第二章--气相色谱法(3)

第二章气相色谱法南京工业大学生物与制药工程学院国家生化工程技术研究中心余定华博士，副教授上节课内容回顾•色谱分离理论•塔板理论•速率理论第五节色谱定性和定量分析一、气相色谱定性分析气相色谱分析对象是在气化室温度下能成为气态的物质。除少数外，大多数物质在分析前都需要预处理。例如，样品中含有大量的水，乙醇或被强烈吸附的物质，可导致色谱柱性能变坏。一些非挥发性物质进入色谱柱，本身还会逐渐降解，造成严重噪声。还有些物质，如有机酸，极性很强，挥发性很低，热稳定性差。必须先进行化学处理，才能进行色谱分析。气相色谱法是一种高效、快速的分离分析技术，它可以在很短时间内分离几十种甚至上百种组分的混合物，这是其他方法无法比拟的。但是，由于色谱法定性分析主要依据是保留值，所以需要标准样品。而且单靠色谱法对每个组分进行鉴定，往往不能令人满意。近年来，气相色谱与质谱、光谱等联用，既充分利用色谱的高效分离能力。又利用了质谱、光谱的高鉴别能力，加上运用计算机对数据的快速处理和检索，为未知物的定性分析开辟了一个广阔的前景。1.与已知纯物质直接对照定性这是气相色谱定性分析中最方便，最可靠的方法。下图是进行对照定性的示意图。这个方法基于在一定操作条件下，各组分的保留时间是一定值的原理。如果未知样品，较复杂，可采用在未知混合物中加入已知物，通过未知物中哪个峰增大，来确定未知物中成分。如果样品组成复杂，一些色谱峰比较密集，操作条件又不易稳定，测出的保留值有误差，也可采用峰高增加法定性，即向未知样品中加入已知纯物质，若待定性组分的峰比原来增大，表示样品中可能含有该已知物。由于测量保留时间需要严格控制操作条件，重复性较差。可采用保留体积和相对保留值α来对照定性。保留体积不受载气流速变化的影响。相对保留值只与固定液性质、组分性质及室温有关，而与固定液含量及其他操作条件无关，测量较准确。2.用经验规律和文献值进行定性分析当没有待测组分的纯标准样时，可用文献值定性，或用气相色谱中的经验规律定性。1.碳数规律大量实验证明，在一定温度下，同系物的调整保留时间的对数与分子中碳原子数成线性关系，即式中A1和C1是常数，n为分子中的碳原子数（n≥3）。该式说明，如果知道某一同系物中两个或更多组分的调整保留值，则可根据上式推知同系物中其它组分的调整保留值2.沸点规律同族具有相同碳数碳链的异构体化合物，其调整保留时间的对数和它们的沸点呈线性关系，即式中A2和C2均为常数，Tb为组分的沸点（K）。由此可见，根据同族同数碳链异构体中几个已知组分的调整保留时间的对数值，可求得同族中具有相同碳数的其他异构体的调整保留时间。3．根据相对保留值定性利用相对保留值定性比用保留值定性更为方便、可靠。在用保留值定性时，必须使两次分析条件完全一致，有时不易做到。而用相对保留值定性时，只要保持柱温不变即可。这种方法要求找一个基准物质，一般选用苯、正丁烷、环己烷等作为基准物。所选用的基准物的保留值尽量接近待测样品组分的保留值。4.根据保留指数定性保留指数又称Kovasts指数，是一种重视性较其他保留数据都好的定性参数，可根据所用固定相和柱温直接与文献值对照，而不需标准样品。5.双柱、多柱定性对于复杂样品的分析，利用双柱或多柱法更有效、可靠，使原来一根柱子上可能出现相同保留值的两种组分，在另一柱上就有可能出现不同的保留值。6．与其他方法结合气相色谱与质谱、Fourier红外光谱、发射光谱等仪器联用是目前解决复杂样品定性分析最有效工具之一。二、定量分析气相色谱定量分析是根据检测器对溶质产生的响应信号与溶质的量成正比的原理，通过色谱图上的面积或峰高，计算样品中溶溶质的含量。/iiiiiimfAmASSi：被测组分i对检测器的绝对灵敏度，即单位质量物质通过检测器所产生的信号的大小。1.峰面积测量方法峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测量的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法。（l）对称形峰面积的测量——峰高乘半峰宽法理论上可以证明，对称峰的面积A=1.065×h×Y1/2（2）不对称峰面积的测量一峰高乘平均峰宽法对于不对称峰的测量如仍用峰高乘半峰宽，误差就较大，因此采用峰高乘平均峰宽法。A=1/2h（Y0.15+Y0.85）式中Y0.15和Y0.85分别为峰高0.15倍和0.85倍处的峰宽。这种方法对于不对称峰可得到较准确的结果。(3)峰高乘保留时间法在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比，即1/2RbtY所以RAhbt对于一些比较拥挤或狭窄的峰，测量色谱的保留时间比测半峰宽容易而且准确，重现性好，很适合工厂控制分析。当样品中各组分相差很大以及不属于同系物的峰，不能用此方法(4)自动积分仪自动积分仪能自动测量色谱峰的全部面积，对不规则的峰也能给出准确的结果，并且自动打印出各个峰的保留时间、峰面积等数据。(5)电子计算机控制应用电子计算机控制色谱数据处理软件，能使整个色谱分析过程实现自动化。自动进行色谱基线校正，自动检测各组分保留时间、峰高、峰宽、峰面积等，对各种重叠峰、拖尾峰进行分割处理，自动计算平均校正因子和样品中各组分浓度，给出打印结果。(二).校正因子色谱定量分析的依据是被测组分的量与其峰面积成正比。但是峰面积的大小不仅取决于组分的质量，而且还与它的性质有关。即当两个质量相同的不同组分在相同的条件下使用同一个检测器进行测定时，所得的峰面积却常不相同。因此，混合物中某一组分的质量分数并不等于该组分的峰面积在各组分峰面积总和中所占的百分率。这样就不能直接利用峰面积计算物质的含量。为了使峰面积能真实地反映出物质的质量，就要对峰面积进行校正，即在定量计算时引入校正因子。校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。由可得式中fi值与组分i质量绝对值成正比，所以称为绝对校正因子。在定量时要精确求出fi往往是比较困难的。因为色谱峰面积与色谱条件有关，要保持测定fi值时的色谱条件与运用fi值时的色谱条件相同，既不可能又不方便。另外即使能够得到准确的fi数值，也由于没有统一标准而无法直接应用。为此提出相对校正因子的概念来解决色谱定量分析中的计算问题。iiimfAiiimfA1.相对校正因子：某物质的绝对校正因子与某标准物质的绝对校正因子的比值，即'iisfff/'//imiiisssmsssiiismfmAmAAmffmAmAAm可见，相对校正因子f‘i就是当组分i的质量与标准物s相等时，标准物的峰面积是组分i峰面积的倍数。若组分质量为mi，峰面积为Ai，则f’mAi的数值与质量为mi的标准物的峰面积相等。也就是说，通过校正因子，可以把各个组分的峰面积分别换算成与其质量相等的标准物的峰面积，于是比较标准就统一了。相对校正因子只与被测物质和标准物质以及检测器的类型有关，而与操作条件无关。2.相对校正因子的表示方法若被测物质和标准物质的数量分别用克、摩尔、毫升等单位表示，则对应的f’i被依次称为相对质量校正因子、相对摩尔校正因子、相对体积校正因子。3.相对校正因子的测量凡文献查得的校正因子都是指相对校正因子，可用fM,fm分别表示摩尔校正因子和质量校正因(通常把相对二字略去)。校正因子测定方法：准确称量被测组分和标准物质，混合后，在实验条件下进样分析(注意进样量应在线性范围之内)，分别测量相应的峰面积，然后通过公式计算校正因子，如果数次测量数值接近，可取其平均值。例如，为测定重整生成油中苯、甲苯、对二甲苯的相对质量校正因子，选仲丁醇为标准物质。准确称量一定质量的色谱纯对二甲苯、苯、甲苯及仲丁醇，混合均匀后进样，采用氢火焰检测器，测量各物质所对应的峰面积。数据如下：以仲丁醇为标准，计算各物质的相对质量校正因子(f’m)Am3.400.4720'0.980Am2.600.6325mf仲丁醇苯苯仲丁醇苯同理可得f‘m甲苯=1.06，f‘m对二甲苯=1.10(3)定量分析方法(1).归一化法归一化法是气相色谱中常用的一种定量方法。应用这种方法的前提条件是试样中各组分必须全部流出色谱柱，并在色谱图上都出现色谱峰。归一化法把所有出峰组分的含量按100%计算。测量参数为峰面积时，归一化的计算公式为式中Ai为组分i的峰面积，f’i为组分i的相对校正因子。归一化的优点是简便准确，当操作条件如进样量、载气流速等变化时对结果的影响较小。适合于对多组分试样中各组分含量的分析。''121P%100%100%()iiiinniiimfAmmmfA在某色谱条件下，分析只含有二氯乙烷、二溴乙烷和四乙基铅三组分的样品，结果如下：二氯乙烷二溴乙烷四乙基铅相对质量校正因子1.001.651.75峰面积（cm-2）1.501.012.82试用归一化法求各组分的百分含量。W二氯乙烷=1.5×1.08.1015×100%18.52%=W二溴乙烷=1.65×1.018.1015×100%20.57%=W四乙基铅=8.1015×100%60.91%=1.75×2.82解：根据公式ΣAiFi=1.5×1.0+1.65×1.01+1.75×2.82=1.5+1.6665+4.935=8.1015故，二氯乙烷、二溴乙烷和四乙基铅的质量分数分别为：(2).内标法只要被测组分能出峰，不和其他峰重叠，也不管其他组分是否出峰或重叠，都可采用内标法进行定量分析。内标法是称取一定质量的某纯物质作为内标物，加入到已知质量的样品中，混合均匀后进行分析。根据样品及内标物的质量和峰面积，可求得待测组分的含量。iiisssiiisssfAmfAAfmmAfm及由于绝对校正因子不易测量，在使用内标法时，首先用纯的被测组分和纯的内标物，并以内标物为基准，测出被测组分的相对质量校正因子。对内标物的要求是：样品中原来不存在该内标物；内标物能很好地溶解在样品中；加入内标物的量应接近于被测组分的含量；内标物的色谱峰应靠近被测组分的色谱峰，最好位于几个被测组分色谱峰的中间，而又能完全分开。iisiissmP%100%mmAf100%Afm(3).外标法在一定的操作条件下，用已知的纯样品加稀释剂，配制成一系列含量不同的标样，用微量注射器或气体进样阀分别取一定体积注入色谱仪，测量出不同浓度所对应的峰面积，并作峰面积与百分含量的标准曲线。然后再与作标准曲线同样的操作条件下，注入相同体积的试样，从试样的色谱图上测出峰面积，最后由标准曲线查出被测组分的含量。(4).内加法找不到合适的内标物时，也可选样品中的组分为标准，通过比较加入该组分后峰面积的改变而计算被测组分的含量。具体步骤：在一定的色谱条件下，先记录原样品的色谱图，然后在m克原样品中加入ms克纯的某组分j，混合均匀后在进样记录色谱图。测量两色谱图中欲测组分及内标组分的峰面积，可计算百分含量。对原样品中的j组分有加入ms克j组分后，对j组分有由以上两式得所以jjjmfAjsjjsjjmmfAAfA总jsjjjAmmAA总jjsjjP(%)100Am100(AA)mjmm总第六节气相色谱固定相气相色谱固定相(1).固体吸附剂(2).液体固定相(3).合成固定相一、气液色谱固定相：载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相1.载体(担体)（l）对载体的要求具有足够大的表面积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应；热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。（2）载体类型大致可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体，它是由称为硅藻的单细胞海藻骨架组成，主要成分是二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法不同，又分为:红载体和白色载体。红色载体是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色，故称红色载体，其特点是表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，如烃类、醇、胺、酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾。因此它适