第二章 色谱分析法导论

第二章气相色谱分析§2-1气相色谱法概述色谱法也叫层析法，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用于分离植物色素，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。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。我们仍然叫它色谱分析。一、色谱分离基本原理：由以上方法可知，在色谱法中存在两相，一相是固定不动的，我们把它叫做固定相；另一相则不断流过固定相，我们把它叫做流动相。色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。使用外力使含有样品的流动相（气体、液体）通过一固定于柱中或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。当流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中的各组分与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中先后流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。二、色谱分类方法：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。（一）从两相的状态分类：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。分类情况如下：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（二）按固定相的形式分类：柱色谱：固定相装在色谱柱中；纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相；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。（三）按分离原理分类：可分为：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。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。三、气相色谱仪通常由五部分组成：Ⅰ载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。Ⅱ进样系统：进样器、汽化室。Ⅲ分离系统：色谱柱、控温柱箱。Ⅳ检测系统：检测器、检测室。Ⅴ记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。H2,N2或Ar气路系统进样系统检测系统分离系统§9.2色谱流出曲线（色谱图）及有关术语（一）气相色谱法分离的过程：分离过程（以分离A、B两组分为例）为：混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应024681012024681002468101202468100246810120246810四、色谱流出曲线：从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体，并用记录器记录信号随时间变化的曲线，此曲线就叫色谱流出曲线，当待测组分流出色谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓度，在流出曲线上表现为峰状，叫色谱峰。如图所示为一色谱流出曲线：色谱术语：1）基线：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线。基线在稳定的条件下应是一条水平的直线。它的平直与否可反应出实验条件的稳定情况。基线漂移基线噪声2）峰高（h）和峰面积：色谱峰顶点与基线的距离叫峰高。色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。3）保留值a.死时间(tM)：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。据tM可求出流动相平均流速utMLu死时间柱长b.保留时间tR：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过柱子的时间tM和组份在固定相中滞留的时间。c.调整保留时间tR’：某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组份在固定相中的滞留时间。即由于保留时间为色谱定性依据。但同一组份的保留时间与流速有关，因此有时需用保留体积来表示保留值。tttMR'Rd.死体积VM：色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和。忽略后两项可得到：其中，F0为柱出口的载气流速（mL/min)。FtV0MMe.保留体积VR：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。FtV0RRf.调整保留体积：某组份的保留体积扣除死体积后的体积。VR’FtVVV0'RMR'R.g.相对保留值r2,1：组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比。''222,1''11rrrrtVrtV注意：r2,1只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长L、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其是GC中广泛用于定性的依据！具体做法：固定一个色谱峰为标准s，然后再求其它峰i对标准峰的相对保留值，此时以表示：''()()rstits又称选择因子。h.区域宽度：色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，可用于衡量色谱柱的柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。宽度越窄，其效率越高，分离的效果也越好。区域宽度通常有三种表示方法：标准偏差：峰高0.607倍处峰宽处的一半。半峰宽Y1/2：峰高一半处的峰宽。Y1/2=2.354峰底宽Y：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离。Y=4色谱流出曲线的意义：色谱峰数=样品中单组份的最少个数；色谱保留值——定性依据；色谱峰高或面积——定量依据；色谱保留值或区域宽度——色谱柱分离效能评价指标；色谱峰间距——固定相或流动相选择是否合适的依据。§2-2气相色谱分析理论基础色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但当两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。一、描述分配过程的参数1、分配系数(K)：如前所述，分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次地吸附一脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配系数。它是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即smccK溶质在固定相中的浓度溶质在流动相中的浓度K只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。分配系数K的讨论试验样品一定时，K主要取决于固定相性质，一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。在一定条件下，各种物质的K是不同的。K较小的组分在色谱分析中每次分配后在气相中的浓度较大，因此较早流出色谱柱。K较大的组分每次分配后在气相中浓度较小，因此较晚流出色谱柱。当分配次数足够多时，就能将具有不同K的组分分开。所以，我们可以认为，气相色谱法是利用不同的物质具有不同的K而进行分离的。而K的不同则是由于各组分在固定相中的溶解度（对气-液色谱）或吸附能力（对气-固色谱）不同而造成的。2.分配比：在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比。它反映了组分在柱中的迁移速率。又称保留因子。也叫容量因子或容量比。smmmssmmcVkcV组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量kkKVVVVmmCCsMsMMsMs组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度分配比k的求算：k也等于组分的校正保留时间与死时间的比值因此，k可通过实验测得。由此也可知道，k可表示出组分在柱中停留时间的长短。k越大，停留时间也就越长。ttM'Rk称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，=6~35；对毛细管柱，=60~600。//sssmmmmscmVVKkkcmVV3.K与k的关系：4.选择因子：色谱柱对A、B两组分的选择因子定义如下：''()()rBBrAAtBkKtAkKA为先流出的组分，B为后流出的组分。注意：K或k反映的是某一组分在两相间的分配；而是反映两组分间的分离情况！当两组分K或k相同时，=1时，两组分不能分开；当两组分K或k相差越大时，越大，分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。和k是计算色谱柱分离效能的重要参数！二、塔板理论塔板理论是描述色谱柱中组分在两相间的分配状况及评价色谱柱的分离效能的一种半经验式的理论。塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。塔板理论假定：1）塔板之间不连续；2）塔板之间无分子扩散；3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H；4）某组分在所有塔板上的分配系数相同；5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。(一）、色谱分离过程：塔板理论是把色谱柱假想为一个精馏塔，塔内存在许多塔板，组分在每个塔板的气相和液相间进行分配，达成一次分配平衡。然后随着流动相按一个塔板、一个塔板的方式向前移动。经过多次分配平衡后，分配系数小的组分，先离开蒸馏塔（色谱柱），分配系数大的组分后离开蒸馏塔（色谱柱），从而使分配系数不同的组分彼此得到分离。分离过程如下图所示下面我们再举一个例子说明组分在色谱柱中的分配情况。为简单起见，设色谱柱由5块塔板（n=5，n为柱子的塔板数）组成，并以r表示塔板编号．r=0，1，2，3，4；某组分的分配比k=1。根据上述假定．在色谱分离过程中。该组分的分布可计算如下：开始时，将单位质量（即m=1）的该组分进入0号塔板上，然后将流动相以一个板体积（△V）一个板体积的脉动形式进入色谱柱；此时组分将安下表所示在固定相和流动相进行分配：板号r载气体积0123进样mM0.5mS0.5△VmM0.250.25mS0.250.252△VmM0.1250.125+0.1250.125mS0.1250.125+0.1250.1253△VmM0.0630.063+0.1250.063+0.1250.063mS0.0630.063+0.1250.063+0.1250.063按上述分配过程，对于n=5，k=1，m=1的体系，随着进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量（气相和液相的总质量）见下表：rn01234出口010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2740.2740.11880.0040.0320.0860.1960.2740.13390.0020.0180.0590.1410.2360.138100.0010.0100.0380.1000.1890.118nr01234出口1100.0050.0240.0690.1450.0951200.0020.0160.0460.1070.073