰。分離極性物質(zhì)，選用極性固定液，這時試樣中各組分主要按極性順序分離，極性小的先流出色譜柱，極性大的后流出色譜柱。分離非極性和極性混合物時，一般選用極性固定液，這時非極性組分先出峰，極性組分(或易被極化的組分)后出峰。對于能形成氫鍵的試樣，如醇、酚、胺和水等的分離。一雙選擇極性的或是氫鍵型的固定液，這時試樣中各組分按與固定液分子間形成氫鍵的能力

29、大小先后流出，不易形成氫鍵的先流出，最易形成氫鍵的最后流出。2-5 氣相色譜檢測器一、作用：將經(jīng)色譜柱分離后的各組分按其特性及含量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。因此檢測器是檢知和測定試樣的組成及各組分含量的部件，是氣相色譜儀中的主要組成部分。二、分類1根據(jù)檢測原理分類：可分為濃度型和質(zhì)量型檢測器兩種。濃度型檢測器：測量的是載氣中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應(yīng)值與組分的濃度成正比。(如熱導(dǎo)池檢測器和電子捕獲檢測器。)質(zhì)量型檢測器：測量的是載氣中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測器的響應(yīng)值和單位時間內(nèi)進入檢測器某組分的質(zhì)量成正比。(如氫火焰離子化檢測器和火焰光度檢測器。)2根據(jù)適用范圍分類：可分為廣普

30、（通用）型和專屬型檢測器兩種。廣普（通用）型檢測器：對所有物質(zhì)有響應(yīng)，如熱導(dǎo)檢測器。專屬型檢測器：對特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)，如電子捕獲檢測器。（一）熱導(dǎo)池檢測器（thermal conductivity detector;TCD）1. 結(jié)構(gòu)池 體：一般用不銹鋼制成。熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數(shù)大的金屬絲或半導(dǎo)體。參 比 池：僅通過載氣氣流，通常連接在進樣裝置之前。測 量 池：攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。(a)雙臂熱導(dǎo)池 (b)四臂熱導(dǎo)池圖2-9 熱導(dǎo)池示意圖2.基本原理熱導(dǎo)池作為檢測器，是基于不同的物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)設(shè)計的。一些物質(zhì)的熱導(dǎo)系數(shù)見表2-7。熱導(dǎo)檢測

31、中的橋路，如右下圖所示。不同的氣體有不同的熱導(dǎo)系數(shù)。圖2-10 氣相色譜儀中的橋路電橋平衡時： R1·R4=R2·R3；鎢絲通電，載氣流速恒定時：R1=R2；當兩個池都通過載氣時，電橋處于平衡狀態(tài)：（R1+R1）=（R2+R2），此時C，D兩端的電位相等，E=0，無電壓信號輸出；電位差計記錄的是一條零位直線，稱為基線。當兩個池通過的氣體不同時，電橋處于不平衡狀態(tài)：R1R2，即（R1+R1）·R4（R2+R2）·R3此時電橋C，D兩端產(chǎn)生不平衡電位差，就有信號輸出。載氣中被測組分的濃度愈大，測量池鎢絲的電阻值改變的亦愈顯著，因此檢測器所產(chǎn)生的響應(yīng)信號，在一

32、定條件下與載氣中組分的濃度存在定量關(guān)系。用一自動平衡電位差計記錄其響應(yīng)電位，即可記錄出各組分的色譜峰。3. 影響熱導(dǎo)池檢測器靈敏度的因素橋路電流I ： I，鎢絲的溫度，鎢絲與池體之間的溫差，有利于熱傳導(dǎo)，檢測器靈敏度提高。檢測器的響應(yīng)值SI3，但電流太大，使鎢絲處于灼熱狀態(tài)，基線不穩(wěn)，甚至?xí)㈡u絲燒壞。池體溫度：池體溫度與鎢絲溫度相差越大，越有利于熱傳導(dǎo)，檢測器的靈敏度也就越高，但池體溫度不能低于分離柱溫度，以防止試樣組分在檢測器中冷凝。載氣種類：載氣與試樣的熱導(dǎo)系數(shù)相差越大，在檢測器兩臂中產(chǎn)生的溫差和電阻差也就越大，檢測靈敏度越高。載氣的熱導(dǎo)系數(shù)大，傳熱好，通過的橋路電流也可適當加大，則檢測

33、靈敏度進一步提高。氦氣也具有較大的熱導(dǎo)系數(shù)，但價格較高。熱敏元件的阻值：選擇阻值高，電阻溫度系數(shù)較大的熱敏元件時，隨溫度變化其電阻明顯變化，靈敏度就高。熱導(dǎo)池的死體積：死體積較大時，靈敏度低。因此應(yīng)使用具有微型池體（2.5uL)的熱導(dǎo)池。（二）氫火焰離子化檢測器（flame ionization detector, FID）簡稱氫焰檢測器。1. 特點（1）典型的質(zhì)量型檢測器；（2）對大多數(shù)有機化合物具有很高的靈敏度；（3）對在氫火焰中不電離的無機化合物，如永久性氣體、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氫等就不能檢測；（4）氫焰檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點；（5）

34、比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高出近3個數(shù)量級，檢測下限可達10-12g·s-1。2. 結(jié)構(gòu)氫焰檢測器主要部分是一個離子室，一般用不銹鋼制成。離子室包括氣體入口、火焰噴嘴、一對電極、外罩。圖2-11 氫火焰離子化檢測器離子室示意圖（1）被測組分與氫氣混合一起進入離子室，由毛細管噴嘴噴出。在高達約2100的火焰中，被測組分電離成正、負離子。（2）在氫火焰附近設(shè)有收集極（正極）和極化極（負極），之間加有150300V的極化電壓，形成一個外加直流電場。（3）產(chǎn)生的離子在收集極和極化極的外電場作用下，定向運動而形成電流。（4）電流大小與組分含量有關(guān)。由于電離效率很低，經(jīng)放大后才能用記錄儀得到色譜圖。3

35、. 氫焰檢測器離子化的作用機理的原理 對于氫焰檢測器離子化的作用機理，至今還不十分清楚。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，目前認為火焰中的電離不是熱電離而是化學(xué)電離，即有機物在火焰中發(fā)生自由基反應(yīng)而被電離。（1）當含有機物 CnHm的載氣由噴嘴噴出進入火焰時，在C層發(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)生自由基 ： CnHm · CH（自由基）（2）產(chǎn)生的自由基在D層火焰中與外面擴散進來的激發(fā)態(tài)原子氧或分子氧發(fā)生如下反應(yīng)： · CH + O CHO+ + e（3）生成的正離子CHO+ 與火焰中大量水分子碰撞而發(fā)生分子離子反應(yīng)： CHO+ + H2O H3O+ + CO（4）化學(xué)電離產(chǎn)生的正離子和電子在外加恒定直流

36、電場的作用下分別向兩極定向運動而產(chǎn)生微電流（約10-610-14A）；（5）在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進入離子室的被測組分質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測器是質(zhì)量型檢測器。（6）組分在氫焰中的電離效率很低，大約五十萬分之一的碳原子被電離。（7）離子電流信號輸出到記錄儀，得到峰面積與組分質(zhì)量成正比的色譜流出曲線。圖2-12 火焰各層圖（其中：A 區(qū)：預(yù)熱區(qū)；B 層：點燃火焰；C 層：熱裂解區(qū)，溫度最高；D 層：反應(yīng)區(qū)。）4. 操作條件的選擇各種氣體流速和配比的選擇載氣流速的選擇主要考慮分離效能。而氫氣與載氣流量之比影響火焰溫度和火焰中的電離過程?？諝馐侵細?。H2：N2 = 1：11：1.5 氫氣：空

37、氣 = 1：10。極化電壓正常極化電壓選擇在100300V范圍內(nèi)。使用溫度溫度的影響不大，只有在80以下，靈敏度才顯著下降，這是由于水蒸氣冷凝造成的影響。 （三）電子捕獲檢測器（electron capture detector, ECD）1.特點：（1）具有選擇性、高靈敏度的濃度型檢測器；（2）其選擇性是指僅對具有電負性的物質(zhì)如含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物有響應(yīng)，電負性愈強，靈敏度愈高。檢測下限10-14 g /mL；（3）對大多數(shù)烴類沒有響應(yīng)；（4）較多應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品、食品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留量的測定。2.結(jié)構(gòu)在檢測器池體內(nèi)有一圓筒狀放射源（63Ni或3H）作為負極，一個不銹鋼棒作為正極

38、。在此兩極間施加一直流或脈沖電壓。當載氣進入檢測器時，在放射源發(fā)射的射線作用下發(fā)生電離： N2 N2+ + e-生成的正離子和慢速低能量的電子，在恒定電場作用下向極性相反的電極運動，形成恒定的電流即基流。當具有電負性的組分進入檢測器時，它捕獲了檢測器中的電子而產(chǎn)生帶負電荷的分子離子并放出能量： AB + e- AB- + E帶負電荷的分子離子和載氣電離產(chǎn)生的正離子復(fù)合成中性化合物，被載氣攜帶出檢測器外： AB- + N2+ N2 + AB由于被測組分捕獲電子，其結(jié)果使基流降低，產(chǎn)生負信號而形成倒峰。組分的濃度愈高，倒峰愈大。圖2-13 氫焰檢測器離子室與放大器連接示意圖（四）火焰光度檢測器（f

39、lame photometric detector,FPD）1.特點：該檢測器是對含硫、磷化合物的高選擇性和高靈敏度的檢測器。是一種質(zhì)量型檢測器。 當含有硫（或磷）的試樣進入氫焰離子室，在富氫-空氣焰中燃燒時，有下述反應(yīng)： RS + 空氣 + O2 SO2 + CO2 2SO2 + 8H 2S + 4H2O即有機硫化物首先被氧化成SO2，然后被氫還原成S原子。S原子在適當溫度下生成激發(fā)態(tài)的S2*分子，因此發(fā)射出350-430nm的特征分子光譜。 S + S S2* S2* S2 + h含磷試樣主要以HPO碎片的形式發(fā)射出526nm波長的特征光。這些發(fā)射光通過濾光片而照射到光電倍增管上，將光轉(zhuǎn)變

40、為光電流，經(jīng)放大后在記錄儀上得到硫或磷化合物的色譜圖。至于含碳有機物，在氫焰高溫下進行電離產(chǎn)生微電流，經(jīng)收集極收集，放大后可同時記錄下來。因此火焰光度檢測器可以同時測定硫、磷和含碳有機物，即火焰光度檢測器和氫焰檢測器可聯(lián)用。三、檢測器的性能指標1靈敏度S (亦稱響應(yīng)值或應(yīng)答值）以進樣量Q對檢測器響應(yīng)信號R作圖，可以得到一直線，如圖所示。圖2-16 檢測器的R-Q關(guān)系圖中直線的斜率就是檢測器的靈敏度，以S表示之。因此靈敏度就是響應(yīng)信號對進樣量的變化率：圖中QL為最大允許進樣量。超過此量時進樣量與響應(yīng)信號將不呈線性關(guān)系。對于濃度型檢測器，其響應(yīng)信號正比于載氣中組分的濃度C： R C 故可寫作： R

41、 = SCC （2-39）式中SC為比例常數(shù)，即檢測器的靈敏度，下標c表示濃度型。為了導(dǎo)出實際測定SC的計算式，圖2-17表示了檢測器和記錄儀的信號關(guān)系。（a）檢測器 （b）記錄儀圖2-17 檢測器和記錄儀的信號關(guān)系圖（a）是進入檢測器的載氣體積V和載氣中組分的濃度的關(guān)系，若進樣量為m（mg），則圖（b）為與此相對應(yīng)的在記錄儀上所記錄的色譜流出曲線，顯然，曲線所包圍的面積A為：式中x為載氣流過體積V時，記錄紙移動距離（cm）；h為流出曲線的高度（cm）。若記錄儀的靈敏度為C1（mV·cm-1），則：上式與式（2-39）相比，有： 根據(jù)流速F0的定義：F0=V/t，有：式中C2為記錄儀

42、紙速的倒數(shù)（min·cm-1），將V微分得：將式（2-43）、（2-42）代入（2-40）得：式（2-44）即濃度型檢測器的靈敏度的計算式。如果進樣是液體，則靈敏度的單位是，即每毫升載氣中有一毫克試樣時在檢測器所能產(chǎn)生的響應(yīng)信號，單位為。同樣，若試樣為氣體，靈敏度的單位是。由式（2-44）可見，進樣量與峰面積成正比，當進樣量一定時，峰面積與流速成反比。前者是色譜定量的基礎(chǔ)，后者則要求定量是要保持載氣流速恒定。 對于質(zhì)量型檢測器（如氫焰檢測器），其響應(yīng)值取決于單位時間內(nèi)進入檢測器某組分的量。濃度型與質(zhì)量型檢測器所以有這樣的差別，主要是由于前者對載氣有響應(yīng)，而后者則對載氣沒有響應(yīng)的緣故。

43、因此 （2-45）式中為質(zhì)量型檢測器的靈敏度，其單位為。此時在檢測器中其信號的關(guān)系為速度對時間左圖，即，故： （2-46）而 （2-47）由于時間t以秒為單位，故 （2-48）式（2-47）、（2-48）代入（2-46）得 （2-49）上式即質(zhì)量型檢測器的靈敏度的計算式。由此式可見，峰面積與進樣量成正比；進樣量一定時，峰面積與流速無關(guān)。2.檢出限D(zhuǎn)（detection limit）也稱敏感度，是指檢測器恰能產(chǎn)生和噪聲相鑒別的信號時，在單位體積或時間需向檢測器進入的物質(zhì)質(zhì)量（單位為g）。圖2-18 檢出限從圖中可以看出：如果要把信號從本底噪聲中識別出來，則組分的響應(yīng)值就一定要高于N。檢測器響應(yīng)信

44、號至少為噪聲的3倍時試樣的濃度（或質(zhì)量），被定義為檢出限：式中N為檢測器的噪聲，S為檢測器的靈敏度。一般說來，D值越小，說明儀器越敏感。3.最小檢出量（minimun detectable quantity）指檢測器恰能產(chǎn)生和噪聲相鑒別的信號時所需進入色譜柱的最小物質(zhì)量（或最小濃度），以Q0表示。由于，則式（2-49）可寫作因為（單位為mV），并以時間（單位為s）表示色譜峰的半寬度，所以最小檢出量Q0為： （2-51）上式是對質(zhì)量型檢測器而言，對于濃度型根據(jù)（2-44）式可得： （2-52）其中： 由式（2-51）及式（2-52）可見，Q0與檢測器的檢出限成正比；但與檢出限不同，Q0不僅與檢測

45、器的性能有關(guān)，還與柱效率及操作條件有關(guān)。所得色譜峰的半寬度越窄，Q0就越小。4.響應(yīng)時間（response time）5.線性范圍（linear range） §2-6 氣相色譜定性方法1、利用保留值通過對比試樣中具有與純物質(zhì)相同保留值的色譜峰來確定試樣中是否含有該物質(zhì)及在色譜圖中的位置。不適用于不同儀器上獲得的數(shù)據(jù)之間的對比。將純物質(zhì)加入到試樣中，觀察各組分色譜峰的相對變化。2、利用相對保留值r21定性相對保留值r21僅與柱溫和固定液性質(zhì)有關(guān)。在色譜手冊中都列有各種物質(zhì)在不同固定液上的保留數(shù)據(jù)，可以用來進行定性鑒定。3、保留指數(shù)又稱科瓦茨（Kovats）指數(shù)把物質(zhì)的保留行為用兩個靠

46、近它的標準物（一般是兩個正構(gòu)烷烴）來標定，并以均一標度（即不用對數(shù)）來表示。某物質(zhì)保留指數(shù)可由下式計算而得：為保留值，可以用調(diào)整保留時間（或體積）；Z為碳原子數(shù)。將正構(gòu)烷烴作為標準，規(guī)定其保留指數(shù)為分子中碳原子個數(shù)乘以100（如正己烷的保留指數(shù)為600）。§2-7 氣相色譜定量方法依據(jù)：在一定操作條件下，被測組分i的質(zhì)量（mi）或其在載氣中的濃度(ci)是與檢測器的響應(yīng)信號（峰面積Ai或峰高hi）成正比: 由上式可見，在定量分析中需要：（1）準確測量峰面積；（2）準確求出比例常數(shù)；（3）根據(jù)上式選用定量計算方法，將測得組分的峰面積換算為質(zhì)量分數(shù)。一、峰面積測量法1、峰高乘Y1/2 ：

47、適用于對稱峰 A = h·Y1/2 這樣測得的峰面積為實際峰面積的0.94倍,應(yīng)修正為: A = 1.065 h·Y1/2 2、峰高乘峰底寬度法：適用于矮而寬的峰 A = h·Y (為實際面積的0.98倍)3、峰高乘平均峰寬法：適用于不對稱峰； A = h×（Y0.15Y0.85）/2 4、峰高乘保留值法：適用于狹窄的峰在一定操作條件下，同系物的半峰寬度與保留時間成正比，即： Y1/2tR Y1/2=btR A=h·Y1/2=h·b·tR在相對計算中，b可約掉，于是： A=h·Y1/2=h·tR5、積分儀和色譜工作站積分議或稱數(shù)據(jù)處理機是測量峰面積方便的工具，速度快，線性范圍寬，精度一般可達0.2%-2%，對小峰獲不對稱峰也能得出較準確的結(jié)果。二、定量校正因子色譜定量分析是基于被測物質(zhì)的量與其峰面積的正比關(guān)系。但由于同一檢測器對不同物質(zhì)具有不同的響應(yīng)值，所以兩個相等量物質(zhì)出的峰面積往往不相等，這樣就不能用峰面積來直接計算物質(zhì)的含量，所以必須引入定量校正因子。在上式（2-54）中 為絕對校正因子，也就是單位峰面積所代表的物質(zhì)的量。它主要由儀器的靈敏度所決定，不易準確確定，也無法直接應(yīng)用。相對校