气象色谱和高效液相色谱法

分析化学之气象色谱和高效液相色谱法知识梳理，包括色谱法概述、色谱理论基础、气相色法概述、气相色谱检测器等的相关内容。

气象色谱和高效液相色谱法

• 色谱法概述
  • 主要原理
    • 被分离物在固定相、流动相的分配差异或其他 亲和性质的差异
    • 使流动相在比表面巨大的固定相上流动，促使 物质在两相间多次来回转移，将这种差异反复 累加，结果各物质随流动相移动的速率发生明 显差别，从而实现分离
  • 特点
    • 分离效率高、灵敏度高、分析速度快、应用范围广
  • 色谱学的重要作用
  • 分类
    • 气相色谱法：流动相为气体（称为载气）。 按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱
    • 液相色谱法：流动相为液体（也称为淋洗液）。 按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱
    • 其他色谱法：薄层色谱、纸色谱、凝胶色谱、高效毛细管电泳
  • 色谱过程
    • 分配系数K：在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度比(单位：g / mL) ，称为分配系数，用K 表示，即：K=组分在固定相中的浓度/组分在流动相中的浓度=Cs/Cm,
      • 1、一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢2、试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础3、试样一定时，K主要取决于固定相性质（气相色谱）4、选择适宜的固定相可改善分离效果5、某组分的K = 0 时，即不被固定相保留，最先流出
    • 分配比：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：
    • 分配比与分配系数的关系
  • 色谱流出曲线及有关术语
    • 基线：无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线
    • 保留值
      • 用时间表示的保留值
        • 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
        • 死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间。tM=L/u
        • 调整保留时间(tR＇)：tR＇= tR - tM，（tM — 在流动相保留的时间tR’—在固定相保留的时间
      • 用体积表示保留值
        • 保留体积（VR）：VR = tR×qv,0qv,0 为柱出口处的载气流速，单位：m L / min。死体积（VM）：VM = tM ×qv,0调整保留体积(VR＇)：V R＇ = VR －V
      • 相对保留值r21：组分21调整保留值之比，只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关
      • 分配比与保留时间的关系：k=tR-tM/tM=在固定相保留的时间/在流动相保留的时间
    • 区域宽度
      • 标准偏差：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半 半峰宽(W1/2)：色谱峰高一半处的宽度 W1/2 =2.354  峰底宽：(峰基宽度) (W)：W=4 
• 色谱理论基础
  • 塔板理论——柱分离效能指标
    • 假设：(1) 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；(2) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(3) 每次分配的分配系数相同
    • 有效塔板数 和有效塔板高度
    • 特点及不足：1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱 效的途径。
  • 速率理论——色谱动力学理论分离度
    • 速率方程
      • A─涡流扩散项：固定相颗粒越小dp↓，填充的越均匀，A↓，H↓，柱效 n↑。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。
      • B/u——分子扩散项：(1) 存在着浓度差，产生纵向扩散; (2) 温度升高，扩散加剧，色谱峰变宽，H↑，分离变差; (3) 分子扩散项与流速有关，流速↓，滞留时间↑，扩散↑; (4) 扩散系数：Dg ∝(M载气)-1/2 ； M载气↑，B值↓
      • C·u—传质阻力项:减小载体粒度，降低固定液液膜厚度，选择小分子量的气 体作载气，可降低传质阻力
    • 要点：(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所 造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬 间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。 (2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载 气流速可提高柱效。 (3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。 阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。 (4) 各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影 响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使 柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的 影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。
  • 分离度：分离度指相邻两色谱峰保留值之差与两峰 底宽平均值之比
    • （1）选择因子r2,1与两组分的性质有关。它的微小增大，都会使分离度得到较大改善。如 r2,1 =1.01时所用的时间为r2,1 =1.1时的84倍。当r2,1 =1时，不能分离 （2）改变r2,1的方法：改变固定相的组成或采用特殊的化学效应、改变柱温、改变流动相的组成(LC) （3）增加塔板数（增加柱长），或减小板高，可以增加分离度。宜采用改变流动相的流速及粘度，吸附在载体上的液膜厚度来减小板高以增大分离度
• 气相色法概述
  • 分类
    • 按固定相分：气-固、气-液
    • 按柱的类型分类
      • 填充柱、毛细管柱
  • 特点：高柱效，高选择，高灵敏度，快速，用样量少 局限性：样品需气化，适用于能气化、热稳定性好、且沸点较低的样品，高沸点、挥发性差、热稳定性差、离子型及高聚物的样品不可检测。约占有机物的20%
  • 结构流程：
  • 主要部件
    • （1)气路系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制；(2）进样系统：进样器+气化室（3）分离系统：色谱柱、柱材质、柱填料（4）温度控制系统：气化室—气流速控制：检测器—保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；分离室—准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离—程序升温
• 气相色谱固定相
  • 气固色谱固定相
    • 种类：活性炭、活性氧化铝、硅胶、分子筛、高分子多孔微球
    • 特点：（1）性能与制备和活化条件有很大关系； （2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果 差异较大； （3）种类有限，能分离的对象不多； （4）使用方便。
  • 气液色谱固定相
    • 作为载体使用的物质应满足的条件：比表面积大，孔径分布均匀； • 化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份 不起反应； • 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎； • 颗粒大小均匀、适度。一般常用60~80目、80~100目
    • 固定液（1）要求：•选择性好，对各组分分配系数的差值要适当 •热稳定性好，有较低的蒸汽压。最高使用温度 •化学稳定性好，不与试样或载气发生不可逆的化学反应 •被分离试样中的各组分在其中具有一定的溶解能力 （2）选择的基本原则“相似相溶”
  • 毛细管色谱柱：1.分离效能高 2.分析速度快 3.样品用量少毛细管柱内径细，柱容量小，出峰快、峰形窄，因此对色谱仪本身(如进样系统、检测器等)有特殊的要求
• 气相色谱检测器
  • 检测器分类：浓度型检测器、质量型检测器、广普型检测器、专属型检测器
  • 检测器性能评价指标：E = S m，同一检测器对不同物质一般具有不同的响应值，即，相同进样量的不同物质，在色谱图上产生的峰面积通常不一定相等
  • 几种典型的检测器
    • 热导检测器、氢火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器、定性检测器
• 气相色谱分离操作条件的选择
  • 载气种类和流速的选择：（1）载气种类的选择：载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。 热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。· 在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。 （2）载气流速的选择
  • 柱长和柱内径的选择：增加柱长对提高分离度有利（分离度R2正比于柱长L），但组分的保留时间tR ↑ ，且柱阻力↑，便操作。 柱长的选用原则是在能满足分离目的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。 填充色谱柱的柱长通常为1~3米。 可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长 或实验确定。 内径增加，柱效能下降，不利于分离
  • 柱温的选择：柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。
  • 进样时间和进样量的选择：进样要求动作快、时间短。否则色谱峰将变宽甚至变形 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。
  • 汽化温度的选择：提高汽化室温度对分离和定量测定有利。通常汽化室温 度较柱温高30~70ºC。对热稳定性较差的试样，汽化温度不宜过高，以防试样分解。
• 色谱定性与定量分析方法
  • 色谱定性方法：利用保留值的定性鉴定方法（不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比）、加入纯物质以增加峰高的定性鉴定法、与质谱、红外光谱联用的定性鉴定
  • 气相色谱定量测定方法：在恒定的实验条件下，峰面积（或峰高）与组分的（含）量成正比。
    • 归一化法
    • 内标法：当试样中各组分不能全部出峰，或各组分含量悬殊， 或仅需测定其中某个或某几个组分时，可用内标法。
    • 外标法：外标法也称为标准曲线法。用对照品配成不同浓度的对 照液，定量进样，用峰面积对对照品的量（或浓度）作 线性回归，求出斜率、截距，而后计算样品的含量
• 高效液相色谱法简介
  • 特点：高压、高效、高速。适宜于分离高沸点、热不稳定 的有机物、生化试样以及离子型化合物。
  • 主要类型：一、液-固吸附色谱 二、液-液分配色谱 三、离子交换色谱 四、离子色谱 五、离子对色谱 六、排阻色谱