GC分析法学习课程

1、1一、一、 色谱法的特点、分类和作用色谱法的特点、分类和作用1 1、概述、概述 色谱原型装置：俄国植物学家茨维特在色谱原型装置：俄国植物学家茨维特在19061906年使年使用的装置用的装置 色谱法是一种分离技术色谱法是一种分离技术其中的一相固定不动，称为其中的一相固定不动，称为固定相固定相； 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为（气体或液体），称为流动相流动相。 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程第一节第一

2、节 概述概述 第1页/共118页第一页，编辑于星期五：二十点 四十五分。2 当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在。由于混合物中各组分在性质和结构性质和结构上的差异，与固定相之间产生上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过过反复多次的分配反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相平衡，使得各组分被固定相保留的时间保留的时间不同，从不同，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。

3、 与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。与检测。 这种借组分在两相间分配不同而使混合物中各组分分离这种借组分在两相间分配不同而使混合物中各组分分离的技术称为色谱法。的技术称为色谱法。两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础第2页/共118页第二页，编辑于星期五：二十点 四十五分。32 2、色谱法分类、色谱法分类 a a 气相色谱气相色谱： 流动相为气体（称为载气）。流动相为气体（称为载气）。 按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱； 按固

4、定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱（1 1）按照流动相的状态不同分为）按照流动相的状态不同分为第3页/共118页第三页，编辑于星期五：二十点 四十五分。4b b 液相色谱液相色谱： 流动相为液体（也称为淋洗液）。流动相为液体（也称为淋洗液）。 按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。 c c 超临界流体色谱超临界流体色谱： 流动相超临界流体流动相超临界流体第4页/共118页第四页，编辑于星期五：二十点 四十五分。5（2 2）按固定相的使用形式分按固定相的使用形式分 柱色谱法柱色谱法 纸色谱法纸色谱法 薄层色谱法薄

5、层色谱法（3 3）按分离过程的机制分按分离过程的机制分v 吸附色谱法吸附色谱法 v 分配色谱法分配色谱法 v 离子交换色谱法离子交换色谱法v 排阻色谱法排阻色谱法 第5页/共118页第五页，编辑于星期五：二十点 四十五分。6色谱法简单分类色谱法简单分类第6页/共118页第六页，编辑于星期五：二十点 四十五分。73 3、色谱法的特点（1 1）分离选择性高、效率高）分离选择性高、效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2 2） 灵敏度高灵敏度高 可以检测出可以检测出gg g g-1-1(10(10-6-6) )级甚至级甚至ngng g g-

6、1-1(10(10-9-9) )级的物质量。级的物质量。（3 3）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个试样的分析。一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4 4） 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的各种有机或无机试样的分析。的各种有机或无机试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。 不足之处：不足之处： 被分离组分的定性较为困难。被分离组分的定性较为困难。“三高三高”、“一快一快”、“一广一广”第7页/共118页第七页，编辑于星期五：二十点 四十五分。8第

7、8页/共118页第八页，编辑于星期五：二十点 四十五分。9二、气相色谱结构流程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-针形针形阀；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-压力表；压力表；7-7-进样器；进样器；8-8-色色谱柱；谱柱；9-9-热导检测器；热导检测器；10-10-放大器；放大器；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记录系统记录系统第9页/共118页第九页，编辑

8、于星期五：二十点 四十五分。10结构流程结构流程第10页/共118页第十页，编辑于星期五：二十点 四十五分。11三、气相色谱仪主要部件1 1、 载气系统载气系统 包括气源、净化干燥管和载包括气源、净化干燥管和载气流速控制；气流速控制；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。第11页/共118页第十一页，编辑于星期五

9、：二十点 四十五分。122、 进样装置进样装置 进样装置：进样器进样装置：进样器+气化室；气化室； 气体进样器（六通阀）：气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。推拉式和旋转式两种。 试样首试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱；入分离柱；第12页/共118页第十二页，编辑于星期五：二十点 四十五分。13 液体进样器： 不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自动液体进样器，；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、

10、换样等过程自动完成，一次可放清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。置数十个试样。 气化室气化室：将液体试样瞬间气化将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。的装置。无催化作用。微量注射器微量注射器第13页/共118页第十三页，编辑于星期五：二十点 四十五分。143 3、 色谱柱（分离柱）色谱柱（分离柱）液液-固色谱：固体吸附剂固色谱：固体吸附剂液液-液色谱：担体液色谱：担体+固定液固定液 填充柱填充柱毛细管柱毛细管柱 作用：作用：将混合物中各组分在一定色谱条件下将混合物中各组分在一定色谱条件下实现分离，是色谱仪的核心部件。实现分离，是色谱仪的核心部件。柱材质：柱材质：不

11、锈钢管或玻璃管，内径不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。毫米。长度可根据需要确定。长度可根据需要确定。柱填料：柱填料：粒度为粒度为60-80或或80-100目的色目的色谱固定相。谱固定相。柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将柱堵死；反之空隙柱前压力大，流速慢或将柱堵死；反之空隙体积大，柱效低。体积大，柱效低。 第14页/共118页第十四页，编辑于星期五：二十点 四十五分。154 4、 检测系统检测系统 色谱仪的眼睛，色谱仪的眼睛， 通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成； 被色谱柱分离后

12、的组分依次进入检测器，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按其浓度或质量随时间的变化，间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；图； 浓度型浓度型检测信号值与组分的浓度成正比检测信号值与组分的浓度成正比；质量型质量型检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比；检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比； 广普型广普型对所有物质均有响应；对所有物质均有响应； 专属型专属型对特定物质有高灵敏响应；对特定物质有高灵敏响应； 常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化

13、检测器；第15页/共118页第十五页，编辑于星期五：二十点 四十五分。165 5、温度控制系统、温度控制系统 温度是色谱分离条件的重要选择参数；温度是色谱分离条件的重要选择参数； 气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；度； 气化室：保证液体试样瞬间气化；气化室：保证液体试样瞬间气化； 检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝； 分离室：准确控制分分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需要按杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度变化，一定程序

14、控制温度变化，各组分在最佳温度下分离；各组分在最佳温度下分离；第16页/共118页第十六页，编辑于星期五：二十点 四十五分。17第二节第二节 色谱流出曲线与常用术语色谱流出曲线与常用术语1、基线（、基线（baseline) 无试样通过检测器时，无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。检测到的信号即为基线。（1）保留时间（）保留时间（tR）：）：组分从进样到柱后出现浓度组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；极大值时所需的时间；死时间（死时间（tM）：）：不与固定相作用的气体（如空气）从进样开始到柱后出现浓度不与固定相作用的气体（如空气）从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间；最大值时

15、所需的时间；2、保留值、保留值(retention value)死时间正比于色谱柱的空隙体积死时间正比于色谱柱的空隙体积第17页/共118页第十七页，编辑于星期五：二十点 四十五分。18 保留时间保留时间是色谱法是色谱法定性定性的基本依据，但同一组份的保留时间常受的基本依据，但同一组份的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积保留体积等参数进等参数进行定性检定行定性检定（2）保留体积）保留体积(retention volume) 保留体积（保留体积（VR）：）：从进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时从进样开始到柱后被测组分出现浓度最

16、大值时所通过的载气体积。所通过的载气体积。 VR = tRF0 F0为柱出口处的载气流量，单位：为柱出口处的载气流量，单位：m L / min。 VR与载气流速无关。与载气流速无关。调整保留时间调整保留时间(adjusted retention time)（tR ）：）：MRRttt第18页/共118页第十八页，编辑于星期五：二十点 四十五分。19死体积（死体积（VM）：）： 色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间总和。谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间总和。 当后两项很小而可忽略不计时

17、，死体积可由死时间与流当后两项很小而可忽略不计时，死体积可由死时间与流动相体积流速动相体积流速F0（Lmin）计算：）计算：VM = tM F0调整保留体积（调整保留体积（VR/）（）（adjusted retention volume）：）：指扣除死体指扣除死体积后的保留体积。积后的保留体积。0RRRMVt FVV第19页/共118页第十九页，编辑于星期五：二十点 四十五分。203、相对保留值、相对保留值r21（relative retention value） 指组分指组分2与组分与组分1的的调整保留值调整保留值之比：之比： 相对保留值只与相对保留值只与柱温柱温和和固定相固定相性质有关，与

18、其他色谱操作条性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。r21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()2(21RRttr)1()2(RRVV4、区域宽度（peak width）用来衡量色谱峰宽度的参数用来衡量色谱峰宽度的参数第20页/共118页第二十页，编辑于星期五：二十点 四十五分。21（1）标准偏差）标准偏差( )： 即即0.607倍峰高处色谱峰宽倍峰高处色谱峰宽度的一半。度的一半。（2）半峰宽）半峰宽(Y1/2)：色谱峰高一半处的宽度色谱峰高一半处的宽度 Y1/

19、2 =2.354 (3) 峰底宽度（峰底宽度（Y） 即色谱峰两侧拐点上的切线即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，它与标准偏在基线上的截距，它与标准偏差的关系是：差的关系是： Y = 4第21页/共118页第二十一页，编辑于星期五：二十点 四十五分。22色谱流出曲线讨论 （l l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组份的最少个数 （2 2）根据色谱峰的保留值( (或位置），可以进行定性分析 (3) (3) 根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析 （4 4）色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依据 （5 5）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相( (和流动相) )选择是否合适的

20、依据 第22页/共118页第二十二页，编辑于星期五：二十点 四十五分。23第三节第三节 色谱分析理论基础色谱分析理论基础 色谱分离过程是在色谱柱内完成的。色谱分离过程是在色谱柱内完成的。填充柱色谱填充柱色谱: : 气固气固( (液固液固) )色谱和气液色谱和气液( (液液液液) )色谱，两者的分离机色谱，两者的分离机理不同。理不同。气固气固( (液固液固) )色谱的固定相色谱的固定相: : 多孔性的固体吸附剂颗粒。多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力吸附能力的不同。的不同。气液气液( (液液液液) )色谱的固定相色谱的固定相: : 由担体（用来

21、支持固定液的化学惰由担体（用来支持固定液的化学惰性的固体）和固定液（高沸点有机化合物）所组成。性的固体）和固定液（高沸点有机化合物）所组成。 固定液对试样中各组分的固定液对试样中各组分的溶解能力溶解能力的不同。的不同。气固色谱的分离机理气固色谱的分离机理: : 吸附与脱附的不断重复过程吸附与脱附的不断重复过程；气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理： 气液气液( (液液液液) )两相间的反复多次分配过程两相间的反复多次分配过程。第23页/共118页第二十三页，编辑于星期五：二十点 四十五分。24一、气相色谱的分离原一、气相色谱的分离原理理 当试样由载气携带进入色谱柱与当试样由载气携带进入色谱柱

22、与固定相接触时，被固定相溶解或吸附固定相接触时，被固定相溶解或吸附; ; 随着载气的不断通入，被溶解或随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附吸附的组分又从固定相中挥发或脱附; ; 挥发或脱附下的组分随着载气挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸向前移动时又再次被固定相溶解或吸附附; ; 随着载气的流动，溶解、挥发，随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。或吸附、脱附的过程反复地进行。1、分配过程、分配过程第24页/共118页第二十四页，编辑于星期五：二十点 四十五分。252、 分配系数（分配系数（ partion factor） K

23、组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的时的浓度比浓度比，称为，称为分配系数分配系数，用，用K 表示，即：表示，即：Ms ccK 组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度组分在固定相中的浓度分配系数是色谱分离的依据。分配系数是色谱分离的依据。第25页/共118页第二十五页，编辑于星期五：二十点 四十五分。26分配系数分配系数 K 的讨论的讨论 一定温度下，组分的分配系数一定温度下，组分的分配系

24、数K越越大大，在流动相中的浓度越小，在流动相中的浓度越小，出峰越出峰越慢慢；某组分的某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出；时，即不被固定相保留，最先流出；试样一定时，试样一定时，K主要取决于固定相性质；主要取决于固定相性质；每个组份在各种固定相上的分配系数每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础。值是分离的基础。 组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度组分在固定相中的浓度 K第26页/共118页第二十六页，编辑于星期五：二十点

25、四十五分。273、分配比、分配比 （partion radio）k 在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比分配比是指在一定温度下，组分在两相间是指在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的分配达到平衡时的质量比质量比：Ms mmk 组分在流动相中的质量组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量组分在固定相中的质量分配比也称：容量因子分配比也称：容量因子(capacity factor)；容量比；容量比(capacity factor)；4、 分配系数与分配比的关系分配系数与分配比的关系 第27页/共118页第二十七页，编辑于星期

26、五：二十点 四十五分。28 式中式中VM与与VS之比称为之比称为相比相比，以，以表示。表示。 填充柱相比：填充柱相比：6 35；毛细管柱的相比：；毛细管柱的相比：50 1500。 容量因子容量因子k越大，保留时间越长。越大，保留时间越长。 VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积； VS为固定相体积，对不同类型色谱柱，为固定相体积，对不同类型色谱柱， VS的含义不同的含义不同: 气气-液色谱柱：液色谱柱： VS为固定液体积；为固定液体积； 气气-固色谱柱：固色谱柱： VS为吸附剂表面容量；为吸附剂表面容量；KkKVVsccVVmVVmmmkmm

27、smmmsssms第28页/共118页第二十八页，编辑于星期五：二十点 四十五分。295、分配比与保留时间的关系 滞留因子（retardation factor）us：组分组分在分离柱内的线速度；在分离柱内的线速度；u：流动相流动相在分离柱内的线速度在分离柱内的线速度；滞留因子；滞留因子RS也可以用质量分数也可以用质量分数表示：表示：kmmmmmRS1111msmsm 若组分和流动相通过长度为若组分和流动相通过长度为L的分离柱，需要的时间分别为的分离柱，需要的时间分别为tR和和tM，则：，则：uLtuLtMSR;由以上各式，可得： tR = tM(1+k)MRMMRtttttk SSuRu第2

28、9页/共118页第二十九页，编辑于星期五：二十点 四十五分。30二、色谱分离的基本理论二、色谱分离的基本理论两种色谱理论：两种色谱理论：塔板理论和速率理论。塔板理论和速率理论。1 1、塔板理论（、塔板理论（plate theoryplate theory） 柱分离效能指标柱分离效能指标1)1)半经验理论半经验理论 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）第30页/共118页第三十页，编辑于星期五：二十点 四十五分。312

29、)2)塔板理论的假设：塔板理论的假设： a a 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到，达到分配平衡的在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到，达到分配平衡的每一小段柱长为每一小段柱长为理论塔板高度理论塔板高度（H H）；）； b b 将载气看作成脉动（间歇）过程；将载气看作成脉动（间歇）过程； c c 样品和载气均加在第样品和载气均加在第0 0号塔板上，且号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；试样沿色谱柱方向的扩散可忽略； d d 每次分配的分配系数相同。每次分配的分配系数相同。第31页/共118页第三十一页，编辑于星期五：二十点 四十五分。32图示第32页/共118页第三十二页，编辑

30、于星期五：二十点 四十五分。33图示第33页/共118页第三十三页，编辑于星期五：二十点 四十五分。34理论塔板数与色谱参数之间的关系为：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配! !色谱峰越窄，塔板数越多，理论塔板高度越小，色谱峰越窄，塔板数越多，理论塔板高度越小，柱效能越高柱效能越高221/ 25.54()16()RRttnYY理3) 3) 柱效能指标柱效能指标色谱柱长：色谱柱长：L L，虚拟的塔板间距离：虚拟的塔板间距离：H H，色谱柱的理论塔板数：色谱柱的理论塔板数：n n，则三者的关系为：则三者的关系为：HLn

31、 第34页/共118页第三十四页，编辑于星期五：二十点 四十五分。35 色谱峰宽色谱峰宽Y越小，越小，n就越大，而就越大，而H就越小，柱效能越高。因就越小，柱效能越高。因此，此，n和和H是描述柱效能的指标。是描述柱效能的指标。 通常填充色谱柱的通常填充色谱柱的n103，H1 mm。而毛细管柱。而毛细管柱 n=105-106，H0.5 mm不同；组分不同则与所用组分有关，选用注：理理nn一致无量纲，上下单位必须理n，但柱压和分析时间一定，；，分离能力，柱效一定，讨论：理理理理理理理nLHnHLHnLn1第35页/共118页第三十五页，编辑于星期五：二十点 四十五分。36221 / 25.54()

32、16()RRttnYY理221/25.54()16()RRttnYY有效 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 组分在组分在tM时间内不参与柱内分配。时间内不参与柱内分配。 需引入有效塔板数和有效塔板高度：需引入有效塔板数和有效塔板高度：LHn有效有效4)4)有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度第36页/共118页第三十六页，编辑于星期五：二十点 四十五分。375)5)塔板理论的特点和不足(1)(1)当色谱柱长度一定时，塔板数当色谱柱长度一定时，塔板数 n n 越大越大

33、( (塔板高度塔板高度 H H 越小越小) )，被测，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。它成功它成功解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的tR ,tR ,阐明阐明了保留值与了保留值与K K的关系的关系, ,评价柱效（评价柱效（n n，）(2)(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。(3)(3)

34、做出了四个与实际不相符的假设，忽略了组分在两相中传质和扩散做出了四个与实际不相符的假设，忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程。柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的的动力学过程。柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数分配系数K K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。(4)(4)排除了一个重要参数排除了一个重要参数流动相的线速度流动相的线速度u u，因而塔板理论无，因而塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的

35、因素及提高柱效的途径。法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。第37页/共118页第三十七页，编辑于星期五：二十点 四十五分。382、 速率理论(rate theory)影响柱效的因素1)1) 速率方程（也称范弟姆特方程式）速率方程（也称范弟姆特方程式）：吸收了塔板理论的概念，结合了影响塔板高度的动力学因素吸收了塔板理论的概念，结合了影响塔板高度的动力学因素 减小减小A A、B B、C C三项可提高柱效；存在着最佳流速；三项可提高柱效；存在着最佳流速； A A、B B、C C三项各与哪些因素有关？三项各与哪些因素有关？BHACuuA A涡流扩散项涡流扩散项 涡流扩散项涡流扩散项A A的大小，与填

36、充物的平均颗粒直径的大小，与填充物的平均颗粒直径dp(dp(单位为单位为cm)cm)有关，也与固定相填充不均匀因子有关，也与固定相填充不均匀因子有关有关第38页/共118页第三十八页，编辑于星期五：二十点 四十五分。39 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 固定相颗粒越小固定相颗粒越小d dp p，填充的越，填充的越均匀，均匀，A A，H H，柱效，柱效n n。表现。表现在涡流扩散所引起在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄减轻，色谱峰较窄。注：颗粒太小，柱压过高且不注：颗粒太小，柱压过高且

37、不易填充均匀。易填充均匀。空心毛细管柱（空心毛细管柱（0.10.5mm)，A=0，n理理较高较高第39页/共118页第三十九页，编辑于星期五：二十点 四十五分。40B/u 分子扩散项，也称纵向扩散项 ：因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因素：因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因素-弯曲因子弯曲因子。 Dg：试样组分在气相中的扩散系数（：试样组分在气相中的扩散系数（cm2s-1） a 存在着浓度差，产生纵向扩散（产生原因）存在着浓度差，产生纵向扩散（产生原因）; b 扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差，分离变差; c 分子扩散项与流速有关，流速分子扩散项与流速

38、有关，流速，滞留时间，滞留时间，扩散，扩散; d 扩散系数：扩散系数：Dg (M载气载气)-1/2 ； M载气载气，B值值。2gBD第40页/共118页第四十页，编辑于星期五：二十点 四十五分。41 气相扩散系数Dg随载气和组分的性质、温度、压力而变化，Dg值越大，纵向扩散越严重； 由于气相扩散系数由于气相扩散系数D Dg g近似地与载气相对分子质量的平方根成近似地与载气相对分子质量的平方根成反比，反比，使用相对分子质量较大的载气使用相对分子质量较大的载气( (如如N N2 2) )，控制较低的柱温，控制较低的柱温，可以减少扩散系数可以减少扩散系数D Dg g，降低气相分子扩散项，降低气相分子

39、扩散项。 分子扩散项分子扩散项B Bu u的大小，与组分在气相中滞留的时间有关，的大小，与组分在气相中滞留的时间有关，滞留的时间越长，纵向扩散越严重，所以提高载气流速，可滞留的时间越长，纵向扩散越严重，所以提高载气流速，可以减少由于分子扩散而产生的色谱峰扩张，减小分子扩散项。以减少由于分子扩散而产生的色谱峰扩张，减小分子扩散项。 为降低纵向扩散，宜选用分子量较大的载气、控制较高线速度为降低纵向扩散，宜选用分子量较大的载气、控制较高线速度和较低的柱温和较低的柱温第41页/共118页第四十一页，编辑于星期五：二十点 四十五分。42 选择载气原则：选择载气原则： 兼顾分析时间和减小纵向扩散兼顾分析时

40、间和减小纵向扩散 u 较小时，选较小时，选M较大的较大的N2气（密度大）气（密度大） u 较大时，选较大时，选M较小的较小的H2气，气，He气（密度小）气（密度小）Cu 传质项 被测组分由于浓度不均匀而发生物质迁移过程，称为传被测组分由于浓度不均匀而发生物质迁移过程，称为传质过程，传质过程所遇到的阻力，称为传质阻力。传质阻力质过程，传质过程所遇到的阻力，称为传质阻力。传质阻力系数系数C包括包括气相传质阻力系数包括包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力和液相传质阻力CL即：即： C =（Cg + CL）第42页/共118页第四十二页，编辑于星期五：二十点 四十五分。43气相传质阻力系数气相传质阻

41、力系数(C(Cg g) )2220.01(1)pggdkCkD第43页/共118页第四十三页，编辑于星期五：二十点 四十五分。44 气相传质阻力就是组分分子从气相到气液两相界面进气相传质阻力就是组分分子从气相到气液两相界面进行传质交换时的阻力。行传质交换时的阻力。 传质阻力系数传质阻力系数C Cg g的大小，与填充物的平均颗粒直径的大小，与填充物的平均颗粒直径d dp p( (单位单位为为cm)cm)、组分在气体中的扩散系数、组分在气体中的扩散系数D Dg g和分配比和分配比k k有关有关 液相传质过程是组分从固定相的气液相传质过程是组分从固定相的气液界面扩散到液相内部，然后液界面扩散到液相内

42、部，然后又从液相内部扩散到气液两相界面的质量转移过程。又从液相内部扩散到气液两相界面的质量转移过程。 液相传质阻力产生原因：样品在气液两相分配，样品未及溶解液相传质阻力产生原因：样品在气液两相分配，样品未及溶解就被带走，从而造成峰扩张。就被带走，从而造成峰扩张。 CL的大小与分配比的大小与分配比k、固定相液膜的厚度、固定相液膜的厚度df、组分在液相的、组分在液相的扩散系数扩散系数DL有关：有关：第44页/共118页第四十四页，编辑于星期五：二十点 四十五分。45 k为容量因子；为容量因子； Dg 、DL为扩散系数；为扩散系数；df为固定相的液膜厚度。为固定相的液膜厚度。 减小担体粒度，选择小分

43、子量的气体作载气，可降低传质阻减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。力。LfLDdkkC22)1 (32对于填充柱，气相传质项数值小，可以忽略。对于填充柱，气相传质项数值小，可以忽略。第45页/共118页第四十五页，编辑于星期五：二十点 四十五分。46 范弟姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，填充均匀程度、担体范弟姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。 A，Bu，Cu越小，柱效率越高。越

44、小，柱效率越高。 改善柱效率的因素有如下几点：改善柱效率的因素有如下几点： a a 选择颗粒较小的均匀填料。选择颗粒较小的均匀填料。 b b 在固定液保持适当粘度的前提下，选用较低的柱温操作。在固定液保持适当粘度的前提下，选用较低的柱温操作。 c c 用最低实际浓度的固定液，降低担体表面液层的厚度。用最低实际浓度的固定液，降低担体表面液层的厚度。第46页/共118页第四十六页，编辑于星期五：二十点 四十五分。47 d d 选用合适的载气：流速较小时，分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素，宜用相对分子选用合适的载气：流速较小时，分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素，宜用相对分子质量较大的载气；流速较

45、大时，传质项为控制因素，宜用相对分子质量较小的载气。质量较大的载气；流速较大时，传质项为控制因素，宜用相对分子质量较小的载气。 e e 选择最合适的载气流速。选择最合适的载气流速。2)2)、载气流速与柱效、载气流速与柱效最佳流速最佳流速载气流速高时：载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的主要因素，传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速流速 ，柱效，柱效 。载气流速低时：载气流速低时： 分子扩散项成为影响柱效的主要因素分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速流速 , 柱效柱效 。第47页/共118页第四十七页，编辑于星期五：二十点 四十五分。48H - u曲线与最佳流速：曲线与最佳流速： 由于流速对

46、这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度以塔板高度H对应载气流速对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为作图，曲线最低点的流速即为最佳流速最佳流速。第48页/共118页第四十八页，编辑于星期五：二十点 四十五分。49流速与柱效的关系（测定）前提下和较短在保证足够大最佳utRR高，峰越尖锐，柱效，一定，三个常数注：nHuCBuCuBdudHop2BCAHscmtLuM2)/(minuC

47、AHBuu项可忽略，最佳uBAHCuu/项可忽略，最佳第49页/共118页第四十九页，编辑于星期五：二十点 四十五分。50 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响： 保留值之差保留值之差色谱过程的热力学因素；色谱过程的热力学因素； 区域宽度区域宽度色谱过程的动力学因素。色谱过程的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示：色谱分离

48、中的四种情况如图所示：第四节 色谱分离条件的选择一、分离度（resolution）第50页/共118页第五十页，编辑于星期五：二十点 四十五分。51 柱效较高，柱效较高，K(分配系数分配系数)较大较大,完全分离；完全分离； K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离； 柱效较低，柱效较低，K较大较大,但分离的不好；但分离的不好； K小，小，柱效低，分离效果更差。柱效低，分离效果更差。第51页/共118页第五十一页，编辑于星期五：二十点 四十五分。52 分离度分离度R定义为两相邻组分保留时间之差与两峰底宽度和之半的比值：定义为两相邻组分保留时间之差与

49、两峰底宽度和之半的比值： ,2,1121()2RRttRYY 分离度分离度R R综合反映了色谱柱的选择性与柱效能的影响，是色谱柱总分离效能指综合反映了色谱柱的选择性与柱效能的影响，是色谱柱总分离效能指标。标。 第52页/共118页第五十二页，编辑于星期五：二十点 四十五分。53 柱效和选择性对分离的影响。（a）两色谱峰距离近并且峰形宽。两峰严重相叠，这表示选择性和柱效都很差。（b）虽然两峰距离拉开了，但峰形仍很宽，说明选择性好，但柱效低。（c）分离最理想，说明选择性好，柱效也高。 第53页/共118页第五十三页，编辑于星期五：二十点 四十五分。54R1时，分离程度为时，分离程度为98.7；R1

50、.5时，分离程度可达时，分离程度可达99.7。一般用一般用R1.5作为完全作为完全分开的标志。分开的标志。 第54页/共118页第五十四页，编辑于星期五：二十点 四十五分。55 为了说明理论塔板数为了说明理论塔板数n n、分配比、分配比k k怎样影响到分离度的大小，在怎样影响到分离度的大小，在合理假设（合理假设（Y Y1 1=Y=Y2 2=Y=Y，k k1 1=k=k2 2=k)=k)下，色谱分离基本方程式将理论塔板下，色谱分离基本方程式将理论塔板数数n n、分配比、分配比k k、相对保留值、相对保留值R R和分离度及联系起来：和分离度及联系起来： 二、色谱分离基本方程式二、色谱分离基本方程式

51、114RnYtkknR114221/ 25.54()16()RRttnYY理,2,1121()2RRttRYY第55页/共118页第五十五页，编辑于星期五：二十点 四十五分。56色谱分离基本方程式为：221/ 25.54()16()RRttnYY理221/25.54()16()RRttnYY有效代入代入kknR114第56页/共118页第五十六页，编辑于星期五：二十点 四十五分。57三、 影响分离度的因素前提定义式基础上，相邻两组分的n n一致（假设） kknR114121212RRttkkKKHLn uCuBAH/第57页/共118页第五十七页，编辑于星期五：二十点 四十五分。58讨论讨论：

52、分离度与柱效分离度与柱效n n的平方根成正比，的平方根成正比， 一定时，增加柱效，一定时，增加柱效，可提高分离度。增加可提高分离度。增加n n的方法可以通过增加柱长或减少的方法可以通过增加柱长或减少H H值来值来实现。但增加柱长使组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。实现。但增加柱长使组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。所以一般采用减少所以一般采用减少H H值来实现。值来实现。 对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即即2121221)(LLnnRR(1)分离度与柱效柱长的关系第58页/共118页第五十八页，编辑于星期五：二十点

53、四十五分。59增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段提高柱效、改善分离的途径：增加柱长、降低板高提高柱效、改善分离的途径：增加柱长、降低板高根据速率理论，降低板高根据速率理论，降低板高H H、提高柱效、提高柱效n n的方法是：的方法是：1 1）采用粒度较小、均匀填充的固定相（）采用粒度较小、均匀填充的固定相（A A项项 ） 2 2）分配色谱应控制固定液液膜厚度（）分配色谱应控制固定液液膜厚度（C C项项 ）3 3）适宜的操作条件：）适宜的操作条件：流动相的性质和流速，柱温等（流动相的性质和流速，柱温等（B项项 ）选用分子量较大、线速度较小的载气选用分子量较

54、大、线速度较小的载气N2气，气， 控制较低的柱温控制较低的柱温第59页/共118页第五十九页，编辑于星期五：二十点 四十五分。60 当k10时，随容量因子增大，分离度的增长是微乎其微的。一般取k为2-10最宜。 对于GC，通过提高温度，可选择合适的k值，以改进分离度。 而对于LC，只要改变流动相的组成，就能有效地控制k值。它对LC的分离能起到立竿见影的效果(2) 分离度与容量因子的关系(3)分离度与柱选择性的关系增大增大 是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当下，当 增加一倍，需要的增加一倍，需要的n n有效有效减小减小10000

55、10000倍。倍。 增大增大 的最有效方法是选择合适的固定液，使各组分的的最有效方法是选择合适的固定液，使各组分的分配系数有较大差别。分配系数有较大差别。第60页/共118页第六十页，编辑于星期五：二十点 四十五分。61四、 色谱分离条件的选择1、载气种类的选择载气种类的选择 载气种类的选择应考虑载气种类的选择应考虑三个方面：三个方面：载气对柱效的影响、检载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。测器要求及载气性质。 载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的气流速较大时，传质阻力项起

56、主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。），可减小传质阻力，提高柱效。 热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。 在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。源是否广泛等因素。第61页/共118页第六十一页，编辑于星期五：二十点 四十五分。622 2、载气流速的选择、载气流速的选择 曲线的最低点，塔板高度曲线的最低点，塔板高度H H最小

57、，最小，柱效最高，其相应的流速是最佳柱效最高，其相应的流速是最佳流速流速. .载气的选择还要考虑与检测器相适应。 当当u u较小时，分子扩散项较小时，分子扩散项B/uB/u是影响板高的主要因素，此时，是影响板高的主要因素，此时，宜选择相对分子质量较大的载宜选择相对分子质量较大的载气（气（N N2 2，ArAr），以使组分在载），以使组分在载气中有较小的扩散系数。气中有较小的扩散系数。 当当u u较大时，传质阻力项较大时，传质阻力项CuCu起起主导作用，宜选择相对分子质量小主导作用，宜选择相对分子质量小的载气的载气(H(H2 2,He),He)，使组分有较大的，使组分有较大的扩散系数，减小传质阻

58、力，提高柱扩散系数，减小传质阻力，提高柱效。效。第62页/共118页第六十二页，编辑于星期五：二十点 四十五分。63选择流速和载气应同时考虑对柱效和分析时间的影响opopuuuu分析时间是主要矛盾分离是主要矛盾minHuopCBuopBCAH2minuCHuuuBNuuopop气选气选22第63页/共118页第六十三页，编辑于星期五：二十点 四十五分。643、柱温的选择 柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度。 提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板高度，改善柱效。 为了改善分离，提高选择性，往往希望柱温较低，这又增长了分析时间。因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。 一

59、般原则是：在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。 柱温的选择还应考虑固定液的使用温度，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失，对分离不利。 对于对于宽沸程的多组分混合物宽沸程的多组分混合物，可采用可采用，即在分析过即在分析过程中按一定速度提高柱温。程中按一定速度提高柱温。 第64页/共118页第六十四页，编辑于星期五：二十点 四十五分。65 在程序开始时，柱温较低，低沸点的组分得到分离，中等沸点的组分移动很慢，高沸点的组分还停留于柱口附近；随着温度上升，组分由低沸点到高沸点依次分离出来。 采用程序升温后不仅改善分离，而且可以

60、缩短分析时间，得到的峰形也很理想。采用程序升温后不仅改善分离，而且可以缩短分析时间，得到的峰形也很理想。第65页/共118页第六十五页，编辑于星期五：二十点 四十五分。66程序升温的优点： 改善分离效果 缩短分析周期 改善峰形 提高检测灵敏度第66页/共118页第六十六页，编辑于星期五：二十点 四十五分。674、进样方式和进样量的选择、进样方式和进样量的选择 液体试样采用色谱微量进样器进样液体试样采用色谱微量进样器进样，规格规格有有1L，5L，10L等。等。 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。进样要求动作快、时间短。检测范围之内。进样