氣相色譜分析概述

      作者：武漢彤輝科技有限公司    

摘要：

色譜法是一種分離技術。它以其具有高分離效能、高檢測性能、分析時間快速而成為現代儀器分析方法中應用廣泛的一種方法。它的分離原理是，使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，稱為固定相，另一相是攜帶混合物流過此固定相的流體，稱為流動相。
一、色譜法分類：
   按流動相的物態(tài)，色譜法可分為氣相色譜法(流動相為氣體)和液相色譜法(流動相為液體)；再按固定相的物態(tài)，又可分為氣固色譜法(固定相為固體吸附劑)、氣液色譜法(固定相為涂在固體上或毛細管壁上的液體)、液固色譜法和液液色譜法等。
    按固定相使用的形式，可分為柱色譜法(固定相裝在色譜柱中)、紙色譜法(濾紙為固定相)和薄層色譜法(將吸附劑粉末制成薄層作固定相)等。
    按分離過程的機制，可分為吸附色譜法(利用吸附劑表面對不同組分的物理吸附性能的差異進行分離)、分配色譜法(利用不同組分在兩相中有不同的分配 來進行分離)、離子交換色譜法(利用離子交換原理)和排阻色譜法(利用多孔性物質對不同大小分子的排阻作用)等。

二、氣相色譜分析

氣相色譜法是利用氣體作為流動相的一種色譜法。在此法中，載氣(是不與被測物作用，用來載送試樣的惰性氣體，如氫、氮等)載著欲分離的試樣通過色譜柱中的固定相，使試樣中各組分分離，然后分別檢測。其簡單流程如圖2-1所示。
三、氣相色譜儀組成
   1.載氣系統;  2. 進樣系統; 3.色譜柱和柱箱；4.檢測系統；5.記錄系統。
四、色譜術語
    基線——當色譜柱后沒有組分進入檢測器時，在實驗操作條件下，反映檢測器系統噪聲隨時間變化的線稱為基線，穩(wěn)定的基線是一條直線。如圖2-2中所示的直線
    基線漂移—— 指基線隨時間定向的緩慢變化。
    基線噪聲——指由各種因素所引起的基線起伏。
    保留值——表示試樣中各組分在色譜柱中的滯留時間的數值。通常用時間或用將組分帶出色譜柱所需載氣的體積來表示。在一定的固定相和操作條件下，任何一種物質都有一確定的保留值，這樣就可用作定性參數.
    死時間t_M ——指不被固定相吸附或溶解的氣體(如空氣、甲烷)從進樣開始到柱后出現濃度大值時所需的時間。顯然，死時間正比于色譜柱的空隙體積。
    保留時間t_R——指被測組分從進樣開始到柱后出現濃度大值時所需的時間。
    調整保留時間t_R’ ——指扣除死時間后的保留時間，即t_R’=t_R－t_M
    死體積V_M——指色譜柱在填充后固定相顆粒間所留的空間、色譜儀中管路和連接頭間的空間以及檢測器的空間的總和。     V_M=t_MF_O 
    保留體積V_R ——指從進樣開始到柱后被測組分出現濃度大值時所通過 的載氣體積，即V_R=t_RF_O
    調整保留體積V_R’—— 指扣除死體積后的保留 體積，即V_R’=t_R’.F_O  或V_R’=V_R－V_M  
    同樣，V’_R與載氣流速無關 。死體積反映了柱和儀器系統的幾何特性，它與被測物的性質無關 ，故保留體積值中扣除死體積后將更合理地反映被測組分的保留特性.
    相對保留值r₂₁——指某組分2的調整保留值與另一組分1的調整保留值之比：
    r₂₁==≠≠

r₂₁亦可用來表示固定相(色譜柱)的選擇性。r₂₁值越大，相鄰兩組分的t’_R相差越大，分離得越好，r₂₁=1時，兩組分不能被分離。
    區(qū)域寬度——色譜峰區(qū)域寬度是色譜流出曲線中一個重要的參數。從色譜分離角度著眼，希望區(qū)域寬度越窄越好。通常度量色譜峰區(qū)域寬度有三種方法：
    （1）標準偏差σ 即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。
    （2）半峰寬度Y_1/2 又稱半寬度或區(qū)域寬度，即峰高為一半處的寬度，它與標準偏差的關系為：    Y_1/2=2σ=2.35σ
    （3）峰底寬度Y 自色譜峰兩側的轉折點所作切線在基線上的截距，如圖14-2中的IJ所示。它與標準偏差的關系為：     Y=4σ 

氣相色譜分析理論基礎

摘要：

氣相色譜分析的分離原理是基于不同物質在兩相間具有不同的分配系數兩相作相對運動時，試樣中的各組分就在兩相中進行反復多次的分配，使原來分配系數只有微小差異的各組分產生很大的分離效果，從而各組分彼此分離開來。

一、氣相色譜分析的基本原理
    1．氣—固色譜分析：固定相是一種具有多孔及較大表面積的吸附劑顆粒。試樣由載氣攜帶進入柱子時，立即被吸附劑所吸附。載氣不斷流過吸附劑時，吸附著的被測組分又被洗脫下來。這種洗脫下來的現象稱為脫附。脫附的組分隨著載氣繼續(xù)前進時，又可被前面的吸附劑所吸附。隨著載氣的流動，被測組分在吸附劑表面進行反復的物理吸附、脫附過程。由于被測物質中各個組分的性質不同，它們在吸附劑上的吸附能力就不一樣，較難被吸附的組分就容易被脫附，較快地移向前面。容易被吸附的組分就不易被脫附，向前移動得慢些。經過一定時間，即通過一定量的載氣后，試樣中的各個組分就彼此分離而先后流出色譜柱。
    2．氣—液色譜分析：固定相是在化學惰性的固體微粒(此固體是用來支持固定液的，稱為擔體)表面，涂上一層高沸點有機化合物的液膜。這種高沸點有機化合物稱為固定液。在氣—液色譜柱內，被測物質中各組分的分離是基于各組分在固定液中溶解度的不同。當載氣攜帶被測物質進入色譜柱，和固定液接觸時，氣相中的被測組分就溶解到固定液中去。載氣連續(xù)進入色譜柱，溶解在固定液中的被測組分會從固定液中揮發(fā)到氣相中去。隨著載氣的流動，揮發(fā)到氣相中的被測組分分子又會溶解在前面的固定液中。這樣反復多次溶解、揮發(fā)、再溶解、再揮發(fā)。由于各組分在固定液中溶解能力不同。溶解度大的組分就較難揮發(fā)，停留在柱中的時間長些，往前移動得就慢些。而溶解度小的組分，往前移動得快些，停留在柱中的時間就短些。經過一定時間后，各組分就彼此分離。
    3．分配系數：在一定溫度下組分在兩相之間分配達到平衡時的濃度比稱為分配系數K。

一定溫度下，各物質在兩相之間的分配系數是不同的。氣相色譜分析的分離原理是基于不同物質在兩相間具有不同的分配系數兩相作相對運動時，試樣中的各組分就在兩相中進行反復多次的分配，使原來分配系數只有微小差異的各組分產生很大的分離效果，從而各組分彼此分離開來。
    4．分配比（容量因子）： 以κ表示，是指在一定溫度、壓力下，在兩相間達到分配平衡時，組分在兩相中的質量比：

 

5．分配比к與分配系數K的關系：

由式可見：
（1）分配系數是組分在兩相中濃度之比，分配比則是組分在兩相中分配總量之比。它們都與組分及固定相的熱力學性質有關，并隨柱溫、柱壓的變化而變化。
（2）分配系數只決定于組分和兩相性質，與兩相體積無關。分配比不僅決定于組分和兩相性質，且與相比有關，亦即組分的分配比隨固定相的量而改變。
（3）對于一給定色譜體系(分配體系)，組分的分離終決定于組分在每相中的相對量，而不是相對濃度，因此分配比是衡量色譜柱對組分保留能力的參數。
（4）組分在柱內的線速度u_S將小于u，則兩速度之比稱為滯留因子R_S：
R_S=u_S/u

二、色譜分離基本理論
1．塔板理論
塔板理論假定：
(1)在一小段間隔內，氣相組成與液相組成很快達到分配平衡。用塔板高度H表示；
(2) 載氣進入色譜柱，不是連續(xù)的而是脈動式的，每次進氣為一個板體積；
(3) 試樣開始時都因在第0號塔板上，且試樣沿柱方向的擴散可略而不計；
(4) 分配系數在各塔板上是常數。
    為簡單起見，設色譜柱由5塊塔板[n=5]，n為柱子的理論塔板數，并以r表示塔板編號，r等于0，1，2，----，n-1，某組分的分配比k=1，則根據上述假定， 在色譜分離過程中該組分的分布可計算如下：
    開始時，若有單位質量，即m=1(1mg或1ug)的該組分加到第0號塔板上，分配達平衡后，由于K =1，即m_s = m_m ,故m_s = m_m = 0.5。
    當一個板體積(1ΔV) 的載氣以脈動形式進入0號板時，就將氣相中含 有 部分組分的載氣頂到1號板上，此時0號板液相中m_s 部分組分及1號板氣相中的m_m部分組分，將各自在兩相間重新分配，故0號板上所含組分總量為0.5，其中氣液兩相各為0.25；而1號板上所含 總量同樣為0.5，氣液兩相亦各為0.25。
    以后每當一個新的板體積載氣以脈動式進入色譜柱時，上述過程就重復一次，如下所示：

        表2-1  組分在n=5，k=1，m=1柱內任一板上分配表

    由流出曲線圖可以看出，組分從具有5塊塔板的柱中沖洗出來的大濃度是在n為8或9時。流出曲線呈峰形但不對稱。這是由于柱子的塔板數太少的緣故。當n>50時，就可以得到對稱的峰形曲線。在氣相色譜中，n值是很大的，約為10³～10⁶，因而這時的流出曲線可趨近于正態(tài)分布曲線。

流出曲線上的濃度C與時間t的關系可表示：

由塔板理論可導出n與色譜峰半峰寬度或峰底寬度的關系：

 
而                                 H=L/n 
        由式上式可見，色譜峰越窄，塔板數n越多，理論塔板高度H就越小，此時柱效能越高，因而n或H可作為描述柱效能的一個指標。
    由于死時間t_M(或死體積V_M)的存在，理論塔板 n，理論塔板高度H并不能真實反映色譜分離的好壞。因此提出了將t_M除外的有效塔板數(effective plate number)n_有效和有效塔板高度(effective plate height)H_有效作為柱效能指標。其計算式為：

    有效塔板數和有效塔板高度消除了死時間的影響，因而能較為真實地反映柱效能的好壞。色譜柱的理論塔板數越大，表示組分在色譜柱中達到分配平衡的次數越多，固定相的作用越顯著，因而對分離越有利。但還不能預言并確定各組分是否有被分離的可能，因為分離的可能性決定于試樣混合物在固定相中分配系數的差別，而不是決定于分配次數的多少，因此不應把n_有效看作有無實現分離可能的依據，而只能把它看作是在一定條件下柱分離能力發(fā)揮的程度的標志。
    2．速率理論
    1956年荷蘭學者范弟姆特(Van deemter)等提出了色譜過程的動力學理論，他們吸收了塔板理念的概念，并把影響塔板高度的動力學因素結合進去，導出了塔板高度H與載氣線速度u 的關系：           H=A+B/u+C_u   
        其中A稱為渦流擴散項, B為分子擴散系數，C為傳質阻力系數。
    下面分別討論各項的意義：
    (1) 渦流擴散項A 氣體碰到填充物顆粒時，不斷地改變流動方向，使試樣組分在氣相中形成類似“渦流”的流動，因而引起色譜的擴張。由于A=2λd_p，表明A與填充物的平均顆粒直徑d_p的大小和填充的不均勻性λ有關，而與載氣性質、線速度和組分無關，因此使用適當細粒度和顆粒均勻的擔體，并盡量填充均勻，是減少渦流擴散，提高柱效的有效途徑。
    (2) 分子擴散項B/u由于試樣組分被載氣帶入色譜柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空間中，在“塞子”的前后(縱向)存在著濃差而形成濃度梯度，因此使運動著的分子產生縱向擴散。而   B=2rD_g 
        r是因載體填充在柱內而引起氣體擴散路徑彎曲的因數(彎曲因子)，D_g為組分在氣相中的擴散系數。分子擴散項與D_g 的大小成正比，而D_g 與組分及載氣的性質有關：相對分子質量大的組分，其D_g小,反比于載氣密度的平方根或載氣相對分子質量的平方根，所以采用相對分子質量較大的載氣(如氮氣)，可使B項降低，D_g隨柱溫增高而增加，但反比于柱壓。彎曲因子r 為與填充物有關的因素。
    (3) 傳質項系數Cu  C包括氣相傳質阻力系數C_g 和液相傳質阻力系數C₁兩項。
    所謂氣相傳質過程是指試樣組分從移動到相表面的過程，在這一過程中試樣組分將在兩相間進行質量交換，即進行濃度分配。這種過程若進行緩慢，表示氣相傳質阻力大，就引起色譜峰擴張。對于填充柱：    C_g=       
        液相傳質過程是指試樣組分從固定相的氣液界面移動到液相內部，并發(fā)生質量交換，達到分配平衡，然后以返回氣液界面的傳質過程。這個過程也需要一定時間，在此時間組分的其它分子仍隨載氣不斷地向柱口運動，這也造成峰形的擴張。液相傳質阻力系數C₁為：            C₁=

對于填充柱，氣相傳質項數值小，可以忽略 。

將常數項的關系式代入簡化式得：

          H=2λd_p＋

由上述討論可見，范弟姆特方程式對于分離條件的選擇具有指導意義。它可以說明 ，填充均勻程度、擔體粒度、載氣種類、載氣流速、柱溫、固定相液膜厚度等對柱效、峰擴張的影響。

色譜分離條件的選擇

摘要：

分離度R作為色譜柱的分離效能指標，其定義為相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩個組分色譜峰峰底寬度總和之半的比值

一、分離度
    兩個組分怎樣才算達到*分離？首先是兩組分的色譜峰之間的距離必須相差足夠大，若兩峰間僅有一定距離，而每一個峰卻很寬，致使彼此重疊，則兩組分仍無法*分離；第二是峰必須窄。只有同時滿足這兩個條件時，兩組分才能*分離。

    為判斷相鄰兩組分在色譜柱中的分離情況，可用分離度R作為色譜柱的分離效能指標。其定義為相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩個組分色譜峰峰底寬度總和之半的比值：
 

R值越大，就意味著相鄰兩組分分離得越好。因此，分離度是柱效能、選擇性影響因素的總和，故可用其作為色譜柱的總分離效能指標。
    從理論上可以證明，若峰形對稱且滿足于正態(tài)分布，則當R=1時，分離程度可達98%；當R=1.5時，分離程度可達99.7%因而可用R=1.5來作為相鄰兩峰已*分開的標志。
    當兩組分的色譜峰分離較差，峰底寬度難于測量時，可用半峰寬代替峰底寬度，并用下式表示分離度：

二、色譜分離基本方程式：

 

值，亦可使分析時間在不至于過長。使峰的擴展不會太嚴重對檢測發(fā)生影響。
 

由分離度基本方程式可看出：
（1）分離度與柱效的關系(柱效因子)   分離度與n的平方根成正比。
（2）分離度與容量比的關系(容量因子)，  k >10時，k/(k+1)的改變不大，對R的改進不明顯，反而使分析時間在為延長。因此k值的*佳范圍是1< k <10，在此范圍內，既可得到大的R

表2-2  k值對k/(k+1)的影響

（3）分離度與柱選擇性的關系(選擇因子)，α越大，柱選擇性越好,分離效果越好。分離度從1.0增加至1.5，對應于各α值所需的有效理論塔板數大致增加一倍。
分離度、柱效和選擇性參數之間的聯系為： 
   
       

三、分離操作條件的選擇
1．載氣及其流速的選擇
對一定的色譜柱和試樣，有一個*佳的載氣流速，此時柱效搞，根據下式
                H=A+B/u+C_{U
用在不同流速下的塔板高度H對流速u作圖，得H-u曲線圖。在曲線的低點，塔板高度H小(H小) 。此時柱效搞。該點所對應的流速即為嘉流速u嘉，及  H小可由式(14-17)微分求得：}
 

當流速較小時，分子擴散(B項)就成為色譜峰擴張的主要因素，此時應采用相對分子質量較大的載氣(N₂，Ar )，使組分在載氣中有較小 的擴散系數。而當流速較大時，傳質項(C項)為控制因素，宜采用相對分子質量較小的載氣(H₂,He )，此時組分在載氣中有較大的擴散系數，可減小氣相傳質阻力，提高柱效。
    2．柱溫的選擇
    柱溫直接影響分離效能和分析速度。首先要考慮到每種固定液都有一定的使用溫度。柱溫不能高于固定液的搞使用溫度，否則固定液揮發(fā)流失。
    3．固定液的性質和用量
    固定液對分離是起決定作用的。一般來說，擔體的表面積越大，固定液用量可以越高，允許的進樣量也就越多。為了改善液相傳質，應使液膜薄一些。固定液液膜薄，柱效能提高，并可縮短分析時間。   固定液的配比一般用5：100到25：100，也有低于5：100的。不同的擔體為要達到較高的柱效能，其固定液的配比往往是不同的。一般來說，擔體的表面積越大，固定液的含量可以越高。
    4．擔體的性質和粒度
    要求擔體的表面積大，表面孔徑分布均勻。這樣，固定液涂在擔體表面上成為均勻的薄膜，液相傳質就快，柱效就可提高。擔體粒度均勻、細小，也有利于柱效提高。但粒度過小，柱壓降增大，對操作不利。
    5．進樣時間和進樣量
    進樣必須快，一般在一秒鐘之內。進樣時間過長，會增大峰寬，峰變形。進樣量一般液體0.1-5微升，氣體0.1-10毫升，進樣太多，會使幾個峰疊加，分離不好。
    6．氣化溫度
    在保證試樣不分解的情況下，適當提高氣化溫度對分離及定量有利。

色譜柱固定液英漢對照

摘要：

詳細的固定液中文名稱與英文名稱的對應表

阿皮松（真空潤滑脂）.................................................Apeizon- 
八（2-羥內基）蔗糖 .............................................Hyprose SP-80 
苯磺酸鈉乳化劑 ......................................................Otonite- 
苯喹啉 .....................................................7.8-Benzoquinoline 
苯乙..........................................................Bebzylcyanide 
芐基聯苯 .......................................................Benzyldiphenyl 
丙烷壬酸 *酯（纖烷絲酯）............................... Celanese Ester No.9 
NN-一,二（2氰乙基）甲酰胺 ...............N,N-Bis-(2cyanoethyl)formamide(BCEF) 
N,N-一,二甲基硬脂酸酰胺（混以十四十六烷堿） .......................Hallcomiol 
M- 二甲基雙十八烷基皂士 ...........................................Bentone34 
癸二腈 .......................................................Sebaconitrile 
癸二酸 二（2-乙氧基乙）酯 ...................Bis-(2-ethoxyethyl)Sebacate.BEES 
癸二酸二辛酯.......................................... Dioctyl Sebacate(DOS) 
環(huán)氧樹脂................................................................EPON- 
已二酸二(2-甲氧基乙)酯 ....................Bis-(2-moethoxyethyl)adipate(bmea) 
已二酸二(2-乙氧基乙)酯 ....................Bis-(2-moethoxyethyl)adipate(bmea) 
甲基硅氧烷與聚乙醇丁二酸共聚物 ........................................ECSS-X 
甲基三氧苯基(10%)硅氧烷 .......................................Versilube F-50 
甲基硅油(甲基硅氧烷) .....................................................OV- 
角鯊烷 ...............................................................Spulane 
角鯊烯 ...............................................................Squlene 
季戊四四氰乙基醚 ..............Tetracyanoethylanted penterythriyriol(tcepe) 
聚1,4-丁二醇丁二基酸酯 .......................Butanel,1,4-diol suceinate(BDS) 
聚乙烯基吡咯烷酮 ....................................Polyinylpyrrolidone(PVP) 
聚苯基二乙醇胺丁二酸酯 .................Phenyldiethanolqnine succinate(PDEAS) 
聚苯醚 ........................................................Polyhenylether 
聚苯醚砜 .............................................................Poly-S- 
聚丙二醇已二酸酯.................................................... Roplex400 
聚二乙二醇丁二酸酯 ................Dienthyeneglycol succinate(DECS,LAC-3R-728) 
聚二乙二醇已二酸酯 ..................Dienthyeneglycol adipate(DEGA,LAC-1R-296) 
聚環(huán)已烷二甲醇丁二酸酯 .................Cyclohexanedimetheanolsuccinate(CHDMS) 
聚三氟氟乙烯油 ....................................................Kel-FOil#10 
聚碳硼甲基硅氧烷 ....................................................Dexsil- 
聚烷撐二醇 ..............................................................UCON- 
聚酰胺 ................................................................Poly-A- 
聚新戊二醇丁二酸酯.............................Neeopentyl glyol succinate(NGS) 
聚亞酰胺110 ..........................................................Poly-110- 
聚乙二醇 ........................................................Carbowax-,PEC- 
聚乙二醇20M與2-硝基對苯二甲酸反應物 ...............................EfFAP,OV-351 .. 
聚乙二醇20M與對苯二甲酯反應物 ..................................Carbowax20M-TPA 
聚乙醇單硬脂酸脂 ...................................................Ethofat60/25 
聚乙二醇丁二酸脂 .......................Ethylene glycol succinate(EGS,LAC-4-R866 
聚乙二醇已二酸脂 ...................................Ethylene glycol adipate(EGA) 
聚乙二醇壬基苯基醚.................................................... Lgepal CO 
鄰苯二甲酸二三(2-丁氧基乙)酯 .........................Bis(2-butoxyethyl)phthalan 
鄰苯二甲酸二癸酯 ......................................DI-N-decyl phthalate(DDP) 
鄰苯二甲酸二壬酯.......................................... Dinonylphthalate(DNP) 
鄰苯二甲酸二辛酯.......................................... Diocyl phthalate(DOP) 
鄰苯二甲酸二(2-乙基已)酯 ............................Bis(2-ethylthexyl)phthalate 
鄰苯二甲酸二異癸酯..................................... Diisodecyl phthalate(DDP) 
磷酸鄰*苯酯 ..............................................Tricresy phosphate. 
β,β一硫代二丙 ..................................β,β-Thiodipripionitrile(TDPN) 
碳油 ............................................................Halocarbon oit- 
馬來酸二正丁酯 ...........................................Di-n-butyl maleate(DBM) 
1-羥基-2十七碳烷基噗唑啉............................................... Amine-220 
氰丙基苯基硅氧烷 ..........................................................Silar- 
氰乙基甲基硅氧烷與聚乙二醇丁二酸酯共聚物 .................................ECNSSM. 
曲拉通 ....................................................................Triton 
1、2、3-三(2-氰乙氧基)丙烷 .................1.2.3-Tris-(2-Cyanothoxy)pronane(TGEP) 
三氟丙基(50%)甲基硅氧烷 .......................................................QF- 
三乙醇胺 ........................................................Triethanolamin.e 
山梨糖醇 ................................................................Sorbitol 
雙甘油 ................................................................Diglycerol 
四(2-羥乙基)乙二胺...................... Tetrahydroxyethyl ethylenediamine(THEND) 
四乙二醇二甲醚 T ................................eraethylene gycol dimethyl ether 
β-β-氧二丙 .......................................β,β-Oxydipropionitrile(ODPN) 
液體石蠟 ....................................................................Nujo 
液晶 ....................................................................BMBTBMBI 
有機皂士............................................................ -34Bentone34 
正十六烷 ............................................................n-Hexadecath 
聚酰胺樹脂........................................................... Versamid900 
聚新戊二醇已二酸酯.................................. Neeopentyl glyol adipate(NGA