应化化工分析技师培训材料Word文件下载.docx
《应化化工分析技师培训材料Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应化化工分析技师培训材料Word文件下载.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
一、基本概念
l.色谱峰（流出峰）由电信号强度对时间作图所绘制的曲线称为色谱流出曲线。
流出曲线（图2-2）上的突起部分称为色谱峰。
正常色谱峰为对称形正态分布曲线，曲线有最高点，以此点的横坐标为中心，曲线对称地向两侧快速、单调下降。
不正常色谱峰有两种：
拖尾峰及前延峰。
前沿陡峭，后沿拖尾的不对称色谱峰称为拖尾峰（tailingpeak），前沿平缓，后沿陡峭的不对称色谱峰称为前延峰（leadingpeak）。
正常色谱峰与不正常色谱峰可用对称因子fs（symmetryfactor）或叫拖尾因子来衡量（图20-3）。
对称因子在0.95～1.05之间为对称峰，小于0.95为前延峰，大于1.05为拖尾峰。
fs=W0.05h/2A=（A+B）/2A（2.1）
一个组分的色谱峰可用三项参数即峰高或峰面积（用于定量）、峰位（用保留值表示、用于定性）及峰宽（用于衡量柱效）说明。
2.基线在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线称为基线。
稳定的基线应是一条平行于横轴的直线。
基线反映仪器（主要是检测器）的噪音随时间的变化。
3.保留值（滞留值）是色谱定性参数。
（1）保留时间（tR）：
从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔称为该组分的保留时间（retentiontime），即从进样到柱后某组分出现浓度极大时的时间间隔。
图2-2中tR1及tR2分别为组分l及组分2的保留时间。
（2）死时间（t0）：
分配系数为零的组分的保留时间称为死时间（deadtime）。
通常把空气或甲烷视为此种组分，用来测定死时间。
（3）调整保留时间（
）：
某组分由于溶解（或被吸附）于固定相，比不溶解（或不被吸附）的组分在柱中多停留的时间称为调整保留时间（adjustedretentiontime），又称为校正保留时间。
调整保留时间与保留时间和死时间有如下关系：
（2.2）
在实验条件（温度、固定相等）一定时，调整保留时间仅决定于组分的性质，因此调整保留时间是定性的基本参数。
（4）保留体积（VR）：
从进样开始到某个组分在柱后出现浓度极大时，所需通过色谱柱的载气体积称为该组分的保留体积（retentionvolume）。
对于正常峰，该组分的l/2量被带出色谱柱时所消耗的载气体积为保留体积。
保留体积与保留时间和载气流速（Fc，ml/min）有如下关系：
（2.3）
载气流速大，保留时间短，但两者的乘积不变，因此VR与载气流速无关。
（5）死体积（V0）：
由进样器至检测器的流路中未被固定相占有的空间称为死体积。
死体积是进样器至色谱柱间导管的容积、色谱柱中固定相颗粒间间隙、柱出口导管及检测器内腔容积的总和。
死体积与死时间和载气流速有如下关系：
（2.4）
死体积大，色谱峰扩张（展宽），柱效降低。
死时间相当于载气充满死体积所需的时间。
（6）调整保留体积（
由保留体积扣除死体积后的体积称为调整保留体积。
（2.5）
与载气流速无关，是常用的色谱定性参数之一。
（7）半峰宽（peakwidthathalfheight；
W1/2或Y1/2）：
峰高一半处的峰宽称为半峰宽，又称为半腰宽及半宽度等。
W1/2=2.355σ（2.8）
（8）峰宽（peakwidth，W）：
通过色谱峰两侧的拐点作切线，在基线上的截距称为峰宽，或称基线宽度，也可用Y表示。
W=4σ或W=l.699W1/2（2.9）
（9）相对保留值（relativeretentionvalume）在相同条件下，组分2与组分1的调整保留值之比，用r21表示。
（7-4）
采用相对保留值可以消除某些操作条件对保留值的影响，只要柱温、固定相和流动相的性质保持不变，即使柱长、柱径、填充情况及流动相速有所变化，由于相对保留值在较短的时间间隔内进行测定，实验条件对保留值的影响在分子分母中都存在，其比值仍基本保持不变，所以它是色谱定性分析的重要参数。
三、塔板理论
塔板（塔片）理论是把色谱柱看作一个分馏塔，在每个塔板的间隔内，样品混合物在气液两相中达到分配平衡。
经过多次的分配平衡后，分配系数小的组分（挥发性大的组分）先到达塔顶（先流出色谱柱）。
由于色谱柱的塔板相当多，因此分配系数的微小差别，即可获得很好的分离效果。
（一）基本假设
组分被载气带入色谱柱后在两相中分配，由于流动相移动较快，组分不能在柱内各点瞬间达到分配平衡。
但塔板理论假定：
l.在柱内一小段高度H内，组分可以很快在两相中达到分配平衡。
且称为理论塔板高度（heightequivalenttoatheoreticalplate），用HETP或H表示。
2.载气通过色谱柱不是连续前进，而是间歇式的，每次进气为一个塔板体积。
3.样品和新鲜载气都加在第0号塔板上，且样品的纵向扩散可以忽略。
4.分配系数在各塔板上是常数。
塔板理论的假设实际上是把组分在两相间的连续转移过程，分解为间歇的在单个塔板中的分配平衡过程。
也就是用分离过程的分解动作来说明色谱过程。
（二）理论塔板高度和理论塔板数
理论塔板高度（H）和理论塔板数（n）都是柱效指标。
由于σ的大小是柱效高低的反映，因此将理论塔板高度定义为每单位柱长（L）的方差。
即：
（2·
l1）
理论塔板数为：
n=L/H（2·
l3）
在实验中，理论塔板数由峰宽和保留时间计算：
n=16（tR/W）2（2·
l2）
或者n=（tR/σ）2或n=5.54（tR/W1/2）2（2.13）
由上式可以说明，σ或W1/2越小，色谱柱的塔板高度越小，柱效越高。
若用
代替
计算塔板数，称为有效理论塔板数（nef），求得塔板高度为有效理论塔板高度（Hef）。
例在柱长2m、5%阿皮松柱、柱温100℃、记录纸速为2.0cm/min的实验条件下，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.20cm。
求理论塔板高度。
上，载气携带组分通过色谱柱时，由于载气的线速度较快，组分在固定相与载气间不可能达到分配平衡
。
第三节色谱柱
色谱柱由固定相与柱管组成。
色谱柱可按柱管的粗细、固定相的填充方法及分离机制分类。
按柱粗细可分为一般填充柱及毛细管柱两类。
填充色谱柱多用内径4～6mm的不锈钢管制成螺旋形管柱，常用柱长2～4m。
填充液体固定相（气-液色谱）或固体固定相（气-固色谱）。
毛细管色谱柱柱管为毛细管，常用内径0.1～0.5mm的玻璃或弹性石英毛细管，柱长几十米至百米。
按填充方式可分为开管毛细管柱及填充毛细管柱等。
按分离机制可分为分配柱及吸附柱等，它们的区别主要在于固定相。
分配柱一般是将固定液（高沸点液体）涂渍在载体上，构成液体固定相，利用组分的分配系数差别而实现分离。
将固定液的官能团通过化学键结合在载体表面，称为化学键合相（chemicallybondedphase），不流失是其优点。
吸附柱将吸附剂装入色谱柱而构成，利用组分的吸附系数的差别而实现分离。
除吸附剂外，固体固定相还包括分子筛与高分子多孔小球等。
一、固定液
固定液一般是一些高沸点的液体，在操作温度下为液态，在室温时为固态或液态。
（一）对固定液的要求
在操作温度下呈液态且蒸气压低，因为蒸气压低的固定液流失慢、柱寿命长、检测器本底低；
固定液对样品中各组分有足够的溶解能力，分配系数较大；
选择性能高，两个沸点或性质相近的组分的分配系数比不等于一；
稳定性好，固定液与样品组分或载体不产生化学反应，高温下不分解；
粘度小，凝固点低。
（二）固定液的分类
有数百种固定液，合理分类有利于选择。
化学分类与极性分类是常用的分类方法。
1.化学分类法
（l）烃类：
包括烷烃与芳烃。
常用的有沙鱼烷（角鲨烷、异卅烷、C30H62），是标准非极性固定液。
（2）硅氧烷类：
是目前应用最广的通用型固定液。
其优点是温度粘度系数小、蒸气压低，流失少，对大多数有机物都有很好的溶解能力等。
包括从弱极性到极性多种固定液。
这类固定液的基本化学结构为：
硅氧烷类固定液按化学结构分类如下：
1）甲基硅氧烷：
R为甲基，按分子量不同可分为甲基硅油（n<
400）及甲基硅橡胶（n>
400）。
甲基硅油有甲基硅油I（最高使用温度230℃）等，甲基硅橡胶有SE-30（350℃）及OV-l（350℃）等。
是一类应用很多的耐高温、弱极性固定液。
2）苯基硅氧烷：
R为苯基。
n<
400为甲基苯基硅油；
n>
400为甲基苯基硅橡胶。
根据含苯基与甲基的比例不同分为：
低苯基硅氧烷，如SE-52（5%，300℃）；
中苯基硅氧烷，如OV-17（50%，350℃）；
高苯基硅氧烷，如OV-25（75%，300℃）。
苯基含量高时，结构中的甲基也相应变为苯基。
这类固定液因引入苯基而极性比甲基硅氧烷强，且随着苯基含量增高，极性增强。
3）氟烷基硅氧烷：
R为三氟丙基（-CH2CH2CF3），是一类中等极性固定液。
这类固定液在强碱作用下易解聚，故只能与酸洗载体配伍。
4）氰基硅氧烷：
R为氰乙基（-CH2CH2CN），是一类强极性固定液，氰乙基含量越高，极性越强。
（3）醇类：
是一类氢键型固定液，可分为非聚合醇与聚合醇两类。
聚乙二醇如PEG-20M（平均分子量20000，250℃）是药物分析中最常用的固定液之一。
（4）酯类：
是中强极性固定液，分为非聚合酯与聚酯两类。
聚酯类多是二元酸及二元醇所生成的线型聚合物，如丁二酸二乙二醇聚酯（poiydiethyleneglycolsuccinatePDEGS或DEGS）。
在酸性或碱性条件下或200℃以上的水蒸气均能使酯聚水解。
（三）固定液的选择
对于组分已知的样品，如果难分离物质对初步确定，那么选择固定液的指标就是使难分离物质对达到定量分离。
l.按相似性原则选择按被分离组分的极性或官能团与固定液相似的原则来选择，这是因为相似相溶的缘故。
这样，组分在固定液中的溶解度大，分配系数大，保留时间长，分开的可能性就大。
（1）按极性相似选择：
①非极性化合物应首先选择非极性固定液，这时组分与固定液分子间的作用力主要是色散力，组分基本上以沸点顺序出柱，低沸点的先出柱。
若样品中有极性组分，相同沸点的极性组分先出柱。
②中等极性化合物可首选中等极性固定液。
分子间作用力为色散力和诱导力。
基本上仍按沸点顺序出柱。
但对沸点相同的极性与非极性组分，诱导力起主导作用，极性成分后出柱。
③强极性化合物，首选极性固定液。
分子间主要作用力为定向力。
组分按极性顺序出柱，极性强的组分后出柱。
（2）按化学官能团相似选择：
当固定液与组分的化学官能团相似时，相互作用力最强，选择性最高。
例如，被分离化合物为酯可选酯和聚酯固定液。
化合物为醇可选醇类或聚乙二醇等。
2.按主要差别选择若组分的沸点差别是主要矛盾，可选非极性固定液；
若极性差别为主要矛盾，则选极性固定液。
现举例说明：
苯与环己烷沸点相差0.6℃（苯80.1℃，环己烷80.7℃）。
而苯为弱极性化合物，环己烷为非极性化合物，二者极性差别虽然不大，但相对而言比沸点差别大，极性差别是主要矛盾。
用非极性固定液很难将苯与环己烷分开。
若改用中等极性的固定液，如用邻苯二甲酸二壬酯，则苯的保留时间是环己烷的1.5倍。
若再改用聚乙二醇400，则苯的保留时间是环己烷的3.9倍。
3.按麦氏相常数选择由于麦氏常数比较全面地描述了固定液的分离特征，因此根据麦氏常数可较快地选择适合于分离对象的固定液。
例如，要分离正丁基乙基醚和正丙醇，且正丙醇是杂质，应让它先出峰，因此所选择的固定液应与正丁基乙基醚的作用力强，与正丙醇的作用力弱。
值越大的固定液对质子受体的作用力越强；
值越小的固定液对质子给体的作用力越小。
醚是质子受体，醇是质子给体，因此只有选择具有高
值的固定液，才能使正丙醇先于正丁基乙基醚之前流出。
从表2-2查得QF-l的
=355/233=1.52，此值较大，可选作固定液。
查得OV-210的
=358/238=1.50，此值略小于QF-1，但OV-2l0的最高使用温度为275℃，而QF-l只有250℃。
若采用较高柱温，OV-210更合适。
二、载体
一般载体（担体）是化学惰性的多孔性微粒。
特殊载体如玻璃微珠，是比表面积大的化学惰性物质，但并非多孔。
固定液分布在载体表面，形成一均匀薄层，构成气-液色谱的固定相。
1.对一般载体的要求①比表面积大，孔穴结构好；
②表面没有吸附性能（或很弱）；
③不与被分离物质或固定液起化学反应；
④热稳定性好，粒度均匀，有一定的机械强度等。
2.载体的分类载体可分为两大类：
硅藻土型载体与非硅藻土型载体。
硅藻土型载体是天然硅藻土经锻烧等处理而获得的具有一定粒度的多孔性固体微粒。
非硅藻土型载体种类不一，多用于特殊用途，如氟载体、玻璃微珠及素瓷等。
3.载体的钝化钝化是除去或减弱载体表面的吸附性能。
以硅藻土型载体为例，表面存在着硅醇基及少量的金属氧化物，常具有吸附性能。
当被分析组分是能形成氢键的化合物或酸碱时，则与载体的吸附中心作用，破坏了组分在气-液二相中的分配关系，而产生拖尾现象，故需将这些活性中心除去，使载体表面结构钝化。
钝化的方法有酸洗、碱洗、硅烷化及釉化等。
酸洗能除去载体表面的铁、铝等金属氧化物。
酸洗载体用于分析酸类和酯类化合物。
碱洗能除去表面的Al2O3等酸性作用点，碱洗载体适用于分析胺类等碱性化合物。
硅烷化是将载体与硅烷化试剂反应，除去载体表面的硅醇基，消除形成氢键的能力。
硅烷化载体主要用于分析具有形成氢键能力较强的化合物，如醇、酸及胺类等。
三、气-固色谱填充柱
气-固色谱填充柱的固定相可为吸附剂、分子筛、高分子多孔微球及化学键合相等。
吸附剂常用石墨化炭黑、硅胶及氧化铝等。
分子筛常用4A、5A、及l3X。
4、5及l3表示平均孔径（Å
），A及X表示类型。
分子筛是一种特殊吸附剂，具有吸附及分子筛两种作用。
若不考虑吸附作用，分子筛是一种“反筛子”，分离机制与凝胶色谱类似。
吸附剂与分子筛多用于永久性气体及低分子量化合物的分离分析，在药物分析上远不如高分子多孔微球用途广。
因此以下主要介绍高分子多孔微球。
高分子多孔微球（GDX）是一种人工合成的新型固定相，还可以作为载体。
它由苯乙烯（STY）或乙基乙烯苯（EST）与二乙烯苯（DVB）交联共聚而成，聚合物为非极性。
若STY与含有极性基团的化合物聚合，则形成极性聚合物。
高分子多孔微球的分离机理一般认为具有吸附、分配及分子筛三种作用。
该固定相有如下优点：
①改变制备条件及原料可以合成各种比表面及孔径的聚合物。
因而可根据样品的性质进行选择，使分离效果最佳。
②无有害的吸附活性中心，极性组分也能获得正态峰。
③无流失现象，柱寿命长。
④具有强疏水性能，特别适于分析混合物中的微量水分。
⑤粒度均匀，机械强度高，具有耐腐蚀性能。
⑥热稳定性好，最高使用温度为200～300℃。
⑦柱超负荷后恢复快，还适用于制备色谱。
化学键合相是新型气相色谱固定相，具有分配与吸附两种作用，传质快、柱效高、分离效果好、不流失、柱寿命长，但价格较贵。
有关化学键合相的内容见第3章。
四、毛细管色谱柱
色谱动力学理论认为，可以把气-液填充柱看作一束涂了固定液的长毛细管。
由于这束毛细管是弯曲与多径的，而引起涡流扩散，使柱效降低。
其次，填充柱的传质阻抗大，也使柱效降低。
1957年Golay根据这个观点，把固定液直接涂在毛细管管壁上，而发明了Golay柱，标志着毛细管气相色谱法的诞生。
从80年代起，特别是近几年来，毛细管柱制备技术不断发展，新型高效毛细管柱不断出现，为气相色谱法开辟了新途径。
（一）毛细管色谱柱的分类
按制备方法的不同，毛细管色谱柱可分为：
1.开管型毛细管柱最早的开管型毛细管柱是内径为0.1～0.3mm的熔融石英管。
但目前应用的主要是涂壁毛细管柱（wallcoatedopentubularcolumn；
WCOT）和载体涂层毛细管柱（supportcoatedopentubularcolumn；
SCOT）。
（l）涂壁毛细管柱：
将固定液直接涂在玻璃或金属毛细管内壁上而制成。
后者常为不锈钢毛细管，其表面为非极性，很适合于非极性或弱极性固定液涂层。
涂极性固定液时，常加入表面活性剂，使固定液牢固地涂在管壁上。
具有极性表面的玻璃毛细管可涂上极性或弱极性固定液。
常采用硅烷化法处理玻璃管内壁，除去硅醇基，降低吸附性，改善色谱峰形。
有时用氯化氢气体等处理管壁，使其变得粗糙，使涂层更牢固。
这种柱涂渍的固定液很少，涂层厚度通常为0.3～1.5μm，固定液易流失，柱寿命短。
（2）载体涂层毛细管柱：
在毛细管内壁粘上一层载体，然后再将固定液涂在载体上，就构成了载体涂层毛细管柱。
载体（多为硅藻土）先粘在厚壁玻璃管内壁上，再在600～700℃下拉制成毛细管，使载体均匀地分布在管壁上。
SCOT克服了WCOT的上述缺点，是目前应用最广泛的毛细管色谱柱。
近年来出现的交联弹性石英毛细管柱是将固定液交联聚合在毛细管内，减少了固定液流失，柱寿命长，是当前最佳的SCOT柱。
2.填充型毛细管柱它是将载体、吸附剂等松散地装入玻璃管中，然后拉制成毛细管。
一般柱内径≤l.0mm，填料粒度与内径的比值为0.2～0.3。
这类柱可用作吸附柱，分离气体组分和低分子量的烃类，也可涂上固定液，用作分配柱。
与普通填充柱相比，它具有分析速度快，柱效高（理论塔板数为3000～4000m-l）等优点。
把涂有固定液的细颗粒填料（30～50μm）装入内径小于lmm的毛细管，称为微型填充柱，其柱效高，分析速度快，但柱制备困难。
就其性质属于填充柱范围。
（二）开管毛细管柱与一般填充柱的比较
开管型毛细管柱尤其是SCOT柱仍然是目前使用最多的毛细管柱。
与一般填充柱相比其具有如下特点：
1.柱渗透性好开管毛细管柱的柱阻很小，这有两方面优点：
①可以增加柱长（最长可达300m），增加一根色谱柱的塔板数。
②可以用高载气流速进行快速分析。
2.柱效高一根毛细管柱的理论塔板数最高可达l06，最低也有几万。
柱效高的原因主要有3个：
一是无涡流扩散，二是传质阻抗小，三是柱长比填充柱长。
开管毛细管柱一般长为25～50m，即使理论塔板数只有1000m-1，一根柱的塔板数尚有（2.5～5）×
l04.而一根普通填充柱柱长为2～6m，塔板数只有～103，相差悬殊。
3.易实现气相色谱-质谱联用由于毛细管柱的载气流量小，较易维持质谱仪离子源的高真空。
4.柱容量小由于其固定液量只有填充柱的几十分之一至几百分之一，因此最大允许进样量很小，进样器需有分流装置。
5.定量重复性较差这主要是由于进样量甚微，很难实现定量和重现。
因此，通常多用毛细管色谱柱进行分离和定性，较少用于定量分析。
图2-1l为毛细管色谱柱分析氨基酸的实例。
色谱条件如下：
色谱柱：
SE-30SCOT柱，柱长30m，柱温：
120～240℃，（2℃/min）；
进样量0.1μl。
第四节检测器
检测器（detector）是将流出色谱柱的载气中被分离组分的浓度（或量）的变化转换为电信号（电压或电流）变化的装置。
色谱柱与检测器构成分离-分析仪器——气相色谱仪的两个主要部分，前者“司分离”，后者“司分析”。
气相色谱仪的检测器已有三十余种之多，常用检测器可分为浓度型检测器和质量型检测器两大类。
下面介绍三种最基本的检测器，热导检测器、氢焰离子化检测器和电子捕获检测器。
一、热导检测器
热导检测器（thermalconductivitydetector；
TCD）是利用被检测组分与载气的热导率的差别来检测组分的浓度变化{热导率是衡量物质导热性能的指标，用“λ”表示。
当物质的横截面积为1m2，厚lm，两侧温差为1开尔文（K）时，每秒传导过此物质的热量称为热导率。
按国际单位制规定：
热导率的单位为瓦/米·
开}。
具有构造简单、测定范围广、稳定性好、线性范围宽、样品不被破坏等优点。
TCD是一种通用型检测器。
但灵敏度低。
（一）检测原理
在一块不锈钢块上钻上孔道，装入热敏元件（热丝），就构成热导池。
热敏元件用钨丝或铼钨丝等制成，它们的电阻随温度的升高而增大，并且具有较大的温度系数，故称为“热敏”元件。
钨丝的电阻温度系数为6.5×
10-3欧/（欧·
度）。
将两个材质、电阻相同的热敏元件，装入一个双腔的池体中，构成双臂热导池（图2-12a）。
一臂联接在色谱柱之前，只通载气，称为参考臂；
另一臂联接在色谱柱之后，称为测量臂。
两臂的电阻分别为R1与R2。
将R1、R2与两个阻值相等的固定电阻R3、R4组成桥式电路（图2-l2b）。
当载气以恒定的速度通入热导池，并以恒定的电压给热导池通电时，热丝温度升高。
所产生的热量主要经载气由热传导方式传给温度低于热丝的池体，其余部分由载气的“强制”对流所带走，热辐射散失的热量很小，可忽略不计。
当热量的产生与散失建立热动平衡后，热丝的温度恒定。
若测量臂无样气通过，即只通载气时，两个热丝的温度相等，R1=R2。
根据惠斯敦电桥原理，当R1/R2=R3/R4时，A、B两点间的电位差VAB=0。
因此，此时检流计G中无电流通过（IG=0），检流计指针停在零点。
当样品由进样器注入色谱柱，分离后，某组分被载气带入测量臂时，若组分与载气的热导率不等，则测量臂的热动平衡被破坏，热
升级会员 