第十五章 色谱及色质联机技术.docx
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第十五章色谱及色质联机技术
第十五章色谱及色质联机技术
色谱法=色层法=层析法
色谱chromatography的起源:
Tswett将碳酸钙作吸附剂在玻璃试管中用石油醚分离植物色素。
色谱法是一大类分离、分析技术,其操作方式不同但原理相同,有共同点:
1存在两个相:
流动相(气体或液体)和固定相(固体或涂渍在固体表面的高沸点液体)
2流动相携带样品物质与固定相作相对运动。
3样品中不同组分与两相的作用力(吸附力或溶解能力)不同,两相作相对运动时各组分随流动相移动速度不同,因而达到分离。
色谱法按两相状态分类:
气相色谱(气固色谱和气液色谱)和液相色谱(液固色谱和液液色谱)
色谱法固定相性质分类:
柱色谱、平面色谱(纸色谱和薄层色谱)。
15.1气相色谱(GC)
15.1.1气相色谱的原理、特点及应用
1.气相色谱的基本原理
(1)气相色谱的分离原理
流动相为氮、氦等惰性气体,称为载气。
对于气固色谱,固定相为装填在金属或玻璃柱内的固体吸附剂,如硅胶、活性炭、氧化铝等。
对于气液色谱,固定相为涂渍在多孔性惰性担体(如硅藻土)表面的高沸点有机物液体,称为固定液。
样品中某一组分在两相中的浓度比称为分配系数K:
K=组分在固定相中的浓度/组分在载气中的浓度=Cs/Cg
气相色谱分析时,样品在柱前被气化,并随载气与固定相作相对运动。
对于气液色谱,各组分在固定液和载气间发生很多次(103~106次)溶解-解析-溶解-解析的分配平衡。
由于各组分在固定液中的溶解度不同,各组分从固定液中解析进入载气中的能力也不同,即分配系数不同,各组分在色谱柱内的移动速度也就不同。
分配系数大即在固定液中溶解度大的组分移动慢,分配系数小即溶解度小的组分移动快,这样,随着两相相对运动的进行,不同组分就逐渐被分开。
如图。
对于气固色谱,载气与固定相作相对运动时,各组分在固定相(吸附剂)和载气间发生很多次吸附-解吸-吸附-解吸的吸附平衡。
由于吸附剂对各组分的吸附力不同,各组分从吸附剂上解吸的能力也不同,各组分在色谱柱内的移动速度也就不同。
吸附力大,组分移动慢,吸附力小,组分移动快,这样,随着两相相对运动的进行,不同组分也逐渐被分开。
(2)气相色谱仪流程
高压钢瓶(载气)→减压阀→净化器→稳压阀(稳定的压力和流速)→压力表→转子流量计→热导池的参比池→汽化室(汽化、进样)→色谱柱(分离)→热导池的测量池→皂膜流量计→放空。
如图。
1.高压钢瓶;2.减压阀;3.净化器;4.稳压阀;5.压力表;6.转子流量计;7.热导池检测器(a.参比池,b.测量池);8.汽化室;9.恒温炉;10.色谱柱;11.皂膜流量计;12.检测器桥路;13.记录仪
气相色谱的三大部分:
1载气:
即流动相,组分移动的动力。
运输作用。
2色谱柱:
即固定相,色谱仪的心脏,决定组分能否分离。
3检测器:
检测组分及其浓度变化。
(3)色谱图及有关术语
色谱图:
经色谱柱分离后,各组分依次进入检测器,产生检测信号并由记录仪(显示器)记录或显示的色谱流出曲线(色谱峰形图)。
色谱图能提供下列信息:
1样品的组成:
若各组分均能被分离并检测,色谱峰数即为样品中组分数。
2色谱柱的分离状况:
组分是否定量分离,色谱柱效、选择性。
3定性数据:
色谱保留值是组分定性分析的依据。
4定量数据:
色谱峰高和峰面积是组分定量分析的依据。
5评价色谱仪性能:
仪器稳定性、检测器灵敏度等。
根据色谱图解析色谱术语:
基线:
仅有载气通过检测器时的响应信号,稳定时为一直线,如Ot。
色谱峰:
组分通过检测器时的响应信号,如曲线CAD。
峰高(h):
峰顶至基线的垂直距离,如AB。
峰宽(Y):
峰两侧拐点的切线与基线的交点间的距离,如IJ。
半峰宽(Y1/2):
峰高一半处峰的宽度,如GH。
峰面积(A):
曲线CAD与基线延长线所包围的面积,色谱峰呈高斯分布时,A=h·Y1/2
峰高或峰面积与组分的量或浓度成正比,是组分定量分析的依据。
保留值:
保留时间和保留体积的总称。
组分在柱中的停留时间,或组分流出时流动相流出的体积,反映了组分与固定相相互作用力的大小,与两者的物理化学性质有关,固定相不变时取决于组分的分子结构,是色谱定性的依据。
保留时间(tr):
组分从进样到出峰最大所需的时间,如O′B。
死时间(t0r):
不被固定相滞留的组分(如空气),从进样到出峰(空气峰)最大之所需的时间,如O′A′。
仅反映载气通过色谱柱的时间。
调整保留时间(tr′):
扣除死时间的保留时间,如A′B。
反映组分与固定相相互作用所消耗的时间。
tr′=tr-t0r
对应的有保留体积(VR)、死体积(V0R)、调整保留体积(VR′)。
比保留体积(Vg):
校正到273.2K(0℃)时每克固定液的调整保留体积。
TC-柱内温度(K);W-固定液质量(g)或吸附剂体积(ml)。
Vg与分配系数K的关系:
ρ-固定液密度。
理论塔板数(n)和有效塔板数(n有效):
假设色谱柱可分成很多小段,每一小段内被分离组分在气液两相间建立一次平衡,这一小段就叫一个塔板,故色谱柱的塔板数即是柱内气液间平衡分配的次数,反映色谱柱效率——峰的宽窄。
选择性(r2,1,又称相对保留值):
固定相对两种组分的调整保留值之比,是评价固定相是否合适的指标。
分离度(Rs):
相邻两组分保留值之差与其平均峰宽值之比值。
在峰形不对称或两峰有重叠时,峰宽很难测定,此时可用半峰宽表示。
分离度是色谱柱总分离效能指标,同时反映了两组分保留值的差异和色谱峰的宽窄。
2.气相色谱的特点
1高效能:
一次可以分离几十个组分。
2高选择性:
可分离结构和性质极为相似的组分,如同位素、异构体、对映体。
3高灵敏度:
可检测10-11~10-13g的物质。
可测量超纯气体、超纯试剂、高聚物单体中的ppm(10-6)至ppb(10-9)甚至ppt(10-12)级的杂质。
4样品用量少:
由于灵敏度高,样品用量只需几微克。
一般气体样用几毫升,液体样用几微升或几十微升。
5分析速度快:
较复杂的样品可在几分钟至几十分钟内完成分离分析。
6仪器价格便宜,操作比较简单。
7应用范围广:
即可分析低含量的气、液体,亦可分析高含量的气、液体,可不受组分含量的限制。
气相色谱法可完成有机物约20%、石油化工约85~90%的分析任务。
8受样品蒸气压限制是其弱点,对于挥发性较差的液体、固体,需采用制备衍生物或裂解等方法,增加挥发性。
3.气相色谱的应用
(1)定性分析
依据:
当固定相和操作条件(如柱温、柱长、柱径、载气流速等)严格固定时,任何物质都有一确定的保留值。
方法:
对照已知纯物质和未知组分的保留值,一般使用两种以上不同极性柱来定性。
若没有纯物质的色谱数据,可使用文献中的相对保留值对照定性。
(2)定量分析
依据:
在一定操作条件下,待分析组分i的质量mi与峰面积Ai或峰高hi成正比。
mi=fiAi
其中,fi为比例常数,称为定量校正因子。
常用的定量分析方法有归一化法、内标法和外标法。
归一化法:
当样品中所有组分都能流出色谱柱并产生相应色谱峰时,可用归一化法定量。
该法是把样品中各组分的含量总和按100%计算,则待测组分i的含量为:
内标法:
当只需测定样品中某几个组分,或样品中所有组分不能全部出峰时,可采用内标法。
该法将一定量纯物质作为内标物,加入到样品中,然后进行色谱分析。
因
,所以
,则待测组分i的含量为:
式中,mi、ms分别为待分析组分i和内标物s的质量,Ai、As分别为组分i和内标物s的峰面积,、fi与fs分别为组分i和内标物s的定量校正因子。
外标法:
由纯组分i配制成一系列浓度的标准样品,色谱分析后绘制浓度与峰面积的标准曲线,在同样的条件下分析样品,由样品中组分i的峰面积查出组分i的含量。
如下图。
(3)气相色谱在高聚物研究中的应用
①高聚物单体和溶剂纯度分析;②聚合反应进程监测,聚合反应动力学参数测定;③高聚物中残存挥发组分(如单体、溶剂、低聚物等)分析;④高聚物材料中有机添加剂(如增塑剂、抗氧化剂等)分析;⑤高聚物定
性鉴别;⑥共聚物或均聚物的共混物的组成定量分析;⑦高聚物的热稳定性和热降解机理测定(通过测定测定热降解产物及其量的变化)
15.1.2裂解色谱的原理、特点及其设备
1.裂解色谱基本原理
裂解色谱实质上是试样的裂解与气相色谱的联用。
裂解装置首先把不挥发的聚合物样品裂解成小分子碎片,然后用气相色谱分离分析。
在某一确定的裂解条件下,不同化合物的裂解产物不同,得到的裂解色谱图(又称裂解图谱)不同。
通过分析裂解图谱中各裂解产物色谱峰的定性、定量数据,便可反过来确定各化合物。
2.聚合物的热裂解
裂解过程十分复杂,裂解产物会发生二次反应。
但热裂解仍然遵循某种反应规律,裂解产物具有一定的特性和统计性。
聚合物种类不同,热裂解机理各异:
(1)烯烃高聚物的裂解机理
①解聚:
主链中含有季碳原子或含氢原子很少的高分子,先断裂成自由基,再按自由基链式反应的方式迅速解聚,裂解产物几乎全是单体。
如聚甲基丙烯酸甲酯。
②无规断链
主链上含氢较多则发生无规断链,裂解产物分子量从16(CH4)到1000,非常分散。
如聚乙烯。
③无链断裂
聚合物侧链上具有取代基时,易发生消去反应,形成非链断裂。
然后不饱和的共轭分子链再环化断裂成苯或环状化合物。
如聚氯烯。
(2)杂链高聚物裂解机理
主链上杂原子与碳原子的键能小,易断裂。
如尼龙-6在C-N键处断裂生成单体己内酰胺。
3.影响裂解反应的因素(自学)
热裂解反应十分复杂,影响因素较多。
故裂解色谱法重复性差。
4.裂解色谱的特点
裂解色谱综合了裂解和气相色谱的两者的特点。
不挥发性物质不能用气相色谱分析,但通过热裂解,则可用气相色谱进行分析。
(1)快速灵敏:
分析周期短,半小时即可完成一次裂解色谱分析;样品用量极少,一次裂解和检测量为微克至毫克级。
(2)操作方便:
裂解色谱适用于各种物理状态的样品。
(3)装置简单:
将裂解器与普通的气相色谱仪汽化室相连,或将裂解器与色谱柱入口相连,载气流路稍作改动(先经过裂解室)即成为裂解色谱仪。
5.热裂解流程及设备
流程:
聚合物样品放入裂解器内加热裂解成可挥发的小分子(裂解碎片),并由载气带入色谱柱进行分离,不同裂解碎片按顺序进入检测器,
记录检测信号得色谱图,由图谱特征分析推断高聚物的组成、结构和其他性质。
如图。
1.载气;2.调节阀;3.裂解器;4.控温系统;5.色谱柱;6.检测器;7.联用设备;8.记录仪
15.1.3裂解色谱在高聚物研究中的应用(自学)
15.2薄层色谱的原理及应用(自学)
15.3色质联机技术
15.3.1气相色谱与质谱联机技术的基本原理
色质联机技术可分为气相色谱与质谱联用(GC-MS)和液相色谱与质谱联用(LC-MS)。
色质联机由色谱和质谱两部分组成。
色谱起分离作用,在高聚物GC-MS分析中,常用裂解气相色谱。
质谱相当于色谱的检测器,按碎片离子的质荷比(质量与电荷的比值,m/e)检测碎片的含量。
样品经裂解器热裂解成小分子碎片,再经色谱分离,由色谱仪和质谱仪的中间连接装置(接口)进入质谱仪,在质谱仪中先转变成蒸汽,再通过离子源的作用电离成离子,离子在电磁场的作用下按质荷比m/e的不同分开排列,并经快速扫描得质谱图,根据质谱图进行结构分析。
以下是色质联机示意图。
1.载气;2.样品;3.裂解器;4.色谱柱;5.分子分离器(接口);6.离子源;7.磁场(质量分析器或离子分析器);8.电子倍增器;9.数据处理系统;11.计算机;12.记录仪
接口的作用:
①调节两仪器的操作压力。
色谱柱出口为常压,质谱仪内为高真空系统,通过接口控制压力。
②起分离器的作用。
抽走从色谱柱来的载气,保留小分子碎片进入质谱仪的离子室。
15.3.2裂解气相色谱与质谱联机技术的实验方法(自学)
15.3.3气相色谱与质谱联用的谱图表示方法(自学)
15.3.4气相色谱与质谱联机技术在高聚物研究中的应用(自学)
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