第二讲色谱分析法

生命理学院第二讲色谱分析第2章气相色谱分析法（GasChromatography,GC）生命理学院一、色谱法简介色谱法也叫层析法，它是一种高效能的物理分离技术，将它用于分析化学并配合适当的检测手段，就成为色谱分析法。色谱法的最早应用是在1906年俄国植物学家茨维特(Tswett)用于分离植物色素时采用，其方法是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。第一节概述生命理学院色谱起源加入石油醚分层•胡萝卜素•叶黄素•叶绿素A、BChromatography原理:基于物质在不同相之间具有不同的分配系数引起的分离生命理学院生命理学院此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原理仍然是一样的。我们仍然叫它色谱法。生命理学院在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相；自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱。生命理学院当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用；由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异；因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同；从而按先后不同的次序从固定相中流出。生命理学院色谱法发展的历史：•1906年俄国植物学家Tswett命名自己发明的分离植物色素的新方法为色谱法。因为他并不是一个著名的学者，因此他发表出来的文章并没有得到重视。•1931年，德国的Kuhn和Lederer重复了Tswett的实验，得到很好的结果，色谱法因此得到很大的推广。•1940年，Martin和Synge提出了液液分配色谱法，又把塔板的概念引入色谱法中，初步建立了塔板理论。生命理学院•1941年，Martin和Synge提出了用气体代替流体做流动相的可能性，在他们发展了完整的气液色谱法之后，获得了1952年的诺贝尔化学奖。•1957年，Golay开展了开管柱气相色谱。•1963年，Giddings把高压泵和键合相固定相结合，出现了高效液相色谱。•随后，出现了色谱法和其他检测技术的联用，例如GC-MS、GC-IR等。•上个世纪八十年代，毛细管电泳出现，此后得到长足的发展，并不断出现新的模式，一直成为研究的热点。生命理学院二、色谱法的分类色谱分析法有很多种类，从不同的角度出发可以有不同的分类方法。生命理学院（一）从两相的物理状态分类：色谱法中，流动相可以是气体，也可以是液体，由此可分为气相色谱法（GC）和液相色谱法（LC）。固定相既可以是固体，也可以是涂在固体上的液体，由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气-液色谱、气-固色谱、液-固色谱、液-液色谱。流动相还可以是超临界流体。生命理学院色谱法液相色谱法气相色谱法气-液色谱法气-固色谱法液-固色谱法液-液色谱法超临界流体色谱法分类情况如下：生命理学院物质通常有三种状态：气态，液态和固态。除了这三种常见的状态外物质还有另外的一些状态，如等离子状态、超临界状态等。生命理学院•物质处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上状态时，向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液态性质，同时还保留气体性能，这种状态的流体称为超临界流体（SupercriticalFluid,简称SCF）。•高于临界温度和临界压力的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相界面消失，性质非常接近，以至于无法分辨，故称之为超临界流体。•这种流体(SCF)兼有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。生命理学院（二）按固定相的形式分类：按固定相的状态可分为柱色谱和平板色谱：柱色谱：固定相装在色谱柱中；平板色谱：固定相呈平板状的色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相；纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相。生命理学院（三）按分离原理分类：吸附色谱法：利用吸附剂（固定相一般是固体）表面对不同组分吸附能力的差别进行分离的方法；分配色谱法：利用不同组分在两相间的分配系数的差别进行分离的方法。生命理学院离子交换色谱：利用溶液中不同离子与离子交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方法。空间排斥（阻）色谱法：利用多孔性物质对不同大小的分子的排阻作用进行分离的方法。生命理学院空间排斥（阻）色谱SizeExclusionChromatographytR生命理学院空间排斥（阻）色谱SizeExclusionChromatographytR生命理学院空间排斥（阻）色谱SizeExclusionChromatographytR生命理学院空间排斥（阻）色谱SizeExclusionChromatographytR生命理学院空间排斥（阻）色谱SizeExclusionChromatographytR生命理学院（一）气相色谱分离过程三、气相色谱分离过程及有关术语生命理学院生命理学院试样中各组分经色谱柱分离后，随气体依次流入检测器，检测器将各组分浓度变化转换成电信号，在记录仪上记录为检测器响应随时间变化的微分曲线，即色谱流出曲线，也称色谱图（二）气相色谱的常用术语生命理学院色谱图：若干物质的流出曲线，即在不同时间上的浓度或者响应信号的大小。生命理学院1、基线（Base-line）无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。生命理学院①基线漂移指基线随时间定向的缓慢变化②基线噪音指由各种因素所引起的基线起伏生命理学院2、色谱峰（PeakofChromatogram）曲线上突起部分就是色谱峰。生命理学院色谱峰的对称性•高斯（Gaussian）曲线•不对称因子（asymmetry）•拖尾峰（tailingpeak）•伸舌峰（leadingpeak或frontingpeak）高斯曲线：在理想情况下(进样量很小，浓度很低，在吸附或分配等温线的线性范围内)，色谱峰的形状可以近似地用高斯曲线描述。图中为标准偏差，h为最大峰高，wb为峰宽。生命理学院不对称因子：在实际的色谱过程中，溶质从色谱柱中流出时，很少符合高斯分布，而是具有一定的不对称性。我们可以定义一个不对称因子As来定量地表示色谱峰的不对称程度，将10％峰高处前半峰的宽度设为a,同高度处后半峰的宽度设为b，将b与a的比值定义为不对称因子As，即abAsabAs生命理学院生命理学院拖尾峰：当As大于1时，色谱峰的形状是前半部分信号增加快，后半部分信号减少慢。引起峰拖尾的主要原因是溶质在固定相中存在吸附作用，因此，拖尾峰也称为吸附峰。伸舌峰：当As小于1时，色谱峰是前半部分信号增加慢，后半部分信号减小快。因为伸舌峰主要是固定相不能给溶质提供足够数量合适的作用位置，使一部分溶质超过了峰的中心，即产生了超载，所以也称超载峰。生命理学院3、色谱峰高（theHeightofPeakofChromatogram）色谱峰顶点与基线之间的垂直距离h生命理学院4、色谱峰区域宽度（RegionalwidthofPeakofChromatogram）色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一。用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素，其宽度越窄越好。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法。生命理学院①.标准偏差（它是0.607倍峰高处色谱峰宽的一半）②.半峰宽度Y½（峰高为一半时的宽度，又称半宽度或区域宽度，Y½=2.354）③.峰底宽度（色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离）Wb（Wb=4）生命理学院5、保留值（RetationValue）是试样各组分在色谱柱中保留行为的量度，它反映了组分与固定相间作用力大小，通常用保留时间和保留体积表示。（1）保留时间（RetationTime）tR指某组分通过色谱柱所需要的时间，即从进样到出现某组分色谱峰最大值的时间，单位为min或s。在一定的色谱体系和操作条件下，任何一种化合物都有一定的保留时间，这是色谱定性分析的依据。生命理学院（2）死时间（DeadTime）tM不被固定相吸附或溶解的气体（如空气、甲烷）从进样到出现其色谱峰最大值所需要的时间，也是气体流经色谱柱中空隙所需要的时间。（3）调整保留时间（AdjustRetationTime）t'R扣除死时间之后的保留时间：t'R=tR–tM它反映了组分在色谱过程中，与固定相相互作用所消耗的时间，是各组分产生差速迁移的物理化学基础。生命理学院保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响。因此色谱工作者有时也用保留体积来表示保留值。生命理学院（4）保留体积VR（RetationVolume）是指从进样到出现某组分色谱峰最大值时所通过的载气体积。VR=tR·F0F0为色谱柱出口的载气流量（mL·min-1）生命理学院（5）死体积VM（DeadVolume）指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两项很小可忽略不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速F0（mL·min-1）计算。等于在tM这段时间内通过色谱柱的载气体积。VM=tM·F0（仅适用于气相色谱，不适用于液相色谱。）生命理学院（6）调整保留体积V'R（AdjustRetationVolume）指扣除死体积后的保留体积。V'R=VR-VM（7）相对保留值（RelativeRetationvalue）指在相同的操作条件下某组分2的调整保留值与另一种组分1的调整保留值之比。)1()2()1()2(1,2''''RRRRVVttr生命理学院相对保留值仅与柱温和固定相性质有关，而与柱径、柱长、载气流量等其它实验条件无关，因此，它是色谱定性分析的重要参数之一。相对保留值还可以用来表示色谱柱的选择性。r2,1值越大，两组分的t’R值相差越大，越容易实现分离，当r2,1=1时，两组分色谱峰重叠。生命理学院在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（s），然后再求其它峰（i）对这个峰的相对保留值。此时可用符号表示，即=tR(i)/tR(s)式中tR(i)为后出峰的调整保留时间，所以总是大于1的。相对保留值往往可作为衡量固定相选择性的指标，又称选择因子。生命理学院从色谱流出曲线可以获得许多重要信息：1.根据色谱峰的数目，可以判断试样中所含有组分的最少个数。2.根据色谱峰的保留值可以进行定性分析。3.根据色谱峰高或面积可以进行定量测定。4.根据色谱峰间距及其区域宽度，可对色谱柱的分离效能进行评价。5.色谱峰间距——固定相或流动相选择是否合适的依据。生命理学院问题1：不同组分在色谱柱中为什么呈现不同的运行速度？第二节气相色谱理论基础生命理学院因为固定相对不同组分有不同的吸附力，吸附力强的组分难以被流动相冲洗出色谱柱，故运行速度慢，运行时间长。反之，吸附力弱的组分则容易被流动相冲洗出色谱柱，故运行速度快，运行时间短。吸附脱附生命理学院同样的道理，若固定相呈液体状态，则不同组分呈现不同运行速度是因为固定液对不同组分有不同的溶解能力，溶解性强的组分难以挥发至流动相中，故其在色谱柱中运行速度慢，运行时间长。反之，溶解性弱的组分则容易挥发至流动相中，故其在色谱柱中运行速度快，运行时间短。溶解挥发生命理学院问题2：吸附与脱附是怎么回事？生命理学院吸附作用是指各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体物质表面上的作用。具有吸附性的物质叫做吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。吸附作用可分为物理吸附和化学吸附。脱附作用正好与吸附作用相反，是指吸着在固体或液体物质表面上的物质在一定的作用下离开原表面的过程。生命理学院问题3：什么是溶解过程与挥发过程？生命理学院溶解过程是指气态或液态组分进入固定液的过程，而挥发过程则是指组分离开固定液回到气态或液