氣相色譜的原理及定性定量分析

1、.氣相色譜的原理及定性定量分析基本原理氣相色譜是將有機物分離的一種方法，它也可以對混合物的組成進行定性定量分析?；旌衔锸峭ㄟ^在流動相和固定相中的相作用而分離的。流動相和固定相構成色譜法的基礎。流動相可以有氣體和液體兩種狀態(tài)，固定相則有液體和固體兩種狀態(tài)。流動相是氣體的稱作氣相色譜。流動相是液體的稱做液相色譜。氣相色譜是一種分配色譜，其固定相是由特定的液體黏附在一些固體基質上組成的。各種氣相色譜儀雖然在功能、價格和操作上有所不同，但其都是由氣流系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所組成的。如下圖：氣相色譜的氣流系統(tǒng)主要包括氣源和氣體純化及調節(jié)裝置。氣源一部分是作為流動相的載氣，我們所使用的載氣

2、是氮氣。氣源的另一部分是作為后期檢測所用的燃燒氣體，主要是氫氣和空氣。由于進入分離系統(tǒng)的氣體純度需要保證，所以不論氣源純度如何，都應通過氣體凈化裝置才能進入色譜分離系統(tǒng)。雖然根據(jù)檢測器或色譜柱不同，氣相色譜的氣體純度有所差異，但所有氣體的純度至少要達到99以上，許多情況下應達99?99。氣相色譜分離系統(tǒng)包括樣品汽化室和色譜柱兩部分。氣相色譜分離技術需要所測有機物樣品必須在氣態(tài)才能進行，因此，首先需要將液態(tài)或固態(tài)的樣品加熱 (100一300)汽化才能進入色譜柱進行分離。這樣氣相色譜進樣是用人工或自動注射的方式將有機樣品首先注入汽化室。氣相色譜的定性定量分析氣相色譜主要功能不僅是將混合有機物中的各

3、種成分分離開來，而且還要對結果進行定性定量分析。所謂定性分析就是確定分離出的各組分是什么有機物質，而定量分析就是確定分離組分的量有多少。色譜在定性分析方面遠不如其它的有機物結構鑒定技術，但在定量分析方面則遠遠優(yōu)于其它的儀器方法。有機物進入氣相色譜后得到兩個重要的測試數(shù)據(jù):色譜峰保留值和面積，這樣氣相色譜可根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)進行定性定量分析。色譜峰保留值是定性分析的依據(jù)，而色譜峰面積則是定量分析的依據(jù)。 定性分析氣相色譜的定性分析主要有保留值定性法、化學試劑定性法和檢測器定性法。氣相色譜的保留值有保留時間和保留體積兩種，現(xiàn)在大多數(shù)情況下均用保留時間作為保留值。在相同的儀器操作條件和方法下，相同的有機

4、物應有同樣的保留時間，即在同一時間出峰。但必須注意：有同樣保留時間的有機物并不一定相同。氣相色譜保留時間定性分析方法就是將有機樣品組分的保留時間與已知有機物在相同的儀器和操作條件下保留時間相比較，如果兩個數(shù)值相同或在實驗和儀器容許的誤差范圍內(nèi)，就推定未知物組分可能是已知的比較有機物。但是，因為同一有機物在不同的色譜條件和儀器中保留時間有很大的差別，所以用保留時間值對色譜分離組分進行定性只能給初步的判斷，絕對多數(shù)情況下還需要用其它方法作進一步的確認。一個最常用的確證方法是將可能的有機物加到有機樣品中再進行一次氣相色譜分析，如果有機樣品中確含已知有機物的組分，則相應的色譜峰會增大。這樣比較兩次色譜

5、圖峰值的變化，就可以確定前期初步推斷是否正確。 定量分析氣相色譜是對有機物各組分定量分析最有效的方法，其準確性遠遠超越光譜和質譜等儀器對有機物組分的定量分析。所謂定量分析就是要通過氣相色譜測試有機混合樣品中各種組分的準確含量。氣相色譜的定量分析是指在某些條件限定下，儀器檢測系統(tǒng)的響應值 (色譜峰面積)與相應組分的量或濃度成正比關系。這樣氣相色譜的定量分析首先要取得很好的分離和定性效果，即有機混合物中的各組分要被完全分離開，沒有很好分離的氣相色譜結果是不能進行定量分析的。其次要解決色譜峰面積和組分重量的關系問題，這方面涉及色譜峰面積準確測量，定量校正因子和定量計算方法3個根本性問題。因此，氣相色

6、譜的定量分析實質上就是如何測定色譜峰面積，并在確定定量校正因子的基礎上選擇合適的定量計算方法。 色譜峰面積測量有機樣品進入氣相色譜，各組分經(jīng)過檢測器就產(chǎn)生相應的響應信號，這種信號就是色譜峰。信號的大小與各組分含量相關，因而色譜峰面積大小就與相應組分的濃度顯著相關。這樣，氣相色譜定量分析首先要準確得到待分析組分的色譜峰面積。對于完全分開并且對稱的標準色譜峰面積的確定是很容易的事情，但大多數(shù)情況下氣相色譜峰并不是理想的，對于這類色譜峰面積的測量需要采取許多辦法?，F(xiàn)在的氣相色譜儀都有計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使用積分儀，在設定合適的參數(shù)后就可以直接給出色譜峰面積數(shù)據(jù)。色譜峰面積的準確測量非常重要，它是氣相

7、色譜定量分析最基本的數(shù)據(jù)。 定量校正因子由于儀器條件和其它因素的影響，進入氣相色譜中有機物各組分的真實量或濃度與儀器檢測器的響應信號并不完全相同，也就是說各組分的量或濃度(W)并不等同于色譜峰面積 (A)，但兩者成正比關系，可用下式表示:W = f A上式中f是定量校正因子，它與氣相色譜儀器操作條件和檢測器類型等都有關系。一般而言，熱導檢測器在氫氣和氦氣為載氣曠定量校正因子基本上可以通用，兩者誤差不超過3，但若用氮氣作載氣，則校正因子不再可用。氣相色譜定量校正因子的測定有很多種方法，也涉及太多的數(shù)學轉換，但主要原理是用已知組分的標準物質，以準確的量加入到有機混合樣品中，然后進行氣相色譜分析，所

8、得峰面積進行必要的計算分析就可以得到校正因子。一般來說，對于同一儀器，同一批有機物樣品，在做氣相色譜定量分析前都需要測定定量校正因子，而不能參考文獻或在其它條件下測定的定量校正因子。定量校正因子測量一般使用已知濃度的基準物質和被測物質，在設定的色譜條件下，然后以準確體積進樣，最后根據(jù)所得色譜峰面積和進樣量可以依據(jù)下式求出校正因子:f = A1m2 / A2m1上式中A1和A2分別是基準物質和被測物質的色譜峰面積;m1和m2分別是基準物質和被測物質的進樣量或濃度。只要有了定量校正因子，就可以根據(jù)色譜峰面積對各組分進行定量分析。必須指出:氣相色譜的定量校正因子是針對相應的組分而言的，也就是說氣相色

9、譜圖上的每一個峰都有一個校正因子，而不是一個校正因子適用于全部組分。如表所示:有4種組分的氣相色譜定量分析，4個峰都有各自的定量校正因子，雖然這4個校正因子差異不大，但都不能互換使用。 定量計算方法在得到氣相色譜峰面積和相應的定量校正因子后，就可以選擇合適的計算方法對相應的組分進行定量分析了。氣相色譜的定量分析一般采用歸一化法、內(nèi)標法和外標法三種方法。歸一化法是將有機樣品中所有組分的含量之和定為100，計算出其中某一組分含量的百分數(shù)。歸一化法的優(yōu)點是方便簡單，樣品進樣量和流動相載氣流速等對計算結果影響不大。主要問題是歸一化法必須在有機樣品中各組分都完全分開，即氣相色譜峰面積能準確地計算的前提下

10、才能進行。因此，歸一化法僅對組分少，且色譜峰很標準的有機樣品進行定量分析。內(nèi)標法是向有機樣品中加入標準已知含量的純有機物 (可以和樣品中組分相同，也可以是不相同)進行氣相色譜測定，然后利用欲測組分和內(nèi)標物的色譜峰面積和定量校正因子進行定量分析。內(nèi)標法的特點是不需要全部組分的色譜峰面積和校正因子，只需欲測組分和內(nèi)標物的色譜峰面積和校正因子就可進行定量分析，這就避免了歸一化方法的缺點。內(nèi)標法的缺點是需要標準稱取有機樣品和內(nèi)標物的重量，而且選用的內(nèi)標物必須能與有機樣品有很好的互溶性，且不能與樣品中任一組分進行化學反應。另外，內(nèi)標物還必須不與樣品中的任一組分峰重疊，且最好能在欲測組分色譜峰附近出峰，以

11、減少誤差。若選用有機樣品中相同組分的純物質作為內(nèi)標物，則首先要在相同條件下測定末加內(nèi)標物的樣品氣相色譜圖，然后再測試加入內(nèi)標物的樣品氣相色譜，然后通過對兩種情況下相關色譜峰面積的差異，經(jīng)過必要的轉換，計算出相應組分的含量。外標法是在進樣量、色譜儀器及操作等分析條件嚴格固定不變的前提下，先使用不同含量的組分純物質等量進樣進行色譜分析，求出純物質含量和色譜峰面積的關系，并給出相應的定量校證曲線或給出線性方程式。然后將有機樣品在相同條件下進行色譜分析，并根據(jù)定量校正曲線或線性方程式，計算出所需組分的定量分析結果。外標法方法也比較簡便，尤其適合相同樣品的大批量測試，這對工業(yè)化生產(chǎn)或環(huán)境中某種有機物的檢

12、測或控制非常有效。但這一方法對液體或揮發(fā)性不好的有機物組分定量分析時，往往誤差較大。氣相色譜定性定量分析 字體： 大 中 小進入論壇 一定性分析 氣相色譜的優(yōu)點是能對多種組分的混合物進行分離分析，（這是光譜、質譜法所不能的）。但由于能用于色譜分析的物質很多，不同組分在同一固定相上色譜峰出現(xiàn)時間可能相同，進憑色譜峰對未知物定性有一定困難。對于一個未知樣品，首先要了解它的來源、性質、分析目的；在此基礎上，對樣品可有初步估計；再結合已知純物質或有關的色譜定性參考數(shù)據(jù)，用一定的方法進行定性鑒定。 （一）利用保留值定性1. 已知物對照法 各種組分在給定的色譜柱上都有確定的保留值，可以作為定性指標。即通過

13、比較已知純物質和未知組分的保留值定性。如待測組分的保留值與在相同色譜條件下測得的已知純物質的保留值相同，則可以初步認為它們是屬同一種物質。由于兩種組分在同一色譜柱上可能有相同的保留值，只用一根色譜往定性，結果不可靠?？刹捎昧硪桓鶚O性不同的色譜柱進行定性，比較未知組分和已知純物質在兩根色譜柱上的保留值，如果都具有相同的保留值，即可認為未知組分與已知純物質為同一種物質。 利用純物質對照定性，首先要對試樣的組分有初步了解，預先準備用于對照的已知純物質（標準對照品）。該方法簡便，是氣相色譜定性中最常用的定性方法。 2. 相對保留值法 對于一些組成比較簡單的已知范圍的混合物或無已知物時，可選定一基準物按

14、文獻報道的色譜條件進行實驗，計算兩組分的相對保留值： (5) 式中：i-未知組分；s-基準物。 并與文獻值比較，若二者相同，則可認為是同一物質。（ris僅隨固定液及柱溫變化而變化。） 可選用易于得到的純品，而且與被分析組分的保留值相近的物質作基準物。 2. 保留指數(shù)法 又稱為Kovats指數(shù)，與其它保留數(shù)據(jù)相比，是一種重現(xiàn)性較好的定性參數(shù)。 保留指數(shù)是將正構烷烴作為標準物，把一個組分的保留行為換算成相當于含有幾個碳的正構烷烴的保留行為來描述，這個相對指數(shù)稱為保留指數(shù)，定義式如下： (6) IX為待測組分的保留指數(shù)，z與 z+n 為正構烷烴對的碳數(shù)。規(guī)定正己烷、正庚烷及正辛烷等的保留指數(shù)為600

15、、700、800，其它類推。 在有關文獻給定的操作條件下，將選定的標準和待測組分混合后進行色譜實驗（要求被測組分的保留值在兩個相鄰的正構烷烴的保留值之間）。由上式計算則待測組分X的保留指數(shù)IX，再與文獻值對照，即可定性。 3. 聯(lián)用技術 氣相色譜對多組分復雜混合物的分離效率很高，但定性卻很困難。而質譜、紅外光譜和核磁共振等是鑒別未知物的有力工具，但要求所分析的試樣組分很純。因此，將氣相色譜與質譜、紅外光譜、核磁共振譜聯(lián)用，復雜的混合物先經(jīng)氣相色譜分離成單一組分后，再利用質譜儀、紅外光譜儀或核磁共振譜儀進行定性。未知物經(jīng)色譜分離后，質譜可以很快地給出未知組分的相對分子質量和電離碎片，提供是否含有

16、某些元素或基團的信息。紅外光譜也可很快得到未知組分所含各類基團的信息。對結構堅定提供可靠的論據(jù)。近年來，隨著電子計算機技術的應用，大大促進了氣相色譜法與其它方法聯(lián)用技術的發(fā)展。 二定量分析 在一定的色譜操作條件下，流入檢測器的待測組分i的含量mi（質量或濃度）與檢測器的響應信號（峰面積A或峰高h）成正比： mi = fiAi 或 mi= fi hi 式中，fi 為定量校正因子。要準確進行定量分析，必須準確地測量響應信號，確求出定量校正因子fi 。 此兩式是色譜定量分析的理論依據(jù)。1峰面積的測量 (1)峰高乘半峰寬法：對于對稱色譜峰，可用下式計算峰面積： (7) 在相對計算時，系數(shù)1.06可約去

17、。 （2）峰高乘平均峰寬法： (8)對于不對稱峰的測量，在峰高0.15和0.85處分別測出峰寬，由下式計算峰面積： 此法測量時比較麻煩，但計算結果較準確。（3）自動積分法 具有微處理機（工作站、數(shù)據(jù)站等），能自動測量色譜峰面積，對不同形狀的色譜峰可以采用相應的計算程序自動計算，得出準確的結果，并由打印機打出保留時間和A或h等數(shù)據(jù)。 2. 定量校正因子 由于同一檢測器對不同物質的響應值不同，所以當相同質量的不同物質通過檢測器時，產(chǎn)生的峰面積（或峰高）不一定相等。為使峰面積能夠準確地反映待測組分的含量，就必須先用已知量的待測組分測定在所用色譜條件下的峰面積，以計算定量校正因子。 (9)式中： fi

18、 稱為絕對校正因子，即是單位峰面積所相當?shù)奈镔|量。它與檢測器性能、組分和流動相性質及操作條件有關，不易準確測量。在定量分析中常用相對校正因子，即某一組分與標準物質的絕對校正因子之比，即： (10)式中： Ai、As分別為組分和標準物質的峰面積； mi、ms分別為組分和標準物質的量。mi、ms可以用質量或摩爾質量為單位，其所得的相對校正因子分別稱為相對質量校正因子和相對摩爾校正因子，用 fm 和 fM 表示。使用時常將“相對”二字省去。校正因子一般都由實驗者自己測定。準確稱取組分和標準物，配制成溶液，取一定體積注入色譜柱，經(jīng)分離后，測得各組分的峰面積，再由上式計算fm 或 fM 。 4. 定量方法（1）歸一化法：如果試樣中所有組分均能流出色譜柱，并在檢測器上都有響應信號，都能出現(xiàn)色譜峰，可用此法計算各待測組分的含量。其計算公式如下： (11) 歸一化法簡便，準確，進樣量多少不影響定量的準確性，操作條件的變動對結果的影響也較小，尤其適用多組分的同時測定。但若試樣中有的組分不能出峰，則不能采用此法。 （2）內(nèi)標法： 內(nèi)標法是在試樣中加入一定量的純物質作為內(nèi)標物來測定組分的含量。內(nèi)標物應選用試樣中不存在的純物質，其色譜峰應位于待測組分色譜峰附近或幾個待測組分色譜峰的中間，并與待測組分完全分離，內(nèi)標物的加入量也應接近試樣中待測組分的含量。具體作法是準確稱取m（g）試樣，加入