气相色谱理论基础

1、气相色谱理论基础原理分类【情节1】食品添加剂的检测，一个学生进入自选超市，拿起一袋零食，包装袋上有各种成分的含量，这些含量是怎么检测出来的呢？通常由两种方法：一种是先将各组分分离开，然后对已分离的组分进行测定；另一种是不需将组分分离开，直接对感兴趣的组分进行测定。其中第一种分离、分析方法也就是常用的色谱法。近代首先认识到这种分离现象和分离方法大有可为的是俄国的植物学家茨维特。【知识点1】茨维特的经典实验1906年，俄国植物学家茨维特（M.S.Tswett）在研究植物色素的过程中，做了一个经典的实验；在一根玻璃管的狭小一端塞上一小团棉花，在管中填充沉淀碳酸钙，这就形成了一个吸附柱，然后将其与吸滤

2、瓶连接，使绿色植物叶子的石油醚抽取液自柱通过。结果植物叶子中的几种色素便在玻璃柱上展开：留在最上面的是两种叶绿素；绿色层下面接着叶黄质；随着溶剂跑到吸附层最下层的是黄色的胡萝卜素。如此则吸附柱成了一个有规则的、与光谱相似的色层。接着他用纯溶剂淋洗。使柱中各层进一步展开，达到清晰的分析。然后把该潮湿的吸附柱从玻璃管中推出，依色层的位置用小刀切开，于是各种色素就得以分离。再用醇为溶剂将它们分别溶下，即得到了各成分的纯溶液。【思考题1】俄国植物学家茨维特用于分离植物色素的色谱法属（ ）色谱法。【情节2】气相色谱法可比喻为一群运动员在一条泥泞的道路顺风赛跑，他们同时起跑后，因本身体力差异及道路、风力的

3、影响，相互间的距离逐渐增大，最后于不同的时间到达终点。若把欲分离的组分视为运动员，固定相与流动相各为道路上的泥泞与顺风，色谱柱为道路，那么可以将色谱法分离、分析的原理写成：利用组分在体系中固定相与流动相的分配有差异，当组分在两相中反复多次进行分配并随流动相向前移动，各组分沿色谱柱运动的速度就不同，分配系数小的组分较快地从色谱柱流出。【知识点2】分类和基本原理一气相色谱法是以惰性气体（又称载气）作为流动相，以固定液或固体吸附剂作为固定相的色谱法。气相色谱法按不同的分类方式可分为不同的类别：（1） 气相色谱法按使用固定相的类型分为气液色谱法和气固色谱法。以固相液（如聚甲基硅氧烷类、聚乙二醇类等固定

4、液）作为固定相的色谱法称为气液色谱法，以固体吸附剂（如分子筛、硅胶、氧化铝、高分子小球等）作为固定相的色谱法称为气固色谱法。在气液色谱法中，基于不同的组分在固定液中溶解度的差异实现组分的分离。当载气携带被测样品进入色谱柱后，气相中的被测组分就溶解到固定液中。载气连续流经色谱柱，溶解在固定液中的组分会从固定液中挥发到气相中，随着载气的流动，挥发到气相中的组分又会溶解到前面的固定液中。这样反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥发，实现被测组分的分离。由于各组分在固定液中的溶解度不同，溶解度大的组分较难挥发，停留在色谱柱中的时间就长些；而溶解度小的组分易挥发，停留在色谱柱中的时间就短些，经过一定时间后，各

5、组分就彼此分离并依次流出色谱柱被检测器检测。在气固色谱法中，主要是基于不同的组分在固体吸附剂上吸附能力的差别实现组分的分离。气固色谱中的固定相是一种具有多孔性及比表面积较大的吸附剂。样品由载气携带进入色谱柱时，立即被吸附剂所吸附。载气不断通过吸附剂，使吸附的被测组分被洗脱下来，洗脱的组分随载气流动，又被前面的吸附剂所吸附。随着载气的流动，被测组分在气固吸附剂表面进行反复的吸附、解吸。由于各被测组分在气固吸附剂表面吸附能力不同，吸附能力强的组分停留在色谱柱中的时间就长些；而吸附能力弱的组分停留在色谱柱中的时间就短些，经过一定时间后，各组分就彼此分离并依次流出色谱柱被检测器检测。被测组分在流动相与

6、固定相之间的吸附、解吸和溶解、挥发的过程，称为分配过程。气相色谱分离的基本原理即是基于被测组分在色谱柱内流动相和固定相分配系数的不同而实现分离的。当载气携带样品进入色谱柱后，样品中的各个组分就在两相间进行多次的分配，即使原来分配系数相差较小的组分也会在色谱分离过程中分离开来。（2） 按照使用的色谱柱的内径可分为填充柱色谱法、毛细管柱色谱法以及大口径柱色谱法。填充柱色谱法一般采用内径为3mm或2mm的不锈钢柱或玻璃柱作为分离柱，填充柱色谱法有较好的柱容量，但柱效相对较低。适用于较简单组分的分离测定；毛细管柱色谱法一般采用内径为0.2mm、0.25mm、0.32mm的石英柱作为分离柱，现在也有采用

7、0.1mm内径的石英柱作为分离柱用于复杂组分的分析。用于高温分析的色谱柱一般使用不锈钢柱。在毛细管气相色谱柱中，使用的色谱柱柱长一般在1530m，复杂的石油组分分析一般采用50m的柱长，有的色谱柱长达到100m。毛细管柱色谱法有较高的柱效，但柱容量低。大口径柱一般为0.53mm内径的毛细管柱，柱效和柱容量介于填充柱色谱法和毛细管柱色谱法之间，适用于复杂组分的分析。填充柱气液色谱法中，一般需要将固定液涂在化学惰性的固体微粒（此固体用来支持固定液，称为担体或载体）表面上，常用的载体包括硅藻土载体和非硅藻土载体，多数使用硅藻土载体。硅藻土载体包括红色载体和白色载体，红色载体结合非极性固体液使用，白色

8、载体结合极性固体液使用。非硅藻土载体包括氟载体、玻璃微株及高分子小球等。在填充柱气液色谱中，使用的固定液包括非极性的固定液（如聚甲基硅氧烷类固定液）、极性的固定液（如聚乙二醇类固定液）和用于手性化合物分离的环糊精类固定相等。而气液毛细管色谱法则是直接涂一层高沸点邮寄化合物并形成一层均匀的液膜，涂柱的方式包括涂覆法、化学键合法和交联法，在填充柱气液色谱中使用的固定相也适用于气液毛细管色谱法中。在气固色谱法中，一般使用固体吸附剂作为固定相，包括填充柱气固色谱法和毛细管PLOT柱（多孔层开管毛细管色谱柱）法。对于填充柱气固色谱法，一般将固体吸附剂装填在玻璃或不锈钢柱内，常用的固体吸附剂包括分子筛（常

9、用的有5A分子筛和13X分子筛）、硅胶、氧化铝、碳分子筛以及高分子小球等，高分子小球一般多用苯乙烯和二乙烯基苯的聚合物。毛细管PLOT柱色谱法中，使用的固定相与填充柱气固色谱法使用的固定相类型一致。由于活性（或极性）分子在吸附剂上的半永久性滞留（吸附-脱附过程为非线性的），导致色谱峰严重拖尾，气固色谱法的应用领域相对气液色谱法要窄，一般多用于较低分子量和低沸点气体组分或相对较简单组分的分析。【思考题2】气液色谱法的固定相是（ ）；气固色谱法的固定相是（ ）。【知识点3】基本原理二：实现色谱分离的先决条件是具备固定相和流动相。色谱分离能够实现的内因是由于固定相与被分离的各组分发生的吸附（或分配）

10、作用的差异。组分间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的。实现色谱分离的分离外因是由于流动相的不间断流动。由于流动相的流动使被分离的组分与固定相发生反复多次的吸附（或溶解）、解吸（或挥发）过程，这样就使那些在同一固定相上吸附（或分配）系数只有微小差别的组分，在固定相上的移动速度产生了很大的差别，从而达到了各个组分的完全分离。此外，色谱分析法具有物理分离方法的一般优点，即进行操作时不会损失混合物中的各个组分，不改变原有组分的存在形态也不生成新的物质。因此若用色谱法分理出某一物质，则此物质必存在于原始样品之中。分配系数和吸附系数一定条件下，对样品中的某一组分来说：1）分配系数是针对气液色谱而言的。

11、KPCsCm。 式中：Cs为该组分在固定液中的浓度， Cm为该组分在流动相中的浓度。2）吸附系数是针对气固色谱而言的。KA=m/VM 式中：m为1ml吸附剂中该组分的克数； VM为1ml流动相该组分的克数。3）分配比k，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的物质的量比。即：定义流动相与固定相的体积比较相比，用表示【思考题3】基本原理三：色谱分析法是（ ）分离方法？组分间的距离是由组分在两相间的（ ）决定的。【情节4】如果色谱柱比作是跑道，那么色谱图就是运动员比赛的成绩信息。色谱图是以组分的流出时间（t）为横坐标，以检测器对各组分的电讯号响应值（mV）为纵坐

12、标。色谱图上可得到一组色谱峰，每个峰代表样品中的一个组分。由每个色谱峰的峰位、峰高和峰面积、峰的宽窄及相邻峰间的距离都可获得色谱分析的重要信息。【知识点4】基本原理三：（1）保留时间与容量因子在整个色谱分离过程中，流动相始终是以一定的流速（或压力）在固定相中流动的，并将溶质带入色谱柱。溶质因分配、吸附等相互作用，进入固定相后，即在固定相表面与功能层分子作用，从而在固定相中保留。同时，溶质又被流动相洗脱下来，进入流动相。与固定相作用越强的溶质在固定相中的保留时间就越长。 从色谱柱流出的溶液（柱流出物）进入检测器连续测定，得到如图7-1所示的色谱图，即柱流出物中溶质浓度随时间变化的曲线，直线部分是

13、没有溶质流出时流动相的背景响应值，称作基线（base line）。在基线平稳后，通常将基线响应值设定为零，再进样分析。溶质开始流出至完全流出所对应的峰型部分称色谱峰（peak），基线与色谱峰组成了一个完整的色谱图（chromatogram）。死时间(dead time)： 在色谱柱中无保留的溶质从进样器随流动相到达检测器所需要的时间，通常用t0表示。溶质保留时间（solute retention time）： 或称真实保留时间，是溶质因与固定相作用在色谱柱中所停留的时间，它不包含死时间，通常用ts表示。保留时间（retention time）： 是tS与t0之和，通常用tR表示，即tR = t

14、0 + tS容量因子（capacity factor）： 对于有效的色谱分离，色谱柱必须具有保留溶质的能力，而且还能使不同溶质之间达到足够大的分离。色谱柱的容量因子k'是溶质离子与色谱柱填料相互作用强度的直接量度，由下式定义：                        式中VR 和V0 分别为总保留体积和空保留体积。（2） 色谱峰的对称性高斯（Gaussi

15、an）曲线： 在理想情况下，色谱峰的形状可以近似地用高斯曲线描述（图7-2）。图中为标准偏差（拐点处的半峰宽），h为最大峰高，w为峰宽。在任意给定位置x处的峰高y可以用下式描述：不对称因子（asymmetry）： 在实际的色谱过程中，溶质从色谱柱中流出时，很少符合高斯分布，而是具有一定的不对称性。我们可以定义一个不对称因子As来定量地表示色谱峰的不对称程度，如图7-3所示，将10峰高处前半峰的宽度设为a, 同高度处后半峰的宽度设为b，将b与a的比值定义为不对称因子As，即拖尾峰（tailing peak）： 当As大于1时，色谱峰的形状是前半部分信号增加快，后半部分信号减少慢。引起峰拖尾的主要

16、原因是溶质在固定相中存在吸附作用，因此，拖尾峰也称为吸附峰。伸舌峰（leading peak或fronting peak）： 当As小于1时，色谱峰是前半部分信号增加慢，后半部分信号减小快。因为伸舌峰主要是固定相不能给溶质提供足够数量合适的作用位置，使一部分溶质超过了峰的中心，即产生了超载，所以也称超载峰。（3） 分离度色谱分析的目标就是要将混合物中的各组分分离，两个相邻色谱峰的分离度R（resolution）定义为两峰保留时间差与两峰峰底宽平均值之商，即式中tR1和tR2分别为峰1和峰2的保留时间；w1和w2分别为峰1和峰2在峰底（基线）的峰宽，即通过色谱峰的变曲点（拐点）所作三角形的底边长

17、度。如果色谱峰呈高斯分布，则分离度R=2（相当于8分离）即可完全满足定量分析的需要。因为在基线位置的峰宽w为4，R=2时，两个峰完全达到了基线分离。通过调节色谱条件还可获得更高的R值，不过这时的代价将是分析时间增加。如果两组分浓度相差不是太大，分离度R=0.5时，仍然可以看得出两个峰的峰顶是分开的。（4） 选择性系数两个组分达到分离的一个决定性参数就是两组分的相对保留值，将其定义为两个色谱峰真实保留时间ts之比，称作选择性系数，即计算选择性系数所需参数也可以从色谱图（图7-4）中获得。选择性系数主要由固定相的性质所决定，在高效液相色谱（HPLC）中，选择性系数也受流动相组成的影响。当选择性系数

18、=1时，则说明在给定的色谱条件下，两组分不存在热力学上的差异，无法实现相互分离。【思考题4】基本原理三：何谓选择性因子？如何表达？如何应用选择性因子评价色谱柱的分离选择性？【情节5】色谱过程动力学研究物质在色谱过程中的运动规律，如解释色谱流出曲线的形状、谱带展宽的机理，从而为选择色谱分离条件提供理论指导。用严格的数学公式表述色谱理论需要根据溶质在柱内的迁移过程及影响这一过程的各种因素，列出相应的偏微分方程组，求出描述色谱谱带运动的方程式。其数学处理相当复杂，方程组的求解也非常困难。在实际研究中，通常要进行适当的条件假设并作简化的数学处理。【知识点5】塔板理论（1）理论塔板数塔板理论把气液色谱柱

19、当作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念描述溶质在两相间的分配行为，并引入理论塔板数（the number of theoretical plates）N和理论塔板高度（theoretical plate height）H作为衡量柱效的指标。根据塔板理论，溶质进入柱入口后，即在两相间进行分配。对于正常的色谱柱，溶质在两相间达到分配平衡的次数在数千次以上，最后，"挥发度"最大（保留最弱）的溶质最先从"塔顶"（色谱柱出口）逸出（流出），从而使不同"挥发度"（保留值）的溶质实现相互分离。理论塔板数N可以从色谱图中溶质色谱峰的有关参数计算，常用的计算公式有以下两式： 式中：tR是组分的保留时间；b1/2为半峰