气相色谱法1.

第二十章气相色谱法第一节概述以气体为流动相的色谱法称为气相色谱法(gaschromatography；GC)。1．气相色谱法的分类气相色谱法属于柱色谱法。按固定相的物态可分为•气一固色谱法(GSC)•气一液色谱法(GLC)按柱的粗细和填充情况可分为•填充柱色谱法，固定相填充在金属或玻璃管中•毛细管柱色谱法，(内径0.01至0.75mm)，可进一步分为开管毛细管柱、填充毛细管柱等。按分离机制，可分为•吸附色谱法（气一液色谱法）•分配色谱法（气一固色谱法多属于吸附色谱法，固定相为分子筛时，分离是靠分子大小差异及吸附两种作用。2．气相色谱法的一般流程载气由高压气瓶供给，经压力调节器降压，经净化器脱水及净化，由稳压阀调至适宜的流量而进入色谱柱，经检测器流出色谱仪。待流量、温度及基线稳定后，即可进样。液态样品用微量注射器吸取，由进样器注入，气态样品可用六通阀或注射器进样，样品被载气带入色谱柱。图20－1气相色谱仪示意图1.载气瓶2.压力调节器(a.瓶压，b.输出压力)3.净化器4.稳压阀5.柱前压力表6.转子流量计7.进样器8.色谱柱9.色谱柱恒温箱10.馏分收集口(柱后分流阀)11.检测器12.检测器恒温箱13.记录器14.尾气出口3．气相色谱法的特点优点•分离效能高•选择性好•灵敏度高•样品用量少•分析速度快(几秒至几十分钟)•应用广弱点•受样品蒸气压限制对于挥发性较差的液体、固体，需采用制备衍生物或裂解等方法，增加挥发性。据统计，能用气相色谱法直接分析的有机物约占全部有机物的20％。4．气相色谱法的应用气相色谱法是从1952年才迅速发展起来的一种分离分析方法。最早是用于分离分析石油产品，目前已广泛用于石油化学、化工、有机合成、医药、生物化学、食品分析和环境监测等领域。在药物分析中，气相色谱法已成为有关物质检查、原料药和制剂的含量测定、中草药成分分析、药物的纯化、制备的一种重要手段。气相色谱理论•热力学理论从相平衡观点来研究分离过程，以塔片理论为代表•动力学理论从动力学观点来研究各种动力学因素对柱效的影响，以VanDeemter方程式为代表。一、基本概念1．色谱峰(流出峰)由电信号强度对时间作图所绘制的曲线称为色谱流出曲线。流出曲线(后图)上的突起部分称为色谱峰。正常色谱峰为对称形正态分布曲线，曲线有最高点，以此点的横坐标为中心，曲线对称地向两侧快速、单调下降。第二节基本理论图202流出曲线(色谱图)•拖尾峰(tailingpeak)：前沿陡峭，后沿平缓•前延峰(leadingpeak)：前沿平缓，后沿陡峭对称因子或叫拖尾因子fS(Symmetryfactor)见下图fs=W0.05h／2A=(A＋B)／2A(20·1)图203对称因子的求算0.95fs1.05：对称峰fs0.95：前延峰fs1.05：拖尾峰。一个组分的色谱峰可用三项参数即峰高或峰面积(用于定量)、峰位(用保留值表示、用于定性)及峰宽(用于衡量柱效)说明。2．基线在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线称为基线。稳定的基线应是一条平行于横轴的直线。基线反映仪器(主要是检测器)的噪音随时间的变化。3．保留值(滞留值)是色谱定性参数。(1)保留时间(retentiontime,tR)：从进样开始到某个组分的色谱峰顶点（柱后某组分出现浓度极大）的时间间隔。(2)死时间(deadtime,t0)：分配系数为零的组分的保留时间称为死时间。通常把空气或甲烷视为此种组分，用来测定死时间。(3)调整保留时间(adjustedretentiontime,)：某组分由于溶解(或被吸附)于固定相，比不溶解(或不被吸附)的组分在柱中多停留的时间称为调整保留时间，又称为校正保留时间。调整保留时间与保留时间和死时间有如下关系：t’R＝tRt0(20·2)在实验条件(温度、固定相等)一定时，调整保留时间仅决定于组分的性质(调整保留时间是实验条件的函数)，因此调整保留时间是定性的基本参数。Rt(4)保留体积(retentionvolume,VR)：从进样开始到某个组分在柱后出现浓度极大时，所需通过色谱柱的载气体积。对于正常峰，VR为该组分的1／2量被带出色谱柱时所消耗的载气体积。VR与tR和载气流速(Fc，ml／min)有如下关系：VR＝tRFc(20·3)对一定tR的物质，VR与载气流速无关。(5)死体积(deadvolume,V0)：由进样器至检测器的流路中未被固定相占有的空间称为死体积，包括进样器至检测器间各导管的容积、色谱柱中固定相颗粒间间隙、及检测器内腔容积的总和。死体积与死时间和载气流速有如下关系：V0＝t0Fc(20·4)死体积大，色谱峰扩张(展宽)，柱效降低。死时间相当于载气充满死体积所需的时间。(6)调整保留体积(V’R)：由保留体积扣除死体积后的体积V’R＝VRV0=t’RFc(20·5)V’R与载气流速无关，是常用的色谱定性参数之一。(7)保留指数(I)：把组分的保留行为换算成相当于正构烷烃的保留行为，又称Kovats指数，定义式如下：(20·6)Ix为待测组分的保留指数，Z与Z＋n为正构烷烃对的碳原子数。n可为1、2…，通常为1。多数同系物每增加一个CH2，保留指数约增加100，较少例外。乙酸正丁酯在ApiezonL柱上的保留指数见书上例子保留指数与分子结构有关，因此是常用的定性参数。)Z()nZ()Z()x(x'lg'lg'lg'lg100RRRRttttnZI4．色谱峰区域宽度是色谱柱柱效参数。(l)标准差(s)：s为正态分布曲线上两拐点间距离之半。在色谱中，s的大小表示组分被带出色谱柱的分散程度，s越小，柱效越高。在tR+s及tRs间的面积为峰面积的68.3％，即流出组分量为该组分总量的68.3%。对于正常峰，s为0.607倍峰高处的峰宽之半。证明如下：(20·7)式(20·7)为标准正态分布方程式，用于描述色谱峰。当X=0时，f(X)为峰高。将X=0代入上式，则f(X)=0.3989。拐点在X=+s及s处。将X=+s及s代入(20·7)式，f(X)=0.2420。因为峰高h为0.3989，0.2420相当于0.607h，因此拐点在峰高的0.607倍处。由于0.607h不好测量，故区域宽度还常用半峰宽描述(图204)。22221)(sfXeX图20－4色谱峰带宽(2)半峰宽(peakwidthathalfheight；W1/2或Y1/2)：峰高一半处的峰宽称为半峰宽，又称为半腰宽及半宽度等。W1/2=2.355s(3)峰宽(peakwidth；W)：通过色谱峰两侧的拐点作切线，在基线上的截距称为峰宽，或称基线宽度，也可用Y表示。W=4s或W=1.699W1/2(20·9)W1/2与W都是由s派生而来的，除用它们衡量柱效外，还用它们计算峰面积。5.相平衡参数色谱过程是相平衡过程。常用的相平衡参数有分配系数(K)及容量因子(k)，分配系数与保留时间的关系如式(18·6)所示。由式(18·6)、(19·4)及式(20·2)可得：t’R/t0=k(20·10)式(20·10)说明k表示组分在色谱柱中多停留的时间与死时间的倍数，k大则保留时间长。在第18章中已经介绍，分配系数不等是分离的前提，用容量因子表示则更方便。DtR’＝t0(kAkB)容量因子k与柱效参数及定性参数密切相关，而且比分配系数易于测定，在色谱分析中一般都是用容量因子代替分配系数。因此，容量因子是最重要的色谱参数之一。二、等温线在一定温度下，某组分在固定相和流动相间分配达到平衡时，该组分在两相中浓度的关系曲线称为等温线(isotherm)。等温线有线性和非线性两种，如图20－5所示。图20－5等温线与色谱峰形线性等温线是一理想等温线，表示固定相的活性中心未被溶质所饱和，分配系数K是一个定值，与溶液中溶质浓度无关。当流动相保持恒速向前移动时，溶质区带向前移行速度亦恒定，得到的流出曲线为一对称的正态分布曲线，如图205中a。非线性等温线：•凸形等温线产生拖尾峰，如图205中的b•凹形等温线产生前延峰，如图205中的c当固定相表面具有活性不同的活性中心时，溶质分子将首先占据活性强的中心。强活性中心被饱和后，一部分溶质分子将与弱活性中心作用。结果使分配系数K随着溶质浓度的增加而减小，形成凸形等温线。在洗脱过程中，保留在强吸附中心上的低浓度区的溶质分子较难被洗脱，因此常产生拖尾峰。有时固定相具有多种保留机制的活性中心，当溶质浓度增加时，保留机制也可能发生变化，从而产生不对称色谱峰。如果高浓度时的保留机制的分配系数K比低浓度时大，就形成凹形等温线，而产生前延峰。从图20－5还可以看到，无论凸形或凹形等温线在低浓度范围内都趋于一条直线。当溶质浓度降低至等温线线性范围内，流出曲线就近似于正常峰。因此在色谱分析中，应注意控制溶质的量(进样量)，以获得正常色谱峰，防止拖尾峰等不对称峰的产生。塔板(塔片)理论是把色谱柱看作一个分馏塔，在每个塔板间隔内，样品混合物在气液两相中达到分配平衡。经过多次的分配平衡后，分配系数小的组分(挥发性大的组分)先到达塔顶(先流出色谱柱)。由于色谱柱的塔板相当多，因此分配系数的微小差别，即可获得很好的分离效果。（一）基本假设组分被载气带入色谱柱后在两相中分配，由于流动相移动较快，组分不能在柱内各点瞬间达到分配平衡。但塔板理论假定：(下页)三、塔板理论1.在柱内一小段高度H内，组分可以很快在两相中达到分配平衡。H称为理论塔板高度(heightequivalenttoatheoreticalplate)，用HETP或H表示。2.载气通过色谱柱不是连续前进，而是间歇式的，每次进气为一个塔板体积。3.样品和新鲜载气都加在第0号塔板上，且样品的纵向扩散可以忽略。4.分配系数在各塔板上是常数。(二)二项式分布根据塔板理论的假设，可以用二项式定理来计算各塔板中组分的浓度。设一个组分A，分配系数为2，进入0号塔板并达到分配平衡后，固定相和载气中含溶质分别为0.667(p)和0.333(q)。进气一次后，原第0号塔板中载气及其中溶质进入第1号塔板，停止进气。组分在第0号及第1号塔板内重新达到分配平衡。进气N次后，在各塔板内溶质含量的分布符合二项式的展开式，故称为二项式分布。即：(p＋q)N＝1(20·11)用二项式定理计算进气三次后各塔板内的溶质含量：(p＋q)3=p3＋3p2q＋3pq2十q3将q=0.667；q=0.333代入：(0.667＋0.333)3=0.297＋0.444＋0.222＋0.037=l塔板号：0123所计算出的四项数分别是第0、l、2及3号塔板中的溶质分数。进气N次后第r号塔板中的含量NXr，可由下述通式求出：(20·11)rN-rrNrNrNXqp!!!00.050.10.150.20.250.3123456789101100.010.020.030.040.050.060.070.080.09181522293643505764717885929900.0050.010.0150.020.0250.03020406080100120进入第10块塔板后进入第100块塔板后进入第1000块塔板后K=100.050.10.150.20.250.312345678910进入第10块塔板后进入第100块塔板后进入第1000块塔板后K=200.010.020.030.040.050.060.070.080.09181522293643505764717885929900.0050.010.0150.020.0250.03020406080100120810-177210-156310-141210-128410-117710-107110-97510-89410-81710-74110-320210-333210-347610-362110-377210-393510-411410-430510-451110-47100.050.10.150.20.250.30.3