第2章气相色谱分析法.

第2章气相色谱分析P4§2.1气相色谱法概述一、概述1.定义：色谱法是一种分离技术，该分离技术应用于分析化学中，就是色谱分析.它分离原理是，使混合物中各组分在两相间分配，其中一相不动，称为固定相，另一相携带混合物流过固定相的流体，称为流动相.这种借两相间分配原理使混合物各组分分离的技术叫色谱法.2.分类：a.按流动相的物态：气相色谱法；液相色谱法.b.按固定相的物态：气固色谱法；气液色谱法；液固色谱法；液液色谱法.3.按分离过程的机制：吸附色谱法；分配色谱法；离子交换色谱法；排阻色谱法.二、气相色谱法1.流程图,fig2-1：五部分组成，a.载气系统；b.进样系统；c.色谱柱和柱箱；d.检测系统；e.记录系统.2.色谱图（fig2-2）3.色谱流出曲线图(fig2-3）P54.几个术语a.基线：当色谱柱后没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的线称为基线.1).基线漂移；2).基线噪声.b.保留值：表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的常数.在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样就可用作定性参数.1)死时间tM:2)保留时间tR:3)调整保留时间tR’:tR’=tR-tM4）死体积VM：5）保留体积VR：6）调整保留体积VR’：7)相对保留值r21（选择性因子）:r21=t’R(2)/t’R(1)c.区域宽度:1)标准偏差：2）半峰宽度：Y1/2=2σ（2ln2）1/23）峰底宽度：Y=4σ=1.70Y1/25.流出曲线图的作用：a.根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性；b.根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量测定；c.根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱分离情况进行评价.§2-2气相色谱分析理论基础P8一、GC法基本原理1.柱型：（1）填充柱（2）毛细管柱2.分离过程:气固：吸附-脱附-吸附-脱附气液：溶解-挥发-溶解-挥发3.分配过程:分配系数：K=固定相中浓度/流动相中浓度=CS/CM=k·β2-8分配比：k=mS/mM2-94.结论，4条：5.分配比k的表达式：a.意义:分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数，k值越大，保留时间越长，k值为零的组分，其保留时间即为死时间。b.表达式：1）滞留因子，RS=uS/uk=（tR－tM）/tM=tR’/tM2-16k值可根据2-16式由实验测得。二、色谱分离基本理论P111.概述：试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括：a.试样中各组分在两相间的分配情况；b.各组分在色谱柱中的运动情况.2.塔板理论:a.塔板理论假定（4条）；b.流出曲线方程式，2-17式；c.n、H、L间的关系，n=16（tR/Y）22-18H=L/n2-19d.结论:色谱峰越窄，塔板数n越多，理论塔板高度H就越小，所以，n或H可作为描述柱效的一个指标。由于死时间的存在，理论塔板数n，理论塔板高度H并不能真正反映色谱柱分离的好坏。应改用：n有效=16（tR’/Y）2；H有效=L/n有效2-21e.注意：同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的，当用这些指标表示柱效能时，必须说说明是对什么物质而言的。f.评说：塔板理论在解释流出曲线的形状、浓度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面是成功的；但不能解释塔板高度受哪些因素影响的这个本质问题，也不能解释为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数这一实验事实。2.速率理论（VanDeemter理论）：H=A+B/u+Cu2-22可见,影响H的三项因素为:a.涡流扩散项A：因此使用适当细粒度和颗粒均匀的担体，并尽量填充均匀，是减少涡流扩散，提高柱效的有效途径。b.分子扩散项B/u：纵向扩散与组分在柱内的保留时间有关，保留时间越长（相当于载气流速越小），分子扩散项对色谱峰扩张的影响就越显著。c.传质项Cu,包括下列二项：1）气相传质阻力系数Cg：采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可减小Cg，提高柱效；2）液相传质阻力系数Cl：固定相的液膜厚度薄，组分在液相的扩散系数大，则液相传质阻力就小；中等线速时，塔板高度的主要控制因素是液相传质项，而气相传质项数值很小，可忽略。d.结论:范氏公式对于分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩散的影响。§2.3色谱分离条件的选择P17一、分离度1.二组分完全分离的条件a.二组分色谱峰之间距离相差足够大b.峰必须窄2.判别公式-总分离效能指标，RR=[tR(2)－tR(1)]/[1/2(Y1＋Y2)]2-27式中分子是热力学因素，分母是动力学因素；两组分保留值的差别，主要决定于固定液的热力学性质；色谱峰的宽窄则反映色谱过程的动力学因素，柱效能高低。因此分离度是柱效能、选择性影响因素的总和，故可用其作为色谱柱的总分离效能指标。R=1.0时，分离程度达98%，适宜于定量分析R=1.5时，分离度达99.7%，可认为二峰完全分开二、色谱分离基本方程1.基本方程式R=1/4*n1/2*（a-1/a）*（k/k+1）2-29n=（1+k/k)2n有效2-30R=1/4n1/2有效（a-1/a）2-312.信息1）分离度与柱效的关系（柱效因子）2）分离度与分配比的关系（容量因子）3）分配比与选择性的关系（选择因子）3.关系式汇总三、分离操作条件的选择P211.载气及其流速的选择H=A+B/u+CudH/du=-B/u2+C=0；2-34u最佳=（B/C)1/2H最小=A+2（BC)1/22-352.柱温的选择：a.柱温是一个重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度。柱温不能高于固定液最高使用温度，否则固定液挥发流失。b.柱温对组分分离的影响较大，提高柱温使各组分的挥发靠拢，不利于分离。c.柱温选择的原则：在使最难分离的组分能尽可能好的分离的前提下，尽可能采取较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。3.固定液的性质和用量固定液的性质对分离是起决定作用的。固定液液膜薄，柱效能提高，并可缩短分析时间。但固定液用量太低，液膜越薄，允许的进样量也就越少。4.担体的性质和粒度，担体的表面结构和孔径分布决定了固定液在担体上的分布以及液相传质和纵向扩散的情况。对担体粒度要求均匀细小，这样有利提高柱效。5.进样时间和进样量：进样量必须很快，进样时间一般都在一秒以内。最大允许的进样量，应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系范围。6.气化温度：进样后要有足够的气化温度，使液体试样迅速气化后被载气带入柱中。一般选择气化温度比柱温高30-70℃。§2.5GC检测器一、概述1.作用：将经色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转换为相应的电讯号。2.分类：浓度型：测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。热导TCD；电子捕获ECD；质量型：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化。即检测器响应值和组分的质量成正比。氢焰FID；火焰光度FPD；二、热导池检测器（TCD），广谱，浓度型1.特点：结构简单，灵敏度适宜，稳定性好.2.结构fig2-9；2-10；类似于惠斯登电桥原理.3.基本原理：基于不同物质具有不同热导系数.4.影响热导池检测器灵敏度的因素：a.桥路工作电流，最主要因素，温差大灵敏度高.b.热导池体温度，一般池体温度不应低于柱温.c.载气，载气与试样热导系数愈大，灵敏度愈高.一般用氢气作载气.d.热敏元件阻值，选阻值高，电阻温度系数大的.e.一般热导池的死体积较大，且灵敏度较低，应选用微型池体（2.5µL）的热导池.三、氢火焰离子化检测器（FID），广谱，质量型1.特点：对含碳有机化合物有很高的灵敏度，适宜于痕量有机物分析.2.结构；fig2-11主要部件是一个离子室，它一般用不锈钢制成，包括气体入口，火焰喷嘴，一对电极和外罩.3.作用机理CnHm→·CH（自由基）；·CH＋O*→2CHO*＋e－；CHO*＋H2O→H3O*＋COCHO*、H3O*→往负极；e－→往正极；产生微电流4.操作条件的选择a.气体流量载气：一般用氮气；氢气：氢/载比对火焰及电离过程影响大；空气：助燃气，氢气/空气=1：10.b.极化电压：直接影响响应值.c.使用温度：不是主要影响因素.六、检测器性能指标1.灵敏度S；检测器灵敏度亦称响应值或应答值灵敏度是响应值对进样量的变化率S=ΔR/ΔQ2-38a.对浓度型检测器：R∝C→R=ScCSc=C1C2F0A/m2-44b.对质量型检测器：R∝dm/dt→R=Smdm/dtSm=60C1C2A/m2-492.检出限（亦称敏感度）：D=3N/S2-483.最小检出量θ0质量型：Θ0=1.065Y1/2D2-51浓度型：Θ0=1.065Y1/2F0D2-524.线性范围：用最大进样量与最小检出量比值表示，这个范围愈大，愈有利于准确定量.§2.6气相色谱定性方法一、概述：各种物质在一定色谱条件下都有确定不变的保留值，因此保留值可作为一种定性指标.现状：GC定性分析还存在一定问题.其应用仅限于当未知物通过其它方面的考虑(如来源，其它定性方法的结果等）后，已被确定可能为某几个化合物或属于某种类型时作最后的确证；其可靠性不足以鉴定完全未知的物质。近年，GC/MS、GC/光谱联用技术的开发，计算机的应用，打开了广阔的应用前景。二、根据色谱保留值进行定性定性方法的可靠性与色谱柱的分离效率有密切的关系，为了提高可靠性，应该采用重现性较好和较少受到操作条件影响的保留值.由于保留时间（或保留体积）受柱长、固定液含量、载气流速等操作条件的影响比较大，因此一般适宜采用仅与柱温有关，而不受操作条件影响的相对保留值r21作为定性指标.1.对于比较简单的多组分混合物，如果其中所有待测组分均为已知，它们的色谱峰也能一一分离，那么为了确定各个色谱峰所代表的物质，可将各个保留值与各相应的标准试样在同一条件下所测得的保留值进行对照比较，确定各个组分.2.未知峰鉴定：a.首先充分利用对未知物了解到的情况（来源，性质等）估计出未知物可能是哪几种化合物；b.再从文献中找出这些化合物在某固定相上的保留值，与未知物在同一固定相上的保留值进行粗略比较，以排除一部分，同时保留少数可能的化合物；c.然后将未知物与每一种可能化合物的标准试样在相同的色谱条件下进行验证，比较两者的保留值是否相同.如果未知物与标准试样的保留值相同，但峰形不同，仍然不能认为是同一物质；将两者混合起来进行色谱实验，如果发现有新峰或在未知峰上有不规则的形状（例如峰略有分叉等）出现，则表示两者并非同一物质；如果混合后峰增高而半峰宽并不相应增加，则表示两者很可能是同一物质.3.多柱法：在一根色谱柱上用保留值鉴定组分有时不一定可靠，因为不同物质有可能在同一色谱柱上具有相同的保留值.所以应采用双柱或多柱法进行定性分析.即采用两根或多根性质（极性）不同的色谱柱进行分离，观察未知物和标准试样的保留值是否始终重合.三.保留指数法：是一种重现性较其他保留数据都好的定性参数；P47方法：保留指数I是把物质的保留行为用两个紧靠近它的标准物（一般是两个正构烷烃）来标定，并以均一标度来表示.I=100[logXi－logXz）/（logXz+1－logXz）＋Z]通式I=100[n（logXi－logXz）/（logXz+n－logXz）＋Z]2-51要求：被测物i的保留值X值应恰好在两个正构烷烃的X值之间，即XZXiXz+n；正构烷烃的保留值人为定为碳数乘以100；小结:因此，欲求某物质的保留指数I值，只要将它与相邻的正构烷烃混合在一起，在给定条件下进行GC实验，然后用上式求I.例47/-1：求乙酸正丁酯在阿皮松L柱上，柱温为100℃时的保留指数.解:选正庚烷、正辛烷两个正构烷烃，实验得知乙酸正丁酯的峰在该两个正构烷烃峰的中间，X为：正庚烷（n-C7）XZ=174.0mmlg174.0=2.2406；乙酸正丁酯Xi=310.0mmlg310.0=2.4914；正辛烷（n-C8）XZ＋1=373.4mmlg373.4=2.5722.代入2-51式可得；I=775