氣相色譜分析-3

第二章氣相色譜分析2023/11/10第一節(jié)色譜概述第二節(jié)氣相色譜分析理論基礎第三節(jié)氣相色譜儀第四節(jié)氣相色譜固定相及其選擇第五節(jié)氣相色譜定性和定量方法第六節(jié)氣相色譜分析法的示例及應用一、色譜法的特點、分類和作用

2023/11/101.概述

混合物最有效的分離、分析方法。俄國植物學家茨維特在1903年使用的裝置：色譜原型裝置，如圖。

色譜法是一種分離技術，試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進行著的分配過程。其中的一相固定不動，稱為固定相；另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體（氣體或液體），稱為流動相。第一節(jié)色譜概述色譜法

2023/11/10

當流動相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時，其與固定相發(fā)生相互作用。由于混合物中各組分在性質和結構上的差異，與固定相之間產(chǎn)生的作用力的大小、強弱不同，隨著流動相的移動，混合物在兩相間經(jīng)過反復多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時間不同，從而按一定次序由固定相中流出。與適當?shù)闹髾z測方法結合，實現(xiàn)混合物中各組分的分離與檢測。2.色譜法分類

2023/11/10(1)氣相色譜：流動相為氣體（稱為載氣）。按分離柱不同可分為：填充柱色譜和毛細管柱色譜；按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜液相色譜2023/11/10(2)液相色譜：流動相為液體（也稱為淋洗液）。按固定相的不同分為：液固色譜和液液色譜。離子交換色譜：液相色譜的一種，以特制的離子交換樹脂為固定相，不同pH值的水溶液為流動相。(3)其他色譜方法2023/11/10薄層色譜和紙色譜：比較簡單的色譜方法凝膠色譜法：測聚合物分子量分布。超臨界色譜:CO2流動相。高效毛細管電泳:九十年代快速發(fā)展、特別適合生物試樣分析分離的高效分析儀器。3.色譜法的特點2023/11/10（1）分離效率高

復雜混合物，有機同系物、異構體。手性異構體。（2）靈敏度高

可以檢測出μg.g-1(10-6)級甚至ng.g-1(10-9)級的物質量。（3）分析速度快

一般在幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)可以完成一個試樣的分析。（4）應用范圍廣

氣相色譜：沸點低于400℃的熱穩(wěn)定有機或無機試樣的分析。液相色譜：高沸點、熱不穩(wěn)定、生物試樣的分離分析。

不足之處：

被分離組分的定性較為困難。二、色譜分離過程2023/11/10色譜分離過程是在色譜柱內(nèi)完成的。填充柱色譜:氣固(液固)色譜和氣液(液液)色譜，兩者的分離機理不同。氣固(液固)色譜的固定相:多孔性的固體吸附劑顆粒。

固體吸附劑對試樣中各組分的吸附能力的不同。氣液(液液)色譜的固定相:由擔體和固定液所組成。

固定液對試樣中各組分的溶解能力的不同。氣固色譜的分離機理:吸附與脫附的不斷重復過程；氣液色譜的分離機理：

氣液(液液)兩相間的反復多次分配過程。氣相色譜分離過程2023/11/10當試樣由載氣攜帶進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;揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動時又再次被固定相溶解或吸附;隨著載氣的流動，溶解、揮發(fā)，或吸附、脫附的過程反復地進行。色譜分離過程（色譜圖）

混合組分的分離過程及檢測器對各組份在不同階段的響應三、色譜流出曲線與術語2023/11/101.基線

無試樣通過檢測器時，檢測到的信號即為基線。2.保留值

（1）時間表示的保留值

保留時間（tR）：組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時所需的時間；死時間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時間；

調整保留時間（tR

＇）：tR＇=tR－tM

（2）用體積表示的保留值2023/11/10

保留體積（VR）：VR=tR×F0F0為柱出口處的載氣流量，單位：mL/min。

死體積（VM）：VM=tM×F0

調整保留體積(VR＇)：VR＇=VR－VM

3.相對保留值r212023/11/10組分2與組分1調整保留值之比：

r21=t′R2

/t′R1=V′R2/V′R1相對保留值只與柱溫和固定相性質有關，與其他色譜操作條件無關，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。4.區(qū)域寬度2023/11/10

用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標準偏差(

)：即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2)：色譜峰高一半處的寬度Y1/2=2.354

（3）峰底寬(Wb)：Wb=4

一.氣固和氣液色譜分析的理論

1.分配系數(shù)（PARTIONFACTOR）K2023/11/10

組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過程叫做分配過程。在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的濃度（單位：g/mL）比，稱為分配系數(shù)，用K表示，即：分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。第二節(jié)氣相色譜分析理論基礎分配系數(shù)K的討論2023/11/10

一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；試樣一定時，K主要取決于固定相性質；每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣中的各組分具有不同的K值是分離的基礎；某組分的K=0時，即不被固定相保留，最先流出。2.分配比（PARTIONRADIO）K2023/11/10

在實際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的質量比：

1.分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學性質有關的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。2.分配系數(shù)與分配比都是衡量色譜柱對組分保留能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時間越長。3.分配比可以由實驗測得。分配比也稱為：容量因子；容量比3.分配比與分配系數(shù)的關系

2023/11/10

式中β為相比。填充柱相比：6～35；毛細管柱的相比：50～1500。容量因子越大，保留時間越長。

VM為流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積；

VS為固定相體積，對不同類型色譜柱，VS的含義不同；

氣-液色譜柱：VS為固定液體積；

氣-固色譜柱：VS為吸附劑表面容量；4.分配比與保留時間的關系

2023/11/10

滯留因子（retardationfactor）：us：組分在分離柱內(nèi)的線速度；u：流動相在分離柱內(nèi)的線速度；滯留因子RS也可以用質量分數(shù)ω表示：若組分和流動相通過長度為L的分離柱，需要的時間分別為tR和tM，則：由以上各式，可得：tR=tM(1+k)2023/11/10二.色譜分離的基本理論1.塔板理論（platetheory）兩組份峰間距足夠遠：由各組份在兩相間的分配系數(shù)決定，即由色譜過程的

熱力學性質決定。每個組份峰寬足夠?。河山M份在色譜柱中的傳質和擴散決定，即由色譜過程

動力學性質決定。因此，研究、解釋色譜分離行為應從熱力學和動力學兩方面進行。1952年，Martin等人提出的塔板理論將一根色譜柱當作一個由許多塔板組成的精餾塔，用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。塔板是從精餾中借用的，是一種半經(jīng)驗理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線呈正態(tài)分布。

2023/11/10塔板理論假定：1）塔板之間不連續(xù)；2）塔板之間無分子擴散；3）組分在各塔板內(nèi)兩相間的分配瞬間達至平衡，達一次平衡所需柱長為理論塔板高度H；4）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)相同；5）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個一個的塔板體積加入。

當塔板數(shù)n較少時，組分在柱內(nèi)達分配平衡的次數(shù)較少，流出曲線呈峰形，但不對稱；當塔板數(shù)n>50時，峰形接近正態(tài)分布。理論塔板數(shù)n：可見理論塔板數(shù)由組分保留值和峰寬決定。若柱長為L，則每塊理論塔板高度H為

由上述兩式知道，理論塔板數(shù)n越多、理論塔板高度H越小、色譜峰越窄，則柱效越高。但上述兩式包含死時間t0，它與組分在柱內(nèi)的分配無關，因此不能真正反映色譜柱的柱效。因此，通常以有效塔板數(shù)neff和有效塔板高度Heff表示：有關塔板理論的說明：1）說明柱效時，必須注明該柱效是針對何種物質、固定液種類及其含量、流動相種類及流速、操作條件等；2）應定期對柱效進行評價，以防柱效下降、延長柱壽命。3）塔板理論描述了組分在柱內(nèi)的分配平衡和分離過程、導出流出曲線的數(shù)學模型、解釋了流出曲線形狀和位置、提出了計算和評價柱效的參數(shù)。

但該理論是在理想情況下導出的，未考慮分子擴散因素、其它動力學因素對柱內(nèi)傳質的影響。因此它不能解釋：峰形為什么會擴張？影響柱效的動力學因素是什么？速率理論1956年，荷蘭化學工程師vanDeemter提出了色譜過程動力學速率理論：吸收了塔板理論中的板高H概念，考慮了組分在兩相間的擴散和傳質過程，從而給出了vanDeemter方程：

u為流動相線速度；A，B，C為常數(shù)，其中：

A—分別表示渦流擴散系數(shù)；

B—分子擴散系數(shù)；

C—傳質阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質阻力系數(shù)）。

該式從動力學角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各種因素！任何減少方程右邊三項數(shù)值的方法，都可降低H，從而提高柱效。2.速率理論（ratetheory）1）渦流擴散項(eddydiffusionterm,A)

在填充柱中，由于受到固定相顆粒的阻礙，組份在遷移過程中隨流動相不斷改變方向，形成紊亂的“渦流”。A=2dp其中dp—填充物平均直徑；—填充不均勻因子。

可見，使用細粒的固定相并填充均勻可減小A，提高柱效。對于空心毛細管柱，無渦流擴散，即A=0。2）分子擴散項(Longitudinaldiffusionterm,B/u)

縱向分子擴散是由于濃度梯度引起的。當樣品被注入色譜柱時，它呈“塞子”狀分布。隨著流動相的推進，“塞子”因濃度梯度而向前后自發(fā)地擴散，使譜峰展寬。其分子擴散系數(shù)B大小為B=2D—稱為彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況；D—組分在流動相中的擴散系數(shù)。組份為氣體或液體時，分別以Dg或Dm表示；討論：分子量大的組分，Dg小，即B小

Dg隨柱溫升高而增加，隨柱壓降低而減??；流動相分子量大，Dg小，即B小；

u增加，組份停留時間短，縱向擴散小；（B/u）對于液相色譜，因Dm

較小，B項可勿略。球狀顆粒；大分子量流動相；適當增加流速；短柱；低溫。3）傳質阻力項(Mass-transferterm,Cu)

因傳質阻力的存在，使分配不能“瞬間”達至平衡，因此產(chǎn)生峰形展寬。氣相色譜以氣體為流動相，液相色譜以液體為流動相，二者傳質過程不完全相同。下面分別作討論。氣液色譜：傳質阻力項C包括氣相傳質阻力系數(shù)Cs和液相傳質阻力系數(shù)Cl。流動相固液界面固定液組分分子ClCg2023/11/101.載氣系統(tǒng)

包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制；常用的載氣有：氫氣、氮氣、氦氣；凈化干燥管：去除載氣中的水、有機物等雜質（依次通過分子篩、活性炭等）；載氣流速控制：壓力表、流量計、針形穩(wěn)壓閥，控制載氣流速恒定。第三節(jié)氣相色譜儀2.進樣裝置2023/11/10進樣裝置：進樣器+氣化室；氣體進樣器（六通閥）：推拉式和旋轉式兩種。試樣首先充滿定量管，切入后，載氣攜帶定量管中的試樣氣體進入分離柱；

液體進樣器：2023/11/10不同規(guī)格的專用注射器，填充柱色譜常用10μL；毛細管色譜常用1μL；新型儀器帶有全自動液體進樣器，清洗、潤沖、取樣、進樣、換樣等過程自動完成，一次可放置數(shù)十個試樣。

氣化室：將液體試樣瞬間氣化的裝置。無催化作用。3.色譜柱（分離柱）2023/11/10

色譜柱：色譜儀的核心部件。柱材質：不銹鋼管或玻璃管，內(nèi)徑3-6毫米。長度可根據(jù)需要確定。柱填料：粒度為60-80或80-100目的色譜固定相。

液-固色譜：固體吸附劑液-液色譜：擔體+固定液

柱制備對柱效有較大影響，填料裝填太緊，柱前壓力大，流速慢或將柱堵死，反之空隙體積大，柱效低。有關固定液性質及其選擇見下一節(jié)。4.檢測系統(tǒng)2023/11/10

色譜儀的眼睛通常由檢測元件、放大器、顯示記錄三部分組成；被色譜柱分離后的組分依次進入檢測器，按其濃度或質量隨時間的變化，轉化成相應電信號，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖；

檢測器：廣普型——對所有物質均有響應；

專屬型——對特定物質有高靈敏響應；常用的檢測器：熱導檢測器、氫火焰離子化檢測器；

5.溫度控制系統(tǒng)2023/11/10

溫度是色譜分離條件的重要選擇參數(shù)；

氣化室、分離室、檢測器三部分在色譜儀操作時均需控制溫度；

氣化室：保證液體試樣瞬間氣化；

檢測器：保證被分離后的組分通過時不在此冷凝；

分離室：準確控制分離需要的溫度。當試樣復雜時，分離室溫度需要按一定程序控制溫度變化，各組分在最佳溫度下分離；（一）分離度(Resolution,R)

同時反映色譜柱效能和選擇性的一個綜合指標。也稱總分離效能指標。其定義為：

利用此式，可直接從色譜流出曲線上求出分離度R。

R越大，相鄰組分分離越好。當R=1.5時，分離程度可達99.7%，因此R=1.5通常用作是否完全分開的判據(jù)。第四節(jié)氣相色譜分離條件及固定相的選擇一.分離度及色譜分離方程R=1.5R=0.75R=1.0響應信號保留時間t,min(二)色譜分離基本方程

R的定義并未反映影響分離度的各種因素。也就是說，R未與影響其大小的因素：柱效n、選擇因子和保留因子k聯(lián)系起來。對于相鄰的難分離組分，由于它們的分配系數(shù)K相差小，可合理假設k1k2=k，W1W2=W。因此可導出R與n（neff）、和k的關系。概念、表示方法及計算公式匯總表-1表-2分離操作條件的選擇1.載氣及其流速的選擇

由vanDeemter方程H=A+B/u+Cu知道：當u一定時，僅在A、B、C較小時，H較小，柱效較高；反之則柱效較低，色譜峰將展寬。以u對H作圖，可得H-u曲線（如圖），從該曲線得到：

渦流擴散項A與流速u無關；

低流速區(qū)(u小)，B/u大，分子擴散項占主導，此時選擇分子量大的氣體如N2和Ar為載氣，可減小擴散，提高柱效；

高流速區(qū)(u大)，Cu大，傳質阻力項占主導，此時選擇分子量小的氣體如H2和He為載氣，可增加擴散系數(shù)，提高柱效；

曲線的最低點對應最佳線速uopt(

)下的最小板高Hmin()；板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u2.柱溫的選擇：柱溫是影響分離的最重要的因素。選擇柱溫主要是考慮樣品待測物沸點和對分離的要求。柱溫通常要等于或略高于樣品的平均沸點(分析時間20-30min)；對寬沸程的樣品，應使用程序升溫方法。恒溫：45oC程序升溫：30~180oC恒溫：145oC溫度低，分離效果好，但分析時間長程序升溫，分離效果好，且分析時間短溫度高，但分析時間短，但分離效果差程序升溫與恒溫對分離的影響比較程序升溫:在分析周期內(nèi)使柱溫按預定的升溫程序由低向高逐漸變化，使不同沸點的組份在各自最佳的溫度流出，改善分離效果。2023/11/103.固定液的性質和用量：固定液的性質對分離起決定作用。擔體表面積越大，固定液用量可以越高，允許的進樣量也越多。目前，常用低固定液含量的色譜柱，柱效能高，分析時間短。2023/11/104.擔體的性質和粒度：對3-6mm色譜柱，使用80-100目的擔體較合適。5.進樣時間和進樣：時間：1s內(nèi)進樣量：液體試樣0.1-5微升

氣體試樣0.1-10毫升6.氣化溫度：比柱溫高30-70度。分離柱中固定相組成與性質直接影響分離效能。固定相分為兩類：

1）固體固定相

2）液體固定相第四節(jié)氣相色譜固定相及其選擇

利用固體表面有一定活性的基團對不同物質的吸附能力差別進行分離。主要用于分離小分子量的永久氣體及烴類。一.固體固定相常用固定相性質及其分離對象氣液色譜固定相由載體和固定液構成。載體為固定液提供大的惰性表面，以承擔固定液，使其形成薄而勻的液膜。1.擔體(也稱載體)對載體的要求：粒度均勻、高強度的球形小顆粒；至少1m2/g的比表面；高溫下呈惰性；并可被固定液完全浸潤。二.液體固定相——擔體+固定液載體類型：分為硅藻土型和非硅藻土型，

前者又分為白色和紅色擔體。載體的處理：硅藻土含有硅醇基，不完全化學惰性，需進行化學處理。如與硅烷化試劑反應，生成硅醚。或進行酸洗、堿洗處理。2.固定液及其選擇1）對固定液的要求：a)熱穩(wěn)定性好、蒸汽壓低——流失少；b)化學穩(wěn)定性好——不與其它物質反應；c)對試樣有合適的溶解能力——分配系數(shù)K適當；d)對各組分具有良好的選擇性。2）固定液的分類：固定液最常用的分類方法是按極性進行分類。相對極性P：規(guī)定非極性固定液角鯊烷的極性為0，強極性固定液

,-氧二丙腈的極性為100，例如丁二烯和正已烷分別在角鯊烷、

,-氧二丙腈及待測固定液柱上測定所選物質對的相對保留值，并取對數(shù)：從下列公式求得待測固定液的相對極性Px：其中q1,q2,qx分別表示物質對在角鯊烷、

,-氧二丙腈和待測固定液的相對保留值。Px在0~100之間，每20單位為一級，即將極性分為5級：0,+1(非極性)；+1,+2(弱極性)；+3(中等極性；+4,+5(強極性)3）固定液選擇：按“相似相溶”原理選擇固定液。非極性組分——非極性固定液——沸點低的物質先流出；極性物質——極性固定液——極性小的物質先流出；各類極性混合物——極性固定液——極性小的物質先流出；氫鍵型物質——氫鍵型固定液——不易形成氫鍵的物質先流出；復雜混合物——兩種或以上混合固定液固定液分類及選擇一、定性分析方法1、利用保留值與已知物對照定性

當有待測組分的純樣品時，用對照法進行定性極為簡單。實驗時，可采用單柱比較法，雙柱比較法或峰高加入法。1)單柱比較法：在相同的色譜條件下，分別對已知純樣及待測試樣進行色譜分析，得到兩張色譜圖，然后比較其保留時間或保留體積，當兩者的參數(shù)相同時，即可認為待測試樣中可能有純樣品那種組分存在。第五節(jié)氣相色譜定性和定量方法2）雙柱比較法在兩個極性完全不同的色譜柱上，測定純樣品和待測組分在其上的保留值，如果都相同，則可較準確地判斷試樣中有與此純樣相同的物質存在。雙柱法比單柱法更為可靠，因為有些不同的化合物會在某一固定液上表現(xiàn)出相同的色譜性質。3）峰高加入法

將已知純樣加入待測組分后再進行一次分析，然后與原來的待測組分的色譜圖進行比較，若前者的色譜峰增高而半峰寬不變，則可認為加入的已知純物與樣品中的某一組分為同一化合物。當進樣量很低時，如果峰不重合，峰中出現(xiàn)轉折，或者半峰寬變寬，則一般可以肯定試樣中不含與所加已知純物相同的化合物。2、利用保留值經(jīng)驗規(guī)律定性碳數(shù)規(guī)律：

大量實驗事實證明，在一定溫度下，同系物的調整保留時間的對數(shù)與分子中碳原子數(shù)成線性關系：

lgtR＇=A1n+C1

式中A1和C1是常數(shù)，n（n≥3）為分子中的碳原子數(shù)。該式說明，如果知道某一同系物中兩個或更多組分的調整保留值，則可根據(jù)上式推知同系物中其它組分的調整保留值。

沸點規(guī)律：

同族具有相同碳數(shù)碳鏈的異構體化合物，其調整保留時間的對數(shù)和它們的沸點呈線性關系：

lgtR＇=A2Tb+C2

式中A2和C2均為常數(shù)，Tb為組分的沸點（K）。由此可見，根據(jù)同族同數(shù)碳鏈異構體中幾個已知組分的調整保留時間的對數(shù)值，就能求得同族中具有相同碳數(shù)的其它異構體的調整保留時間。3、根據(jù)文獻保留數(shù)據(jù)定性

相對保留值定性法保留指數(shù)定性法相對保留值定性法

用組分i與基準物質s的相對保留值ri,s作為定性指標對未知組分i定性的方法稱為相對保留值法。

相對保留值只與兩組分的分配系數(shù)有關，不受其它操作條件影響，只要固定相性質與柱溫確定，相對保留值就是一個定值。測定時，有關文獻提供的組分i與某基準物s的相對保留值ri,s可作為初步定性依據(jù)。

保留指數(shù)定性法

人為規(guī)定正構烷烴的保留指數(shù)為其碳數(shù)乘100，被測物質的保留指數(shù)則可采用兩個相鄰正構烷烴的保留指數(shù)進行標定。測定時，將碳數(shù)為n和n＋1的正構烷烴加到被測物質中進行色譜分析，x的保留指數(shù)Ix可按下式計算：

二、

定量分析方法

當操作條件一定時，被測組分的質量mi或濃度與檢測器的響應訊號（峰面積或峰高）成正比：

mi=f’iAimi：i的質量；f’i：定量校正因子（比例常數(shù)）；

Ai：峰面積。此式為色譜定量分析的依