第九章 氣相色譜法(Gas Chromatography)

1、9-1 概述一氣相色譜法的特點(diǎn) 對樣品分析進(jìn)行先分離后檢測一步完成(wn chng)。 主要特點(diǎn)：高效能、高選擇性、高 靈敏度、應(yīng)用廣泛。第九章 氣相色譜法（Gas Chromatography） 高效能 在幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)，完成一個組 成較復(fù)雜(fz)的試樣分析。 高選擇性 能分離分析性質(zhì)極為相近的物質(zhì)， 如異構(gòu)體、同位素等。共一百一十頁高靈敏度 使用(shyng)高靈敏度的檢測器，可檢測出 10-1110-13g的物質(zhì)。應(yīng)用廣泛 適用于沸點(diǎn)低于400的各種有機(jī)或 無機(jī)試樣的分析。 該方法目前廣泛應(yīng)用于石油、化工、生化(shn hu)、 醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等生產(chǎn)及科研部門。二氣相色譜分析

2、流程所謂氣相色譜法是以氣體作流動相的色譜法。氣相色譜法的流動相，稱為載氣。其作用只是 載送試樣，不與物質(zhì)起任何化學(xué)反應(yīng)。共一百一十頁氣相色譜分析是以氣相色譜儀作為分析工具，其分析流程(lichng)如下：氣相色譜分析(s p fn x)流程示意圖1-載氣鋼瓶 2-減壓閥 3-凈化干燥管 4-針形閥 5-流量計 6-壓力表 7-進(jìn)樣器和汽化室 8-色譜柱 9-熱導(dǎo)檢測器 10-放大器 11-溫度控制器 12-記錄儀共一百一十頁氣相色譜儀一般由五個部分(b fen)組成：a.載氣系統(tǒng)(包括氣源，凈化，氣流控制和測 量）b.進(jìn)樣系統(tǒng)(包括進(jìn)樣器，汽化室）c.色譜(s p)柱(包括恒溫控制裝置)d.檢

3、測系統(tǒng)(包括檢測器及其電源)e.記錄系統(tǒng)(放大器，記錄儀，數(shù)據(jù)處理裝置)9-2 氣相色譜儀1載氣系統(tǒng)共一百一十頁 常用的載氣有氫氣、氮?dú)?、氦氣和氬氣?載氣需用凈化器提高純度，流速(li s)、壓力的測 定和控制用穩(wěn)壓閥和針形閥串聯(lián)使用。測量載氣的流速(li s)有三種方法：轉(zhuǎn)子流量計毛細(xì)管流速計皂膜流量計皂膜流量計安裝于柱后，測得的流速受三方面因素的影響： 水蒸氣載氣通過皂膜流量計時與通過色譜柱時所處的狀態(tài)不同。共一百一十頁 溫度在室溫下測得的載流與色譜柱中測得 的載流不同，需進(jìn)行(jnxng)校正。 壓力在室溫下測得的載氣壓力與色譜(s p)柱中 的載氣壓力不同，需進(jìn)行校正。 綜合這三方面

4、因素，校正公式如下：共一百一十頁Fc-色譜柱內(nèi)的載流F0-皂膜流量計測得的載流P0-大氣壓Pw-測量時室溫下水(xi shu)的飽和蒸汽壓 Tc、Ta-分別為柱溫與室溫j-壓力梯度校正因子：進(jìn)樣系統(tǒng)包括(boku)進(jìn)樣裝置和氣化室。2.進(jìn)樣系統(tǒng)式中Pi與Pj分別為載氣在色譜柱進(jìn)出口的絕對壓力。共一百一十頁進(jìn)樣裝置(zhungzh) 進(jìn)樣一般采用微量注射器，進(jìn)行穿刺進(jìn)樣。注射器規(guī)格有 1、5、10L等。 另一種進(jìn)樣方式是采用旋轉(zhuǎn)式六通閥進(jìn)樣。共一百一十頁(2)氣化室其作用讓試樣瞬間氣化(q hu)而不被分解。要求其熱容量大；為減小柱前譜峰變寬，其體積應(yīng)盡可能小。旋轉(zhuǎn)式六通(li tn)閥共一百一

5、十頁 3.分離系統(tǒng)氣相色譜儀的分離系統(tǒng)即色譜柱，由柱管和裝填其中的固定(gdng)相所組成。分為填充柱和空心毛細(xì)管柱。柱材料有金屬(jnsh)或玻璃管制成，內(nèi)徑一般為24mm，長為110m；柱形多為螺旋形，螺旋直徑與柱內(nèi)徑之比一般為15:125:1。共一百一十頁檢測器的作用是將被分離組分的量轉(zhuǎn)為易于測量的電信號。根據(jù)檢測原理不同(b tn)，檢測器可分為濃度型檢測器和質(zhì)量型檢測器。 4.檢測器5.記錄(jl)放大系統(tǒng)早期的采用記錄儀，現(xiàn)在采用色譜工作站。把檢測器轉(zhuǎn)換的電信號用數(shù)據(jù)記錄裝置記錄下來，即得到色譜圖。共一百一十頁一.色譜流出曲線 試樣中組分經(jīng)色譜柱分離后，由檢測器轉(zhuǎn)為電信號，由記錄儀

6、記錄下組分濃度隨時間的變化，即得到(d do)所謂的色譜圖。9-3色譜法基本(jbn)理論 在一定的進(jìn)樣量范圍內(nèi)，色譜流出曲線遵循正態(tài)分布，是色譜定性、定量以及評價色譜分離情況的基本依據(jù)。 以組分的濃度變化為縱坐標(biāo)，流出時間為橫坐標(biāo)所得到的色譜圖稱為色譜流出曲線。 共一百一十頁(一)流出曲線的有關(guān)術(shù)語 1基線 (base line)只有載氣通過(tnggu)檢測器時響應(yīng)信號的記錄。 2保留值 (retention value)表征試樣中各組分(zfn)在色譜柱內(nèi)停留時間的數(shù)值。共一百一十頁(1)用時間表示(biosh)的保留值 t/min 保留時間(retention time，tR)：指待測

7、組分(zfn)從進(jìn)樣開始到柱后出現(xiàn)濃度最大值時所需時間。 死時間：(dead time，tm)指不與固定相作用的氣體(如空氣、甲烷等)的保留時間。共一百一十頁 調(diào)整保留(boli)時間(adjusted retention time，tR)：指扣除了死時間的保留時間。tRtR-tm(2)用體積表示的保留值 保留體積(retention volume VR)從進(jìn)樣開始到柱后出現(xiàn)待測組分濃度最大值時所通過(tnggu)的載氣體積。 VR與tR的關(guān)系： VR=tRF0 F0為色譜柱出口處載氣流速(mLmin-1) 共一百一十頁 死體積(dead volume Vm)指色譜柱內(nèi)除了固定相外的空隙體積、

8、色譜儀中管路(un l)和連接頭之間的空間、進(jìn)樣系統(tǒng)及檢測器的空間的總和。 同樣： Vm=tmF0 調(diào)整(tiozhng)保留體積(adjusted retention volume， VR)：指扣除死體積后的保留體積。 VR=VR-Vm同樣：VR=tRF0 (3)相對保留值(relative retention value, r21)：共一百一十頁指組分(zfn)2的調(diào)整保留值與組分(zfn)1的調(diào)整保留值之比：3區(qū)域?qū)挾?peak width) 即色譜(s p)峰的寬度。習(xí)慣上常用以下三個量之 一來表示。(1)標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviation，)： 指流出曲線上二拐點(diǎn)(0.6

9、07倍峰高處)間距離之半。峰高h(yuǎn)是峰頂?shù)交€的距離。r21亦可用來表示固定相的選擇性，常用表示。共一百一十頁(2)半峰寬(peak width at half height, Y1/2)：峰高一半處色譜(s p)峰的寬度。即圖中的GH。與Y1/2的關(guān)系為： (3)基線寬度(peak width at peak base, Wb)：通過流出曲線(qxin)的拐點(diǎn)所作的切線在基線上的截距。即圖中的IJ。 Wb與的關(guān)系為： Wb=4共一百一十頁(二)利用流出曲線可以(ky)解決的問題1.根據(jù)峰的保留值(位置)，可進(jìn)行定性分析。2.根據(jù)色譜峰的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分 析。3.根據(jù)色譜峰的位置及其寬

10、度，可以對色譜柱 的分離情況進(jìn)行評價。二.色譜法分析的理論(lln)基礎(chǔ)1.氣相色譜的分離過程 氣相色譜分離過程是在色譜柱內(nèi)完成。如前 所述，色譜柱有兩種：共一百一十頁 一是內(nèi)裝固定相的，稱為(chn wi)填充柱；另一種是將固定液均勻涂在毛細(xì)管內(nèi)壁的，稱為空心毛細(xì)管柱。這里重點(diǎn)討論填充(tinchng)柱。填充柱色譜：氣固色譜和氣液色譜。氣固色譜的固定相：多孔性的固體吸附劑顆粒，對試樣中各組分吸附能力不同使試樣得以分離。 氣固色譜的分離機(jī)理：吸附與脫附不斷重復(fù)的物理過程；共一百一十頁氣液色譜的固定相：由擔(dān)體和固定液組成。擔(dān)體：一種化學(xué)惰性、多孔性的固體顆粒(kl)。固定液：涂在擔(dān)體表面的高沸

11、點(diǎn)有機(jī)化合物。氣液色譜的分離機(jī)理(j l)：組分在氣液兩相間的反復(fù)多次的分配過程。色譜分離過程： 當(dāng)試樣由載氣攜帶進(jìn)入色譜柱與固定相接觸時 ，被固定相溶解或吸附； 隨著載氣的不斷通入，被溶解或吸附的組分又 從固定相中揮發(fā)或脫附；共一百一十頁 揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動(ydng)時又再 次被固定相溶解或吸附。 隨著(su zhe)載氣的流動，溶解揮發(fā)或吸附脫附的 過程反復(fù)交替重復(fù)地進(jìn)行著。 試樣中由于各組分性質(zhì)不同，它們在吸附劑上的吸附能力或在固定液中溶解能力不同，容易被吸附(或被溶解)的組分向前移動速度較慢。經(jīng)過一定時間后，試樣中各組分可彼此分離，先后流出色譜柱。共一百一十頁 組分在

12、兩相之間發(fā)生的這種吸附、脫附或溶解、揮發(fā)的過程被稱為(chn wi)分配過程。 在一定溫度下，組分在兩相間分配達(dá)到平衡時的濃度比，稱為分配系數(shù)K，定義為：K=CS/Cm CS、Cm分別為組分在固定相和流動相中的濃度；可見，K值的大小反映(fnyng)了組分在色譜柱中的分離情況，是色譜進(jìn)行組分分離的依據(jù)。 實(shí)際工作中，常應(yīng)用的是另一參數(shù)分配比，亦稱容量因子，是指在一定溫度、壓力下，分配達(dá)到平衡時組分在兩相中的質(zhì)量比，用k表示：共一百一十頁ms、mm分別表示組分在固定相和流動(lidng)相中的質(zhì)量。式中Vm、Vs分別為柱中流動相和固定相的體積。Vm與Vs之比稱為相比，用表示，反映(fnyng)了

13、色譜柱的柱型及其結(jié)構(gòu)的重要特性。經(jīng)推導(dǎo)，k與保留值的關(guān)系為： tR=tm(1+k) 即： k=tR/tm=VR/Vmk與K的關(guān)系：共一百一十頁由上式可見：k與K都與組分及固定相的性質(zhì)有關(guān)，隨柱溫 柱壓的變化而變化。K決定于組分本身以及固、流兩相的性質(zhì)，與 兩相體積無關(guān)；而k除此之外還與相比有關(guān)。對于一給定(i dn)的色譜體系，組分的分離最終決定 于組分分配在兩相中的相對量，而非相對濃度。 因此，分配比k是衡量色譜柱對組分保留能 力的重要參數(shù)。共一百一十頁(1)塔板理論 (plate theory) 該理論將色譜柱視為精餾塔，認(rèn)為(rnwi)色譜柱由一系列相等的水平塔板組成；將色譜分離過程比作

14、蒸餾過程，即把連續(xù)的色譜過程認(rèn)為(rnwi)是許多小段平衡過程的重復(fù)。2.色譜分離的基本(jbn)理論共一百一十頁塔板理論的假定：(a)在某一小段空間內(nèi)，如果(rgu)組分在氣液兩相 達(dá)到了濃度分配平衡，這一小段柱長稱為一個 理論塔板的高度，用H表示。(c)試樣(sh yn)進(jìn)入柱內(nèi)都加在第一塊板上，沿色譜柱 方向上的擴(kuò)散忽略不計；(d)在各塔板上的分配系數(shù)是常數(shù)。(b)載氣進(jìn)入色譜柱是脈動式的，每次進(jìn)氣為一 個板體積；共一百一十頁圖示的色譜柱由5塊塔板(n=5)組成，假設(shè)(jish)某組分的分配比k=1，由載氣攜帶一定量的物質(zhì)帶入色譜柱。共一百一十頁由上圖得到：組分從5塊塔板的色譜(s p)

15、柱中沖洗出的流出曲線呈峰形狀，但不對稱。如果板數(shù)n50 時，就可得到對稱的峰形曲線。P.259.表12-2。氣相色譜中，n 值一般很大，約為103106，因而這時的流出曲線趨近于正態(tài)分布曲線。 由正態(tài)分布推導(dǎo)(tudo)得出的流出曲線上濃度c與時間t的關(guān)系為：共一百一十頁式中c0為被測組分的濃度，tR為保留(boli)時間，為標(biāo)準(zhǔn)偏差(峰寬)，c為時間t時的濃度值。 以上為單組分的分配過程；若試樣為多組分混合物，由于各組分間性質(zhì)有差異(k值不同)，經(jīng)色譜(s p)柱中很多塔板(n很大)的分配平衡后，不同的組分即可獲得分離。由塔板理論可導(dǎo)出n與Y1/2(色譜半峰寬)或Wb(基線寬)的關(guān)系： L為

16、色譜柱的長度。共一百一十頁 可見，色譜峰愈窄(Y1/2或Wb)，n，理論板高H，組分的分配次數(shù)愈多，則柱的分離效能愈高。因而(yn r)，n或H可作為描述柱效能的指標(biāo)。實(shí)際工作(gngzu)中，由于死時間(tm)和死體積(Vm)的存在，由上兩式得到的n和H不能切實(shí)地反映出色譜柱的實(shí)際分離效能。所以常用扣除tm的有效塔板數(shù)來表示柱效大?。合鄳?yīng)的有效板高為：L為色譜柱長。共一百一十頁 n(H)或n有效(H有效)的大小(dxio)，不能判定各組分是 否可被分離，分離的可能性決定于各組分在固 定相中的分配系數(shù)K(或k)； 由于同一色譜柱對不同物質(zhì)計算所得的塔板數(shù)n值不同，則柱效能不同，所以當(dāng)用n或表示

17、柱效能時，必須(bx)說明對什么物質(zhì)而言。這里需說明的二點(diǎn)：共一百一十頁總結(jié)：塔板理論是一種半經(jīng)驗(yàn)性理論。它用熱力學(xué)的觀點(diǎn)定量說明了溶質(zhì)在色譜(s p)柱中移動的情況，并解決了二方面的問題： 解釋了流出曲線(qxin)的形狀； 提出了計算和評價柱效能大小的參數(shù)。塔板理論存在的問題：把連續(xù)的色譜分離過程看成簡單的分配過程，因而無法解釋同一色譜柱在不同載氣流速下柱效能不同的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，也無法找出影響n或H的因素。共一百一十頁(2)速率(sl)理論(rate theory)影響柱效能的因素 1956年由荷蘭(h ln)學(xué)者Van Deemter提出了色譜過程的動力學(xué)理論。該理論指出：填充柱的柱效受渦流

18、擴(kuò)散、分子擴(kuò)散、傳質(zhì)阻力、流動相流速等多種因素的控制，并導(dǎo)出了板高(H)與以上各因素之間的關(guān)系。 把影響塔板高度(H)的動力學(xué)因素結(jié)合塔板理論導(dǎo)出了H與u的關(guān)系：共一百一十頁 H=A+B/u+Cu 速率理論(lln)方程式 （范弟姆特方程式） 式中，A渦流擴(kuò)散項(xiàng)， B分子擴(kuò)散系數(shù) C傳質(zhì)阻力系數(shù)。 u流動相的流速 由上式可見(kjin)，影響H的三項(xiàng)因素為：渦流擴(kuò)散項(xiàng)(A)，分子擴(kuò)散項(xiàng)(B/u)，傳質(zhì)阻力項(xiàng)(Cu)。分別討論各項(xiàng)的意義：(a)渦流擴(kuò)散項(xiàng) A共一百一十頁指柱中氣體通過填充物顆粒時，不斷改變(gibin)流動方向，因而形成紊亂的類似“渦流”的流動，引起色譜峰變寬，柱效下降。其影響程

19、度由下式?jīng)Q定： A=2dP 填充物不均勻因子 dP填充物的平均顆粒直徑A與載氣的性質(zhì)、流速以及組分性質(zhì)無關(guān)?？梢?，使用粒度細(xì)且均勻的擔(dān)體，并填充均勻，可減小A值，提高柱效。共一百一十頁試樣以“塞子”形式進(jìn)入(jnr)色譜柱，在柱的軸向上存在濃差造成濃度梯度，使運(yùn)動著的分子產(chǎn)生縱向擴(kuò)散。其影響程度由下式?jīng)Q定： B=2Dg 氣體擴(kuò)散路徑的彎曲因子其物理意義為：由于固定相顆粒的存在，使分子不能自由擴(kuò)散，從而(cng r)使擴(kuò)散程度降低。1(b)分子擴(kuò)散項(xiàng)(B/u)Dg組分在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)(cm/s) 共一百一十頁 要降低(jingd)B/u項(xiàng)，可采用分子量較大的載氣，控制較低的柱溫，采用較高的載氣

20、流速。與Dg有關(guān)的因素：組分性質(zhì)(xngzh)以及在柱內(nèi)的停留時間，柱溫柱壓等。(c)傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cu 傳質(zhì)阻力系數(shù)C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)CL。所以，Cu=(Cg+CL)u共一百一十頁所謂氣相傳質(zhì)阻力指試樣組分從氣相移動到固定相表面進(jìn)行(jnxng)濃度分配時所受到的阻力。對于填充柱： 可見，要降低Cg，可采用(ciyng)粒度小的填充物和分子量小的氣體作載氣。 k為容量因子。共一百一十頁 可見，要減小CL，應(yīng)降低固定(gdng)液的含量，增大組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。所謂液相傳質(zhì)阻力指試樣組分從氣液界面移動到液相內(nèi)部，進(jìn)行質(zhì)量交換達(dá)到分配(fnpi)平衡后，返回氣液界面時所

21、受到的阻力。式中df為固定相的液膜厚度，DL為組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。共一百一十頁總結(jié)：當(dāng)固定液含量較高，載流為中等流速時，H主要受CL的影響；當(dāng)采用(ciyng)低固定液含量和高載氣流速時，H主要受Cg的影響。 綜合三方面的影響因素，可得到完整的速率(sl)理論方程式(范弟姆特方程式)為：共一百一十頁該方程式對于分離條件的選擇具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，它指出：填充物的均勻程度擔(dān)體的粒度載氣種類載流柱溫固定相的液膜厚度(hud)等均對柱效峰擴(kuò)張造成影響。共一百一十頁一.分離度 混合物能否分離主要取決于固定相與組分分子間相互作用力的大小。但色譜分離過程中各種操作因素對于實(shí)現(xiàn)(shxin)分離的可能性產(chǎn)

22、生的影響較大。9-4 色譜(s p)分離條件的選擇 因此，首先根據(jù)分離對象選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ啵乖嚇咏M分有可能被分離；其次創(chuàng)造一定的實(shí)驗(yàn)條件，使這種可能性得以實(shí)現(xiàn)。共一百一十頁某兩個組分在色譜柱上達(dá)到完全分離的條件： 組分色譜峰之間的距離(jl)應(yīng)足夠大； 色譜峰的峰形必須窄一些。判斷相鄰(xin ln)兩組分在色譜柱中的分離情況如何，使用分離度R來衡量。其定義為：相鄰兩色譜峰保留值之差與兩峰峰底寬的平均值之比。即：共一百一十頁 式中tR2、tR1分別為兩組分的保留時間，Wb1、Wb2為相應(yīng)組分色譜峰的峰底寬度。保留值的差值，主要決定于固定液的熱力學(xué)性質(zhì)；而色譜峰的寬窄反映了色譜過程的動力學(xué)因素

23、，即柱效能(xionng)的高低。 理論(lln)上可證明，若峰形對稱且滿足于正態(tài)分布，則當(dāng)R=1.5時，分離程度可達(dá)99.7%。共一百一十頁因而(yn r)用R=1.5作為相鄰兩峰完全分開的標(biāo)志。用半峰寬表示(biosh)的分離度，其公式為：分離度公式中，如果Y1/2(1)=Y1/2(2) ,根據(jù)柱效公式：以及選擇性公式：整理得到：共一百一十頁因此(ync)，分離度是柱效能、選擇性影響因素的總和，故可作為色譜柱的總分離效能指標(biāo)。 如果用有效(yuxio)理論板數(shù)(n有效)表示分離度公式，則：共一百一十頁二.分離操作條件(tiojin)的選擇載氣及流速的選擇 根據(jù)(gnj) H=A+B/u+C

24、u 可知，對一定色譜柱和試樣，有一個最佳的載氣流速。用不同流速u對測得的H作圖，可得Hu曲線圖。共一百一十頁在曲線的最低點(diǎn),H最小，此時柱效最高。即它所對應(yīng)的流速(li s)為最佳流速(li s)。u最佳及H最小可通過對范氏方程式微分求得： 共一百一十頁實(shí)際工作(gngzu)中，為縮短分析時間，往往使流速稍高于u最佳。2.柱溫的選擇柱溫首先應(yīng)考慮不能高于固定液的最高使用溫度，否則固定液揮發(fā)流失。在此前提下，柱溫的高低直接影響(yngxing)分離效能和分析速度。 提高柱溫，可縮短分析時間，但各組分的K 值變小，不利于分離；共一百一十頁 降低柱溫，柱的選擇性增加有利于分離；但柱 溫過低，傳質(zhì)速率

25、顯著(xinzh)減小，柱效下降。柱溫選擇的原則：以最難分離的兩組分能夠達(dá)到分離，且峰形正常保留時間適宜的前提下，盡量采取較低的柱溫。一般(ybn)所用的柱溫接近被分析試樣的平均沸點(diǎn)。高沸點(diǎn)混合物(300400) 用低固定液含量的色譜柱(13%的質(zhì)量分?jǐn)?shù))，高靈敏度的檢測器，可在低于其沸點(diǎn)100200的柱溫下分析。共一百一十頁沸點(diǎn)為200300C的混合物可在中等柱溫或2/3沸點(diǎn)左右下操作，固定(gdng)液質(zhì)量分?jǐn)?shù)510%。沸點(diǎn)為100200C的混合物柱溫可選在其平 均沸點(diǎn)或沸點(diǎn)的2/3左右，用質(zhì)量(zhling)分?jǐn)?shù)1015%。對于氣體、氣態(tài)烴等低沸點(diǎn)混合物柱溫選在 沸點(diǎn)或沸點(diǎn)以上。液擔(dān)比一

26、般為1525%。對于寬沸程混合物 采用程序升溫，所謂程 序升溫即柱溫按預(yù)定的加熱速度，隨時間作 線性或非線性的增加。P.282.共一百一十頁3.柱長和柱內(nèi)徑的選擇增加柱長，n增加，R變大，有利于分離；但 時間會延長。原則：在滿足分離度的前提下 ，盡可能使用(shyng)短柱。填充柱以26m為宜。4.固定液的用量其用量視擔(dān)體表面積而定。表面積，用量； 允許的進(jìn)樣量；但往往(wngwng)為提高柱效，縮短分 析時間，使用低固定液的用量，缺點(diǎn)是進(jìn)樣量 較少。共一百一十頁5.擔(dān)體的性質(zhì)和粒度擔(dān)體的粒度影響渦流擴(kuò)散項(xiàng)(A)和氣相傳質(zhì)阻 力項(xiàng)(Cu)，粒度細(xì)小(xxio)均勻的擔(dān)體，柱效較高； 但粒度過細(xì)

27、，柱阻力過大，對操作不利。6.進(jìn)樣時間和進(jìn)樣量 進(jìn)樣時間愈短愈好，要求1秒內(nèi)完成。否則， 造成色譜峰擴(kuò)張(kuzhng)，變形，柱效下降。 一般液體進(jìn)樣量0.15L，氣體0.110mL。共一百一十頁進(jìn)樣過大，會造成色譜峰重疊柱效急劇下降，保留(boli)時間改變。理論上允許的最大進(jìn)樣量為塔板數(shù)n下降不超過10%?？刂圃诜迕娣e與進(jìn)樣量成線性關(guān)系的范圍內(nèi)。7.氣化溫度進(jìn)樣后，必須使試樣迅速(xn s)氣化。因而提高氣化溫度對分離有利；但前提不能使試樣分解。一般選擇比柱溫高3070較合適。共一百一十頁氣相色譜中，混合物的各組分能否完全分離，主要取決于色譜柱的柱效能(xionng)和選擇性。后者為熱力

28、學(xué)因素，在很大程度上取決于固定相選擇是否適當(dāng)。9-5 固定(gdng)相及其選擇一氣固色譜固定相在常溫下，要分離氣體及氣態(tài)烴時，需采用吸附劑作固定相；因其在固定液中溶解度很小，而在吸附劑上它們的吸附熱差別卻較大。共一百一十頁常用的固體吸附(xf)劑有活性炭(非極性)，氧化鋁(弱極性)，硅膠(強(qiáng)極性)。它們對各種氣體吸附(xf)能力的強(qiáng)弱不一樣。介紹P.269.固體吸附劑種類相對較少，且不同批次制備的性能有差別，進(jìn)樣量稍多峰形會不對稱，產(chǎn)生拖尾。通過(tnggu)改進(jìn)，已研制出了一些新型吸附劑。二氣液色譜固定相氣液色譜固定相由擔(dān)體表面涂固定液構(gòu)成。共一百一十頁擔(dān)體(載體)是一種化學(xué)惰性多孔性的固

29、體顆粒它的作用是提供一個大的惰性表面，使固定(gdng)液以液膜狀態(tài)分布其上對擔(dān)體的幾點(diǎn)要求。P.270.1.擔(dān)體(1)擔(dān)體的種類(zhngli)及性能共一百一十頁 紅色和白色擔(dān)體均由天然硅藻土經(jīng)煅燒而成。 區(qū)別：白色擔(dān)體在煅燒前加入少量Na2CO3作助熔劑；兩者化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，但表面結(jié)構(gòu)不同，適合分離(fnl)的組分對象不同。P.270271.(2)選擇擔(dān)體的大致原則： a.當(dāng)液擔(dān)比5%時，可選用硅藻土型擔(dān)體。 b.當(dāng)液擔(dān)比5%時，應(yīng)選用處理過的擔(dān)體。 c.對于高沸點(diǎn)(fidin)組分，可選用玻璃微球擔(dān)體。 d.對于強(qiáng)腐蝕性組分，可選用氟擔(dān)體。共一百一十頁對固定液的要求 固定液應(yīng)具備

30、(jbi)的條件：P.271.2.固定(gdng)液 由此可見，a. 固定液一般都是高沸點(diǎn)的有機(jī)物，各有其特定的使用溫度范圍。b. 必須針對被測物的性質(zhì)選擇合適的固定液。(2)固定液的分離特征 如果組分與固定液分子性質(zhì)相似，則兩者間的相互作用力較強(qiáng)；其在固定液中的溶解度較大(K值大)。共一百一十頁組分(zfn)與固定液分子間的這種相互作用力，會直接影響組分(zfn)在色譜柱中的分離情況。 與固定(gdng)相作用力大的組分，易被固定(gdng)液保留，較遲流出；相反作用力小的，則較早流出。 分子間存在的相互作用力主要有：靜電力、誘導(dǎo)力、色散力和氫鍵力。a.靜電力(定向力) 由極性分子的永久偶極

31、間存在的靜電作用而 引起。共一百一十頁b.誘導(dǎo)力 極性和非極性分子共存時，由于(yuy)受極性分子永 久偶極的電場作用，非極性分子可被極化產(chǎn)生 誘導(dǎo)偶極，在極性和非極性分子間產(chǎn)生相互作 用力。c.色散力 非極性分子間雖沒有靜電力和誘導(dǎo)力，但卻具 有瞬間周期性變化的偶極矩，能使周圍的分子 產(chǎn)生極化，被極化的分子又可加劇此瞬間偶極 矩變化的幅度(fd)，由此產(chǎn)生所謂的色散力。共一百一十頁d.氫鍵力 屬于定向力的一種。當(dāng)某個H原子與某個電負(fù) 性較大的原子(F、O)構(gòu)成共價鍵時，同時又可 與另一個(y )電負(fù)性較大的原子形成一種有方向性 的靜電力，即氫鍵力。 由上述可見(kjin)，分子間的相互作用力

32、與分子的極性密切相關(guān)。共一百一十頁(3)固定(gdng)液的選擇固定液的選擇，根據(jù)“相似相溶”原理進(jìn)行。根據(jù)被測組分的極性選擇固定液。選擇的原則：a.分離(fnl)非極性組分，選用非極性固定液；試樣中 各組分按沸點(diǎn)次序先后流出色譜柱。沸點(diǎn)， 出峰愈慢。b.分離極性組分, 選用極性固定液；試樣中各 組分按極性順序分離。極性，出峰愈慢。共一百一十頁c.分離非極性和極性混合物時，一般選用(xunyng)極性 固定液；非極性組分先出峰。d.對于易形成氫鍵的試樣組分(zfn)(醇、酚、胺和水 等)分離，一般選用極性的或氫鍵型的固定 液，出峰次序按與固定液分子間形成氫鍵的能 力大小先后流出。氫鍵力，出峰慢

33、。e.對于復(fù)雜的難分離的組分，可采用特殊的固 定液或兩種以上的固定液混合配制。共一百一十頁9-6 氣相色譜檢測器 其作用是將色譜柱分離后的各組分，按其物理和化學(xué)特性(txng)轉(zhuǎn)換為易測量的電信號，且信號的大小在一定范圍內(nèi)與進(jìn)入檢測器的物質(zhì)量成正比。 根據(jù)檢測原理(yunl)的不同，檢測器可分為濃度型檢測器 (concentration sensitive detector)和質(zhì)量型檢測器 (mass flow rate sensitive detector)兩種。共一百一十頁 濃度型檢測器:檢測的是載氣中某組分(zfn)濃度的瞬間變化(檢測器的響應(yīng)值與組分的濃度成正比). 質(zhì)量型檢測器：檢測

34、的是載氣中某組分進(jìn)入檢測器的速度變化(檢測器的響應(yīng)值與單位(dnwi)時間內(nèi)進(jìn)入檢測器的組分的質(zhì)量成正比)。一.熱導(dǎo)池檢測器 熱導(dǎo)池檢測器(thermal conductivity detector TCD)，屬于濃度型檢測器，其結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度適中性能穩(wěn)定，是一種最成熟且應(yīng)用最廣泛的檢測器。共一百一十頁結(jié)構(gòu) 由池體和熱絲(熱敏元件(yunjin)構(gòu)成。熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)圖：共一百一十頁池體：一般用不銹鋼制成。熱敏元件：一般用電阻率高，電阻溫度系數(shù)(xsh)大，且價廉易加工的金屬絲制成。常用鎢絲或錸鎢合金絲制成。 R=R0(1+t)參比池：僅允許(ynx)純載氣通過，通常連接在色譜 柱之前。測量池：由

35、攜帶被分離組分的載氣流過，連 接在緊靠近色譜柱的出口處。共一百一十頁2. 檢測原理 基于不同的物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)(r do)系數(shù)。共一百一十頁某些(mu xi)氣體與蒸氣的熱導(dǎo)系數(shù)()J(cms )-1氣體105(100)氣體105(100)氫224.3甲烷45.8氦175.6乙烷30.7氧31.9丙烷26.4空氣31.5甲醇23.1氮?dú)?1.5乙醇22.3氬21.8丙酮17.6共一百一十頁熱導(dǎo)池電橋(din qio)線路圖進(jìn)樣前，熱導(dǎo)池通電，當(dāng)鎢絲加熱(ji r)與散熱達(dá)到平衡，兩池電阻值相等： R參=R測 而：R1=R2 則： R參R2=R測R1ab無電壓信號輸出；記錄儀走直線(基線)。共

36、一百一十頁進(jìn)樣后，載氣攜帶試樣組分流過測量池有別于參比池(純載氣)，測量池的溫度因氣體(qt)成分的變化而改變，引起電阻的變化，即導(dǎo)致測量池和參比池的電阻值不等，產(chǎn)生電阻差：R參R測 則：R參R2R測R1 電橋失去平衡, ab兩端存在(cnzi)電位差，有電壓信號輸出。 產(chǎn)生信號的大小與組分濃度相關(guān)，即：ERtC 記錄儀記錄下組分濃度隨時間變化的峰形圖形，即流出曲線。共一百一十頁3.影響熱導(dǎo)(r do)檢測器靈敏度的因素(1)橋路電流I：I，熱絲溫度，熱絲與池體之間的溫差，有利于熱傳導(dǎo)和檢測器靈敏度的提高(t go)。根據(jù)理論推導(dǎo)，雙臂熱導(dǎo)池產(chǎn)生信號的大小可由下式計算：共一百一十頁S為熱導(dǎo)池檢

37、測器的響應(yīng)值；K為常數(shù)；Mi為組分i的分子量；R、I為熱絲的電阻和電流；為熱絲的電阻溫度(wnd)系數(shù)；n=R2(R1)/R參(R測)； G=2L/ln(d2/d1)；(L為熱絲長度；d1為熱絲半徑；d2為池孔半徑)SI3，但I(xiàn)過大，儀器穩(wěn)定性下降，基線(jxin)不穩(wěn)。嚴(yán)重時，還可能造成熱絲燒壞。共一百一十頁(2)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色譜(s p)柱溫度，以防止試樣組分在檢測器中冷凝。(3)載氣種類： 載氣與試樣的熱導(dǎo)(r do)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，則檢測靈敏度越高。共一百一十頁

38、 如果載氣的，則傳熱，通過(tnggu)的橋路電流也可適當(dāng)加大，檢測靈敏度可進(jìn)一步提高。He與H2同樣具有較大的熱導(dǎo)系數(shù)，但He價格較高，應(yīng)用較少。二.氫火焰(huyn)離子化檢測器 氫火焰離子化檢測器(flame ionization detector，F(xiàn)ID)對分析含碳有機(jī)物有很高的靈敏度，與熱導(dǎo)池檢測器相比要高出近三個數(shù)量級(ppb級)。儀器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快且穩(wěn)定，是目前應(yīng)用廣泛的理想檢測器。共一百一十頁1.結(jié)構(gòu)： 由離子室，離子頭及氣體(qt)供應(yīng)三部分組成。a.在發(fā)射極和收集極之間加一直流電壓(100300V)構(gòu)成一個(y )外加電場。b.氫焰檢測器需要用到三種氣體： H2：為燃?xì)?/p>

39、 空氣：助燃?xì)?N2：載氣攜帶試樣組分共一百一十頁2.檢測原理：其原理為物質(zhì)在火焰中的化學(xué)(huxu)電離。A區(qū)：預(yù)熱區(qū)B層：點(diǎn)燃火焰C層：熱裂解(li ji)區(qū)：溫度最高D層：反應(yīng)區(qū)a.當(dāng)攜帶某有機(jī)物CnHm的載氣由噴嘴進(jìn)入火焰時,在C層發(fā)生熱裂解反應(yīng)產(chǎn)生自由基： CnHm CH共一百一十頁b.產(chǎn)生的自由基在D層火焰中與外面擴(kuò)散進(jìn)來的 激發(fā)態(tài)原子氧或分子(fnz)氧發(fā)生如下反應(yīng)： CH + O CHO+ + ed.由化學(xué)電離產(chǎn)生(chnshng)的正離子(CHO+, H3O+)和電子 (e)在外加直流電場的作用下分別向兩極定向 運(yùn)動，產(chǎn)生一微電流(約10-610-14A)；c.生成的正離子C

40、HO+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共一百一十頁 在一定范圍內(nèi)，此電流大小與單位時間內(nèi)進(jìn)入離子室的被測組分的質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測器是質(zhì)量型檢測器。另外它的電離效率(xio l)很低，大約五十萬分之一的碳原子被電離；產(chǎn)生的微電流需通過高阻進(jìn)行放大。共一百一十頁3.操作(cozu)條件的選擇：(1)氣體流量：載氣流量：一般用N2作載氣，考慮分離效能，結(jié)合氫氣流量，找最佳流速。氫氣流量：H2與N2流量之比，影響火焰溫度(wnd)，即火焰中的電離過程。如果N2/H2，則：氫焰溫度，組分分子電離數(shù)目，產(chǎn)生的電流信號，靈敏度；而且容易熄火。反之,N

41、2/H2，熱噪音，儀器穩(wěn)定性。 共一百一十頁實(shí)驗(yàn)證明(zhngmng)，當(dāng)用N2作載氣時，一般N2/H2=1:11.5:1較好?？諝饬髁浚嚎諝馐侵?xì)?，為生成CHO+提供(tgng)O2。O2，CHO+，即靈敏度；但高于一定值后，對靈敏度幾乎沒有影響。共一百一十頁(2)極化電壓 實(shí)驗(yàn)證明，極化電壓較低時，響應(yīng)值隨極化 電壓的增加而增大并趨于一飽和(boh)值；再提高 極化電壓，檢測器的響應(yīng)值則幾乎不變。一 般選100300v之間。(3)使用溫度 與熱導(dǎo)池不同，氫焰的溫度不是主要影響因 素，從80200C，靈敏度幾乎相同。小于 80C，靈敏度顯著(xinzh)下降。共一百一十頁氫焰檢測器的特點(diǎn)：

42、a.靈敏度為熱導(dǎo)池檢測器的102104倍，死體積(tj) 幾乎為零；b.對溫度(wnd)不敏感;c.只對電離勢低于氫的有機(jī)物產(chǎn)生信號；對永久 性氣體和水不產(chǎn)生信號，因而很適合于測定水 和大氣中痕量的有機(jī)污染物。共一百一十頁氫焰檢測器的主要缺點(diǎn)：a.對永久性氣體(qt)如CO、CO2、H2S、NH3等無信號；b.檢測器會破壞(phui)樣品；c.為提高靈敏度和穩(wěn)定性需要使用高純度的載氣 和氫氣。9-7 定性和定量分析一定性分析氣相色譜的定性分析即確定每個色譜峰所代表的物質(zhì)。共一百一十頁 需說明的：如果沒有已知純物質(zhì)，僅用色譜法是無法對未知試樣進(jìn)行定性(dng xng)鑒定工作。1利用保留值的定性

43、(dng xng)方法 實(shí)踐證明，在一定的操作條件下，各種物質(zhì)都有確定不變的保留值。因此保留值可作為一種定性的指標(biāo)。(1)利用保留值(tR、VR)或(tR、VR)定性；(2)利用相對保留值(r21)定性； 可以消除某些操作條件的影響。共一百一十頁(3)利用(lyng)加入純物質(zhì)以增加峰高進(jìn)行定性。(4)利用保留指數(shù)(zhsh)I定性 其重現(xiàn)性優(yōu)于其它保留數(shù)據(jù)，根據(jù)所用固定相和柱溫可直接對照文獻(xiàn)值而不需標(biāo)準(zhǔn)樣品。保留指數(shù)I，把物質(zhì)的保留行為用兩個緊靠近它的標(biāo)準(zhǔn)物(一般為兩個正構(gòu)烷烴)來標(biāo)定，并以均一標(biāo)度表示。某物質(zhì)的保留指數(shù)可用下式計算：共一百一十頁式中X為保留值(可用調(diào)整保留值表示)。i為被測

44、物，Z、Z+1分別代表(dibio)具有Z和Z+1個碳原子數(shù)的正構(gòu)烷烴，XzXi Xz+1。 正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)規(guī)定(gudng)為它的碳數(shù)乘以100，如正戊烷、正庚烷的保留指數(shù)分別為500和700。舉例P.284.共一百一十頁二.氣相色譜定量(dngling)方法 經(jīng)推導(dǎo)，在一定操作條件下，被測組分的重量mi與檢測器上的響應(yīng)信號(色譜(s p)圖上表現(xiàn)為峰面積或峰高)成正比(P.285.)。即 mi=fiAi或mi=fhihi，這就是色譜定量依據(jù)。 由此可見，在定量分析中需要：(1)準(zhǔn)確測量峰面積；(2)準(zhǔn)確求出比例常數(shù)fi；(3)選擇一種合適的定量方法。共一百一十頁1.峰面積(min j)

45、測量法常用的峰面積測量法：(1)峰高(h)乘半峰寬(Y)法： 近似(jn s)將色譜峰視為等腰三角形，此法算出的面積是實(shí)際峰面積的0.94倍，則色譜峰面積： A=1.065hY(2)峰高乘平均峰寬法： 當(dāng)峰形不對稱時，可在峰高0.15和0.85處分別 測定峰寬，由下式計算峰面積： A=h(Y0.15+Y0.85)/2 共一百一十頁(3)峰高乘保留時間法： 在一定操作條件下，同系物的半峰寬與保留時間成正比，對于難以(nny)測量半峰寬的窄峰、重疊峰(未完全重疊)，可用此法測定峰面積： A = hbtR (4)自動(zdng)積分和微機(jī)處理法2.定量校正因子fi的測量 色譜定量依據(jù)為被測物質(zhì)的量與

46、峰面積成正 比。共一百一十頁但由于同一檢測器對不同物質(zhì)的靈敏度不同，故同重量的不同物質(zhì)通過檢測器時，產(chǎn)生的峰面積不等。因而不能直接(zhji)應(yīng)用峰面積來計算含量，須對響應(yīng)值進(jìn)行校正。為此引入“定量校正因子”(quantitative calibration factor) mi=fiAi fi= mi/Ai 式中fi稱為絕對定量校正因子，物理意義(yy)：單位峰面積所代表的物質(zhì)質(zhì)量，由儀器的靈敏度所決定。共一百一十頁 絕對校正因子既不易準(zhǔn)確測量。也無法直接應(yīng)用(yngyng)。定量工作中一般都用相對校正因子fi。即組分(zfn)的fi值與標(biāo)準(zhǔn)物的fs值之比：對熱導(dǎo)池檢測器常用苯作標(biāo)準(zhǔn)物，對氫

47、焰離子化檢測器常用正庚烷作標(biāo)準(zhǔn)物。相對校正因子的幾種表示法: mi、mS用質(zhì)量單位時，稱質(zhì)量校正因子，以(fW) 表示：共一百一十頁 當(dāng)mi、mS以摩爾為單位時，所得(su d)的稱為摩爾校正因子(fM)： 用體積計量時，所得的稱為體積校正(jiozhng)因子(fv)： 相對響應(yīng)值s 物質(zhì)i與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)s的響應(yīng)值之比。單位相同 時，與校正因子互為倒數(shù)： s=1/f共一百一十頁 f值只與試樣，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以及檢測器類型有關(guān)，而與操作條件及柱溫、固定(gdng)液性質(zhì)無關(guān)。下圖列出一些常用相對質(zhì)量(zhling)校正因子數(shù)據(jù)：化合物沸點(diǎn)相對分子量TCD fwFID fw乙烷89300.591.03苯8

48、0780.780.89甲苯110920.790.94環(huán)己烷81840.740.99乙醇78460.642.18丙酮56580.682.04乙酸乙脂77880.792.64共一百一十頁3.常用(chn yn)的幾種定量方法(1)歸一化法(normalization method)： 方法應(yīng)用(yngyng)的條件：試樣中各組分都能流出色譜柱，在色譜圖上顯示色譜峰。 假設(shè)試樣有n個組分，其質(zhì)量分別為m1、m2、 mn，其中組分i的質(zhì)量濃度為：式中fi為質(zhì)量相對校正因子。共一百一十頁 對于狹窄的色譜峰，當(dāng)各種操作條件保持嚴(yán)格不變時，一定(ydng)進(jìn)樣量范圍內(nèi)，峰的半寬度可保持不變，因而可用峰高替代

49、峰面積進(jìn)行計算。此時：方法的特點(diǎn)及要求： 歸一化法簡便、準(zhǔn)確(zhnqu)； 進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性和操作條件的變動對測定結(jié)果 影響不大； 僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況。共一百一十頁(2)內(nèi)標(biāo)法(internal standard method)： 所謂內(nèi)標(biāo)法是將一定量的純物質(zhì)作為內(nèi)標(biāo)物，加入到試樣中，根據(jù)被測物和內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量及其在色譜圖上相應(yīng)的峰面積比，求出某組分(zfn)的含量。 具體做法：準(zhǔn)確(zhnqu)稱取一定量的試樣W，定量加入為mS的內(nèi)標(biāo)物，設(shè)試樣中某組分的量為mi 。計算式：共一百一十頁 一般內(nèi)標(biāo)法中，常以內(nèi)(y ni)標(biāo)物為基準(zhǔn)，則fs=1，上式可簡化為：作為內(nèi)標(biāo)物須滿足(mnz)以下要求：（1）試樣中不應(yīng)含有該內(nèi)標(biāo)物質(zhì)；共一百一十頁（2）與被測組分性質(zhì)比較接近；（3）不與試樣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(huxu fnyng)；（4）出峰位置應(yīng)位于被測組分附近，且不影響 組分色譜峰。 內(nèi)標(biāo)法的特點(diǎn)(tdin)：(1)內(nèi)標(biāo)法的準(zhǔn)確性較高，操作條件