当前位置: 首页 > >

06 气相色谱分析法

发布时间:

第六章 气相色谱分析 Gas Chromatography,GC

第一节 色谱法概述
色谱法是一种分离分析方法。利用组分在固定
相和流动相中作用力的不同进行分离,用于复杂混 合物的分析。

一、色谱法发展
1906 年:俄国植物学家 Tswett 研究色素分离,提 出色谱法概念。

流动相
色谱柱 固定相

石油醚 植物叶的石 油醚提取液 CaCO3 叶绿素B

Tswett的实验

由chroma(色彩)和
graphos(图谱)构成 chromatography一词, 色谱法由此得名

叶绿素A
叶黄素

胡罗卜素

1941年:Martin 和Syngr 提出液-液分配色谱
法理论;

1951年:James 和Martin 发展了气相色谱法;
1956年:Van Deemterr 提出了描述色谱过程 的速率理论; 1967年:Kirkland 等研制高效液相色谱法; 80年代:毛细管电泳和毛细管电动色谱。

二、色谱法分类
按两相物理状态分为
气相色谱 流动相 气体 气体 液体 液体 固定相 固体 液体 固体 液体 色谱法 气-固色谱 气-液色谱 液-固色谱 液-液色谱

液相色谱

超临界流体色谱

按固定相使用形式分
柱色谱、*板色谱(薄层色谱和纸色谱)

按分离机理分
分配色谱(partition chromatograpgy) 吸附色谱(adsorption chromatography) 离子交换色谱(ion exchange chromatography) 空间排阻色谱(steric exclusion chromatography) 亲合色谱(affinity chromatography)

按分离效率分
经典液相色谱、高效液相色谱

三、色谱法的特点

1. 分离效率高:复杂混合物,有机同系物、异构体、手 性异构体。 2. 灵敏度高:可以检测出 μg.g-1(10-6) 级甚至 ng.g-1(10-9) 级 的物质量。 3. 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。 4. 应用范围广:气相色谱:沸点低于 400℃的有机物分析 。液相色谱:高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。 不足之处:被分离组分的定性较为困难。

四、基本概念及术语
1. 色谱流出曲线(色谱图)
组分从色谱柱中流出时,检测器响应信号大小随 时间变化所形成的峰形曲线。当进样量很小时,组分 在柱中的吸附或分配在等温线范围内,色谱峰呈正态 分布,即得一条对称的曲线。 气相色谱中以组分浓度检测器响应信号为纵坐 标,流出时间为横坐标,给出组分及其浓度随时间变 化的曲线,称为色谱流出曲线

色谱流出曲线
峰 标准偏差σ 峰高

峰面 积

半峰宽

峰宽

基线

2.常用术语: (1)基线 无组分进入检测器时,检测器噪声随时 间变化的曲线。稳定情况下,一条直线。 基线漂移和基线噪音

基线波动示意图

(2)保留值 组分在色谱柱中停留的数值,可用时间 t 和所
消耗流动相的体积来表示。组分在固定相中溶解性 能越好,或固定相的吸附性越强,则在柱中滞留的 时间越长,消耗的流动相体积越大。固定相、流动 相固定,条件一定时,组分的保留值是个定值。

死时间 tM——不被固定相吸附或溶解的组分流经色谱柱 所需的时间(从进样开始到柱后出现峰最大值所需的时 间)。 气相色谱 —惰性气体(空气、甲烷等)流出色谱柱 所需的时间。

tM

保留时间tR

——

—组分流经色谱柱 时所需时间。进样 开始到柱后出现最 大值时所需的时间。 操作条件不变时, 一种组分有一个 tR 定值,定性参数。

调整保留时间
t′R— 扣除了死时间 的 保 留 时 间 , t ′R =tR-t0
。 又称校正保

t’ R

留时间,实际保留 时间。 t′R体现的是组分在 柱中被吸附或溶解 的时间。

死体积 VM:色谱系统的空隙体积。 VM=tM×qv,0 qv,0 色谱柱出口流动相体积流量(mL· min-1) 保留体积 VR:被测组分从进样开始到柱后出现浓度

最大值时所通过的流动相体积。
VR=tR×qv,0 调整保留体积 V′R:扣除了死体积的保留体积。 V′R=VR-VM=t′R×qv,0

相对保留值 r2,1 (α)
相对保留值 r2,1:固定相对组分 2 的调整保留值与 另一组分 1 的调整保留值之比。

r2,1 ?

t t

' R2 ' R1

?

' VR 2

V

' R1

r2,1 只与柱温和固定相性质有关,与其它色谱 操作条件无关。
相邻组分的相对保留值作为色谱系统选择性的 指标,所以也称其为分离因子(α)。α越大,表示 固定相对此两组分的选择性越好。

(3)峰宽
E 进 样 空 气 峰 2σ Y1/2 0.607h 0.5h

h

0 t Y ? 标准偏差σ:流出曲线呈正态分布时,0.607 倍峰高 处色谱峰宽度的一半。 ? 半峰宽 Y1/2:0.5 倍峰高处色谱峰的宽度。

Y1/ 2 ? 2? 2 ln 2 ? 2.354?

? 峰底宽 Y:色谱峰两拐点作切线交于基线上的截距。

Y=4σ =1.699Y1/2 Y1/2 =0.59Y

(4)峰高 h 峰高h —色谱峰最高点与基线之间的垂直 距离,可用mm, mV,mA表示。峰的高低与组 分浓度有关,峰越高越窄越好。

h

应用举例(GC)

总结
(1)色谱峰的位置即保留值—进行定性分析。 (2)色谱峰的 h,A —进行定量分析。

(3)色谱峰的位置及峰的宽度—是评价色谱柱分离效能的依据。
(4)根据色谱峰的个数,可以判断样品中所含组分的最少个数。 (5)色谱峰两峰间的距离,是评价固定相(和流动相)选择是 否合适的依据。

第二节 色谱分析理论基础
一、气相色谱分析基本原理
1. 色谱柱型:a. 填充柱

b. 毛细管柱
2. 分离过程:

气固色谱:吸附-脱附-吸附-脱附……
气液色谱:溶解-挥发-溶解-挥发……

组分在两相间的分布
分配系数 K:在一定温度和压力下,组分在两相间分配 达到*衡时的浓度比。

组分在固定相中的浓度 c S K? ? 组分在流动相中的浓度 cM
K 与固定相性质、组分性质、流动相性质有关。 分配比 k:在一定温度、压力下,组分在两相间达到分 配*衡时的质量比。又称容量因子、容量比。 溶质在固定相中的质量 mS ? k? mM 溶质在流动相中的质量
与两相性质、温度、色谱柱结构有关,与流动 相流速、柱长无关。

cs ms / Vs VM K= ? ?k? ? k?? c M mM / VM VS
相比 β 色谱柱中流动相体积与固定相体积之比。
色谱柱内流动相体积 VM ?? ? 色谱柱内固定相体积 VS

分配系数和分配比与组分和固定相的热力学性质 有关,但分配比随固定相的量而改变。分配比是衡量 色谱柱对组分保留能力的重要参数,k 值越大,保留 时间越长。分配比 k 值可以由色谱实验测出。

滞留因子 RS:组分在柱内的线速度 ? s与流动相 (*┰谥诘南咚俣 ? 之比。

us Rs ? u mM 1 1 Rs ? ? ? ? ? ms ? mM 1 ? ms 1 ? k mM L tM ? u L tR ? uS t R ? tM (1 ? k )

(2-11) (2-12)

t R ? t M t R? k? ? tM tM

(2-16)

二、色谱分离的基本理论
色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离, 组分要达到完全分离,两峰间的距离必须足够远, 两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定, 即与色谱过程的热力学性质有关。

但是两峰间虽有一定距离,如果每个峰都很宽, 以致彼此重叠,还是不能分开。峰的宽或窄是由组 分在色谱柱中传质和扩散行为决定的,即与色谱过 程的动力学性质有关。因此,要从热力学和动力学 两方面来研究色谱行为。

1. 塔板理论
把色谱柱比作一个精馏塔,

沿用精馏塔中塔板的概念来描述
组分在两相间的分配行为。同时 引入理论塔板数作为衡量柱效率

的指标,即色谱柱是由一系列连
续的、相等的水*塔板组成。每 一块塔板的高度用 H 表示,称为 塔板高度。由Martin 等人提出。

基本假设:
1. 在柱内一小段高度 H 内,组分很快在两相间达 到*衡。

2. 流动相间歇式地通过色谱柱,每次进入一个塔
板体积。 3. 样品中所有组分开始时加于第 0 号塔板上,且 沿轴(纵)向的扩散可以忽略。 4. 分配系数在各塔板上是常数,与组分在塔板上 的量无关。

? 为简单起见,设色谱柱由 5 块塔板(n=5, n 为柱子的塔板数)组成,并以 r 表示塔板 编号,r=0,1,2…,n-l;某组分的分配 比 k=1。

根据上述假定,在色谱分离过程中,该 组分的分布可计算如下:开始时,若有单位 质量,即m=1(例 1mg 或1μg)的该组分加 到第0号塔板上,分配*衡后, 由于 k=1, 即 ms=mM,故 mM=ms=0.5。

当n>50时可以得到对称的峰形曲线,流出曲线 方程为:

x

? c0 ct ? e ? 2?

( t ?t R ) 2 2? 2

n

c0 进样浓度,ct 时间 t 时柱出口浓度,σ 标准偏 差,tR 保留时间

理论塔板数-柱效能指标
理论塔板数 n 与色谱峰宽度的关系式

tR 2 tR 2 L ? 5.54( ) ? 16( ) n? Y1/ 2 Y H
理论塔板高度

Y1/2=0.59Y

L H? n

可见:在一定长度的色谱柱中,如果得到的色 谱峰越窄,柱的理论塔板数越多,或理论塔板高度 越小,组分达到分配*衡的次数越多,柱效能越高。

有效塔板数
n有效
' t 2 tR 2 ? 5.54( ) ? 16( ) Y1/ 2 Y

' R

H 有效 ?
结 论:

L n有效

? n有效越大,组分在柱内分配*衡的次数越多,柱效 能越高,峰形越窄。

?同一根色谱柱对不同物质的柱效能不同。因此,用
n有效表示柱效能时,必须说明对什么物质而言。

例题 在柱长2m、5%阿皮松柱、柱温100℃、记录纸 速为2.0cm/min的实验条件下,测得空气的保留时间为 0.2min,苯的保留时间为1.5min,半峰宽为0.20cm, 求理论塔板高度和有效塔板高度。

1.50 min 2 3 ) ? 1.2 ?10 解: n ? 5.54( 0.20cm / 2.0cm / min 2000 H? ? 1.7(mm) 3 1.2 ?10 1.50 min ? 0.2 min 2 2 n有效 ? 5.54( ) ? 9.4 ?10 0.20cm / 2.0cm / min 2000 H 有效 ? ? 2.1(mm) 2 9.4 ?10 注意:tR 与Y1/2的单位要一致! L与H的单位要相同!

对塔板理论的评价
塔板理论在解释流出曲线的形状,评价柱效能
等方面是成功的。但不能解释影响塔板高度的因素, 如柱填充均匀程度、载体粒度、*魉佟⒐潭ㄒ 厚度等因素对柱效能的影响。 原因: 实际色谱过程与塔板理论的假设不完全相符

1. 线速度较快的*榉滞ü字榉钟
固定相不可能达到真正的分配*衡状态; 2. 组分在色谱柱内有浓度梯度,存在纵向扩散;

3. 分配系数 K 与浓度只在有限范围内无关。

2. 速率理论
1956 年荷兰学者范第姆特提出了色谱过程的速 率理论 。他吸收了塔板理论中板高的概念,并充分 考虑了组分在两相间的扩散和传质过程,从而在动 力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。

B H ? A ? ? Cu u
u 为流动相的线速度;A、B、C为常数,分别代表涡 流扩散项、分子扩散项系数、传质阻力项系数。

涡流扩散项 A
组分受到固定相颗粒阻碍,不断改变流动方向, 形成紊乱的类似涡流的流动,造成色谱峰扩张。

A=2λdp
λ 填充不均匀(规则)因子,dP 填充物*均直径(cm)。

为了减少涡流扩散,提高柱效,使用细而均 匀的颗粒,并且填充均匀是十分必要的。

分子(纵向)扩散项 B/u
色谱柱中组分因浓度梯度而产生纵向(轴向) 扩散所引起的色谱峰展宽现象。

分子扩散项系数
γ≤1 弯曲因子,与填 充物有关的系数,Dg 组分分子在流动相中 的扩散系数。
T Dg ? M * P

B = 2 γD g

,组分在*械耐A羰奔

越长,纵向扩散越显著。

减小纵向扩散的措施
? 采用较高*魉

? 选用分子量大的*ㄈ鏝2)减小 Dg。
? 合适的柱温度

传质阻力项 Cu
在气-液色谱中,样品进入色谱柱后,组分在气 -液界面进入固定液,并扩散至固定液深部,进而达 到动态分配“*衡”。当纯净*蚝械陀凇*衡” 浓度的*嚼词保潭ㄒ褐懈米榉值姆肿咏鸫位 到气-液界面,被*撸庵秩芙狻⒗┥ⅰ⒆ 的过程称为传质过程。 阻碍组分分子快速传递实现*衡而限制传质速率 的分子间作用力称传质阻力。

Cu=Cgu +Clu=(Cg+Cl)u

Cgu 气相传质阻力:试样组分分子从气相移动到 固定相表面进行分配时所受到的阻力。Cg 气相传 质阻力系数。

0.01k d Cg ? 2 (1 ? k ) Dg
2

2 p

采用颗粒度小的填充物,分子量小的载 气可以提高柱效。

Clu 液相传质阻力:组分从固定相的气-液界面 移动到液相内部进行质量交换达到分配*衡后, 又返回到气液界面的过程中所受到的阻力。Cl 液相传质阻力系数。

2 k Cl ? 3 (1 ? k ) 2 Dl

d2 f

df 固定相的液膜厚度,Dl 组分在液相中的扩散系数。 降低固定相液膜厚度是减小传质阻力系数的主要方法 。

气相色谱中的速率方程
2 2 2 ? ? d d 2?Dg 0.01k 2 k p f H ? 2?dp ? ?? ? ? ? ? ? ?u 2 2 u ? ? (1 ? k ) Dg 3 (1 ? k ) Dl ? ?

范第姆特方程对于分离条件的选择具有指导
意义。它可以说明,填充均匀程度、担体粒度、 *掷唷⒃*魉佟⒅隆⒐潭ㄏ嘁耗ず穸鹊 对柱效、峰扩张的影响。

第三节 色谱分离条件的选择
色谱分离的三种情况
AB A B

A

B

K相等,峰形宽

K相差小,峰形宽 K相差大,峰形窄

色谱法分离两组分的必要条件: 1. 两组分色谱峰间距离足够大, 2. 两色谱峰宽度足够小。

一、分离度(resolution) R
相邻两组分色谱峰的保留值之差与色谱峰底 宽度*均值的比值。

1
t’ t’R2
R2-

2 R?
t’

t R2 ? t R1 (Y1 ? Y2 ) / 2

?

' ' tR ? t R1 2

(Y1 ? Y2 ) / 2

tM

t’R1

R1

R=0,不能分离 R=1,分离97.7% R=1.5,分离99.7%

当两组分的色谱峰分离较差,Y 难于测量时,可用 t R2 ? t R1 Y1/2 表示。 ' R ? ? 1.699 R (Y1/ 2(1) ? Y1/ 2( 2) ) / 2

影响分离度的因素
R? t R2 ? t R1 (Y1 ? Y2 ) / 2

?

' ' tR ? t R1 2

(Y1 ? Y2 ) / 2

?式中:分子反映了组分在两相中分配行为对分

离的影响, 是色谱分离的热力学因素。 ?分母反映了动态过程组分谱带扩宽对分离的影 响,是色谱分离的动力学因素。 ?从中得到:两组分保留时间相差越大,色谱峰 越窄,分离越好。色谱柱的总分离效能指标。

二、色谱分离基本方程式
对于难分离物质对,可以认为:Y1=Y2=Y,k1=k2=k

tR 2 1 n 1 n ? 16( ) ? ? Y Y 4 tR
R?
' ' tR ? t R1 2

' tR k? tM

a?

' tR 2 ' tR 1

Y

' ' n t R2 ? t R1 ? ' 4 tR ? tM 2

' n (1 ? 1 a)t R2 ? ' 4 tR ? tM 2

?

n a ? 1 k2 4 a k2 ? 1

n a ?1 k R? ( )( ) 4 a k ?1

用n有效表示的色谱分离基本方程式
n n有效 16(t R Y ) t R 2 t ? tM 2 k ?1 2 ? ?( ' ) ?( ' ) ?( ) ' 2 16(t R Y ) tR tR k
2 ' R

n a ?1 k R? ( )( ) 4 a k ?1

1 a ?1 ? n有效 ? 4 a a 2 2 n有效 ? 16R ( ) a ?1
2

a 2 L ? n有效 H 有效 ? 16 R ? H 有效 ? ( ) a ?1

例题:设两组分的α分别为1.08 和 1.16 时,要使它们 完全分离(R=1.5),n有效和色谱柱长分别为多少?一般 填充柱的H有效=0.10cm。

解:(1)

1.08 2 n有效 ? 16 ?1.5 ? ( ) ? 6.6 ?103 1.08 ? 1 L ? n有效 H 有效 ? 6.6 ?103 ? 0.10 / 100 ? 6.6m
2

α =1.08 时

(2)

α =1.16 时
2

1.16 2 n有效 ? 16 ?1.5 ? ( ) ? 1.9 ?103 1.16 ? 1 L ? n有效 H 有效 ? 1.9 ?103 ? 0.10 / 100 ? 1.9m
结论: α越大,达到同样分离效果,所需柱长越短。

1. 分离度与柱效的关系 当固定相确定,被分离物质对的α确定后, 分离度将取决于n。这时,对于一定理论板高的 柱子,分离度的*方与柱长成正比,即 (R1 / R2)2 = n1 / n2 = L1 / L2 说明用柱长的色谱柱可以提高分离度,但延 长了分析时间。因此,提高分离度的好方法是制 备出一根性能优良的柱子,通过降低板高,以提 高分离度。

2. 分离度与选择因子的关系
由色谱分离基本方程式判断,当 α= 1时,R = 0 。这时,无论怎样提高柱效也无法使两组分 分离。显然,α大,选择性好。研究证明α的微小 变化,就能引起分离度的显著变化。一般通过改 变固定相和流动相的性质和组成或降低柱温,可 有效增大α值。

3. 分离度与容量因子的关系
分离度与容量因子有关, 容量因子越大,分离越好。 但当容量因子大于10,分离 度的改变不大,而分析时间 将大大延长。因此,k的最 佳范围是1<k<10。

? 改变容量因子的方法有:

–改变柱温
–改变相比,即改变固定相的量和改变柱

死体积。使用死体积大的柱子,分离度
将受到很大损失。 –在高效液相色谱中改变流动相的配比是 最简便、最有效的方法

三、分离操作条件的选择
B H ? A ? ? Cu u
? *捌淞魉 低流速 时,B/u是主要因素,选用 分子量大的*(N2、Ar) 。 高流速时,Cu 是主要因素, 流速越大,柱效越低,选 用分子量小的*(H2、 He)。 μ最佳 = (B/C)1/2 H最小 =A+2(BC)1/2

? 色谱柱长度 增加柱长,可提高柱效;但加宽色 谱峰,延长分析时间,在分离度满足要求时尽量缩 短柱长。 ? 色谱柱温度 柱温升高,选择性r2,1下降,固定液 损失增大,基线稳定性变差。柱温低时,分配*衡 速度减慢,峰形变宽,柱效下降,分析时间延长。 选择原则:在使最难分离的物质对能分离的前提下, 尽可能采用低温,以保留时间适当、峰形不拖尾为 度。宽沸点范围试样,采用程序升温。

? 固定液配比

通常为1:20~1:4。低配比可减小液相

传质阻力,增加塔板数,柱效提高,但容许的进样量 减小,要求检测器灵敏度高。

? 进样时间
? 进样量

要快(1秒钟内),慢则色谱峰形变宽变形。
液体0.1-5μL,气体0.1-10mL。峰面积

或峰高与进样量成线性关系 。太多,色谱峰变宽,分 离不好;太少,低含量组分检测不到。 ? 气化温度 能使试样迅速气化而不分解,提高气化 温度对分离有利。一般气化温度比柱温高 30~70℃。

? 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的情况。要求 担体表面积大,表面和孔径分布均匀。 对担体粒度要求均匀细小,这样有利提高柱效。 粒度越小,填充越匀,柱效越高。但太小,不易填 匀,阻力增大,柱压降增大。
对于常用的内径为 3~6mm 填充柱,用 80~ 100 目担体。

第四节 固定相及其选择
一、气-固色谱固定相
气固色谱的固定相 表面具有一定活性的吸附剂。 常用的有 活性碳(非极性) Al2O3(弱极性) 硅胶(强极性) 分子筛(见表2-4) 高分子多孔微球 (见表2-5) 应 用

分离氢气、氧气、一氧化碳、二氧化碳等 永久性气体,低沸点烃类。

二、气-液色谱固定相
1. 担体(载体) 化学惰性,多孔性的固体颗粒, 用以承担固定液。

对担体的要求:多孔性,表面积大,固定液 在其表面上能均匀涂布;化学惰性,表面无 吸附,不与试样组分发生化学反应;热稳定 性好,有一定机械强度;均匀细小。

气相色谱担体
? 硅藻土型 表面积大 柱效率高 应用普遍 白色 机械强度较差,比表面积小(1m2/g),孔 径大,表面活化中心少,吸附性小。用于极性化合 物。 红色 机械强度大,比表面积大(4m2/g),孔径 小,柱效高,但表面有活性中心,引起催化吸附效 应。用于烃类、非极性、弱极性化合物。 ? 非硅藻土型 玻璃球、氟担体、高分子多孔微球。 应用少,用于特殊分析。

2. 固定液
对固定液的要求

? ? ? ? ?

沸点高,挥发性小。 选择性好。 热稳定性好,在操作温度下不分解。 化学稳定性好,不与待测组分反应。 对试样各组分有适当的溶解能力。

固定液的分类-化学分类法
? 烃类 烷烃、芳烃 标准非极性固定液
? 硅氧烷类 通用固定液 CH3 CH3 | | (CH3)2Si-Si--O-Si--O-Si(OH)3 | | R CH3 Y X

n=X+Y

甲基硅氧烷 R为甲基 耐高温、弱极性固定液 甲基硅油(n<400) 甲基硅橡胶(n>400) 苯基硅氧烷 R为苯基 随着苯基含量增加,极性增强 氟烷基硅氧烷 R为三氟丙基 中等极性固定液 氰基硅氧烷 R为氰乙基 强极性 氰乙基增加, 极性增强 ? 醇类 氢键型 分聚合醇类和非聚合醇类 ? 酯类 中等强度极性 分聚合酯类和非聚合酯类

固定液的分类-极性分类法
1. 静电力 由极性分子的永久偶极间存在的静电作用引起。
2. 诱导力 极性分子的永久偶极的静电场使非极性分子极化 产生诱导偶极,两分子相互吸引的力。用极性固定液可分离非 极性和可极化分子。 3. 色散力 非极性分子由于电子运动、原子核在零点间的振 动而产生瞬间周期变化的偶极矩,而使非极性分子间产生的作 用力。色散力与沸点成正比。 4. 氢键力 分子中一个 H 和一个电负性很大的原子 X 构成 共价键,又和另一个电负性很大的原子 Y 形成的一种强有力 的、有方向性的吸引力。 F-H‥F>O-H‥O>O-H‥N>N-H‥N

分子间的作用力与分子的极性关联。

固定液的相对极性
规定强极性固定液β,β’-氧二丙腈的极性为100,非 极性的角鲨烷的极性为 0,测定苯和环已烷在这两种固 定液和待测固定液上的相对保留值,被测固定液的相对 极性按下式计算: ' t 100(q1 ? q x ) q1 ? lg ' R苯 Px ? 100 ? t R环已烷 q1 ? q2
q1 在β,β’-氧二丙腈柱上苯和环已烷的相对保留值 的对数。 q2 在角鲨烷柱上苯和环已烷的相对保留值的对数 qX 在待测液柱上苯和环已烷的相对保留值的对数 P:0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 +1 +2 +3 +4 +5 非极性 弱极性 中等极性 强极性

极性分类的标准物
角鲨烷
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 | | | | | | HC-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH-(CH2)4-CH-(CH2)3 - CH-(CH2)3-CH | | CH3 CH3

β,β’ -氧二丙腈 N≡C-CH2- CH2-O-CH2-CH2-C≡N

常用固定液
名 角鲨烷 阿皮松 称 相对 使用 溶 极性 温度 0 140 乙醚 +1 剂 用 途 烃类非极性化合物 高沸点非极性和弱极性 化合物

甲基硅酮
甲基硅橡胶 邻苯二甲酸二 壬酯 聚苯醚 有机硅土-34

+1
+1

苯、氯仿 250 石油醚 丙酮、氯 220 仿 乙醚、丙 300 酮

非极性和弱极性有机物
高沸点非极性和弱极性 物质 烃、酮、酯、弱极性有 机物 芳烃、脂肪烃 芳烃、二甲苯异构体

+2
+3 +4

150 氯仿
200 甲苯 200

常用固定液(续表)
名 称 相对 极性 +4 +4 +4 使用 溶剂 温度 250 240 250 丙酮 醇、酮 丙酮 醇、酮 用 酯 酯 途 聚丁二酸二乙 醇酯 聚丁二酸丁二 醇酯 聚丁二酸二乙 二醇

丙酮 极性化合物 甲醇、脂肪烃、芳烃、含氧化 丙酮 合物等极性化合物 氯仿、极性化合物醇、醛、酮、 丙酮 酯

β,β-氧二丙腈
聚乙二醇

+5
氢键型 强极性

100
225

1,2,3-三(2-氰基 氢键型 乙氧基)丙烷 强极性

175

氯仿 极性化合物

固定液的选择
一般原则:相似相溶原则,极性相似,则分子间作用力 大,分配系数大,柱内保留时间长。 细则: ?非极性物质用非极性固定液,按沸点升高顺序流出。 ?中等极性物质用中等极性固定液,沸点和分子间力同时 起作用,沸点接*时,极性大组分后流出。 ?强极性物质用强极性固定液,按极性顺序分离,极性小 的先流出。 ?能形成氢键的物质用强极性或氢键型固定液,按形成氢 键能力小大顺序流出。 ?分离极性和非极性混合物时,一般选用极性固定液。

第五节 气相色谱检测器

*低

进样系统

色谱柱

检测系统

温控系统 1-*制浚2-减压阀;3-净化干燥管;4-针形阀;5流量计;6-压力表;7-进样阀;8-色谱柱;9-(热导)检 测器;10-放大器;11-温度控制器;12-记录仪。

气相色谱检测器 (dtector)
对检测器的要求: 灵敏度高、响应快速、稳定性好、线性范围 广、结构简单、通用性强

浓度型

信号大小与被测组分的浓度成正比
热导检测器 电子捕获检测器

质量型

信号大小与被测组分的质量流速成正比 氢火焰离子化检测器 (含P、S化合物) 火焰光度检测器

一、热导检测器(TCD) Thermal conductivity detector
利用被检测组分与*娜鹊枷凳牟钜 检测组分浓度变化。

属通用型检测器,是典型的浓度型检测器。
在*胱榉忠欢ㄊ保藕庞胱榉衷谠*

中的浓度成正比。

双臂热导池检测器
参考臂

* *

*+组分
*+组分

热敏元件

钨丝

测量臂

*匝

热 导 池 原 理

I2
R2 R4 电流控制 R1 R3

*

I1
记 录 仪

I4

R5

I3

衰 减 器

零点调节 若被测组分的热导系数与*娜鹊枷凳煌 则热传导散热变化,钨丝温度改变,电阻改变,电桥 失去*衡,产生电流。

某些气体和蒸汽的热导系数
气体或蒸汽 空气 氢 氦 λ /10-4J·(cm·s·℃)-1 0℃ 100℃ 2.17 3.14 17.41 22.4 14.57 17.41

氧 氮 甲烷 乙烷 丙烷 乙烯 乙炔

2.47 2.43 3.01 1.80 1.51 1.76 1.88

3.18 3.14 4.56 3.06 2.64 3.10 2.85

影响热导池检测器灵敏度的因素
1. 桥路工作电流 电流增大,热敏元件温度提高, 与池体温差加大,气体容易将热传出,灵敏度提高。 一般控制在100-200mA。 2. 热导池池体温度 池体温度低,与热敏元件的温 差加大,容易传热,灵敏度提高。池体温度太低时, 被测组分冷凝。一般池体温度不低于柱温。 3. * *胧匝娜鹊枷凳嗖钤酱螅槊舳 越高 通常用氢气或氦气作* 4. 热敏元件阻值 电阻值高、电阻温度系数大的热 敏元件,灵敏度高。 5. 死体积 死体积小,灵敏度高。

二、氢火焰离子化检测器(FID) Hydrogen flame ionization detector
收集极 高 电 阻

放 大 器
记 录 仪

极化极
空气 H2 柱流出液

工作原理
CnHm · CH · CH+O* CHO++ eCHO++H2O H3O++CO
离子流(电流)强度与 单位时间内进入检测 器中的有机物的量成 正比。 对在氢焰中不电离的 物质无响应。 + +

150-300V




空气

H2
柱流出液

氢火焰检测器的特点
氢火焰检测器对含碳有机化合物的灵 敏度很高,适宜痕量有机物的分析。结构

简单、稳定性好、线性范围宽,但不能检
测惰性气体。

三、电子捕获检测器(ECD) Electron capature detector
利用电负性物质捕获电子的能力,通过测定电子 流进行检测,专属型检测器。对含卤素、硫、氧、氮、 磷等电负性原子的化合物有很高的响应。 优点:灵敏度高,选择性好。 缺点:对无电负性的物质如烷烃等几乎无响应,线性

范围较窄。
使用要求:*慷纫撸99.99%以上);流速要稳 定。

电子捕获检测器工作原理
不锈钢棒
63Ni

放大器

记 录 仪

β放射源 *肟

在射线作用下 N2 → N2+ + e AB+e →AB-+E AB- + N2+ → AB+N2

在电场的作用下,电子向阳极运动,正离子向 阴极运动,产生10-9~10-8A的基始电流。
当电负性组分进入时,捕获电子使基流下降,产 生负信号形成倒峰。在一定浓度范围内,组分浓度愈 高,倒峰愈大。

第六节 气相色谱定性分析
利用与已知物对照定性
1.利用保留值定性 将待鉴定物质与已知纯物质分别 r2,1只与两物质的分配系 进样,测定保留值,相同可初步认定是同一物质。 2.利用相对保留值r2,1定性 数 K 有关,而 K 只取决于组分性质、柱温和固定液

性质。
3.用加入已知物增加峰高定性 将适量已知对照物加 入样品中,混匀,进样,对照加入前后的色谱图,

若某色谱峰增高,则该色谱峰组分可能为对照物质。

保留指数(I)定性
用正构烷烃系列作标准物,人为规定对碳原子数 为 n 的正构烷烃,保留指数为 100n。 在指定实验条件下,测得组分和两个正构烷烃 的调整保留值(这两个调整保留值必须落在被测组 分的前后)后,被测组分的保留指数 Ii 按下式计算:
lg X i ? lg X Z I i ? 100( Z ? ) lg X Z ?1 ? lg X Z

Xi、XZ、XZ+1 为被测组分、碳原子数为Z、Z+1的 正构烷烃的调整保留值。 只与柱温、固定液性质有关,重现性好,相对误 差小于0.02%。可用文献值而不必用纯物质。必须保 证实验条件与文献规定的一致。

例:气相色谱柱上,在恒温下获得如下数据,计算样 品组分的保留指数。
组分 保留时间 解: 空气 0.22 正已烷 4.13 样品组分 5.20 正庚烷 6.35

(lg X i ? lg X Z ) I i ? 100[ Z ? ] lg X Z ?1 ? lg X Z

lg( 5.20 ? 0.22) ? lg( 4.13 ? 0.22) I i ? 100[6 ? ] lg( 6.35 ? 0.22) ? lg( 4.13 ? 0.22)
? 653.8

表明被测组分在此色谱体系下的保留值相当于 具有 6.538 个碳原子数的正构烷烃的保留值。

第七节 气相色谱定量分析方法
实验条件恒定时,色谱峰面积与组分的量成正比

mi ? fi Ai
'

fi’ 定量校正因子或绝对校正因子。单位峰面积相 当的组分质量。

在一定进样量范围内,色谱峰的半宽度与进样 量无关,因此正常峰也可用峰高代替峰面积求含量。

mi ? f ? hi
' hi

.

一、定量校正因子
? 绝对定量校正因子 fi’ 在一定的操作条件下,单位峰 面积所代表的组分质量。用标准物在实验条件下测定。 ni Vi mi ' ' ' fi(M ) ? f i (V ) ? fi(m) ? Ai Ai Ai 需准确进样,受操作条件影响,不易测准,很少使用。 ? 相对质量校正因子 fi(m) 校正因子之比。
fm ? f i (' m ) f S' ( m )

被测物 I 和标准物 s 的绝对

mi ? As 标准物:热导池用苯, mi / Ai ? ? ms / As ms ? Ai 氢焰离子化用正庚烷

只需知道组分 i 和标准物 S 的质量比和峰面积比。

? 相对摩尔校正因子 fi(M)

fM ?

f f

' i(M ) ' S (M )

mi As M S MS ? ? fm ms Ai M i Mi

? 相对体积校正因子 fi(V)
fV ?
' fi( V)



f S' (V )

mi As M S 22.4 ? ? fM ms Ai M i 22.4

对于气体分析,用相对摩尔校正因子,可得体积分数。

? 相对响应值si’ 被测物 I 和标准物 s 的灵敏度之比。即 被测组分 i 的灵敏度是基准物质 S 的灵敏度的多少倍。

Si Ai / mi Ai ms S ? ? ? Ss As / ms As mi
' i

因为

mi ? As fm ? ms ? Ai

所以

s ?1 f m
'

相对响应值和相对校正因子只与试样、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,是通用常数。

二、定量分析方法
1. 2. 3. 归一化法 内标法 外标法 标准曲线法 一点校正法

一、归一化法
因组分质量与峰面积成正比,若样品中所有组分都 能产生信号,得到相应的色谱峰,则可用归一化公式计 算各组分的含量。
Ai f i ' mi Ai f i ? wi ? ? ' A f m A1 f1 ? A2 f 2 ? ? Ai f i ? ? ? An f n ? i i

若各组分的校正因子相*或相同 mi Ai wi ? ? 则 m ? Ai

f1 ? f 2 ? ? ? f n ? f

简便、准确、操作条件对分析结果影响不大,但各组 分不能全出峰时不能应用。

例题

用5%甲基硅橡胶(SE-30)柱,柱温100℃,分离某 醇类混合物,测得数据如表,计算各组分的百分含量: 甲醇 乙醇 正丙醇 正丁醇 正戊醇 4.0 29.0 3.0 21.9 2.5 18.2 2.2 16.1

Ai
( Ai / ? Ai ) ?100
fi(正庚烷为基准) fi×Ai

2.0 14.6

4.35 8.70
29.7

2.18 8.72
29.8

1.67 5.01
17.1

1.52 3.80
13.0

1.39 3.06
10.4

( f i Ai / ? f i Ai ) ?100

用面积归一化计算结果多数与实际含量相差很大; 用校正面积归一化计算所得的百分含量与实际含量相符。

二、内标法
选择样品中不存在的纯物质 S 作为内标物,以待测 组分 i 和内标物S的响应信号的比值测定待测组分i 含量。 ' m A ? f ' ' i ? i i' mi ? Ai fi mS ? AS f S ms As ? f s 操作方法: 准确称取试样m,再准确称取 ms 内标物加 入样品中,混匀,进样,分别测出 Ai 和 As,则:
mi Ai f i ' ms Ai f i ms wi ? ? ? ? ? 以S作标准物 ' m样品 As f s m样品 As m样品

应用:检测器不能对每个组分产生信号;只需测定混 合物中某几个组分。

内标法小结
对内标物的要求 ? 内标物色谱峰与组分色谱峰靠*,且完全分离。
? 内标物浓度与被测组分浓度接*。 ? 内标物与被测组分的结构相似,性质相*。 ? 内标物纯度高,且试样中不存在。

优点:峰面积相对值进行计算,同一基体下测量, 消除基体带来的干扰和非人为的系统误差。 适合于微量组分或杂质的测定 缺点:内标物不易寻找。

三、外标法
用待测组分的纯品作标准物,以标准物质和样品 中待测组分的响应信号相比较进行定量分析的方法。 工作曲线法:以待测组分纯品 Ai h 配成系列质量浓度(分数)标准 溶液,固定体积进样;响应信 号对浓度作图,测同样体积样 品中被测组分信号值后,从工 作曲线上查出待测组分的质量 浓度(分数)。 X

Y

ci wi

外标单点校正法
( Ai ) 样品 ( wi ) 样品 ? ( wi ) 标准 ( Ai ) 标准
? K i ( Ai )样品

( wi ) 标准 Ki ? ( Ai ) 标准

操作方法 将标准品溶液和样品溶液在相同条件下, 多次分别进样,测得峰面积的*均值。为了提高测定 准确度,尽量使对照品溶液的浓度与样品中待测组分 浓度接*。 当试样中被测组分的浓度变化不大时用此法可避 免制作标准曲线的麻烦。

外标法小结
优点
方法简便,不要校正因子,无论样品中

其它组分是否出峰,均可对待测组分定量测
定。 缺点 准确度受进样重复性和实验条件的稳定 性影响。

气相色谱分析小结
? 色谱分离机制 吸附 分配 分配系数 ? 时间保留值 体积保留值 相对保留值 保留指数 ? 色谱峰区域宽度 ? 塔板理论 (有效)理论塔板数和塔板高度 ? 速率理论 Van Deemter方程各项的影响因素 ? 分离度 公式 完全分离判据 ? 分离条件的选择 固定液(相对极性的意义和应用) ? 检测器 热导池 氢火焰 电子捕获 ? 定性分析 保留值法 相对保留值法 峰高增高法 ? 定量分析 相对校正因子 峰面积计算 归一化法 内标法 外标法 作业 20 21 22、26、 29。




友情链接: