氣相色譜分析課件

儀器分析

InstrumentalAnalysis歡迎你2學(xué)時(shí)數(shù)：18學(xué)時(shí)參考教材：《儀器分析》〔第三版〕朱明華編課程性質(zhì)：必修考核形式：考試任課教師：萬其進(jìn)

3講授內(nèi)容第一章氣相色譜分析

第二章電位分析法

第三章紫外-可見吸收光譜分析

第四章紅外吸收光譜分析4第1章氣相色譜分析

GasChromatography〔GC〕5§1-1概述

色譜法是在1903年由俄國植物學(xué)家Цвет別離植物色素時(shí)首先采用的。后來不僅用于別離有色物質(zhì)，還用于別離無色物質(zhì)，并出現(xiàn)了種類繁多的各種色譜法。許多氣體、液體和固體樣品都能找到適宜的色譜法進(jìn)行別離和分析。目前色譜法已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，成為十分重要的別離分析手段。6但不管屬于哪一類色譜法，其共同的根本特點(diǎn)是具備兩個(gè)相：不動(dòng)的一相，稱之為固定相；另一相是攜帶樣品混合物流過此固定相的流體，稱為流動(dòng)相。當(dāng)流動(dòng)相中樣品混合物經(jīng)過固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生作用，由于各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相相互作用的類型、強(qiáng)弱也有差異，因此在同一推動(dòng)力的作用下，不同組分在固定相中的滯留時(shí)間長(zhǎng)短不同，從而按先后不同的次序從固定相中流出。

8色譜法分類

1．按兩相狀態(tài)分類氣體為流動(dòng)相的色譜稱為氣相色譜〔GC〕，根據(jù)固定相是固體吸附劑還是固定液〔附著在惰性載體上的一薄層有機(jī)化合物液體〕，又可分為氣固色譜〔GSC〕和氣液色譜〔GLC〕；液體為流動(dòng)相的色譜稱為液相色譜〔LC〕。同理，液相色譜亦可分為液固色譜〔LSC〕和液液色譜〔LLC〕。超臨界流體為流動(dòng)相的色譜稱為超臨界流體色譜〔SFC〕。隨著色譜工作的開展，通過化學(xué)反響將固定液鍵合到載體外表，這種化學(xué)鍵合固定相的色譜又稱化學(xué)鍵合相色譜〔CBPC〕。92．按別離機(jī)理分類利用組分在吸附劑〔固定相〕上的吸附能力強(qiáng)弱不同而得以別離的方法，稱為吸附色譜法。利用組分在固定液〔固定相〕中溶解度不同而到達(dá)別離的方法稱為分配色譜法。利用組分在離子交換劑〔固定相〕上的親和力大小不同而到達(dá)別離的方法，稱為離子交換色譜法。利用大小不同的分子在多孔固定相中的選擇滲透而到達(dá)別離的方法，稱為凝膠色譜法或尺寸排阻色譜法。最近，又有一種新別離技術(shù)，利用不同組分與固定相〔固定化分子〕的高專屬性親和力進(jìn)行別離的技術(shù)稱為親和色譜法，常用于蛋白質(zhì)的別離。103．按固定相的外形分類

固定相裝于柱內(nèi)的色譜法，稱為柱色譜。

固定相呈平板狀的色譜法，稱為平板色譜，它又可分為薄層色譜和紙色譜。

根據(jù)以上所述，將色譜法的分類總結(jié)于表1-1中。

111-112§1-2色譜流出曲線及有關(guān)術(shù)語

一．流出曲線和色譜峰

13

如果進(jìn)樣量很小，濃度很低，在吸附等溫線的線性范圍內(nèi)，色譜峰如果對(duì)稱，可用Gauss正態(tài)分布函數(shù)表示：

式中：C—不同時(shí)間t時(shí)某物質(zhì)的濃度，C0—進(jìn)樣濃度，tR—保存時(shí)間，σ—標(biāo)準(zhǔn)偏差。14二、基線

是柱中僅有流動(dòng)相通過時(shí)，檢測(cè)器響應(yīng)訊號(hào)的記錄值，即圖1-2中O—t線．穩(wěn)定的基線應(yīng)該是一條水平直線．

三、峰高

色譜峰頂點(diǎn)與基線之間的垂直距離，以h表示，如圖1-2中B′A

15四、保存值1．死時(shí)間tM

不被固定相吸附或溶解的物質(zhì)進(jìn)入色譜柱時(shí)，從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值所需的時(shí)間稱為死時(shí)間，如圖1-2中O′A′。因?yàn)檫@種物質(zhì)不被固定相吸附或溶解，故其流動(dòng)速度將與流動(dòng)相的流動(dòng)速度相近．測(cè)定流動(dòng)相平均線速ū時(shí)，可用柱長(zhǎng)L與tM的比值計(jì)算。16

2．保存時(shí)間tR試樣從進(jìn)樣開始到柱后出現(xiàn)峰極大點(diǎn)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為保存時(shí)間，如圖1-2O′B．它相應(yīng)于樣品到達(dá)柱末端的檢測(cè)器所需的時(shí)間。173．調(diào)整保存時(shí)間tR′

某組份的保存時(shí)間扣除死時(shí)間后稱為該組份的調(diào)整保存時(shí)間，即

tR′=tR–tM由于組份在色譜柱中的保存時(shí)間tR包含了組份隨流動(dòng)相通過柱子所需的時(shí)間和組份在固定相中滯留所需的時(shí)間，所以tR′實(shí)際上是組份在固定相中停留的總時(shí)間。保存時(shí)間可用時(shí)間單位〔如s〕或距離單位〔如cm〕表示。保存時(shí)間是色譜法定性的根本依據(jù)，但同一組份的保存時(shí)間常受到流動(dòng)相流速的影響，因此色譜工作者有時(shí)用保存體積等參數(shù)進(jìn)行定性檢定．18

4．死體積VM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(cè)器的空間的總和．當(dāng)后兩項(xiàng)很小而可忽略不計(jì)時(shí)，死體積可由死時(shí)間與流動(dòng)相體積流速F0〔L／min〕計(jì)算：VM=tM·F0195．保存體積VR

指從進(jìn)樣開始到被測(cè)組份在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過的流動(dòng)相體積。保存體積與保存時(shí)間tR的關(guān)系如下：

VR=tR·F06．調(diào)整保存體積VR′某組份的保存體積扣除死體積后，稱該組份的調(diào)整保存體積，即VR′=VR-VM20

7．相對(duì)保存值r21某組份2的調(diào)整保存值與另一組份1的調(diào)整保存值之比，稱為相對(duì)保存值：由于相對(duì)保存值只與柱溫及固定相的性質(zhì)有關(guān)，而與柱徑、柱長(zhǎng)、填充情況及流動(dòng)相流速無關(guān)，因此，它是色譜法中，特別是氣相色譜法中，廣泛使用的定性數(shù)據(jù)．必須注意，相對(duì)保存值絕對(duì)不是兩個(gè)組份保存時(shí)間或保存體積之比.21選擇因子

在定性分析中，通常固定一個(gè)色譜峰作為標(biāo)準(zhǔn)(s)，然后再求其它峰(i)對(duì)這個(gè)峰的相對(duì)保存值。此時(shí)，可能大于1，也可能小于1．在多元混合物分析中，通常選擇一對(duì)最難別離的物質(zhì)對(duì)，將它們的相對(duì)保存值作為重要參數(shù)。在這種特殊情況下，可用符號(hào)α表示：式中tR2′為后出峰的調(diào)整保存時(shí)間，所以這時(shí)α總是大于1的。22五、區(qū)域?qū)挾?/p>

色譜峰的區(qū)域?qū)挾仁墙M份在色譜柱中譜帶擴(kuò)張的函數(shù)，它反映了色譜操作條件的動(dòng)力學(xué)因素．度量色譜峰區(qū)域?qū)挾韧ǔＳ腥N方法：

1.標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

即0.607倍峰高處色譜峰寬的一半，如圖1-2中EF距離的一半。

2.半峰寬度Y1/2

即峰高一半處對(duì)應(yīng)的峰寬，如圖1-2中GH間的距離．它與標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的關(guān)系是：

Y1/2=2.354σ23

3.基線〔峰底〕寬度Y即色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)上的切線在基線上的截距，如圖1-2中I-J間的距離。它與標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的關(guān)系是：Y=4σ24從色譜流出曲線上，可以得到許多重要信息：

〔l〕根據(jù)色譜峰的個(gè)數(shù)，可以判斷樣品中所含組份的最少個(gè)數(shù)．〔2〕根據(jù)色譜峰的保存值(或位置〕，可以進(jìn)行定性分析．(3)根據(jù)色譜峰下的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分析．〔4〕色譜峰的保存值及其區(qū)域?qū)挾?，是評(píng)價(jià)色譜柱別離效能的依據(jù)．〔5〕色譜峰兩峰間的距離，是評(píng)價(jià)固定相(和流動(dòng)相)選擇是否適宜的依據(jù)．25

§1-3色譜法分析的根本原理

色譜分析的目的是將樣品中各組分彼此別離，組分要到達(dá)完全別離，兩峰間的距離必須足夠遠(yuǎn)，兩峰間的距離是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的，即與色譜過程的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。但是兩峰間雖有一定距離，如果每個(gè)峰都很寬，以致彼此重疊，還是不能分開。這些峰的寬或窄是由組分在色譜柱中傳質(zhì)和擴(kuò)散行為決定的，即與色譜過程的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。因此，要從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面來研究色譜行為。26一、分配系數(shù)K和分配比k1．分配系數(shù)K物質(zhì)在固定相和流動(dòng)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。

在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相之間分配到達(dá)平衡時(shí)的濃度之比稱為分配系數(shù)，用下式表示：272.分配比k

分配比又稱容量因子或容量比，它是指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間到達(dá)分配平衡時(shí)，分配在固定相和流動(dòng)相中的質(zhì)量比，即：28滯留因子RS分配比k值可直接從色譜圖測(cè)得。設(shè)流動(dòng)相在柱內(nèi)的線速度為u，組分在柱內(nèi)線速度為us，由于固定相對(duì)組分有保存作用，所以u(píng)s＜u．此兩速度之比稱為滯留因子Rs。29RS假設(shè)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，即

組分和流動(dòng)相通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的色譜柱，其所需時(shí)間分別為30整理后可得

313.分配系數(shù)K

與分配比k

的關(guān)系

其中β稱為相比率，它是反映各種色譜柱型特點(diǎn)的又一個(gè)參數(shù)。例如，對(duì)填充柱，其β值一般為6～35；對(duì)毛細(xì)管柱，其β值為60～600。

二、塔板理論

最早由Martin等人提出塔板理論，把色譜柱比作一個(gè)精餾塔，沿用精餾塔中塔板的概念來描述組分在兩相間的分配行為，同時(shí)引入理論塔板數(shù)作為衡量柱效率的指標(biāo)。33該理論假定：〔i〕在柱內(nèi)一小段長(zhǎng)度H內(nèi)，組分可以在兩相間迅速到達(dá)平衡。這一小段柱長(zhǎng)稱為理論塔板高度H?！瞚i〕以氣相色譜為例，載氣進(jìn)入色譜柱不是連續(xù)進(jìn)行的，而是脈動(dòng)式，每次進(jìn)氣為一個(gè)塔板體積(ΔVm)?！瞚ii〕所有組分開始時(shí)存在于第0號(hào)塔板上，而且試樣沿軸〔縱〕向擴(kuò)散可忽略?！瞚v〕分配系數(shù)在所有塔板上是常數(shù)，與組分在某一塔板上的量無關(guān)。為簡(jiǎn)單起見，設(shè)色譜柱由5塊塔板(n＝5，n為柱子的塔板數(shù))組成，并以r表示塔板編號(hào)，r=1，2，3…，n－l；某組分的分配比k=1.34

根據(jù)上述假定，在色譜別離過程中，該組分的分布可計(jì)算如下：開始時(shí)，假設(shè)有單位質(zhì)量，即m=1〔例1mg或1μg〕的該組分加到第0號(hào)塔板上，分配平衡后，由于k=1，即mS=mM故mS=mM=0.5。當(dāng)一個(gè)板體積〔lΔV〕的載氣以脈動(dòng)形式進(jìn)入0號(hào)板時(shí)，就將氣相中含有mM局部組分的載氣頂?shù)?號(hào)板上，此時(shí)0號(hào)板液相〔或固相〕中mS局部組分及1號(hào)板氣相中的mM局部組分，將各自在兩相間重新分配。故0號(hào)板上所含組分總量為0.5，其中氣液〔或氣固〕兩相各為0.25，而1號(hào)板上所含總量同樣為0.5．氣液〔或氣固〕相亦各為0.25。以后每當(dāng)一個(gè)新的板體積載氣以脈動(dòng)式進(jìn)入色譜柱時(shí)，上述過程就重復(fù)一次(見下表)。35

36按上述分配過程，對(duì)于n=5，k=1，m=1的體系，隨著脈動(dòng)進(jìn)入柱中板體積載氣的增加，組分分布在柱內(nèi)任一板上的總量〔氣液兩相中的總質(zhì)量〕見表(p12表2-1)。

由塔板理論可建流出曲線方程：m為組分質(zhì)量，VR為保存體積，n為理論塔板數(shù)。當(dāng)V=VR時(shí)，C值最大，即37由流出曲線方程可推出理論塔板數(shù)：

而理論塔板高度〔H〕為：38

從上兩式可以看出，色譜峰峰寬Y越小，n就越大，而H就越小，柱效能越高。因此，n和H是描述柱效能的指標(biāo)。通常填充色譜柱的n＞103，H＜1mm。而毛細(xì)管柱n=105-106，H＜0.5mm

由于死時(shí)間tM包括在tR中，而實(shí)際的tM不參與柱內(nèi)分配，盡管所計(jì)算的n值很大，H很小，但與實(shí)際柱效能相差甚遠(yuǎn)。所以，提出把tM扣除，采用有效理論塔板數(shù)n有效和有效塔板高度H有效來評(píng)價(jià)柱效能。39塔板理論用熱力學(xué)觀點(diǎn)形象地描述了溶質(zhì)在色譜柱中的分配平衡和別離過程，導(dǎo)出流出曲線的數(shù)學(xué)模型，并成功地解釋了流出曲線的形狀及濃度極大值的位置，還提出了計(jì)算和評(píng)價(jià)柱效的參數(shù)。但由于它的某些根本假設(shè)并不完全符合柱內(nèi)實(shí)際發(fā)生的別離過程，例如，縱向擴(kuò)散不能解釋造成譜帶擴(kuò)張的原因和影響塔板高度的各種因素，也不能說明為什么在不同流速下可以測(cè)得不同的理論塔板數(shù)，這就限制了它的應(yīng)用。4041三、速率理論1956年荷蘭學(xué)者VanDeemter等在研究氣液色譜時(shí)，提出了色譜過程動(dòng)力學(xué)理論—速率理論。他們吸收了塔板理論中板高的概念，并充分考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過程，從而在動(dòng)力學(xué)根底上較好地解釋了影響板高的各種因素。該理論模型對(duì)氣相、液相色譜都適用。VanDeemter方程的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化式為式中u為流動(dòng)相的線速度；A，B，C為常數(shù)，分別代表渦流擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)、分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)、傳質(zhì)阻力項(xiàng)系數(shù)?，F(xiàn)分別表達(dá)各項(xiàng)系數(shù)的物理意義。421．渦流擴(kuò)散項(xiàng)A

在填充色譜柱中，當(dāng)組分隨流動(dòng)相向柱出口遷移時(shí)，流動(dòng)相由于受到固定相顆粒障礙，不斷改變流動(dòng)方向，使組分分子在前進(jìn)中形成紊亂的類似“渦流〞的流動(dòng)，故稱渦流擴(kuò)散，形象地如下圖。43

A＝2λdp

上式說明，A與填充物的平均直徑dp的大小和填充不規(guī)那么因子λ有關(guān)，與流動(dòng)相的性質(zhì)、線速度和組分性質(zhì)無關(guān)。為了減少渦流擴(kuò)散，提高柱效，使用細(xì)而均勻的顆粒，并且填充均勻是十分必要的。對(duì)于空心毛細(xì)管，不存在渦流擴(kuò)散，因此A＝0。442.分子擴(kuò)散項(xiàng)B/u〔縱向擴(kuò)散項(xiàng)〕縱向分子擴(kuò)散是由濃度梯度造成的。組分從柱入口參加，其濃度分布的構(gòu)型呈“塞子〞狀，如右圖所示。它隨著流動(dòng)相向前推進(jìn)，由于存在濃度梯度，“塞子〞必然自發(fā)地向前和向后擴(kuò)散，造成譜帶展寬。分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)為：45

B＝2γDg

式中γ是填充柱內(nèi)流動(dòng)相擴(kuò)散路徑彎曲的因素，也稱彎曲因子，它反映了固定相顆粒的幾何形狀對(duì)自由分子擴(kuò)散的阻礙情況。Dg為組分在流動(dòng)相中擴(kuò)散系數(shù)〔cm2·s-1〕。

上式中，M載氣為載氣的相對(duì)分子質(zhì)量。463．傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cu

對(duì)于氣液色譜，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兩項(xiàng)，即

C＝Cg＋Cl47氣相傳質(zhì)過程是指試樣組分從氣相移動(dòng)到固定相外表的過程。這一過程中試樣組分將在兩相間進(jìn)行質(zhì)量交換，即進(jìn)行濃度分配。有的分子還來不及進(jìn)入兩相界面，就被氣相帶走；有的那么進(jìn)人兩相界面又來不及返回氣相。這樣，使得試樣在兩相界面上不能瞬間到達(dá)分配平衡，引起滯后現(xiàn)象，從而使色譜峰變寬。對(duì)于填充柱，氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg為：式中k為容量因子。由上式看出，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(kuò)散系數(shù)見成反比。因此，采用粒度小的填充物和相對(duì)分子質(zhì)量小的氣體〔如氫氣〕做載氣，可使Cg減小，提高柱效。48液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl為由上式看出，固定相的液膜厚度df薄，組分在液相的擴(kuò)散系數(shù)D1大，那么液相傳質(zhì)阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值隨之變小，又會(huì)使C1增大。當(dāng)固定液含量一定時(shí)，液膜厚度隨載體的比外表積增加而降低，因此，一般采用比外表積較大的載體來降低液膜厚度，但比外表太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利別離。雖然提高柱溫可增大Dl，但會(huì)使k值減小，為了保持適當(dāng)?shù)腃l值，應(yīng)控制適宜的柱溫。49將上面式總結(jié)，即可得氣液色譜速率板高方程

這一方程對(duì)選擇色譜別離條件具有實(shí)際指導(dǎo)意義，它指出了色譜柱填充的均勻程度，填料顆粒的大小，流動(dòng)相的種類及流速，固定相的液膜厚度等對(duì)柱效的影響。504．流動(dòng)相線速度對(duì)板高的影響

〔1〕LC和GC的H－u圖說明，對(duì)于一定長(zhǎng)度的柱子，柱效越高，理論塔板數(shù)越大，板高越小。但究竟控制怎樣的線速度，才能到達(dá)最小板高呢？根據(jù)VanDeemter公式分別作LC和GC的H－u圖，見圖〔a〕、〔b〕。由圖〔a〕和〔b〕不難看出：LC和GC的H－u圖十分相似，對(duì)應(yīng)某一流速都有一個(gè)板高的極小值，這個(gè)極小值就是柱效最高點(diǎn)；LC板高極小值比GC的極小值小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，說明液相色譜的柱效比氣相色譜高得多，LC的板高最低點(diǎn)相應(yīng)流速比起GC的流速亦小一個(gè)數(shù)量級(jí)，說明對(duì)于LC，為了取得良好的柱效，流速不一定要很高。51〔2〕分子擴(kuò)散項(xiàng)和傳質(zhì)阻力項(xiàng)對(duì)板高的奉獻(xiàn)52

5．固定相粒度大小對(duì)板高的影響

53上圖中固定相粒度對(duì)板高的影響是至關(guān)重要的。實(shí)驗(yàn)說明不同粒度，H－u曲線也不同：粒度越細(xì)，板高越小，并且受線速度影響亦小。這就是為什么在HPLC中采用細(xì)顆粒作固定相的根據(jù)。當(dāng)然，固定相顆粒愈細(xì)，柱流速愈慢。只有采取高壓技術(shù)，流動(dòng)相流速才能符合實(shí)驗(yàn)要求。54§1-4色譜別離條件的選擇1.別離度柱效和選擇性對(duì)別離的影響用圖來說明。圖〔a〕：兩色譜峰距離近并且峰形寬，兩峰嚴(yán)重相疊，這表示選擇性和柱效都很差。圖〔b〕：雖然兩峰距離拉開了，但峰形仍很寬，說明選擇性好，但柱效低。圖〔c〕：別離最理想，說明選擇性好，柱效也高。55由此可見，單獨(dú)用柱效或選擇性不能真實(shí)反映組分在色譜柱中別離情況，故需引人一個(gè)綜合性指標(biāo)——?jiǎng)e離度R。別離度是既能反映柱效率又能反映選擇性的指標(biāo)，稱總別離效能指標(biāo)。別離度又叫分辨率，其定義為相鄰兩組分色譜峰保存值之差與兩組分色譜峰底寬總和之半的比值，即R值越大，說明相鄰兩組分別離越好。一般說，當(dāng)R＜1時(shí)，兩峰有局部重疊；當(dāng)R＝1時(shí)，別離程度可達(dá)98％；當(dāng)R＝1.5時(shí)，別離程度可達(dá)99.7％。通常用R=1.5作為相鄰兩組分已完全別離的標(biāo)志。56當(dāng)兩組分的色譜峰別離較差，峰底寬度難于測(cè)量時(shí)，可用半峰寬代替峰底寬度，并用下式表示別離度：R’與R的物理意義是一致的，但數(shù)值不同，R＝0.59R’，應(yīng)用時(shí)要注意所采用別離度的計(jì)算方法。57以下圖表示了不同別離度時(shí)色譜峰別離的程度。58

2.色譜別離根本方程式別離度R的定義并沒有反映影響別離度的諸因素。實(shí)際上，別離度受柱效〔n〕、選擇因子(α)和容量因子〔k〕三個(gè)參數(shù)的控制。對(duì)于難別離物質(zhì)對(duì)，由于它們的分配系數(shù)差異小，可合理地假設(shè)k1≈k2=k，Y1≈Y2＝Y(jié)。經(jīng)推導(dǎo)可得以下公式：后式即為色譜別離根本方程式。59在實(shí)際應(yīng)用中，往往用n有效代替n，處理上式可得：可以看出，后者為根本色譜別離方程式的又一表達(dá)形式。60〔1〕別離度與柱效的關(guān)系由別離方程式可以看出，具有一定相對(duì)保存值α的物質(zhì)對(duì)，別離度直接和有效塔板數(shù)有關(guān)，說明有效塔板數(shù)能正確地代表柱效能。而別離方程式說明別離度與理論塔板數(shù)的關(guān)系還受熱力學(xué)性質(zhì)的影響。當(dāng)固定相確定，被別離物質(zhì)對(duì)的α確定后，別離度將取決于n。這時(shí)，對(duì)于一定理論板高的柱子，別離度的平方與柱長(zhǎng)成正比，即61雖說用較長(zhǎng)的柱可以提高別離度，但延長(zhǎng)了分析時(shí)間。因此提高別離度的好方法是制備出一根性能優(yōu)良的柱子，通過降低板高，以提高別離度?！?〕別離度與柱選擇性的關(guān)系〔選擇因子〕由根本色譜方程式判斷，當(dāng)α=1時(shí)，R=0，這時(shí)，無論怎樣提高柱效也無法使兩組分別離。顯然，α大，選擇性好。研究證明，α的微小變化，就能引起別離度的顯著變化。一般通過改變固定相和流動(dòng)相的性質(zhì)和組成或降低柱溫，可有效增大α值。62〔3〕別離度與容量因子的關(guān)系如果設(shè)：

那么別離方程式寫成：63〔4〕別離度與分析時(shí)間的關(guān)系

下式表示了分析時(shí)間與別離度及其他因素的關(guān)系：從上式，設(shè)那么可得：64由R/Q或tr/Q′對(duì)k的曲線可見，當(dāng)k在2～5時(shí)，可在較短的分析時(shí)間，取得良好的別離度。65〔5〕色譜別離根本方程式的應(yīng)用

在實(shí)際中，根本色譜別離方程式是很有用的公式，它將柱效、選擇因子、別離度三者的關(guān)系聯(lián)系起來了，知道其中兩個(gè)指標(biāo)，就可計(jì)算出第三個(gè)指標(biāo)。66

［例1］有一根lm長(zhǎng)的柱子，別離組分1和2得到色譜圖如下。圖中橫坐標(biāo)l為記錄筆走紙距離。假設(shè)欲得到R=1.2的別離度，有效塔板數(shù)應(yīng)為多少？色譜往要加到多長(zhǎng)？67解：先求出組分2對(duì)組分1的相對(duì)保存值r21〔即α值〕68求有效塔板數(shù)neffneff＝16×〔0.8〕2[1.1/(1.1-1)]2＝1239假設(shè)使R=1.2,所需塔板數(shù)可計(jì)算,即因此,欲使別離度到達(dá)1.2,需有效塔板數(shù)為2788塊,那么所需柱長(zhǎng)為L(zhǎng)=2788/1239×1m=2.25m69[例2]某色譜柱的理論塔板數(shù)為3600,組分A和B在該柱上的保存時(shí)間為27mm和30mm,求兩峰的峰半寬和別離度.解:∵Y1/2=w/1.7Y1=27/(3600/16)1/2=1.8mm(Y1)1/2＝1.8/1.7＝1.06mmY2=30/(3600/16)1/2=2.0mm(Y2)1/2＝2.0/1.7＝1.18mmR＝2(30-27)/(1.8+2)＝6/3.8＝1.670

[例3]一色譜柱在某溫度下的速率方程的A=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最正確線速度u和最小塔板高H.解:欲求u最正確和H最小,要對(duì)速率方程微分,即dH/du＝d(A+B/u+Cu)/du＝-B/u2+C＝0而,最正確線速:u最正確＝(B/C)1/2最小板高:H最?。紸+2(BC)1/2可得u最正確＝(0.65/0.003)1/2＝14.7cm/sH最?。?.08+2(0.65×0.003)1/2＝0.1683cm71[例4]物質(zhì)A和B在一個(gè)30.0cm柱上的保存時(shí)間分別為16.40和17.63分鐘.不被保存組分通過該柱的時(shí)間為1.30分鐘.峰寬為1.11和1.21mm,計(jì)算:(1)

柱分辨本領(lǐng);

(2)

柱的平均塔板數(shù)目;

(3)

塔板高度;

(4)

到達(dá)1.5別離度所需的柱長(zhǎng)度;

(5)在較長(zhǎng)柱上把物質(zhì)B洗脫所需要的時(shí)間.72

解:

(1)R=2(17.63-16.40)/(1.11+1.21)=1.06(2)nA=16(16.40/1.11)2=3493nB=16(17.63/1.21)2=3397nav=(3493+3397)/2=3445=3.44×103(3)H=L/n=30.0/3445=8.708×10-3cm=8.71×10-3cm(4)n2=3445×2.25/1.124=6.90×103

源于(n1/n2=R1/R2)2L=nH=6.90×103×8.71×10-3=60.1cm(5)tr2=tr1(R2/R1)2=17.63×1.52/1.062

=35.3分鐘733.色譜別離操作條件的選擇根據(jù)色譜別離根本方程式及范氏理論，可指導(dǎo)選擇色譜別離的操作條件。(1)柱長(zhǎng)的選擇固然增加柱長(zhǎng)可使理論塔板數(shù)增大，但同時(shí)使峰寬加大，分析時(shí)間延長(zhǎng)。因此，填充柱的柱長(zhǎng)要選擇適當(dāng)。過長(zhǎng)的柱子，總別離效能也不一定高。一般情況下，柱長(zhǎng)選擇以使組分能完全別離，別離度到達(dá)所期望的值為準(zhǔn)。具體方法是選擇一根極性適宜，任意長(zhǎng)度的色譜柱，測(cè)定兩組分的別離度，然后根據(jù)根本色譜別離方程式，確定柱長(zhǎng)是否適宜。74［例1］在一根1m長(zhǎng)的色譜柱上測(cè)得兩組分的別離度為0.68，要使它們完全別離(以R=1.5為標(biāo)準(zhǔn))，那么柱長(zhǎng)應(yīng)為多少？

解：即在其他操作條件不變的條件下，色譜柱長(zhǎng)要選擇5m左右才能使別離度達(dá)R=1.5，組分到達(dá)完全別離。75〔2〕載氣及其流速的選擇76上圖中曲線的最低點(diǎn)，塔板高度H最小，柱效最高，其相應(yīng)的流速是最正確流速.

從圖可知，當(dāng)u較小時(shí)，分子擴(kuò)散項(xiàng)B/u是影響板高的主要因素，此時(shí)，宜選擇相對(duì)分子質(zhì)量較大的載氣〔N2，Ar〕，以使組分在載氣中有較小的擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)u較大時(shí)，傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cu起主導(dǎo)作用，宜選擇相對(duì)分子質(zhì)量小的載氣(H2、He)，使組分有較大的擴(kuò)散系數(shù)，減小傳質(zhì)阻力，提高柱效。當(dāng)然，載氣的選擇還要考慮與檢測(cè)器相適應(yīng)。77〔3〕柱溫的選擇柱溫是一個(gè)重要的操作參數(shù)，直接影響別離效能和分析速度。提高柱溫可使氣相、液相傳質(zhì)速率加快，有利于降低塔板高度。但增加柱溫同時(shí)又加劇縱向擴(kuò)散，從而導(dǎo)致柱效下降。改善別離，提高選擇性，往往希望柱溫較低，這又增長(zhǎng)了分析時(shí)間。因此，選擇柱溫要兼顧幾方面的因素。一般原那么是：在使最難別離的組分有盡可能好的別離前提下，采取適當(dāng)?shù)偷闹鶞?，但以保存時(shí)間適宜，峰形不拖尾為度。具體操作條件的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。78另外，柱溫的選擇還應(yīng)考慮固定液的使用溫度，柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否那么固定液揮發(fā)流失，對(duì)別離不利。對(duì)于寬沸程的多組分混合物，可采用程序升溫法，即在分析過程中按一定速度提高柱溫，在程序開始時(shí)，柱溫較低，低沸點(diǎn)的組分得到別離，中等沸點(diǎn)的組分移動(dòng)很慢，高沸點(diǎn)的組分還停留于柱口附近；隨著溫度上升，組分由低沸點(diǎn)到高沸點(diǎn)依次別離出來。如圖是正構(gòu)烷烴恒溫和程序升溫色譜圖比較。由圖不難看出，采用程序升溫后不僅改善別離，而且可以縮短分析時(shí)間，得到的峰形也很理想。7980〔4〕載體粒度及篩分范圍的選擇

載體的粒度愈小，填裝愈均勻，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否那么，阻力壓也急劇增大。一般粒度直徑為柱內(nèi)徑的1/20～l/25為宜。在高壓液相色譜中，可采用極細(xì)粒度，直徑在μm數(shù)量級(jí)。〔5〕進(jìn)樣量的選擇

在實(shí)際分析中最大允許進(jìn)樣量應(yīng)控制在使半峰寬根本不變，而峰高與進(jìn)樣量成線性關(guān)系。如果超過最大允許進(jìn)樣量，線性關(guān)系遭破壞。一般說來，色譜柱越粗、越長(zhǎng)，固定液含量越高，容許進(jìn)樣量越大。81〔6〕氣化溫度的選擇進(jìn)樣后要有足夠的氣化溫度，使液體試樣迅速氣化后被載氣帶入柱中。在保證試樣不分解的情況下，適當(dāng)提高氣化溫度對(duì)別離及定量有利。

一般選擇氣化溫度比柱溫高30—70℃。82作業(yè)1：〔朱明華編《儀器分析》〕p60～61，T5、8、20、21

請(qǐng)做在單頁紙上！83§1-5氣相色譜儀84一.GC工作過程85二.氣路系統(tǒng)86三.進(jìn)樣系統(tǒng)87四.別離系統(tǒng)別離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是別離樣品。色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細(xì)管柱。1〕填充柱填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內(nèi)裝固定相，一般內(nèi)徑為2～4mm，長(zhǎng)1～3m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。2〕毛細(xì)管柱毛細(xì)管柱又叫空心柱，分為涂壁、多孔層和涂載體空心柱。涂壁空心柱是將固定液均勻地涂在內(nèi)徑0.l～0.5mm的毛細(xì)管內(nèi)壁而成，毛細(xì)管材料可以是不銹鋼，玻璃或石英。毛細(xì)管色譜柱滲透性好，傳質(zhì)阻力小，而柱子可以做到長(zhǎng)幾十米。與填充柱相比，其別離效率高〔理論塔板數(shù)可達(dá)106〕、分析速度塊、樣品用量小，但柱容量低、要求檢測(cè)器的靈敏度高，并且制備較難。88五.控制溫度系統(tǒng)在氣相色譜測(cè)定中，溫度是重要的指標(biāo)，它直接影響色譜柱的選擇別離、檢測(cè)器的靈敏度和穩(wěn)定性?？刂茰囟戎饕笇?duì)色譜柱爐，氣化室，檢測(cè)器三處的溫度控制。色譜柱的溫度控制方式有恒溫和程序升溫二種。對(duì)于沸點(diǎn)范圍很寬的混合物，往往采用程序升溫法進(jìn)行分析。程序升溫指在一個(gè)分析周期內(nèi)柱溫隨時(shí)間由低溫向高溫作線性或非線性變化，以到達(dá)用最短時(shí)間獲得最正確別離的目的。89六.檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)是指樣品經(jīng)色譜柱別離后，各成分按保存時(shí)間不同，順序地隨載氣進(jìn)人檢測(cè)器，檢測(cè)器把進(jìn)入的組分按時(shí)間及其濃度或質(zhì)量的變化，轉(zhuǎn)化成易于測(cè)量的電信號(hào)，經(jīng)過必要的放大傳遞給記錄儀或計(jì)算機(jī)，最后得到該混合樣品的色譜流出曲線及定性和定量信息。90§1-6氣相色譜固定相及其選擇

(1).固體吸附劑(載體)(2).液體固定相〔l〕對(duì)載體的要求具有a.足夠大的外表積和良好的孔穴結(jié)構(gòu)，使固定液與試樣的接觸面較大，能均勻地分布成一薄膜，但載體外表積不宜太大，否那么猶如吸附劑，易造成峰拖尾；b.外表呈化學(xué)惰性，沒有吸附性或吸附性很弱，更不能與被測(cè)物起反響；c.熱穩(wěn)定性好；d.形狀規(guī)那么，粒度均勻，具有一定機(jī)械強(qiáng)度。一、氣液色譜固定相

載體(擔(dān)體)和固定液組成氣液色譜固定相

1.載體(擔(dān)體)91〔2〕載體類型

大致可分為硅藻土和非硅藻土兩類。硅藻土載體是目前氣相色譜中常用的一種載體，它是由稱為硅藻的單細(xì)胞海藻骨架組成，主要成分是二氧化硅和少量無機(jī)鹽，根據(jù)制造方法不同，又分為:紅色載體和白色載體。非硅藻土載體有：有機(jī)玻璃微球載體，氟載體，高分子多孔微球等。這類載體常用于特殊分析，如氟載體用于極性樣品和強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)HF、Cl2等分析。但由于外表非浸潤(rùn)性，其柱效低。92紅色載體是將硅藻土與粘合劑在900℃煅燒后，破碎過篩而得，因鐵生成氧化鐵呈紅色，故稱紅色載體，其特點(diǎn)是外表孔穴密集、孔徑較小、比外表積較大。對(duì)強(qiáng)極性化合物吸附性和催化性較強(qiáng)，如烴類、醇、胺、酸等極性化合物會(huì)因吸附而產(chǎn)生嚴(yán)重拖尾。因此它適宜于分析非極性或弱極性物質(zhì)。93白色載體是將硅藻土與20％的碳酸鈉〔助熔劑〕混合煅燒而成，它呈白色、比外表積較小、吸附性和催化性弱，適宜于分析各種極性化合物。101，102系列，英國的Celite系列，英國和美國的Chromosorb系列，美國的Gas－ChromA，CL，P，Q，S，Z系列等，都屬這一類。94

〔3〕載體的外表處理硅藻土載體外表不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基或含有礦物雜質(zhì)，如氧化鋁、鐵等，使色譜峰產(chǎn)生拖尾。因此，使用前要進(jìn)行化學(xué)處理，以改進(jìn)孔隙結(jié)構(gòu)，屏蔽活性中心。處理方法有酸洗、堿洗、硅烷化及添加減尾劑等。95〔i〕酸洗：用3-6mol·L-1鹽酸浸煮載體、過濾，水洗至中性。甲醇淋洗，脫水烘干?？沙o機(jī)鹽，F(xiàn)e、Al等金屬氧化物。適用于分析酸性物質(zhì)?！瞚i〕堿洗：用5%或10%NaOH或KOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化鋁，用于分析堿性物質(zhì)。(iii)硅烷化：用硅烷化試劑與載體外表硅醇基反響，使生成硅烷醚，以除去外表氫鍵作用力。如：常用硅烷化試劑有二甲基二氯硅烷〔DMCS〕，六甲基二硅烷胺〔HMDS〕等。962．固定液

〔l〕對(duì)固定液要求首先是選擇性好。固定液的選擇性可用相對(duì)保存值r21來衡量。對(duì)于填充柱一般要求r21＞1.15；對(duì)于毛細(xì)管柱，r21＞1.08.另外還要求固定液有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；對(duì)試樣各組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰?；在操作溫度下有較低蒸氣壓，以免流失太快?！?〕組分分子與固定液間的作用力在氣相色譜中，載氣是惰性的，且組分在氣相中濃度很低，組分分子間作用力很小，可忽略。在液相中，由于組分濃度低，組分間的作用力也可忽略。液相里存在的主要作用力是組分與固定液分子間的作用力，這種作用力反映了組分在固定液中的熱力學(xué)性質(zhì)。作用力大的組分，由于溶解度大，分配系數(shù)也大。97

這種分子間作用力是一種較弱的分子間的吸引力，它不像分子內(nèi)的化學(xué)鍵那么強(qiáng)。它包括有定向力、誘導(dǎo)力、色散力和氫鍵作用力4種。前三種統(tǒng)稱范德華力，都是由電場(chǎng)作用而引起的。而氫鍵力那么與它們有所不同，是一種特殊的范德華力。此外，固定液與被別離組分間還可能存在形成化合物或配合物等的鍵合力。98〔3〕固定液的特性

固定液的特性主要是指它的極性或選擇性，用它可描述和區(qū)別固定液的別離特征。目前大都采用相對(duì)極性和固定液特征常數(shù)表示?！瞚〕相對(duì)極性：1959年由Rohrschneider提出用相對(duì)極性P來表示固定液的別離特征。此法規(guī)定非極性固定液角鯊?fù)榈南鄬?duì)極性為0，強(qiáng)極性固定液β，β′—氧二丙腈的相對(duì)極性為100。然后，選擇一對(duì)物質(zhì)〔如正丁烷—丁二烯或環(huán)己烷—苯〕，來進(jìn)行試驗(yàn)。分別測(cè)定它們?cè)谘醵?、角鯊?fù)榧坝麥y(cè)固定液的色譜柱上的調(diào)整保存值，然后按以下兩式計(jì)算欲測(cè)固定液的相對(duì)極性Px：99式中下標(biāo)1，2和x分別表示氧二丙睛，角鯊?fù)榧氨粶y(cè)固定液。由此測(cè)得的各種固定液的相對(duì)極性均在0～100之間。一般將其分為五級(jí)，每20單位為一級(jí)。相對(duì)極性在0～+l級(jí)之間的叫非極性固定液，+2級(jí)為弱極性固定液，+3級(jí)為中等極性，+4～+5為強(qiáng)極性。非極性也可用“－〞表示。下表列出了一些常用固定液的相對(duì)極性數(shù)據(jù)。1001-3101

〔ii〕固定液特征常數(shù)ΔI=IP-IS式中ΔI為任一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)保存指數(shù)差值，IP和IS分別為任一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在被測(cè)固定液和參比固定液上的保存指數(shù)。麥?zhǔn)铣?shù)是在1970年由McReynolds提出的改進(jìn)方案。選用苯、正丁醇、2-戊酮、l-硝基丙烷、吡啶、2-甲基-2-戊醇、碘丁烷、2-辛炔、二氧六環(huán)、順八氫化茚10種物質(zhì)，在柱溫120℃下分別測(cè)定它們?cè)?26種固定液和角鯊?fù)樯系摩值。歸納后發(fā)現(xiàn)前5種物質(zhì)已足以表達(dá)固定液的相對(duì)極性，把該五項(xiàng)之和稱為總極性。表1-4列出一些常用固定液的McRevnolds常數(shù)。1021-4103保存指數(shù)

人為規(guī)定正構(gòu)烷烴的保存指數(shù)為其碳數(shù)乘100，如正己烷和正辛烷的保存指數(shù)分別為600和800。至于其他物質(zhì)的保存指數(shù)，那么可采用兩個(gè)相鄰正構(gòu)烷烴保存指數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)定時(shí)，將碳數(shù)為n和n+1的正構(gòu)烷烴加于樣品x中進(jìn)行分析，假設(shè)測(cè)得它們的調(diào)整保存時(shí)間分別為tr′(Cn)，tr′(Cn+1；)和tr′(x)且tr′(Cn)＜tr′(x)＜tr′(Cn+1)時(shí)，那么組分x的保存指數(shù)可按下式計(jì)算，即104氣液色譜可選擇的固定液有幾百種，它們具有不同的組成、性質(zhì)、用途。如何將這許多類型不同的固定液做一科學(xué)分類，對(duì)于使用和選擇固定液是十分重要的?，F(xiàn)在大多按固定液的極性和化學(xué)類型分類。按固定液極性分類可用固定液的極性和特征常數(shù)〔麥?zhǔn)铣?shù)〕表示。按化學(xué)類型分類就是將有相同官能團(tuán)的固定液排列在一起，然后按官能團(tuán)的類型分類。這樣就便于按組分與固定液結(jié)構(gòu)相似原那么選擇固定液。〔4〕固定液的分類105〔5〕固定液的選擇對(duì)固定液的選擇并沒有規(guī)律可循，也沒有現(xiàn)成模式。一般可按“相似相溶〞原那么來選擇。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況而定?！瞚〕別離非極性物質(zhì)：一般選用非極性固定液，這時(shí)試樣中各組分按沸點(diǎn)次序流出，沸點(diǎn)低的先流出，沸點(diǎn)高的后流出?！瞚i〕別離極性物質(zhì)：選用極性固定液，試樣中各組分按極性次序別離，極性小的先流出，極性大的后流出?！瞚ii〕別離非極性和極性混合物：一般選用極性固定液，這時(shí)非極性組分先流出，極性組分后流出?！瞯i〕別離能形成氫鍵的試樣：一般選用極性或氫鍵型固定液。試樣中各組分按與固定液分子間形成氫鍵能力大小先后流出，不易形成氫鍵的先流出，最易形成氫鍵的最后流出。〔v〕復(fù)雜的難別離物質(zhì)：可選用兩種或兩種以上混合固定液。對(duì)于樣品極性情況未知的，一般用最常用的幾種固定液做試驗(yàn)。下表列出了幾種最常用的固定液。1061-5107

1．常用的固體吸附劑主要有強(qiáng)極性的硅膠，弱極性的氧化鋁，非極性的活性炭和特殊作用的分子篩等。使用時(shí)，可根據(jù)它們對(duì)各種氣體的吸附能力不同，選擇最適宜的吸附劑。2．人工合成的固定相作為有機(jī)固定相的高分子多孔微球是一類人工合成的多孔共聚物。它既是載體又起固定液作用，可在活化后直接用于別離，也可作為載體在其外表涂漬固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔徑大小及外表性質(zhì)。圓球型顆粒容易填充均勻，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。在無液膜存在時(shí)，沒有“流失〞問題，有利于大幅度程序升溫。這類高分子多孔微球特別適用于有機(jī)物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂類、膠類的分析。二．氣固色譜固定相

108109§1-7氣相色譜檢測(cè)器

氣相色譜檢測(cè)器是把載氣里被別離的各組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。目前檢測(cè)器的種類多達(dá)數(shù)十種。根據(jù)檢測(cè)原理的不同，可將其分為濃度型檢測(cè)器和質(zhì)量型檢測(cè)器兩種：〔l〕濃度型檢測(cè)器測(cè)量的是載氣中某組分濃度瞬間的變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比。如熱導(dǎo)池檢測(cè)器〔TCD〕和電子捕獲檢測(cè)器〔ECD〕?！?〕質(zhì)量型檢測(cè)器測(cè)量的是載氣中某組分進(jìn)入檢測(cè)器的速度變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器某組分的量成正比。如氫火焰離子化檢測(cè)器〔FID〕和火焰光度檢測(cè)器〔FPD〕等。110－.熱導(dǎo)池檢測(cè)器〔TCD〕熱導(dǎo)檢測(cè)器是根據(jù)不同的物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)原理制成的。熱導(dǎo)檢測(cè)器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，幾乎對(duì)所有物質(zhì)都有響應(yīng)，通用性好，而且線性范圍寬，價(jià)格廉價(jià)，因此是應(yīng)用最廣，最成熟的一種檢測(cè)器。其主要缺點(diǎn)是靈敏度較低。111熱導(dǎo)池由池體和熱敏元件構(gòu)成，可分雙臂和四臂熱導(dǎo)池兩種。由于四臂熱導(dǎo)池?zé)峤z的阻值比雙臂熱導(dǎo)池增加一倍，故靈敏度也提高一倍。目前儀器中都采用四根金屬絲組成的四臂熱導(dǎo)地。其中兩臂為參比臂，另外兩臂為測(cè)量臂，將參比臂和測(cè)量臂接入惠斯登電橋，由恒定的電流加熱組成熱導(dǎo)池測(cè)量線路，如右圖所示。1．熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)和工作原理

1122．影響熱導(dǎo)檢測(cè)器靈敏度的因素〔l〕橋電流橋電流增加，使鎢絲溫度提高，鎢絲和熱導(dǎo)池體的溫差加大，氣體就容易將熱量傳出去，靈敏度就提高。響應(yīng)值與工作電流的三次方成正比。所以，增大電流有利于提高靈敏度，但電流太大會(huì)影響鎢絲壽命。一般橋電流控制在100～200mA左右〔N2作載氣時(shí)為100～150mA，H2作載氣時(shí)150～200mA為宜〕。113〔2〕池體溫度池體溫度降低，可使池體和鎢絲溫差加大，有利于提高靈敏度。但池體溫度過低，被測(cè)試樣會(huì)冷凝在檢測(cè)器中。池體溫度一般不應(yīng)低于柱溫?！?〕載氣種類載氣與試樣的熱導(dǎo)系數(shù)相差愈大，那么靈敏度愈高。應(yīng)選擇熱導(dǎo)系數(shù)大的氫氣或氦氣作載氣有利于靈敏度提高。如用氮?dú)庾鬏d氣時(shí)，有些試樣〔如甲烷〕的熱導(dǎo)系數(shù)比它大就會(huì)出現(xiàn)倒峰。P35表2-7列出某些氣體與蒸氣的熱導(dǎo)系數(shù)?！?〕熱敏元件的阻值阻值高、溫度系數(shù)較大的熱敏元件，其靈敏度高。鎢絲是一種廣泛應(yīng)用的熱敏元件，它的阻值隨溫度升高而增大，其電阻溫度系數(shù)為5.5×10-3cm·Ω-1·℃-1，電阻率為5.5×10-6Ω·cm。為防止鎢絲氣化，可在外表鍍金或鎳。114

二.氫火焰離子化檢測(cè)器〔FID〕氫火焰離子化檢測(cè)器是以氫氣和空氣燃燒的火焰作為能源，利用含碳有機(jī)物在火焰中燃燒產(chǎn)生離子，在外加的電場(chǎng)作用下，使離子形成離子流，根據(jù)離子流產(chǎn)生的電信號(hào)強(qiáng)度，檢測(cè)被色譜柱別離出的組分。它的特點(diǎn)是：靈敏度很高，比熱導(dǎo)池檢測(cè)器的靈敏度高出約103倍；檢出限低，可達(dá)10-12g·s-1；氫火焰離子化檢測(cè)器能檢測(cè)大多數(shù)含碳有機(jī)化合物；死體積小，響應(yīng)速度快，線性范圍也寬，可達(dá)106以上；而且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，操作簡(jiǎn)單，是目前應(yīng)用最廣泛的色譜檢測(cè)器之一。其主要缺點(diǎn)是不能檢測(cè)永久性氣體、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氫等物質(zhì)。1151.結(jié)構(gòu)

1162．氫火焰離子化機(jī)理

至今還不十分清楚其機(jī)理，普遍認(rèn)為這是一個(gè)化學(xué)電離過程。有機(jī)物在火焰中先形成自由基，然后與氧產(chǎn)生正離子，再同水反響生成H30+離子。以苯為例，在氫火焰中的化學(xué)電離反響如下：

3.影響操作條件的因素

離子室的結(jié)構(gòu)對(duì)火焰離子化檢測(cè)器的靈敏度有直接影響，操作條件的變化，包括氫氣、載氣、空氣流速和檢測(cè)室的溫度等都對(duì)檢測(cè)器靈敏度有影響。117三.電子捕獲檢測(cè)器(ECD)

電子捕獲檢測(cè)器也稱電子俘獲檢測(cè)器，它是一種選擇性很強(qiáng)的檢測(cè)器，對(duì)具有電負(fù)性物質(zhì)〔如含鹵素、硫、磷、氰等的物質(zhì)〕的檢測(cè)有很高靈敏度〔檢出限約10-14g·mL-1〕。它是目前分析痕量電負(fù)性有機(jī)物最有效的檢測(cè)器。電子捕獲檢測(cè)器已廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留量、大氣及水質(zhì)污染分析以及生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。它的缺點(diǎn)是線性范圍窄，只有103左右，且響應(yīng)易受操作條件的影響，重現(xiàn)性較差。1．電于捕獲檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)與工作原理實(shí)際上它是一種放射性離子化檢測(cè)器，與火焰離子化檢測(cè)器相似，也需要一個(gè)能源和一個(gè)電場(chǎng)。能源多數(shù)用63Ni或3H放射源，其結(jié)構(gòu)如以下圖。118119

檢測(cè)器內(nèi)腔有兩個(gè)電極和筒狀的β放射源。β放射源貼在陰極壁上，以不銹鋼棒作正極，在兩極施加直流或脈沖電壓。放射源的β射線將載氣〔N2或Ar〕電離，產(chǎn)生正離子和慢速低能量的電子，在恒定電場(chǎng)作用下向極性相反的電極運(yùn)動(dòng)，形成恒定的電流即基流。當(dāng)載氣帶著電負(fù)性溶質(zhì)進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)，電負(fù)性溶質(zhì)就能捕獲這些低能量的自由電子，形成穩(wěn)定的負(fù)離子，負(fù)離子再與載氣正離于復(fù)合成中性化合物，使基流降低而產(chǎn)生負(fù)信號(hào)—倒峰。1202．捕獲機(jī)理捕獲機(jī)理可用以下反響式表示：

121四.火焰光度檢測(cè)器(FPD)

火焰光度檢測(cè)器，又稱硫、磷檢測(cè)器，它是一種對(duì)含磷、硫有機(jī)化合物具有高選擇性和高靈敏度的質(zhì)量型檢測(cè)器，檢出限可達(dá)10-12g·s-1〔對(duì)P〕或10-11g·s-1〔對(duì)S〕。這種檢測(cè)器可用于大氣中痕量硫化物以及農(nóng)副產(chǎn)品，水中的毫微克級(jí)有機(jī)磷和有機(jī)硫農(nóng)藥殘留量的測(cè)定。1221．火焰光度檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)

123

2．火焰光度檢測(cè)器的工作原理根據(jù)硫和磷化合物在富氫火焰中燃燒時(shí)，生成化學(xué)發(fā)光物質(zhì)，并能發(fā)射出特征波長(zhǎng)的光，記錄這些特征光譜，就能檢測(cè)硫和磷。以硫?yàn)槔?，有以下反響發(fā)生：當(dāng)激發(fā)態(tài)S2*分子返回基態(tài)時(shí)發(fā)射出特征波長(zhǎng)光λmax為394nm。對(duì)含磷化合物燃燒時(shí)生成磷的氧化物，然后在富氫火焰中被氫復(fù)原，形成化學(xué)發(fā)光的HPO碎片，并發(fā)射出λmax為526nm的特征光譜。這些光由光電倍增管轉(zhuǎn)換成信號(hào)，經(jīng)放大后由記錄儀記錄。124五.檢測(cè)器的性能指標(biāo)

一個(gè)優(yōu)良的檢測(cè)器應(yīng)具以下幾個(gè)性能指標(biāo)：●靈敏度高，檢出限低，死體積小，響應(yīng)迅速，線性范圍寬，穩(wěn)定性好?！裢ㄓ眯詸z測(cè)器要求適用范圍廣；●選擇性檢測(cè)器要求選擇性好。表1-8列出四種常用檢測(cè)器的性能指標(biāo)。125

1261．靈敏度當(dāng)一定濃度或一定質(zhì)量的組分進(jìn)入檢測(cè)器，產(chǎn)生一定的響應(yīng)信號(hào)R。以進(jìn)樣量C〔單位：mg.mL-1或g·s-1〕對(duì)響應(yīng)信號(hào)(R)作圖得到一條通過原點(diǎn)的直線。直線的斜率就是檢測(cè)器的靈敏度〔S〕。因此，靈敏度可定義為信號(hào)〔R〕對(duì)進(jìn)人檢測(cè)器的組分量〔C〕的變化率：對(duì)于濃度型檢測(cè)器，ΔR取mV，ΔC取mg·mL-1，靈敏度S的單位是mV·mL·mg-1；對(duì)于質(zhì)量型檢測(cè)器，Δc取g·s-1,那么靈敏度S的單位為mV·s·g-1。127

在實(shí)際工作中，我們常常從色譜圖上測(cè)量峰的面積來計(jì)算檢測(cè)器的靈敏度。根據(jù)靈敏度的定義，可得濃度型檢測(cè)器靈敏度計(jì)算公式

式中：Sc—靈敏度〔mV·cm3·mg-1〕，Ai—色譜峰面積〔cm2〕，C2—記錄儀靈敏度〔mV·cm-1〕，F(xiàn)c′—檢測(cè)器入口處載氣流速〔cm3·min-1〕，wi—進(jìn)入檢測(cè)器的樣品量〔mg〕，C1—記錄紙移動(dòng)速度(cm·min-1)。128同樣，對(duì)于氣體樣品，進(jìn)樣量以體積cm3表示時(shí)，那么靈敏度Sc的單位為mV·cm3·mg-1。質(zhì)量型檢測(cè)器靈敏度計(jì)算公式為：式中：Sm－靈敏度〔mV·s·mg-1〕，mi－進(jìn)入檢測(cè)器的樣品量〔ｍg〕。129

［例4］進(jìn)樣0.5μL純苯，得色譜峰高h(yuǎn)=6.25cm.半峰寬Y1/2=0.25cm，苯的密度為0.88g·cm-3，記錄紙走速C1=0.5cm·min-1，檢測(cè)器入口處載氣流速Fc′=30cm3.min-1，記錄儀滿量程為10mV，滿量程寬度25cm，求熱導(dǎo)檢測(cè)器的靈敏度。

解:mi＝0.5×10-3cm3×0.88×103mg·cm-3=0.44mgC2＝10mV/25cm=0.4mV·cm-1Ai＝1.065h·Y1/2＝1.065×6.25cm×0.25cm

＝1.065×6.25×0.25cm2將以上各項(xiàng)代人上頁的公式，得

S＝1.065×6.25×0.25cm2×0.4mV·cm-1×30cm3·min-1/(0.44mg×0.5cm·min-1)

＝90．8mV·cm3·mg-l1302．檢出限〔敏感度〕當(dāng)檢測(cè)器輸出信號(hào)放大時(shí)，電子線路中固有的噪聲同時(shí)也被放大，使基線波動(dòng)如下圖。取基線起伏的平均值為噪聲的平均值，用符號(hào)RN表示。由于噪聲會(huì)影響測(cè)量試樣色譜峰的識(shí)別，所以在評(píng)價(jià)檢測(cè)器的質(zhì)量時(shí)提出了檢出限這一指標(biāo)。131

檢出限定義為：檢測(cè)器恰能產(chǎn)生3倍于噪聲信號(hào)時(shí)的單位時(shí)間〔單位：S〕引入檢測(cè)器的樣品量〔單位：g〕，或單位體積〔單位：cm3〕載氣中需含的樣品量。對(duì)于濃度型檢測(cè)器，撿出限D(zhuǎn)c表示為Dc=3RN/ScDc的物理意義指每毫升載氣中含有恰好能產(chǎn)生3倍于噪聲信號(hào)的溶質(zhì)毫克數(shù)。質(zhì)量型檢測(cè)器的檢出限為Dm=3RN/SmDm的物理意義指每秒通過的溶質(zhì)克數(shù)，恰好產(chǎn)生3倍于噪聲的信號(hào)。132

3．最小檢測(cè)量實(shí)際上，檢測(cè)器不可能單獨(dú)使用，它總是與柱、氣化室、記錄器及連接管道等組成一個(gè)色譜體系。最小檢測(cè)量指產(chǎn)生3倍噪聲峰高時(shí)，色譜體系〔即色譜儀〕所需的進(jìn)樣量。●濃度型檢測(cè)器，最小檢測(cè)量〔單位：mg〕為●質(zhì)量型檢測(cè)器，最小檢測(cè)量〔單位：g〕為133

由此看出，最小檢測(cè)量與檢出限是兩個(gè)不同的概念。檢出限只用來衡量檢測(cè)器的性能，而最小檢測(cè)量不僅與檢測(cè)器性能有關(guān)，還與色譜柱效及操作條件有關(guān)。134

4．線性范圍檢測(cè)器的線性范圍定義為在檢測(cè)器呈線性時(shí)最大和最小進(jìn)樣量之比，或叫最大允許進(jìn)樣量〔濃度〕與最小檢測(cè)量〔濃度〕之比。以下圖為某檢測(cè)器對(duì)兩種組分的R-ci圖。R為檢測(cè)器響應(yīng)值，ci為進(jìn)樣濃度。對(duì)于組分A進(jìn)樣濃度在cA至cA′之間為線性，線性范圍為cA′—cA。對(duì)于組分B那么在cB至cB′之間為線性，線性范圍為cB′—cB。不同的組分的線性范圍不同。不同類型檢測(cè)器的線性范圍差異也很大。如氫焰檢測(cè)器的線性范圍可達(dá)107，熱導(dǎo)檢測(cè)器那么在105左右。由于線性范圍很寬，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)一般采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙。1351365.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間指進(jìn)入檢測(cè)器的某一組分的輸出信號(hào)到達(dá)其真值的63％所需的時(shí)間。檢測(cè)器的死體積小，電路系統(tǒng)的滯后現(xiàn)象小，響應(yīng)速度就快。一般都小于1s。137§1-8

定性分析

氣相色譜分析對(duì)象是在氣化室溫度下能成為氣態(tài)的物質(zhì)。除少數(shù)外，大多數(shù)物質(zhì)在分析前都需要預(yù)處理。例如，樣品中含有大量的水，乙醇或被強(qiáng)烈吸附的物質(zhì)，可導(dǎo)致色譜柱性能變壞。一些非揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)人色譜柱，本身還會(huì)逐漸降解，造成嚴(yán)重噪聲。還有些物質(zhì)，如有機(jī)酸，極性很強(qiáng)，揮發(fā)性很低，熱穩(wěn)定性差。必須先進(jìn)行化學(xué)處理，才能進(jìn)行色譜分析。氣相色譜法是一種高效、快速的別離分析技術(shù)，它可以在很短時(shí)間內(nèi)別離幾十種甚至上百種組分的混合物，這是其他方法無法比較的。但是，由于色譜法定性分析主要依據(jù)是保存值，所以需要標(biāo)準(zhǔn)樣品。而且單靠色譜法對(duì)每個(gè)組分進(jìn)行鑒定，往往不能令人滿意。138近年來，氣相色譜與質(zhì)譜、光譜等聯(lián)用，既充分利用色譜的高效別離能力。又利用了質(zhì)譜、光譜的高鑒別能力，加上運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理和檢索，為未知物的定性分析開辟了一個(gè)廣闊的前景。1.用純物質(zhì)對(duì)照定性這是氣相色譜定性分析中最方便、最可靠的方法。這個(gè)方法基于在一定操作條件下，各組分的保存時(shí)間是一定值的原理。如果未知樣品較復(fù)雜，可采用在未知混合物中參加物，通過未知物中哪個(gè)峰增大，來確定未知物中成分。139

1402.用經(jīng)驗(yàn)規(guī)律和文獻(xiàn)值進(jìn)行定性分析

當(dāng)沒有待測(cè)組分的純標(biāo)準(zhǔn)樣時(shí)，可用文獻(xiàn)值定性，或用氣相色譜中的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律定性。〔l〕碳數(shù)規(guī)律大量實(shí)驗(yàn)證明，在一定溫度下，同系物的調(diào)整保存時(shí)間的對(duì)數(shù)與分子中碳原子數(shù)成線性關(guān)系，即式中A1和C1是常數(shù)，n為分子中的碳原子數(shù)(n≥3)。該式說明，如果知道某一同系物中兩個(gè)或更多組分的調(diào)整保存值，那么可根據(jù)上式推知同系物中其它組分的調(diào)整保存值。141〔2〕沸點(diǎn)規(guī)律同族具有相同碳數(shù)碳鏈的異構(gòu)體化合物，其調(diào)整保存時(shí)間的對(duì)數(shù)和它們的沸點(diǎn)呈線性關(guān)系，即式中A2和C2均為常數(shù)，Tb為組分的沸點(diǎn)〔K〕。由此可見，根據(jù)同族同數(shù)碳鏈異構(gòu)體中幾個(gè)組分的調(diào)整保存時(shí)間的對(duì)數(shù)值，可求得同族中具有相同碳數(shù)的其他異構(gòu)體的調(diào)整保存時(shí)間。1423．根據(jù)相對(duì)保存值定性

利用相對(duì)保存值定性比用保存值定性更為方便、可靠。在用保存值定性時(shí)，必須使兩次分析條件完全一致，有時(shí)不易做到。而用相對(duì)保存值定性時(shí)，只要保持柱溫不變即可。這種方法要求找一個(gè)基準(zhǔn)物質(zhì)，一般選用苯、正丁烷、環(huán)己烷等作為基準(zhǔn)物。所選用的基準(zhǔn)物的保存值盡量接近待測(cè)樣品組分的保存值。1434.根據(jù)保存指數(shù)定性

保存指數(shù)又稱Kovasts指數(shù)，是一種重視性較其他保存數(shù)據(jù)都好的定性參數(shù)，可根據(jù)所用固定相和柱溫直接與文獻(xiàn)值對(duì)照，而不需標(biāo)準(zhǔn)樣品。

144［例5］乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲線〔柱溫100℃〕。由圖中測(cè)得調(diào)整保存距離為：乙酸正丁酯310.0mm，正庚烷174.0mm，正辛烷373.4mm，求乙酸正下酯的保存指數(shù)。解n=7即乙酸正丁酯的保存指數(shù)為775.6。在與文獻(xiàn)值對(duì)照時(shí)，一定要重視文獻(xiàn)值的實(shí)驗(yàn)條件，如固定液、柱溫等。而且要用幾個(gè)組分進(jìn)行驗(yàn)證。1455.雙柱、多柱定性

對(duì)于復(fù)雜樣品的分析，利用雙柱或多柱