第十五章色谱及色质联机技术

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1、1 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：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）流动相携带样品物质与固定相作相对运动 。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）2 色谱法固定相性质分类：柱色谱、平面色谱（纸色谱和薄

2、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。3 对于气液色谱， 各组分在固定液和载气间发生很多次（103106

3、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

4、相相对运动的进行，不同组分也逐渐被分开。4 5 （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6 气相色谱的三大部分：载气：即流动相，组分移动的动力。运输作用。色谱柱 ：即固定相， 色谱仪的心脏 ，决定组分能否分离。检测器：检测组分及其浓

5、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：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。色谱柱的分离状况：组分是否定量分离，色谱柱效、选择性。定性数据：色谱 保留值 是组分定性分析的依据。定量数据：色谱 峰高和峰面积 是组分定量分析的依据。评价色谱仪性能：仪器稳定性、检测器灵敏度等。7 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

6、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。8 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= hY1/2 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9 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OB。死时间 （t0r） ：不被固定相滞留

7、的组分(如空气 )，从进样到出峰（空气峰）最大之所需的时间，如OA。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AB。反映组分10 与固定相相互作用所消耗的时间。tr= tr t 0 r 对应的有保留体积（VR） 、死体积（ V 0R） 、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。11 273.2R gCVVTWTC -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：273.2g CKVT-固定液密度。 理论塔板数 （n）和有效塔板数 （n有效） ：假设色谱

8、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 。221/ 25.5416rrttnYY12 221/ 25.5416rrttnYY有效选择性 （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。(2)(2) 2,1 (1)(1)rRrRtVrtV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。(2)(1)(2)(1)12rr sttR YY(2)(1)1/ 2(

9、2)1/ 2(1)rr sttRYY13 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 高效能：一次可以分离几十个组分。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。高灵敏度：可检测10-1110-13g 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。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。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。仪器价格便宜，操作比较简单。14 应用范围广：

10、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 8590%的分析任务。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15 高

11、hi成正比。mi fi Ai 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：1%ii inii if AP f A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。16 因iiisssmf Amf A，所以ii isssf Ammf A，则待测组分i 的含量为：%iiis issmf A mPmf A m式

12、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高聚物单体和溶剂纯度分析；聚合反应进程监测，聚合反应动力学参数测定； 高聚物中残存挥发组分（如单体、 溶剂、低聚物等） 分析；高聚物材料中有机添加剂（如增塑剂、抗氧化剂等）分析；高聚物定17 性鉴别； 共聚物或均聚物的共混物的组成定量

13、分析；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）18 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

14、烃高聚物的裂解机理解聚： 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19 聚甲基丙烯酸甲酯。20 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。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。21 （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 CN 键处断裂生成单体己内酰胺。22 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

15、性差。23 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

16、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。24 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）25 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