第二章-气相色谱法

第二章气相色谱分析“色谱法”名称的由来石油醚(流动相)碳酸钙(固定相)色谱带▲叶绿素A▲叶黄素▲胡萝卜素2.1概述1906年，俄国植物学家茨维特(M.Tswett)创立色谱法是一种分离技术•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。是利用混合物不同组分在固定相和流动相中分配系数(或吸附系数、渗透性等)的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。色谱法1.根据固定相的外形分柱色谱平板色谱{平板色谱色谱法的分类2.根据分离机理可分为吸附色谱分配色谱离子交换色谱排阻色谱一般分类分离方法固定相所用平衡液相色谱LC液液分配涂在载体表面的液体不同溶液之间分配平衡化学键合相有机物被键合在载体表面在液体与固定相表面的分配液固吸附固体吸附剂吸附离子交换离子交换树脂离子交换尺寸排阻凝胶筛分气相色谱GC（流动相为气体）气、液涂在载体表面的液体分析物与固定气-键相有机物被键合在载体表面气-固固体吸附剂吸附超临界流体色谱SFC（流动相超临界流体）固体表面键合的有机物超临界流体与键合表面的分配相间的相互作用3.按流动相不同分类2.2色谱流出曲线及有关术语色谱图（chromatogram）：试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间曲线或信号——流动相体积曲线，称为色谱流出曲线，基线：在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线。(一）保留值－定性参数1死时间tM(或t0)：不被保留的样品通过色谱柱的时间。MtLμ流动相平均线速度柱长2保留时间tR（或tr）某组分从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间，称为保留时间，它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间．3调整保留时间tR′(或tr′)tR′=tR-tM某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间由于组份在色谱柱中的保留时间tR包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间，所以tR′实际上是组份在固定相中停留的总时间．保留时间可用时间单位（如s）或距离单位（如cm）表示。保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组份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用保留体积等参数进行定性检定．4死体积VM(或V0)0,VMMqtV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．当后两项很小而可忽略不计时，其值就相当于色谱柱内流动相的体积。死体积可由死时间与流动相体积流速qV,0（mL·min-1）计算：5保留体积VR(或Vr)：从进样开始到色谱峰最大值出现时所通过的流动相的体积，单位mL0,VRRqtV6调整保留体积VR′(或Vr′):保留体积减去死体积，即组分停留在固定相时所消耗的流动相体积或0,''VRRqtVMRRVVV'7.相对保留值r2,1某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为相对保留值。由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛用作定性的依据。')1(')2(')1(')2(21RRRRVVttr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，又称选择性因子。(二)区域宽度－柱效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。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法。（1）标准偏差()：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。（2）半峰宽(Y1/2)：色谱峰高一半处的宽度Y1/2=2.354（3）峰底宽(Y)：通过流出曲线的拐点所作的切线在基线上的截距Y=4（三）峰高与峰面积－定量峰高h：从色谱峰顶点到基线的距离峰面积A：峰与基线延长线所包围的面积A=1.065hY1/21.根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。2.根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。3.根据色谱峰的面积或峰高,可以进行定量分析4.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5.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。(四）色谱流出曲线上的信息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。但是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。2.3色谱分析的基本原理（一）分配系数K和分配比k1.分配系数K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的分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附-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K。MSccK组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度分配系数定义在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的，它是每一个溶质的特征值，它仅与两个变量有关：固定相和温度。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。组分一定时，K主要取决于固定相性质组分及固定相一定时,温度增加,K减小试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础选择适宜的固定相可改善分离效果影响K的因素{固定相温度2.分配比(容量因子)kMSmmk组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。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与k都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数。K与k都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。k可直接从色谱图上求得。其中β称为相比率，它是反映各种色谱柱型特点的又一个参数。例如，对填充柱，其β值一般为6～35；对毛细管柱，其β值为60～600。3.分配系数K与分配比k的关系kVVkVmVmVnVnccKSMMMSSMMSSMS////结论a.分配系数是组分在两相中的浓度之比，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两相中的相对量，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.d.若流动相（载气）在柱内的线速度为u.由于固定相对组分有保留作用，所以组分在柱内的线速度us将小于u，则两速度之比称为滞留因子RS.RS=us/u4.保留值与K、k的关系推导1：当某一组分的色谱峰最高点出现时，说明该组分恰好有一半的量随着VR体积的流动相流出柱子，其余一半则留在柱内，即留在柱内的流动相(体积为VM)与固定相(体积为Vs)中。根据物料等衡原理得：VRcM=VMcM+VScSVR=VM+VScS/cM=VM+KVS①即：VR′=KVs色谱过程的基本方程VR=VM(1+k)和tR=tM(1+k)色谱基本保留方程SMVVkK由得，k=KVS/VM，将①代入得：k=(VR–VM)/VM=VR′/VM=tR′/tM=(tR–tM)/tMk=VR′/VM=tR′/tM推导2：滞留因子Rs若用质量分数来表示整理可得：tR=tM(1+k)色谱基本保留方程变形可得：uuRSSkmmmmmwRMSMSMS11/11SRuLtuLtMMRMMRtttttk'5.分离因子与分配系数K及分配比k的关系上式表明：通过选择因子α把实验测量值k与热力学性质的分配系数K直接联系起来，α对固定相的选择具有实际意义。如果两组分的K或k值相等，则α=1，两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的K或k值相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。下图是A、B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。浓度沿柱移动距离LABABKAKB图中KAKB，因此，A组分在移动过程中滞后。随着两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，同时，每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽。显然，区域扩宽对分离是不利的，但又是不可避免的。若要使A、B组分完全分离，必须满足以下三点：第一，两组分的分配系数必须有差异；第二，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度；第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。第一、二点是完全分离的必要条件。而作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。因此引入了塔板理论和速率理论，二者均以色谱过程中分配系数恒定为前提，故称为线性色谱理论。色谱法研究的核心----选择最适合的色谱体系和条件、在最短的时间达到最佳的分离效果。2.4色谱理论一、塔板理论－柱分离效能指标最早由Martin等人提出塔板理论，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，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。即色谱柱是由一系列连续的、相等的水平塔板组成。每一块塔板的高度用H表示，称为塔板高度，简称板高。简单地认为：在每一块塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为L的色谱柱，溶质平衡的次数应为：n称为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加，随板高H的增大而减小。该理论假定：（i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。（ii）以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（ΔVm）。（iii）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。（iv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。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=1，2…，n-1；某组分的分配比k=1.*k=1塔板号载气塔板体积数01234柱出口01234567891011121314151610.50.250.1250.0630.0320.0160.0080.0040.0020.00100000000.50.50.3750.250.1570.0950.0560.0320.0180.0100.0050.0020.001000000.250.3750.3750.3130.2350.1650.1110.0720.0450.0280.0160.0100.0050.0020.0010.000.1250.250.3130.3130.2740.220.1660.0940.0700.0490.0330.0220.0140.00800000.0630.1570.2350.2740.2740.2470.2070.1510.1100.080.0570.0400.027000000.0320.0790.1180.1380.1380.1240.1040.0760.0560.0400.0280.020塔板理论指出