氣相色譜儀基礎知識

色譜儀總論及氣相色譜儀，文章內容都是干貨適合收藏反復查閱。
色譜儀總論
1.色譜儀分析：色譜儀是一種分離分析方，它利用樣品中各組分與流動(dòng)相和固定相的作用力不同(吸附、分配、交換等性能上的差異)，先將它們分離，后按一定順序檢測各組分及其含量的方。
2.色譜儀的分離原理：當混合物隨流動(dòng)相流經(jīng)色譜儀柱時(shí)，就會(huì )與柱中固定相發(fā)生作用(溶解、吸附等)，由于混合物中各組分物理化學(xué)性質(zhì)和結構上的差異，與固定相發(fā)生作用的大小、強弱不同，在同一推動(dòng)力作用下，各組分在固定相中的滯留時(shí)間不同，從而使混合物中各組分按一定順序從柱中流出。這種利用各組分在兩相中性能上的差異，使混合物中各組分分離的技術(shù)，稱(chēng)為色譜儀。
3.流動(dòng)相——色譜儀分離過(guò)程中攜帶組分向前移動(dòng)的物質(zhì)。
4.固定相——色譜儀分離過(guò)程中不移動(dòng)的具有吸附活性的固體或是涂漬在載體表面的液體。
5.色譜儀的特點(diǎn)：(1)分離效率高，復雜混合物，有機同系物、異構體。(2)靈敏度高，可以檢測出μg·g-1(10-6)級甚至ng·g-1(10-9)級的物質(zhì)量。(3)分析速度快，一般在幾分鐘或幾十分鐘內可以完成一個(gè)試樣的分析。(4)應用范圍廣，氣相色譜儀：沸點(diǎn)低于400℃的各種有機或無(wú)機試樣的分析。液相色譜儀：高沸點(diǎn)、熱不穩定、生物試樣的分離分析。(5)高選擇性:對性質(zhì)極為相似的組分有很強的分離能力。不足之處：被分離組分的定性較為困難。
6.色譜儀分析的分類(lèi)：按兩相狀態(tài)分類(lèi)，按操作形式分類(lèi)，按分離原理分類(lèi)。
7.按兩相狀態(tài)分類(lèi)：氣相色譜儀(GasChromatography，GC)；液相色譜儀(Liquid Chromatography，LC)；超臨界流體色譜儀(Supercritical Fluid Chromatography，SFC)。
氣相色譜儀：
流動(dòng)相為氣體(稱(chēng)為載氣)，常用的氣相色譜儀流動(dòng)相有N2、H2、He等氣體；按分離柱不同可分為：填充柱色譜儀和毛細管柱色譜儀；按固定相的不同又分為：氣固色譜儀和氣液色譜儀；液相色譜儀：流動(dòng)相為液體(也稱(chēng)為淋洗液)；按固定相的不同分為：液固色譜儀和液液色譜儀；超臨界流體色譜儀：流動(dòng)相為超臨界流體，超臨界流體是一種介于氣體和液體之間的狀態(tài)。超臨界流體色譜儀是集氣相色譜儀和液相色譜儀的優(yōu)勢而發(fā)展起來(lái)的一種新型的色譜儀分離分析技術(shù)，不僅能夠分析氣相色譜儀不宜分析的高沸點(diǎn)、低揮發(fā)性的試樣組分，而且具有比高效液相色譜儀更快的分析速率和更高的柱效率。
8.按操作形式分類(lèi)：柱色譜儀(Column Chromatography，CC):固定相裝在柱管內，包括：填充柱色譜儀和毛細管柱色譜儀。紙色譜儀(Paper Chromatography, PC)固定相為濾紙；采用適當溶劑使樣品在濾紙上展開(kāi)而進(jìn)行分離，薄層色譜儀(Thin Layer Chromatography, TLC)固定相壓成或涂成薄層，操作方同紙色譜儀。
9.按分離原理分類(lèi)：吸附色譜儀(Absorption chromatography)；分配色譜儀(Partition Chromatography)；離子交換色譜儀(Ion Exchange Chromatography)；凝膠色譜儀(Gel Chromatography)。
10.色譜儀圖：組分在檢測器上產(chǎn)生的信號強度對時(shí)間(t)所作的圖，由于它記錄了各組分流出色譜儀柱的情況，所以，又叫色譜儀流出曲線(xiàn)，流出曲線(xiàn)的突起部分稱(chēng)為色譜儀峰。
11.色譜儀保留值：色譜儀保留值是色譜儀定性分析的依據，它體現了各待測組分在色譜儀柱上的滯留情況。在固定相中溶解性能越好，或與固定相的吸附性能越強的組分，在柱中的滯留時(shí)間越長(cháng)，或者說(shuō)，將組分帶出色譜儀柱所需的流動(dòng)相體積越大，所以，保留值可以用保留時(shí)間和保留體積兩套參數來(lái)描述。
12.色譜儀圖上的色譜儀流出曲線(xiàn)可以說(shuō)明什么問(wèn)題：根據色譜儀峰的數目，可判斷樣品中所含組分的最少個(gè)數；根據色譜儀峰的保留值進(jìn)行定性分析;根據色譜儀峰的面積或峰高進(jìn)行定量分析；根據色譜儀峰的保留值和區域寬度評價(jià)色譜儀柱的分離效能；根據兩峰間的距離，可評價(jià)固定相及流動(dòng)相選擇是否合適。
13.分配比：分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時(shí)的質(zhì)量比。
14.在色譜儀流出曲線(xiàn)上，兩峰之間的距離主要由兩組分在兩相間的分配系數還是擴散速度決定?為什么?答：分配系數。兩峰間的距離由熱力學(xué)因素決定，兩組分在兩相中分配系數差異越大，兩峰間的距離則相差越大，越容易被分離。而擴散速度是動(dòng)力學(xué)因素，反映在色譜儀流出曲線(xiàn)上即為色譜儀峰的區域寬度(形狀)。
15.色譜儀理論需要解決的問(wèn)題：色譜儀分離過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評價(jià)指標及其關(guān)系。
16.組分保留時(shí)間為何不同?色譜儀峰為何變寬?組分保留時(shí)間：色譜儀過(guò)程的熱力學(xué)因素控制，(組分和固定液的結構和性質(zhì))。色譜儀峰變寬：色譜儀過(guò)程的動(dòng)力學(xué)因素控制，(兩相中的運動(dòng)阻力，擴散作用)。塔板理論和速率理論分別從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度闡述了色譜儀分離效能及其影響因素
17.半經(jīng)驗理論：將色譜儀分離過(guò)程比擬作蒸餾過(guò)程，將連續的色譜儀分離過(guò)程分割成多次的平衡過(guò)程的重復(類(lèi)似于蒸餾塔塔板上的平衡過(guò)程)。
18.塔板理論的特點(diǎn)：塔板理論引入了塔板數和塔板高度作為柱效的衡量指標；不同物質(zhì)在同一色譜儀柱上的分配系數不同，用有效塔板數和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時(shí)，應指明測定物質(zhì)；柱效不能表示被分離組分的實(shí)際分離效果，當兩組分的分配系數K相同時(shí)，無(wú)論該色譜儀柱的塔板數多大，都無(wú)分離。
19.塔板理論的不足：塔板理論的基本假設不符合色譜儀柱的實(shí)際分離過(guò)程。塔板理論無(wú)解釋同一色譜儀柱在不同的流動(dòng)相流速下柱效不同的實(shí)驗結果，不能說(shuō)明色譜儀峰為什么會(huì )展寬，同時(shí)未能指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑和方。
20.速率方程(也稱(chēng)范第姆特方程式)：H=A+B/u+C·u，H：塔板高度；u：流動(dòng)相的平均線(xiàn)速度(cm/s)。A.─渦流擴散項：A與流動(dòng)相性質(zhì)、流動(dòng)相速率無(wú)關(guān)。要減小A值，需要從提高固定相的顆粒細度和均勻性以及填充均勻性來(lái)解決。對于空心毛細管柱，A=0。固定相顆粒越小dp↓，填充的越均勻，A↓，H↓，柱效n↑，表現在渦流擴散所引起的色譜儀峰變寬現象減輕，色譜儀峰較窄。B/u—分子擴散項：存在著(zhù)濃度差，產(chǎn)生縱向擴散;擴散導致色譜儀峰變寬，H↑(n↓)，分離變差；分子擴散項與流速有關(guān)，流速↓，滯留時(shí)間↑，擴散↑；擴散系數：Dg∝(M載氣)-1/2；M載氣↑，B值↓。C·u—傳質(zhì)阻力項：dp↓，df↓，D ↑ ,可降低傳質(zhì)阻力。
21.H-u曲線(xiàn)與最佳流速：由于，流速對這兩項相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著(zhù)一個(gè)最佳流速值，即，速率方程式中塔板高度對流速的一階導數有一極小值。以塔板高度H對應流速u(mài)作圖，曲線(xiàn)低點(diǎn)的流速即為最佳流速。
22.速率理論的要點(diǎn)：組分分子在柱內運行的多路徑與渦流擴散、濃度梯度所造成的分子擴散及傳質(zhì)阻力使兩相間的分配平衡不能瞬間達到等因素是造成色譜儀峰擴展、柱效下降的主要原因；通過(guò)選擇適當的固定相粒度、載氣種類(lèi)、液膜厚度及載氣流速可提高柱效；速率理論為色譜儀分離和操作條件選擇提供了理論指導。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響；各種因素相互制約，如，載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時(shí)傳質(zhì)阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴散的影響。選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。
23.色譜儀定性方：①與標樣對照的方：利用保留值定性：通過(guò)對比試樣中具有與純物質(zhì)相同保留值的色譜儀峰，來(lái)確定試樣中是否含有該物質(zhì)及在色譜儀圖中的位置。不適用于不同儀器上獲得的數據之間的對比。利用加入定性：將純物質(zhì)加入到試樣中，觀(guān)察各組分色譜儀峰的相對變化。②利用文獻保留值定性：利用相對保留值r21定性。相對保留值r21僅與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)。在色譜儀手冊中都列有各種物質(zhì)在不同固定相上的保留數據，可以用來(lái)進(jìn)行定性鑒定。
24.色譜儀定量分析：①定量校正因子：試樣中各組分質(zhì)量與其色譜儀峰面積成正比，即，mi=fi’·Ai；絕對校正因子：比例系數fi；單位面積對應的物質(zhì)量：fI ’=mi/Ai，相對校正因子fi：即，組分的絕對校正因子與標準物質(zhì)的絕對校正因子之比。②常用的幾種定量方：（1）歸一化：特點(diǎn)及要求：簡(jiǎn)便、準確；進(jìn)樣量的準確性和操作條件的變動(dòng)對測定結果影響不大；僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況。（2）外標——標準曲線(xiàn)：特點(diǎn)及要求：外標不使用校正因子，準確性較高，操作條件變化對結果準確性影響較大。對進(jìn)樣量的準確性控制要求較高，適用于大批量試樣的快速分析。(3)內標：內標物要滿(mǎn)足以下要求：(a)試樣中不含有該物質(zhì)；(b)與被測組分性質(zhì)比較接近；(c)不與試樣發(fā)生化學(xué)反應；(d)出峰位置應位于被測組分附近，且能分離開(kāi)；(e)加入量適中并與待測組分接近。內標特點(diǎn)：內標的準確性較高，操作條件和進(jìn)樣量的稍許變動(dòng)對定量結果的影響不大；每個(gè)試樣的分析，都要進(jìn)行兩次稱(chēng)量，不適合大批量試樣的快速分析；若將內標中的試樣取樣量和內標物加入量固定，則：wi=Ai/As*常數。
氣相色譜儀
1.氣相色譜儀(GC)：是以氣體為流動(dòng)相的色譜儀分析。
2.氣相色譜儀要求樣品：氣化，不適用于大部分沸點(diǎn)高和熱不穩定的化合物，對于腐蝕性能和反應性能較強的物質(zhì)更難于分析。大約有15%～20%的有機物能用氣相色譜儀進(jìn)行分析。
3.氣相色譜儀儀的組成：氣路系統、進(jìn)樣系統、分離系統、檢測系統、溫控系統、記錄系統。
4.氣路系統：包括氣源、凈化器和載氣流速控制；常用的載氣有：氫氣、氮氣、氦氣。
5.進(jìn)樣系統：包括：進(jìn)樣裝置和氣化室，氣體進(jìn)樣器(六通閥)：試樣首先充滿(mǎn)定量管，切入后，載氣攜帶定量管中的試樣氣體進(jìn)入分離柱；液體進(jìn)樣器：不同規格的微量注射器，填充柱色譜儀常用10μL；毛細管色譜儀常用1μL；新型儀器帶有全自動(dòng)液體進(jìn)樣器，清洗、潤沖、取樣、進(jìn)樣、換樣等過(guò)程自動(dòng)完成，一次可放置數十個(gè)試樣。
6.進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣：樣品在汽化室內氣化，蒸氣大部分經(jīng)分流管道放空，只有極小一部分被載氣導入色譜儀柱；不分流進(jìn)樣：樣品直接注入色譜儀的汽化室，經(jīng)過(guò)揮發(fā)后全部引入色譜儀柱。
7.分離系統：色譜儀柱：填充柱(2～6mm直徑，1～5m長(cháng))，毛細管柱(0.1～0.5mm直徑,幾十米長(cháng))。
8.溫控系統的作用：溫度是色譜儀分離條件的重要選擇參數；氣化室、色譜儀柱恒溫箱、檢測器三部分在色譜儀儀操作時(shí)均需控制溫度；氣化室：保證液體試樣瞬間氣化；檢測器：保證被分離后的組分通過(guò)時(shí)不在此冷凝；色譜儀柱恒溫箱：準確控制分離需要的溫度。
9.檢測系統：作用：將色譜儀分離后的各組分的量轉變成可測量的電信號；指標：靈敏度、線(xiàn)性范圍、響應速度、結構、通用性，通用型——對所有物質(zhì)均有響應；專(zhuān)屬型——對特定物質(zhì)有高靈敏響應；檢測器類(lèi)型：濃度型檢測器：熱導檢測器、電子捕獲檢測器；質(zhì)量型檢測器：氫火焰離子化檢測器、火焰光度檢測器。
10.熱導檢測器的主要特點(diǎn)：結構簡(jiǎn)單，穩定性好；對無(wú)機物和有機物都有響應，不破壞樣品；靈敏度不高。
11.氫火焰離子化檢測器的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)典型的質(zhì)量型檢測器；(2)通用型檢測器(測含C有機物)；(3)氫焰檢測器具有結構簡(jiǎn)單、穩定性好、靈敏度高、響應迅速、死體積小、線(xiàn)性范圍寬等特點(diǎn)；(4)比熱導檢測器的靈敏度高出近3個(gè)數量級，檢測下限可達10-12g·g-1；缺點(diǎn)：(1)對載氣要求高；(2)檢測時(shí)要破壞樣品，無(wú)回收樣品；(3)不能檢測惰性性氣體、水及四氯化碳等。。。
12.電子俘獲檢測器的特點(diǎn)：對鹵素、硫、磷、氮、氧有很強的響應；靈敏度高，可用于痕量農藥殘留物的分析；線(xiàn)性范圍較窄。
13.火焰光度檢測器(FPD)：是一種對含硫、磷化合物具有高選擇性的檢測器。含硫、磷化合物在富氫火焰中燃燒被打成有機碎片，發(fā)出不同波長(cháng)的特征光譜。
14.固定相：固體固定相：固體吸附劑；液體固定相：由載體和固定液組成；聚合物固定相。
15.固體固定相：一般為固體吸附劑，常用的有活性炭，硅膠，氧化鋁和分子篩。優(yōu)點(diǎn)：吸附容量大、熱穩定性好、價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：柱效低、吸附活性中心易中毒，使用前要進(jìn)行活化。應用：主要用于惰性氣體、H2、O2、N2、CO、CO2和CH4等一般氣體和低沸點(diǎn)物質(zhì)。
16.作為載體使用的物質(zhì)應滿(mǎn)足的條件：表面有微孔結構，孔徑均勻，比表面積大；化學(xué)和物理惰性，即，與樣品組分不起化學(xué)反應，無(wú)吸附作用或吸附很弱；熱穩定性好；有一定的機械強度和浸潤性，不易破碎；具有一定的粒度和規則的形狀，最好是球形。
17.對固定液的要求：在使用溫度下是液體，具有較低的揮發(fā)性；具有良好的熱穩定性；對要分離的各組分應具有合適的分配系數；化學(xué)穩定性好，不與樣品組分、載氣、載體發(fā)生任何化學(xué)反應。
18.固定液的分類(lèi)：非極性固定液、中等極性固定液、強極性固定液、氫鍵型固定液。
19.非極性固定液：主要是一些飽和烷烴和甲基硅油，它們與待測物質(zhì)分子之間的作用力以色散力為主。組分按沸點(diǎn)由低到高順序流出，若樣品中兼有極性和非極性組分，則同沸點(diǎn)的極性組分先出峰。常用的固定液有角鯊烷(異三十烷)、阿皮松等。。。適用于非極性和弱極性化合物的分析。
20.中等極性固定液：由較大的烷基和少量的極性基團或可以誘導極化的基團組成，它們與待測物質(zhì)分子間的作用力以色散力和誘導力為主，組分基本上按沸點(diǎn)順序出峰，同沸點(diǎn)的非極性組分先出峰。常用的固定液有鄰苯二甲酸二壬酯、聚酯等，適用于弱極性和中等極性化合物的分析。
21.強極性固定液：含有較強的極性基團，它們與待測物質(zhì)分子間作用力以靜電力和誘導力為主，組分按極性由小到大的順序出峰。常用的固定液有氧二并腈等，適用于極性化合物的分析。
22.氫鍵型固定液：是強極性固定液中特殊的一類(lèi)，與待測物質(zhì)分子間作用力以氫鍵力為主，組分依形成氫鍵的難易程度出峰，不易形成氫鍵的組分先出峰。常用的固定液有聚乙二醇、三乙醇胺等，適用于分析含F、N、O等的化合物。
23.固定液的選擇：①按極性相似原則選擇：極性相似，溶解度大，分配系數大，保留時(shí)間長(cháng)；②按官能團相似選擇：酯類(lèi)——酯或聚酯類(lèi)固定液；醇類(lèi)——聚乙二醇固定液。③按主要差別選擇：各組分間沸點(diǎn)是主要差別——非極性固定液；極性為主要差別——極性固定液。④選擇混合固定液：對于難分離的復雜樣品，可選用兩種或兩種以上固定液。
24.聚合物固定相：既可作為固體固定相，也可作為載體，又稱(chēng)高分子多孔微球。物質(zhì)在其表面既存在吸附作用，又存在溶解作用。(1)具有較大的比表面積，表面孔徑均勻；(2)對非極性及極性物質(zhì)無(wú)有害的吸附活性，拖尾現象小，極性組分也能出對稱(chēng)峰；(3)由于不存在液膜，無(wú)流失現象，熱穩定性好；(4)機械強度和耐腐蝕性較好，系均勻球形，在填充柱色譜儀中均勻性、重現性好，有助于減少渦流擴散。
25.載氣種類(lèi)的選擇：檢測器的適應性，載氣流速的大小。
26.柱溫的選擇：(1)首先應使柱溫控制在固定液的最高使用溫度(超過(guò)該溫度固定液易流失)和低使用溫度(低于此溫度固定液以固體形式存在)范圍之內。(2)提高柱溫，可以改善傳質(zhì)阻力，有利于提高柱效，縮短分析時(shí)間，但降低了容量因子和選擇性，不利于分離。一般的原則是：在使最難分離的組分盡可能分離的前提下，盡量采用較低的柱溫，但以保留時(shí)間適宜，峰形不拖尾為度。(3)柱溫一般選擇在接近或略低于組分平均沸點(diǎn)時(shí)的溫度。(4)組分復雜，沸程寬的試樣，采用程序升溫。
27.載體和固定液含量的選擇：配比：固定液在載體上的涂漬量，一般指的是固定液與擔體的百分比，填充柱的配比通常在5%～25%之間。配比越低，擔體上形成的液膜越薄，傳質(zhì)阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。配比較低時(shí)，固定相的負載量低，允許的進(jìn)樣量較小。分析工作中通常傾向于使用較低的配比。
28.進(jìn)樣條件的選擇：進(jìn)樣量應控制在柱容量允許范圍及檢測器線(xiàn)性檢測范圍之內，進(jìn)樣要求動(dòng)作快、時(shí)間短，汽化室一般較柱溫高30~70°C。
29.提高色譜儀分離能力的途徑：(1)塔板理論：增加柱長(cháng)，減小柱徑，即增加柱子塔板數；(2)速率理論：減小組分在柱中的渦流擴散和傳質(zhì)阻力，可降低塔板高度。
30.毛細管色譜儀柱的結構特點(diǎn)：(1) 不裝填料阻力小，長(cháng)度可達百米的毛細管柱，管徑0.2mm；(2)氣流單途徑通過(guò)柱子，消除了組分在柱中的渦流擴散；(3)固定液直接涂在管壁上，總柱內壁面積較大,涂層很薄，則氣相和液相傳質(zhì)阻力大大降低。(4)毛細管色譜儀柱柱效高達每米3000～4000塊理論塔板，一支長(cháng)度100米的毛細管柱，總的理論塔板數可達104～106。
31.毛細管色譜儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)分離效率高：比填充柱高10～100倍；(2)分析速度快：用毛細管色譜儀分析比用填充柱色譜儀速度；(3)色譜儀峰窄、峰形對稱(chēng)，較多采用程序升溫方式；(4)靈敏度高，一般采用氫焰檢測器。(5)渦流擴散為零。
32.毛細管色譜儀的類(lèi)型：(1)涂壁毛細管柱：將固定液直接涂敷在管內壁上。柱制作相對簡(jiǎn)單，但柱制備的重現性差、壽命短。(2)多孔層毛細管柱：在管壁上涂敷一層多孔性吸附劑固體微粒，構成毛細管氣固色譜儀。(3)載體涂漬毛細管柱：將非常細的擔體微粒粘接在管壁上，再涂固定液。柱效較涂壁毛細管柱高。(4)化學(xué)鍵合或交聯(lián)毛細管柱：將固定液通過(guò)化學(xué)反應鍵合在管壁上或交聯(lián)在一起。使柱效和柱壽命進(jìn)一步提高。