第二章气相色谱分析

第二章气相色谱分析(GasChromatography)基本要点：1.了解色谱法的分类；2.掌握色谱分析的基本原理；3.理解柱效率的物理意义及其计算方法；4.理解速率理论方程对色谱分离的指导意义。5.掌握分离度的计算及影响分离度的重要色谱参数第一节气相色谱分析概述色谱法是最早俄国植物学家于1906年首先提出来的。他在研究植物叶子的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚，使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。色谱法真正作为一种分析方法，是从上个世纪五十年代开始的，1952年，英国科学家A.J.P.Martin和R.L.M.Synge因开创了气液分配色谱法而获得了Nobel化学奖。今天，色谱法作为一种分离技术，以其具有高分离效能、高检测性能、分析时间快速而成为现代仪器分析方法中应用最广泛的一种方法。它的分离原理是，使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相（如，上例中CaCO3），另一相是携带混合物流过此固定相的流体，称为流动相（如，上例中石油醚）。一、色谱法分类：色谱法有多种类型，从不同的角度可以有不同的分类法。1.按流动相和固定相的物理状态分类按流动相的物态，色谱法可分为气相色谱法(流动相为气体)和液相色谱法(流动相为液体)；再按固定相的物态，又可分为气固色谱法(固定相为固体吸附剂)、气液色谱法(固定相为涂在固体担体上或毛细管壁上的液体)、液固色谱法和液液色谱法等。2.按固定相使用的形式类法a.柱色谱法（固定相装在色谱柱中)；b.纸色谱法(滤纸为固定相)；c.薄层色谱法(将吸附剂粉末制成薄层作固定相)等。3.按分离过程的机制分类法a.吸附色谱法(利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离)；b.分配色谱法(利用不同组分在两相中有不同的分配来进行分离)；c.离子交换色谱法(利用离子交换原理)；d.排阻色谱法(利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用)等。本章我们学习气相色谱法。二、气相色谱分析气相色谱法是利用气体作为流动相的一种色谱法。在此法中，载气(是不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体，如氢、氮等)载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别检测。其简单流程如图2-1所示。由高压钢瓶由高压钢瓶1供给的流动相载气。经减压阀2、净化器3、流量调节器4和转子流速计5后，以稳定的压力恒定的流速连续流过气化室6、色谱柱7、检测器8，最后放空。气化室与进样口相接，它的作用是把从进样口注入的液体试样瞬间气化为蒸汽，以便随载气带入色谱柱中进行分离，分离后的样品随载气依次带入检测器，检测器将组分的浓度（或质量）变化转化为电信号，电信号经放大后，由记录仪记录下来，即得色谱图。三、气相色谱仪组成1.载气系统：气相色谱仪具有一个让载气连续运行、管路密闭的气路系统通过该系统，可以获得纯净的、流速稳定的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性，对色谱结果均有很大的影响，因此必须注意控制。2.进样系统：进样系统包括进样器和气化室两部分。进样系统的作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱之前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的大小，进样时间的长短，试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。a.进样器液体样品的进样一般采用微量注射器，其外形于医用注射器相似，常用规格有：0.5，1，5，10，和50μl。将样品吸入注射器，迅速刺如进样口硅橡胶垫。气体样品的进样常用色谱仪本身配置的推拉式六通阀或旋转式六通阀定量进样。b.气化室气化室一般为一根在外管绕有加热丝的不锈钢管，液体样品进入气化室后，受热而瞬间气化。为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解，因此要求气化室热容量大，无催化效应。为了尽量减少柱前谱峰变宽，气化室的死体积应尽可能小。3.色谱柱和柱箱（分离系统）：分离系统由色谱柱组成。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。a.填充柱:由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2~4mm，长1~3m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。b.毛细管柱:空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.2~0.5mm，长度3020~200m，呈螺旋型。色谱柱的分离效果除与柱长、柱径和柱形有关外，还与所选用的固定相和柱填料的制备技术以及操作条件等许多因素有关。4.检测系统：5.记录系统：四、色谱术语如前所述，进样后，样品被载气带入色谱柱，经色谱柱分离后，样品中各组分随载气依次进入检测器，检测器将组分的浓度（或质量）变化转化为电信号，电信号经放大后，由记录仪记录下来，即得色谱图（Fig.2-2）。1.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，稳定的基线是一条直线。如图2-2中所示的直线。a.基线漂移——指基线随时间定向的缓慢变化。b.基线噪声——指由各种因素所引起的基线起伏。2.保留值——表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。通常用时间或用将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。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。a.死时间tM——指不被固定相吸附或溶解的气体(如空气、甲烷)从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。显然，死时间正比于色谱柱的空隙体积。b.保留时间tR——指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。c.调整保留时间tR'——指扣除死时间后的保留时间，即tRˊ=tR－tMd.死体积VM——指色谱柱在填充后固定相颗粒间所留的空间、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。VM=tMFOe.保留体积VR——指从进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积，即VR=tRFOf.调整保留体积VR'——指扣除死体积后的保留体积，即VR'=tR'.FO或VR'=VR－VM同样，V'R与载气流速无关。死体积反映了柱和仪器系统的几何特性，它与被测物的性质无关，故保留体积值中扣除死体积后将更合理地反映被测组分的保留特性。j.相对保留值r21——指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比：r21表示色谱柱的选择性，即固定相(色谱柱)的选择性。值越大，相邻两组分的tRˊ相差越大，分离得越好，r21=1时，两组分不能被分离。当组分2和1为两难分离物质对时，r21用α2`1。3.区域宽度——色谱峰区域宽度是色谱流出曲线中一个重要的参数。从色谱分离角度着眼，希望区域宽度越窄越好。通常度量色谱峰区域宽度有三种方法：a.标准偏差σ：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。b.半峰宽度Y1/2，又称半宽度或区域宽度，即峰高为一半处的宽度，它与标准偏差的关系为：c.峰底宽度Y：自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的。Y=4σ。从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：(i)根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数；(ii)根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；(iii)根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；(iv)色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依据；(v)色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流动相）选择是否合适的依据。第二节气相色谱分析理论基础一、气相色谱分析的基本原理1．气—固色谱分析固定相是一种具有多孔及较大表面积的吸附剂颗粒。试样由载气携带进入柱子时，立即被吸附剂所吸附。载气不断流过吸附剂时，吸附着的被测组分又被洗脱下来。这种洗脱下来的现象称为脱附。脱附的组分随着载气继续前进时，又可被前面的吸附剂所吸附。随着载气的流动，被测组分在吸附剂表面进行反复的物理吸附、脱附过程。由于被测物质中各个组分的性质不同，它们在吸附剂上的吸附能力就不一样，较难被吸附的组分就容易被脱附，较快地移向前面。容易被吸附的组分就不易被脱附，向前移动得慢些。经过一定时间，即通过一定量的载气后，试样中的各个组分就彼此分离而先后流出色谱柱。2．气—液色谱分析固定相是在化学惰性的固体微粒(此固体是用来支持固定液的，称为担体)表面，涂上一层高沸点有机化合物的液膜。这种高沸点有机化合物称为固定液。在气—液色谱柱内，被测物质中各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同。当载气携带被测物质进入色谱柱，和固定液接触时，气相中的被测组分就溶解到固定液中去。载气连续进入色谱柱，溶解在固定液中的被测组分会从固定液中挥发到气相中去。随着载气的流动，挥发到气相中的被测组分分子又会溶解在前面的固定液中。这样反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥发。由于各组分在固定液中溶解能力不同。溶解度大的组分就较难挥发，停留在柱中的时间长些，往前移动得就慢些。而溶解度小的组分，往前移动得快些，停留在柱中的时间就短些。经过一定时间后，各组分就彼此分离。3．分配系数：在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比称为分配系数K。一定温度下，各物质在两相之间的分配系数是不同的。气相色谱分析的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数，两相作相对运动时，试样中的各组分就在两相中进行反复多次的分配，使原来分配系数只有微小差异的各组分产生很大的分离效果，从而各组分彼此分离开来。（K与留出顺序的关系）4．分配比(Partition)（容量因子Capacityfactor）：以κ表示，是指在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比：k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。5．分配比к与分配系数K的关系：式中cS,cM分别为组分在固定相和流动相的浓度；VM为柱中流动相的体积，即柱中固定相颗粒间的空隙体积。VS为柱中固定相的体积，在各种不同的类型的色谱中有不同的含义，例如在GLC中它为固定液的体积，再GSC中则为吸附剂表面容量。VM/VS成为相比(phaseratio)，用β表示。由式可见：a.分配系数是组分在两相中浓度之比，分配比则是组分在两相中分配总量之比。它们都与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。b.分配系数只决定于组分和两相性质，与两相体积无关。分配比不仅决定于组分和两相性质，且与相比有关，亦即组分的分配比随固定相的量而改变。c.对于一给定色谱体系(分配体系)，组分的分离最终决定于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的参数。（注：解释k与保留时间的关系）d.组分在柱内的线速度US将小于流动相（载气）在柱中的线速度u（注：固定相对组分有保留作用），则两速度之比称为滞留因子RS：因US=L/tR及u=L/tM,所以有：RS=tM/tR=TM/(tR'+tM)=1/(1+k)k=tR'/tM可见，k可以由实验测得。二、色谱分离基本理论前讲，色谱法是一种分离分析技术。那么，在什么条件下，能试样中各组能彼此分离？影响分离效果的因素有哪些?如何选择合适的分离条件等等？这些都是分析工作者必须搞清楚的问题，也是色谱基本理论必须要回答的。要是两组分A、B实现分离，必须满足两个条件：a.色谱峰之间的距离足够大；b.色谱峰宽度要窄。色谱峰之间的距离取决于组分在固定相和流动相之间的分配系数，即与色谱过程的热力学因素有关，可以用塔板理论来描述；色谱峰的宽度则与组分在柱中的扩散和运行速度有关，即所谓的动力学因素有关，需要用速率理论来描述。1．塔板理论塔板理论把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，即把色谱柱看作是有许多假想的塔板组成（即色谱柱可分为许多个小段）。在每一小段（塔板）内，组分在两相之间达成一次分配平衡，然后随流动相向前转移，遇到新的固定相重新再次达成分配平衡，依此类推。由于流动相在不停的移动，组分在这些塔板间就不断达成分配平衡，最后K大的