色谱法原理

气相色谱法（GC）是英国生物化学家MartinATP等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复杂的多组分混合物。目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处理机，使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。如气相色谱与质谱（GC－MS）联用、气相色谱与Fourier红外光谱(GC－FTIR）联用、气相色谱与原子发射光谱（GC－AES）联用等。气相色谱法又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）：前者是用多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物；而后者的固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上．由于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广泛。10.2.1气相色谱仪Gaschromatograph气相色谱结构流程Constructionandprocedureofgaschromatograph1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样阀;8-分离柱;9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪.载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统(1).气路系统Carriergassystem(2).进样系统Sampleinjectionsystem(3).分离系统Separationsystem分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。1）填充柱Packedcolumn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。2）毛细管柱Capillarycolumn毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0．l～0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，柱子可以长几十米。与填充往相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度快、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，制备较难。(4).温控系统Temperaturecontrolsystem在气相色谱测定中，温度直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对色谱柱炉，气化室，检测器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。(5).检测和数据处理系统Detectionanddataprocessingsystem样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进人检测器，检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。10.2.2气相色谱固定相StationaryphaseofGC气液色谱固定相由载体(担体)和固定液组成。1.载体(担体)supporter（l）要求：足够大的表面积,良好的孔穴结构。固定液与试样的接触面大，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。一．气液色谱固定相(GLC)（2）类型：主要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:红色载体：硅藻土与粘合剂在900℃煅烧，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色。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。它适宜于分析非极性或弱极性物质。白色载体：硅藻土与20％的碳酸钠（助熔剂）混合煅烧而成，它呈白色。比表面积较小、吸附性和催化性弱，适宜于分析各种极性化合物。101，102系列，英国的Celite系列，英国和美国的Chromosorb系列，美国的Gas－ChromA，CL，P，Q，S，Z系列等，都属这一类。非硅藻土载体有有机玻璃微球载体，氟载体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分析，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2等分析。但由于表面非浸润性，其柱效低。（3）表面处理：硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基SiOH或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。（i）酸洗：用3~6mol·dm-3盐酸浸煮载体、过滤，水洗至中性。甲醇淋洗，脱水烘干。可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化物。适用于分析酸性物质。（ii）碱洗：用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质。(iii)硅烷化：用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚，以除去表面氢键作用力。如：SiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OCH2+2HClSiSiO常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。2.固定液（l）对固定液要求首先是选择性好。固定液的选择性可用相对调整保留值2.1来衡量。对于填充柱一般要求2.1＞1.15；对于毛细管柱，2.1＞1.08.要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。（2）组分分子与固定液间的作用力在气相色谱中，载气是情性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略。在液膜中，由于组分浓度低，组分间的作用力也可忽略。液膜里主要存在的作用力是组分与固定液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数大。这种分子间作用力(intermolecularforces)是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。包括定向力(directiveforce)、诱导力(inductionforce)、色散力(dispersionforce)和氢键(hydrogenbond)4种。前三种统称范德华力，都是由电场作用而引起的。而氢键则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。此外，固定液与被分离组分间还可能存在形成化合物或配合物等的键合力(bindingforces)。（3）固定液的特性Charactersofstationaryliquid固定液的特性主要是指它的极性或选择性,通常采用相对极性(relativepolarity)和特征常数(characteristicconstant)表示。(i)Relativepolarity：1959年由Rohrschneider提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。规定:角鲨烷的极性为0,β,β′-氧二丙睛的极性为100．选取一对物质（如正丁烷--丁二烯或环乙烷--苯），分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液色谱柱上的相对保留值，取其对数，得到:正丁烷）（丁二烯）(lgrrttq角鲨烷和β,β’-氧二丙睛结构式角鲨烷（异三十烷）squalane2，6，10，15，19，23-六甲基二十四烷硅油siliconeβ，β′-氧二丙晴β，β′-oxydipropionitrleSiOSiOSiCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3nO(CH2)2CN(CH2)2CN式中下标1，2和x分别表示氧二丙睛，角鲨烷及被测固定液。据此测得各种固定液的相对极性均在0～100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。相对极性0～+l级：非极性固定液，+2级：弱极性固定液，+3级：中等极性，+4～+5级：强极性。非极性亦可用“－”表示。下表列出了一些常用固定液的相对极性数据。211100100qqqqPxx）（(ii)CharacteristicconstantΔI=Ip–IsΔI为任一标准物质保留指数差值，Ip和Is分别为任一标准物质在被测固定液和参比固定液的保留指数。下表列出一些常用固定液的罗氏常数。麦氏常数是在罗氏方法的基础上，1970年由McReynolds提出的改进方案。选用苯、正丁醇、2一戊酮、l一硝基丙烷、吡啶、2一甲基一2一戊醇、碘丁烷、2一辛炔、二氧六环、顺八氢化茚10种物质，在柱温120℃下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的ΔI值。归纳后发现前5种物质已足以表达固定液的相对极性，把该五项之和称为总极性。下表列出一些常用固定液的McReynolds常数。(iii)保留指数Retentionindex规定正构烷烃的保留指数为其碳数乘100,如正己烷和正辛烷的保留指数分别为600和800。至于其他物质的保留指数，则可采用两个相邻正构烷烃保留指数进行标定。测定时，将碳数为n和n+1的正构烷烃加于样品x中进行分析，若测得它们的调整保留时间分别为tr’(Cn)，tr(Cn+1)和tr(x)且tr(Cn)＜tr(x)＜tr(Cn+1)时，则组分x的保留指数可按下式计算，])(lg)(lg)(lg)(lg[100'1'''nrnrnrrxCtCtCtxtnI气液色谱可选择的固定液有几百种，它们具有不同的组成、性质、用途。如何将这许多类型不同的固定液做一科学分类，对于使用和选择固定液是十分重要的。现在大都按固定液的极性和化学类型分类。按固定液极性分类就是如前所述，可用固定液的极性和特征常数（罗氏常数和麦氏常数）表示。用化学类型分类。这种分类方法是将有相同官能团的固定液排列在一起，然后按官能团的类型分类。这样就便于按组分与固定液结构相似原则选择固定液。（4）固定液的分类Classificationofstationaryliquid（5）固定液的选择SelectionofSL“相似相溶”原则。在应用时，应按实际情况而定。（i）分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。（ii）分离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出。极性大的后流出。（iii）分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。（vi）分离能形成氢键的试样：一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。（v）复杂的难分离物质：可选用两种或两种以上混合固定液。对于样品极性情况未知的，一般用最常用的几种固定液做试验。表列出了几种最常用的固定液。1．常用的固体吸附剂Commonsolidabsorbents主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。使用时，可根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最合适的吸附剂.（见下表）2．人工合成的固定相Syntheticstationaryphase有机固定相高分子多孔微球是一类人工合成的多孔共聚物。它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔径大小及表面性质。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类、胶类的分析。二．气固色谱固定相StationaryphaseofGSC10.2.3气相色谱检测器DetectorsofGC检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。检测器的种类多达数十种,根据检测原理的不同，可分为浓度型检测器和质量型检测器两种：（l）浓度型检测器Concentrationsen