气相色谱分析法

6-16.气相色谱分析法6.1方法原理6.2气相色谱仪6.3气相色谱基本理论6.4气相色谱实验技术6.5气相色谱法的应用实例6.6实验6.1方法原理6.1.1色谱法概述6.1.2色谱流出曲线常用术语6.1.3色谱分离原理6.1.1色谱法概述6.1.1.1色谱法由来及分类(1)色谱法的由来 1906年，俄国植物学家茨维特（M∙S∙Tswett）在研究植物色素的过程中，做了一个经典的实验，实验是这样的：在一根玻璃管的狭小一端塞上小团棉花，在管中填充沉淀碳酸钙，这就形成了一个吸附柱，如图6­1所示。然后将其与吸滤瓶连接，使绿色植物叶子的石油醚抽取液自柱中通过。结果植物叶子的几种色素便在玻璃柱上展开：留在最上面的是叶绿素；绿色层下接着是两三种黄色的叶绿素；随着溶剂跑到吸附层最下层的是黄色的胡萝卜素。这样一来，吸附柱便成为一个有规则的、与光谱相似的色层。接着他用纯溶剂淋洗，使柱中各层进一步展开，达到清晰的分离。然后把该潮湿的吸附柱从玻璃管中推出，依色层的位置用小刀切开，于是各种色素就得以分离。再用醇为溶剂将它们分别溶下，即得到了各成分的纯溶液。茨维特在他的原始论文中，把上述分离方法叫做色谱法，把填充CaCO3 的玻璃柱管叫做色谱柱，把其中的具有大表面积的CaCO3 固体颗粒称为固定相，把推动被分离的组分（色素）流过固定相的惰性流体（本实验用的是石油醚）称为流动相，把柱中出现的有颜色的色带叫做色谱图。现在的色谱分析已经失去颜色的含义，只是沿用色谱这个名词。图 6­1 茨维特吸附色谱分离实验示意图6-2色谱分析法实质上是一种物理化学分离方法，即利用不同物质在两相（固定相和流动相）中具有不同的分配系数（或吸附系数），当两相作相对运动时，这些物质在两相中反复多次分配（即组分在两相之间进行反复多次的吸附、脱附或溶解、挥发过程）从而使各物质得到完全分离。(2)色谱法的分类色谱法有多种类型，从不同的角度可以有不同的分类方法。通常是按照下述三种方法进行分类的：①按固定相和流动相所处的状态分类，见表6­1：表 6­1 按两相所处状态分的色谱法分类流动相总称固定相色谱名称固体气­固色谱（GSC）气体气相色谱（GC）液体气­液色谱（GLC）固体液­固色谱（LSC）液体液相色谱（LC）液体液­液色谱（LLC）②按固定相性质和操作方式分类，见表6­2：表 6­2 按固定相性质和操作方式分的色谱法分类柱固定相形式填充柱开口管柱纸薄层板固定相性质在玻璃或不锈钢柱管内填充固体吸附剂或涂渍在惰性载体上的固定液在弹性石英玻璃或玻璃毛细管内壁附有吸附剂薄层或涂渍固定液等具有多孔和强渗透能力的滤纸或纤维素薄膜在玻璃板上涂有硅胶 G 薄层操作方式液体或气体流动相从柱头向柱尾连续不断地冲洗液体流动相从滤纸一端向另一端扩散液体流动相从薄层板一端向另一端扩散名称柱色谱纸色谱薄层色谱③按色谱分离过程的物理化学原理分类，见表6­3：表 6­3 按分离过程的物理化学原理分的色谱法分类名称吸附色谱分配色谱离子交换色谱凝胶色谱原理利用吸附剂对不同组分吸附性能的差别利用固定液对不同组分分配性能差别利用离子交换剂对不同离子亲和能力的差别利用凝胶对不同组分分子的阻滞作用的差别平衡常数吸附系数 KA 分配系数 KP 选择性系数 KS 渗透系数 KPF 流动相为液体液固吸附色谱液液分配色谱液相离子交换色谱液相凝胶色谱流动相为气体气固吸附色谱气液分配色谱6-3目前，应用最广泛的是气相色谱法和高效液相色谱法。6.1.1.2气相色谱法的分析流程图6­2是气相色谱分析流程图。N2 或 H2 等载气（用来载送试样而不与待测组分作用的隋性气体）由高压载气钢瓶供给，经减压阀减压后进入净化器，以除去载气中杂质和水分，再由稳压阀和针形阀分别控制载气压力（由压力表指示）和流量（由流量计指示），然后通过汽化室进入色谱柱。待载气流量，汽化室、色谱柱、检测器的温度以及记录仪的基线稳定后，试样可由进样器进入汽化室，则液体试样立即汽化为气体并被载气带入色谱柱。由于色谱柱中的固定相对试样中不同组分的吸附能力或溶解能力是不同的，因此有的组分流出色谱柱的速度较快，有的组分流出色谱柱的速度较慢，从而使试样中各种组分彼此分离而先后流出色谱柱，然后进入检测器。检测器将混合气体中组分的浓度（mg∙mL ­1 ）或质量流量（g∙s ­1 ）转变成可测量的电信号，并经放大器放大后，通过记录仪即可得到其色谱图。6.1.1.3气相色谱法的特点和应用范围气相色谱法是基于色谱柱能分离样品中各组分，检测器能连续响应，能同时对各组分进行定性定量的一种分离分析方法，所以气相色谱法具有分离效率高、灵敏度高、分析速度快、应用范围广等优点。分离效率高是指它对性质极为相似的烃类异构体、同位素等有很强的分离能力，能分析沸点十分接近的复杂混合物。例如用毛细管柱可分析汽油中50~100多个组分。灵敏度高是指使用高灵敏度检测器可检测出10 ­11 ~10 ­13 g的痕量物质。分析速度快是相对化学分析法而言的。一般情况下，完成一个样品的分析，仅需几分钟。目前气相色谱仪普遍配有色谱微处理机（或色谱工作站），能自动画出色谱峰，打印出保留时间和分析结果，分析速度更快，更方便。另外进行气相色谱分析所用样品量很少，通常气体样品仅需要1mL，液体样品仅需1μL。气相色谱法的上述特点，扩展了它在工业生产中的应用。它不仅可以分析气体，还可以分析液体和固体。只要样品在450℃以下，能气化都可以用气相色谱法进行分析。图 6­2 单柱单气路结构示意图6-4气相色谱法的不足之处，首先是由于色谱峰不能直接给出定性的结果，它不能用来直接分析未知物，必须用已知纯物质的色谱图和它对照；其次，当分析无机物和高沸点有机物时比较困难，需要采用其它的色谱分析方法来完成。6.1.2色谱流出曲线常用术语6.1.2.1色谱图与色谱流出曲线色谱图是指色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信号对时间或流动相流出体积的曲线图。（如图6­3所示）色谱流出曲线是指色谱图中随时间或载气流出体积变化的响应信号曲线，也就是以组分流出色谱柱的时间（t）或载气流出体积（V）为横坐标，以检测器对各组分的电信号响应值（mV）为纵坐标的一条曲线。由图6­3可以看到，色谱图上有一组色谱峰，每个峰代表样品中的一个组分。6.1.2.2色谱有关名词术语（1）基线当没有组分进入检测器时，色谱流出曲线是一条只反映仪器噪声随时间变化的曲线（即在正常操作下，仅有载气通过检测器系统所产生的响应信号曲线），称为基线。操作条件变化不大时，常可得到如同一条直线的稳定基线。图6­3中OQ即为流出曲线的基线。①基线噪声指由各种因素引起的基线起伏，如图6­4（a），(b)，(c)所示；②基线漂移指基线随时间定向的缓慢变化，如图6­4(d)所示。（2）色谱峰当有组分进入检测器时，色谱流出曲线就会偏离基线，这时检测器输出的信号随检测器中的组分的浓度而改变，直至组分全部离开检测器，此时绘出的曲线（即色谱柱流出组分通过检测系统图 6­3 色谱流出曲线图图6-4噪声和漂移图 Q6-5时所产生的响应信号的微分曲线），称为色谱峰（如图6­5所示）。理论上讲色谱峰应该是对称的，符合高斯正态分布的，实际上一般情况下的色谱峰都是非对称的色谱峰，主要有以下几种情况（见图6­6所示）：①前伸峰：前沿平缓后部陡起的不对称色谱峰；②拖尾峰：前沿陡起后部平缓的不对称色谱峰；③分叉峰：两种组分没有完全分开而重叠在一起的色谱峰；④“馒头”峰：峰形比较矮而胖的色谱峰；（3）峰高和峰面积峰高（h）是指峰顶到基线的距离（如图6­5中 AB），以 h表示。峰面积（A）是指每个组分的流出曲线与基线间所包围的面积。峰高或峰面积的大小和每个组分在样品中的含量相关，因此色谱峰的峰高或峰面积是气相色谱进行定量分析的主要依据（4）峰拐点在组分流出曲线上二阶导数等于零的点，称为峰拐点，如图6­5中的E点与F点。（5）峰宽与半峰宽色谱峰两侧拐点处所作的切线与峰底相交两点之间的距离，称为峰宽，如图6­5的IJ，常用符号Wb 表示。在峰高为h/2处的峰宽GH，称为半峰宽，常用符号W1/2 表示。（6）保留值保留值是用来描述各组分色谱峰在色谱图中的位置，在一定实验条件下，组分的保留值具有特征性，是气相色谱定性的参数。保留值通常用时间或用将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。①死时间（ M t ）指从进样开始到惰性组分（指不被固定相吸附或溶解的空气或甲烷）从柱中流出，呈现浓度极大值时所需要的时间（如图6­3中OO ’所示的距离），tM 反映了色谱柱中未被固定相图6-5色谱峰图图6-6非高斯峰 b6-6填充的柱内死体积和检测器死体积的大小，与被测组分的性质无关。②保留时间（ R t ）从进样到色谱柱后出现待测组分信号极大值所需要的时间（如图6­3中OB所示的距离），以 R t 表示。 R t 可作为色谱峰位置的标志。③调整保留时间（ R t' ）扣除死时间后的保留时间（如图6­3中O ’ B所示的距离），以 R t' 表示： M R R t t t-= ' （6­1） R t' 反映了被分析的组分与色谱柱中固定相发生相互作用，而在色谱柱中滞留的时间，它更确切地表达了被分析组分的保留特性，是气相色谱定性分析的基本参数。④死体积（VM）、保留体积（VR）和调整保留体积（ R V' ）保留时间受载气流速的影响，为了消除这一影响，保留值也可以用从进样开始到出现峰（空气或甲烷峰，组分峰）极大值所流过的载气体积来表示，即用保留时间乘以载气平均流速。死体积 c M M F t V×=（6­2）保留体积 c R R F t V×=（6­3）调整保留体积 c R R F t V×= ' ' （6­4）式中Fc 是操作条件下柱内载气的平均流速，Fc 可用下式计算： r c i i w C T T P P P P P P P F F×úûùêëé--×úûùêëé-×= 1 ) / ( 1 ) / ( 2 3 3 0 2 0 0 0 0 (6­5) 式中F0 是用皂膜流量计测得的柱后流速；P0 是柱后压，即大气压；Pw 是饱和水蒸气压； Pi 是柱进口压力；Tc、Tr 分别是柱温和室温（用热力学温度表示）。⑤相对保留值 iS r 一定的实验条件下组分i与另一标准组分S的调整保留时间之比： S i S i R R R R iS V V t t r¢¢=¢¢=（6­6） iS r 仅与柱温及固定相性质有关，而与其它操作条件如柱长、柱内填充情况及载气的流速等无关。⑥选择性因子（a）指相邻两组分调整保留值之比，以a表示：6-7 2 1 2 1 ' ' ' ' R R R R V V t t==a（6­7）a数值的大小反映了色谱柱对难分离物质对的分离选择性，a值越大，相邻两组分色谱峰相距越远，色谱柱的分离选择性愈高。当a接近于1或等于1时，说明相邻两组分色谱峰重叠未能分开。（7）相比率（β）色谱柱内气相与吸附剂或固定液体积之比。它能反映各种类型色谱柱不同的特点，常用符号β表示。对于气­固色谱： S G V V=b（6­8）对于气­液色谱： L G V V=b（6­9）式中，VG 是色谱柱内气相空间(mL)，VS 是色谱柱内吸附剂所占体积(mL)，而VL 是色谱柱内固定液所占体积(mL)。（8）分配系数（K）平衡状态时，组分在固定相与流动相中的浓度比。如在给定柱温下组分在流动相与固定相间的分配达到平衡时，对于气­固色谱，组分的分配系数为：毫升载气所含组分量柱温及柱平均压力下每吸附的组分量每平方米吸附剂表面所= K （6­10）对于气­液色谱，分配系数为： C L C C K==毫升载气所含组分量柱温及柱平均压力下每的组分量每毫升固定液中所溶解 (6­11) 式中CL 与CG 分别是组分在固定液与载气中的浓度。（9）容量因子（k）又称分配比，容量比，指组分在固定相和流动相中分配量（质量、体积、物质的量）之比。组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量= k (6­12) k 与其它色谱参数有以下一些关系：6-8 M R M M R G L t t t t t K