,第二章 氣相色譜分析 2-1 氣相色譜法概述 色譜法(chromatography)：以試樣組分在固定相和流動相間的溶解、吸附、分配、離子交換或其他親和作用的差異為依據而建立起來的各種分離分析方法稱色譜法。 色譜柱：進行色譜分離用的細長管。 固定相：（stationary phase） 管內保持固 定、起分離作用的填充物。 流動相：（mobile phase）流經固定相的空隙 或表面的沖洗劑。,按固定相的幾何形式分類： 1.柱色譜法， 2.紙色譜法， 3.薄層色譜法 。 按兩相所處的狀態分類 ：,氣相色譜法,液相色譜法,氣-固色譜法,液-固色譜法,氣-液色譜法,液-液色譜法,氣相色譜儀通常由五部分組成： 載氣系統：氣源、氣體凈化器、供氣控 制閥門和儀表。 進樣系統：進樣器、汽化室。 分離系統：色譜柱、控溫柱箱。 檢測系統：檢測器、檢測室。 記錄系統：放大器、記錄儀、 色譜工作站。,國產氣相色譜儀,圖1 、色譜過程 圖2、 色譜圖,A,B,KAKB,色譜圖（chromatogram）： 試樣中各組分經色譜柱分離后，按先后次序經過檢測器時，檢測器就將流動相中各組分濃度變化轉變為相應的電信號，由記錄儀所記錄下的信號時間曲線或信號流動相體積曲線，稱為色譜流出曲線，,色譜圖界面,常用術語： 基線： 在操作條件下，僅有純流動相進 入檢測器時的流出曲線。 峰高與峰面積：色譜峰頂點與峰底之間的 垂直距離稱為峰高(peak height)。用h表示。 峰與峰底之間的面積稱為峰面積(peak area)， 用A表示。 峰的區域寬度： a、峰底寬 WD = 4=1.70 Wh/2 b、半高峰寬 Wh/2=2.355 c、標準偏差峰寬 W0.607h=2,保留值: 1) 保留時間 ：從進樣至被測組分出現濃度最大值時所需時間tR。 2) 保留體積 ：從進樣至被測組分出現最大濃度時流動相通過的體積，VR。 死時間： 不被固定相滯留的組分，從進樣至出現濃度最大值時所需的時間稱為死時間(dead time)，tM。 死體積: 不被固定相滯留的組分，從進樣至出現濃度最大值時流動相通過的體積稱為死體積(dead volume) ，VM。（F0為柱尾載氣體積流量） VM = tM F 0,調整保留值: 1) 調整保留時間：扣除死時間后的保留時間。 tR= tR tM 2) 調整保留體積：扣除死體積后的保留體積。 VR = VR VM 或 VR = tR F0 相對保留值（relative retention） 在相同的操作條件下，待測組分與參比組分的調整保留值之比，用ri，s 表示,色譜分析的實驗依據： 、根據色譜峰的位置（保留時間）可以進行定性分析。 2、根據色譜峰的面積或峰高可以進行定量分析。 3、根據色譜峰的展寬程度，可以對某物質在實驗條件下的分離特性進行評價。 由此可知：相對保留值應該與柱長、柱徑、填充情況、流動相流速等條件無關，而僅與溫度、固定相種類有關。 當ri，s =1時兩個組分不能分離。,2-2 氣相色譜分析理論基礎 一、分配平衡的幾個參數： 1、分配系數（distribution coefficient） 在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動相間達到分配平衡時的濃度比值，用K表示。 。 2、容量因子（capacity factor） 在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動相之間分配達到平衡時的質量比，稱為容量因子，也稱分配比，用k表示。,cs、cm分別為組分在固定相和流動相的濃度(g/ml)；V m為色譜柱中流動相的體積，近似等于死體積， Vs為色譜柱中固定相的體積。 3、分配系數和分配比之間的關系 分配系數K 與柱中固定相和流動相的體積無關，而取決于組分及兩相的性質，并隨柱溫、柱壓變化而變化。 容量因子k 決定于組分及固定相的熱力學性質，隨柱溫、柱壓的變化而變化，還與流動相及固定相的體積有關。,理論上可以推導出：,Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各種色譜柱柱型及其結構特征 填充柱（Packing column）: 635 毛細管柱（Capillary column）: 501500,色譜過程的基本方程式：,二、色譜分離的基本理論 1、塔板理論（ Martin and Synge 1941） 塔板理論認為，一根柱子可以分為n段，在每段內組分在兩相間很快達到平衡，把每一段稱為一塊理論塔板。設柱長為L，理論塔板高度為H，則 H = L / n 式中n為理論塔板數。 理論塔板數（n）可根據色譜圖上所測得的保留時間（tR）和峰底寬（w）或半峰寬（ wh/2 ）按下式推算：,或,有效塔板數（neff）的計算公式為；,通常用有效塔板數（neff）來評價柱的效能比較符合實際。 neff 越大或Heff越小，則色譜柱的柱效越高。,Heff=L/neff,2、速率理論 （J. J. Van Deemter 1956） 速率理論認為，單個組分粒子在色譜柱內固定相和流動相間要發生千萬次轉移，加上分子擴散和運動途徑等因素，它在柱內的運動是高度不規則的，是隨機的，在柱中隨流動相前進的速度是不均一的。 A項為渦流擴散項；B/ u項為分子擴散項；C u為傳質項，；u為載氣線速度，單位為cm/s。,范第姆特方程式(Van Deemter equation),Stationary phase,Stationary liquid,Capillary wall,2-3 色譜分離條件的選擇 一、分離度（resolution） 相鄰兩色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰底寬度平均值之比，用R表示。分離度可以用來作為衡量色譜峰分離效能的指標。 R 越大，表明兩組分分離效果越好 保留值之差取決于固定液的熱力學性質 色譜峰寬窄反映色譜過程動力學因素 及柱效能高低,對于峰形對稱且滿足正態分布的色譜峰： R=1, 分離程度為98%； R=1.5，分離程度可達99.7%。 所以R=1.5時可認為色譜峰已完全分開。,二、色譜分離關系式 設兩相鄰峰的峰寬相等，即w1=w2，則,又知,另,稱為柱效項；,稱為柱選擇項；,容量因子項。,相對保留因子,與柱效的關系（柱效因子） 與容量因子的關系,R n1/2,增加柱長,減小塔板高度,限制：L過長，保留時間延長，分析時間延長，色譜峰擴展。,使用性能優良的色譜柱，并選擇最佳分離條件,k值增大，有利于分離，但k 10時，對R的增加不明顯，也會顯著增加分析時間 k的最佳范圍：1 10,與柱選擇性的關系 分離度、柱效、柱選擇性的關系,r2,1越大，柱選擇性越好，分離效果越好。如果兩個相鄰峰的選擇因子足夠大，則即使色譜柱的理論塔板數較小，也可以實現分離。,例題：設有一對物質，其r2,1 =1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分離，試計算至少需要多長的色譜柱？ 解：要實現完全分離，R1.5,故所需有效理論塔板數為：,使用普通色譜柱，有效塔板高度為0.1cm, 故所需柱長應為：,三、色譜條件的選擇 1、載氣流速的選擇（與分析時間、柱效有關）,實際工作中，為了縮短分析時間，常使流速 稍高與最佳流速。,2、分離柱型的選擇（與總柱效、分離度R有關）,3、柱溫的選擇（與ri，j有關） 能使沸點最高的組分達到分離的前提下，盡量選擇較低的溫度。當然被測物的保留時間要短、峰形不能有嚴重拖尾。最好用程序升溫方法，以實驗優化選擇的條件為工作條件。 4、固定液與擔體的選擇（與相比有關） 由實驗手冊查出參考值，再由實驗選擇。 5、汽化室與檢測室溫度（與被測對象的利用度有關） 汽化溫度、檢測室溫度高于柱溫30-70度。 6、進樣量：（與柱容量有關） 根據擔液比及柱子形式決定進樣量，進樣 方式為柱塞進樣。,2-4 固定相及其選擇 一、固定相的類型： 吸附劑型固定相 固定相 擔體+固定液型固定相 常用吸附劑型固定相有：,常用擔體+固定液型固定相中： 常用擔體有： 1、紅色擔體：（101型擔體） 特點是：表面空隙小、比表面積大、機械強度 高、擔液能力強、表面有吸附中心。 2、白色擔體：（6201型擔體） 特點是：表面空隙較大、比表面積較小、機械 強度較差、擔液能力中、表面無吸附中心。 3、非硅藻土型擔體：聚合氟塑料擔體、玻璃 微球擔體、高分子微球擔體等。 特點是：表面空隙適中、比表面積適中、機械強 度較強、耐高溫、耐強腐蝕、價格偏高。 硅藻土型擔體用前要預處理：酸洗、堿洗、硅烷化。,二、固定液的類型：,三、固定液的極性： 固定液與待測化合物之間的作用力主要屬定向力、誘導力、色散力、氫鍵力等弱相互作用為主，所以固定相的極性對分離過程非常重要，固定相極性用相對極性P的公式表示： 規定：,-氧二丙腈固定液的P=100、角鯊烷固定液的P=0 、測試標樣為環己烷-苯,按P的數值將固定液的極性以20間隔分為五級： 020 為0+1 ，稱非極性固定液； 2040 為+1+2 ，稱弱極性固定液； 4060 為+2+3 ，稱中極性固定液； 80100 為+4+5 , 稱強極性固定液； 固定液的極性與待測組分極性的選擇原則為： “相似相溶原理”,四、固定液選擇示例,2-5 氣相色譜檢測器 一、氣相色譜檢測器的類型 氣相色譜檢測器根據響應原理的不同可分為濃度型檢測器和質量型檢測器兩類。 濃度型檢測器：測量的是載氣中某組分瞬間濃度的變化，即檢測器的響應值和組分的瞬間濃度成正比。如熱導池檢測器（TCD）和電子捕獲檢測器（ECD） 質量型檢測器：測量的是載氣中某組分質量比率的變化，即檢測器的響應值和單位時間進入檢測器的組分質量成正比。如氫火焰離子化檢測器（FID）和火焰光度檢測器（FPD）,通用檢測器有： 1、熱導池檢測器，TCD (Thermal conductivity detector) 測一般化合物和永久性氣體 2、氫火焰離子化檢測器,FID (Hydrogen flame ionization detector) 測一般有機化合物 專用檢測器有： 3、電子俘獲檢測器，ECD (Electron capture detector) 測帶強電負性原子的有機化合物 4、火焰光度檢測器，FPD (Flame photometric detector) 測含硫、含磷的有機化合物 特殊檢測器有：FTIR、MS、測化合物結構,二、氣相色譜檢測器的工作原理 1、熱導檢測器 原理；就是利用不同的物質具有不同的導熱系數。,Self-study & Exam: 熱導池的構造，工作原理及影響檢測靈敏度的因素。,2、氫火焰離子化檢測器 原理：利用有機化合物在氫火焰中燃燒時能產生帶電離子碎片，收集其荷電量進行測定。,Self-study & Exam: 氫火焰檢測器的構造，工作原理及影響檢測靈敏度的因素。,三、色譜檢測器的靈敏度 1、靈敏度,2、最小檢出量 3、響應時間 4、線性范圍 5、噪音及檢處出限,2-6 氣相色譜定性法 一、利用內標物與待測物的相對保留值r1，2 進行定性分析。 實驗中要用雙柱、或多柱進行分析，必 須要有適當的標準物質。 二、利用保留指數進行I進行定性分析,Xz+1 ， Xz 分別代表含Z+1、Z個碳原子的正構烷烴在測定柱上的調整保留參數， Xi代表待測物質在測定柱上的調整保留參數。 由于I 的值溫度之間呈線性關系，所以可以方便的外推求出文獻測定條件下的I 值而進行定性分析，無須標準物質。,Figure Sketch map for determination of rotention index,2-7 氣相色譜定量法 一、色譜定量公式：,mi = fi Ai,mi ：待測物質質量,fi ：待測物質定量校正因子,Ai ：待測物質色譜峰的積分面積,二、色譜峰的面積求法： 1、峰高乘半峰寬法 2、峰高乘平均峰寬法 3、峰高乘保留值法 4、電子積分法,三、定量校正因子 （Quantitative calibration factor） 絕對校正因子： 相對校正因子：用標準物質為參照物、求出待測物質與標準物之間絕對校正因子的比值。對熱導池檢測器的標準物是苯、對氫火焰離子化檢測器的標準物是正庚烷。,1.質量校正因子（Mass calibration factor fm ）,2.摩爾校正因子（Molar calibration factor fM ）,各物質的量以摩爾數計，Mi , Ms分別表示被測 物與標準物質的相對分子質量（摩爾質量）,四、定量計算方法 1、歸一化法：若樣品中所有的組分均能流出色譜柱且有較好的、可分辨的色譜峰時可用此法定量。,2、內標法：若樣品中除待測的幾個色譜峰有良好分離，但其它所有的組分不能全部流出色譜柱或有不可分辨的色譜峰時可用此法定量。,3、內標標準曲線法：若樣品用量與加入標準物質量完全固定，則內標法的計算就可以簡化為內標標準曲線法，它適用于工廠內成批樣品的定量分析。,如果經常需要測定同一物質，可固定試樣的稱取量，并加入恒定量的內標物，此時fi mS / fs m為一常數故：,wi Ai / AS,適合于液體試 樣的常規分析,2、外標法：所謂外標法就是應用欲測組分的純物質來制作標準曲線。此時用欲測組分的純物質加稀釋劑(對液體樣品用溶劑稀釋、氣體樣品用載氣或空氣稀釋)配成不同含量()標準溶液，取固定量標準溶液進樣分析，從所得色譜圖上測出響應訊號(峰面積或峰高等)、然后繪制響應信汛號(縱坐標)對百分含量(橫坐標）的標準曲線。分析試樣時，取和制作標準