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1、2020/8/11,1,色谱分析 研究生,主讲：赵怀清,2020/8/11,2,第一节 毛细管色谱柱的分类,一、毛细管色谱柱的分类 涂壁开管柱（WCOT) 开管柱 壁处理毛细管柱(WTOT) 毛细管柱 填充柱 填充毛细管柱 微型填充柱,2020/8/11,3,二、 毛细管柱速率理论,（一）纵向扩散项 峰展宽主要由气相分子扩散引起的。 B = 2Dm （二）传质阻抗项 1.气相传质阻抗,2020/8/11,5,2020/8/11,6,与填充柱速率理论比较： （1）毛细管柱中，A=0 （2）在毛细管柱中，因无填料，因此，阻碍因子=0 （3）在毛细管柱中，以柱半径r代替填料颗粒直径dp，且Cs一般比
2、填充柱小，气相传质阻抗常为色谱峰展宽的重要因素。,2020/8/11,7,三、 速率方程讨论,（一）最小理论塔板高度,2020/8/11,8,（二）最佳适用载气线速度,从速率方程可知，最小板高时的最佳流速：,2020/8/11,9,例1 用内径为0.25mm的毛细管柱进行分析，样品为正庚烷。载气为氮气。正庚烷在氮气中的扩散系数Dm0.038cm2/s。 当k=0时，uopt=21.0cm/s； 当k=5时，uopt=7.3cm/s； 当k=时，uopt=6.4cm/s。 载气为氢气。正庚烷在氢气中的扩散系数 Dm0.095cm2/s。 当k=0时，uopt=52.4cm/s； 当k=5时，uo
3、pt=18.2cm/s； 当k=时，uopt=16cm/s。,2020/8/11,10,当用氮气为载气时，要得到最小理论塔板高度，所需最佳流速比较小； 当用氢气为载气时，要得到最小理论塔板高度，所需最佳流速比较大。 计算出来的uopt很小，分析时间就要长，所以实际操作时，载气的流速要高于uopt。 研究表明，使用比uopt更高一些的载气流速，并使用较长一些的色谱柱，以补偿因流速增加而降低了的柱效，这样就会节省分析时间。,2020/8/11,11,例2 100ft(1ft=0.3048m)长，内径0.5mm毛细管柱，H2作载气，uopt=16cm/s（正庚烷），如果线速度增加一倍，则洗脱时间减半
4、，板高只增加25，如果柱长增加25以保持同样柱效和分离度，则分析时间可缩短5/8。,2020/8/11,12,四、 毛细管色谱操作条件的选择,（一）毛细管柱的直径 已知柱效与柱内径成反比，即柱内径越细，柱效越高。 目前，多采用细内径，短毛细管柱进行快速分析。,2020/8/11,13,2020/8/11,14,（1）一般内径250m的柱，样品容量约为100ng，而30m柱，样品容量低于1ng。样品容量低，对仪器要求苛刻，检测器的敏感度要小于1011gs。 （2）整个系统的流失、污染和鬼峰都要尽量排除。 （3）检测器的死体积要小，要加尾吹气。当尾吹气为30ml/min时，对250m柱，检测器死体
5、积大于25l，会引起1峰展宽。对30m柱，检测器死体积超过10ml，就会引起1峰展宽。,2020/8/11,15,（4）检测器时间常数，对250m柱，时间常数为50ms，就会引起1峰展宽；30m柱，时间常数为25ms就会引起1峰展宽。而且随柱内径继续减小，所需时间常数急剧下降。 （5）样品容量低，采用冷柱上样比较困难，而且分流进样时，需要很大的分流比，因此必须注意分流线性及定量失真问题。 （6）载气流量小，柱口压力大（约15大气压），目前仪器难以解决。,2020/8/11,16,目前100300m、口径大于500m的毛细管柱。目的是让色谱柱能够与一些死体积大的检测器如TCD、ECD、PID、H
6、all电导、MS与IR等匹配，可以方便地采用柱上进样方法，还能收集一些组分作进一步鉴定用，以代替填充柱使用。,2020/8/11,17,（二）载气的选择,根据以下三个因素选择载气： （1）分离效能和分析速度； （2）检测器的适应性和灵敏度； （3）载气的物理化学性质，如柱压降、安全性、纯度和价格等。 在毛细管柱色谱中，常用H2、N2和He，不同的载气对Golay曲线的影响如下图。,2020/8/11,18,2020/8/11,19,从曲线极小值和它的平坦程度可以看出：H2作载气时，它的最佳柱效和N2差不多，可是它的最佳载气线速度却比N2大4倍。所以多采用H2作载气。,2020/8/11,20,
7、（三）液膜厚度,液膜厚度增加，会使柱效降低。液膜厚度需按分析要求来决定。 （1）分离挥发性低、热稳定性差的物质时，需用薄液膜柱。这样可以降低柱温和减少柱流失，对快速分析液膜厚度可低至0.05m。,2020/8/11,21,（2）分析高挥发性、保留值小的物质时，液膜厚度要大于1m。 （3）液膜厚度还与毛细管柱的内表面性质、固定液的黏度、固定液的扩散系数和极性等有关系。 有些固定液如SE-30，液膜增厚对柱效影响不大；有些固定液如OV-225，液膜增厚对柱效影响明显。,2020/8/11,22,柱直径、液膜厚度需要与柱容量和柱效综合考虑。 为了快速分析，往往用柱内径小、薄液膜的柱。 近年来，发展了
8、大口径和厚液膜柱，使柱效和柱容量得到合理的折中。其相互关系如下图：,2020/8/11,23,图2110柱内径、液膜厚度对柱效和柱容量的影响,2020/8/11,24,（四）温度的影响,在分离度和理论塔板数等函数的关系式中，有两项是与温度有关系的，即容量因子k和相对保留值。这是因为两者都和分配系数K有关，而K取决于柱温。基本关系如下：,2020/8/11,25,2020/8/11,26,容量因子与分配系数成正比，所以在限定的范围内，容量因子与温度有下列关系：,2020/8/11,27,柱温与相对保留值的关系：,根据a数值的大小，曲线的斜率有三种情况： （1） a为负值，表示降低柱温，会使相对保
9、留值增大； （2） a近于0，无论柱温如何变化，相对保留值保持不变； （3） a大于0，柱温降低，相对保留值也减小。,2020/8/11,28,用2，2，5三甲基戊烷/甲基环戊烷物质对试验数据如下：,2020/8/11,29,当柱温从95降至74 时，容量因子增大89，而相对保留值仅增大2.8。与此同时，达到同样的分辨率所需的理论塔板数将降低为29。 结论： 降低柱温，可增大容量因子，改善分离度，但降低柱温要适当，以保留时间合适和不脱尾为宜。对复杂的样品应采用程序升温。,2020/8/11,30,五、 毛细管柱气相色谱系统,（一） 进样系统 进样器（样品导入部件）进样系统 分流器 分流比阀 针
10、形阀和电磁阀,2020/8/11,31,2020/8/11,32,毛细管柱色谱进样方式分为两类： 分流进样和不分流进样。 根据操作方式，不分流进样又包括柱上进样和直接进样。 1. 分流进样法 让较大体积的样品先进到流量较大的载气中，汽化后，将混合物分流成两个流量悬殊的部分，只将其中较小的部分送进柱子，这就叫分流进样。,2020/8/11,33,例如，载气总流速为101ml/min，通过柱子的流速为1ml/min，那么向体系中注入1l液体样品时，实际进入柱子的体积为0.01l。 （1）分流比的测定 分流比为进柱的样品组分的物质的量与放空的样品组分物质的量之间的相对值。,2020/8/11,34,
11、假定所进样器完全汽化，并与载气充分混合，则样品通过分流进样器进入柱子的流量Fc，与通过分流器放空的流量Fv之比。 分流比=Fc / Fv 也有把分流比定义为样品进入汽化室后，进样器中总的流速（Fc + Fv）与柱流速之比。 分流比=（Fc + Fv）/ Fc,2020/8/11,35,例 柱出口流速为1ml/min，分流器放空的流速为100ml/min，则分流比为1:100或100:1，前一种表示方法较常用。 Fc和Fv可以通过一个合适的泡沫流量计测量，由于载气通过毛细管柱的流量很小，用泡沫流量计不易测量，Fc也可以通过计算求出。,2020/8/11,36,r毛细管柱的半径（cm）； L毛细管
12、柱的柱长（cm）； tm甲烷的保留时间（min） 也可写成：,2020/8/11,37,（2）分流进样器的线性,所谓线性分流是指样品组分经过分流器分出的一小部分的量进入柱子时，它能够代表原样品中组分的含量。 对一个设计合理的分流器（即线性好的分流进样器），样品中的每一组分都能准确地分流成相同的比例，而与组分的化学性质、沸点差异以及浓度大小等因素无关。,2020/8/11,38,线性不好的分流进样器，往往使被分流进入柱子的组分含量与原始样品中组分的含量不同，即产生样品的失真。 样品失真的原因： 分流进样器本身设计的不合理因素 分流比的大小 一般由所用毛细管柱所允许的有效样品体积或样品量所决定。分
13、流比常在1:（100200）下进行。,2020/8/11,39,2020/8/11,40,分流器温度250，试验混合物为十三烷（熔点235）、十五烷（熔点271）、十四烷（熔点254）和十六烷（熔点287）。 由图可以看出，在分流比小于1：100时，样品失真。 沸点高的组分进入柱子的比例大（响应值大），沸点低的组分进入柱的比例小。 当分流比提高到1：100以上时，所有组分的分流线性都变好了。 造成这种情况的原因是，高沸点的组分因汽化较慢，在分流比较低时，它会在一段较长的时间进入色谱柱。,2020/8/11,41,分流进样器的温度,分流进样器的温度应接近于样品中沸点最高的组分的沸点温度。 特别在
14、分流比较低时，进样器的温度低，对样品组分的失真影响更大。 当分析的是对热不稳定的样品时，不能使用较高的进样温度，可以用提高分流比的办法或其他进样方法来减小样品组分失真的程度。,2020/8/11,42,样品与载气的充分混合,样品注入汽化室后，必须进行充分的混合，否则样品组分失真也会增大。 使样品和载气在汽化室中充分混合均匀的有效办法是在汽化室内松散地填充玻璃毛或者玻璃珠 。 为了防止样品的吸附，玻璃毛或玻璃珠最好硅烷化。,2020/8/11,43, 进样体积对样品组分失真的影响,当进样体积很小时，由于注射器体积的消耗，相对来说，往往是样品中易挥发的组分比不易挥发组分进入色谱柱多。所以在样品的回
15、收中就出现严重的失真。 进样体积小于0.2l时，对宽沸程范围的样品，用分流进样法不能做定量分析。,2020/8/11,44,（3）分流进样法的优缺点,分流进样法是使用最多的一种进样方法。它在分析高浓度的组分（浓度范围在0.01%10%）以及各组分的浓度分布均匀的样品可以得到很好的定量结果，分流进样法的优点： 在高分流比下（分流比高于1：100），样品起始组分的谱带扩展很小，出峰尖锐。,2020/8/11,45,操作方便。能根据所用样品的体积和浓度，很容易地调节分流比值。 很容易自动操作。用自动进样法可以得到重复性很好的保留时间和精度较高的定量结果。 在等温和程序升温操作时，结果的重复性都较好。
16、,2020/8/11,46,分流进样法缺点：,当分析的样品组分浓度范围较宽，沸点范围也宽时产生分流失真； 浓度低和沸点高的组分样品回收率低，定量的精密度差； 不适宜于痕量分析； 当在高分流比时载气消耗量大，测定的精密度和准确度依赖于进样的操作技术和重复性。,2020/8/11,47,2、不分流进样法,经典分流进样技术，由于不能很好地适用于痕量组分分析，所以后来又出现了多种全样品进柱的不分流进样技术。不分流进样技术是由Grob等提出，所以又称为Grob不分流进样技术。不分流进样同分流进样相比，痕量组分的绝对进样量明显增加，峰形尖锐，检测灵敏度可高出13个数量级，而且准确度也高。因此，它在天然产物、食品、香料、生物代谢物质、药品和环境样品等高度稀释溶液的痕量和超痕量分析中得到了广泛应用。,2020/8/11,48,（1）基本原理,不分流进样可以看成是利用进样时暂时关闭分流阀和溶剂效应（或同时借助冷捕集效应），并结合进样后的系统清洗措施进行稀溶液全样品直接进样
