2第二章气相色谱分析法

1、混合体系组分分离方法混合体系组分分离方法蒸馏（精馏）：组分沸点的差异；蒸馏（精馏）：组分沸点的差异；结晶：组分溶解度或凝固点的差异；结晶：组分溶解度或凝固点的差异；萃取：组分在两项中分配系数的差异；萃取：组分在两项中分配系数的差异；沉淀：形成难溶化合物溶解度的差异。沉淀：形成难溶化合物溶解度的差异。混合体系组分分离混合体系组分分离+分析方法分析方法纸层析：原理？纸层析：原理？茨维特实验茨维特实验固定相固定相CaCOCaCO3 3颗粒颗粒流动相流动相石油醚石油醚年代年代发明者发明者发明的色谱方法或重要应用发明的色谱方法或重要应用19061906TswettTswett用碳酸钙作吸附剂分离植物色素

2、。最先提出色谱概念。用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。19311931Kuhn, LedererKuhn, Lederer用氧化铝和碳酸钙分离用氧化铝和碳酸钙分离a-a-、b-b-和和g-g-胡萝卜素。使色谱法开始为人们重视。胡萝卜素。使色谱法开始为人们重视。19381938Izmailov,Izmailov,ShraiberShraiber最先使用最先使用薄层色谱薄层色谱法。法。19381938Taylor, UrayTaylor, Uray用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。19411941Martin, SyngeMartin, Sy

3、nge提出色谱塔板理论；发明液提出色谱塔板理论；发明液- -液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即气相色谱气相色谱）。）。19441944ConsdenConsden等等发明了发明了纸色谱纸色谱。19491949MaclleanMacllean在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段。在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段。19521952Martin, JamesMartin, James从理论和实践方面完善了从理论和实践方面完善了气气- -液分配色谱液分配色谱法。法。19561956Van DeemterVan Dee

4、mter等等提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。19571957基于基于离子交换色谱离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。的氨基酸分析专用仪器问世。19581958GolayGolay发明毛细管柱气相色谱。发明毛细管柱气相色谱。19591959Porath, FlodinPorath, Flodin发表凝胶过滤色谱的报告。发表凝胶过滤色谱的报告。19641964MooreMoore发明发明凝胶渗透色谱凝胶渗透色谱。19651965GiddingsGiddings发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。197

5、51975SmallSmall发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测的新型的新型离子色谱离子色谱法。法。19811981JorgensonJorgenson等等创立了创立了毛细管电泳法毛细管电泳法。色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作年代年代获奖学科获奖学科获奖研究工作获奖研究工作19371937化学化学类胡萝卜素化学，维生素类胡萝卜素化学，维生素A A和和B B19381938化学化学类胡萝卜素化学类胡萝卜素化学19391939化学化学聚甲烯和高萜烯化学聚甲烯和高萜烯

6、化学19501950生理学、医学生理学、医学性激素化学及其分离、肾皮素化学及其分离性激素化学及其分离、肾皮素化学及其分离19511951化学化学超铀元素的发现超铀元素的发现19551955化学化学脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素19581958化学化学胰岛素的结构胰岛素的结构19611961化学化学光合作用时发生的化学反应的确认光合作用时发生的化学反应的确认19701970生理学、医学生理学、医学关于神经元触处迁移物质的研究关于神经元触处迁移物质的研究19701970化学化学糖核苷酸的发现及其在生物合成碳水化合物中的作用糖核苷酸的发现及其在生物合成碳水化

7、合物中的作用19721972化学化学核糖核酸化学酶结构的研究核糖核酸化学酶结构的研究19721972生理学、医学生理学、医学抗体结构的研究抗体结构的研究第二章第二章 气相色谱分析法气相色谱分析法 Gas Chromatography (GC) 以试样组分在固定相和流动相间的溶以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。析方法称色谱法。一、色谱法一、色谱法(Chromatography) 固定相固定相（stationary phase）：在色谱柱中固

8、定不动的相在色谱柱中固定不动的相, ,可以是固体或是液体。可以是固体或是液体。 流动相流动相（mobile phase）：携带试样混合物流过固定相的：携带试样混合物流过固定相的流体，可以是液体或气体。流体，可以是液体或气体。 色谱柱：色谱柱：承载固定相的装置。承载固定相的装置。 被分离组分：被分离组分：液体或气体；无机或有机物液体或气体；无机或有机物分离原理分离原理 当混合物被流动相携带流经固定相当混合物被流动相携带流经固定相时，其与固定相发生相互作用。时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生构上的差异，与固定相之间产生的

9、作用力的强弱不同，随着流动的作用力的强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。而按一定次序由固定相中流出。 二、色谱法分类二、色谱法分类 1 1按两相的物理状态分类按两相的物理状态分类流动相流动相固定相固定相 类型类型液相色谱液相色谱 (LC)液体液体 固体固体 液液- -固色谱固色谱(LSC)(LSC)液体液体 液体液体 液液- -液色谱液色谱(LLC)(LLC)气体气体 固体固体 气气- -固色谱固色谱(GSC)(GSC

10、)气体气体 液体液体 气气- -液色谱液色谱(GLC)(GLC)气相色谱气相色谱 (GC)2 2根据固定相的使用形式分类根据固定相的使用形式分类柱色谱柱色谱填充柱色谱填充柱色谱 毛细管柱色谱毛细管柱色谱平面色谱平面色谱纸色谱纸色谱 薄层色谱薄层色谱 高分子薄膜色谱高分子薄膜色谱3 3按分离机制分类按分离机制分类 三、色谱法的特点三、色谱法的特点分离效率高分离效率高：复杂混合物，有机同系物、异构体。：复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。手性异构体。灵敏度高灵敏度高：可以检测出：可以检测出g.gg.g-1-1(10(10-6-6)-ng.g)-ng.g-1-1(10(10-9-9) )级的

11、物质量。级的物质量。分析速度快分析速度快：一般在几分钟或几十分钟内可以完成：一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。一个试样的分析。应用范围广应用范围广：气相色谱：沸点低于：气相色谱：沸点低于400400的各种有的各种有机或无机试样的分析机或无机试样的分析; ;液相色谱：高沸点、热不稳定液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。、生物试样的分离分析。不足之处：被分离组分的定性较为困难。不足之处：被分离组分的定性较为困难。四、气相色谱法四、气相色谱法 气相色谱法气相色谱法：利用气体作为流动相的一种：利用气体作为流动相的一种色谱法。在此法中，载气色谱法。在此法中，载气 ( ( 是不与

12、被测物是不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体，如氢、作用，用来载送试样的惰性气体，如氢、氮等氮等 ) ) 载着欲分离的试样通过色谱柱中的载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别固定相，使试样中各组分分离，然后分别检测。检测。 五、气相色谱仪的组成五、气相色谱仪的组成载气系统载气系统进样系统进样系统分离系统分离系统检测系统检测系统温控系统温控系统记录系统记录系统1.1.载气系统载气系统 组成组成: 气源、净化器、气体流速控制和测量装置。气源、净化器、气体流速控制和测量装置。载气载气: 要求化学惰性，要求化学惰性，常用的载气有常用的载气有等等;净化器：多为分子筛和活性碳

13、管的串联，可净化器：多为分子筛和活性碳管的串联，可;稳压恒流装置：压力表、流量计、针形稳压阀，稳压恒流装置：压力表、流量计、针形稳压阀，。作用：可以获得纯净的、流速稳定的载气。其作用：可以获得纯净的、流速稳定的载气。其密密性性、载气流速的稳定性载气流速的稳定性以及以及测量流量的准确性测量流量的准确性，对色谱结果均有很大影响。对色谱结果均有很大影响。 2.2.进样系统进样系统 组成：进样器和气化室。组成：进样器和气化室。作用：使试样在进入色谱柱之前作用：使试样在进入色谱柱之前瞬间气化瞬间气化，并，并快快速定量速定量转入色谱柱。转入色谱柱。进样量进样量、进样时间进样时间、试样气试样气化速度化速度等

14、都会影响色谱的分离效果和分析结果的等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。准确性和重现性。进样器：进样器：快速定量进样；快速定量进样； （1 1）微量注射器：将样品吸入注射器，）微量注射器：将样品吸入注射器，然后进样。然后进样。常用规格：常用规格：1L、5L10L、25L等。等。气化室：一般为一根在外管绕有加热丝的不锈钢气化室：一般为一根在外管绕有加热丝的不锈钢管，液体样品进入气化室后，受热而管，液体样品进入气化室后，受热而瞬间气化瞬间气化。 要求要求热容量大热容量大、死体积小死体积小、无催化效应无催化效应。（2 2）定量阀：目前常用六通阀。）定量阀：目前常用六通阀。 准备状态准备

15、状态 进样状态进样状态3. 分离统系（色谱柱和柱箱）分离统系（色谱柱和柱箱）组成：组成：色谱柱和柱箱色谱柱和柱箱 色谱柱：色谱柱：填充柱和开管柱填充柱和开管柱( (或称毛细管柱或称毛细管柱) ) 填充柱填充柱U型或螺旋型型或螺旋型不锈钢或玻璃管，内径为不锈钢或玻璃管，内径为2 24 mm4 mm，长，长1 13 m3 m。 开管柱开管柱石英或玻璃毛细管，内径石英或玻璃毛细管，内径0.20.20.5mm0.5mm，长度，长度0 0200m00m。 作用：各类组分实现分离。色谱柱的分离效果即与作用：各类组分实现分离。色谱柱的分离效果即与柱长柱长、柱径柱径和和柱形柱形有关，还与所选用的有关，还与所选

16、用的固定相种类固定相种类、制备技术制备技术有关；分离效果还与操作条件有关。有关；分离效果还与操作条件有关。开管柱种类开管柱种类 涂壁开管柱涂壁开管柱：将固定液均匀涂在毛细管内壁上；：将固定液均匀涂在毛细管内壁上； 多孔层开管柱多孔层开管柱：在管壁上涂一层多孔性吸附剂固体：在管壁上涂一层多孔性吸附剂固体微粒微粒; ; 载体涂渍开管柱载体涂渍开管柱：先在毛细管内壁涂上一层载体，：先在毛细管内壁涂上一层载体，如硅藻土载体，在此载体上再涂以固定液。如硅藻土载体，在此载体上再涂以固定液。 键合型开管柱键合型开管柱：将固定液用化学键合的方法键合到：将固定液用化学键合的方法键合到涂敷硅胶的柱表面或经表面处理

17、的毛细管内壁上，该涂敷硅胶的柱表面或经表面处理的毛细管内壁上，该类柱的固定液流失少，热稳定性高。类柱的固定液流失少，热稳定性高。 4.4.温控系统温控系统 控制气化室：保证液体试样控制气化室：保证液体试样瞬间气化瞬间气化，且，且不分解不分解。控制检测器：保证被分离后的组分通过时控制检测器：保证被分离后的组分通过时不液化不液化，且，且获得理想检测信号。获得理想检测信号。控制色谱柱：保持试样组分控制色谱柱：保持试样组分不液化不液化、不分解不分解 ，准确，准确控制分离需要的温度。控制分离需要的温度。温度控制方式；恒温和程序升温。温度控制方式；恒温和程序升温。 程序升温：在一个分析周期内，柱温随时间由

18、低温到程序升温：在一个分析周期内，柱温随时间由低温到高温线性或非线性地变化，使沸点不同的组分在其最高温线性或非线性地变化，使沸点不同的组分在其最佳柱温时流出，改善分离效果佳柱温时流出，改善分离效果, ,缩短分析时间缩短分析时间 。作用：作用：恒温：恒温：45oC程序升温：程序升温：30180oC恒温：恒温：145oC 温度低，分离效果较好，但分析时间长温度低，分离效果较好，但分析时间长 程序升温，分离效果好，且分析时间短程序升温，分离效果好，且分析时间短 温度高，分析时间短，但分离效果差温度高，分析时间短，但分离效果差5.5.检测记录系统检测记录系统 组成：检测元件、放大器、显示记录；组成：检

19、测元件、放大器、显示记录；检测器：检测器： 广普型广普型对所有物质均有响应，热导检测器、火对所有物质均有响应，热导检测器、火焰离子化检测器；焰离子化检测器； 专属型专属型对特定物质有高灵敏响应，电子捕获对特定物质有高灵敏响应，电子捕获检测器、火焰光度检测器。检测器、火焰光度检测器。 作用：被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按作用：被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，其浓度或质量随时间的变化，转化成电信号转化成电信号，经放，经放大后记录和显示，给大后记录和显示，给出色谱图出色谱图气相色谱仪工作原理动画演示气相色谱仪工作原理动画演示六、色谱流出曲线及有关术语六、色谱流

20、出曲线及有关术语1. 色谱图流出曲线色谱图流出曲线 试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号信号时间曲线时间曲线或或信号信号流动相体积曲线流动相体积曲线。2. 色谱术语色谱术语 (1) (1)基线：基线：操作条件稳定后，无样品通过时，操作条件稳定后，无样品通过时，反映反映检测器系统检测器系统噪声噪声时间变化时间变化的的曲线。曲线。稳定的基线是稳定的基线是一条直线。一条直线。 基线漂移基线漂

21、移基线随时间定向缓慢变化；基线随时间定向缓慢变化； 基线噪声基线噪声由各种因素引起的基线起伏。由各种因素引起的基线起伏。(2)(2)色谱峰：从被测组分开始进入检测器至完全色谱峰：从被测组分开始进入检测器至完全流出检测器所形成的峰型部分。流出检测器所形成的峰型部分。色谱峰色谱峰(3) (3) 保留保留值值 (retention value) ：不与固定相作用的物质从进：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间。样到出现峰极大值时的时间。 保留时间保留时间(retention time)tR：试样从进样到出现峰极：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过色谱柱的大值时的时间

22、。它包括组份随流动相通过色谱柱的时间时间 tM和组份在固定相中滞留的时间。和组份在固定相中滞留的时间。 ：某组份：某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组份在的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组份在固定相中的滞留时间。固定相中的滞留时间。 RRMttt：不被保留的组分通过：不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积。色谱柱所消耗的流动相的体积。 实际指色谱柱中实际指色谱柱中未被固定相所占据的空隙体积、色谱仪中的管路、未被固定相所占据的空隙体积、色谱仪中的管路、连接头的空间、检测器的空间的总和。连接头的空间、检测器的空间的总和。0MMVtFF0：流动相的体积流速：流动相的体积流速：从

23、进样开始到组从进样开始到组分出现浓度极大点时所消耗的流动相的体积。分出现浓度极大点时所消耗的流动相的体积。体体积。积。 ：保留体积与死体积之差，即组分停留在固定相时保留体积与死体积之差，即组分停留在固定相时所消耗流动相的体积。所消耗流动相的体积。0RRVtF0RRmRVVVtF ： 某组份某组份2 2的调整保留值与组份的调整保留值与组份1 1的调整保留值之比。的调整保留值之比。(2)(2)21(1)(1RRRRtVtV） 表示色谱表示色谱 柱（固定相柱（固定相 ）的）的选择性选择性，值越大，相，值越大，相邻两组分的邻两组分的tR相差越大，分离得越好，相差越大，分离得越好，=1 时，时，两组分不

24、能被分离。当组分两组分不能被分离。当组分2和和1为分离物质对时为分离物质对时用用21，与其他色谱，与其他色谱操作条件无关。操作条件无关。(2)(2)(1)(1RRRRtVtV） ：选择因子选择因子 ：tR（2）为后出峰的调整保留时间。为后出峰的调整保留时间。（4）色谱峰区域宽度）色谱峰区域宽度峰高峰高(peak height) h；峰面积；峰面积( area) A ： ：Y0.607=2 ，Y1/2=2.354 , Y=4 色谱流出曲线的意义色谱流出曲线的意义根据色谱峰数，根据色谱峰数，可判断样品中所含最少组份数可判断样品中所含最少组份数；根据色谱峰保留值，根据色谱峰保留值，可以进行定性分析；

25、可以进行定性分析；根据色谱峰高或面积，根据色谱峰高或面积，可以进行定量分析；可以进行定量分析；色谱峰保留值或区域宽度，色谱峰保留值或区域宽度，是评价色谱柱分离效能是评价色谱柱分离效能的依据；的依据；相邻色谱峰间距，是评价相邻色谱峰间距，是评价固定相或流动相选择是否固定相或流动相选择是否合适的依据。合适的依据。本节作业本节作业P60: 2、3、4二、分配平衡的几个参数二、分配平衡的几个参数三、色谱分离的基本理论三、色谱分离的基本理论 二、分配平衡的几个参数二、分配平衡的几个参数 1. 1. 分配系数分配系数（distribution coefficient）K K： 在一定温度下，组分在固定相和

26、流动相之间分配达在一定温度下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的到平衡时的。s sMMc c组组分分在在固固定定相相中中的的浓浓度度K K = = =组组分分在在流流动动相相中中的的浓浓度度c c 2.2.分配比（分配比（partition ratio) 或容量因子（或容量因子（capacity factor ）k： 在在一定的温度和压力下，在两相间分配达平衡时，一定的温度和压力下，在两相间分配达平衡时，组分在固定相和流动相中的组分在固定相和流动相中的。 ks ss ss ss sMMMMMMMMm mC C V VV V组组分分在在固固定定相相中中的的质质量量K K= = = = =

27、K K= =组组分分在在流流动动相相中中的的质质量量m mC C V VV V =VM/Vs相比相比(phase ratio):是柱型特性参数。填是柱型特性参数。填充柱充柱 值一般为值一般为635; 毛细管柱毛细管柱 值一般为值一般为501500。 是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数，是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数，。3. 滞留因子（滞留因子（retardation factor)Rs: ：s ss su u组组分分在柱在柱内内线线速度速度定定义义 R = R =流流动动相相在柱在柱内内线线速度速度u us sR RL L根根据 u =据 u =t tMML Lu =u =

28、t tMMs sR Rt tR =R =t t得得MMR Rt t1 1因此因此= =t1+ kt1+ kRMRRMRMMMMt -ttt -ttk =k =tttt（可可）思考：思考： 与与之间的关系。之间的关系。M00M0M00M0MMMMs ss sR00R00MsR00R00MsMMt F CV Ct F CV Cmmmm1111R =R =m mt F CV Cmm+ m1+ kt F CV Cmm+ m1+ k1+1+m m(2)(1)RRttMMs sR Rt tR =R =t tRMRRMRMMMMt -ttt -ttk =k =tttt(1)RMttk21=kkRRMttt三

29、、色谱分离的基本理论三、色谱分离的基本理论A A、B B两组分要实现完全分离两组分要实现完全分离: : 。色谱峰间的距离取决。色谱峰间的距离取决于组分在两相间的分配系数，即与色谱过程的热于组分在两相间的分配系数，即与色谱过程的热力学因素有关。力学因素有关。塔板理论塔板理论 。色谱峰的宽窄取决于组分在色。色谱峰的宽窄取决于组分在色谱柱中传质和扩散行为，即与色谱过程的动力学谱柱中传质和扩散行为，即与色谱过程的动力学性质有关。性质有关。速率理论速率理论1. 塔板理论塔板理论 （plate theory） 塔板模型：将一根色谱柱视为一个精馏塔。塔板模型：将一根色谱柱视为一个精馏塔。把色谱柱看作是有许多

30、假想的塔板组成（即把色谱柱看作是有许多假想的塔板组成（即色谱柱可分为许多个小段）。在每一小段色谱柱可分为许多个小段）。在每一小段（塔板，（塔板，高度为高度为H）内，组分在两相之间达）内，组分在两相之间达成一次分配平衡，然后随流动相向前转移，成一次分配平衡，然后随流动相向前转移，遇到新的固定相遇到新的固定相 重新再次达成分配平衡，依重新再次达成分配平衡，依此类推（分配平衡的此类推（分配平衡的次数为次数为n）。由于流动）。由于流动相在不停的移动，组分在这些塔板间就不断相在不停的移动，组分在这些塔板间就不断达成分配平衡，最后达成分配平衡，最后K大的组分与大的组分与K小的组小的组分彼此分离。分彼此分离

31、。 （1 1）在柱内一小段间隔内，组分可以在两相间迅）在柱内一小段间隔内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度理论塔板高度H H； （2 2）载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动）载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（式，每次进气为一个塔板体积（VVm m）；）； （3 3）所有组分开始时存在于第）所有组分开始时存在于第0 0号塔板上，且试样号塔板上，且试样沿轴（沿轴（纵）向扩散可忽略；纵）向扩散可忽略； （4 4）各组分分配系数在所有塔板上是常数。）各组分分配系数在所有塔板上是常数。 设色谱往由设色谱往由5 5块

32、塔板（块塔板（n n5 5，n n为柱子的塔板数）为柱子的塔板数）组成，并以组成，并以r r表示塔板编号，表示塔板编号，r=1r=1，2 2，n nl l；某组分的分配比某组分的分配比k=1.k=1.2 20 0R R2 2流流出出曲曲线线上上组组分分浓浓度度与与时时间间的的关关系系：C C( (t t - -t t ) )C C = =e ex xp p - - 2 2 2 2当当n50时，可得到对称的峰形曲线。在气相色谱时，可得到对称的峰形曲线。在气相色谱中，中，n=103106, 流出曲线趋于流出曲线趋于正态分布曲线正态分布曲线。 越小，越小，组分流出浓度随时间变化曲率越大，柱口组分流出

33、浓度随时间变化曲率越大，柱口处最大流出浓度越大，处最大流出浓度越大，Y =4 , 流出曲线（色谱峰区流出曲线（色谱峰区域）越窄。域）越窄。tR=tM(1+k)，只要各组分，只要各组分k不同不同，tR不同不同，经过反复，经过反复多次分配后，柱出口处出现最大浓度（多次分配后，柱出口处出现最大浓度（色谱峰色谱峰）时）时所需要时间不同。如果色谱柱所需要时间不同。如果色谱柱n值很大值很大，只要各组，只要各组分的分的k有微小差异，即有微小差异，即可实现分离可实现分离。根据塔板理论，理论塔板数根据塔板理论，理论塔板数n 与色谱峰半峰宽度或峰底与色谱峰半峰宽度或峰底宽度的关系：宽度的关系：2222RRRR1/

34、21/2ttttn = 5.54() = 16()n = 5.54() = 16()YYYYLHn排除死时间的影响，有效塔板数排除死时间的影响，有效塔板数n 有效有效与色谱峰半峰宽与色谱峰半峰宽度或峰底宽度的关系：度或峰底宽度的关系：221/25.54()16()RReffttnYYeffeffLHn2221()()()RRMeffeffeffRRtttknnnnttk色谱峰越窄，色谱峰越窄，n就越大，就越大，H就越小就越小，表示组分在，表示组分在色谱柱中达到分配平衡的次数越多，固定相的作色谱柱中达到分配平衡的次数越多，固定相的作用越显著，对分离越有利，用越显著，对分离越有利，柱效能越高柱效能

35、越高。n和和H是描述柱效能的指标。是描述柱效能的指标。 气相色谱填充色谱柱：气相色谱填充色谱柱：n103，H1mm 毛细管柱毛细管柱 ：n=105-106，H0.5mm2222RRRR1/21/2ttttn = 5.54() = 16()n = 5.54() = 16()YYYY221/25.54()16()RReffttnYYLHneffeffLHn 例题例题1 1： 在柱长为在柱长为2m的的5%5%的阿皮松柱、柱温为的阿皮松柱、柱温为1000C，记录纸速度为，记录纸速度为2.0cm/min的色谱条件下，的色谱条件下，测定苯的保留时间为测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为，半峰宽为0.2

36、0cm，求理论塔板数和塔板高度。求理论塔板数和塔板高度。解解 (1) ：231.55.54()1.2 100.1n 1/20.20.1min2.0Y320001.71.2 10Hmm解解(2) ：233.05.54()1.2 100.2n 320001.71.2 10Hmm1.5 2.03.0Rtcm塔板理论总结塔板理论总结 (1)(1)当色谱柱长度一定时，当色谱柱长度一定时，塔板数塔板数n越大越大( (塔板高度塔板高度 H H 越小越小) )，被测组分在柱内被分配的次数越多，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱柱效能越高，色谱峰越窄效能越高，色谱峰越窄。(2)不同组分在同一色谱柱上的保留时间不

37、同，得到不同组分在同一色谱柱上的保留时间不同，得到的塔板数不同。的塔板数不同。衡量柱效能时，应指明测定物质衡量柱效能时，应指明测定物质。(3)柱效不能表示组分的实际分离效果，当两组分的柱效不能表示组分的实际分离效果，当两组分的分配系数相同时，无论塔板数多大，都无法分离。分配系数相同时，无论塔板数多大，都无法分离。(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同流动相流速塔板理论无法解释同一色谱柱在不同流动相流速下柱效实验结果的不同，也无法指出下柱效实验结果的不同，也无法指出影响柱效的因影响柱效的因素及提高柱效的途径素及提高柱效的途径。2. 速率理速率理论论 (rate theory) 速率理论认为速率理

38、论认为: :单个组分粒子在色谱柱内固定相和单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次流动相间要发生千万次转移转移，加上分子，加上分子扩散扩散和运动和运动途径等因素，它在柱内的运动是途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则高度不规则的，是的，是随机的，在柱中随流动相前进的速度是随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一不均一的。的。 速率方程（范速率方程（范. .弟姆特方程式）弟姆特方程式）BHACuuu 为流动相线速度；为流动相线速度； A，B，C为常数为常数 A涡流扩散项；涡流扩散项； B分子扩散项；分子扩散项；C传质阻力项（包括液相和固相传质阻力项）传质阻力项（包括液相和固相传质阻力项

39、）减小减小A、B、C可提高柱效可提高柱效。涡流扩散项涡流扩散项A A = 2dp dp固定相的平均颗粒直径；固定相的平均颗粒直径； 固定相的填充不均匀因子。固定相的填充不均匀因子。流动相碰到填充物颗粒时，流动相碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向不断地改变流动方向，使试样组分在流动相中形成类似使试样组分在流动相中形成类似“涡流涡流”的流动，的流动，因而引起色谱的扩张。因而引起色谱的扩张。A A与填充物的平均颗粒直径与填充物的平均颗粒直径dpdp的大小和填充的不均匀性的大小和填充的不均匀性有关，与载气性质、线有关，与载气性质、线速度和组分无关。速度和组分无关。涡流扩涡流扩散导致色谱峰变宽，散导致

40、色谱峰变宽，H(n)，分离变差；，分离变差；减小固定相颗粒粒度、增加颗粒均匀性和填充均匀减小固定相颗粒粒度、增加颗粒均匀性和填充均匀性，可减小性，可减小涡流扩涡流扩散的影响；散的影响；毛细管色谱分析中，毛细管色谱分析中，涡流扩涡流扩散可以忽略。散可以忽略。A = 2dp 分子纵向扩散项分子纵向扩散项 B/u B = 2D； ：弯曲因子，填充柱色谱，：弯曲因子，填充柱色谱，1； D：组分扩散系数（：组分扩散系数（cm2s-1）试样组分被流动相带入色谱柱后，是以试样组分被流动相带入色谱柱后，是以“塞子塞子”的的形式存在于柱的很小一段空间中，在形式存在于柱的很小一段空间中，在“塞子塞子”的前的前后后

41、 ( ( 纵向纵向 ) ) 存在着浓差而存在着浓差而形成浓度梯度形成浓度梯度，使运动，使运动着的着的分子产生纵向扩散分子产生纵向扩散。B B与引起扩散路径弯曲的因与引起扩散路径弯曲的因数数 ( (弯曲因子）和组分在流动相中的扩散系数有关。弯曲因子）和组分在流动相中的扩散系数有关。分子纵向扩散导致色谱峰变宽，分子纵向扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差；，分离变差；气体中，组分气体中，组分Dg较大，且与组分及载气的性质有关较大，且与组分及载气的性质有关,分子分子量大的组分，量大的组分，Dg较小；在分子量较大的载气中，较小；在分子量较大的载气中， Dg较小。较小。气相色谱分析中常用气相色谱分析中

42、常用N2、Ar为流动相为流动相。液体中，组分液体中，组分Dl较小，较小，液相色谱分析中的分子纵向扩散可液相色谱分析中的分子纵向扩散可以忽略以忽略；温度增高温度增高，D增加，分子纵向扩散项增加，分子纵向扩散项影响变大影响变大；流动相；流动相流流速增高速增高，分子纵向扩散项的，分子纵向扩散项的影响降低影响降低；毛细管色谱分析中；毛细管色谱分析中=1，分子纵向扩散影响较大。，分子纵向扩散影响较大。B = 2D传质阻力项传质阻力项Cu 22220.12()13(1)pfglglddkkCCCkDkDDg 、Dl为组分在两相中扩为组分在两相中扩散系数；散系数；Df为固定液厚度。为固定液厚度。包括气相传质

43、阻力和液相传质阻力两个过程：包括气相传质阻力和液相传质阻力两个过程：气相传质过程气相传质过程：组分从气相移动到固定相表面组分从气相移动到固定相表面，若，若进行缓慢，即传质阻力进行缓慢，即传质阻力(Cg)大，引起色谱峰扩张。大，引起色谱峰扩张。液相传质过程液相传质过程：组分从固定相的：组分从固定相的气液界面移动到液气液界面移动到液相内部相内部，达到分配平衡后，达到分配平衡后，再返回气液界面再返回气液界面，若进，若进行缓慢，即液相传质阻力行缓慢，即液相传质阻力(Cl)大，引起色谱峰扩张。大，引起色谱峰扩张。传质阻力传质阻力导致色谱峰变宽，导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差；，分离变差；采用分子量小

44、的气体采用分子量小的气体(H2、He)为载气为载气，Dg增加，可增加，可减小气相传质阻力系数，减小气相传质阻力系数，降低传质阻力的影响降低传质阻力的影响；减小固定相液膜厚度减小固定相液膜厚度，可减小液相质阻力系数，可减小液相质阻力系数，降降低传质阻力的影响低传质阻力的影响。但固定相液膜不宜过薄，否则会。但固定相液膜不宜过薄，否则会减少样品容量，降低柱的寿命。减少样品容量，降低柱的寿命。22220.12()13(1)pfglglddkkCCCkDkD速率理论总结速率理论总结(1)(1)组分在柱内运行多路径造成的涡流扩散、浓度梯组分在柱内运行多路径造成的涡流扩散、浓度梯度造成的分子扩散及传质阻力使

45、组分在两相间分配度造成的分子扩散及传质阻力使组分在两相间分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展和柱效平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展和柱效下降的主要原因。下降的主要原因。(2)速率理论阐明了速率理论阐明了流动相种类、流速流动相种类、流速；固定相粒度、固定相粒度、均匀度、固定液膜厚度均匀度、固定液膜厚度；柱温柱温等因素对柱效及分离的等因素对柱效及分离的影响，操作条件选择提供了理论指导。影响，操作条件选择提供了理论指导。(3)(3)选择最佳条件要考虑各种因素相互制约。如选择最佳条件要考虑各种因素相互制约。如流动流动相流速增大和选择分子量大的载气，降低分子扩散相流速增大和选择分子量大的载气

46、，降低分子扩散项的影响，但传质阻力项的影响增大；项的影响，但传质阻力项的影响增大；柱温升高，柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响。本节作业本节作业P60: 6、72-3 2-3 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择一、分离度一、分离度（resolution) (a)(a)两色谱峰距离近且峰形两色谱峰距离近且峰形宽，彼此严重相重叠，柱效宽，彼此严重相重叠，柱效和选择性都差；和选择性都差；(b)(b)虽能很好分离，但峰形虽能很好分离，但峰形很宽，表明选择性好，但柱很宽，表明选择性好，但柱效低；效低；(c)(c)分离情况最为理想，既分离情况最为理想，既有

47、良好的选择性，又有高的有良好的选择性，又有高的柱效。柱效。 分离度分离度(R)(R)的表达式：的表达式：R值越大，表明两组分的分离程度越高值越大，表明两组分的分离程度越高;R=1.0时，分离程度可达时，分离程度可达98;R10时，时，k/(k+1) 的改的改变不大，变不大，R增加不明显，分增加不明显，分析时间大为延长。析时间大为延长。 k值最佳值最佳范围范围1 k 10。=effn nn n- - 1 1k k- - 1 1R R = = ( () )( () )( () )( () )4 4k k+ + 1 14 4n: n: 柱效柱效 R n1/22111222()RnLRnL 例题例题2

48、：设有一对物质，其：设有一对物质，其r2,1 =1.15,要求在要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？少需要多长的色谱柱？解：要实现完全分离，解：要实现完全分离，R1.5,R1.5,故所需有效理论塔故所需有效理论塔板数为：板数为： 22n16()1R有有效效221.1516 1.5 ()1.15 12112L2112 0.1211.22.11effeffn Hcmm有有效效例题例题3：在一定条件下，如果：在一定条件下，如果n=3600，两个组分的保，两个组分的保留时间分别为留时间分别为12.2s和和12.8s，计算分离

49、度。要达到完全，计算分离度。要达到完全分离，即分离，即R=1.5，所需要的柱长。，所需要的柱长。解：解：分离度分离度：11224 12.240.813336004 12.840.85333600RbRbtYntYn2 (12.8 12.2)0.720.85330.8133R2222111.514.340.72RLLmR 例题例题4：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为别为85秒和秒和100秒，要达到完全分离，即秒，要达到完全分离，即R=1.5 。计。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，

50、柱长是多少？，柱长是多少？解解： = 100 / 85 = 1.18 n有效有效 = 16R2 / (-1)2 =161.52(1.18 / 0.18 ) 2 = 1547（块）（块） L有效有效 = n有效有效H有效有效 = 15470.1 = 155 cm 即柱长为即柱长为1.55米时，两组分可以得到完全分离。米时，两组分可以得到完全分离。2 22 2R RR R1 1/ /2 2t tt tn n = = 5 5. .5 54 4( () ) = =1 16 6( () )Y YY Y221/25.54()16( )RReffttnYYLHneffeffLHnBHACuu组分在柱内运行多

51、路径造成的组分在柱内运行多路径造成的涡流扩散涡流扩散、浓度梯度造成的、浓度梯度造成的分分子扩散子扩散及及传质阻力传质阻力使组分在两相间分配平衡不能瞬间达到等使组分在两相间分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展和柱效下降的主要原因。因素是造成色谱峰扩展和柱效下降的主要原因。22111121222()()()RRRRttttRYYYY=effn nn n- - 1 1k k- - 1 1R R = = ( () )( () )( () )( () )4 4k k+ + 1 14 4 R=1.5时，分离程度达到时，分离程度达到99.7，通常用，通常用R=1.5作为相邻两作为相邻两色谱峰完全分离的

52、指标色谱峰完全分离的指标。 流动相种类、流速流动相种类、流速；固定相粒度、均匀度、固定液膜厚度固定相粒度、均匀度、固定液膜厚度；柱柱温温等因素影响柱效及分离。等因素影响柱效及分离。三、色谱条件的选择三、色谱条件的选择BHACuu20dHBCduu . .载气流速的选择载气流速的选择载气流速较高时载气流速较高时：传质阻力项传质阻力项是影响柱效的主要因素，是影响柱效的主要因素，流速流速 ，柱效，柱效 。载气流速较低时载气流速较低时：分子扩散项分子扩散项是影响柱效的主要因素，是影响柱效的主要因素，流速流速 , 柱效柱效 ,分离时间长。分离时间长。BuC最佳最佳载气流速最佳载气流速：实际工作中，为了缩

53、短分析时间，常使流速稍高于最实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高于最佳流速。佳流速。 填充柱：载气流速为填充柱：载气流速为20100 mL/min；毛细管柱：流速为毛细管柱：流速为1-2mL/min。u当流速较小时当流速较小时：选择分子量较大的载气（：选择分子量较大的载气（N2、Ar)；当流速较大时当流速较大时：选择分子量较小的载气（：选择分子量较小的载气（H2、He)；同时还应考虑载气对不同检测器的适应性同时还应考虑载气对不同检测器的适应性。柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固固定液易流失）和最低

54、使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内；定液以固体形式存在）范围之内；柱温柱温，分离度，分离度，色谱峰变窄变高；，色谱峰变窄变高；柱温柱温，分离度，分离度，分析时间，分析时间；选择在选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度接近或略低于组分平均沸点时的温度；组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。2. 柱温的选择柱温的选择 3. 汽化温度的选择汽化温度的选择 在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对分离及定量有利。分离及定量有利。 4固定液的性质和用量固定液的性质和用量担体表面积越大，固定液用量越高担体表

55、面积越大，固定液用量越高，允许的进样量越允许的进样量越多多。为改善液相传质，液膜应薄一些，固定液液膜薄，。为改善液相传质，液膜应薄一些，固定液液膜薄，柱效提高，并可缩短分析时间。柱效提高，并可缩短分析时间。5固定担体的性质和粒度固定担体的性质和粒度 担体表面积要大，表面孔径分布要均匀；粒度要均匀、担体表面积要大，表面孔径分布要均匀；粒度要均匀、细小。细小。但粒度过小，柱压降增大，对操作不利。但粒度过小，柱压降增大，对操作不利。6固进样时间和进样量固进样时间和进样量 进样必须快，一般在一秒钟之内。进样必须快，一般在一秒钟之内。进样时间过长，会增进样时间过长，会增大峰宽，峰变形大峰宽，峰变形; ;

56、 进样量一般液体进样量一般液体0.1-5ul0.1-5ul，气体，气体 0.1-0.1-10ml10ml，进样太多，会使几个峰叠加，分离不好进样太多，会使几个峰叠加，分离不好 。本节作业本节作业P60-61: 20、21、22一、气一、气- -固色谱固定相固色谱固定相应用范围：分离分析永久性气体及烃类物质应用范围：分离分析永久性气体及烃类物质分离原理：分离原理：利用固体吸附剂对气体的吸附性能差别利用固体吸附剂对气体的吸附性能差别进行不同组分的分离进行不同组分的分离。固定相（吸附剂）种类：有非极性的活性炭，弱极固定相（吸附剂）种类：有非极性的活性炭，弱极性的氧化铝，极性的分子筛，氢键型硅胶等。性

57、的氧化铝，极性的分子筛，氢键型硅胶等。2-4 2-4 固定相及其选择固定相及其选择吸附剂吸附剂主要化学成分主要化学成分最高使用最高使用温度温度性质性质分离特征分离特征活性炭活性炭C300非极性非极性永久性气体、低沸点烃类永久性气体、低沸点烃类氧化铝氧化铝Al2O3400弱极性弱极性烃类及有机异构物烃类及有机异构物O2 N2 CO CH4 C2H6 C2H4 硅胶硅胶SiO2 xH2O400氢键型氢键型永久性气体及低级烃永久性气体及低级烃O2 N2 CO CH4 C2H6 C2H4 CO2 N2O NO NO2 分子筛分子筛x(MO) y(Al2O3) z(SiO2) nH2O400极极 性性特

58、别适宜分离永久气体特别适宜分离永久气体H2 O2 N2 CH4 CO He Ne Ar NO N2OGDX系系列列 高分子多孔微高分子多孔微球球非极性非极性弱极性弱极性极极 性性适用于水、气体及低级醇的适用于水、气体及低级醇的分析。分析。 1.二乙烯苯和苯乙烯等共聚物：二乙烯苯和苯乙烯等共聚物： 极性极性: :非极性非极性，颜色，颜色: :白色白色, ,透明或半透明，最高使用温透明或半透明，最高使用温度度: :270270 GDX-101: GDX-101:堆密度堆密度0.28g/mL,0.28g/mL,比表面比表面330m330m2 2/g,/g,分析烷烃分析烷烃, ,芳芳烃烃, ,卤代烷卤

59、代烷, ,醇醇, ,酮酮, ,醛醛, ,醚醚, ,酯酯, ,酸酸, ,胺胺, ,腈及各种气体腈及各种气体. .2.2.二乙烯苯二乙烯苯, ,三氯乙烯共聚物三氯乙烯共聚物 GDX-301:GDX-301:弱极性弱极性, ,白色白色, ,堆密度堆密度0.24g/mL,0.24g/mL,比表面比表面460m460m2 2/g,/g,最最高使用温度高使用温度:250,:250,分析乙炔分析乙炔/ /氯化氢氯化氢. .3.3.二乙烯苯含氮杂环单体共聚物二乙烯苯含氮杂环单体共聚物 极性极性: :中等极性中等极性- -较强极性较强极性；颜色；颜色: :白色白色, ,乳白色或淡黄色；乳白色或淡黄色；最高使用温

60、度最高使用温度:80-250:80-250 GDX-401: GDX-401:堆密度堆密度0.21g/mL,0.21g/mL,比表面比表面370m370m2 2/g,/g,最高使用温度最高使用温度250,250,分析乙炔分析乙炔/ /氯化氢氯化氢/ /水水, ,氨水氨水, ,甲醛水溶液甲醛水溶液. .4.4.含强极性基共聚单体含强极性基共聚单体 GDX-601:GDX-601:强极性强极性, ,黄色黄色, ,堆密度堆密度0.30g/mL,0.30g/mL,比表面比表面90m90m2 2/g,/g,最最高使用温度高使用温度200,200,分析环己烷分析环己烷/ /苯等苯等. .二、气液色谱固定相