第2章气相色谱分析

1、第2 章 气相色谱分析Gas Chromatography 色谱法：根据组分在两相中作用能力不同而达到色谱法：根据组分在两相中作用能力不同而达到分分离目的的。离目的的。 1903年年由俄国植物学家由俄国植物学家茨维特茨维特分离植物色素时采用分离植物色素时采用。 研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚自由流下，碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚自由流下，色素色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。1.1 色谱分离原理t s1941 Martin和Synge

2、提出液-液色谱理论；1952 James和Martin发展了气相色谱；1956 Van Deemter提出速率理论；1967 Kirkland等研制高效液相色谱法； 80年代以后年代以后出现毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱分析方法。 填入玻璃管或不锈钢管内静止不动填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）为的一相（固体或液体）为固定相固定相 ； 自上而下运动的一相（一般是气体自上而下运动的一相（一般是气体或液体）为或液体）为流动相流动相 ； 装有固定相的管子（玻璃管或不锈装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）为钢管）为色谱柱色谱柱 。1.1.1色谱分类方法： 按固定相外形分：柱

3、色谱柱色谱（填充柱、空心柱）、平板色平板色谱谱，。2. 按组份在固定相上的分离机理分：吸附色谱吸附色谱：不同组份在固定相的吸附作用不同；分配色谱：分配色谱：不同组份在固定相上的溶解能力不同；离子交换色谱：离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力不同；凝胶色谱凝胶色谱（尺寸排阻色谱）不同尺寸分子在固定相上的渗透作用。3. 3. 按两相状态分4. 4. 按照展开程序分类按照展开程序分类分为：分为：洗脱法洗脱法、顶替法顶替法、和迎头法和迎头法。 洗脱法也称冲洗法洗脱法也称冲洗法。 首先将样品加到色谱柱头上，首先将样品加到色谱柱头上，然后用吸附然后用吸附或溶解能力比试样组分弱得多的气体或

4、液或溶解能力比试样组分弱得多的气体或液体作冲洗剂体作冲洗剂。组分在固定相上的吸附或溶组分在固定相上的吸附或溶解能力不同，被冲洗剂带出的先后次序不解能力不同，被冲洗剂带出的先后次序不同，组分分离。同，组分分离。AB良好的分离，色谱峰清晰。可获得纯度良好的分离，色谱峰清晰。可获得纯度较高的物质较高的物质。最常用最常用的一种方法的一种方法.根据组分在两相间的浓度关系是否线性，分线性洗脱色谱线性洗脱色谱和非线性洗脱色谱非线性洗脱色谱CsCm123 顶替法顶替法 惰性流动相中加入对固定相的吸附或溶惰性流动相中加入对固定相的吸附或溶解能力比所有试样组分强的物质为顶替剂，解能力比所有试样组分强的物质为顶替剂

5、，通过色谱柱，将各组分按吸附或溶解能力通过色谱柱，将各组分按吸附或溶解能力的强弱顺序，依次顶替出固定相。的强弱顺序，依次顶替出固定相。 很明显，吸附或溶解能力最弱的组分最先很明显，吸附或溶解能力最弱的组分最先流出，最强的后流出。流出，最强的后流出。 适于制备纯物质或浓缩分离某一组分；适于制备纯物质或浓缩分离某一组分；其其缺点是经一次使用后，柱子就被样品缺点是经一次使用后，柱子就被样品或顶替剂饱和或顶替剂饱和，须换柱子。，须换柱子。AB 迎头法是将试样混合物连续通过色谱柱迎头法是将试样混合物连续通过色谱柱，吸附或溶解能力最弱的组分首先流出。流吸附或溶解能力最弱的组分首先流出。流出曲线如下图出曲线

6、如下图 该法在分离多组分混合物时，除第一组分外，该法在分离多组分混合物时，除第一组分外，其余均非纯态，仅其余均非纯态，仅适用适用于从有于从有微量杂质的混合物微量杂质的混合物中中分离分离一个高纯组分一个高纯组分（组分（组分A A），），不适用不适用于对于对混合物混合物。1.1.2 1.1.2 线性洗脱色谱及相关术语线性洗脱色谱及相关术语洗脱色谱分离原理洗脱色谱分离原理 在色谱法中，当样品在色谱法中，当样品加入后，样品中各组分随着加入后，样品中各组分随着流动相的不断向前而在两相流动相的不断向前而在两相间反复进行溶解、挥发，或间反复进行溶解、挥发，或吸附、解吸，如果各组分在吸附、解吸，如果各组分在固

7、定相中的分配系数不同，固定相中的分配系数不同，它们就有可能达到分离。它们就有可能达到分离。一、一、基线基线：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线，检测器时的流出曲线称为基线，S/NS/N大的、稳定的基线为大的、稳定的基线为水平直线。水平直线。二、二、峰高峰高：色谱峰顶点与基线的距离。：色谱峰顶点与基线的距离。三、三、保留值保留值(Retention value(Retention value）a.a.保留时间保留时间tR：进样到出现峰极大值时的时间。它包括组分：进样到出现峰极大值时的时间。它包括组分随流动相通过柱子的时间和组分

8、在固定相中滞留的时间随流动相通过柱子的时间和组分在固定相中滞留的时间。b.b.死时间死时间(Dead time, tM)：不与固定相作用的物质从进样到出不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。据相近。据t tM M可求出流动相平均流速可求出流动相平均流速MLt =uMLu=tc.c.调整保留时间调整保留时间t tR R：某组分的保留时间扣除死时间后的某组分的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组分在固

9、定相中的滞留时间。即保留时间，它是组分在固定相中的滞留时间。即t tR R = t= tR R t tm md.d.保留体积保留体积V VR R：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。时所通过的流动相的体积。Rc RV =F te.e.死体积死体积V VM M：f.f.调整保留体积：调整保留体积：g.g.相对保留值相对保留值g g2,12,1：组份：组份2 2的调整保留值与组份的调整保留值与组份1 1的调整保留的调整保留值之比。值之比。 注意：注意： 2,12,1只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长只与柱温和固定相性质有关，而与

10、柱内径、柱长L L、填充情况及流动相流速、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其是无关，因此，在色谱分析中，尤其是GCGC中广泛用于定性的依据！选一对最难分离的物中广泛用于定性的依据！选一对最难分离的物质，此时以质，此时以a a表示：表示： 选择因子选择因子2211RMRRMRtttttta121 , 2RRttgh.h.分配系数分配系数(K)(K)： 描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附- -脱附过程的参数，脱附过程的参数，称为分配系数。称为分配系数。 K K 只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。只与固定相和温

11、度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。i. i. 分配比分配比(k)(k)： 在一定温度和压力下，组分在两相间的分配达平衡时，分配在固定在一定温度和压力下，组分在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比相和流动相中的质量比( (或摩尔数比），称为分配比或摩尔数比），称为分配比, ,又称保留因子又称保留因子。其中其中VM 流动相体积，流动相体积，Vs为固定相体积为固定相体积 分配比分配比k k 的求算：的求算： 流动相线速为流动相线速为u,试样带线速度为试样带线速度为us, ,1knnnuummss而RstLu MtLu )1 (kttMRMRttk1MRMRMMRVVtttt

12、tk所以K K 与与k k 的关系的关系： b b称为相比，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，称为相比，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱， b b=0.02-0.5=0.02-0.5；对毛细管柱，；对毛细管柱， b b=0.002-0.02=0.002-0.02。选择因子选择因子：色谱柱对：色谱柱对A A、B B 两组分的选择因子两组分的选择因子定义如下：定义如下： A A 为先流出的组分，为先流出的组分，B B 为后流出的组分。为后流出的组分。, ( ) ( )RBBB ARAAtBkKtAkKga/sssmmmmscmVVKkkcmVVbmsVVba a和和k k是计算色谱

13、柱分离效能的重要参数：是计算色谱柱分离效能的重要参数：lK K 或或k k 反映的是某一组分在两相间的分配；而反映的是某一组分在两相间的分配；而a a是反是反映两组分间的分离情况映两组分间的分离情况l当两组分当两组分K K 或或k k相同时，相同时，a a=1=1 时，两组分不能分开；时，两组分不能分开；l当两组分当两组分K K 或或k k 相差越大时，相差越大时，a a越大，分离得越好。越大，分离得越好。l即两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先即两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。决条件。 四、区域宽度：用于衡量柱效及反映色谱操作条件下四、区域宽度：用于衡量柱效及反映

14、色谱操作条件下的动力学因素。通常有三种表示方法：的动力学因素。通常有三种表示方法： 标准偏差标准偏差：0.607 0.607 倍峰宽处的一半。倍峰宽处的一半。 半峰宽半峰宽Y1/2：峰高一半处的峰宽。：峰高一半处的峰宽。Y1/2=2.354 峰底宽峰底宽Y：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离( (Y= 4) )若标准偏差以时间为单位，若标准偏差以时间为单位， 用用t t 表示，表示， s s和和t t 的关系的关系: : 4tYt/RL tst (1) 色谱峰的个数，判断样品中所合组份的最色谱峰的个数，判断样品中所合组份的最少个数少个数 (2)

15、色谱峰的保留值进行定性分析色谱峰的保留值进行定性分析 (3) 色谱峰下的面积或峰高进行定量分析色谱峰下的面积或峰高进行定量分析 (4) 色谱峰的保留值及其区域宽度，评价色谱色谱峰的保留值及其区域宽度，评价色谱柱分离效能柱分离效能 (5) 色谱峰两峰间的距离，评价固定相色谱峰两峰间的距离，评价固定相(和流动和流动相相)选择是否合适。选择是否合适。 色谱分析的色谱分析的目的目的是将样品中是将样品中各组分彼此分离各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决

16、定的，即与色谱过程的热力学性质有关。即与色谱过程的热力学性质有关。 但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。力学两方面来研究色谱行为。 一、塔板理论一、塔板理论 19521952年，年，MartinMartin等人提出等人提出的塔板理论将一根色谱柱当作的塔板理论将一

17、根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中的分配行为。塔板是从精馏中借用，一种半经验理论，成功借用，一种半经验理论，成功地解释了色谱流出曲线呈正态地解释了色谱流出曲线呈正态分布。分布。1.1.3 色谱法基本理论前提：前提：1、两组分的分配系数必须有差异、两组分的分配系数必须有差异2、区域扩展速率小于区域分离速率、区域扩展速率小于区域分离速率塔板理论假定：塔板理论假定：1 1）塔板之间不连续；）塔板之间不连续；2 2）塔板之间无分子扩散；）塔板之间无分子扩散；3 3）组分在各塔板内两相间的分配

18、瞬间达至平衡，达）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度一次平衡所需柱长为理论塔板高度H H；4 4）某组分在所有塔板上的分配系数）某组分在所有塔板上的分配系数K K 相同；相同；5 5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。体积加入。 每一块塔板上，溶质在两相间很快达到每一块塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为板的方式向前移动。对于一根长为L L的色谱的色谱柱，溶质平衡的次数应为：柱，溶质平衡的次数应为： n

19、 = L / H n n称为理论塔板数称为理论塔板数。与精馏塔一样，与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数色谱柱的柱效随理论塔板数n n的增加而增加，的增加而增加，随板高随板高H H的增大而减小。的增大而减小。 开始时，若有单位质量，即开始时，若有单位质量，即m=1m=1（例例1 1mgmg或或1 1gg）的该组分加到第的该组分加到第0 0号塔板上，分号塔板上，分配平衡后，由于配平衡后，由于k=1k=1，即即n ns s=n=nm m故故n nm m=n=ns s=0.5=0.5。当当一个板体积（一个板体积（lVlV）的载气的载气以脉动形式进以脉动形式进入入0 0号板时，就将气相中含有号板时，

20、就将气相中含有n nm m部分组分的部分组分的载气顶到载气顶到1 1号板上，此时号板上，此时0 0号板液相（或固相）号板液相（或固相）中中n ns s部分组分及部分组分及1 1号板气相中的号板气相中的n nm m部分组分，部分组分，将各自在两相间重新分配。将各自在两相间重新分配。故故0 0号板上所含号板上所含组分总量为组分总量为0 0. .5 5，其中气液（或气固）两相其中气液（或气固）两相各为各为0 025,25,而而1 1号号板上所含总量同样为板上所含总量同样为0 05 5气液（或气固）气液（或气固）相亦各为相亦各为0 02525。以后每当一个新的板体积。以后每当一个新的板体积载气以脉动式

21、进入色谱柱时，上述过程就载气以脉动式进入色谱柱时，上述过程就重复一次。重复一次。色谱流出曲线的数学描述当塔板数色谱流出曲线的数学描述当塔板数n n 较少时，组分较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；但不对称；当塔板数当塔板数n50 n50 时，峰形接近正态分布。时，峰形接近正态分布。色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：间的关系为： 由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数：由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数： 理论塔板数由组分保留值和峰宽

22、决定。若柱长为理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。若柱长为L L，则每块理论塔板高度，则每块理论塔板高度H H 为为 理论塔板数理论塔板数n n 越多或理论塔板高度越多或理论塔板高度H H 越小、色谱峰越窄，则柱效越高。越小、色谱峰越窄，则柱效越高。 LHn222/1)(16)(54. 5YtYtnRR以有效塔板数以有效塔板数n neffeff 和有效塔板高度和有效塔板高度H Heff eff 表示：表示：221 / 25 . 5 4 ()1 6 ()RRe f fe f fe f fttnWWLHn222/1)(16)(54. 5YtYtnRReff1、得到了描述色谱流出曲线的方程，通得到了描

23、述色谱流出曲线的方程，通过该方程可以预测具有不同分配系数过该方程可以预测具有不同分配系数K的两种物质在塔板数为的两种物质在塔板数为n的色谱柱上分离的色谱柱上分离的情况；的情况；小结小结2、通过这一方程看出影响柱效率的因素通过这一方程看出影响柱效率的因素是理论板数是理论板数n，其值越大，色谱峰越窄，其值越大，色谱峰越窄，分离效果越好；分离效果越好；3、既然色谱分离的依据是组分在两相既然色谱分离的依据是组分在两相中的分配能力差异，因此，两相不限于中的分配能力差异，因此，两相不限于液液-固相，对气体成分而言，亦可是气固相，对气体成分而言，亦可是气-固项或气固项或气-液相。液相。 塔板理论是一种半经验

24、性理论。塔板理论是一种半经验性理论。它用热它用热力学的观点力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中移动定量说明了溶质在色谱柱中移动的速率，解释了流出曲线的形状，并提出了的速率，解释了流出曲线的形状，并提出了计算和评价柱效高低的参数。计算和评价柱效高低的参数。 但是但是，色谱过程不仅受热力学因素的影色谱过程不仅受热力学因素的影响，响，而且还与分子的扩散、传质等动力学因而且还与分子的扩散、传质等动力学因素有关，素有关，因此塔板理论只能定性地给出板高因此塔板理论只能定性地给出板高的概念，却不能解释板高受哪些因素影响；的概念，却不能解释板高受哪些因素影响；也不能说明为什么在不同的流速下，可以测也不能说明为什

25、么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用。二、速率理论二、速率理论van Deemtervan Deemter方程：方程：u u 为流动相线速度；为流动相线速度；A A，B B，C C为常数，为常数，A A涡流扩散系数；涡流扩散系数；B B分子扩散系数；分子扩散系数；C C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）系数） 1 1）涡流扩散项）涡流扩散项(A(A涡流扩散涡流扩散.swf.swf 展宽程度以展宽程度以A A表示：表示： 其中其中d dp p填充物平均直径；填充物平均直径；填充不规则因子。

26、填充不规则因子。 可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小A A，提高柱，提高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A = 0A = 0。2 2）分子扩散项(B/u)(B/u)浓度梯度而向前后自发地扩散，浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为使谱峰展宽。其大小为称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；子扩散的阻碍情况；D D组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以时，分别以D Dg g或或D Dm

27、m表示表示；分子扩散分子扩散.swf.swf D Dg g与流动相及组分性质有关：与流动相及组分性质有关： ( (a)a) 相对分子质量大的组分相对分子质量大的组分D Dg g小，小，D Dg g反比反比于流动相相对分子质量的平方根，所以于流动相相对分子质量的平方根，所以采采用相对分子质量较大的流动相，可使用相对分子质量较大的流动相，可使B B项项降低降低； ( (b)b) D Dg g随柱温增高而增加，但反比于柱压。随柱温增高而增加，但反比于柱压。 另外纵向扩散与另外纵向扩散与组分在色谱柱内组分在色谱柱内停留时间有关停留时间有关，流动相流速小，组，流动相流速小，组分停留时间长，纵向扩散就大。

28、因分停留时间长，纵向扩散就大。因此为降低纵向扩散影响，要加大流此为降低纵向扩散影响，要加大流动相速度。动相速度。对于液相色谱，组分在对于液相色谱，组分在流动相中纵向扩散可以忽略流动相中纵向扩散可以忽略。3 3）传质阻力项）传质阻力项(C(Cu u ） 因传质阻力的存在，使分配不能因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间瞬间”达至平衡，因达至平衡，因此产生峰形展宽。此产生峰形展宽。 a a）气液色谱：传质阻力项）气液色谱：传质阻力项C C包括气相传质阻力系数包括气相传质阻力系数C Cg g和液和液相传质阻力系数相传质阻力系数C Cl l。气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的气相传质过程是指

29、试样组分从气相移动到固定相表面的过程过程。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。有的分子还来不及进入两相界面，就即进行浓度分配。有的分子还来不及进入两相界面，就被气相带走；有的则进入两相界面又来不及返回气相。被气相带走；有的则进入两相界面又来不及返回气相。这样使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，引这样使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，引起滞后现象，从而使色谱峰变宽。起滞后现象，从而使色谱峰变宽。将上面式总结，即可得将上面式总结，即可得气液色谱速率气液色谱速率板高方程板高方程 这一方程对选择色谱分离条件具有实这一方程对

30、选择色谱分离条件具有实际指导意义，际指导意义，它指出了色谱柱填充的均匀它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种类及程度，填料颗粒的大小，流动相的种类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响。 uDkkdDdkkuDdHlfrpgp)1 (32)1 (01. 02222222gb b）液液色谱：传质阻力项）液液色谱：传质阻力项C C包括流动相传质阻力系数包括流动相传质阻力系数CmCm和和固定相传质阻力系数固定相传质阻力系数CsCs。式中右边第一项为流动的流动相中的传质阻力。当流动相流过色谱柱内的填充物式中右边第一项为流动的流动相中的传质阻力。当流

31、动相流过色谱柱内的填充物时，靠近填充物颗粒的流动相流速比在流路中间的稍慢一些，故柱内流动相的流时，靠近填充物颗粒的流动相流速比在流路中间的稍慢一些，故柱内流动相的流速是不均匀。速是不均匀。m是由柱和填充的性质决定的因子；是由柱和填充的性质决定的因子；sm是一常数，它与颗粒微孔中被流动相所占据部分的分数及容量因子有关。是一常数，它与颗粒微孔中被流动相所占据部分的分数及容量因子有关。 液液色谱中固定相传质阻力液液色谱中固定相传质阻力系数（系数（CsCs）可用下式表示：可用下式表示： sfssDdC2 该式与气液色谱速率方程的形该式与气液色谱速率方程的形式基本一致，式基本一致，主要区别在液液色谱主要

32、区别在液液色谱中纵向扩散项可忽略不计，影响柱中纵向扩散项可忽略不计，影响柱效的主要因素是传质阻力项效的主要因素是传质阻力项。 液液色谱的液液色谱的Van Deemter方程式方程式： uDdDdDduDdHsfsmpsmmpmmp)(22222g4 4）流速）流速u u 由由van Deemtervan Deemter方程方程H = A + B/u + CH = A + B/u + Cu u 知道：知道： 以以u u对对H H作图，可得作图，可得H-uH-u曲线曲线5) 固定相粒度大小对板高的影响固定相粒度大小对板高的影响 粒度越细，板高越小，并且受线速粒度越细，板高越小，并且受线速度影响亦小

33、。度影响亦小。 这就是为什么在这就是为什么在HPLC中采用细颗粒中采用细颗粒作固定相的根据。当然，固定相颗粒愈作固定相的根据。当然，固定相颗粒愈细，柱流速愈慢。只有采取高压技术，细，柱流速愈慢。只有采取高压技术，流动相流速才能符合实验要求。流动相流速才能符合实验要求。 固定相粒度大小对板高的影响固定相粒度大小对板高的影响 1.1.4 1.1.4 分离度及色谱分离方程分离度及色谱分离方程一、分离度一、分离度(Resolution, R)(Resolution, R) 同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：分

34、离效能指标或分辨率。其定义为： R R 越大，相邻组分分离越好。当越大，相邻组分分离越好。当R = 1.5 R = 1.5 时，分离程度可达时，分离程度可达99.7%99.7%，因此因此R = 1.5R = 1.5 通常用作是否分开的判据。通常用作是否分开的判据。21)()()()(ABARBRYYttR二、色谱分离方程二、色谱分离方程 对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数K K 相差小，相差小，可合理假设可合理假设k k1 1k k2 2=k=k，Y Y1 1 YY2 2=Y=Y。因此可导出。因此可导出R R与与n n、a a和和k k的关系：的关

35、系：1()()41nkRkaa1()4effnRaa分离度与柱效的关系分离度与柱效的关系 具有一定相对保留值具有一定相对保留值的物质对，分离度直的物质对，分离度直接和有效塔板数有关，有效塔板数正确地接和有效塔板数有关，有效塔板数正确地代表柱效能。分离度与理论塔板数的关系代表柱效能。分离度与理论塔板数的关系还受热力学性质的影响。当固定相确定，还受热力学性质的影响。当固定相确定，被分离物质对的被分离物质对的确定后，分离度取决于确定后，分离度取决于n。这时，对于一定理论板高的柱子，分离度这时，对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即的平方与柱长成正比，即2121221)(LLnnRR 说

36、明用柱长的色谱柱可以提高分说明用柱长的色谱柱可以提高分离度，但延长了分析时间。因此，提离度，但延长了分析时间。因此，提高分离度的好方法是制备出一根性能高分离度的好方法是制备出一根性能优良的柱子，通过降低板高，以提高优良的柱子，通过降低板高，以提高分离度。分离度。分离度与容量因子的关系分离度与容量因子的关系如果设如果设， Q =（ n / 4 ） （ - 1 / ）那么：那么： R = Q （k / 1+ k）当当k10时，随容量因子增大，分时，随容量因子增大，分离度的增长是微乎其微的。一般离度的增长是微乎其微的。一般取取k为为2-10最宜。最宜。 对于对于GC，通过提高温度，可通过提高温度，可

37、选择合适的选择合适的k值，以改进分离度。值，以改进分离度。 而对于而对于LC，只要改变流动相只要改变流动相的组成，就能有效地控制的组成，就能有效地控制k值。值。它对它对LC的分离能起到立竿见影的的分离能起到立竿见影的效果。效果。 分离度分离度R R与选择因子与选择因子的关系的关系越大，柱选择性越好，对分离有利。的微小变化可引起R R 较大改变。 如，当从1.01 1.01 增加至1.101.10( (增加9%9%) )时，R R 则增加9 9 倍( (但1.5, R 1.5, R 增加不大) ) 。改变改变的方法有：的方法有：降低柱温、改变流动相降低柱温、改变流动相及固定相的性质和组成。及固定

38、相的性质和组成。分离度分离度R R 分配比分配比k k 的关系的关系 k 增加，分离度增加，分离度R 增加，但当增加，但当k10，则，则R的增加的增加不明显。通常不明显。通常k在在2-10之间。之间。 改变改变k 的方法有：适当增加柱温的方法有：适当增加柱温(GC)、改变、改变流动相性质和组成流动相性质和组成(LC)以及固定相含量以及固定相含量基本色谱分离方程式的应用基本色谱分离方程式的应用 柱效、选择因子、分离度三者其中两个指标，柱效、选择因子、分离度三者其中两个指标，可计算出第三个指标。可计算出第三个指标。)1)(1(4kknRaa)1(4aaeffnR例例1 1 已知物质已知物质A A和

39、和B B的分配系数的分配系数K K分别为分别为6.506.50和和6.316.31，已，已知相比为知相比为0.4220.422。试计算：。试计算：（1 1）两物质的分配比）两物质的分配比; ;（2 2）选择性系数；）选择性系数；（3 3）欲得到分离度为）欲得到分离度为1.51.5时需多少塔板数？时需多少塔板数？（4 4）若柱长为）若柱长为806cm806cm，流动相的流速为，流动相的流速为7.10cm.s7.10cm.s-1-1，则需多长时间可冲洗出各物质？则需多长时间可冲洗出各物质？例例2 2 在在3.0m3.0m色谱柱上，空气、组分色谱柱上，空气、组分X X和组分和组分Y Y的保留时间分别

40、的保留时间分别为为1.01.0、14.014.0、17.0min17.0min，Y Y的峰宽为的峰宽为1.0min1.0min，计算，计算X X和和Y Y完全完全分离时，柱长最短为多少？分离时，柱长最短为多少？ 例例3 3 用一色谱柱分离乙酸甲酯，丙酸甲酯和正丁酸甲酯。用一色谱柱分离乙酸甲酯，丙酸甲酯和正丁酸甲酯。它们的峰面积分别为它们的峰面积分别为18.118.1，43.643.6和和29.929.9，如其相对校正因子，如其相对校正因子分别为分别为0.600.60，0.780.78，0.880.88。试计算各组分的质量分数。试计算各组分的质量分数。1.2 气相色谱法Gas Chromatog

41、raphy, GC 一般只要在一般只要在450C以下有以下有1.5kPa-10 kPa的蒸气压且热稳的蒸气压且热稳定性能好的有机和无机化合物都可用气相色谱法分离定性能好的有机和无机化合物都可用气相色谱法分离1.2.1 气相色谱仪一、气相色谱仪的工作过程一、气相色谱仪的工作过程1-1-载气钢瓶；载气钢瓶；2-2-减压阀；减压阀；3-3-净化干燥管；净化干燥管；4-4-针形阀；针形阀；5-5-流量计流量计;6-;6-压力表；压力表；4-4-针形阀；针形阀；5-5-流量计流量计;6-;6-压压力表；力表；7-7-进样阀进样阀;8-;8-分离分离柱柱;9-;9-热导检测器；热导检测器；10-10-放放

42、大器；大器；11-11-温度控制器；温度控制器；12-12-记录仪记录仪. .载气系统载气系统进样系统进样系统色谱柱色谱柱检测系统检测系统温控系统温控系统二、气相色谱仪 （一）气路结构（二）进样系统（二）进样系统 液体液体样品常以样品常以微量注射器微量注射器( (穿过隔膜穿过隔膜垫垫) )进样，进样， 进样要求进样要求：进样量或体积适宜；：进样量或体积适宜；“塞子塞子”式进样。一般柱分离进样式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至体积在十分之几至20 L，对毛细管，对毛细管柱分离，体积约为柱分离，体积约为12L，此时应，此时应采用分流进样装置来实现。体积过采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过

43、慢，将导致分离变差大或进样过慢，将导致分离变差( (拖拖尾尾) )。（1）进样器 气体试样用试样用六通阀进样。（2 2）气化室）气化室作用：使试样迅速转变为气体。作用：使试样迅速转变为气体。要求：要求： 热容量大热容量大 无催化作用无催化作用 死体积应尽可能小死体积应尽可能小（三）分离系统（三）分离系统 分离柱包括填充柱和开管柱分离柱包括填充柱和开管柱( (或称毛细管柱或称毛细管柱) )。柱材。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、料包括金属、玻璃、融熔石英、TeflonTeflon等。等。 填充柱填充柱：多为：多为U U形或螺旋形，内径形或螺旋形，内径24 mm24 mm，长，长13 m13 m，

44、内填固定相；，内填固定相； 开管柱开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径内径0.10.5 mm0.10.5 mm，长达几十至，长达几十至100 m100 m。通常弯成直径。通常弯成直径1030 1030 cmcm的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质快，因而分离效率高的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质快，因而分离效率高( (n n可达可达10106 6) )、分析速度快、样品用量小。、分析速度快、样品用量小。 （四）温控系统（四）温控系统 设定、控制、测量色谱柱炉、气化室、检测室三处温设定、控制、测量色谱柱炉、气化室、检测室三处温度度 气化室温度应使试样瞬间气化

45、但又不分解；气化室温度应使试样瞬间气化但又不分解； 检测器除氢火焰外都对温度敏感；检测器除氢火焰外都对温度敏感； 柱温的变化影响柱的选择性和柱效，因此柱室的温度柱温的变化影响柱的选择性和柱效，因此柱室的温度控制要求精确，温控范围根据需要可以恒温，也可以控制要求精确，温控范围根据需要可以恒温，也可以程序升温。程序升温。（五）检测器（五）检测器 1.1.检测器的分类检测器的分类 根据检测器的响应原理：浓度型和质量型检测器。根据检测器的响应原理：浓度型和质量型检测器。 浓度型浓度型：检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即：检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与浓度成正比。响应值与浓度成正比。 质

46、量型质量型：检测的是载气中组分进入检测器中速度变：检测的是载气中组分进入检测器中速度变化，即响应值与单位时间进入检测器的量成正比。化，即响应值与单位时间进入检测器的量成正比。2. 检测器的性能指标检测器的性能指标 灵敏度灵敏度(S)：输入单位被测组分时所引起的输出信：输入单位被测组分时所引起的输出信 号。号。mRS对于浓度型检测器R-相应的信号；m单位时被测组分改变A峰面积(cm2)，Fo检测器入口流速(mL/min); m进样量(mg)，S灵敏度(mVmL/mg)。mAFS0 对于质量型检测器 ？St灵敏度(mV s/g),m进入检测器的样品量(g), mASt 检测限(D)：产生产生3倍噪

47、音倍噪音(3 RN)的信号时，的信号时，单位时间进入检测器的质量（对质量型检测器）或单位时间进入检测器的质量（对质量型检测器）或单位体积载气中所含的试样量的质量或体积单位体积载气中所含的试样量的质量或体积(对浓对浓度型检测器度型检测器)。SRDN3理想色谱检测器特点噪音低噪音低死体积小死体积小响应快响应快线性范围宽线性范围宽对各类物质均有响应对各类物质均有响应检测原理：检测原理：构造如图构造如图, 平衡电桥平衡电桥钨丝通钨丝通电，加热与散热达到平衡后，电，加热与散热达到平衡后，进样前两臂电阻值：进样前两臂电阻值： R R参参=R=R测测; R; R1 1=R=R2 2则：则：R R参参R R2

48、 2= =R R测测R R1 1 无电压信号输出；无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）记录仪走直线（基线）(1)(1)热导池检测器热导池检测器（thermal conductivity detector,TCD）3.几种典型的检测器热导检测.swf进样后: 载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 则： R参R2R测R1 这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。检测器的结构 池体：（一般用不锈钢制成） 热敏元件：电

49、阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。 参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。影响热导检测器灵敏度的因素(a) 桥路电流I ： I ，钨丝的温度 ，检测器的响应值S I3，但太高稳定性下降，基线不稳，还可能造成钨丝烧坏。(b) 池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。(c) 载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电

50、流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。表 某些气体与蒸气的热导系数（），单位：J / cms(2) 氢火焰离子化检测器(flame ionization detector,FID）,简称氢焰检测器。 特点 (1) 典型的质量型检测器； (2) 对有机化合物具有很高的灵敏度； (3) 无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物 质灵敏度低或不响应； (4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高 、响应迅速等特点； (5) 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下 限可达10-12gg-1。检测器的结构在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300 V）构成一个外加电场。氢焰检测

51、器需要用到三种气体： N2 ：载气携带试样组分； H2 ：为燃气； 空气：助燃气。 检测原理 当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ： CnHm CH产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应： CH + O CHO+ + e生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应： CHO+ + H2O H3O+ + COA区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区： 温度最高D层：反应区操作条件的选择 各种气体流速和配比的选择 N2流速的选择主要考虑分离效能， N2 : H2 = 1 : 11 : 1.5 氢气 : 空

52、气=1 : 10。极化电压 正常极化电压选择在100300 V范围内。（3）电子捕获检测器(electron-capture detector, ECD) 高选择性检测器， 仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵 敏度，检测下限10-14 g /mL， 对大多数烃类没有响应。 较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。2222NNABABEABNNABee(4)火焰光度检测器(flame photometric detector,FPD) 氮、磷检测器，对含磷、氮的有机化合物有响应。 硫、磷检测器 对含磷、硫的有机化合物有响应化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出3

53、50-430（S）、480-600（P） nm 的特征光，可被检测。1.2.2 气相色谱固定相及其选择 一、固定液（1）对固定液的要求 热稳定性好、蒸汽压低流失少； 化学稳定性好不与其它物质反应； 粘度和凝固点要低能在载体表面均匀分布 对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数K 适当）； 对各组分具有良好的选择性 （二）色谱柱的选择性根据理想气体方程和亨利定律可得： p0 纯组分的饱和蒸气压，g 活度系数分压与沸点有关，活度系数与组分和固定相相互作用有关与固定相相互作用大，出峰迟，作用小，出峰早02110122KpKpgag（三）固定液的分类（1）按固定液的极性分类规定强极性的固定液,-氧二丙腈

54、的极性为氧二丙腈的极性为100，非极性的固定液角角鲨烷的极性为鲨烷的极性为0。然后选择一对物质，分别在,-氧二丙腈、角鲨烷及欲测极性固定液的色谱柱上的相对保留值，取对数后得到q。按下式被测固定液的相对极性px（2）按固定液结构分类式中下标1、2、x分别表示氧二丙腈、角鲨烷及被测固定相。 (lg (RRtqt丁二烯）正丁烷）常用固定液的相对极性数据见表 罗氏常数罗氏常数 以5种代表不同作用力的化合物为探针，以非极性角鲨烷为基准表征不同固定液的分离性质。 苯（电子给予体） 乙醇（质子给予体） 甲乙酮（偶极定向力） 硝基甲烷（电子接受体） 吡啶（质子接受体） 固定液的其它特征常数： 麦氏常数 以10

55、种物质表征，但多用5种。 I 为总极性，其平均值为平均极性。l 某一个单项越大，表明该固定液与特定探针的作用越强l 总极性（平均极性越大）， 该固定液极性越强吡啶角鲨烷吡啶硝基丙烷角鲨烷硝基丙烷戊酮角鲨烷戊酮丁醇角鲨烷丁醇苯角鲨烷IISIIUIIZIIYIIX待测待测-2-2待测待测苯待测Rohrschneider-McReynolds constants保留指数 又称柯瓦指数()，是一种重现性较好的定性参数。测定方法： 将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100（如正己烷的保留指数为600）。 其它物质的保留指数（IX）是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z1个碳

56、原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示：保留指数计算方法)lglglglg()()()()()()()(ZttttItttZRZRZRXRXZRXRZR11100（四）固定液的选择 原则：相似相溶。非极性试样一般选用非极性固定液-色散力中等极性的试样应首选中等极性固定液-诱导力、色散力 强极性试样选用强极性固定液-静电引力 具有酸性或碱性的极性试样，应选用带有酸性或碱性基团的高分子多孔微球可形成氢键的试样，应选用氢键型固定液对于组分复杂的试样，先用最常见的固定液进行试验二、载体 载体应具有的特点多孔性化学惰性热稳定性好有一定的机械强大（一）载体种类及性能 硅藻土 红色担体，表面积大吸附性强，适合非极性化合物, 白色单体，表面积小，适合极性化合物 非硅藻土 （二）硅藻土载体的预处理（三）固体吸附剂 活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛 四、合成固定相 高分子多孔微球 键合固定相 高分子多孔微球可分为两类： 非极性：苯乙烯+ +二乙烯苯共聚：GDX-1GDX-1和2 2型（国产）；ChromosorbChromosorb系列（国外）； 极性：苯乙烯+ +二乙烯苯共聚物中引入极性基团：GDX-3GDX-3和4 4型（国产）；PorapakNPorapakN等（国外）。