1、第 2 章 氣相色譜分析一、定義：色譜法 (chromatography)，是一種物理或物理化學的分離分析方法。俄國植物學家茨維特（Tsweett）在1906年提出的，當時使用的裝置（右圖）： 試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進行著的分配過程。 其中的一相固定不動，稱為固定相； 另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體（氣體或液體），稱為流動相。混合物最有效的分離、分析方法。（動畫）2.1 概述以前學過的分離方法有： 1. 沉淀法 是利用物質(zhì)溶解度的不同而進行分離。 2. 蒸餾法 是利用有機物沸點的差異進行分離。 3. 萃取法 是利用組分在水相和

2、有機相（互不相溶）中的分配系數(shù)不同進行而分離。色譜法分離原理：利用物質(zhì)在固定相和流動相中的分配系數(shù)不同，使混合物中的各組分分離。1按固定相的形態(tài)分類二、色譜法的分類2按兩相分子的聚集狀態(tài)分類流動相 固定相 類型超臨界流體色譜法流動相為超臨界流體分配色譜吸附色譜離子交換色譜空間排阻色譜3. 按分離機制分類色譜法簡單分類三、 色譜法的特點（1）分離效率高 復雜混合物，有機同系物、異構(gòu)體。手性異構(gòu)體。（2） 靈敏度高 可以檢測出mg.g-1(10-6)級甚至ng.g-1(10-9)級的物質(zhì)量。（3） 分析速度快 一般在幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)可以完成一個試樣的分析。（4） 應(yīng)用范圍廣 氣相色譜：沸點低于4

3、00的各種有機或無機試樣的分析。 液相色譜：高沸點、熱不穩(wěn)定、生物試樣的分離分析。 氣相色譜分析于1952年出現(xiàn)，經(jīng)過50年的發(fā)展已成為重要的近代分析手段之一。 氣相色譜分離中氣體流動相所起作用較小，根據(jù)所用固定相狀態(tài)的不同，氣相色譜可分為兩類：目前，大部分氣相色譜是以液體為固定相的氣液色譜。 氣相色譜分析的特點 1.高效率。 2.高選擇性。 3.高靈敏度。 4.分析速度快。 5.應(yīng)用廣泛。 氣相色譜法有上述優(yōu)點，但也有它的缺點，如不適用于高沸點、難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定物質(zhì)的分析；定性較為困難，從色譜圖上不能直接給出它定性的結(jié)果。四、氣相色譜儀五、氣相色譜結(jié)構(gòu)流程1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干

4、燥管；4-針形閥；5-流量計；6-壓力表；7-針形閥；8-色譜柱；9-熱導檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；氣路系統(tǒng)進樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程（單柱單氣路）（雙柱雙氣路）六、氣相色譜儀主要部件1. 載氣系統(tǒng)包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制器；常用的載氣有：氫氣、氮氣、氦氣；凈化干燥管：去除載氣中的水、有機物等雜質(zhì)（依次通過分子篩、活性炭等）；載氣流速控制器：壓力表、流量計、針形穩(wěn)壓閥，控制載氣流速恒定。2. 進樣系統(tǒng)進樣裝置：進樣器氣化室；氣體進樣器（六通閥）：試樣首先充滿定量管，切入后，載氣攜帶定量管中的試樣氣體進入分離柱；液體進樣器：不同規(guī)格的專用注射器，

5、填充柱色譜常用10L；毛細管色譜常用1L；新型儀器帶有全自動液體進樣器，清洗、潤沖、取樣、進樣、換樣等過程自動完成，一次可放置數(shù)十個試樣。氣化室：將液體試樣瞬間氣化的裝置。3. 分離系統(tǒng)（色譜柱）及溫度控制系統(tǒng)色譜柱：色譜儀的核心部件。柱材質(zhì)：不銹鋼管或玻璃管，內(nèi)徑36毫米，長度可根據(jù)需要確定。柱填料：粒度為60100目的色譜固定相。 氣固色譜：固體吸附劑 氣液色譜：載體 固定液有關(guān)固定液性質(zhì)及其選擇見后續(xù)章節(jié)。溫度是色譜分離條件的重要選擇參數(shù)。氣化室、色譜柱、檢測器三部分在色譜儀操作時均需控制溫度； 氣化室：保證液體試樣瞬間氣化；檢測器：保證被分離后的組分通過時不在此冷凝；色譜柱：準確控制分

6、離需要的溫度。4. 檢測系統(tǒng)通常由檢測元件、放大器、顯示記錄三部分組成；被色譜柱分離后的組分依次進入檢測器，按其濃度或質(zhì)量隨時間的變化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖；檢測器：廣譜型對所有物質(zhì)均有響應(yīng)； 專屬型對特定物質(zhì)有高靈敏響應(yīng)； 5、記錄及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以采用：積分儀、色譜工作站 混合物樣品（A+B）色譜柱中分離檢測器記錄下來。組分從色譜柱流出時，各個組分在檢測器上所產(chǎn)生的信號隨時間變化，所形成的曲線叫色譜圖。 記錄了各個組分流出色譜柱的情況，又叫色譜流出曲線.七、色譜流出曲線術(shù)語基線 無試樣通過檢測器時，檢測到的信號即為基線。穩(wěn)定情況下，一條直線。基線上下波動稱為噪音

7、。（動畫）峰高與區(qū)域?qū)挾?峰高：色譜峰頂點向基線作垂線的距離，單位：mm或cm半峰寬（Y1/2）：色譜峰高一半處的寬度。單位：mm或min。峰底寬（Y）：色譜峰兩拐點的切線在基線上截距間的距離。單位：mm或min。標準偏差（s）：即峰高0.607倍處色譜峰寬度的一半。 與半峰寬和峰寬的關(guān)系：Y1/22.354 s ； Y4 s峰面積色譜峰與峰底之間的面積。單位：mm2或mm×min對稱的色譜峰：不對稱的色譜峰：（1）時間表示的保留值死時間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時間；保留時間（tR）：組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時所需的時間；調(diào)整保留時間（tR'）：t

8、R' tRtM 保留值保留值是試樣各組分，即溶質(zhì)在色譜柱或色譜體系中保留行為的度量，反映了溶質(zhì)與色譜固定相作用力類型和大小，與兩者分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，是重要的色譜熱力學參數(shù)和色譜定性的依據(jù)。（2）用體積表示的保留值死體積（VM）：VM tM ×F0 F0為柱出口處的載氣流量，單位：ml / min。保留體積（VR）： VR tR×F0調(diào)整保留體積(VR)： V R' VR V0 (3) 相對保留值g21 （選擇性因子a21）組分2與組分1調(diào)整保留值之比：g21 = t´R2 / t´R1= V´R2 / V´R1相對保留值只

9、與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。利用色譜流出曲線可以解決以下問題：1、根據(jù)色譜峰的位置（保留值）可以進行定性分析;2、根據(jù)色譜峰的面積或峰高可以進行定量測定;3、根據(jù)色譜峰的位置及其寬度，可以對色譜柱的分離情況進行評價。2.2 色譜分析理論基礎(chǔ)使用外力使含有混合樣品的流動相（氣體、液體或超臨界流體）通過一固定于色譜柱上且與流動相互不相溶的固定相表面。 樣品中各組分在兩相中作用力不同，與固定相作用強的組分隨流動相流出的速度慢，反之，與固定相作用弱的組分隨流動相流出的速度快。由于流出的速度的差異，使得混合組分最終形成各個單組分的“帶(band)”

10、或“區(qū)(zone)”，對依次流出的各個單組分物質(zhì)可分別進行定性、定量分析。一、 色譜分離過程混合組分的分離過程及檢測器對各組份在不同階段的響應(yīng)二、 分配平衡組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附或溶解、揮發(fā)等過程叫做分配過程。在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的濃度（單位：g / mL）比，稱為分配系數(shù)，用K 表示。分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。1、分配系數(shù)K （ partion factor）分配系數(shù) K 的討論一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；試樣一定時，K主要取決于固定相性質(zhì)；每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣中的各組分具有不同的K值

11、是分離的基礎(chǔ)；某組分的K = 0時，即不被固定相保留，最先流出。2、分配比 （partion ratio）k在實際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的質(zhì)量比：1. 分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學性質(zhì)有 關(guān)的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。2. 分配系數(shù)與分配比都是衡量色譜柱對組分保留能力的參 數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時間越長。3. 分配比可以由實驗測得。分配比也稱：容量因子（capacity factor）3、分配比與分配系數(shù)的關(guān)系 VM為流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積；Vs為固定相體積，對不同類型色譜

12、柱，Vs的含義不同；氣液色譜柱： Vs為固定液體積；氣固色譜柱：Vs為吸附劑表面容量；式中為相比率。填充柱相比：635；毛細管柱的相比：501500。容量因子越大，保留時間越長。分配平衡是在流動相和固定相之間進行的，因此分配比也可以用組分停留在兩相之間的保留值來表示。4. 分配比與保留時間的關(guān)系例：在2m長的色譜柱上，測得某組分保留時間為6.6min，峰底寬為0.5min，死時間為1.2min，柱出口用皂膜流量計測得載氣流速為40mL/min，固定相體積為2.1mL,求：1）分配比;2）死體積;3）調(diào)整保留體積;4）分配系數(shù)解：1）分配比 k=tR/tm=(6.6-1.2)/1.2=4.5 2

13、)死體積 Vmtm×Fc=1.2×40=48 mL 3)調(diào)整保留體積 VR=(tR-tm) ×Fc=(6.6-1.2)×40=216 mL 4）分配系數(shù) K=k ×=k ×(Vm/ Vs)=4.5×(48/2.1)=103 組分保留時間：色譜分配過程的熱力學因素控制； （待測組分和固定相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）色譜峰變寬：色譜分配過程的動力學因素控制； （兩相中的運動阻力，分子擴散） 組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？溶質(zhì)分布譜帶展寬兩種色譜理論：塔板理論和速率理論；色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學和動力學問題。影響分

14、離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評價指標及其關(guān)系。塔板理論的假設(shè)：在每一個平衡過程間隔內(nèi)，平衡可以迅速 達到；(2) 將載氣看作成脈動（間歇）過程；(3) 試樣沿色譜柱方向的擴散可忽略；(4) 組分在各塔板上的分配系數(shù)相同。三、塔板理論1. 塔板理論（plate theory）將色譜柱當作一個精餾塔，將色譜分離過程比作精餾過程，將連續(xù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復（類似于精餾塔的塔板上的平衡過程）；假設(shè)色譜柱長：L；虛擬的塔板間距離：H；色譜柱的理論塔板數(shù)：n；則三者的關(guān)系為： n L / H保留時間包含死時間tM，在死時間內(nèi)不參與分配!理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為

15、：2. 有效塔板數(shù)和有效塔板高度組分在tM時間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：3. 塔板理論的特點和不足(1)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù)n越大，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。(2)一般情況下，不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應(yīng)指明測定物質(zhì)。(3)柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系數(shù)K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)n多大，該兩組分都無法分離。(4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實驗結(jié)果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。四、 速率理論-影響柱

16、效的因素1. 速率方程（也稱范第姆特方程式） 1956年，荷蘭化學工程師van Deemter提出了色譜過程動力學速率理論：吸收了塔板理論中的板高H概念，考慮了組分在兩相間的擴散和傳質(zhì)過程，從而給出了van Deemter方程： H = A + B/u + C·u u 為流動相線速度； A，B，C為常數(shù)，其中 A分別表示渦流擴散系數(shù)； B分子擴散系數(shù)； C傳質(zhì)阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質(zhì)阻力系數(shù)）。 減小A、B、C三項可提高柱效； A、B、C三項各與哪些因素有關(guān)？A 渦流擴散項A = 2ldp dp：固定相的平均顆粒直徑 l：固定相的填充不均勻因子固定相顆粒越小dp，填充的越均勻l

17、，A，H，柱效n；表現(xiàn)在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。（動畫）B/u 分子擴散項(1) 存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴散; (2) 擴散導致色譜峰變寬，H(n)，分離變差; (3) 分子擴散項與流速有關(guān)，流速，滯留時間，擴散; (4) 擴散系數(shù)：Dg (M載氣)-1/2 ； M載氣，B值。（動畫）B 2gDg g ： 彎曲因子，填充柱色譜， g 1。Dg：試樣組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（cm2·s-1）k為容量因子； Dg 、DL為擴散系數(shù)。減小擔體粒度，選擇小分子量的氣體（H2或He）作載氣，可降低傳質(zhì)阻力。C ·u 傳質(zhì)阻力項傳質(zhì)阻力包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液

18、相傳質(zhì)阻力CL即： C （Cg + CL）氣相色譜 方程對分離條件的選擇具有指導意義，從方程上可以看出，填充均勻程度、擔體粒度、載氣流速、柱溫、固定相液膜厚度等都對柱效有影響。2. 柱效的影響因素載氣流速高時：傳質(zhì)阻力項是影響柱效的主要因素，流速ß，柱效Ý。載氣流速低時：分子擴散項成為影響柱效的主要因素，流速Ý，柱效Ý 。H - u曲線與最佳流速：由于流速對這兩項完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導數(shù)有一極小值。以塔板高度H對應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點的流速即為最佳流速。（動畫）1）流動相流速

19、一般來說，填料粒度降低，柱效提高。但粒徑越小，填充均勻的技術(shù)越困難，柱的滲透性也下降，分離速度下降。3）色譜柱溫 溫度影響擴散系數(shù)，從而影響分子擴散和傳質(zhì)速率。柱溫升高，分子擴散導致柱效降低；而改善傳質(zhì)導致柱效升高。根據(jù)色譜系統(tǒng)性質(zhì)選擇合適的溫度。2）填料粒徑3. 速率理論的要點(1)組分分子在柱內(nèi)運行的多路徑造成的渦流擴散、濃度梯度所造成的分子擴散及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達到等因素是造成色譜峰擴展、柱效下降的主要原因。(2)通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６取⑤d氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響

20、。(4) 各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質(zhì)阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴散的影響。故要選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。五、組分分離-基本分離方程塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質(zhì)對的實際分離程度，即柱效為多大時，相鄰兩組份能夠被完全分離。 色譜分離中的四種情況如圖所示：一、分離度保留值之差色譜過程的熱力學因素；區(qū)域?qū)挾壬V過程的動力學因素。難分離物質(zhì)對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合影響：色譜分離中的四種情況的討論： 柱效較高，K（分配系數(shù)）較大，完全分離； 柱效較高，K較小，峰較窄，沒有完全分離

21、； 柱效較低，K較大，分離效果較差； 柱效低，K小，分離效果很差。分離度也稱分辨率，指相鄰兩色譜峰保留值之差與兩峰底寬平均值之比。單獨用柱效或柱選擇性并不能真實地反映組分在色譜柱中的分離情況，所以在色譜分析中，需要引入分離度R概念。式中：分子反映了溶質(zhì)在兩相中分配行為對分離的影響， 是色譜分離的熱力學因素。分母反映了動態(tài)過程溶質(zhì)區(qū)帶的擴寬對分離的影響，是 色譜分離的動力學因素。從中得到：兩溶質(zhì)保留時間相差越大，色譜峰越窄，分 離越好。R0.8：兩峰的分離程度可達89%；R1：分離程度98%；R1.5：達99.7%（相鄰兩峰完全分離的標準）。R 的定義并未反映影響分離度的各種因素。也就是說，R

22、未與影響其大小的因素：柱效n、選擇因子a 和保留因子 k 聯(lián)系起來。 對于相鄰的難分離組分，由于它們的分配系數(shù) K 相差小，可合理假設(shè)Y1 » Y2=Y，k1=k2=k。因此可導出R與n、a 和 k 的關(guān)系：分離方程以n有效表示，則有：分離度與柱效能，選擇性的關(guān)系 柱效能指色譜柱在分離過程中的分離效能，常用n，來描述，n 越大，越小，柱效越高，對單個組分而言。 對多個組分的分離來說，無法用n ,H 來描述，n 大，小，幾個峰未必分的開。選擇性描述兩個相鄰組分在同一固定相中熱力學分布行為的重要參數(shù)，用相對保留值表示. 越大，保留時間相差大，分離越好（但未考慮峰寬因素）a:柱效項：塔板數(shù)

23、決定，n 越大，柱效越高分離的越好。可通過增加柱長和縮短H值實現(xiàn)。b：選擇性項： 越大，tR（）與tR（1） 相差越大，分的越好。增大是提高分離度的效方法，可通過改變固定相實現(xiàn)。C：柱容量項：k大一些對分析有利; 太大，tR長，柱容量合適,分的才好。可通過改變柱溫和相比實現(xiàn)。 一般k 例2、 有一根 lm長的柱子，分離組分1和2。空氣的保留時間為5s，組分1和2的保留時間分別為45和49s。如果兩組分峰寬都為5s，試求該柱的分離度？如若使R=1.2，有效塔板數(shù)應(yīng)為多少？色譜柱要加到多長？例2、 有一根 lm長的柱子，分離組分1和2。空氣的保留時間為5s，組分1和2的保留時間分別為45和49s。

24、如果兩組分峰寬都為5s ，試求該柱的分離度？如若使R=1.2，有效塔板數(shù)應(yīng)為多少？色譜往要加到多長？解：先求出組分2對組分1的相對保留值r2，1（即值） 分離度 n有效 （塊）為使R1.2，所需塔板數(shù) （塊）柱長應(yīng)加到 1. 種類（1）活性炭 有較大的比表面積，吸附性較強。（2）活性氧化鋁 有較大的極性。適用于常溫下O2、N2、CO、CH4、 C2H6、C2H4等氣體的相互分離。CO2能被活性氧化鋁強烈吸附而不能用這種固定相進行分析。2-3 氣相色譜固定相一、氣固色譜固定相（3）硅膠 與活性氧化鋁大致相同的分離性能，除能分析上述物質(zhì)外，還能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能夠分離臭氧。（

25、4）分子篩 堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性。如3Å、4Å、5Å分子篩等（孔徑：埃）。常用5Å（常溫下分離O2與N2）。除了廣泛用于H2、O2、CH4、CO等的分離外，還能夠測定He、Ne、Ar、NO、N2O等。2、氣固色譜固定相的特點（1）性能與制備和活化條件有很大關(guān)系；（2）同一種固定相，不同廠家或不同活化條件， 分離效果差異較大；（3）使用方便。（4）種類有限，能分離的對象不多；（5）高分子多孔微球（GDX系列） 新型的有機合成固定相（苯乙烯與二乙烯苯共聚）。型號：GDX-01、-02、-03等。適用于水、氣體及低級醇的分析。固體吸附劑為多孔

26、性固體材料，具有很大比表面積和較密集的吸附活性點，其色譜性能常受預處理、操作條件和環(huán)境條件的影響，重復性較差，易形成不對稱拖尾峰，保留值隨進樣量變化，在高溫下有催化活性。為克服上述不足，可對吸附劑進行一定處理，最方便的方法是涂“去尾劑”，用去尾劑覆蓋吸附劑表面的某些活性中心，使吸附劑表面能趨于均勻，以解決峰不對稱問題。氣液色譜固定相 固定液擔體（載體） ：固體小顆粒表面涂漬上一薄層固定液。固定液在常溫下不一定為液體，但在使用溫度下一定呈液體狀態(tài)。種類繁多，選擇余地大，應(yīng)用范圍不斷擴大。擔體：化學惰性的多孔性固體顆粒，具有較大的比表面積。二、氣液色譜固定相（1）作為擔體的物質(zhì)應(yīng)滿足的條件比表面積

27、大，孔徑分布均勻； 化學惰性，表面無吸附性或吸附性很弱，與被分 離組分不起反應(yīng)； 具有較高的熱穩(wěn)定性和機械強度，不易破碎； 顆粒大小均勻、適度。一般常用60100目。1. 擔體（2）擔體種類（硅藻土和非硅藻土）紅色擔體： 含有少量氧化鐵顆粒呈紅色，孔徑較小，表孔密集，比表面積較大，機械強度好。適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。白色擔體： 煅燒前原料中加入了少量助溶劑（碳酸鈉）。 顆粒疏松，孔徑較大。比表面積較小，機械強度較差。但吸附性顯著減小，適宜分離極性組分的試樣。表 氣液色譜擔體2. 固定液（1）對固定液的要求 應(yīng)對被分離試樣中的各組分具有不同的溶解能力，較好的熱穩(wěn)定性，并且不與被分離組分

28、發(fā)生不可逆的化學反應(yīng)。（2）選擇的基本原則 “相似相溶”，選擇與試樣性質(zhì)相近的固定液。固定液：高沸點難揮發(fā)的有機化合物，種類繁多。（3）固定液和組分分子間的作用力分子間的作用力是一種極弱的吸引力，主要包括靜電力、誘導力、色散力和氫鍵力等。如在極性固定液柱上分離極性樣品時，分子間的作用力主要是靜電力。被分離組分的極性越大，與固定液間的相互作用力就越強，因而該組分在柱內(nèi)滯留時間就越長；又如存在于極性分子與非極性分子之間的作用力叫誘導力，極性分子的極性越大，非極性分子越容易被極化，則誘導力就越大，當樣品具有非極性分子和可極化的組分時，可用極性固定液的誘導效應(yīng)分離。例如，苯（B.P.80.1）和 環(huán)己

29、烷（ B.P.80.8）沸點接近，偶極矩為零，均為非極性分子，若用非極性固定液卻很難使其分離。但苯比環(huán)己烷容易極化，故采用極性固定液，就能使苯產(chǎn)生誘導偶極矩，而在環(huán)己烷之后流出。固定液的極性越強，兩者分離得越遠。如按化學結(jié)構(gòu)、極性、應(yīng)用等的分類方法。在各種色譜手冊中，一般將固定液按有機化合物的分類方法分為：脂肪烴、芳烴、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。（4）固定液分類方法1. 檢測器類型濃度型檢測器：測量的是載氣中通過檢測器組分濃度瞬間的變化，檢測信號值與組分的濃度成正比。比如熱導檢測器，TCD；質(zhì)量型檢測器：測量的是載氣中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測信號值與單位時間內(nèi)進入檢測器組分的質(zhì)量

30、成正比。比如氫火焰離子化檢測器，F(xiàn)ID；2-4 氣相色譜檢測器熱導檢測器 thermal conductivity detector，TCD原理： 基于載氣和樣品的導熱系數(shù)的差異，并用惠斯登電橋檢測。檢測器結(jié)構(gòu)： 如圖7-14所示。它由一個金屬塊和裝在通氣室中的熱敏元件組成，熱敏元件是具有較大溫度系數(shù)的金屬絲（如鉑絲、錸鎢絲），TCD一般有四個通氣室，各通氣室中的金屬絲的電阻完全相同。 動畫惠斯登電橋： 如圖所示，將四支熱絲組成一個惠斯登電橋，往A和C室通純載氣，往B和D室通含樣品的載氣。由于A、C室和B、D室的電阻變化造成惠斯登電橋的不平衡，從而有輸出電壓，電壓（或電流）的大小與樣品的濃度成

31、正比。 載氣與試樣的熱導系數(shù)相差越大，檢測靈敏度越高，故氫氣或氦氣作載氣時比氮氣的靈敏度高。熱導檢測器對所有物質(zhì)都有相應(yīng)，最適合分析無機氣體和有機物。氣體和有機物蒸氣導熱系數(shù)物 質(zhì)0/10-4J(ms)-1物 質(zhì)0/10-4J(ms)-1空氣氫氦氮氬一氧化碳二氧化碳2.1717.4114.572.431.682.351.47甲烷乙烷乙烯苯丙酮氯仿甲醇3.011.801.760.921.010.671.42氫火焰離子化檢測器 flame ionization detector， FID（1） 典型的質(zhì)量型檢測器；（2）氫焰檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、 靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點；（3）比熱導檢測

32、器的靈敏度高出近3個數(shù)量 級，檢測下限可達ng·g-1。缺點是對無機氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng)；但對有機化合物具有很高的靈敏度。氫火焰離子化檢測器（FID），是除熱導氫焰檢測器的主要部件為離子室，一般用不銹鋼制成，內(nèi)有火焰噴射嘴、極化電極（陰極）和信號收集極（陽極）等構(gòu)件。 氫焰檢測器是根據(jù)含碳有機物在氫火焰中發(fā)生電離的原理而進行檢測的。當被測組分隨載氣進入氫火焰時，在燃燒過程中發(fā)生離子化反應(yīng)，生成數(shù)目相等的正負離子，在電場中分別向兩極定向移動而形成離子流，再經(jīng)發(fā)大后在記錄儀上以電壓信號顯示出來，信號大小與單位時間內(nèi)進入火焰的被測組分的量成正比，據(jù)此測量

33、有機物含量。它對大多數(shù)有機物有很高的靈敏度，比熱導池檢測器的靈敏度高倍，而且結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，響應(yīng)好，適宜于進行痕量有機物分析，因而在有機物分析中得到廣泛應(yīng)用。 動畫電子捕獲檢測器 electron capture detector，ECD電子俘獲檢測器是目前分析痕量電負性有機物最有效的檢測器,檢測下限10-14 g /mL。對含有鹵素、羰基、氨基等的化合物有很高的響應(yīng)，但對無電負性的物質(zhì)如烷烴等幾乎無響應(yīng)。已廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留量、大氣及水質(zhì)污染分析，以及生物化學、醫(yī)學、藥物學和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。它的缺點是線性范圍窄，受操作條件影響比較大，重現(xiàn)性差。利用電負性物質(zhì)捕獲電子的能力，通過測定電子流

34、進行檢測。在電子捕獲檢測器內(nèi)一端有一個放射源作為負極，另一端有一正極。兩極間加適當電壓，當載氣進入檢測器時，受多條射線的輻照發(fā)生電離，生成的正離子和電子分別向負極和正極移動，形成恒定的基流。含有電負性元素的樣品進入檢測器后，就會捕獲電子而生成穩(wěn)定的負離子，生成的負離子又與載氣正離子復合，導致基流下降。因此，樣品經(jīng)過檢測器，會產(chǎn)生一系列的倒峰。火焰光度檢測器（FPD）是一種對含硫、磷化合物具有高選擇性和高靈敏度的質(zhì)量型檢測器，儀器主也由火焰噴嘴、濾光片和光電倍增管三部分組成。火焰光度檢測器是根據(jù)硫、磷化合物在富氫火焰中燃燒時，發(fā)射出波長分別為394nm和526nm的特征光的原理而進行檢測的。檢測

35、過程如下：載氣與空氣和氫氣混合后，在噴嘴上燃燒。當含硫或磷的有機物進入此富氫火焰中燃燒時，含硫有機物以激發(fā)態(tài)分子的形式發(fā)射出波長為394nm的特征光，含磷有機物以碎片的形式發(fā)射出波長為526nm的特征光。這些特征光通過濾光片照射到光電倍增管上，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后在記錄儀上記錄下來。它對含有磷、硫的有機化合物具有高選擇性和高靈敏度，是一種專屬型檢測器，可用于大氣中痕量硫化物以及農(nóng)副產(chǎn)品、水中的機機磷和有機硫農(nóng)藥殘留量的測定。火焰光度檢測器flame photometric dector，F(xiàn)PD氮磷檢測器Nitrogen-Phosphorus dector，NPD是一種質(zhì)量型檢測器，適

36、用于分析氮、磷化合物，對含氮、磷化合物有高的選擇性和靈敏度。和氫火焰離子化檢測器的構(gòu)造比較類似。它的優(yōu)點是使用壽命長，靈敏度極高，對氮、磷化合物的響應(yīng)較高，而對其他化合的響應(yīng)值低104-105倍。可應(yīng)用下農(nóng)藥 、石油、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域。一個優(yōu)良的檢測器應(yīng)具有以下幾個性能指標：靈敏度高；檢出限低；死體積小；響應(yīng)迅速；線性范圍寬和穩(wěn)定性好。通用性檢測器要求適用范圍廣；選擇性檢測器要求選擇性好。2. 檢測器性能指標a. 靈敏度：以進樣量c對響應(yīng)信號R作圖得到一條通過原點的直線。直線的斜率就是檢測器的靈敏度S。因此，靈敏度可定義為信號R對進入檢測器的組分量Q的變化率 ：S值越大，檢測器的靈敏度也就越高。

37、b. 檢出限噪聲水平?jīng)Q定著能被檢測到的濃度（或質(zhì)量）。從圖中可以看出：如果要把信號從本底噪聲中識別出來，則組分的響應(yīng)值就一定要高于N。 檢測器響應(yīng)值為3倍噪聲水平時的試樣濃度（或質(zhì)量），被定義為最低檢測限（或該物質(zhì)的最小檢測量）。D3RN/S對于濃度型檢測器， D的物理意義指每毫升載氣中含有恰好能產(chǎn)生三倍于噪聲信號的溶質(zhì)毫克數(shù)。對于質(zhì)量型檢測器， D的物理意義指每秒通過的溶質(zhì)克數(shù)，恰好能產(chǎn)生三倍于噪聲的信號。無論哪種檢測器，檢出限都與靈敏度成反比，與噪聲成正比。檢出限不僅決定于靈敏度，而且受限于噪聲，所以它是衡量檢測器性能的綜合指標。檢測器恰能產(chǎn)生和噪聲相鑒別的信號時所需進入色譜柱的最小物質(zhì)量

38、（或最小濃度），以Q0表示。最小檢測量是產(chǎn)生三倍噪聲峰高時，色譜體系（由柱、氣化室、記錄儀和連接管道等組成一個色譜體系）所需的進樣量。最小檢測量和檢出限是兩個不同的概念。檢出限只用來衡量檢測器的性能；而最小檢測量不僅與檢測器性能有關(guān)，還與色譜柱效及操作條件有關(guān)。c.最小檢出量（最低檢測限）d. 線性范圍 檢測器的線性范圍定義為在檢測器呈線性時最大和最小進樣量之比，或最大允許進樣量（濃度）與最小檢測量（濃度）之比。e. 響應(yīng)時間 響應(yīng)時間指進入檢測器的某一組分的輸出信號達到其值的63%所需的時間。一般小于1s。2-5 氣相色譜分離條件的選擇1. 固定相的選擇 氣液色譜，在選擇固定液時，一般按“相

39、似相溶”的規(guī)律選擇，因為這時的分子間的作用力強，選擇性高，分離效果好。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際情況并按如下幾個方面考慮：分離非極性組分時，通常選用非極性固定相。各組分按沸點順序出峰，低沸點組分先出峰。非極性固定液對樣品的保留作用，主要靠色散力。分離時，試樣中各組分基本上按沸點從低到高的順序流出色譜柱；若樣品中含有同沸點的烴類和非烴類化合物，則極性化合物先流出。中等極性的試樣應(yīng)首先選用中等極性固定液。在這種情況下，組分與固定液分子之間的作用力主要為誘導力和色散力。分離時組分基本上按沸點從低到高的順序流出色譜柱，但對于同沸點的極性和非極性物，由于此時誘導力起主要作用，使極性化合物與固定液的作用力加強，

40、所以非極性組分先流出。 強極性的試樣應(yīng)選用強極性固定液。此時，組分與固定液分子之間的作用主要靠靜電力，組分一般按極性從小到大的順序流出；對含有極性和非極性的樣品，非極性組分先流出。 分離極性組分時，一般選用極性固定液。各組分按極性大小順序流出色譜柱，極性小的先出峰。分離非極性和極性的（或易被極化的）混合物，一般選用極性固定液。此時，非極性組分先出峰，極性的（或易被極化的）組分后出峰。醇、胺、水等強極性和能形成氫鍵的化合物的分離，通常選擇極性或氫鍵性的固定液。組成復雜、較難分離的試樣，通常使用特殊固定液，或混合固定相。2、固定液配比（涂漬量）的選擇配比：固定液在載體上的涂漬量，一般指的是固定液與

41、載體的百分比，配比通常在5%25%之間。 配比越低，載體上形成的液膜越薄，傳質(zhì)阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。 但配比較低時，固定相的負載量低，允許的進樣量較小。分析工作中通常傾向于使用較低的配比。3、 載體及其粒度的選擇載體粒度以柱徑的1/201/25為宜。范氏速率理論方程式可知，載體的粒度直接影響渦流擴散和氣相傳質(zhì)阻力，間接地影響液相傳質(zhì)阻力。隨著載體粒度的減小，柱效將明顯提高，但粒度過細，阻力將明顯增加，使柱壓降增大，對操作帶來不便。并且載體粒度均勻，形狀規(guī)則，有利于提高柱效。試樣相對分子質(zhì)量大，沸點高，極性大，固定液使用量少，多選用白色載體。試樣相對分子質(zhì)量小，沸點你、非極性，固定

42、液使用量多，多選用紅色載體。強極性、熱和化學不穩(wěn)定的化合物，可選用玻璃載體。4、 柱長和柱內(nèi)徑的選擇增加柱長對提高分離度有利（R正比于柱長L2），但組分的保留時間tR，且柱阻力，不便操作。 柱長的選用原則是在能滿足分離目的的前提下， 盡可能選用較短的柱，有利于縮短分析時間。 填充色譜柱的柱長通常為26m。 可根據(jù)要求的分離度通過計算確定合適的柱長或 實驗確定。 柱內(nèi)徑一般為36mm。5、 載氣種類及線速度的選擇載氣種類的選擇應(yīng)考慮三個方面：載氣對柱效的影響、 檢測器要求及載氣性質(zhì)。載氣摩爾質(zhì)量大，可抑制試樣的縱向擴散，提高柱效。載氣流速較大時，傳質(zhì)阻力項起主要作用，采用較小摩爾質(zhì)量的載氣，可減

43、小傳質(zhì)阻力，提高柱效。載氣流速的選擇：由圖可見存在最佳流速（uopt）。實際流速通常稍大于最佳流速，以縮短分析時間。氣相色譜中溫度的選擇包括三個部分：氣化室溫度、柱溫和檢測器溫度。三者中，柱溫是影響色譜分離效能和分析時間的重要操作參數(shù)。6、 溫度的選擇氣化溫度的選擇色譜儀進樣口下端有一氣化器，液體試樣進樣后，在此瞬間氣化；氣化溫度一般較柱溫高3070； 防止氣化溫度太高造成試樣分解。柱溫的選擇首先應(yīng)使柱溫控制在固定液的最高使用溫度（超過該溫度固定液易流失）和最低使用溫度（低于此溫度固定液以固體形式存在）范圍之內(nèi)。 柱溫，分離度R。柱溫，被測組分的揮發(fā)度，即被測組分在氣相中的濃度c，K，低沸點組

44、分峰易產(chǎn)生重疊。柱溫，分離度，分析時間。對于難分離物質(zhì)對，降低柱溫雖然可在一定程度內(nèi)使分離得到改善，但是不可能使之完全分離，這是由于兩組分的相對保留值增大的同時，兩組分的峰寬也在增加，當后者的增加速度大于前者時，兩峰的交疊更為嚴重。柱溫一般選擇在接近或略低于組分平均沸點的溫度。 組分復雜，沸程寬的試樣，采用程序升溫。當試樣復雜時，色譜柱度需要按一定程序控制溫度變化，各組分在最佳溫度下分離。所謂的程序升溫，是指在一個分析周期內(nèi)，溫度隨時間由低溫向高溫線性或非線性地變化，以使沸點不同的組分各在其最佳柱溫下流出，從而改善分離效果，縮短分析時間。檢測器的溫度一般均高于柱溫，以防止污染或出現(xiàn)異常響應(yīng)。檢

45、測器的選擇氣化室檢測器色譜柱7、 進樣方式和進樣量的選擇 液體試樣采用色譜微量進樣器進樣，規(guī)格有1mL，5mL，10mL等。氣體試樣應(yīng)采氣體進樣閥進樣。進樣量應(yīng)控制在柱容量允許范圍及檢測器線性檢測范圍之內(nèi)。色譜柱有效分離試樣量，隨柱內(nèi)徑、柱長及固定液用量不同而異。柱內(nèi)徑大，固定液用量高，可適當增加試樣量。但進樣量過大，會造成色譜柱超負荷，柱效急劇下降，峰形變寬，保留時間改變。理論上允許的最大進樣量是使下降的塔板數(shù)不超過10%。總之，最大允許的進樣量，應(yīng)控制在使峰面積和峰高與進樣量呈線性關(guān)系的范圍內(nèi)。進樣要求動作快、時間短。因為當進樣時間太長時，試樣原始寬度將變大，色譜峰半峰寬隨之變寬，有時甚至

46、使峰變形。一般地，進樣時間應(yīng)在1s以內(nèi)。2-6 氣相色譜定性方法定性分析的任務(wù)是確定色譜圖上各個峰代表什么物質(zhì)。1. 利用保留值定性： 保留值是試樣各組分，即溶質(zhì)在色譜柱或色譜體系中保留行為的度量，反映了溶質(zhì)與色譜固定相作用力類型和大小，與兩者分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，是重要的色譜熱力學參數(shù)和色譜定性的依據(jù)。 利用保留值已知物對照定性。例如利用保留時間定性 ：在相同色譜條件下，將標準物和樣品分別進樣，兩者保留值相同，可能為同一物質(zhì)。 此方法要求操作條件穩(wěn)定、一致，必須嚴格控制操作條件，尤其是流速。峰高加入法進樣量“低”利用加入法定性：將純物質(zhì)加入到試樣中，觀察各組分色譜峰的相對變化。如樣品復雜，流出峰距離

47、太近，或操作條件不易控制，可將已知物加到樣品中，混合進樣，若被測組分峰高增加了，則可能含該已知物。2. 利用文獻保留值定性利用相對保留值a21定性相對保留值a21僅與柱溫和固定液性質(zhì)有關(guān)。在色譜手冊中都列有各種物質(zhì)在不同固定液上的保留數(shù)據(jù)，可以用來進行定性鑒定。3. 保留指數(shù)又稱Kovats指數(shù)（），是一種重現(xiàn)性較好的定性參數(shù)。測定方法： 將正構(gòu)烷烴作為標準，規(guī)定其保留指數(shù)為分子中碳原子個數(shù)乘以100（如正己烷的保留指數(shù)為600）。 其它物質(zhì)的保留指數(shù)（IX）是通過選定兩個相鄰的正構(gòu)烷烴，其分別具有Z和Z1個碳原子。被測物質(zhì)X的調(diào)整保留時間應(yīng)在相鄰兩個正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留值之間如圖所示：保留指數(shù)

48、計算方法4. 與其他分析儀器聯(lián)用的定性方法小型化的臺式色質(zhì)譜聯(lián)用儀（GCMS；LCMS） 色譜紅外光譜儀聯(lián)用儀； 2-7 氣相色譜定量方法 色譜定量分析是根據(jù)檢測器對溶質(zhì)產(chǎn)生的響應(yīng)信號與溶質(zhì)的量成正比的原理，通過色譜圖上的峰面積或峰高，計算樣品中溶質(zhì)的含量。 mi=fi Ai mi=fihi mi被測組分i的質(zhì)量，fi比例系數(shù)Ai、hi被測組分的峰面積及峰高峰高可從色譜圖中直接測定。色譜峰面積以峰高與半峰高寬相乘而得。1. 定量校正因子相對校正因子f is ：即組分的絕對校正因子與標準物質(zhì)的絕對校正因子之比。絕對校正因子：比例系數(shù)f i ，單位面積對應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量，即 f i mi / Ai為什

49、么要測定定量較正因子？為什么要測定定量較正因子？色譜定量分析的依據(jù)是被測組分的量與其峰面積成正比。但是峰面積的大小不僅取決于組分的質(zhì)量，而且還與它的性質(zhì)有關(guān)。即當兩個質(zhì)量相同的不同組分在相同條件下使用同一檢測器進行測定時，所得的峰面積卻不相同。也就是說，在同一類型的檢測器上，重量或濃度相同的不同種物質(zhì)產(chǎn)生的信號是不一樣的。因此，混合物中某一組分的百分含量并不等于該組分的峰面積在各組分峰面積總和中所占的百分率。這樣，就不能直接利用峰面積計算物質(zhì)的含量。為了使峰面積能真實反映出物質(zhì)的質(zhì)量，使產(chǎn)生的響應(yīng)信號能定量代表物質(zhì)的含量，就要對峰面積進行校正，即在定量計算是引入校正因子。例： 將純苯與某組分A

50、配成混合溶液，進行氣相色譜分析，苯的樣品量為0.435µg時，峰面積為4.00 cm2 ，組分A的量為0.653µg，峰面積為6.50cm2，求組分A以苯為標準時的相對較正因子。 解：fis=Asmi/Aims=(4.00×0.653)/ (6.50×0.435) =0.922. 常用的幾種定量方法 （1）歸一化法：特點及要求： 歸一化法簡便、準確；進樣量的準確性和操作條件的變動對測定結(jié)果影響不大；僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況。例：某混合物中只含有乙苯及二甲苯異構(gòu)體，用FID檢測器檢測到如下數(shù)據(jù)，計算各組分的含量： 組分乙苯對二甲苯間二甲苯鄰二甲苯

51、峰面積A（mm2)12075140105相對校正因子0.971.000.960.98解：由于混合物中只含有以上四種組分且色譜圖上均有響應(yīng)，故可用歸一法計算。mi(乙苯）（120×0.97）/ (120×0.97+ 75×1.00 + 140×0.96 +105×0.98) 27.15（2）外標法外標法也稱為標準曲線法。特點及要求： 外標法不使用校正因子，準確性較高， 操作條件變化對結(jié)果準確性影響較大。 對進樣量的準確性控制要求較高，適用于大批量試樣的快速分析。（3）內(nèi)標法內(nèi)標物要滿足以下要求：（a）試樣中不含有該物質(zhì)；（b）與被測組分性質(zhì)比較接

52、近；（c）不與試樣發(fā)生化學反應(yīng)；（d）出峰位置應(yīng)位于被測組分附近。是將一定量的純物質(zhì)作為內(nèi)標物，加入到準確稱取的試樣中，根據(jù)被測物和內(nèi)標物的質(zhì)量及其在色譜圖上相應(yīng)的峰面積比，求出某組分的含量。試樣配制：準確稱取一定量的試樣W，加入一定量內(nèi)標物ms 計算式如下：例：測定苯二甲酸混合物中間苯二甲酸含量，稱取樣品0.3578g，內(nèi)標物癸二酸0.1029g，將樣品及內(nèi)標物甲酯化后進行氣相色譜分析，測得間苯二甲酸二甲酯的峰面積為23.7單位，癸二酸二甲酯的峰面積為24.5單位，已知這兩種酯的重量校正因子分別為0.77和1.00，求間苯二甲酸的含量。已知癸二酸分子量為202，癸二酸二甲酯分子量為230，間

53、苯二甲酸分子量為166，間苯二甲酸二甲酯分子量為194。解：先計算癸二酸二甲酯的量ms ms=(0.1029/202)×230=0.1172 再計算間苯二甲酸二甲酯的量mi mi=ms×(fiAi/fsAs)=0.1172×(23.7×0.77)/(24.5×1.00)=0.0873 求間苯二甲酸含量： Cm/W(0.0873/194) ×166/0.3578=20.9%2-8 毛細管柱氣相色譜法是用毛細管柱作為氣相色譜柱的一種高效、快速、高靈敏的分離分析方法。1957年由美國工程師Golay M J E提出，在細長的毛細管內(nèi)壁涂上固定液用于色譜分離，也稱為開管柱。克服了填充柱的填料顆粒不均勻、多路徑使渦流擴散嚴重、滲透性差、柱效低的缺點。毛細管