氣相色譜理論基礎(chǔ)

1、氣相色譜理論基礎(chǔ)原理分類【情節(jié)1】食品添加劑的檢測，一個學(xué)生進(jìn)入自選超市，拿起一袋零食，包裝袋上有各種成分的含量，這些含量是怎么檢測出來的呢？通常由兩種方法：一種是先將各組分分離開，然后對已分離的組分進(jìn)行測定；另一種是不需將組分分離開，直接對感興趣的組分進(jìn)行測定。其中第一種分離、分析方法也就是常用的色譜法。近代首先認(rèn)識到這種分離現(xiàn)象和分離方法大有可為的是俄國的植物學(xué)家茨維特。【知識點1】茨維特的經(jīng)典實驗1906年，俄國植物學(xué)家茨維特（M.S.Tswett）在研究植物色素的過程中，做了一個經(jīng)典的實驗；在一根玻璃管的狹小一端塞上一小團(tuán)棉花，在管中填充沉淀碳酸鈣，這就形成了一個吸附柱，然后將其與吸濾

2、瓶連接，使綠色植物葉子的石油醚抽取液自柱通過。結(jié)果植物葉子中的幾種色素便在玻璃柱上展開：留在最上面的是兩種葉綠素；綠色層下面接著葉黃質(zhì)；隨著溶劑跑到吸附層最下層的是黃色的胡蘿卜素。如此則吸附柱成了一個有規(guī)則的、與光譜相似的色層。接著他用純?nèi)軇┝芟?。使柱中各層進(jìn)一步展開，達(dá)到清晰的分析。然后把該潮濕的吸附柱從玻璃管中推出，依色層的位置用小刀切開，于是各種色素就得以分離。再用醇為溶劑將它們分別溶下，即得到了各成分的純?nèi)芤?。【思考題1】俄國植物學(xué)家茨維特用于分離植物色素的色譜法屬（ ）色譜法?！厩楣?jié)2】氣相色譜法可比喻為一群運動員在一條泥濘的道路順風(fēng)賽跑，他們同時起跑后，因本身體力差異及道路、風(fēng)力的

3、影響，相互間的距離逐漸增大，最后于不同的時間到達(dá)終點。若把欲分離的組分視為運動員，固定相與流動相各為道路上的泥濘與順風(fēng)，色譜柱為道路，那么可以將色譜法分離、分析的原理寫成：利用組分在體系中固定相與流動相的分配有差異，當(dāng)組分在兩相中反復(fù)多次進(jìn)行分配并隨流動相向前移動，各組分沿色譜柱運動的速度就不同，分配系數(shù)小的組分較快地從色譜柱流出。【知識點2】分類和基本原理一氣相色譜法是以惰性氣體（又稱載氣）作為流動相，以固定液或固體吸附劑作為固定相的色譜法。氣相色譜法按不同的分類方式可分為不同的類別：（1） 氣相色譜法按使用固定相的類型分為氣液色譜法和氣固色譜法。以固相液（如聚甲基硅氧烷類、聚乙二醇類等固定

4、液）作為固定相的色譜法稱為氣液色譜法，以固體吸附劑（如分子篩、硅膠、氧化鋁、高分子小球等）作為固定相的色譜法稱為氣固色譜法。在氣液色譜法中，基于不同的組分在固定液中溶解度的差異實現(xiàn)組分的分離。當(dāng)載氣攜帶被測樣品進(jìn)入色譜柱后，氣相中的被測組分就溶解到固定液中。載氣連續(xù)流經(jīng)色譜柱，溶解在固定液中的組分會從固定液中揮發(fā)到氣相中，隨著載氣的流動，揮發(fā)到氣相中的組分又會溶解到前面的固定液中。這樣反復(fù)多次溶解、揮發(fā)、再溶解、再揮發(fā)，實現(xiàn)被測組分的分離。由于各組分在固定液中的溶解度不同，溶解度大的組分較難揮發(fā)，停留在色譜柱中的時間就長些；而溶解度小的組分易揮發(fā)，停留在色譜柱中的時間就短些，經(jīng)過一定時間后，各

5、組分就彼此分離并依次流出色譜柱被檢測器檢測。在氣固色譜法中，主要是基于不同的組分在固體吸附劑上吸附能力的差別實現(xiàn)組分的分離。氣固色譜中的固定相是一種具有多孔性及比表面積較大的吸附劑。樣品由載氣攜帶進(jìn)入色譜柱時，立即被吸附劑所吸附。載氣不斷通過吸附劑，使吸附的被測組分被洗脫下來，洗脫的組分隨載氣流動，又被前面的吸附劑所吸附。隨著載氣的流動，被測組分在氣固吸附劑表面進(jìn)行反復(fù)的吸附、解吸。由于各被測組分在氣固吸附劑表面吸附能力不同，吸附能力強的組分停留在色譜柱中的時間就長些；而吸附能力弱的組分停留在色譜柱中的時間就短些，經(jīng)過一定時間后，各組分就彼此分離并依次流出色譜柱被檢測器檢測。被測組分在流動相與

6、固定相之間的吸附、解吸和溶解、揮發(fā)的過程，稱為分配過程。氣相色譜分離的基本原理即是基于被測組分在色譜柱內(nèi)流動相和固定相分配系數(shù)的不同而實現(xiàn)分離的。當(dāng)載氣攜帶樣品進(jìn)入色譜柱后，樣品中的各個組分就在兩相間進(jìn)行多次的分配，即使原來分配系數(shù)相差較小的組分也會在色譜分離過程中分離開來。（2） 按照使用的色譜柱的內(nèi)徑可分為填充柱色譜法、毛細(xì)管柱色譜法以及大口徑柱色譜法。填充柱色譜法一般采用內(nèi)徑為3mm或2mm的不銹鋼柱或玻璃柱作為分離柱，填充柱色譜法有較好的柱容量，但柱效相對較低。適用于較簡單組分的分離測定；毛細(xì)管柱色譜法一般采用內(nèi)徑為0.2mm、0.25mm、0.32mm的石英柱作為分離柱，現(xiàn)在也有采用

7、0.1mm內(nèi)徑的石英柱作為分離柱用于復(fù)雜組分的分析。用于高溫分析的色譜柱一般使用不銹鋼柱。在毛細(xì)管氣相色譜柱中，使用的色譜柱柱長一般在1530m，復(fù)雜的石油組分分析一般采用50m的柱長，有的色譜柱長達(dá)到100m。毛細(xì)管柱色譜法有較高的柱效，但柱容量低。大口徑柱一般為0.53mm內(nèi)徑的毛細(xì)管柱，柱效和柱容量介于填充柱色譜法和毛細(xì)管柱色譜法之間，適用于復(fù)雜組分的分析。填充柱氣液色譜法中，一般需要將固定液涂在化學(xué)惰性的固體微粒（此固體用來支持固定液，稱為擔(dān)體或載體）表面上，常用的載體包括硅藻土載體和非硅藻土載體，多數(shù)使用硅藻土載體。硅藻土載體包括紅色載體和白色載體，紅色載體結(jié)合非極性固體液使用，白色

8、載體結(jié)合極性固體液使用。非硅藻土載體包括氟載體、玻璃微株及高分子小球等。在填充柱氣液色譜中，使用的固定液包括非極性的固定液（如聚甲基硅氧烷類固定液）、極性的固定液（如聚乙二醇類固定液）和用于手性化合物分離的環(huán)糊精類固定相等。而氣液毛細(xì)管色譜法則是直接涂一層高沸點郵寄化合物并形成一層均勻的液膜，涂柱的方式包括涂覆法、化學(xué)鍵合法和交聯(lián)法，在填充柱氣液色譜中使用的固定相也適用于氣液毛細(xì)管色譜法中。在氣固色譜法中，一般使用固體吸附劑作為固定相，包括填充柱氣固色譜法和毛細(xì)管PLOT柱（多孔層開管毛細(xì)管色譜柱）法。對于填充柱氣固色譜法，一般將固體吸附劑裝填在玻璃或不銹鋼柱內(nèi)，常用的固體吸附劑包括分子篩（常

9、用的有5A分子篩和13X分子篩）、硅膠、氧化鋁、碳分子篩以及高分子小球等，高分子小球一般多用苯乙烯和二乙烯基苯的聚合物。毛細(xì)管PLOT柱色譜法中，使用的固定相與填充柱氣固色譜法使用的固定相類型一致。由于活性（或極性）分子在吸附劑上的半永久性滯留（吸附-脫附過程為非線性的），導(dǎo)致色譜峰嚴(yán)重拖尾，氣固色譜法的應(yīng)用領(lǐng)域相對氣液色譜法要窄，一般多用于較低分子量和低沸點氣體組分或相對較簡單組分的分析?！舅伎碱}2】氣液色譜法的固定相是（ ）；氣固色譜法的固定相是（ ）?！局R點3】基本原理二：實現(xiàn)色譜分離的先決條件是具備固定相和流動相。色譜分離能夠?qū)崿F(xiàn)的內(nèi)因是由于固定相與被分離的各組分發(fā)生的吸附（或分配）

10、作用的差異。組分間的距離是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的。實現(xiàn)色譜分離的分離外因是由于流動相的不間斷流動。由于流動相的流動使被分離的組分與固定相發(fā)生反復(fù)多次的吸附（或溶解）、解吸（或揮發(fā)）過程，這樣就使那些在同一固定相上吸附（或分配）系數(shù)只有微小差別的組分，在固定相上的移動速度產(chǎn)生了很大的差別，從而達(dá)到了各個組分的完全分離。此外，色譜分析法具有物理分離方法的一般優(yōu)點，即進(jìn)行操作時不會損失混合物中的各個組分，不改變原有組分的存在形態(tài)也不生成新的物質(zhì)。因此若用色譜法分理出某一物質(zhì)，則此物質(zhì)必存在于原始樣品之中。分配系數(shù)和吸附系數(shù)一定條件下，對樣品中的某一組分來說：1）分配系數(shù)是針對氣液色譜而言的。

11、KPCsCm。 式中：Cs為該組分在固定液中的濃度， Cm為該組分在流動相中的濃度。2）吸附系數(shù)是針對氣固色譜而言的。KA=m/VM 式中：m為1ml吸附劑中該組分的克數(shù)； VM為1ml流動相該組分的克數(shù)。3）分配比k，它是指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間分配達(dá)平衡時，分配在固定相和流動相中的物質(zhì)的量比。即：定義流動相與固定相的體積比較相比，用表示【思考題3】基本原理三：色譜分析法是（ ）分離方法？組分間的距離是由組分在兩相間的（ ）決定的?！厩楣?jié)4】如果色譜柱比作是跑道，那么色譜圖就是運動員比賽的成績信息。色譜圖是以組分的流出時間（t）為橫坐標(biāo)，以檢測器對各組分的電訊號響應(yīng)值（mV）為縱坐

12、標(biāo)。色譜圖上可得到一組色譜峰，每個峰代表樣品中的一個組分。由每個色譜峰的峰位、峰高和峰面積、峰的寬窄及相鄰峰間的距離都可獲得色譜分析的重要信息?！局R點4】基本原理三：（1）保留時間與容量因子在整個色譜分離過程中，流動相始終是以一定的流速（或壓力）在固定相中流動的，并將溶質(zhì)帶入色譜柱。溶質(zhì)因分配、吸附等相互作用，進(jìn)入固定相后，即在固定相表面與功能層分子作用，從而在固定相中保留。同時，溶質(zhì)又被流動相洗脫下來，進(jìn)入流動相。與固定相作用越強的溶質(zhì)在固定相中的保留時間就越長。 從色譜柱流出的溶液（柱流出物）進(jìn)入檢測器連續(xù)測定，得到如圖7-1所示的色譜圖，即柱流出物中溶質(zhì)濃度隨時間變化的曲線，直線部分是

13、沒有溶質(zhì)流出時流動相的背景響應(yīng)值，稱作基線（base line）。在基線平穩(wěn)后，通常將基線響應(yīng)值設(shè)定為零，再進(jìn)樣分析。溶質(zhì)開始流出至完全流出所對應(yīng)的峰型部分稱色譜峰（peak），基線與色譜峰組成了一個完整的色譜圖（chromatogram）。死時間(dead time)： 在色譜柱中無保留的溶質(zhì)從進(jìn)樣器隨流動相到達(dá)檢測器所需要的時間，通常用t0表示。溶質(zhì)保留時間（solute retention time）： 或稱真實保留時間，是溶質(zhì)因與固定相作用在色譜柱中所停留的時間，它不包含死時間，通常用ts表示。保留時間（retention time）： 是tS與t0之和，通常用tR表示，即tR = t

14、0 + tS容量因子（capacity factor）： 對于有效的色譜分離，色譜柱必須具有保留溶質(zhì)的能力，而且還能使不同溶質(zhì)之間達(dá)到足夠大的分離。色譜柱的容量因子k'是溶質(zhì)離子與色譜柱填料相互作用強度的直接量度，由下式定義：                        式中VR 和V0 分別為總保留體積和空保留體積。（2） 色譜峰的對稱性高斯（Gaussi

15、an）曲線： 在理想情況下，色譜峰的形狀可以近似地用高斯曲線描述（圖7-2）。圖中為標(biāo)準(zhǔn)偏差（拐點處的半峰寬），h為最大峰高，w為峰寬。在任意給定位置x處的峰高y可以用下式描述：不對稱因子（asymmetry）： 在實際的色譜過程中，溶質(zhì)從色譜柱中流出時，很少符合高斯分布，而是具有一定的不對稱性。我們可以定義一個不對稱因子As來定量地表示色譜峰的不對稱程度，如圖7-3所示，將10峰高處前半峰的寬度設(shè)為a, 同高度處后半峰的寬度設(shè)為b，將b與a的比值定義為不對稱因子As，即拖尾峰（tailing peak）： 當(dāng)As大于1時，色譜峰的形狀是前半部分信號增加快，后半部分信號減少慢。引起峰拖尾的主要

16、原因是溶質(zhì)在固定相中存在吸附作用，因此，拖尾峰也稱為吸附峰。伸舌峰（leading peak或fronting peak）： 當(dāng)As小于1時，色譜峰是前半部分信號增加慢，后半部分信號減小快。因為伸舌峰主要是固定相不能給溶質(zhì)提供足夠數(shù)量合適的作用位置，使一部分溶質(zhì)超過了峰的中心，即產(chǎn)生了超載，所以也稱超載峰。（3） 分離度色譜分析的目標(biāo)就是要將混合物中的各組分分離，兩個相鄰色譜峰的分離度R（resolution）定義為兩峰保留時間差與兩峰峰底寬平均值之商，即式中tR1和tR2分別為峰1和峰2的保留時間；w1和w2分別為峰1和峰2在峰底（基線）的峰寬，即通過色譜峰的變曲點（拐點）所作三角形的底邊長

17、度。如果色譜峰呈高斯分布，則分離度R=2（相當(dāng)于8分離）即可完全滿足定量分析的需要。因為在基線位置的峰寬w為4，R=2時，兩個峰完全達(dá)到了基線分離。通過調(diào)節(jié)色譜條件還可獲得更高的R值，不過這時的代價將是分析時間增加。如果兩組分濃度相差不是太大，分離度R=0.5時，仍然可以看得出兩個峰的峰頂是分開的。（4） 選擇性系數(shù)兩個組分達(dá)到分離的一個決定性參數(shù)就是兩組分的相對保留值，將其定義為兩個色譜峰真實保留時間ts之比，稱作選擇性系數(shù)，即計算選擇性系數(shù)所需參數(shù)也可以從色譜圖（圖7-4）中獲得。選擇性系數(shù)主要由固定相的性質(zhì)所決定，在高效液相色譜（HPLC）中，選擇性系數(shù)也受流動相組成的影響。當(dāng)選擇性系數(shù)

18、=1時，則說明在給定的色譜條件下，兩組分不存在熱力學(xué)上的差異，無法實現(xiàn)相互分離?！舅伎碱}4】基本原理三：何謂選擇性因子？如何表達(dá)？如何應(yīng)用選擇性因子評價色譜柱的分離選擇性？【情節(jié)5】色譜過程動力學(xué)研究物質(zhì)在色譜過程中的運動規(guī)律，如解釋色譜流出曲線的形狀、譜帶展寬的機理，從而為選擇色譜分離條件提供理論指導(dǎo)。用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式表述色譜理論需要根據(jù)溶質(zhì)在柱內(nèi)的遷移過程及影響這一過程的各種因素，列出相應(yīng)的偏微分方程組，求出描述色譜譜帶運動的方程式。其數(shù)學(xué)處理相當(dāng)復(fù)雜，方程組的求解也非常困難。在實際研究中，通常要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臈l件假設(shè)并作簡化的數(shù)學(xué)處理?！局R點5】塔板理論（1）理論塔板數(shù)塔板理論把氣液色譜柱

19、當(dāng)作一個精餾塔，沿用精餾塔中塔板的概念描述溶質(zhì)在兩相間的分配行為，并引入理論塔板數(shù)（the number of theoretical plates）N和理論塔板高度（theoretical plate height）H作為衡量柱效的指標(biāo)。根據(jù)塔板理論，溶質(zhì)進(jìn)入柱入口后，即在兩相間進(jìn)行分配。對于正常的色譜柱，溶質(zhì)在兩相間達(dá)到分配平衡的次數(shù)在數(shù)千次以上，最后，"揮發(fā)度"最大（保留最弱）的溶質(zhì)最先從"塔頂"（色譜柱出口）逸出（流出），從而使不同"揮發(fā)度"（保留值）的溶質(zhì)實現(xiàn)相互分離。理論塔板數(shù)N可以從色譜圖中溶質(zhì)色譜峰的有關(guān)參數(shù)計算，常用的計算公式有以下兩式： 式中：tR是組分的保留時間；b1/2為半峰