仪器分析_气相色谱法基础

1、1第二章第二章 气相色谱法气相色谱法(1)(1)23气相色谱质谱联用仪气相色谱质谱联用仪 GCMS-QP2010E 41. 色谱法的产生色谱法的产生 色谱法是一种分离技术，它是俄国植色谱法是一种分离技术，它是俄国植物学家茨维特物学家茨维特(M.Tswett)1906年创立的。年创立的。他分离植物叶子中的色素时，将叶片的石他分离植物叶子中的色素时，将叶片的石油醚（饱和烃混合物）提取液倒入玻璃管油醚（饱和烃混合物）提取液倒入玻璃管中，柱中填充中，柱中填充CaCO3粉末（粉末（CaCO3 有吸附有吸附能力能力)，用纯石油醚洗脱（淋洗）。，用纯石油醚洗脱（淋洗）。一、色谱分析法简介一、色谱分析法简介5

2、色素受两种作用力影响色素受两种作用力影响: 柱内填充柱内填充CaCO3 ，其吸附作其吸附作用使色素在柱中停滞下来；用使色素在柱中停滞下来； 同时，由于被石油醚流动同时，由于被石油醚流动并溶解，使色素向下移动；并溶解，使色素向下移动； 各种色素结构不同，受两各种色素结构不同，受两种作用力大小不同，经过一段种作用力大小不同，经过一段时间洗脱后，色素在柱子上分时间洗脱后，色素在柱子上分开，形成了开，形成了各种颜色的谱带，各种颜色的谱带，这种分离方法称为色谱法这种分离方法称为色谱法。6样品溶液样品溶液纯溶剂纯溶剂CaCO372. 定义定义 借助于混合物中各组分在借助于混合物中各组分在两相两相中吸附能力

3、、分配中吸附能力、分配能力等差异，而使混合物中各组分分离并检测的技能力等差异，而使混合物中各组分分离并检测的技术。术。（先分离、后检测）先分离、后检测）3. 基本概念基本概念（1）色谱柱：盛装固定相的玻璃管或不锈钢管。）色谱柱：盛装固定相的玻璃管或不锈钢管。（2）固定相：色谱柱内固定不动的组分（固体或）固定相：色谱柱内固定不动的组分（固体或 液体）液体）（3）流动相：流经色谱柱的组分（气体或液体）流动相：流经色谱柱的组分（气体或液体）8液相色谱液相色谱：液体作流动相，传统的液相色谱，由：液体作流动相，传统的液相色谱，由 于流速慢，分析速度很慢。通过加于流速慢，分析速度很慢。通过加 压，压， 使

4、其流速加快，使其流速加快，1969年年HPLC发发 展（高压液相色谱），液相色谱被广展（高压液相色谱），液相色谱被广 泛应用泛应用。气相色谱气相色谱：气体作流动相，：气体作流动相，1952年产生气相色年产生气相色 谱，是色谱法一项革命性进展谱，是色谱法一项革命性进展。9 随着被分离样品种类的增多，该方法广泛地用于随着被分离样品种类的增多，该方法广泛地用于无色物无色物质质的分离，因而，的分离，因而，“色谱色谱”名称中的名称中的“色色”失去了原有失去了原有的意义，但的意义，但“色谱色谱”这一名称沿用至今。这一名称沿用至今。 我国在色谱分析领域的研究起于我国在色谱分析领域的研究起于19541954年

5、，由中年，由中 国科国科学院大连化学物理研究所首先开发。经过几十年的努力，我学院大连化学物理研究所首先开发。经过几十年的努力，我国色谱基础理论研究和应用技术研究方面具有特色，居世界国色谱基础理论研究和应用技术研究方面具有特色，居世界领先行列。领先行列。n大连依利特分析仪器有限公司大连依利特分析仪器有限公司http:/ 1. . 按流动相和固定相状态分类按流动相和固定相状态分类气体作气体作流动相流动相 气相色谱（气相色谱（GC）（1 1）气固色谱：气体作流动相，固体吸附剂作固）气固色谱：气体作流动相，固体吸附剂作固 定相。定相。（2 2）气液色谱：气体作流动相，固定液作固定相。）气液色谱：气体作

6、流动相，固定液作固定相。二、色谱分析法分类二、色谱分析法分类液体作液体作流动相流动相 液相色谱液相色谱 （1 1）液固色谱：液体作流动相，固体吸附剂作固体相。）液固色谱：液体作流动相，固体吸附剂作固体相。（2 2）液液色谱：液体作流动相，固定液作固定相。）液液色谱：液体作流动相，固定液作固定相。 超临界液体色谱超临界液体色谱超临界流体作色谱流动相。超临界流体作色谱流动相。 112. 按固定相的固定方式分类按固定相的固定方式分类（1 1）柱色谱：）柱色谱： 填充柱色谱：固定相填充到柱管内填充柱色谱：固定相填充到柱管内; 毛细管柱色谱：把固定相涂在毛细管内壁上，毛细管柱色谱：把固定相涂在毛细管内壁

7、上， 中间是空的。中间是空的。（2 2）纸色谱：）纸色谱：滤纸为固定相的色谱法，流动相是滤纸为固定相的色谱法，流动相是 含一定比例水的有机溶剂，样品在含一定比例水的有机溶剂，样品在 滤纸上展开进行分离。滤纸上展开进行分离。（3 3）薄层色谱：）薄层色谱：把固体固定相压成或涂成薄膜的把固体固定相压成或涂成薄膜的 色谱法。色谱法。12 3. 按分离原理分类按分离原理分类（1）吸附色谱：）吸附色谱：利用吸附剂表面对被分离的各组分吸附能利用吸附剂表面对被分离的各组分吸附能力不同进行分离。力不同进行分离。（2）分配色谱：）分配色谱：利用不同组分在两相分配系数或溶解度不利用不同组分在两相分配系数或溶解度不

8、同进行分离。同进行分离。（3）离子交换色谱：）离子交换色谱：利用不同组分对离子交换剂亲和力不利用不同组分对离子交换剂亲和力不同进行分离。同进行分离。（4）空间排阻色谱：）空间排阻色谱：利用凝胶对分子的大小和形状不同的利用凝胶对分子的大小和形状不同的组分所产生的阻碍作用不同而进行分离的色谱法。组分所产生的阻碍作用不同而进行分离的色谱法。 13三、色谱分析法的特点三、色谱分析法的特点1. 分离效率高分离效率高 可以反复多次利用被分离组分在性质上的差异产可以反复多次利用被分离组分在性质上的差异产生很大的分离效果，能在很短时间内对组成极为复生很大的分离效果，能在很短时间内对组成极为复杂、各组分性质十分

9、相似的混合物进行分离和测定。杂、各组分性质十分相似的混合物进行分离和测定。顺反异构体、旋光异构体等分离顺反异构体、旋光异构体等分离。2. 灵敏度高灵敏度高可以检测可以检测10-1110-12 g的痕量物质的痕量物质分析样品用量少，分析样品用量少，g 、 L 143. 分析速度快分析速度快 几分钟、几十分钟可完成一个分析周期，一次分几分钟、几十分钟可完成一个分析周期，一次分析可以同时多个组分。析可以同时多个组分。4. 应用广泛应用广泛 气体、液体、固定样品均可。气体、液体、固定样品均可。 色谱法几乎能分析所有的化学物质，广泛用于色谱法几乎能分析所有的化学物质，广泛用于无机、有机、生物、食品、医药

10、、环境等分析任务。无机、有机、生物、食品、医药、环境等分析任务。15四、色谱分离过程与常用术语四、色谱分离过程与常用术语1. 色谱分离过程色谱分离过程（1）色谱基本过程）色谱基本过程色谱仪构造色谱仪构造进样系统进样系统流动相系统流动相系统：连续不断地流经整个色谱仪器。：连续不断地流经整个色谱仪器。固定相系统固定相系统：固定在色谱柱内：固定在色谱柱内检测系统：检测系统：用于检测经色谱仪分离，被流动用于检测经色谱仪分离，被流动 相载带的各组分含量。相载带的各组分含量。记录系统记录系统：记录检测信号记录检测信号16进样进样 色谱柱色谱柱检测器检测器流动相流动相废弃流动相废弃流动相 色谱过程示意图色谱

11、过程示意图17（2）色谱分离过程）色谱分离过程 现以填充柱内进行分配色谱说明色谱分离过程。现以填充柱内进行分配色谱说明色谱分离过程。下图表示下图表示A、B两组分在色谱柱内的分离过程示意图。两组分在色谱柱内的分离过程示意图。将混合物样品一次注入色谱柱后，流动相连续不断将混合物样品一次注入色谱柱后，流动相连续不断地流经色谱柱：地流经色谱柱：18024681012024681002468101202468100246810120246810A+BA BA BABA B192. . 色谱图（流出曲线）色谱图（流出曲线） 试样各组分经色谱柱分离，从色谱柱流入检试样各组分经色谱柱分离，从色谱柱流入检测器，

12、并将组分浓度（质量）变化转换成电压测器，并将组分浓度（质量）变化转换成电压（电流）信号，并记录下来。（电流）信号，并记录下来。 将从进样开始到分析结束，检测信号随时间将从进样开始到分析结束，检测信号随时间变化的曲线，称色谱图。变化的曲线，称色谱图。 因其记录了各个组分流出色谱柱的情况，又因其记录了各个组分流出色谱柱的情况，又叫色谱流出曲线。叫色谱流出曲线。20213. .色谱图中的基本术语色谱图中的基本术语（2）基线）基线 当没有待测组分进入检测器时（仅有流动相），当没有待测组分进入检测器时（仅有流动相），检测器的噪音随时间的变化关系。图中检测器的噪音随时间的变化关系。图中OA 稳定情况下，稳

13、定情况下，基线基线是一条直线，基线上下波是一条直线，基线上下波动称为噪音。动称为噪音。（1）色谱峰）色谱峰 某组分的响应信号随时间的变化曲线。某组分的响应信号随时间的变化曲线。 正常：对称钟形（符合高斯分布）正常：对称钟形（符合高斯分布） 不正常：产生拖尾峰不正常：产生拖尾峰22h（3）色谱峰的高度）色谱峰的高度h 色谱峰最高点与基线之间的距离，可用色谱峰最高点与基线之间的距离，可用mm , ,mV， mA表示。峰的高低与组分浓度有关，表示。峰的高低与组分浓度有关，峰越高越窄越好。峰越高越窄越好。23（4）色谱峰区域宽度）色谱峰区域宽度 色谱峰的区域宽度是组分在色谱柱中谱带色谱峰的区域宽度是组

14、分在色谱柱中谱带扩展的函数，它反应了色谱操作条件的扩展的函数，它反应了色谱操作条件的动力学动力学因素因素，常用表示方法有三种：，常用表示方法有三种：A 标准偏差标准偏差 色谱峰是高斯分布，在色谱峰是高斯分布，在0.607倍峰高处有一拐点。倍峰高处有一拐点。标准偏差即标准偏差即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。倍峰高处色谱峰宽的一半。 EF21 2425 B 峰底宽峰底宽Wb 色谱峰两侧拐点所作切线在基线上的距离。色谱峰两侧拐点所作切线在基线上的距离。 下图中下图中IJ 峰高一半处色谱峰的宽度。峰高一半处色谱峰的宽度。21WC 半峰宽半峰宽 4bW下图中下图中GH 354221.W26Wb27

15、色谱峰与基线延长线所包围的面积。色谱峰与基线延长线所包围的面积。 对于对称的色谱峰：对于对称的色谱峰： 对于非对称的色谱峰：对于非对称的色谱峰： （5） 色谱峰面积色谱峰面积A 210651hWA.20651850150)(.WWhA28 （6）色谱保留值）色谱保留值保留值保留值: :试样中各组分在色谱柱中滞留时间的数值，反试样中各组分在色谱柱中滞留时间的数值，反映了组分分子与固定相分子作用力大小；映了组分分子与固定相分子作用力大小；保留值可用时间保留值可用时间t 和所消耗流动相的体积和所消耗流动相的体积V来表示；来表示； 组分与固定相作用越强，则在柱中滞留的时间越长，消组分与固定相作用越强，

16、则在柱中滞留的时间越长，消耗的流动相体积越大；耗的流动相体积越大；固定相、流动相固定，色谱操作条件一定时，组分的保留固定相、流动相固定，色谱操作条件一定时，组分的保留值是个定值。值是个定值。组分保留值由色谱分离过程的组分保留值由色谱分离过程的热力学因素热力学因素决定。决定。29B 死时间死时间tM（ t0） 不被固定相保留的组分流经色谱柱所需的时间。不被固定相保留的组分流经色谱柱所需的时间。 即从进样开始到柱后出现峰最大值所需的时间。即从进样开始到柱后出现峰最大值所需的时间。 在气相色谱就是惰性气体（空气、甲烷等）流出在气相色谱就是惰性气体（空气、甲烷等）流出色谱柱所需的时间。色谱柱所需的时间

17、。OAA 保留时间保留时间tR 组分流经色谱柱时所需时间。即从进样开始组分流经色谱柱时所需时间。即从进样开始到色谱峰出现最大值时所需的时间。到色谱峰出现最大值时所需的时间。OB)(scmcmuLtM流流动动相相平平均均速速度度柱柱长长30t031C 调整保留时间调整保留时间,Rt 组分的保留时间与死时间的差值。组分的保留时间与死时间的差值。MRRtttRtRt由组分与固定相之间相互作用而引起组由组分与固定相之间相互作用而引起组分在柱内滞留所需要的时间。分在柱内滞留所需要的时间。Mt组分流经色谱柱所需要的时间。组分流经色谱柱所需要的时间。32D 保留体积保留体积VR 组分从进样开始到色谱柱后出现

18、最大值时所需组分从进样开始到色谱柱后出现最大值时所需流动相体积流动相体积。 RCRtFV CF流动相平均体积流速流动相平均体积流速33E 死体积死体积VM (V0) 不被固定相保留的组分流经色谱柱所消耗的流不被固定相保留的组分流经色谱柱所消耗的流动相体积动相体积。MCMtFV 死体积死体积可以认为是色谱柱内未被固定相所占据的可以认为是色谱柱内未被固定相所占据的空隙体积，也即色谱柱内流动相体积。但在实际测量空隙体积，也即色谱柱内流动相体积。但在实际测量时，包括了柱外死体积（即色谱仪中管路和连接头之时，包括了柱外死体积（即色谱仪中管路和连接头之间的空间，以及进样系统和检测器的空间）。间的空间，以及

19、进样系统和检测器的空间）。34 F 调整保留体积调整保留体积VR 扣除了死体积的保留体积，真实的将待测组分扣除了死体积的保留体积，真实的将待测组分从固定相中携带出柱子所需的流动相体积。从固定相中携带出柱子所需的流动相体积。 CRMRRFtVVV注意注意：保留时间受流动相流速的影响，而保留：保留时间受流动相流速的影响，而保留体积与流动相流速无关。体积与流动相流速无关。35 G 相对保留值相对保留值2112,rr 或或 在相同操作条件下，组分在相同操作条件下，组分2对另一参比组分对另一参比组分1调整保留值之比。调整保留值之比。36 一般两组分的相对保留值只与柱温及固定相的一般两组分的相对保留值只与

20、柱温及固定相的性质有关，与柱长、柱径、柱填充情况及载气流速性质有关，与柱长、柱径、柱填充情况及载气流速等无关。等无关。 两组分的相对保留值越大，越易分离，显然，两组分的相对保留值越大，越易分离，显然，当：当：112,r两组分色谱峰重叠，无法分离。两组分色谱峰重叠，无法分离。37 2-2 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础1. 分配系数分配系数 K(浓度分配系数浓度分配系数) 指在一定温度和压力下，组分在两相间达到指在一定温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相中的浓度与在流动相分配平衡时，组分在固定相中的浓度与在流动相中的浓度之比。中的浓度之比。msCCK 在一定温度下，组

21、分在流动相和固定相之间所在一定温度下，组分在流动相和固定相之间所达到的平衡叫分配平衡，组分在两相中的分配行为达到的平衡叫分配平衡，组分在两相中的分配行为常采用分配系数常采用分配系数K和分配比和分配比k来表示来表示。 一、色谱分配系数和分配比一、色谱分配系数和分配比38K值越大，与固定相亲合力越大，保留时间长，移动慢；值越大，与固定相亲合力越大，保留时间长，移动慢；K值越小，与固定相亲合力越小，保留时间短，移动快；值越小，与固定相亲合力越小，保留时间短，移动快； K值与温度、压力、组分性质、固定相、流动值与温度、压力、组分性质、固定相、流动相性质等因素有关。相性质等因素有关。2. 分配比分配比k

22、 (又叫容量因子，容量比又叫容量因子，容量比) 指在一定温度和压力下，组分在两相间达到分指在一定温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相中的质量与在流动相中的配平衡时，组分在固定相中的质量与在流动相中的质量之比。质量之比。39msmmssmsVVKVCVCmmkVs：固定相体积。固定相体积。Vm：流动相体积。流动相体积。smVV 定义：定义：相比相比 kK 所以：所以：403. 保留值与分配比的关系保留值与分配比的关系 可以证明可以证明：组分的分配比它等于该组分的调整组分的分配比它等于该组分的调整保留时间与死时间的比：保留时间与死时间的比：MRMRMMRVVtttttk所以，分配

23、比可由色谱图直接求出。所以，分配比可由色谱图直接求出。414. 保留值与分配系数保留值与分配系数K的关系的关系MMRMRVVVVVk所以：所以：ssMMRKVVkkVVV SMRKVVV425. 色谱基本保留方程式色谱基本保留方程式)(kttMR1sMRKVVV43 色谱分析包括分离、检测两个方面，无论是定色谱分析包括分离、检测两个方面，无论是定性或定量分析，性或定量分析，分离是前提分离是前提。 样品在色谱柱内的分离过程基本理论包括两方面样品在色谱柱内的分离过程基本理论包括两方面：一是混合物中各组分在色谱柱中两相间的分配一是混合物中各组分在色谱柱中两相间的分配与待分离组分、流动相、固定相的分子

24、结构和性质有关与待分离组分、流动相、固定相的分子结构和性质有关; ;可以用保留值评价组分在两相间的分配情况可以用保留值评价组分在两相间的分配情况 ( (热力学过程热力学过程) ) 另一是各组分在色谱柱中的运动情况另一是各组分在色谱柱中的运动情况与分离组分在色谱柱中遇到的阻力有关与分离组分在色谱柱中遇到的阻力有关;各色谱峰的半宽度反映了各组分在色谱柱中的运动情况，各色谱峰的半宽度反映了各组分在色谱柱中的运动情况， (动力学过程动力学过程)二、色谱分离的基本理论二、色谱分离的基本理论44 1. 塔板理论塔板理论4546 在在20世纪世纪50年代，色谱技术发展的初期，由年代，色谱技术发展的初期，由M

25、artin、Synge等人提出。把色谱分离过程比作精馏等人提出。把色谱分离过程比作精馏过程，并把精馏中的半经验理论塔板理论用于色谱过程，并把精馏中的半经验理论塔板理论用于色谱分析法。分析法。 （1）塔板理论基本假设）塔板理论基本假设A 一根连续色谱柱为由许多小段组成。在每一一根连续色谱柱为由许多小段组成。在每一 小段内，一部分空间为小段内，一部分空间为 固定相占据，另一部固定相占据，另一部 分空间充满流动相，每一小段相应一个蒸馏，分空间充满流动相，每一小段相应一个蒸馏， 称为一个理论塔板。称为一个理论塔板。47B 在每一个小段内，组分在流动相和固定相之间可以很在每一个小段内，组分在流动相和固定

26、相之间可以很 快达到分配平衡，这样达到分配平衡的一小段柱长称快达到分配平衡，这样达到分配平衡的一小段柱长称 为为理论塔板高度理论塔板高度H；C 流动相进入色谱柱不是连续的，而是脉动的，流动相进入色谱柱不是连续的，而是脉动的， 即每次进入一个塔板体积；即每次进入一个塔板体积；D 组分沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可组分沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可 忽略不计；忽略不计；E 组分分配系数在各塔板上是常数。组分分配系数在各塔板上是常数。48（2）塔板理论基本描述）塔板理论基本描述A 理论塔板高度理论塔板高度H 组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需柱长。组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需柱长。B

27、理论塔板数理论塔板数 n 组分流经色谱柱时，在两相间进行平衡分配的组分流经色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数。总次数。 设柱长为设柱长为L，则：则： nLHHLnL固定，则固定，则H越小，越小，n越大，柱效率越高分离效果越大，柱效率越高分离效果越好，用越好，用 H，n 评价柱效。评价柱效。49 可见，组分保留时间可见，组分保留时间tR越长，色谱峰宽度越小，越长，色谱峰宽度越小，n值越大，值越大，H越小，色谱柱效率越高。越小，色谱柱效率越高。C 理论塔板数理论塔板数 n计算计算 由塔板理论可导出由塔板理论可导出n的计算公式为：的计算公式为：221254516)(.)(WtWtnRbR可根据色

28、可根据色谱图直接谱图直接求出！求出！50D 有效塔板数有效塔板数 计算计算有效有效n 在实际应用中，有时发现尽管理论塔板数很在实际应用中，有时发现尽管理论塔板数很大，但色谱分离效率不高的现象，主要原因是未大，但色谱分离效率不高的现象，主要原因是未将不参与分配的死时间扣除。将不参与分配的死时间扣除。2212)(54. 5)(16WtWtnRbR有效有效有效有效有效nLH51E 有效塔板数有效塔板数 与理论塔板数关系与理论塔板数关系有效有效n21)(kknn有效有效 分配比分配比k值越小，有效塔板数明显小于理论塔板值越小，有效塔板数明显小于理论塔板数；数； k值越大，有效塔板数接近理论塔板数。值越

29、大，有效塔板数接近理论塔板数。52（3）塔板理论的）塔板理论的成功成功与与局限局限成功成功A 解释色谱流出曲线形状（正态分布）解释色谱流出曲线形状（正态分布）B 色谱峰浓度极大点位置色谱峰浓度极大点位置C 提出了评价色谱柱效的指标（提出了评价色谱柱效的指标（H、n）局限局限A 某些假设不合理，甚至不正确某些假设不合理，甚至不正确（纵向扩散忽略、分配系数与浓度无关等）（纵向扩散忽略、分配系数与浓度无关等）B 理论依据不足，无法解释塔板高度受哪些理论依据不足，无法解释塔板高度受哪些 因素影响等本质问题；因素影响等本质问题；C 不能解释为什么流动相流速不同，测定不能解释为什么流动相流速不同，测定 理

30、论塔板数不同的原因理论塔板数不同的原因53 所以，用塔板理论来说明色谱柱内各组所以，用塔板理论来说明色谱柱内各组分的分离过程并不完全合理，因为色谱柱内分的分离过程并不完全合理，因为色谱柱内并没有塔板。当同一试样进入同一色谱柱，并没有塔板。当同一试样进入同一色谱柱，当流动相速度变化时，得到不同的色谱图。当流动相速度变化时，得到不同的色谱图。测得的测得的 n 和和 H 也也不同，不同，充分说明塔板理论充分说明塔板理论不足以说明色谱柱的分离过程，根源在于塔不足以说明色谱柱的分离过程，根源在于塔板理论把色谱过程看成纯粹的热力学过程，板理论把色谱过程看成纯粹的热力学过程，是不合理的。是不合理的。542.

31、 速率理论速率理论色谱过程色谱过程热力学因素热力学因素动力学因素动力学因素 1956年，荷兰学者范第姆特（年，荷兰学者范第姆特（Van Deomter）等等人研究气相色谱时，提出了色谱过程的动力学理人研究气相色谱时，提出了色谱过程的动力学理论论速率理论。速率理论。吸收了塔板理论的有益成果：塔板高度的概念，吸收了塔板理论的有益成果：塔板高度的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，指出：并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，指出：理论塔板高度理论塔板高度H是色谱峰展宽的量度是色谱峰展宽的量度，导出了塔板，导出了塔板高度与流动相流速的关系式：高度与流动相流速的关系式：55 A 涡流扩散项涡流扩

32、散项B 分子扩散（纵向扩散）项系数分子扩散（纵向扩散）项系数C 传质阻力项系数传质阻力项系数u 流动相平均线速度流动相平均线速度 cm/s范第姆特方程式范第姆特方程式56 范第姆特方程式范第姆特方程式提出了影响的三项因素：涡提出了影响的三项因素：涡流扩散项、分子扩散项、流扩散项、分子扩散项、 传质阻力项。传质阻力项。 在流动相流速一定时在流动相流速一定时： 当、小时，小，当、小时，小，n 才高，柱效高。才高，柱效高。 当、大时，大，当、大时，大，n 才少，柱效低。才少，柱效低。57产生原因产生原因（1）涡流扩散项涡流扩散项A（多径项多径项） 在填充色谱柱中，由于柱内固体填充颗粒大小的在填充色谱

33、柱中，由于柱内固体填充颗粒大小的不完全相同，以及填充的不均匀性，当组分随流动不完全相同，以及填充的不均匀性，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似紊乱的类似“涡流涡流”的流动，因而，同一组分的分的流动，因而，同一组分的分子通过色谱柱时，有许多长短不同的路径，到达柱子通过色谱柱时，有许多长短不同的路径，到达柱尾出口有先有后，产生色谱峰扩展，故称涡流扩散。尾出口有先有后，产生色谱峰扩展，故称涡流扩散。58 涡流扩散项计算涡流扩散项计算 A与

34、固定相颗粒大小、几何形状以及装填紧密程与固定相颗粒大小、几何形状以及装填紧密程度有关，与流动相流速无关。度有关，与流动相流速无关。pdA 2填充不规则因子填充不规则因子 填充物颗粒平均直径填充物颗粒平均直径pd59 减小涡流扩散项的措施减小涡流扩散项的措施A 使用适当小颗粒的固定相填充物使用适当小颗粒的固定相填充物B 固定相填充物颗粒粒度要尽量均匀固定相填充物颗粒粒度要尽量均匀C 填充要均匀紧密填充要均匀紧密60（2）分子扩散项）分子扩散项B/u（纵向扩散项）纵向扩散项） 产生原因产生原因 当样品组分在色谱柱内被流动相带向前进时，当样品组分在色谱柱内被流动相带向前进时，由于组分在柱内存在浓度差

35、，因而组分分子随流动由于组分在柱内存在浓度差，因而组分分子随流动相前进时，自发地由浓相前进时，自发地由浓稀方向扩散，产生了纵向稀方向扩散，产生了纵向扩散，使色谱峰展宽。扩散，使色谱峰展宽。61 ：弯曲因子弯曲因子，指填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，指填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，它反映了固定相的几何形状对分子扩散的阻碍情况。它反映了固定相的几何形状对分子扩散的阻碍情况。 D：为组分在流动相中扩散系数（为组分在流动相中扩散系数（c m2s-1）。）。 Dg：组分在气相中扩散系数比液相扩散系数组分在气相中扩散系数比液相扩散系数 Dm大的多（约大的多（约105倍）倍） 分子扩散项计算分子扩散项

36、计算DB 262 减小纵向扩散项减小纵向扩散项u 采取措施：采取措施：A 适当提高流动相流速适当提高流动相流速u，减小保留时间，减减小保留时间，减 小分子扩散引起的峰展宽；小分子扩散引起的峰展宽；B 对于气相色谱，应对于气相色谱，应采用相对分子质量较大的采用相对分子质量较大的 气体作流动相。气体作流动相。 因为：因为：MDDBgg1（扩散系数与载气分子量平方根成反比。）（扩散系数与载气分子量平方根成反比。）C 适当控制较低柱温。适当控制较低柱温。TD 温度升高，组分扩散系数增加，温度升高，组分扩散系数增加，B增加。增加。63（3）传质阻力项）传质阻力项Cu传质：物质由于浓度不均匀而发生的物质迁

37、传质：物质由于浓度不均匀而发生的物质迁 移过程。移过程。 传质阻力：影响传质过程进行的各种因素。传质阻力：影响传质过程进行的各种因素。传质阻力系数传质阻力系数C流动相传质阻力系数流动相传质阻力系数 Cm固定相传质阻力系数固定相传质阻力系数 Cs64 流动相传质阻力系数流动相传质阻力系数 Cm 组分从流动相移动到固定相表面，进行两相组分从流动相移动到固定相表面，进行两相之间的质量交换时所受到的阻力，质量交换慢，之间的质量交换时所受到的阻力，质量交换慢，引起色谱峰变宽。引起色谱峰变宽。mpmDdkkC2221010)(.k 分配比分配比dp 固定相填充物直径固定相填充物直径Dm 组分在流动相中的扩

38、组分在流动相中的扩 散系数散系数65减小流动相传质阻力系数的措施：减小流动相传质阻力系数的措施： A 采用小颗粒固定相填充物；采用小颗粒固定相填充物； B 对于气相色谱，宜采用分子量小的载气，因：对于气相色谱，宜采用分子量小的载气，因：MDDCgg11在分子量小的载气中，组分的扩散系数大，流在分子量小的载气中，组分的扩散系数大，流动相传质阻力小。动相传质阻力小。66 固定相传质阻力系数固定相传质阻力系数 Cs 即组分从两相界面移动到固定相内部，达分配即组分从两相界面移动到固定相内部，达分配平衡后，又返回到两相界面，在这过程中所受到的平衡后，又返回到两相界面，在这过程中所受到的阻力为固定相传质阻

39、力。这一过程需要时间长，固阻力为固定相传质阻力。这一过程需要时间长，固定相传质阻力就大，造成色谱峰变宽。定相传质阻力就大，造成色谱峰变宽。sfsDdkkC22132)( df 固定液液膜厚度固定液液膜厚度Ds: 组分在固定相中的扩散系数。组分在固定相中的扩散系数。67 降低固定液液膜厚度降低固定液液膜厚度(Csdf2)并且液膜要均并且液膜要均匀；若膜厚，扩散费时；但不能太薄，否则包匀；若膜厚，扩散费时；但不能太薄，否则包不住载体。不住载体。 增加组分在固定相中的扩散系数。增加组分在固定相中的扩散系数。减小固定相传质阻力系数减小固定相传质阻力系数 Cs的措施：的措施：（4 4）色谱速率方程式）色

40、谱速率方程式)()(.(sfmpgpDkkdDdkkuDdH22222132101022 68（5）载气流速载气流速u对理论塔板高度对理论塔板高度H的影响的影响色谱速率方程式：色谱速率方程式：若以若以H对流动相流速对流动相流速u作图，得到作图，得到Hu关系曲线：关系曲线：下图为气相色谱和液相色谱的下图为气相色谱和液相色谱的Hu关系曲线关系曲线69GC（a）u有一最低点有一最低点u最佳最佳；u小小或或u大大，H都大都大LC（b）u没有最低点；没有最低点； u大大，H增大不多，因增大不多，因此可用较高的流速，提高分析速度。此可用较高的流速，提高分析速度。uHGC（a）LC（b）70气相色谱中的最佳

41、流速可通过实验和计算方法求得气相色谱中的最佳流速可通过实验和计算方法求得将将 微分：微分：02CuBdudHCBu最佳最佳BCAH2最小最小711）载气流速小的时候载气流速小的时候，分子扩散项，分子扩散项u是影响是影响H的的 主要因素，应选相对分子量大的载气，主要因素，应选相对分子量大的载气，N、Ar； 2）载气流速大的时候载气流速大的时候，传质阻力，传质阻力C u是影响是影响H的主的主 要因素，应选相对分子量小的载气，要因素，应选相对分子量小的载气，H2，Ne，以以 改善传质。改善传质。 可测三种流速对应的板高可测三种流速对应的板高H，解三元一次方程，解三元一次方程，求出求出A、B、C即可求

42、出即可求出u最佳最佳和和H最小最小。 实际工作中，为缩小分析时间，可选略高实际工作中，为缩小分析时间，可选略高u最佳最佳的的流速，常用流速，常用2 u最佳最佳。72 2-3 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择一、一、色谱总分离效能指标色谱总分离效能指标 色谱分析的实质是两组分的完全分离，要达到两色谱分析的实质是两组分的完全分离，要达到两组的完全分离，取决于：组的完全分离，取决于：两组分的色谱峰之间距离足够大；两组分的色谱峰之间距离足够大； （tR相差足够大相差足够大）色谱峰窄色谱峰窄（即柱效率高即柱效率高）。）。73两组分没有完全分离两组分没有完全分离两组分完全分两组分完全分离，但柱效不离，

43、但柱效不高高两组分刚好分离两组分刚好分离A B 74 式中：式中：保留值差别保留值差别是反映了分离组分在两相中分配是反映了分离组分在两相中分配 行为，是色谱分离的行为，是色谱分离的热力学因素热力学因素。 谱峰的宽窄谱峰的宽窄反映了动态过程组分区带的扩宽反映了动态过程组分区带的扩宽 对分离的影响，是色谱分离的对分离的影响，是色谱分离的动力学因素动力学因素。. 分离度分离度R色谱柱的总分离效能指标色谱柱的总分离效能指标)(121221bbRRWWttR定义：相邻两个峰的保留值之差与两峰峰底宽度定义：相邻两个峰的保留值之差与两峰峰底宽度 平均值之比平均值之比。 因此，分离度因此，分离度R R是衡量色

44、谱柱效率的总是衡量色谱柱效率的总性能指标。性能指标。75 两个峰两个峰tR 相差越大，相差越大，W越窄，越窄，R值越大，说值越大，说明柱分离较能高。明柱分离较能高。 R.5 两个组分能完全分开两个组分能完全分开(峰重叠小于峰重叠小于1%)。 R.0 两组分能分开两组分能分开(峰重叠约峰重叠约2%) ，满足分，满足分 析要求。析要求。 R.0 两峰有部分重叠两峰有部分重叠。)(121221bbRRWWttR76772. . 分离度与色谱柱效能、选择性分离度与色谱柱效能、选择性柱效能柱效能指色谱柱在分离过程中的分离效能，指色谱柱在分离过程中的分离效能， 常用常用n，H来描述，对单个组分而言，来描述

45、，对单个组分而言， n 越大，越大，H越小，越小， 柱效越高。柱效越高。(动力学因素动力学因素)对多个组分的分离来说，无法用对多个组分的分离来说，无法用n，H 来描述，来描述，n 大，大，H小，几个峰未必小，几个峰未必分的开。分的开。(当当r r接近于接近于1 1时时)78121 , 2RRttr选择性选择性描述两个相邻组分在同一固定相中热力描述两个相邻组分在同一固定相中热力 学分配行为的重要参数，用学分配行为的重要参数，用r r2,12,1相对保留相对保留 值表示。值表示。 r r2,12,1越大，保留时间相差大，越大，保留时间相差大， 分离越好（分离越好（但未考虑动力学因素但未考虑动力学因

46、素）79二、色谱分离基本方程式二、色谱分离基本方程式1. 公式推导公式推导 设两个相邻的色谱峰设两个相邻的色谱峰A、B，假设两峰底宽相假设两峰底宽相等，即：等，即：)()(AbBbWWBA)(ARt)(BRt80)()()()()(AbBbARBRWWttR21代入分离度公式：代入分离度公式：根据色谱基本保留方程：根据色谱基本保留方程：)1 ()(AMARktt)()(BMBRktt1)()()()()(BbABMBbAMBMWkktWktkt1181又：又：2)()()(16BbBRWtn nktntWBMBRBb)()()(144代入上式得：代入上式得：)()()()(BABBbABMkk

47、knWkktR14BABBBkkkkkn1482BABBBkkkkknR14)(rrkknRBB114ABABBBkkkkkknR114ABkkr 83)(rrkknRBB114分离度与色谱热力学、动力学关系（分离度与色谱热力学、动力学关系（1）21)(kknn有效有效根据理论塔板数与有效塔板数关系：根据理论塔板数与有效塔板数关系：)(rrnR14有效有效分离度与色谱热力学、动力学关系（分离度与色谱热力学、动力学关系（2）842. . 分离度与柱效、柱容量、选择性的关系分离度与柱效、柱容量、选择性的关系)(rrkknRBB11485A:柱效项：柱效项：nR 增加理论塔板数是提高分离度的最有效手

48、段。增加理论塔板数是提高分离度的最有效手段。增加色谱柱长增加色谱柱长L，但柱太长，分析时但柱太长，分析时间增加，不合算；间增加，不合算；增加增加 nHLn 提高柱效（降低提高柱效（降低H），），是提高分离度是提高分离度的最有效方法。的最有效方法。86B：柱容量项柱容量项：k大一些对分析有利；太大，大一些对分析有利；太大，分析时分析时 间间长，柱容量合适长，柱容量合适, ,分得才好。分得才好。 一般一般1 k 10（理想理想 2 k 5）k 较小时，较小时，R随随 k增加迅速增加；增加迅速增加；k 较大时，较大时，R随随 k增加，增加缓慢；增加，增加缓慢；Rkk1kkR187C：选择性项：选择性

49、项：r r2,1越大，越大，tR（B）与与tR（A） 相差越相差越 大，分的越好。大，分的越好。rrR1r越大，越大，rr1越大，有利于分离。越大，有利于分离。特别地，特别地，当当01Rr两组分根本不能分离。两组分根本不能分离。883. . 色谱分析对分离度的要求色谱分析对分离度的要求定性分析定性分析 80.R峰高法定量峰高法定量 01.R峰面积定量峰面积定量 251.R89 2-6 色谱定性分析方法色谱定性分析方法色谱定性分析的任务是确定色谱图上各个色谱峰代色谱定性分析的任务是确定色谱图上各个色谱峰代表什么物质。表什么物质。各种物质在一定色谱条件下，均有确定的保留值，因此，各种物质在一定色谱

50、条件下，均有确定的保留值，因此，色谱保留值可作为一种定性指标。色谱保留值可作为一种定性指标。不同物质在同一色谱条件下，可能具有相同或相似的保留不同物质在同一色谱条件下，可能具有相同或相似的保留值，即保留值并非物质的专属性质，因此，仅仅根据保留值值，即保留值并非物质的专属性质，因此，仅仅根据保留值对一个求知样进行定性分析有困难。通常结合样品来源、性对一个求知样进行定性分析有困难。通常结合样品来源、性质、分析目的等，并根据具体方法来进行定性分析更为有效。质、分析目的等，并根据具体方法来进行定性分析更为有效。90 一、一、利用标准物质对照定性利用标准物质对照定性 在相同色谱条件下，将在相同色谱条件下

51、，将标准物标准物和和样品样品分别进样，分别进样，若两者保留值相同，可能为同一物质，否则不是。若两者保留值相同，可能为同一物质，否则不是。 此方法要求操作条件稳定、一致，必须严格控制此方法要求操作条件稳定、一致，必须严格控制操作条件，尤其是流速。操作条件，尤其是流速。9192二二、利用峰高增量定性、利用峰高增量定性 若样品复杂，流出峰距离太近，或操作条件不若样品复杂，流出峰距离太近，或操作条件不易控制，可将易控制，可将已知物加到样品已知物加到样品中，混合进样，若被中，混合进样，若被测组分峰高增加了，则可能含该已知物。测组分峰高增加了，则可能含该已知物。三三、利用相对保留值定性、利用相对保留值定性

52、r 只与固定相类只与固定相类别、柱温有关，别、柱温有关，与具体色谱条件与具体色谱条件无关。无关。 方法：在一定的固定相及柱温下，分别测定方法：在一定的固定相及柱温下，分别测定组分和基准物的调整保留值，计算出组分和基准物的调整保留值，计算出r值后，与同值后，与同样条件下的文献值比较，找出对应的物质。样条件下的文献值比较，找出对应的物质。93四四、利用保留指数定性、利用保留指数定性 保留指数保留指数又称柯瓦（又称柯瓦（Kovets）指数，是目前指数，是目前国际公认的定性指示。国际公认的定性指示。方法方法：1. 人为规定：正构烷烃的保留指数为其碳数乘以人为规定：正构烷烃的保留指数为其碳数乘以 100

53、，即：，即： 100zC2. 选择两个正构烷烃为基准物，使被测物的调整选择两个正构烷烃为基准物，使被测物的调整 保留值位于所选正构烷烃之间保留值位于所选正构烷烃之间3. 将含待测物及所选两个正构烷烃混合物注入将含待测物及所选两个正构烷烃混合物注入 一定固定相的色谱柱内，在一定条件下，测一定固定相的色谱柱内，在一定条件下，测 得色谱图。得色谱图。94进样进样 色谱柱色谱柱检测器检测器流动相流动相废弃流动相废弃流动相CzX 混合物混合物Cz+n95t)(zRt)(xRt)(nzRt964 4. . 计算保留指数计算保留指数 大量实验结果表明：保留指数与调整保留时间大量实验结果表明：保留指数与调整保

54、留时间对数值呈线性关系，因而可用内插法求出未知组分对数值呈线性关系，因而可用内插法求出未知组分保留指数：保留指数：保留指数保留指数z100)(nz 100?xI)(logzRt)(logxRt)(lognzRt)()()()(loglog)(loglogzRnzRzRxRxttznzttzI10010010097)()()()(loglogloglogzRnzRzRxRxttttnzI100式中，式中，z 为碳原子数少的正构烷烃的碳原子数为碳原子数少的正构烷烃的碳原子数 n 两个正构烷烃碳原子差数两个正构烷烃碳原子差数若若 n = 1，即所选为两个相邻的两个正构烷烃。即所选为两个相邻的两个正构

55、烷烃。)()()()(loglogloglogzRnzRzRxRxttttzI10098五、五、与其它分析仪器联用的定性方法与其它分析仪器联用的定性方法色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪；99定量分析定量分析任务任务：求混合物中各组分的百分含量。：求混合物中各组分的百分含量。定量分析定量分析依据依据：在一定操作条件下，被测组分的：在一定操作条件下，被测组分的 质量（或浓度）与检测器的响应质量（或浓度）与检测器的响应 信号成正比。信号成正比。iiiAfm 被测组分质量被测组分质量im被测组分峰面积被测组分峰面积iA被测组分校正因子被测组分校正因子if 2-7 色谱定量分

56、析方法色谱定量分析方法100一、一、峰面积计算法峰面积计算法1. 峰高乘以半峰宽法峰高乘以半峰宽法 对于对称峰，符合高斯分布对于对称峰，符合高斯分布210651hWA.2. 峰高乘以平均峰宽法峰高乘以平均峰宽法 对于不对称峰，可在峰高对于不对称峰，可在峰高0.15及及0.85处分别处分别峰宽，再取平均值。峰宽，再取平均值。)(.85015021WWhA3. 自动积分法自动积分法 仪器自动积分后，给出峰面积（现代仪器仪器自动积分后，给出峰面积（现代仪器基本功能）。基本功能）。101二二、定量校正因子定量校正因子 色谱定量分析是基于色谱定量分析是基于峰面积与组分的量成峰面积与组分的量成正比关系正比

57、关系。 但由于同一检测器对但由于同一检测器对不同物质具有不同的不同物质具有不同的响应值，即不同物质检测器的灵敏度不同响应值，即不同物质检测器的灵敏度不同，相同相同的峰面积并不意味着有相等的量的峰面积并不意味着有相等的量。峰面积取决于峰面积取决于组分质量组分质量组分性质组分性质 因此，不能根据色谱峰面积直接计算组分含因此，不能根据色谱峰面积直接计算组分含量，需对峰面积进行校正。量，需对峰面积进行校正。102 1. 1. 绝对校正因子绝对校正因子绝对校正因子绝对校正因子：单位峰面积对应组分的质量单位峰面积对应组分的质量。 iiiAmf im单位用单位用g时，称质量校正因子时，称质量校正因子mf单位

58、用单位用mol L-1 时，称摩尔校正因子时，称摩尔校正因子Mf单位用体积时，称体积校正因子单位用体积时，称体积校正因子Vf103绝对校正因子使用不便，因为：绝对校正因子使用不便，因为：if难测，标样质量要准确进样，同时，峰面积难测，标样质量要准确进样，同时，峰面积与条件有关；与条件有关；测量测量 与使用与使用 值时条件要相同，很不方便。值时条件要相同，很不方便。ifif定义定义：某组分的相对校正因子为组分与选定标准某组分的相对校正因子为组分与选定标准 物的绝对校正因子之比。物的绝对校正因子之比。2. 相对校正因子相对校正因子if104siifff isisssiiimmAAAmAmfismm 当当isiAAf 可见，相对校正因子就是当组分的质量与标准物可见，相对校正因子就是当组分的质量与标准物质质量相等时，标准物质的峰面积是组分峰面积的倍质质量相等时，标准物质的峰面积是组分峰面积的倍数。数。105,时时当当ismm siiAAf 即质量为即质量为