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彩票开奖查询气相色谱法 原理详细介绍

发布时间:2020-10-31 04:28  

  气相色谱法 原理详细介绍 第七章 气相色谱法 7-1 概述 色谱分析是一种多组分混合物的分离,分析工具,它主要利用物质的物理性持进行分离并测定混合物中的各个组分。色谱法也称色层法或层析法。 色谱法是俄国植物学家茨维特于 1906 年创立的。他在研究植物叶色素成分时,使用了一根竖直的玻璃管,管内充填颗料的碳酸钙,然后将植物叶的石油醚浸取液由柱顶端加入,并继续用纯净石油醚淋洗。结果发现在玻璃管内植物色素被分离成具有不同颜色的谱带,“色谱”一词也就由此得名。后来这种分离方法逐渐应用于无色物质的分离,“色谱”一词虽然已失去原来...

  气相色谱法 原理详细介绍 第七章 气相色谱法 7-1 概述 色谱分析是一种多组分混合物的分离,分析工具,它主要利用物质的物理性持进行分离并测定混合物中的各个组分。色谱法也称色层法或层析法。 色谱法是俄国植物学家茨维特于 1906 年创立的。他在研究植物叶色素成分时,使用了一根竖直的玻璃管,管内充填颗料的碳酸钙,然后将植物叶的石油醚浸取液由柱顶端加入,并继续用纯净石油醚淋洗。结果发现在玻璃管内植物色素被分离成具有不同颜色的谱带,“色谱”一词也就由此得名。后来这种分离方法逐渐应用于无色物质的分离,“色谱”一词虽然已失去原来的含义,但仍被沿用下来。色谱法应用于分析化学中,并与适当的检测手段相结合时,就构成了色谱分析法。通常所说的色谱法就是指色谱分析法。 一、色谱法的分类 色谱法有多种类型,从不同的色度出发,可有各种色谱分类法: 1.按两相状态分类 所谓“相”是指一个体系中的某一均匀部分如上例中玻璃管内的碳酸钙为固定相,流动的石油醚液体为流动相。按所使用的固定相和流动相的不同,色谱法可分为下面几类: 气固色谱:流动相为气体,固定相为固体吸附剂。 气相色谱 气液色谱:流动相为气体,固定相为涂在固体担体上或毛细 管内壁上的液体。 液固色谱:流动相为液体,固定相为固体吸附剂。 液相色谱 液液色谱:流动相为液体,固定相为涂在固体担体上的液体。 2.按固定相使用形式分类 柱色谱:固定相装在色谱柱中(填充柱和毛细管柱)。 纸色谱:固定相为滤纸,把样品溶液点加到滤纸上,然后用溶剂将共展殿。 薄层色谱:将固定相涂成薄层或做成薄膜操作方法类似于纸色谱。 3.按分离过程的机制分类 吸附色谱:固定相起吸附剂的作用,利用它对不同物质的物理吸附性质的差别达到样品组分的分离。 分配色谱:利用不同组分在固定相与流动相间分配系数的差异进行分离。 此外,还有一些利用其它物理化学原理进行分离的色谱方法,如离子交换色谱,络合色谱、热色谱等等。 本章讨论应用非常广泛的气相色谱。 二、气相色谱法的工作过程 如前所述,气相色谱是采用气体为流动相的色谱方未能,作为流动相的气体载气,是指不与被测物质作用,用来载送样品的惰性气体(如氢、氮等)。载气携带着欲分离的样品通过色谱柱中固定相,使样品中各 组分分离,然后分别进入检测器。其简单流程如图 7-1 所示。载气由高压钢瓶 1 供给,经减压阀 2 减压后,进入载气净化干燥管以除去载气中的水分。由针形阀 4 控制载气的压力和流量。流量计 5 和压力表 6 用以指示载气的柱前流量和压力。再经进样器 7(试样就从进样器注入),样品随着载气进入色谱柱 8,将各组分分离后依次进入检测 9 后放空。检测器信号由记录仪 10 记录,就可得到如图 7-2 所示的色谱图,国中每个峰代表混合物中的一个组分。 由图 7-1 可见,气相色谱仪由五部分构成: I.气路系统:包括气源、气体净化、气体流量的控制和测量。 II.进样系统:包括进样器、气化室。 III.分离系统:色谱柱和控温装置。 IV.检测系统:检测器 V.记录系统:包括放大器、记录器等等。 图 7-1 气相色谱流程图 1.高压钢瓶 2.减压阀 3.载气净化干燥管 4.针形阀 5.流量计 6.压力表 7.进样器 8.色谱柱 9.检测器 10.记录仪 图 7-2 色谱图 三、气相色谱常用术语 1.色谱流出曲线 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。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峰形曲线叫 作色谱峰。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.基线:色谱柱中仅有载气通过时,检测器响应信号为一条直线.峰高 h:色谱峰最高点与基线.峰宽度 W 与半峰宽度 W1/2:自色谱峰的拐点作切线,在基线上的截距称为峰宽度 W,(也称峰底宽),见图 7-3 中 CD。 峰高一半处(1/2)色谱峰的宽度为半峰宽度 W1/2,见图 7-3 中 EF。峰宽度和半峰宽度的单位由色谱图横坐标采用的单位而定,可以是时间,体积或距离。 5.标准偏差:峰高 0.607 倍处峰宽的二分之一为,即图 7-3 中GH 的一半。 6.保留时间 tR 和保留体积 VR。 保留时间 tR:自某一组分进入色谱柱到出现色谱峰最高点时所需时间,见图 7-3。 保留体积 VR:自某一组分进入色谱柱到色谱峰最高点时所通过载气的体积。若载气流速 (ml/min)为 Fc,则有: VR=tRFc (7-1) 7.死时间 T0 和死体积 V0 死时间 T0:从不被固定相吸附或溶解的气体进入色谱柱至出现色谱峰最高点所用时间 化时间,见图 7-3。使用被导池检测器时,用空气测死时间;用氢火焰检测器则需用甲烷测死时间。 死体积 V0:从不被固定相吸附或溶解的气体进入色谱柱到出现色谱峰最高点时所通过的载体积。 V0=t0Fc (7-1) 8.校正保留时间 tR 和校正保留体积 vR': 某组分的保留时间和除死时间即为校正保留时间。关系式为: tR'=tR-t0 (7-3) 同样,校正保留体积为: VR'=VR-V0 (7-4) 9.相对保留值 r2 在相同操作条件下,某组分的校正保留值与另一组分校正保留值之比: r2.1=tR12 tR11=VR2VR11(tR2tR1VR2VR1) (7-5) 7-2 气相色谱分离的理论基础 气相色谱法的任务是对混合物中各组分进行定性和定量分析。首先就要求把混合物各组分分离开来,常用混合物中性质很相近的组分的分离情况判断色谱的分离能力。假设 A、B 两组分的混合物,通过色谱柱分离给出的色谱图如图 7-4 所示。图 7-4(a)中 A、B 两组分没有 分开;(b)中虽然能分辨出是两种物质,但分离不完全,(c)中 A、B两种物持内奸离完全。由此可见:要使 A、B 两组分分离完全,不但 A、B两峰之间要有足够的距离,而且要求两峰的宽度要足够窄。两峰间距离是由被分离组分在固定相和流动相之间的分配系数决定的,即受色谱热力学因素控制。而峰宽度与组分在色谱柱内运动情况有关,取决于色谱分离条 件,即峰宽度是受色谱动力学因素的控制。因此,为了达到理想的分离目的,必须从固定相和色谱分离条件这两方面入手。 图 7-4 A、B 两组分的色谱分离 一、气相色谱分离原理 在气相色谱流程中,混合物是通过色谱柱时实现分离的。色谱柱有两种,一种是内部装固定相的填充柱,通常为金属或玻璃制成的内径 2~6mm,长 0.5~10m 的 U 型柱或螺旋柱。另一种是将固定相均匀涂放在毛细管的内壁上的空心毛细管柱,通常为不锈钢或玻璃制成的内径为 0.1~0.5mm,长50~300mm 的毛细管柱。本章主要讨论填充柱,由于柱中填充的固定相的不同,可分为气固色谱和气液色谱两种。 气固色谱中固定相是一种多孔性的具有较大表面积的吸附剂,研磨成一定粒度的小颗粒,样品由载气带入色谱柱时,立刻被吸附附剂所吸附。载气不断流过吸附剂时,吸附着的被测组分又被洗脱下来,即脱附。脱附的组分随着载气继续前进时,又可能被前面的吸附剂所吸附。随着载气的流动,这种吸附脱附过程在吸附剂表面反复进行。由于混合物中各组分性质的不同,在吸附剂上的吸附能力也不同,较难吸附的物质就容易脱附,较快地向前移动;而容易吸附的物质同较难脱附,向前移动较慢。经过一定时间,即通过一定量的载气后,样品中各组分就彼此分离开先后流出色谱柱。 气液色谱固定相是在化学惰性的固体颗粒的表面涂一层高沸点的有机化合物的液膜,这种高混点有机化合物称为固定液。在气液色谱柱中,被测物质中各组分的分离是由于各组分在固定液中溶解度的不同。载气带 着被测物质进入色谱柱时,气相中的被测组分溶解到固定液中去,随着载气的不断通过,溶解于固定相中组分又可挥发出来,挥发到气相中的被测组分又会溶解在前面的固定液中。这样反复多次的溶解挥发,各组分在固定液中的溶解度不同,溶解度大的组分就较难挥发,在柱中停留时间较长,而溶解度小的组分易挥发,在柱中停留时间短。经过一定时间后,各组分就可彼此分离开来。见图 7-5。 图 7-5 色谱分离过程示意图 物质在固定相和流动相之间的吸附脱附,溶解挥发过程,都可称为分配过程。被测组分吸附脱附或溶解一挥发能力的大小,以一定比例分配在固定相和流动相中。在一定温度下组分在两相中的分配达到平衡时的浓度比称为分配系数 K。 K 组分在固定相中的浓度 组分在流动相中的浓度 (7-6) 温度一定时,各物质在两相中的分配系数 K 是不同的,分配系数较小的组分先流出色谱柱,而分配系数较大的组分则后流出。由此可见:气相色谱的分离就是基于不同物质在两相间分配系数的不同来实现。从理论上讲,只要被测组分的分配系数有差别就可以进行分离,但实际上能否达到分离的目的,还要取决于色谱柱的柱效能。 二、色谱柱效能 前以叙及,气相色谱的分离效果,可直观地表现在色谱图的峰间距离和峰宽度上。只有相邻色谱峰的距离较大,峰宽度较窄时,组分才能得到充分的分离。色谱峰之间的距离,取决于组分在固定相和流动相之间的分 配系数,与色谱过程的热力学因素有关,可用塔板理论来描述。而色谱峰的宽度,则与各组分在色谱柱中的运动情况有关,反是非曲直了各组分在流动相和固定相之间的传质阻力,即动力学因素,要用速率理论来讨论。所以在讨论色谱柱的分 离效能时,要考虑到这两方面的因素。 1.塔板理论和柱效能指标 在色谱理论发展的初期,有人把色谱分离过程看成一个分馏过程,并直接把分馏过程理论,概念和方法应用在色谱分离过程中。塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔,色谱柱内有若干个想象的塔板,在每个塔板高度间隔内,被测组分在气相和液相之间达到分配平衡。经过这样反复多次分配之后,分配系数小的组分先从柱内流出,而分配系数大的组分后流板,从而达到分离的目的。将在色谱柱内每达到一分配平衡所需要的柱长称为塔板高度,用 H 表示。显然,塔板高度越小,在等长的色谱柱中组分分配平衡的次数越多,柱的分离效能也就越高。虽然塔板理论这种概念并不完全符合色谱柱内的实际分配过程,但这种比喻简明、形象、并能说明一些问题(如解释色谱流出曲线的形状、计算塔板高度等),所以一直被人们所接受。 由塔板理论可推导出理论塔板数的计算公式为: tt 理论塔板数 n=R)2=R)2 W1W 上式中保留值 tR 和峰宽 W1/2,W 的单位要一致。从式(7-7)可知:保留值一定时,理论 塔板数与峰宽的平方成反比,即峰形越窄,柱效能越高,所以常用理 论塔板数作为衡量柱效能的指标。在同一色谱柱上,峰宽随保留值增加而变宽,先出的峰形较窄,而后出的峰则较宽。 设色谱柱的长度为 L,则理论塔板高度 H 为: 2 H=L n (7-8) 在一定长度的色谱柱中,n 越多,H 越小。色谱峰扩散程度就越小,柱效能就越高。 但是,由于保留时间 tR 中包含死时间 t0,而被测组分在t0 时间内不参与柱内分配过程,所以用理论塔板数 n 和理论塔板高度 H 还不能如实反映色谱柱效能。因此,引入有效塔板数和有效塔板高度这两个概念: t1t1 2Rn 有效=)=R)21WW2 (7-9) LH 有效=n 有效 (7-10) 在应用塔板理论时要注意以下两点: (1)有效塔板数越多,对分离有利。但是能否实现分离,主要还取决于各组分间分配系数的差异。 (2)不同组分在同一色谱上的分配系数不同。因此,用有效塔板数 n有效或有效塔板高度 H 有效表示柱效能时,必须说明是对哪种物质而言。 由于实际的色谱分离过程不仅仅是一个简单的分配过程,因而用塔板理论无法解释同一色谱柱,在不同载气流速下的柱效能不同这一现象。 2.速率理论与影响柱效能的因素 速率理论是 1956 年,荷兰科学家范姆特(van Deemter)等提出的。 速率理论仍然沿用塔板高度这一概念,进一步把色谱的分配过程与分子扩散,组分在固定相和流动相中的传质过程联系起来。速率理论不仅能解前面提到的一些色谱现象,而且对于如何选择合适的色谱分离条件也有指导意义。 组分在色谱柱内运行的多路径及浓度梯度造成的分子扩散和组分在气、液两相间的质量传递不能瞬间达到平衡,是造成色谱扩张、柱效能下降的主要原因。范德姆特等人归纳出影响塔板高度的因素,提出了色谱动力学理论,推导出塔板高度与载气流速的关系: H=A+B+Cuu (7-11) 式(7-11)称为范氏方程式,式中 A、B、C 是三个常数,其中 A 称为涡流扩散项,B 为分 子扩散系数,C 为传质阻力系数,u 为载气平均线速度(cm/s)。由此可见:影响塔板高度 H 的三个因素为:涡流扩散项、分子扩散项和传质项。 下面分别讨论范氏方程式各项的意义: (1)涡流扩散项: 涡流扩散项也称为径项。在填充色谱柱中,气流碰到填充物颗粒时,就会不断改变流动方向,使组分在气相中形成类似“涡流”的流动。如果固定相颗粒不均匀或填充不均匀,可使载气中组分分子经过不同长度路径,即同一组分的分子有先有后流出色谱柱,其流出组分的浓度形成一个统计分布,从而形成峰形的色谱流出峰,见图 7-6。 图 7-6 涡流扩散过程示意图 对于空心毛细管柱,气流在柱中不产生所谓的“涡流”现象。因此, 组分分子在柱中经过的路径是相同的,涡流扩散项 A 应等于零。 对于填充柱,涡流扩散项与固定项填充的不均匀程度及填充物的颗粒大小有关: A=2dp (7-12) 式中是固定相填充不均匀因子,与填充物粒径有关,dp 是填充物平均颗粒直径。 (2)分子扩散项 B/u 由于载气在柱中不断通过,样品是以“塞子”的形式进入色谱柱并存在于柱的很小的一段空间内,并在柱内形成浓度梯度,气相中运动着的组分分子产生轴向扩散,其分子扩散系数: B=2rDg (7-13) 式中 r 为组分分子在柱内扩散路径的弯曲程度有关的因子(弯曲因子),对于空心柱 r 等于 1,填充柱的 r 小于 1,Dg 为组分在气相中的扩散系数,Dg 与载气分子量的平方根成反比。由此可见:分子扩散项对峰形变宽的影响程度取决于载气流速和载气的性质。 (3)传质阻力项 Cu 传质阻力项包括气相传质阻力和液相传质阻力两项: Cu=(Cg+Cl)u (7-14) 式(7-14)中 Cg 为组分从气相移动到固定相表面进行质量交换时受到的阻力: dp2 CgDg (7-15) 式(7-15)中,dp 为填充物平均颗粒直长,Dg 为组分在气相中的扩散系数。式(7-14)中 Cl 为组分从固定相的气液界面移动到液相内部进行 质量交换达到分配平衡后,又返回气液界面时所受到的阻力。 df2 ClDo (7-16) 式(7-16)中 df 为液膜厚度,Do 为组分在液相中的扩散系数。对高效快速色谱中 Cg 的影响是主要的。一般气相色谱中 Cl 的影响是主要的。 由于传质过程需要一定时间,传质阻力项越大,传质过程进行的越慢,色谱峰扩散也越严重。 由上述讨论可见:范氏方程式对于分离条件的选择具有指导意义,填充均匀程度,固定相(担体)粒度,载气种类,载气流速、柱温、固定相液膜厚度等因素对色谱柱效能,峰扩张程度都有影响。但是,柱效能指标 H 有效或 n 有效只能说明色谱柱的效能,并不能说明柱子对样品的分离情况。因此,有必要引入一个衡量色谱柱分离情况的标准。 三、分离度总分离效能指标 混合物中各个组分能否为色谱柱所分离、不但取决于固定相与混合物中各组分分子间的相互作用的大小是否有差异,而且色谱分离过程中各种操作因素的选择是否合适,对于实现分离的可能性也有很大的影响。因此在色谱分离过程中,不但要根据具体情况选择合适的固定相,使其中各组分有可能被分离,而且还要创造一定条件,使这种可能性得以实现,达到最佳分离效果。 前面提到,要使相邻两组分得以分离,首先是两组分的流出峰之间的距离足够大,同时还要 求两色谱峰的宽度足够窄。必须同时满足上述两条件时,两组分才能分离完全。为了判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况,常用分离度 R 作 为色谱柱的总分离效能指标。 分离度 R 的定义为:相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽之和的一半的比值: R=tR(2)-tR(1) 1(W1+W2)2 (7-17) 式(7-17)中保留值 tR 和峰宽度 W 的单位要一致。R 值越大,说明相邻两组分分离越彻底。从理论上能够证明:若峰的对称并正态分布时:R=0.8时分离程度为 89%;R=1.0,分离程度可达 98%;R=1.5 时,分离程度达 99.7%。可作为两峰完全分离的标志。 由于峰底宽 W 测量较困难,特别是当峰形不对称或相邻两峰间有重叠时,测量 W 更加困难。因此,有人建议用半峰宽代替峰底宽,则分离度可用下式表示: R1=tR(2)-tR(1) W1 2(2)+W1 2 (7-18) 严格地讲式(7-17)和式(7-18)并不完全相同,但差别不太大,可以近似认为是相同的。 假如两峰宽度相同 W1=W2,分离度 R 和有效塔板数 n 有效的关系为: (1) n 有效=16R2(r2.12)r2.1-1 (7-19) 式中 r2.1 为两组分的相对保留值。 例:假设有两组分的 r2.1=1.07,要使它们完全分离(R1.5),所用填 充色谱柱的有效塔板数应为: 如果有效塔板高度为 0.1cm,所需柱长为: L=8412×0.1=841.2cm=8.4m 7-3 色谱分离操作条件的选择 一台色谱仪应能分析多种性质的不同的样品。根据样品的不同选择合适的固定相,并在一定的分离条件下进行分析。所以正确地选择固定相和色谱操作条件,就成为色谱分析中的关键问题。 一、载气及流速的选择 载气流速的大小是影响分离效能的分析时间的一个重要因素。根据范氏方程式: H=A+B/u+Cu 可知 H 有 u 有关。如果以 H~u 作图,就可以得到如图 7-7 所示的曲线。在曲线的最低点。塔板高度 H 有最小值(H 最小),这时柱效最高。H 最小所对应的载气线速度(载气流量)即为最佳流速 U 最佳。对范氏方程式进行微分有: 1.072n 有效=16?152?()=84121.07-1 dHB=-2+C=0duu u 最佳=BC (7-20) 将式(7-20)代回范氏方程,可求得最小塔板高度: H 最小=A+2B?C (7-21) 图 7-7 塔板高度与载气线 和范氏方程式可知:当载气流速较小时,分子扩散 B/u 是影响柱效能的主要因素,这种情况下宜采用分子量较大的载气(如 N2、Ar气等),使组分在载气中有较小的扩散系数。而当载气流速较大时,使质 阻力项 Cu 对柱效能影响较大,采用分子量较小的载气(如 H2、He 等)合适,此时组分在载气中有较大的扩散系数,可减小气相质阻力,提高柱效。 在实际工作中,为了缩短色谱分析时间,常用稍高于最佳流速 u 最佳的载气流速。另外,载气的选择还要与所用检测器相适应,例如热导池检测器用 H2、Ne 作为载气,可获得较高的灵敏度。 二、柱温的选择 分配系数 K 和组分在气、液相中的扩散系数 D、Dl 等均与温度有关,因此柱温是气相色谱操作中很重要的参数。它直接影响分离效能和分析速度。柱温选择的依据也是多方面的,要考虑固定液的配比,样品中各组分的沸点范围及检测器的灵敏度。 每种固定液都有一定的使用温度,柱温不能高于固定液的最高使用温度,否则会导致固定液的流失。柱温对组分分离的影响较大,提高柱温可使组分的挥发靠扰,不利于分离。所以,从分离的角度出发,宜选用较低的柱温。但柱温太低,被测组分在两相中的扩散速度大大减小,分配不能迅速达到平衡,引起峰扩张使柱效下降,并延长了分析时间。选择柱温的原则是:在使最难分离的组分有尽可能好的分离的前提下,尽可能采取较低的柱温,但以保留时间适宜,峰形不拖尾为度。具体操作条件的选择应根据不同的实际情况而定,并与固定液用量,担体的种类相配合,大概情况如下: 1.对于气体、气态烃等低沸点混合物,柱温选择在样品组分平均沸点附近或沸点以上,常在室温或 50℃以下分析。固定液含量一般在 15~25%。 2.沸点在 100~200℃的混合物,柱温选在平均沸点的 3/2 左右,固定 液含量为 10~15%。 3.对于沸点较高(200~300℃)的混合物,柱温比平均沸点低 50~100℃,在 150~180℃左右为宜,固定液含量为 5~10%。 4.高沸点的混合物(300~450℃),希望在较低柱温下分离,柱温宜选在低于平均沸点 100~200℃,即在 200~250℃。为了改善液相传质速率,可用低固定液含量(1~3%),使液膜薄一些;但允许最大进样量将减小,因此要用高灵敏度的检测器。 对于组分沸点差别较大的样品,通常采用程度升温的办法,即柱温按预定的加热速度,随时间作线性或非线性的增加。升温的速度一般常用线性的,即单位时间内温度上升速度一定,如每分钟 2℃、4℃、6℃等。选样开始时,柱温较低,沸点低的组分可获得良好的分离并先流出色谱柱。随着柱温的增加,沸点较高的组分也能较快流出,并和低沸点组分一样也能得到分离良好的尖峰。图 7-8 给出沸点从-42℃到 183℃的九种物质恒定柱温和程序升温时分离效果的比较。图 7-8(a)是柱温为 45℃时分离的情况,只有低沸点的五种组分流出色谱柱,但低沸点组分分离良好。图 7-8(b)为柱温 120℃时的分离情况,因柱温上升,保留时间缩短,低沸点组分出峰密集、分离不好,图 7-8(c)是程序升温时的分离情况,从 30℃起始,升温速度为 5℃/min,低沸点及高沸点组分都能在各自适宜的温度下得到良好的分离。 图 7-8 宽沸程试样在恒定柱温及程序升温时分离结果 1.丙烷(-42℃) 2.丁烷(-0.5℃) 3.戊烷(36℃) 4.已烷(68℃) 5.庚烷(98℃) 6.辛烷(126℃) 7.溴仿(150.5℃) 8.间氯甲苯(161.6℃) 9.间溴甲苯(183℃) 三、柱长和内径的选择 色谱柱对某组分的分离度与柱长有关,增加柱长对分离有利。但柱长增加时,组分的保留时间也随之增加,影响分析速度。在能够满足一定分离度的前提下,使用尽量短的柱子为宜。一般填充柱的柱长 1~5m。色谱柱的内径增加使柱效能下降。一般柱内径常用 3~6mm。 四、固定液的性质和用量 固定液的性质对色谱分离是起决定作用的。这个问题将在 7-4 中详细讨论。这里只讨论固定 液用量问题。一般说来,担体表面积越大,固定液用量可以越高,允许的进样量也就越大。从式(7-16)可见:为了改善液相传质,应使液膜薄一些,对提高柱效能有利,并可缩短分析时间。目前填充色谱柱中盛行低固定液含量的色谱柱。但是,固定液用量太低。液膜太薄,允许的进样量也就越少。因此固定液用量要根据具体情况而定。 固定液配比是指固定液和担体的得量之比,一般用 5:10 到 25:100,即5%~25%。为了获得较高的柱效能,对不同的担体往往采用不同的固定液配比。一般说来,担体的表面积越大,固定液用量也就越多。 五、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。这样固定液涂在担体表面上成为均匀的薄膜,液相传质阻力较小,可提高柱效能。对担体粒度要求均匀、细小,这样有利于提高柱效。但担体颗粒过于 细小,阻力过大,使柱两端压力差增大,对操作不利。对 3-6mm 内柱的色谱柱,使用 60~80 目的担体较合适。 六、进样时间和进样量 气相色谱要求进样速度必须很快。一般使用微量注射器或六通进样阀进样时,进样时间都在一秒之内,这种进样方式称为塞式进样。若进样时间过长,试样原始宽度变大,半峰宽必将变宽,甚至使峰变形,这种拖延时间的进样方式称指数进样,两种进样方式对峰形的影响见图 7-9。 进样量一般都比较少,液体样品一般进样 0.1~0.5l。气体样品0.1~10ml。若进样量太多,会使几个色谱峰重叠在一起,分离效果不好。但是进样太少,又会使含量较低的组分因检测器灵敏度不够而不出峰,即不能检出。最大允许的进样量,应控制在峰面积或峰高与进样量成正比的范围内。 图 7-9 进样方式对峰形的影响 七、气化温度 进样后要有足够的气化温度,使液体样品迅速气化后被载气带入色谱柱中。在保证样品不分解的情况下,适当提高气化温度对分离及定量分析有利,尤其当进样量较大时更是如此。一般选择气化室温度比柱温高30~70℃。 7-4 气相色谱固定相 在气相色谱分析中,多组分样品能否完全分离,主要决定于色谱柱的效能和选择性,这在很大程度上取决于固定相选择是否恰当。因此,固定相的选择就成为色谱分析中的关键问题。我们必须对固定相的主要性能及 选择固定相的基本原则有所了解,才能正确运用色谱分析技术,获得满意的分析结果。 填充柱的测定相有两类:一类是用于气固色谱的吸附剂,另一类则是用于气液色谱为担体和涂在担体上的固定液。本章将着重讨论后者。 一、担体 填充色谱柱用的担体(载体)。是用于涂布液体固定相(固定液)的固体支持物。一般为化学惰性的,多孔性的固体颗粒。担体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。对担体的要求如下: 1.表面积大、孔径分布均匀,固定液在其表面能形成一层均匀的液膜。 2.表面应是化学惰性的,表面没有吸附中心或吸附性很弱,不与样品组分起化学反应。 3.有一定的机械强度,热稳定性好,粒度均交。 气相色谱用的担体大致可分为硅藻土和非硅藻土两大类:一些常用担体及其性能见表 7-1。常用的硅藻土担体是把天然硅藻土粉碎后加粘合剂压成砖型。在 900℃上锻烧,然后粉碎 筛而成。这类担体因处理方法不同又可分为红色担体和白色担体。红色担体因锻烧时天然硅藻土中所含的铁形成氧化铁而使担体呈淡红色。如果在锻烧前原料加入少量助熔剂如Na2CO3 则锻烧后氧化铁生成无色的铁硅酸钠络合物,使硅藻土变成白色,即所谓白色担体。 红色担体(如 6201 红色担体,201 红色担体、C-22 保温砖等)表面孔穴密集、孔径较小、表面积大(比表面积为 4.0m2/g)平 均孔径为 1m。由于表面积大,涂固定液量多,在同样 大小柱中分离效率就比较高。此外,由于结构紧密,因而机械强度较好。缺点是表面有吸附活性中心。如与非极性固定液配合使用,影响不大;但与极性固定液配合使用,则可能造成固定液分布不均匀,从而影响柱效。红色担体一般使用于分析非极性或弱极性物质。 白色担体(如 101 白色担体等)则相反,由于锻烧时加入助熔剂而使担体颗粒疏松,机械强度较差。白色担体表面积较小(比表面积约为1.0m2/g),表面孔径较大,8~9m。表面极性中心显著减少,吸附性小;一般用于分析极性物质。 一个理想的担体的表面应该对组分和固定液都是惰性的,但硅藻土担体由于在加工过程中加入了粘合剂或助熔剂,以及晶格的改变,彩票开奖查询,使其表面含有相当数量的硅酸基团()。此外担体表面的金属氧化物形成酸碱活性作用点。使得担体表面即有催化活性,又有吸附活性。特别是对化学性质活泼的样品(如萜烯、二熔、含氮杂环化合物、氨基衍生物等等)都有可能发生化学反应和不可逆吸附。而极性组分,因其不仅溶解在固定液的液膜中,还会吸附在载体表面上,造成色谱峰的严重不对称性。针对不同的活性中心类型,可采取如下表面处理方法。 1.酸洗和碱洗 用浓盐酸、氢氧化钾醇溶液分别浸泡,以除去铁等氧化物杂质及表面氧化铝等酸性作用点。 2.硅烷化 用硅烷化试剂(如二甲基二氯硅烷、六甲基二烷等)与担体表面的硅 酸基反应,生成硅醚,以除去表面的氢键作用力,从而把极性表面变为非极性表面,达到惰化表面的目的。反应式为: 担体经硅烷化处理后,氢键作用力大为减弱,用于分析易形成氢氢键的组分如水、醇、胺等也能获得良好的峰形。 3.釉化 担体在某些溶液(如 Na2CO3-K2CO3、硼砂等)中浸泡后经高温处理,在担体表面形成一层玻璃化的釉质层。这一釉质层屏蔽和惰化了表面的活性中心,并堵塞了表面的微孔,使孔隙结构趋于均一,故可增加柱效,减少峰的拖尾。经过釉化的担体强度也得到加强。 非硅藻土类担体有聚四氟乙烯担体,玻璃微球,高分子多也微球等等。其中高分子多孔微球是一类新型合成有机固定相,既可直接用作气相色谱固定相,又可作为担体涂上固定液后使用。总之,这类担体常用于特殊的分析,应用范围不如硅藻土类担体广泛。 二、固定液 1.对固定液的要求 (1)在操作温度下呈液态,并有足够的稳定性;能溶解被分离混合物中各组分,并使各组分在气液两相间得到分配。 (2)在操作温度下粘度要低,以保证固定液能均匀分布在担体表面形成均匀的液膜。 (3)对混合物中各组分有足够的分离能力 为了满足以上条件,固定液一般都是高沸点的有机化合物,而且都有各自的使用温度范围和最高使用温度极限。表 7-2 列出一些常用的固定液 及其性质、最高使用温度和主要用途。 2.固定液和组分分子间的作用力 分子间作用力是一种较弱的、分子间的吸引力,它不象分子内的化学键那么强,被测组分在固定液中的溶解度或分配系数的大小与组分和固定液两种分子间作用力的大小有关,所以这种分子间作用力对于色谱过程是至关重要的。分子间作用包括静电力、诱导力、色散力和氢键力等等。 (1)静电力:极性分子有永久偶极矩,在极性分子之间就存在永久偶极矩的相互作用力,称为静电力。在用极性固定液分离极性组分时,分子间作用力主要就是静电力。分子极性越强,静电力越大,彩票开奖查询tR 越长。 (2)诱导力:极性分子和非极性分子之间,由于极性分子永久偶极矩电场的作用,非极性分子被极化而产生诱导偶极矩。极性分子的极性越强,非极性分子越易被极化则诱导力就越大。如果样品中有极性分子和可极化组分时,可用极性固定液的诱导效应来分离。 OH 例如,苯(B、P80.1℃)和环已烷(B、P80.8℃)沸点很接近,用非极性固定液难可分离。但苯比环已烷易极化,可采用极性固定液,苯与极性固定液间诱导力比环已烷大,因而具有较大的保留性,使两者分离开来。 (3)色散力:非极性分子间由于瞬间偶极矩产生的一种作用力。在用非极性固定液分离非极性组分时,分子间的作用力就是这种色散力。对于各种分子,色散力的大小基本相同。因此,组分沸点越高,组分在气相中的浓度越低,分配系数 K 越大,保留时间也就越长。 (4)氢 力:当分子中有与电负性很大的原子(如 F、O、N 等)构成共价键的 H 原子时,它又能和另一个电负性很大在揶形成一种较强的、有方向性的静电引力, 如O??O、FH??F 等,这种作用力称为氢键力。带有OH、NH2、COOH、COOR 等基团的固定液分离含有 F、O、N 等电负性强的原子的组分时,固定液和组分间可形成氢键,使组分的保留值增大。 在固定液和组分之间,不仅仅存在一种作用力,可能是几种作用力兼而有之,只是起主要作用的力不同。在色谱柱中,只有固定液和组分之间的作用力大于组分之间的作用力时,组分才能在固定液中分配。否则进入柱子的样品将随载气流出,不能达到分离的目的。 3.固定液的极性 由于极性是影响分子间作用力类型及大小的主要因素,因此固定液常用相对极性进行分类。固定液相对极性表示法规定:、'一氧二丙腈的相对极性 P=100,角鲨烷的 P=0,其它固定液相对极性在 0~100 之间。把 0~100 分为五级,每 20 为一级,用“+”表示,非极性用“”表示。如非极性的液体石腊的 P 为“”弱极性的邻苯二甲酸二丁酯的 P 为“+2”。表 7-2 中也给出各种常用固定液的相对极性。 4.固定液的选择原则 固定液的选择尚无严格规律可循,主要凭经验及由实践归纳出的一般规律。可按照“相似相溶”的原则,按组分的极性或官能团与固定液相似的原则来选对。性质相似。分子间作用力就强,组分在固定液中的溶解度大,分配系灵敏大,有利于分离。选择固定液的一般性原则如下: (1)分离非极性物质,一般选用非极性固定液。样品中各组分按沸点顺序先后流出色谱柱,沸点低的先出峰,沸点高的后出峰。 (2)极性物质,选用极性固定液。样品中组分按极性顺序分离,极性小的先出峰,极性大的后出峰。 (3)分离极性和非极性物质的混合物时,选用极性固定液。按易极 化程度或极性大小顺序出峰。 (4)可形成氢键的组分,选用极性或氢键形固定液。组分按形成氢键的能力大小先后出峰,不易形成氢键的组分先流出,形成氢键最强的组分后流出。 (5)对于复杂混合物,单用一种固定液有时很难把所有组分分离开来。可选用混合固定液即把多种液按一定比例混合,可将固定液的极性或氢键力调节到所需范围,而得到满意的分离效果。 7-5 气相色谱检测器 检测器在色谱分析过程中起着“眼睛”的作用,样品组分经色谱柱分离后必须通过检测器将各组分按其物理或化学的特性用直接或间接方法显示出来,才能分辩出各组分及其浓度变化的情况,从而达到定性和定量分析的目的。因此,检测器是色谱仪的一个重要部件。 气相色谱检测器按其原理不同可分为浓度型和质量型两大类:浓度型检测器的响应信号由进入检测器的组分浓度所决定,如热导池、电子捕获检测器等;而质量型检测器的响应信号则上单位时间内进入检测器的组分质量所决定,如氢焰、火焰光度检测器等等。 下面价绍几种常见的气相色谱检测器: 一、热导池检测器(T、C、D) 热导池检测器是一种应用很广泛的通用型检测器,它的结构简单,灵敏度适宜,稳定性较好,对所有物质都有响应。 热导池检测器结构如图 7-10 所示,池体用不锈钢块制成,池体上开两个完全相同的洞,每个洞中吊一根金属丝(铂、钨丝等),这两根金属丝的阻值相同。其中一根作热导池的参比 臂,此臂只有载气通过。另一根作热导池的工作臂,有载气和样品通过。两臂钨丝的电阻分别为 R1 和 R2。将热导池的两臂 R1 和 R2 与两个阻值相等的固定电阻 R3 和 R4 组成惠斯登电桥,如图 7-11 所示。 由电源提供桥路恒定电压(9~24V)以加热钨丝,所产生的热量被载气带走,并通过载气传导给池体。当载气以恒定流速通过时,池内热量的产生和散失建立动态平衡,钨丝的温度恒定。钨丝可作为一种“热敏元件”,它的电阻随温度升高而增大。调节可变电阻 R,可使电桥处于平衡状态。 由于不同气体具有不同的热导系数,当两臂只有载气通过时,钨丝温度应相同,电桥处于平衡状态,即有: R1R4=R2R3 (7-22) 此时,电桥 A、B 两点间电位差为零,无信号输出(记录器显示为基线)。 样品组分经色谱柱分离后,各组分随载气一起先后进入热导池的工作臂。如果组分和载气的热导系数不同,工作臂的热平衡被破坏,导致电桥失去平衡,式(7-22)不相等,A、B 间产生电位差,其电位差的大小决定于进入热导池的组分浓度和组分与载气热导系数的差别。实验条件一定时,峰高或峰面积可用于定量分析。 图 7-10 半扩散式双臂热导池 影响热导池信号大小的因素主要有桥电流、载气、热敏元件的电阻温度系数及池体温度等。表 7-3给出一些气体和蒸气在 100℃时的热导系数,有机物的热导系数一般都较小,从提高热导池的灵敏度考虑,选用热导系数较大的气体为宜,如 H2 或 He 作载气。如选用热导系数较小的 N2 为载气,则灵敏度下降,有时会出现倒峰。 表 7-11 热导池电桥线 二、氢焰离子化检测器(FID) FID 是利用有机物在氢气空气火焰中由于离子化反应生成许多离子对,并在火焰两侧加有一定电压的电极的作用下定向运动形成离子流。测量离子流的强度就可以对组分进行检测。FID 对大多数有机物有很高的灵敏度,结构简单、响应快、稳定性好,是目前应用最广的检测器之一。 氢焰检测器如图 7-12 所示,氢焰检测器的核心部分是离子室,它的结构比较简单。一般用不锈钢制成,包括气体入口,火焰喷嘴、极化极和收集极等部件组成。 在离子室底部,氢气与载气在进入喷嘴前混合,空气(助燃气)由一侧引入。火焰上方有一筒状收集电极,下方为一圆环状极化电极,也称发射极。两极间施以恒定电压,使离子在收集极和极化极间作定向运动形成电流。当没有有机物通过检测器时,基流很低,只有 10-12~10-14A。电流大小与有机物进入离子室的量成正比,因此,FID 是质量型检测器。 图 7-12 氢焰检测器示意图 有机化合物在氢火焰中离子化机理尚不十分清楚,一般认为有机物在氢火焰中先生成自由 基,然后与氧作用产生正离子,再与水(H2 和 O2 作用的产物)反应生成 H3O+离子。例如苯在氢火焰中电离过程如下: C6H6 6CH 自由基 6CH + 3O2 6CHO+ +6e- 6CHO+ + 6H2O 6CO +6H3O+ 由此产生的正离子 CHO+和 H3O+及电子,在电场作用下形成微弱的离子流而产生信号。 三、电子捕获检测器(ECD) 电子捕获检测器是一种高灵敏度的选择性检测器,它只对具有电负性的物质(如含卤素,S,P,N,O 的化合物)有响应,电负性越强,灵敏度越高,响应信号与进入检测器的电负性物质浓度有关,ECD 是浓度型检测器。 电子捕获检测器结构如图 7-13 所示,检测器内有一圆筒状-放射源(H3 或 Ni63)作负极,一个不锈钢棒作为正极。在两极间施加一定电压,当载气(一般采用高纯 N2)进入检测器时,在射射线+ +e 生成正离子和慢速低能量的电子,在电场作用下向极性相反的电极运动,形成基流。当具有电负性的组分进入检测器时,它捕获检测器中的电子而产生带负电荷的分子离子并放出能量: AB+e AB- + E 带负电荷的分子离了和载气电离产生的正离子复合成中性化合物,被载气带出检测器: AB- + N2+ N2 + AB 组分捕获电子的结果使基流降低,产生的负信号形成倒峰。组分浓度越大,倒峰的峰高或峰面积越大。 由于电子捕获检测器具有高灵敏度,高选择性,经常应用于痕量的具有特殊官能团的组分分析,如食品,浓副产品中农药残留量的分析;大气、水等环境样品中痕量污染物的分析等等。 图 7-13 电子俘获检测器 四、火焰光度检测器(FPD) 火焰光度检测器是对硫、磷化合物的高选择性、高灵敏度的检测器,亦称硫磷检测器。这种检测器是根据硫、磷化合物在富氢空气火焰中燃烧时,将发射不同波长的特征光。这些特征光可用滤光片很好地分开。对于硫可用 394nm 滤光片,磷用 526nm 滤光片。然后经光电倍增管把光信号变成电信号而检出。 火焰光度检测器结构如图 7-14 所示。 图 7-14 火焰光度检测器示意图 五、检测器的主要性能指标 1.灵敏度 一定量的组分通过检测器时,给出响应信号的大小称为该检测器对组分的灵敏度。灵敏度是衡量检测器质量的重要指标。 浓度型检测器的响应信号与载气中组分浓度成正比。液体样品的灵敏度以单位体积(ml) mV -1mg?ml 载气中含有单位重量(mg)组分通过检测器时产生信号(mV)表示,单位为。 浓度型检测器的灵敏度可在一定条件下,一定量纯样品所得峰面积计算: Si= (7-23) 式中:Ai 为组分 i 的峰面积(cm2),C1 为记录器灵敏度(mV/cm),C2 为记录低转速的倒数 Ai?C1?C2?F=mih?1?F2mi 1 (min/cm),F 为载气流速(ml/min),mi 为样品重量(mg),h 为峰高(mV), (min)。 2 为半峰光 气体样品的灵敏度用单位体积(ml)载气中含有单位体积(ml)组分通过检测器产生的信 mV -1 号表示,单位用 ml?ml。 质量型检测器的响应信号与单位时间通过检测器的组分质量成正比。灵敏度为每秒钟有 1mV -1 克组分通过检测器的信号,单位 g?s。 灵敏度为: Si=Ai?C1?C2?602=mimi 1h?1?60 (7-24) 式中 Ai、C1、C2、h、2 同式(7-23),mi 为样品质量以克为单位。 2.敏感度(检测限) 检测器灵敏度只能表示检测器对某组分产生信号的大小。但灵敏度高时基线波动也随之增大。因此,用灵敏度还不能很好地衡量检测器的质量。敏感度的定义为单位体积或时间内,检测器出现能检测信号的最小物质量,也称检测器的最小检出量。一般认为:信号要等于基线波动(噪声)的二倍时,才能检出;敏感度 M 为: M=Tb S (7-25) mV -1 式中 Tb 为基线),单位为 mV,S 为检测器的灵敏度,单位为 mg?mL, mVmV -1mL?mL-1 或 g?s。 图 7-15 基线波动示意图 必须指出:检测器的敏感度与色谱分析的最小检出量不同;前者是衡量检测器性能指标,仅与检测器质量有关。后者是指检测器出现能检测信号时,所需进入色谱柱的最小物质量,除检测器外,还与柱效和操作条件有关。 7-6 定性分析 色谱定性分析就是确定各色谱峰代表的化合物。由于能用色谱分析的物质很多,不同组分在同一柱上出峰时间可能相同,单凭色谱峰确定物质有一定困难。对于一个未知样品,首选要了解其来源、性质、分析目的,对样品有初步估计:再结合定性方法确定色谱峰代表的物质。下面介绍几种常用的定性方法: 一、保留值法 在一定的固定相和操作条件(如柱温、柱长、内径、载气流速等)下,任何一种组分都有确定的保留值(tR、tR'、VR、VR')。因而在一定条件下测定各色谱峰的保留值,与纯样品的保留值比较就可以确定样品中有哪 些组分。 该方法的缺点是柱长、柱温、固定液配比及载气流速等因素,都会对保留值产生较大的影响,故必需严格控制操作条件。 二、相对保留值法 相对保留值 ri、s 是指某一组分 I 与基准物 s 校正保留值之比 ri,s= ri、s 仅与固定液及柱温度有关,与其它操作条件无关。对基准物的要求是容易得到纯品,它的保留值在各组分的保留值之间,常用苯,正丁烷,对二甲苯,环已烷等物质作为基准物。 三、加入已知物增加峰高法 tR#39;iVR#39;i=tR#39;sVR#39;s 当未知物中组分较多,所得色谱峰较密时,用上述方法不易辩认。可首先作出已知样品的色谱图,然后在未知样品中加入某种已知物,又得一色谱图。比较两谱图,峰高增加的组分,即是该已知物。 四、保留指数法 保留指数又称 Kovats 指数,是一种重现性较其它保留数据都好的定性参数,可根据固定相和柱温直接与文献值对照而不需标准样品。 保留指数是以两个相邻正构烷烃的保留值(时间、体积或记录纸上距离)的对数之间的差值等分为 100 份。某一组分的保留值就可以按照下式计算: 1lgt1 R(i)-lgtR(z)Ii=100[Z+1]1lgtR(z+1)-lgtR(z) (7-26) 1t 式中:Ii 为组分 i 的保留指数,R 为校正保留时间,Z 和(Z+1)表 示具有 Z 个(Z+1)个 碳原子的正构烷烃。 111tt(z+1)t(i)组分 i 的保留值应在这两个正构烷烃的保留值之间,即RRR(z)。正构烷烃 的保留指数始终为 100 乘碳原子数,如乙烷、丙烷、正丁烷的保留指数分别为 200、300、400 等。因此要求某一物质的保留指数,只要与相邻两正构烷烃混合在一起(或分别地)在给定条件下进行色谱试验。按式(7-26)计算保留指数,与文献数据对照即可定性。 例如:乙酸正丁酯在阿皮松 L上,柱温为 100℃时的保留指数测定,见图 7-16。 图 7-16 保留指数侧定示意图 由于 Z=7,所以 I=1...