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气相色谱

气相色谱原理

气相色谱(GC)是一种分离分析技术。故其原理分两个方面。一是分离的原理。二是分析的原理。

分离原理:色谱法属物理分离法。由于被分离的各个组分间存在物化性质(沸点、极性和吸附性质)的差异,导致它们在流动相和固定相中具有不同的分配系数,当这些物质一起随流动相在柱中流动时,样品组分很难在流动相和固定相间形成分配平衡,所以在整个分离过程中它们会进行反复多次的吸附/解吸,结果使这些组分在移动速度上,彼此存在差别,最终运动足够距离后,同类物质聚集,各组分顺序流出色谱柱,达到分离目的。

具体到气相色谱,气指气体,相指流动相。也就是说该技术中,流动相以气体形式存在。这个气体由两个方面构成,一是载气,其主要作用是将样品带入GC系统进行分离,其本身对分离结果的影响有限;通常为氮气、氦气、氢气等;另一个是需分离的混合物质,非气态样品在仪器的进样口即被高温气化,以此保证各组分以气体形式,被载气携带,一起流入特定的分离气路。

气相色谱中的固定相,由具体使用的色谱柱决定。一类色谱柱称为填充柱,以细小颗粒填充该管柱;另一类就是现在最常见的石英材质的中空毛细管色谱柱,柱内壁先是由一层惰性物质覆盖,称为担体,然后担体上覆一层高温液膜,和填充柱相比,它的分离效率更高;同时因为其柱容量小,故在进样技术、载气控制等的仪器设计上,要求更精确;且进样量不宜过大,以确保色谱柱不超载,相配的检测器的灵敏度要更高些。

组分的成功分离,依靠的器件就是色谱柱。通常是选定一种载气,然后通过改变色谱柱(即固定相)以及操作参数(柱温和载气流速等)来优化分离。可根据极性相似相容原理选用固定相是非极性、弱极性或极性的色谱柱,最后是对操作参数(柱温和载气流速等)进行设置,以优化分离。色谱柱温度的确定主要由样品的复杂程度和汽化温度决定。原则是既要保证待测物的完全分离,又要保证所有组分能流出色谱柱,且分析时间越短越好。对组成复杂的样品,常需要用程序升温分离,以保证低沸点组分和高沸点组分都能够实现良好分离,又尽可能缩短分析时间。

1 悬挂在加温炉内的色谱柱

分析原理:流出色谱柱的各组分依次流入分析仪器,最终得到检测器信号随时间变化的曲线,即色谱图。实验室所配的检测仪器有两种,一是氢火焰离子收集器(FID),二是热导检测器(TCD),均属于浓度型,测量的是载气中各组分浓度的瞬间变化,故色谱图中反映的是样品中各组分浓度随时间变化的情况。

氢火焰离子收集器(FID):该仪器对绝大多数有机物都有响应,易于进行痕量级( )有机物的分析。从字面上可看出该器件的功能,以氢火焰将粒子离子化,并收集这些离子。从色谱柱的末端出来的各组分有机分子,都属于不带电荷的粒子,它们在氢-氧火焰中被化学电离,变成了离子,也就是带上了电荷,并最终向FID的离子收集极运动。电荷的固定流动就会形成电流。当载气中不含组分时,仅是氢气在空气中的燃烧,形成的离子极少,电流值很低,而一旦有组分粒子出现,电流值就会变大,粒子越多,电流值就会越大。故FID电信号的变化能够反映出进入到检测器中的有机分子数量的变化,即浓度检测。

 

2 FID结构示意图

热导检测(TCD):该仪器结构简单,性能稳定,对有机物和无机气体都有响应。测量浓度大于 的组分。基本原理就是惠斯登电桥,其四个臂上的电阻,除了两个是固定阻值外,另外两个多为热丝,其阻值会随自身温度的变化而改变,其中一个热丝放置在称为参比池的孔中,仅通以流速恒定的载气;另一个放置在称为测量池的孔中,通过的是载气和被测组分气体共同构成的混合气体。测量时,先不加试样,故只有载气通过两池,调整电流值使电桥达到平衡,此时没有信号输出。注入试样后,测量池内的气体环境发生变化,含有了热导系数不同与载气的组分蒸汽,热传导条件的改变带来热丝自身温度的变化,其电阻值也发生改变,电桥平衡被破坏,有电信号输出。组分的浓度越高,两个池中的热导环境差异就越大,由电桥得到的信号输出值就越大。

3 TCD结构示意图

 

色谱理论:研究色谱过程的理论大致分为三类,热力学理论、动力学理论和分离理论。热力学理论主要研究被分离物质与固定相之间的相互作用机理;动力学是描述分离过程中操作参数对分离结果的影响;而分离理论则主要指操作条件的优化方法。其中较有影响的为塔板理论和速率理论。

塔板理论以板数衡量色谱柱分离效率的高低,得到的基本方程是流出曲线方程,描述流出组分浓度随(体积,时间,距离)变化的情况。该方程表明,当塔板数很大时,浓度的变化应该是一个正态分布,即检测器所给出的组分的流出信号曲线应趋近于正态分布(也叫高斯分布)曲线。

速率理论是基于无规行走模型,得出单位柱长的离散度(即谱带展宽)受到涡流扩散、纵向扩散及传质阻力三个方面的影响,导出方程为:

其中,u是流动相线速度,A是涡流扩散项, 是纵向扩散项, 是传质阻力。

速率理论较好地描述了色谱参数,如载体的粒度、固定液的种类和膜厚、流动相的种类和流速、柱尺寸的选择等对柱效的影响,在实际分析中有指导作用。

定性及定量:气相色谱不仅能够使各组分分离,且可以提供各组分浓度随时间变化的分布曲线,即色谱图。有了色谱图,就可以对分离组分进行定性及定量操作。

4 含三组分的色谱图

 

对物质进行定性的依据是因为在相同的色谱条件下,同种物质的保留时间是相同的。故对于简单的样品,可通过标准物质对照来定性。就是在相同的色谱条件下,分别注射标准样品和实际样品,根据保留值即可确定色谱图上哪个峰是要分析的组分。定性时必须注意,在同一色谱柱上,不同化合物可能有相同的保留值。

和定性相比,依据色谱图,确定分离出的各组分的含量,即定量,则要麻烦些。因为即使测试条件一样,物质不同,其色谱峰的单位面积所代表的样品量(响应因子)是不一样的。仅由积分得出的峰面积,并不能确定其浓度值。还要有进一步的数据处理。常用方法如内标法、外标法、标准加入法等。其中外标法使用最频繁,内标法定量精度最高。