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气相


第5章 气相色谱法

第一节

概述

气相色谱法:以气体为流动相的柱色谱分离技术

一、GC分类
1. 按固定相分 2. 按分离原理分 3. 按柱子粗细分 气-固色谱 气-液色谱 吸附色谱 分配色谱 填充柱色谱 毛细管柱色谱

二、气相色谱仪的组成

/>载气→减压→净化→稳压→ →色谱柱→检测器→记录仪 载气系统 进样系统 分离系统 检测系统 记录系统 进样

第二节 气相色谱分析的理论基础
一、基本原理
气固色谱、气液色谱 气——固色谱中被分离物随着载气的流动,被测组分在吸附 剂表面进行吸附,脱附,再吸附,再脱附……这样反复的过程 不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。 气——液色谱中被分离物随着载气的流动,被测组分在固定 液中进行溶解,挥发,再溶解,再挥发……的过程,使不同物 质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。

在一定温度下,组分在两相之间分配达到平衡时 的浓度(g· mL-1)比称为分配系数,以K表示。 待测组分在固定相和流动相之间发生的吸附,脱附 或溶解,挥发的过程叫做分配过程。待测组分在固定相 和流动相之间发生的吸附,脱附或溶解,挥发的过程叫 做分配过程。
组分在固定相中的浓度 组分在流动相中浓度 C K? s Cm K? (分配系数是色谱分析 的依据)

分配系数K是由组分及固定液的热力学性质决定的, 随柱温,柱压变化,与柱中气相、液相的体积无关。 当K=1时,组分在固定相和流动相中浓度相等; 当K>1时,组分在固定相中的浓度大于在流动相中的浓 度; 当K<1时,组分在固定相中的浓度小于在流动相中的浓 度。

不同物质的分配系数相同时,它们不能分离。

色谱柱中不同组分能够分离的先决条件是其分配系 数不等。
分配系数K小的组分:在气相中停留时间短,较早 流出色谱柱。 分配系数大的组分:在气相中的浓度较小,移动速 度慢,在柱中停留时间长,较迟流出色谱柱。

两组分分配系数相差越大,两峰分离的就越好。

二、气相色谱流出曲线和有关术语:

图12.2 色谱流出曲线

1、基线(base line)
当色谱柱中没有组分进入检测器时,在实验操作条件下, 反应检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。

2、保留值(retention value)
表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值,通常

用时间或用将组分带处色谱柱所需载气的体积来表示。任何一 种物质都有一定的保留值。

3、死时间(dead time)
指不被固定相吸附或溶解的气体(如空气、甲烷)从 进样开始到柱后出现浓度最大值时所需时间。 保留时间(retention time)tR 指被测样品从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时 间O’B。

4、调整保留时间(adjusted retention time)
tR’=tR-tm 某组分由于溶解或吸附与固定相,比不溶解或不被吸 附的组分在色谱柱中多只溜的时间。

4、死体积(dead volume)Vm
指色谱柱在填完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。 当后两项很小忽略不计时, Vm=tmF0 F0——载气体积流速,mL· -1 min

5、保留体积(retention volume)VR

VR= tRF0
载气流速大,保留时间相应降低,两者乘积仍为 常数,因此VR与F0无关。

6、调整保留体积(adjusted retention volume)
VR’=tR’F0 或 VR’=VR-Vm

VR’与载气流速无关

7、相对保留值(relative retention volume)r
指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留
值之比。
' R ( 2) ' R (1) ' R ( 2) ' R (1)

r21 ?

t t

?

v

v

?

t R ( 2) t R (1)

?

v R ( 2) v R (1)

相对保留值的优点是:
只要柱温,固定相不变,即使柱径,柱长,填充 情况及流动相流速有所变化,r21值仍保持不变,(重 要参数)相邻两组分的tR’相差越大,分离的越好,

r21=1两组分不能分离。

8、区域宽度(peak width)
i 标准偏差(standardard deviation)σ
即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半(图中EF) ii 半峰宽度(peak width at half-height)Y1/2

峰高一半处的宽度(GH)它与标准偏差的关系为:

Y1/ 2 ? 2? 2 ln 2 ? 2.35?

易于测量,使用方便常用表示区域宽度。

iii 峰低宽度(peak width at base)Y 自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距IJ 与标准偏差的关系为: Y=4σ 利用色谱流出曲线可以解决以下问题: i 根据色谱峰位置(保留值)可以进行定性检测; ii 根据色谱峰面积或峰高可以进行定量测定; iii 根据色谱峰位置及宽度可以对色谱柱分离情况

进行评价。

三、分配比与保留时间的关系,分配比、分 配系数与保留时间具有如下关系:
tR=tm(1+k)→推导过程见下:

若流动相(载气)在柱内的线速度为u,即一定时间里载 气在柱中流动的距离(单位cm· s-1),由于固定相的作用(保 留),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(retardation factor)Rs.

Rs=us/u
Rs可用质量分数ω表示:
mM Rs ? ? ? ? mM ? mS

(2-11)
1 1 ? m 1? k 1? S mM

组分和流动相通过长度为L的色谱柱所需时间分别

L tR ? us

(2 ? 13)

tM

L ? u

(2 ? 14)

推导:t R ? t M (1 ? k )
' tR ? tM tR k? ? tM tM

(2 ? 15) (2 ? 16)

k可由实验测得。

四、塔板理论(色谱分析的基本理论)
半经验理论:将色谱柱看成精馏塔,一定的柱长看

作一个塔板,以精馏理论进行解释。
塔板理论的假设: (1)在一小段间隔内,气相平均组成与液相平均组成 可以很快的达到分配平衡。这样达到分配平衡的一小段柱 长称为塔板理论高度(height equivalent to theoretical plate)H;

(2)载气进入色谱柱,不是连续的而是脉动式的,每次进 入为一个板体积;
(3)试样开始时都加在0号塔板上,且试样沿色谱柱方向的 扩散(纵向扩散)可略而不计; (4)分配系数在各塔板上是常数。

在气相色谱中,n值是很大的,约为 103~106 ,流 出曲线可趋近于正态分布曲线。 流出曲线上的浓度c与时间t的关系可由下式表示:

c?

c0

?

( t ?t R ) 2 2? 2

? 2?

e

(流出曲线方程)

式中:c0为进样浓度 t R 为保留时间

?为标准偏差
c为时间t

?

由塔板理论可导出n与色谱峰半峰宽或峰低宽度的关系:

n ? 5.54( L 而H ? n
间或距离)。

tR 2 t ) ? 16( ? R )2 Y1 / 2 Y

( 2 ? 18 ) ( 2 ? 19 )

式中L为色谱柱长度,tR及Y1/2或Y用同一物理量单位(时 由式(2-18)(2-19)可见,色谱峰越窄,塔板数n越多,

理论塔板高度H就越小,此时柱效能越高。
n,H可作为描述柱效能的一个指标。

为使塔板数和塔板高度真实反应色谱柱分离的好坏,将 tM外的有效塔板数n有效和有效塔板高度H有效作为柱效能指 标。计算公式为:
n有效
' ' tR 2 tR 2 ? 5.54( ) ? 16( ) Y1 / 2 Y

(2 ? 18) (2 ? 19)

H 有效 ?

L n有效

有效塔板数和有效塔板高度较为真实的反应了柱效能的好坏。 成功处:解释流出曲线的形状(呈正态分布)、浓度极大点的位 置以及计算评价柱效能等方面。 不足处:基本假设是不当 。

五、速率理论(rate theory)
1956年由荷兰学者范第姆特提出 :

B H ? A ? ? Cu u
式中:A,B,C为三个常数 A为涡流扩散项 B为分子扩散项系数 C为传质阻力系数 u一定时,只有A,B,C较小时,H才能较小,柱效能才能较高。

1、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。
A=2λdp 填充物颗粒直径dp(单位为cm)

填充的不均匀性λ
使用适当粒度和颗粒均匀的单体,尽量填充均匀,可 减少涡流扩散。 空心毛细管柱中,A项为零。

涡流扩散示意图

2、分子扩散项B/u(纵向扩散)
由于进样在色谱柱内存在浓差而形成浓度梯度。

B=2rDg
r—载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数(弯曲 因子)

Dg—组分在气相中的扩散系数(单位为cm2·-1) s

纵向扩散与组分在柱内的保留时间有关,保留时 间越长,分子扩散项对色谱峰扩张的影响就越显著。 相对分子质量较大的载气(如氨气)可使B项降低。 Dg随柱温增高而增加,但反比与柱压。 弯曲因子r:空心毛细管柱r=1、填充柱中扩散程 度降低r<1、硅藻土担体r=0.5~0.7

3、传质项Cu
系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系 数C1,对填充柱:

0.01k Cg ? ? 2 ( 1 ? k ) Dg
k——容量因子 采用粒度小的填充物和分子量小的气体(H2)作载

2

2 dp

气可使Cg减小,提高柱效率。

液相传质阻力系数:
2 k C1 ? ? ? 2 3 (1 ? k ) D1
固定相液膜df薄,组分在液相的扩散系数D1大, 则液相传质阻力系数较小。 范第姆特方程
2 d2 2rDg 0.01k 2 d p 2 k f H ? 2?dp ? ?[ ? ? ? ? ]u 2 2 u ( 1 ? k ) Dg 3 ( 1 ? k ) D1

d2 f

第三节 色谱柱
气相色谱分析中,某组分的完全分离取决于色谱 柱的效能和选择性,后者取决于固定相的选择性。

一、气——固色谱固定相
气——固色谱法中常用固定相 非极性——活性炭 弱极性——氧化铝 强极性——硅胶

二、气液色谱固定相
1、担体
载体应是一种化学惰性、多孔型的固体颗粒,它的作用是 提供一个大的惰性表面,用以承担固定液,使固定液以薄膜状 态分布在其表面上。对担体的要求: ①表面是化学惰性的,表面没有吸附性或很弱,更不能与被测 物起化学反应;
②多孔性,即表面积大,使固定液与试样接触面大;

③热稳定性好,有一定的机械强度,不易破碎; ④对担体粒度的要求:均匀,细小(过细柱压增大), 一般选用40~60目,60~80目,80~100目。 气液色谱中所用担体: 可分为:硅藻土型 红色担体 白色担体 非硅藻土性 氟担体 玻璃微球 高分子多孔微球

红色担体——0201红色担体,2011红色担体,C-22保温砖等;

表面孔穴密集,孔径较小,表面积大(比表面积40cm2· g-1),平均 孔径1μm。
一般用于分析非极性或弱极性物质。

白色担体——101白色担体
机械强度不如红色担体。表面孔径较大约8~9μm,比表面积 1.0cm2· g-1。一般适用于分析极性物质。

硅藻土型担体表面含有相当数量的硅醇基团

Si

OH

Al

O

Fe

O

有吸附性,担体需加以钝化处理。处理方法:酸洗, 碱洗,硅熔 。

2、固定液
A、对固定液的要求
①挥发性小 ②热稳定性好 操作温度下有较低蒸气压,以免流失; 操作温度下不发生分解; 对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高

③对试样各组分有适当的溶解能力。
④具有高的选择性 的溶解能力;

⑤化学稳定性好

不与被测物质起化学反应。

B、固定液的分离特征
被测组分在固定液中溶解度或分配系数的大小与 被测组分和固定液两种分子之间相互作用力的大小有 关。分子间作用力 ①静电力(定向力) ②诱导力 ③色散力 ④氢键例 (不同固定液的分离性质用麦氏常数表征——表2-6麦 氏常数 )

C、固定液的选择

固定液选择——相似相溶原理
选择固定液的基本原则: ①分离非极性物质 选用非极性固定液——鲨鱼烷、甲基硅油、阿批松。 被分离组分和固定液之间的作用力是色散力。各组分按 沸点顺序先后流出色谱柱。沸点低的组分先流出,沸点 高的组分后流出。如果被分离组分是同系物,由于色散 力与分子量成正比,各组分按碳顺序分离。

②分离强极性样品 选用强极性固定液——β,β’-氧二丙睛,聚丙二醇己二酸等。 被分离组分和固定液之间的作用力主要是取向力(定向力), 这时试样中的各组分主要按极性顺序分离,极性小的物质先流 出色谱柱,极性大的后流出。 ③分离极性和非极性混合物时

可选用非极性固定液也可选用极性固定液,应视组分的性质而 定。如果沸点为主要矛盾,则应选用非极性;若极性差别为主, 应选极性固定液。

④分离中等极性样品 选择中等极性固定液——邻苯二甲酸二壬酯、聚乙二醇 己二酸、甲基硅油。被分离组分和固定液分子之间的作用 力是色散力和诱导力,组分按沸点顺序分离。 ⑤对于能形成氢键的组分 一般选用强极性和氢键型固定液,多元醇固定液。此时 样品中各组分按和固定液之间形成氢键能力大小的顺序分 离,不易形成氢键的先流出,最易形成氢键的后流出。 ⑥对于复杂的难分离的物质,可以选用两种或两种以上的 混合物固定液。

3、固定液的性质和用量
固定液的性质对分离是起决定作用的。一般来讲,担体的 表面积越大,固定液用量可以越高,允许的进样量也就越多。 目前填充色谱柱盛行低固定液含量色谱柱。 固定液膜薄柱效能提高,并可缩短分析时间。 固定液量太低,液膜越薄,允许的进样量也就越少 固定液用量根据具体情况决定。 固定液的配比(固定液与担体质量比): 一般用5:100到25:100,也有低于5:100的。

4、担体的性质和粒度
担体的表面结构和孔径分布决定了固定液在担体上 的分布以及液相传质和纵向扩散情况。 要求担体表面积大表面和孔径分布均匀。 担体的粒度要求均匀、细小,有利于提高柱效。对 3~6mm内径的柱,使用60~80目的担体较为合适。

第2节 气相色谱检测器
浓度型检测器:测量的是载气中某组分浓度瞬 间的变化,即检测器的响应值和组分浓度成正 比。
质量型检测器:测量的是载气中某组分进入检 测器的速度变化,即检测器的响应值和单位时 间内进入检测器某组分的质量成正比 。

一、热导池检测器
(thermal conductivity detector)TCD表示 1、热导池的结构

双臂热导池

四臂热导池

?

热导池由池体(不锈钢块)和热敏元件(铼钨合金 )构 成。 双臂热导池:一臂参比池;一臂测量池 四臂热导池:两臂是参比;两臂是测量

? ?

2、热导池检测的基本原理

将电桥在未通入试样与通入试样后平衡性的差异(以电位差的形式 来表现)记录下来,得到色谱峰,反映待测物浓度。

3、影响热导池检测器灵敏度的因素
(1)桥路工作电流 一般桥路电流控制在100~200mA左右。 氮气作载气100~150mA 氢气作载气150~200mA (2)热导池温度的影响 一般池体温度不应低于柱温。

(3)载气的影响

载气与试样的热导数相差越大,则灵敏度越高。一 般选择热导系数大的载气:H2、He(灵敏度较 高)。 (4)热敏元件阻值的影响
选择阻值高、电阻温度系数大的热敏元件(钨丝) (5)热导池的死体积较大,灵敏度较低

应使用具有微型池体(2.5μL)的热导池。

二、氢火焰离子化检测器(flame ionization detector)FID
对含碳有机化合物有很高的灵敏度。适用于

痕量有机物的分析。
特点:结构简单、灵敏度高、响应块、稳定性好、 死体积小、线性范围宽。

1、氢火焰检测器的结构
离子化室、火焰喷嘴、一对电极、外罩

2、氢焰检测器作用原机理
(1)当含有机物 CnHm的载气由喷 嘴喷出进入火焰时,在C层发生裂 解反应产生自由基 : CnHm ──→ · CH (2)产生的自由基在D层火焰中与外
A区:预热区 B层:点燃火焰 C层:热裂解区: 温度最高 D层:反应区

面扩散进来的激发态原子氧或分
子氧发生如下反应: · + O ──→CHO+ + e CH

(3)生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发 生分子离子反应: CHO+ + H2O ──→H3O+ + CO (4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场 的作用下分别向两极定向运动而产生微电流(约10-6~ 10-14A);

(5) 在一定范围内,微电流的大小与进入离子室的被测组
分质量成正比,所以氢焰检测器是质量型检测器。 (6) 组分在氢焰中的电离效率很低,大约五十万分之一的 碳原子被电离。 (7)离子电流信号输出到记录仪,得到峰面积与组分质量 成正比的色谱流出曲线

3、操作条件选择
(1)气体流量 载气流量 一般用氮气作载气,最佳载气流速 氢气流量 氢气流量与载气流量之比影响氢火焰的 温度及火焰中的电离过程。 H2:N2=1:1~1:1.5(最佳氢氮比) 空气流量 空气是助燃气 空气流量高于某一数值(400mL· min-1)对影响值 几乎没有影响。 一般 H2:空气=1:10

(3)极化电极
(4)使用温度

极化电压的大小直接影响响应值。
氢焰检测器的温度不是主要影响因素

一般选±100V~±300V

80~200℃灵敏度几乎相同。
80℃以下灵敏度显著下降。(水蒸气冷凝所致)

三、电子捕获检测器(electron capture detector
它是一种具有选择性,高灵敏度的浓度型检测器。 它对具有电负性的物质(卤素、硫、磷、氮、氧)有 响应,电负性越强,灵敏度越高。 能检测10-14g· -1物质。 mL

?

电子捕获型检测器结构:

进入检测器的载气在β放射源的照射下发生电离, 产生的各种离子在恒定电场的作用下形成恒定的基流。 当有电负性较大的试样进入时,会捕获带正电的离子, 而使基流降低,形成倒峰,组分浓度越高,倒峰愈大。 电子捕获型检测器,高灵敏度,高选择性,常用于 痕量的具有特殊官能团的组分分析。食品,农副产品中 农药残留量分析;大气、水中痕量污染物分析。 注意:载气纯度应在4个9以上。 线性范围较宽 103左右 进样量不可超载。

五、检测器的性能指标
要求:响应快、灵敏度高、稳定性好、线性范围宽。

1、灵敏度(响应值或应答值)
一定浓度或一定质量的试样进入检测器后,就产 生一定的相应信号R。如果以进样量Q对检测器作图, 就可得到一直线。 图中直线的斜率就是检测器的灵敏度。

?R S? ?Q
浓度型检测器的灵敏度:

Sc ?

C1C2 F0 A m

(2 ? 44 )

Sc——浓度型检测器灵敏度 C1——记录仪灵敏度(mV· -1); cm C2——记录仪纸速的倒数(min· -1); F0——流速; cm A——峰面积; m——进样量(mg)

浓度型检测器的灵敏度的单位是mV· mg-1,即每毫 mL· 升载气中有一毫克气试样时在检测器所能产生的相应信号, 单位mV。若试样为气体,灵敏度单位是mV· mL-1。 mL·

?

质量型检测器灵敏度:

60C1C2 A Sm ? m

2、检出限D(detection limit)
检出限也称敏感度。是指检测器恰能产生和噪声相 鉴别的信号时,在单位体积或时间需向检测器进入的 物质质量(单位为g) 通常认为恰能鉴别的响应信号重力应等于检测器噪 声的3倍。 3N 检出限以D表示,则可定义为 D ?

S

N为检测器噪声,指由于各种因素所引起的基线在段时 间内左右偏差值(单位mv),S为检测器的灵敏度。 一般;D值越小说明仪器越敏感。

3、最小检出量Q。(minimum detectable quantity)
指检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时所需进入色 谱柱的最小物质量(或最小浓度),以Q。表示。 对于质量型检测器:Q0=1.065Y1/2D (2-51)

对于浓度型检测器:Q0=1.065Y1/2F0D (2-52) Q0与检测器的检出限成正比,但与检出限不同。 Q0不仅与检测器性能有关,还与柱效率即操作条件有关。 所得色谱峰的半宽度越窄,Q0就越小。

4、响应时间(response time)
要求检测器能够迅速的和真实的反应通过它的物 质的浓度变化情况,即要求相应速度快。 检测器体积要小,电路系统的滞后现象尽可能 小,一般小于1s,记录仪的全行程时间要(1s)。

5、线性范围(linear range)
指试样量与信号之间保持线性关系的范围,用最 大进样量与最小检出量的比值来表示,这个范围越大, 越有利于准确定量。

第五节 气相 色谱分离条件的选择及样品处理

一、分离度(resolution)

色谱柱的分离效能指标 :分离度R

定义:相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰 峰底宽度总和之半的比值。

t R( 2 ) ? t R( 1 ) R? 1 ( Y1 ? Y2 ) 2
当R=1时,分离程度可达98% 当R=1.5时,分离程度可达99.7%(作为两峰分开的 标志)

当两组分色谱峰分离较差,峰低宽度难于 测量时,可用半峰宽度代替峰低宽度:当两组 分色谱峰分离较差,峰低宽度难于测量时,可 用半峰宽度代替峰低宽度:

R? ?

t R ( 2 ) ? t R (1) 1 (Y1 / 2 (1) ? Y1 / 2 ( 2 ) ) 2

二、色谱分离基本方程式
色谱分析中,在选择合适的固定相及实验条件时,

对于难分离的物质对,由于它们的保留值差别小,可 合理的认为:Y1=Y2=Y,k1=k2=k。由式(2-18)得:

1 n 1 ? ? Y 4 tR

将上式及式(2-15)代入式(2-27)整理后可 得:

1 ? ?1 k R? n ?( )?( ) 4 ? 1? k
n与n有效(有效理论塔板数)的关系式:

(2-29)

1? k 2 n ?( ) ? n有效 k

(2-30)

有效理论塔板数表示的色谱分离基本方程:

1 ? ?1 R? n有效 ? ( ) 4 ?

(2-31)

1、分离度与柱效的关系(柱效因子)
分离度与n的平方根成正比。当固定相确定,亦即被 分离物质对的α确定,欲使达到一定的分离度,将取决于 n。

2、分离度与容量比的关系(容量因子)
k值大一些对分离有利,但并非越大越有利。
表2-2数据(P18) k>10时,k/k+1的改变不大,对R的改变不明显, 反而分析时间大为延长。 k值的最佳范围是1<k<10,可得到大的R值。

3、分离度与柱选择性的关系(选择因子)
α是柱选择性的量度,α越大,柱选择性越好,分离 效果越好。 表2-3(P19)列出了根据式(2-31)计算得到的 一些结果。 结果表明:分离度从1.0增加至1.5。对应于各α值所需 的理论塔板数大致增加一倍。

在一定分离度下,大的α值可在有效理论塔板数小的色

谱柱上实现分离。
当α值为1时,分离所需的有效理论塔板数为无穷大。故 分离不能实现。 当α值相当小的情况下,特别是α<1时,实现分离所需的 有效理论塔板数很大,此时应当是增大α值。 如果相邻两峰的α值已足够大,即使色谱柱的理论塔板数 较小,分离亦可顺利的实现。

分离度、柱效和选择性参数的联系:

R?

2( t R( 2 ) ? t R( 1 ) ) Y1 ? Y2 t 'R( 2 ) Y
2

?

2( t 'R( 2 ) ? t 'R( 1 ) ) Y1 ? Y2 t 'R( 2 ) ? R t 'R( 2 ) ? t 'R( 1 )

?
2

t 'R( 2 ) ? t 'R( 1 ) Y
2

n有效 ? 16(

) ? 16(

? 2 ) ? 16 R ( ) ? H有效 ? ?1

三、分离操作条件的选择
1、载气及其流速的选择
B H ? A ? ? Cu u
用在不同流速下测得的塔板高 度H对了流速u作图,得H—u 曲线图(图2-7)
2-7 塔板高度与载气流速的关系

曲线的最低点,塔板高度H最小。此时,柱效最高。该 点所对应的流速为最佳流速u最佳。u最佳及H最佳可由(2-22)微 分求得。 dH B ? ? 2 ?C ?0 ( 2 ? 34 ) du u B u最佳= C
将式(2-34)代入式(2-22)得:

H 最小=A ? 2 BC

实际工作中,为了缩短分析时间,往往使流速稍高 于最佳流速。 对于填充柱,N2的最佳实用线速度为10~12cm·-1 s H2为15~20cm·-1 s 载气流速习惯上用柱前的体积流速(mL· -1), min 也可用皂膜流量计在柱后测量。 若色谱柱内径3mm,N2流速一般为40~60mL· -1 min H2流速一般为60~90mL· -1 min

2、柱温的选择
柱温:重要的操作变数,直接影响分离效能和分析速度 。 柱温不能高于固定液的最高温度,否则挥发流失。 柱温选择的原则: 在使最难分离的组分能尽可能好的分离前提下,尽可能采取较 低的柱温,但以保留的时间为宜,峰形不脱尾为度。 对于高沸点混合物(300~400℃)希望在较低温度下进行 (低于沸点100~200℃)分析柱温:重要的操作变数,直接影 响分离效能和分析速度 。

沸点不太高的混合物(200~300℃)可在中等柱 温下进行,固定液质量分数5%~10%柱温比平均沸 点低100℃。 沸点在100~200℃的混合物,柱温可选在其平均 沸点2/3左右,固定液质量分数10~15%。 对于气体、气态烃等低沸点混合物,柱温选在其 沸点及沸点以上,能在室温50℃以下分析。 固定液质量分数一般在15~25%。 对于沸点范围较宽的试样,宜采用程序升温。

5、进样时间和进样量
进样时间在一秒以内。时间过长,试样原始宽度变大, 半缝宽必将变宽,甚至峰变形。

进样量一般:液体试样 0.1~5μL 气体样 0.1~10mL
进样量太多,会使几个峰叠在一起,分离不好。 进样量太少,含量少的组分因检测器灵敏度不够而不出峰。 最大进样量应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系。

6、气化温度
进样后要有足够的气化温度,使液体试样迅速气化 被载气带入柱中,在得证试样不分解的的情况下,适 当提高气化温度对分离及定量有利。 气化温度比柱温高30~70℃。

第六节 气相色谱定性、定量方法
一、定性分析
1、根据色谱保留值进行定性分析
根据色谱保留值进行定性分析,但要求柱效要高 , 混合物组分简单,且已知,可一一分离。即使这样,也 只能做其它定性方法的旁证。该方法采用的指标为保留 指数。

2、与其他方法结合的定性分析方法。 1、与质谱、红外等仪器联用; 2、一化学方法配合进行定性分析。
3、利用检测器的选择性进行定性分析
应用气相色谱法进行定性分析还存在着一 定的问题,发展方向: 气相色谱——质谱 气相色谱——红外

二、定量分析
在一定操作条件下,分析组分i的质量(mi)或其 在载气中的浓度是与检测器的响应信号(色谱图上表 现为峰面积Ai或峰高hi)成正比。 可写作: mi=fi· i (色谱定量分析的依据) A

由上式可见在定量分析中需要: (1)准确测量峰面积; (2)准确求出比例常数(定量校正因子) (3)根据上式正确选用定量计算方法,将测的组分的 峰面积换算为质量分数。

1、峰面积测量法
(1)峰高来求峰宽法
使用条件:色谱峰为对称峰
依据: 等腰三角形的面积计算方法。 A=h· Y1/2 这样测得的峰面积为实际峰面积的0.94倍,实际上峰面积应为: A=1.605h· Y1/2 绝对测量时,应乘以1.065,相对测量时1.065可约去。 此法简单、快速。在实际工作中常采用。(用于对称峰)

(2)峰高乘以峰底宽度法(作图求峰面积法) 这种作图法测得的峰面积约为真实面积的0.98倍, 对于矮而宽的峰,此法更准确些。

(3)峰高乘以平均峰宽法

对于不对称色谱峰使用此法可得较准确的结果,平均峰 宽是指在峰高0.15和0.85处分别测缝宽,然后取其平均 值:

Y0.15 ? Y0.85 A ? h? 2

(4)峰高乘以保留值法 使用条件:狭窄的峰 依据:在一定操作条件下,同系物的半峰宽与保留时间成正 比。 A=h· 1/2=h· tR Y b· 相对计算时,b可以约去,于是: A=h· 1/2=h· Y tR

(5)积分仪
积分仪或称数据处理机是测量峰面积最方便的工具, 速度快,线性范围宽,精度一般可达0.2%~2%。数字电 子积分仪能以数字的形式把峰面积和保留时间打印出来。

2、定量校正因子
色谱定量分析是基于被测物质的量与其峰面积的正 比关系。但由于同一检测器对不同的物质具有不同的响 应值,所以两个相等量的物质出的峰面积往往不相等, 这样就不能用峰面积来直接计算物质的量。 引入“定量校正因子”quantitative calibration foutor 一定操作条件下,进样量(mi)与响应信号(峰面 积Ai)成正比:

mi ? ?i Ai m V 或 ?i ? i Ai
V

( 2 ? 58 )

?

V i

为绝对质量校正因子,单位峰面积所代表物质的质 量。主要由仪器的灵敏度所决定。 不易准确测定,无法直接应用。

(1)质量校正因子fm
这是一种最常用的定量校正因子,即:

fm ?

' fi ( m ) f s/ ( m )

As mi ? Ai ms

(2-59)

式中下标i,s分别代表被测物和标准物质。

(2)摩尔校正因子fM
如果以摩尔数计量,则:

fM

f i ' (M ) As ms M s Ms ? ' ? ? fM ? Mi f s (M ) Ai ms M i

(2-60)

式中Mi,Ms分别为被测物和标准物质相对分子量。

(3)体积校正因子fV
如果以体积计量(气体试样)则体积校正因子就是摩 尔校正因子,因为1mol任何气体在标准状态下其体积 都是22.4L。

f i' ( V ) As mi M s ? 22.4 fV ? ' ? ? fM f s ( V ) Ai ms M i ? 22.4

(2-61)

对于气体分析,使用摩尔校正因子可得体积分数 。

(4)相对响应值
相对响应值是物质i与标准物质s的响应值(灵敏度) 之比。单位相同时,它与校正因子互为倒数,即: S’和f’只与试样,标准物质以及检测器类型有关,而 与操作条件和柱温,载气流速,固定液性质等无关。 校正因子的测定方法: 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,分别测量相应的峰面积,有式(2-59)、 (2-60)计算质量校正因子,摩尔校正因子。

三、几种常用的定量计算方法
1、归一化法(mormalligation mathed)

要求:混合物各组分都可流出色谱柱,且在色谱图 上显示色谱峰 。

假设试样中有n个组分,每个组分的质量分别为m1, m2,……,mn各组分含量的总和m为100%,其中组分i的质 量ωi分数可按下式计算:

mi mi Ai f i ?i ? ?100% ? ?100% ? ?100% m m1 ? m2 ? ? ? mn Ai f1 ? A2 f 2 ? ? ? An f n
fi为质量校正因子,得质量分数;如为摩尔校正因子, 则得摩尔分数或体积分数(气体)。

若各组分的f值相近或相同,例如同系物中沸点接 近的各组分,则上式可简化为:

Ai ?i ? ? 100% A1 ? A2 ? ? ? Ai ? ? ? An
对于狭窄的色谱峰,也有用峰高代替峰面积来进行 定量测定。当各种条件保持不变时,在一定的进样量范 围内,峰的半宽度是不变的,因为峰高就直接代表某一 组分的量。

? hi f i ?i ? ?100% h1 f1??? h2 f 2?? ? ? ? hi f i??? ? ? hn f n??

为峰高校正因子,此值常自行测定,测定方法用 峰面积校正因子,不同的是用峰高代替峰面积。

2、内标法(internal stoundard methed)
当只需测定试样中某几个组分,而且试样中所有组 分不能全都出峰时,可采用此法。 所谓内标法是将一定量的纯物质作为内标物,加入 到准确称取的试样中,根据被测物和内标物的重量及其 在色谱图上相应的峰面积比,求出某组分的含量。例如 要测定试样中组分i(质量为mi)的质量分数ωi,可于试 样中加入质量为ms的内标物,试样质量为m,则:

mi=fi· i A ms=fs· s A

mi Ai f i ? As f s ms
mi ? Ai f i ? ms As f s mi Af m ? 100% ? i i ? s ? 100% m As f s m

?i ?

一般常以内标物为基准,则fs=1,此时计算可化简为:
Ai ms ?i ? ? ? f i ? 100% As m

内标法主要优点:由于操作条件变化而引起的误差,都 将同时反映在内标物及预测组分上而得到抵消,所以可以得 到校准确的结果。
内标物的选择: (1)试样中不存在的纯物质; (2)加入量应接近于被测组分; (3)内标物色谱峰位被测组分色谱峰附近或几个被测组 分峰 中间; (4)注意内标物与预测组分的物理及物理化学性质相 近。内标物的选择

3、内标标准曲线
简化的内标法。

由式:
?i ?
mi Af m ? 100% ? i i ? s ? 100% m As f s m

得:

Ai ?i ? ? 常数 As

以ωi对Ai/As作图将得一直线制作标准曲线。取固定量 的标准溶液和内标物混合后进样分析,测Ai和As,以Ai/As 对标准溶液浓度作图。分析时,取和制作标准曲线时所用 量同样的试样和内标物,测出其峰面积比,从标准曲线上 量出被测物含量,若各组分相对密度比较接近,可用量取 体积代替称量则方法更为简便。
此法不必测校正因子,消除某些操作条件的影响。也 不需严格定量进样。

4、外标法(又称定量进样——标准曲线法)
所谓外标法就是应用欲测组分的纯物质来制作标准 曲线,这与在分光光度分析中的标准曲线法是相同的, 此时用欲测组分的纯物质加稀释剂配成不同质量分数的 标准溶液,取固定量标准溶液进行分析,从所得色谱图 上测出相应信号峰面积(或噪声),然后绘制相应信号 (纵坐标)对质量分数(横坐标)的标准曲线。分析试 样时,取和制作标准曲线时同样量的试样(固定进样量) 测得该试样的响应信号,由标准曲线即可查出其质量分 数。

当被测试样中各组分浓度变化范围不大时,可不必 绘制标准曲线,而用单点校正法。 即配制一个和被测组分含量十分接近的标准溶液,定量 进样,由被测组分和外标组分峰面积比或峰高比来求被 测组分。 ?i Ai ? ? s As Ai ?i ? ? s As

由于ωi与As均为已知,故可令Ki=ωs/As,得 ωi=Ai· i K

式中Ki为组分i的单位面积质量分数校正值,此法假定标 准曲线是通过坐标原点的直线,因此可由一点决定这条直线, Ki即直线的斜率,因而称之单点校正法。

续前

第七节 气相色谱法的特点及应用范围
“三高” “一快” “一广”
适于分析气体、易挥发的液体及固体 不适合分析不易气化或不稳定性物质 样品的衍生化使应用范围进一步扩大 占有机物20%

第八节 毛细管柱色谱简介
毛细管柱气相色谱法是用毛细管柱作为气相色谱柱 的一种高效、快速、高灵敏的分离分析法。 用内壁涂渍一层极薄而均匀的固定液膜的毛细管代 替填充柱,解决组分在填充柱中由于受到大小不均匀载 体颗粒的阻碍而造成的色谱峰扩展,柱效降低的问题。 这种色谱柱的固定液涂在内壁上,中心是空的,故 称开管柱,可惯称毛细管柱。 由于毛细管柱具有相比大,渗透性好,分析速度快, 总柱效高等优点,因此可以解决原来填充柱色谱法不能 解决或很难解决的问题。

一、毛细管色谱柱
毛细管柱可由不锈钢,玻璃等制成。 不锈钢毛细管柱由于惰性差,有一定的催化活性。 加上不透明,不易涂渍固定液,已很少使用。
玻璃毛细管柱表面惰性较好,表面易观察,因此长 期在使用,但易折断,安装较困难。 用熔融石英作柱子,这种色谱柱具有化学惰性,热 稳定性及机械强度好,并具有弹性,占有主导地位。

毛细管柱按其固定液的涂渍方法可分为: (1)壁涂开管柱(WCOT)将固定液直接涂在毛细管内壁上, 它是戈雷最早提出的毛细管柱。 由于管壁的表面光滑,润湿性差,对表面接触角大的固定液, 直接涂渍制柱,重现性差,柱寿命短。现在的WCOT柱,减小 表面接触角,再涂固定液。

(2)多空层开管柱(PLOT)在管壁上涂一层多孔性吸附剂固体 颗粒,不再涂固定液,实际上是使用开管柱的气体色谱。

(3)载体涂渍开管柱(SCOT) 为了增大开管柱内固定液的涂渍量,先在毛细管内壁

上涂一层很细的(<2mm)多空颗粒,然后再在多空 层上涂渍固定液,这种毛细管柱,液膜较厚,因此柱 容量较WCOT柱高。 (4)化学键合相毛细管柱 将固定相用化学键合方法键合到硅胶涂敷的柱表面或 经表面处理的毛细管内壁上。经过化学键合,大大提 高了柱的热稳定性。 (5)交联毛细管柱。由交联剂将固定相交联到毛细管 管壁上。这类柱子具有耐高温,抗溶剂抽提,液膜稳 定,柱效高,柱寿命长等特点。发展很快

二、毛细色谱柱的特点
1、渗透性好,即载气流动阻力小。粒渗透性一般用比 渗透率B0表示

L?u B0 ? j?p

L——柱长 η——载气粘质 μ ——载气平均线速 △p——为柱压降 j——压力校正因子

2、相比(β)大,有利于实现快速分析。 3、柱容量小,允许进样量少。 4、总柱效高,分离复杂混合物的能力大为提高。

三、毛细管柱的色谱系统

分流进样:是将液体试样注入进样器使其气化并与载气 均匀混合,然后让少量试样进入色谱柱,大量试样放空。 放空的试样量与进入毛细管柱试样的比称为流比,通常 控制在50:1,500:1

尚未能很好适用于痕量组分的定量分析以及定量求高的 分析。
目前发展了多种进样技术,冷柱头进样等。


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