环境色谱3

上海市建设工程检测行业协会培训班气相色谱基础上海大学环化学院曹铁华[e-mail]气相色谱基础第一节概述第二节色谱流出曲线第三节气相色谱基础理论和分析条件的选择第四节气相色谱仪第五节气相色谱检测器第六节气相色谱柱第七节气相色谱定性定量分析第八节色谱仪的调试、使用与维护第一节概述一、色谱法的由来与发展二、色谱法的特点三、色谱法的分离原理四、色谱法的分类3一、色谱法的由来与发展1、由来茨维特（Tswett），俄国生物化学家，将植物叶子的石油醚萃取液从一根装有碳酸钙吸附剂的玻璃管上端注入，并进一步用石油醚液洗脱，分辨了植物中的各种色素。“色谱”一词由此而来。4茨维特实验（动画）562、发展1941年英国物理化学家马丁（Marting）和辛格（Synge）提出分配色谱，并预言可用气体做流动相。1952年马丁（Marting）、辛格（Synge）和詹姆斯（James）完成了气－液色谱从理论到实践的开创性研究工作，创立了气－液色谱法，并提出了塔板理论，获得了诺贝尔奖金。1955年P-E公司下属公司推出第一台气相色谱仪1956年荷兰学者范第姆特（VanDeemter）发表了著名的“速率理论”1957年霍姆斯（Holmes)等人首次将GC与MS联用，相继发明了FID、FPD、ECD等检测器，使GC迅速发展，广泛使用。1957－1958年美国电器工程师Golay开创了毛细管气相色谱的新纪元1970年以后气相色谱仪走向自动化、计算机化二、色谱法的特点与应用1、色谱法的特点1）分离效能高：是一种分离分析技术。复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。2）分析速度快：一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。3）样品用量少：一次分析通常只需数纳升至数微升的溶液样品。4）适用范围广不足之处：定性能力较差。为克服这一缺点，已经发展起来了色谱法与其他多种具有定性能力的分析技术的联用。72、色谱法的应用：分析测试、分离提纯8应用领域分析对象举例环境水样中芳香烃，杀虫剂，除草剂石油原油成分、汽油中各种烷烃和芳香烃化工喷气发动机燃料中烃类，石蜡中高分子烃食品、水果、蔬菜植物精炼油中各种烯烃、醇和酯，亚硝胺，香料中香味成分，人造黄油中的不饱和十八酸，牛奶中饱和和不饱和脂肪酸生物植物中萜类，微生物中胺类、脂肪酸类、脂肪酸酯类医药血液中汞形态、中药中挥发油法医学血液中酒精，尿中可卡因、安非他命，奎宁及其代谢物，火药成分，纵火样品中的汽油返当流动相中所携带的混合物流过固定相时，就会和固定相发生作用。由于混合物中各组分在性质和结构上有差异，与固定相发生作用的大小也有差异。因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。三、色谱的分离原理10四、色谱法的分类1、按两相物态分类2、按固定相制成的形状分类3、按分离机理分类4、按动力学分类111、按两相物态分类流动相总称固定相色谱名称气体气相色谱（GC）固体气-固色谱（GSC）液体气-液色谱（GLC）液体液相色谱（LC）固体液-固色谱（LSC）液体液-液色谱（LLC）122、按固定相制成的形式分类1)、柱色谱填充柱色谱毛细管柱色谱（开口管柱色谱）2)、平面色谱：纸色谱薄层色谱133、按色谱柱形分类•填充柱色谱法(φ2-4mm)•毛细管柱色谱法(φ0.1-0.53mm)14第二节、色谱流出曲线15161、色谱峰的基本术语：1）基线：无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线2）色谱峰3）峰高(h)4）半峰宽(y1/2)y1/2=2.354δ5）拐点EF:拐点位于0.607h处EF＝2δ6）峰宽(y)：IJ，y＝4δ7）流出曲线标准偏差（δ），其值等于峰高之0.607处峰宽的一半。8）拖尾峰、前伸峰、假峰和畸峰。色谱流出曲线2、保留参数1)保留时间(tR)2)保留体积(VR)VR=tRUeUe常压和室温条件下柱出口处的载气体积流速3)死时间(tA)4)死体积(VA)VA=tAUe5)调整保留时间(t’R)t’R=tR-tA6)调整保留体积(V’R)V’R=t’RUe17色谱流出曲线187)相对保留值（ris）ris=t’Ri/t’Rs式中t’Ri、t’Rs－分别为组分i和s的调整保留时间ris表示固定相对两种组分的选择性。ris越大，表明该色谱体系对这两组分的保留程度相差越大，即选择性越好，被分离组分越容易达到良好的分离，所以ris又称为选择性因子。ris只与柱温、固定相性质有关，而与柱长、柱内径、载气流速及填充情况等无关。所以，采用注明温度和固定相的ris作为定性指标，不受操作条件变化的影响。8）保留指数（I）•又称Kovats指数(Ⅰ)，是一种重现性较好的定性参数。•测定方法：1.将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为其碳数的100倍（如正己烷的保留指数为600）2.其它物质的保留指数（IX）是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z＋1个碳原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示：19保留指数计算方法式中z为某一正构烷烃的碳数x为某须定性组分V为净保留体积（或其他保留值）在指定的柱和操作条件下，经色谱分析，组分x的峰正好在正构烷烃碳数为z和z+1之间)lglglglg(')(')(')(')(')(')(')(ZttttItttZRZRZRXRXZRXRZR1110020举例：苯在20％邻苯二甲酸二壬酯柱上然后可以与文献上的保留指数对照，但并不十分可靠，与操作条件有很大关系。108217315.16lg20lg5.16lg5.17lg7100苯I223、分离效能1）分配系数（K）:浓度之比•一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；•试样一定时，K主要取决于固定相性质；•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。组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度K232）分配比(k):量之比3）峰高分离度（θ）θ=(hi-hm)/hihi－小峰的峰高hm－峰谷的高度要求θ值大于0.5Msmmk组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量4）分辨率（R)或分离度R＝2(tR2-tR1)/(y1+y2)tR2，tR1－相邻两组分保留值y1，y2－相邻两组分峰底宽R值越大，意味着相邻两组分分离得越好。若色谱峰呈正态分布，当R=1时，分离程度可达98%；R=1.5时，分离程度可达99.7%。通常用R=1.5作为相邻两峰能否完全分开的标志24tRtR1tR2y1y25）柱效率又称柱效能，分离过程中的动力学因素决定的色谱分离效率，通常用理论塔板高度和理论塔板数来表示。256）理论塔板数(n)将色谱柱比拟为分馏塔的模式，用n来描述色谱柱的效能。下式是一个半检验公式n=16(tR/y)2=5.54(tR/y1/2)2tR：保留值y：峰底宽y1/2：1/2峰高处的峰宽此指标表达了的峰扩张程度和陡度，但难以说明柱的选择性。26277）理论塔板高度色谱柱长：L虚拟的塔板间距离：H色谱柱的理论塔板数：n8）有效塔板数（n有效）n有效=16(t’R/y)2=5.54(t’R/y1/2)29）有效塔板高度（H有效）H有效=L/n有效#H=L/n第三节基础理论与分析条件的选择一、塔板理论（由马丁和辛格提出）二、速率理论(由范第姆特等人提出)三、分析条件的选择28塔板理论：柱效能的指标速率理论：影响柱效的因素线性色谱理论：以分配系数恒定和色谱过程条件基本理想为前提。根据这些理论可得出：色谱流出曲线的数字表达式算出给定柱子的理论板数选出适宜的气相色谱分离条件等29一、塔板理论（由马丁和辛格提出）将色谱柱比作分馏塔。几个假设：1)、流动相按前进方向脉冲式通过柱子。2)、组分的分配系数是恒定的，与浓度无关。3)、所有组分在两相间的平衡瞬时建立。4)、组分浓度以起始塔板中的浓度为基准。3031根据塔板理论导出高斯方程来描绘色谱流出曲线形状ht－任一时间流出曲线的高度A－色谱流出曲线所围成的面积ti－进样起至流出曲线上任一点的时间tR－进样起至色谱峰顶的时间δ－流出曲线标准偏差，其值等于峰高之0.607处峰宽的一半。222exp2RitttAh32理论塔板数与色谱参数之间的关系tR：保留值y：峰宽单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高用不同的物质计算可得到不同的理论塔板数22/1y54.5Rtn2y16Rtn塔板理论的特点和不足1）当色谱柱的长度一致时，塔板数n越大（塔板高度H越小），被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。2）不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板数高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。3）柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。难分离样品4）塔板理论无法解释同一色谱柱在不同载气流速下柱效能不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。33二、速率理论：速率理论是1956年荷兰学者VanDeemter等提出，因此又称作范第姆特方程。速率理论吸收了塔板理论板高的概念，进一步把色谱过程与分子扩散和组分在气液两相中的传质过程联系起来，从动力学角度较好地解释了影响板高的多种因素。速率理论讨论的是色谱峰展宽原因，即影响塔板数n的因素，也就是影响塔板高度H的因素。速率方程（范第姆特方程）：H＝A+B/Ū+CŪ式中：A－涡流扩散项B/Ū－分子扩散项CŪ－传质阻力项Ū－载气平均线速影响色谱峰宽度的三个主要因素：1、涡流扩散项2、分子扩散项3、传质的阻力项341、涡流扩散项（A）气体碰到填充物颗粒时，形成类似“涡流”的流动，引起色谱峰扩张。35•为填充不规则因子，色谱柱填充越不均匀，越大，dp是固定相颗粒的直径（粒度）。•由式可见，固定相粒度dp小，填充均匀使小，则A值小，因而H小、柱效高。但dp不能过小，否则柱的阻力增大，给操作带来许多不便。•空心毛细管柱中，A项为零。p2dA2、分子扩散项（B/u）：样品从柱入口加入，样品带像一个塞子随流动相向前推进，由于存在浓度梯度，塞子必然会自发地向前和向后扩散，引起谱带展宽。为弯曲因子，是与填充物有关的因素。由于固定相颗粒的存在，使扩散路径弯曲，分子不能自由扩散，从而使扩散程度降低，所以填充柱的通常小于1。Dg为组分在气相中的扩散系数，Dg与组分的性质、柱温、柱压及载气的性质有关。组分分子的扩散系数Dg大，则纵向扩散较大，色谱峰变宽、柱效降低。Dg随柱温的升高而增大，与柱压力成反比，与载气分子量的平方根成反比。所以降低柱温，加大柱压，使用分子量大的载气（如N2），都可使Dg减小，提高柱效。分子扩散项B还与流速有关，流速下降，组分滞留时间变大，扩散加快。就此而言增大载气流速u，可提高柱效gDB2363、传质阻力项（Cu）组分在气液两相中扩散分配的过程叫传质，影响这一过程进行的阻力叫传质阻力。传质阻力包括气相传质阻力和液相传质阻力。减小传质阻力项的办法：•1.减小液相厚度•2.使用粘度低的液体•3.低流速•4.足够高的分配系数3738gpgDkdkC222)(10.01lflDkkdC22)3(12k为分配比，df为液膜厚度，Dl是组分在液相中的扩散系数。由于组分在气相中的扩散系数Dg要比在液相中的扩散系数Dl大得多（约104倍），当固定液用量较高（df大），液相传质阻力Cl是影响板高的主要因素。Cl与df2成正比，与Dl成反比，可见固定液的液膜越薄，组分在液相中的扩散系数越大，则液相传质阻力越小。升高温度可使Dl增大，从而使Cl减小，但温度太高，又会使k变小，分离选择性变坏，所以温度应控制适宜。另外，传质阻力项还与载气的流速成正比，所以降低流速，可减小传质阻力，提高柱效。范氏方程说明了柱的填充均匀程度、担体粒度、载气