气相色谱法.docx
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气相色谱法
第一章气相色谱法
第一节色谱法概述
试样混合物在色谱仪中的分离是在色谱柱中的两相之间进行的,分离过程也就是随着试样中各组分在色谱分离柱中的运动,组分在两相间不断重复进行着的分配过程,其中的一项固定不动,称为固定相,另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体,称为流动相。
当流动相中携带的试样混合物流经固定相时,其与固定相发生相互作用,由于混合物中各组分在性质和结构上的差异,与固定相之间产生的作用力的大小不同,在两相间的分配比例产生差异,随着流动相的移动,混合物在两相间经过反复多次的分配平衡,使得各组分被固定相保留的时间不同,从而按一定次序由固定相中流出,与适当的柱后检测方法结合,实现了混合物中各组分的分离与分析。
一、色谱法分类
1、按两相所处的状态分类2、按固定相的形式分类
3、按分离原理分类
二、色谱基本参数与色谱曲线的表征
(一)色谱流出曲线
在理想情况下,单组分的色谱流出曲线如下图所示。
色谱流出曲线及参数表征
为了对色谱分离过程进行讨论和理论分析的需要,需要规定一些色谱基本参数并对色谱曲线进行表征。
(二)基线:
无试样通过检测器时,检测到的信号即为基线。
(三)保留值
用于表征试样组分被固定相滞留程度的参数。
保留值越大,说明组分在固定相中停留的时间越长,即组分与固定相之间具有较大的作用力。
如果某组分不被固定相滞留,则仅流经分离柱中颗粒之间的空袭体积,则在最短时间内流出。
1、以时间表示的保留值
(1)保留时间(tR):
组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间。
(2)死时间(tM):
不与固定相作用的气体(如空气)的保留时间。
(3)调整保留时间(
):
组分保留时间tR去除死时间tM后的时间,代表了组分在固定相中被滞留的时间。
2、用体积表示的保留值
(1)保留体积(VR):
(2)死体积(
):
(3)调整保留体积(
):
(四)选择因子(相对保留值r21)
相对保留值定义为组分2与组分1的调整保留值之比:
相对保留值只与柱温和固定性质有关,与其他色谱操作条件无关,它表示了固定相对这两种组分的选择性。
(五)峰高、峰面积
1、峰高(h)指峰顶到基线的距离,用h表示。
2、峰面积(A)指每个组分的流出曲线与基线间所包围的面积,用A表示。
峰高或峰面积的大小和每个组分在样品中的含量相关,因此色谱峰的峰高或峰面积是气相色谱进行定量分析的主要依据。
(六)区域宽度
色谱峰具有一定的宽度,其大小反映了组分在色谱分离过程中受到的动力学因素,如扩散及载气流速等的影响。
用来表征色谱峰宽度的参数有三种。
1、标准偏差(σ):
及0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。
2、半峰宽(Y1/2):
峰高一半处的色谱峰宽度,Y1/2=2.354σ。
3、峰底宽(Wb):
Wb=4σ。
(七)分配系数
组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附,或溶解、挥发的过程叫做两相分配过程。
在一定温度下,组分在两相间分配达到平衡时的浓度比,称为分配系数,用K表示,即
分配系数是色谱分离的依据。
一定温度下,某组分的分配系数K越大,则出峰越慢。
组分在不同性质固定相上的分配系数K差异越小,分离越困难,因而选择适宜的固定相,使组分间分配系数的差别增大,可显著改善分离效果。
八)分配比
在实际工作中,也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。
分配比是指在一定温度下,组分在两相间分配达到平衡时的质量比。
分配比也称容量因子和容量比。
分配系数与分配比都是与组分、固定相及流动相的热力学性质有关的常数,随分离柱温度、柱压力的改变而变化,因而可以通过改变操作条件来提高分离效果。
分配系数与分配比也都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数,数值越大,该组分的保留时间越长。
第三节气相色谱仪
一气相色谱仪结构流程
气相色谱仪的型号较多,随着计算机的广泛使用,仪器的自动化程度也越来越高,但各类仪器的基本组成基本上是一致的。
下图给出了气相色谱仪的基本结构流程。
气相色谱仪结构流程示意图
(一)工作原理
气相色谱的流动相为气体,称为载气,通常由高压气体钢瓶供给。
高压气体经减压阀降压后,由气体调节阀调节到所需压力,通过净化干燥管净化后,再由针形阀和流量计调节保持稳定流量的载气,经热导检测器的参考臂再到进样器,携带汽化后的试样进入分离柱,分离的组分进入热导检测器的检测臂后放空。
热导检测器的参考臂和检测臂的差值信号通过信号转换装置输入计算机得到色谱图。
(二)组成
1、载气系统
载气系统包括气源、净化干燥管和载气流速控制与显示等。
分析过程中载气流速的波动将影响到保留时间的确定,通常采用针形稳压阀控制并保持载气流速恒定。
常用载气有氢气、氮气、氦气等。
2、进样装置
进样装置包括汽化室和进样器。
当试样为液体时,使用色谱微量液体进样器将一定量液体试样注射到汽化室,并在此快速汽化后由载气携带进入分离柱。
汽化室为不锈钢材质的圆柱管,上端为进样口,载气由侧口进入,柱管外部用电炉丝加热。
汽化室的温度通常控制在50~500℃以保证液体试样能快速汽化。
3、色谱柱(分离柱)
色谱柱时色谱仪的核心部件,决定了色谱的分离效能。
4、检测系统
检测系统通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成。
气相色谱仪常用的检测器有热导检测器、氢火焰离子化检测器等,可分为广谱型和专属型。
5、温度控制
温度是色谱分离条件的重要选择参数。
汽化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需独立控制温度。
二、气相色谱固定相
(一)气固色谱固定相
气固色谱固定相通常是具有一定活性的吸附剂颗粒,经活化处理后直接填充到空色谱柱管中使用。
这类固定相种类有限,常用的主要有以下几种。
1、活性碳
非极性,具有较大的比表面积,吸附性较强。
2、活性氧化铝
弱极性,适用于常温下O2,N2,CO等气体的分离。
3、硅胶
具有较强极性,与活性氧化铝具有大致相同的分离性能,除能分析上述物质外,还能分析CO2,N2O,NO,NO2等,且能够分离臭氧,但由于臭氧在硅胶和热导检测器电阻丝上的分解作用使定量不够准确。
4、分子筛
碱及碱土金属的硅铝酸盐,也称沸石,具有多孔性,属极性固定相。
按其孔径大小(以埃为单位)分为多种类型,如3A,4A,5A,10X及13X分子筛等。
5、高分子多孔微球
由苯乙烯与二乙烯苯共聚合而得,有多种型号,如GDX-01,GDX-02,GDX-03等。
适用于气相和液相中水得分析、气体及低级脂肪醇混合物的分析。
(二)气液色谱固定相
气液色谱固定相由于具有较大的可选择性而受到普遍重视。
气液色谱固定相是表面均匀涂渍一薄层固定液的细颗粒固体,故可分为固定液和担体(载体)两部分。
1、担体
担体的作用是微固定液提供一个涂渍附着表面。
担体通常是化学惰性的多孔性固体颗粒,要求具有:
比表面积较大,孔径分布均匀;表面无吸附性或吸附性很弱,与被分离组分不起化学反应;具有较高的热稳定性和机械强度,不易破碎。
担体颗粒应大小均匀,适度,一般常用60~80目、80~100目。
担体主要有硅藻土类和非硅藻土类两大类,后者主要有氟担体、玻璃微球担体和高分子微球担体等。
目前使用较多的担体主要是硅藻土型,其是由天然硅藻土经过煅烧而成,分为红色担体和白色担体两类。
(1)红色担体:
孔径较小,表孔密集,比表面积较大,机械强度好。
缺点是表面存在由活性吸附中心点,适宜涂渍非极性固定液,分离非极性或弱极性组分的试样。
(2)白色担体:
原料在煅烧前加入了少量助溶剂(碳酸钠),颗粒疏松,孔径较大,比表面积较小,机械强度较差,但吸附性显著减小,适宜分离极性组分的试样。
2、固定液
固定液是试样能够分离的主体,发挥着关键作用。
固定液通常是高沸点、难挥发的有机化合物或聚合物。
由于分析试样的多样性,不可能有一种物质能满足所有组分的分离要求,这也决定了固定液品种的多种多样,已被使用过的,可以作为色谱固定液的化合物多达数千种之多。
一种有效的固定液应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力(即分配系数不同),同时具有良好的热稳定性和化学稳定性。
选择固定液时应遵守的一条基本原则是“相似相溶”,即根据试样的性质来选择与其相近或相似的固定相。
作为固定液使用的物质需要满足以下的要求:
(1)挥发性小;
(2)热稳定性好;
(3)熔点不能太高;
(4)对试样中的各组分有适当的溶解能力,具有高的选择性;
(5)化学稳定性好,不与试样发生不可逆化学反应;
(6)有合适溶剂溶解。
3、固定液的极性
极性是区分和表征固定液特性的重要参数,也是选择固定液的重要参考依据。
如果被测组分与固定液分子的极性接近,被测组分与固定液分子间的作用力强,在固定液中的溶解度大,即分配系数大,被保留的时间长。
被测组分在色谱分离过程中的行为与被测组分分子和固定液分子之间的相互作用力大小有着直接关系。
对于色谱固定液的极性,通常采用相对极性(P)来表示。
规定非极性定相角鲨烷(异三十烷)的相对极性为零,强极性固定相β,β'-氧二丙腈的相对极性为100。
其他固定液的相对极性采用一对物质实验确定,相对极性均位于0至100之间。
4、固定液特征常数
应用相对极性并不能全面反映组分与固定液之间的全部作用力,罗胥耐特和麦克雷诺在相对极性的基础上提出了改进的固定液特征常数。
分别称作罗氏常数和麦氏常数。
第四节色谱定性、定量分析方法
色谱分析的目的是获得试样的组成和各组分含量等信息,以降低试样系统的不确定度。
但在所获得的色谱图中,并不能直接给出每个色谱峰所代表何种组分及其准确含量,需要掌握一定的定性定量方法。
一色谱定性鉴定方法
(一)利用纯物质定性
1、利用保留值定性:
通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰,来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。
但这种方法不适用于在不同仪器上获得的数据之间的对比。
保留值接近获分离不完全的组分,该方法难以准确判断。
2、利用加入法定性:
将纯物质加入到试样中,观察各组分色谱峰的相对变化,确定与纯物质相同的组分。
分离不完全时,不同物质可能在同一色谱柱上具有相同的保留值,在一支色谱柱上按上述方法定性的结果并可靠,需要在两支不同性质的色谱柱上进行对比。
当缺乏标准试样时,可以采用以下的方法定性。
(二)利用文献保留值定性
相对保留值r21仅与柱温和固定液性质有关。
在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的相对保留值数据,可以用来进行定性鉴定。
二、色谱定量分析方法
在一定的色谱分离条件下,检测器的响应信号,即色谱图上的峰面积与进入检测器的质量(或浓度)成正比,这是色谱定量分析的基础。
需要正确测量峰面积和比例系数(定量校正因子)。
(一)色谱峰面积
组分的量正比于色谱峰面积,进行定量计算时,首先需要计算出色谱峰面积。
可以将色谱峰近似看作等腰三角形,利用峰高(h)乘半峰宽(Y1/2)来计算峰面积,但计算出的面积是实际峰面积的0.94倍:
当峰形不对称时,可在峰高0.15和0.85处分别测定峰宽,由峰高乘平均峰宽法计算峰面积:
在一定操作条件下,同系物的半峰宽与保留时间成正比,对于难于测量半峰宽的窄峰、重叠峰(未完全重叠),可用峰高乘保留时间法测定峰面积。
(二)定量校正因子
试样中个组分质量(mi)与其色谱峰面积(Ai)成正比,即
式中,比例系数fi称为绝对校正因子,表示单位面积对应的物质量。
配制一系列标准溶液进行色谱分析,在严格一致的条件下,由所测定的峰面积对应浓度作图,所绘直线的斜率即为绝对校正因子。
在定量分析计算中,经常使用相对校正因子
,即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。
当mi,ms改用物质的量ni,ns时,所得相对校正因子称为相对摩尔校正因子,用
表示;当mi,ms用质量单位时,以
表示。
(三)常用的几种定量方法
1、归一化法
当试样中有n个组分,各组分的质量分别为m1,m2,…,mn,则
式中的校正因子可以是质量校正因子,也可以是摩尔校正因子,若试样中各组分的校正因子接近(如沸点接近的同系物),可以略去。
若试样中各组分色谱峰的峰宽接近时,也可以用峰高代替峰面积作近似计算。
2、外标法
外标法也称为标准曲线法。
配制一系列标准溶液进行色谱分析,在严格一致的条件下,由所测定的峰面积对应浓度作图,得到标准曲线。
3、内标法:
内标法关键时选择一种与待测组分性质接近的物质作为内标物。
内标物要满足的要求:
(1)试样中不含有该物质;
(2)与被测组分性质比较接近;
(3)出峰位置应位于被测组分附近,且无组分峰影响。
选定内标物后,需要重新配制试样。
准确称取一定量的原试样(m),再准确加入一定量的内标物(ms),则内标物与待测物的质量比
内标法准确性较高,操作条件和进样量的稍许变动对定量结果的影响不大。
但对于每个试样的分析,都要先进行两次称量,不适合大批量试样的快速分析。
若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定,则
可以
对
作图,得内标标准曲线。
内标标准法可用于大批量试样的分析。
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