第2讲色谱分析法

1、第二讲色谱分析第二讲色谱分析第第2章章 气相色谱分析法气相色谱分析法（Gas Chromatography,GC）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 一、色谱法简介一、色谱法简介 色谱法也叫色谱法也叫层析法层析法，它是一种，它是一种高效能的物理高效能的物理分离技术分离技术，将它用于分析化学并配合适当的检测，将它用于分析化学并配合适当的检测手段，就成为手段，就成为色谱分析法色谱分析法。 色谱法的最早应用是在色谱法的最早应用是在1906年俄国植物学家年俄国植物学家茨维特茨维特(Tswett)用于分离植物色素时采用，其方法用于分离植物色素时采用，其方法是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙

2、，将含有植是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。第一节第一节 概概 述述YANGTZE NORMAL UNIVERSITY色谱起源色谱起源加入石油醚分层胡萝卜素胡萝卜素叶黄素叶黄素叶绿素叶绿素A、B Chromatography 原理: 基于物质在不同相之间具有不同的分配系数引起的分离 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断

3、地向下移动，并逐渐分开成几个不入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。名。 现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原理方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原理仍然是一样的。我们仍然叫它仍然是一样的。我们仍然叫它色谱法色谱法。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 在色谱法中，将填入玻在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动璃管或不

4、锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为的一相（固体或液体）称为固定相固定相 ； 自上而下运动的一相自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为（一般是气体或液体）称为流动相流动相 ； 装有固定相的管子（玻装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为璃管或不锈钢管）称为色谱色谱柱柱 。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用；固定相发生作用； 由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异；相互作用的类型、强弱也有差异； 因此在同一推

5、动力的作用下，不同组分在固定因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同；从而按先后不同的次序从固相滞留时间长短不同；从而按先后不同的次序从固定相中流出。定相中流出。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY色谱法发展的历史色谱法发展的历史： 1906年俄国植物学家Tswett命名自己发明的分离植物色素的新方法为色谱法。因为他并不是一个著名的学者，因此他发表出来的文章并没有得到重视。 1931年，德国的Kuhn和Lederer重复了Tswett的实验，得到很好的结果，色谱法因此得到很大的推广。 1940年，Martin和Synge提出了液液分配色谱法，又把塔板的概念引入色

6、谱法中，初步建立了塔板理论。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 1941年， Martin和Synge提出了用气体代替流体做流动相的可能性，在他们发展了完整的气液色谱法之后，获得了1952年的诺贝尔化学奖。 1957年，Golay开展了开管柱气相色谱。 1963年， Giddings把高压泵和键合相固定相结合，出现了高效液相色谱。 随后，出现了色谱法和其他检测技术的联用，例如GC-MS、GC-IR等。 上个世纪八十年代，毛细管电泳出现，此后得到长足的发展，并不断出现新的模式，一直成为研究的热点。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY二、色谱法的分类二、色谱法的分类

7、色谱分析法有很多种类，从不同的角色谱分析法有很多种类，从不同的角度出发可以有不同的分类方法。度出发可以有不同的分类方法。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（一）从两相的物理状态分类：（一）从两相的物理状态分类： 色谱法中，色谱法中，流动相流动相可以是可以是气体气体，也可，也可以是以是液体液体，由此可分为气相色谱法（，由此可分为气相色谱法（GC）和液相色谱法（和液相色谱法（LC）。固定相既可以是）。固定相既可以是固固体体，也可以是涂在固体上的，也可以是涂在固体上的液体液体，由此又，由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气可将气相色谱法和液相色谱法分为气-液色液色谱、气谱、气-固色谱

8、、液固色谱、液-固色谱、液固色谱、液-液色谱。液色谱。流动相流动相还可以是还可以是超临界流体超临界流体。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物质通常有三种物质通常有三种状态：气态，液状态：气态，液态和固态。态和固态。除了这三种常见除了这三种常见的状态外物质还的状态外物质还有另外的一些状有另外的一些状态，如等离子状态，如等离子状态、超临界状态态、超临界状态等。等。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 物质处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上状态时，向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液态性质，同时还保留气体性能，这种状态的流体称为超临界流体（

9、Supercritical Fluid,简称SCF）。 高于临界温度和临界压力的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相界面消失，性质非常接近，以至于无法分辨，故称之为超临界流体。 这种流体(SCF)兼有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY色谱法色谱法液相色谱法液相色谱法气相色谱法气相色谱法气气-液色谱法液色谱法气气-固色谱法固色谱法液液-固色谱法固色谱法液液-液色谱法液色谱法超临界流体色谱法超临界流体色谱法分类情况如下分类情况如下：YANGTZE NORMAL UN

10、IVERSITY（二）按固定相的形式分类：（二）按固定相的形式分类： 按固定相的状态可分为柱色谱和平板色谱：按固定相的状态可分为柱色谱和平板色谱：柱色谱柱色谱：固定相装在色谱柱中；：固定相装在色谱柱中；平板色谱平板色谱：固定相呈平板状的色谱，它又可分：固定相呈平板状的色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。为薄层色谱和纸色谱。 薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃 板或塑料板或塑料板上制成薄层作固定相；板上制成薄层作固定相； 纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相。水作固定相。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（三）按分

11、离原理分类：（三）按分离原理分类：可分为：可分为：吸附色谱法吸附色谱法：利用吸附剂（固定相：利用吸附剂（固定相 一般是固一般是固体）表面对不同组分吸附能力的差别进行分体）表面对不同组分吸附能力的差别进行分离的方法；离的方法；分配色谱法分配色谱法：利用不同组分在两相间的分配：利用不同组分在两相间的分配系数的差别进行分离的方法。系数的差别进行分离的方法。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY离子交换色谱离子交换色谱：利用溶液中不同离子与离子：利用溶液中不同离子与离子交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方法。法。空间排斥（阻）色谱法空间排斥（阻）色谱

12、法：利用多孔性物质对：利用多孔性物质对不同大小的分子的排阻作用进行分离的方法。不同大小的分子的排阻作用进行分离的方法。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY空间排斥（阻）色谱空间排斥（阻）色谱Size Exclusion ChromatographyM.W.tRYANGTZE NORMAL UNIVERSITY空间排斥（阻）色谱空间排斥（阻）色谱Size Exclusion ChromatographyM.W.tRYANGTZE NORMAL UNIVERSITY空间排斥（阻）色谱空间排斥（阻）色谱Size Exclusion ChromatographyM.W.tRYANGTZE

13、 NORMAL UNIVERSITY空间排斥（阻）色谱空间排斥（阻）色谱Size Exclusion ChromatographyM.W.tRYANGTZE NORMAL UNIVERSITY空间排斥（阻）色谱空间排斥（阻）色谱Size Exclusion ChromatographyM.W.tRYANGTZE NORMAL UNIVERSITY三、气相色谱分离过程及有关术语三、气相色谱分离过程及有关术语 （一）气相色谱分离过程（一）气相色谱分离过程 （二）气相色谱的常用术语（二）气相色谱的常用术语YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（一）气相色谱分离过程（一）气相色谱分离过程Y

14、ANGTZE NORMAL UNIVERSITYYANGTZE NORMAL UNIVERSITY 试样中各组分经色谱柱分离后，随气试样中各组分经色谱柱分离后，随气体依次流入检测器，检测器将各组分浓度体依次流入检测器，检测器将各组分浓度变化转换成电信号，在记录仪上记录为检变化转换成电信号，在记录仪上记录为检测器响应随时间变化的微分曲线，即色谱测器响应随时间变化的微分曲线，即色谱流出曲线，也称流出曲线，也称色谱图色谱图（见图（见图2-3）。）。 （二）气相色谱的常用术语（二）气相色谱的常用术语YANGTZE NORMAL UNIVERSITY色谱图色谱图：若干物质的流出曲线，即在不同时间上的：若

15、干物质的流出曲线，即在不同时间上的浓度或者响应的大小。浓度或者响应的大小。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 1、基线、基线（Base-line） 无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY2、色谱峰（、色谱峰（Peak of Chromatogram）曲线上突起部分就是色谱峰。曲线上突起部分就是色谱峰。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 色谱峰的对称性色谱峰的对称性 高斯（高斯（GaussianGaussian）曲线）曲线 不对称因子（不对称因子（asymmetryas

16、ymmetry） 拖尾峰（拖尾峰（tailing peaktailing peak） 伸舌峰（伸舌峰（leading peakleading peak或或fronting peakfronting peak） 高斯曲线：高斯曲线： 在理想情况下在理想情况下( (进样量很小，进样量很小，浓度很低，在吸附或分配等温线的线性范围浓度很低，在吸附或分配等温线的线性范围内内) )，色谱峰的形状可以近似地用高斯曲线描，色谱峰的形状可以近似地用高斯曲线描述。图中述。图中 为标准偏差（拐点处的半峰宽），为标准偏差（拐点处的半峰宽），h h为最大峰高，为最大峰高，w wb b为峰宽。为峰宽。YANGTZE NO

17、RMAL UNIVERSITY 不对称因子：不对称因子： 在实际的色谱过程中，溶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，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。而是具有一定的不对称性。 我们可以定义一个不对称因子我们可以定义一个不对称因子AsAs来定量来定量地表示色谱峰的不对称程度，将地表示色谱峰的不对称程度，将1010峰高处峰高处前半峰的宽度设为前半峰的宽度设为a, a, 同高度处后半峰的宽度同高度处后半峰的宽度设为设为b b，将，将b b与与a a的比值定义为不对称因子的比值定义为不对称因子AsAs，即即abAsabAsYANGTZE NORMAL

18、 UNIVERSITY拖尾峰：拖尾峰： 当当AsAs大于大于1 1时，色谱峰的形状是前半时，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。引起部分信号增加快，后半部分信号减少慢。引起峰拖尾的主要原因是溶质在固定相中存在吸附峰拖尾的主要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。作用，因此，拖尾峰也称为吸附峰。 伸舌峰：伸舌峰：当当AsAs小于小于1 1时，色谱峰是前半部分信号时，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

19、分溶质超过了峰的中心，即产用位置，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。生了超载，所以也称超载峰。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY3、色谱峰高（、色谱峰高（the Height of Peak of Chromatogram）色谱峰顶点与基线之间的垂直距离色谱峰顶点与基线之间的垂直距离hYANGTZE NORMAL UNIVERSITY4 4、色谱峰区域宽度、色谱峰区域宽度 （Regional width of Regional width of Peak of Peak of ChromatogramChromatogram） 色谱峰的区域宽度是色谱流

20、出曲线的重色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一。要参数之一。 用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素，其宽度越窄越好动力学因素，其宽度越窄越好 。表示色谱峰区域宽度通常有表示色谱峰区域宽度通常有三种方法三种方法。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY.标准偏差标准偏差 （它是（它是0.607倍峰高处色谱峰宽的一半）倍峰高处色谱峰宽的一半）.半高峰宽半高峰宽Y（ Y =2.354 ）.色谱峰底宽（色谱峰底宽（色谱峰两侧拐点上的切线在基线上色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离）截距间的距离） Wb（ Wb=4 ）YANGTZE NO

21、RMAL UNIVERSITY 5、保留值（、保留值（Retation Value）是试样各组分在）是试样各组分在色谱柱中保留行为的量度，它反映了组分与固色谱柱中保留行为的量度，它反映了组分与固定相间作用力大小，通常用保留时间和保留体定相间作用力大小，通常用保留时间和保留体积表示。积表示。 （1）保留时间（）保留时间（ Retation Time）tR 指某组分通指某组分通过色谱柱所需要的时间，即从进样到出现某组过色谱柱所需要的时间，即从进样到出现某组分色谱峰最大值的时间，单位为分色谱峰最大值的时间，单位为min或或s。在一。在一定的色谱体系和操作条件下，任何一种化合物定的色谱体系和操作条件下

22、，任何一种化合物都有一定的保留时间，这是色谱定性分析的依都有一定的保留时间，这是色谱定性分析的依据。据。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（2）死时间（）死时间（Dead Time）tM 不被固定相吸不被固定相吸附或溶解的气体（如空气、甲烷）从进样到附或溶解的气体（如空气、甲烷）从进样到出现其色谱峰最大值所需要的时间，也是气出现其色谱峰最大值所需要的时间，也是气体流经色谱柱中空隙所需要的时间。体流经色谱柱中空隙所需要的时间。（3）调整保留时间（）调整保留时间（Adjust Retation Time）tR 扣除死时间之后的保留时间：扣除死时间之后的保留时间： tR = tR t

23、M ，它反映了组分在色谱过程中，与固定相它反映了组分在色谱过程中，与固定相相互作用所消耗的时间，是各组分产生差速相互作用所消耗的时间，是各组分产生差速迁移的物理化学基础。迁移的物理化学基础。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 保留时间是色谱法定性的基本依据，保留时间是色谱法定性的基本依据，但但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响。响。 因此色谱工作者有时也用保留体积来表因此色谱工作者有时也用保留体积来表示保留值。示保留值。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（4）保留体积）保留体积VR （ Retation Volume

24、）是）是指从进样到出现某组分色谱峰最大值时所指从进样到出现某组分色谱峰最大值时所通过的载气体积。通过的载气体积。 VR = tRF0F0为色谱柱出口的载气流量（为色谱柱出口的载气流量（mL min-1）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（5）死体积）死体积VM （ Dead Volume ）指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩指色谱柱在填充后，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的总和。当后两项很小可忽略及检测器的空间的总和。当后两项很小可忽略不计时，不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载死体

25、积可由死时间与色谱柱出口的载气流速气流速F0 （ mL min-1 ）计算）计算。等于在等于在tM这段这段时间内通过色谱柱的载气体积。时间内通过色谱柱的载气体积。 VM = tMF0（仅适用于气相色谱仅适用于气相色谱，不适用于液相色谱，不适用于液相色谱。）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（6）调整保留体积）调整保留体积VR （ Adjust Retation Volume ）指扣除死体积后的保留体积。）指扣除死体积后的保留体积。 VR = VR - VM（7）相对保留值（）相对保留值（Relative Retation value）指在相同的操作条件下某组分指在相同的操作条件

26、下某组分2的调整保留的调整保留值与另一种组分值与另一种组分1的调整保留值之比。的调整保留值之比。)1()2()1()2(1 , 2RRRRVVttrYANGTZE NORMAL UNIVERSITY 相对保留值仅与相对保留值仅与柱温和固定相性质柱温和固定相性质有关，有关，而与柱径、柱长、载气流量等其它实验条件无而与柱径、柱长、载气流量等其它实验条件无关，因此，它是关，因此，它是色谱定性分析的重要参数之一色谱定性分析的重要参数之一。 相对保留值还可以用来表示色谱柱的选择相对保留值还可以用来表示色谱柱的选择性。性。r2,1值越大，两组分的值越大，两组分的tR 值相差越大，越值相差越大，越容易实现分

27、离，当容易实现分离，当r2,1 =1 时，两组分色谱峰重时，两组分色谱峰重叠。叠。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 在定性分析中，通常固定一个色谱峰作在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（为标准（s s），然后再求其它峰（），然后再求其它峰（i i）对这个）对这个峰的相对保留值。此时可用符号峰的相对保留值。此时可用符号 表示，即表示，即 = t= tR R (i)(i) / t / tR R (s) (s) 式中式中t tR R (i)(i)为后出峰的调整保留时间，所以为后出峰的调整保留时间，所以 总是大于总是大于1 1的。的。 相对保留值相对保留值往往可作为衡量固定相选

28、择往往可作为衡量固定相选择性的指标，又称性的指标，又称选择因子选择因子。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY从色谱流出曲线可以获得许多重要信息：从色谱流出曲线可以获得许多重要信息： 1.根据色谱峰的数目，可以判断试样中所根据色谱峰的数目，可以判断试样中所含有组分的最少个数。含有组分的最少个数。 2.根据色谱峰的保留值可以进行定性分析。根据色谱峰的保留值可以进行定性分析。 3.根据色谱峰高或面积可以进行定量测定。根据色谱峰高或面积可以进行定量测定。 4.根据色谱峰间距及其区域宽度，可对色谱柱根据色谱峰间距及其区域宽度，可对色谱柱的分离效能进行评价。的分离效能进行评价。 5.色谱峰

29、间距色谱峰间距固定相或流动相选择是否合固定相或流动相选择是否合适的依据。适的依据。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY问题问题1：不同组分在色谱柱中为什么呈现不同：不同组分在色谱柱中为什么呈现不同的运行速度？的运行速度？第二节第二节 气相色谱理论基础气相色谱理论基础YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 因为固定相对不同组分有不同的吸附力，因为固定相对不同组分有不同的吸附力，吸附力强的组分难以被流动相冲洗出色谱柱，吸附力强的组分难以被流动相冲洗出色谱柱，故运行速度慢，运行时间长。反之，吸附力弱故运行速度慢，运行时间长。反之，吸附力弱的组分则容易被流动相冲洗出色谱柱，故

30、运行的组分则容易被流动相冲洗出色谱柱，故运行速度快，运行时间短。速度快，运行时间短。 吸附吸附 脱附脱附YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 同样的道理，若固定相呈液体状态，则不同样的道理，若固定相呈液体状态，则不同组分呈现不同运行速度则是因为固定液对不同组分呈现不同运行速度则是因为固定液对不同组分有不同的溶解能力，溶解性强的组分难同组分有不同的溶解能力，溶解性强的组分难以挥发至流动相中，故其在色谱柱中运行速度以挥发至流动相中，故其在色谱柱中运行速度慢，运行时间长。反之，溶解性弱的组分则容慢，运行时间长。反之，溶解性弱的组分则容易挥发至流动相中，故其在色谱柱中运行速度易挥发至流动

31、相中，故其在色谱柱中运行速度快，运行时间短。快，运行时间短。 溶解溶解 挥发挥发YANGTZE NORMAL UNIVERSITY问题问题2：吸附与脱附是怎么回事？：吸附与脱附是怎么回事？YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 吸附作用是指各种气体、蒸气以及溶液吸附作用是指各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体物质表面上的里的溶质被吸着在固体或液体物质表面上的作用。具有吸附性的物质叫做吸附剂，被吸作用。具有吸附性的物质叫做吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。吸附作用可分为物理吸附的物质叫吸附质。吸附作用可分为物理吸附和化学吸附。附和化学吸附。 脱附作用正好与吸附作用相反，是指吸

32、脱附作用正好与吸附作用相反，是指吸着在固体或液体物质表面上的物质在一定的着在固体或液体物质表面上的物质在一定的作用下离开原表面的过程。作用下离开原表面的过程。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY问题问题3：什么是溶解过程与挥发过程？：什么是溶解过程与挥发过程？YANGTZE NORMAL UNIVERSITY溶解过程是指气态或液态组分进入固定液溶解过程是指气态或液态组分进入固定液的过程，而挥发过程则是指组分离开固定的过程，而挥发过程则是指组分离开固定液回到气态或液态流动相的过程。液回到气态或液态流动相的过程。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY色谱分离原理及实例：

33、色谱分离原理及实例： 色谱柱内紧密均匀地涂着在惰性载体上的色谱柱内紧密均匀地涂着在惰性载体上的液体固定相，流动相则连续不断流经其间，两液体固定相，流动相则连续不断流经其间，两相充分接触，但不相溶解。相充分接触，但不相溶解。 将混合样品一次注入色谱柱后，刚进柱将混合样品一次注入色谱柱后，刚进柱时，组分时，组分A和和B是一条混合带。是一条混合带。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 由于样品分子与两相分子间的相互作由于样品分子与两相分子间的相互作用，它们既可以进入固定相，又可以返回流用，它们既可以进入固定相，又可以返回流动相，这个过程就叫分配。动相，这个过程就叫分配。 当样品进入流动

34、相时，它就随流动相一当样品进入流动相时，它就随流动相一起沿柱床向前移动，当它们进入固定相时，起沿柱床向前移动，当它们进入固定相时，被滞留而不再向前移动。被滞留而不再向前移动。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 与固定相作用越大的组分，越容易进入与固定相作用越大的组分，越容易进入固定相，向前移动的速度就愈慢；与流动相固定相，向前移动的速度就愈慢；与流动相作用力越大的组分，就越容易进入流动相，作用力越大的组分，就越容易进入流动相，向前移动的速度愈快。这样经过一定的柱长向前移动的速度愈快。这样经过一定的柱长后，由于反复多次（后，由于反复多次（103106次）的分配，即次）的分配，即使

35、原来性质（如沸点、溶解度、分子结构及使原来性质（如沸点、溶解度、分子结构及极性等）差异微小的组分，也能达到很好的极性等）差异微小的组分，也能达到很好的分离。分离。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 结果，与流动相作用力大的组分先从结果，与流动相作用力大的组分先从色谱柱中流出来，与固定相作用力大的组色谱柱中流出来，与固定相作用力大的组分则后流出，从而使得样品内各个组分得分则后流出，从而使得样品内各个组分得到分离。到分离。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITYABCD载气3种组分同时进入色种组分同时进入色谱柱谱柱3种组分开始在色谱种组分开始在色谱柱中分离柱中分离3种组

36、分在色谱柱中种组分在色谱柱中基本达到分离基本达到分离3种组分在色谱柱中种组分在色谱柱中完全达到分离完全达到分离YANGTZE NORMAL UNIVERSITY结论：色谱分离是基于样品中各组分在两相结论：色谱分离是基于样品中各组分在两相间间平衡分配平衡分配的差异。可用的差异。可用分配系数分配系数或或分配比分配比来表征。来表征。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY问题问题4:何谓分配系数？分配比？它在色谱分何谓分配系数？分配比？它在色谱分离过程中有什么作用？离过程中有什么作用？YANGTZE NORMAL UNIVERSITY1 1、分配系数、分配系数 K K 在一定的温度、压力

37、下，组在一定的温度、压力下，组分在分在液相（固定相）液相（固定相）和和气相（流动相）气相（流动相）之间分之间分配达到平衡时的配达到平衡时的浓度比浓度比称为分配系数称为分配系数K K，即：，即：( (物质在固定相和流动相之间发生的吸附、脱物质在固定相和流动相之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程叫附和溶解、挥发的过程叫分配过程分配过程。) )sMlgccKorKcc（2-8）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY2、分配比分配比 k 在一定的温度、压力下，组分在在一定的温度、压力下，组分在两相之间分配达到平衡时的两相之间分配达到平衡时的质量比质量比称为分配比称为分配比k，即：，即：它

38、是衡量色谱柱对被组分保留能力的重要参数。它是衡量色谱柱对被组分保留能力的重要参数。k k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此又称于柱的容量大，因此又称分配容量分配容量或或容量因子容量因子。MMSSMSMSVCVCMnMnmmk（2-9）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY式中式中: :V VM M为柱中流动相的体积，近似等于死体为柱中流动相的体积，近似等于死体积。积。 VsVs为柱中固定相的体积为柱中固定相的体积，在各种不同的在各种不同的类型的色谱中有不同的含义。类型的色谱中有不同的含义。例如，例如，在分配色谱中，在分

39、配色谱中，VsVs表示固定液的体积；表示固定液的体积；在吸附色谱中，在吸附色谱中，VsVs表示吸附剂的表面容量；表示吸附剂的表面容量；在排阻色谱中，则表示固定相的孔体积。在排阻色谱中，则表示固定相的孔体积。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY3.3.分配系数分配系数K K与与分配比分配比k k的的关系关系MSVVKk 由由2-9式：式： 即即 其中其中称为相比称为相比，它是反映各种色谱柱柱型特点的，它是反映各种色谱柱柱型特点的又一个参数。又一个参数。 分配系数和分配比都与分配系数和分配比都与组分及固定液组分及固定液的的热力学性质热力学性质有关，并随有关，并随柱温、柱压柱温、柱压的

40、变化而的变化而变化。分配系数与两相体积无关，而分配比变化。分配系数与两相体积无关，而分配比随随固定液的量固定液的量的改变而改变。的改变而改变。（2-10）kVVkKSMYANGTZE NORMAL UNIVERSITY4.4.滞留因子滞留因子RsRs 分配比分配比k k值可直接从色谱图测得：值可直接从色谱图测得： 设流动相在柱内的线速度为设流动相在柱内的线速度为u u（=L/t=L/tM M) )，组，组分在柱内线速度为分在柱内线速度为u us s(=L/t(=L/tR R) )，由于固定相对组，由于固定相对组分有保留作用，所以分有保留作用，所以u us su u，此两速度之比称为，此两速度之

41、比称为滞留因子滞留因子RsRs。 RMssttuuR（2-11）YANGTZE NORMAL UNIVERSITYRsRs若用质量分数表示，则有若用质量分数表示，则有 结合两式有：结合两式有：kmmmmmRMSSMMs1111kttRM11（2-12）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY经整理可得经整理可得 )1 (kttMRMRMRMMRVVtttttk（2-15）（2-16）可见，某组分的可见，某组分的k k可直接从色谱图中测得：可直接从色谱图中测得：它等于该组分的它等于该组分的调整保留时间调整保留时间与与死时间死时间的比值。的比值。上式表明，上式表明，某组分的保留时间越长则

42、某组分的保留时间越长则k k值越大，值越大，色谱柱对该组分的保留能力就越强色谱柱对该组分的保留能力就越强。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 5.5.分配系数分配系数 K K 及分配比及分配比 k k 与选择因子与选择因子的的关系关系 对对1 1、2 2两组分的选择因子，用下式表示：两组分的选择因子，用下式表示： = = t t R R (2)(2) / / t t R R (1)(1)= = k k（2)2) / / k k（1)1) = = K K（2)2) / / K K（1)1) 对固定相的选择具有实际意义。对固定相的选择具有实际意义。YANGTZE NORMAL UN

43、IVERSITY 如果两组分的如果两组分的K K或或k k值相等，则值相等，则=1=1，两，两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的两组分的K K或或k k值相差越大，则分离得越好值相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。的先决条件。 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各组分彼此分离分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远。必须足够远。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 但是两峰间虽有一定距离，如果每

44、个峰都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。这些峰很宽，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，即与色谱过程的动力学性质有关。决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。行为。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 下图是下图是 A A、B B两组分沿色谱柱移动时，两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。不同位置处的浓度轮廓。 浓度浓度沿柱移动距离沿柱移动距离 LABABKA KB 图中

45、图中K KA AKKB B ，因此，因此，A A组分在移动过程中滞后。组分在移动过程中滞后。随着两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的随着两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，同时，每一组分的距离逐渐变大，同时，每一组分的浓度轮廓浓度轮廓（即区（即区域宽度）也慢慢变宽。域宽度）也慢慢变宽。显然，区域扩宽对分离是不利的，但不可避免。显然，区域扩宽对分离是不利的，但不可避免。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 若要使若要使A A、B B组分完全分离，必须满足以下组分完全分离，必须满足以下三点：三点： 第一第一，两组分的分配系数必须有差异；，两组分的分配系数必须有差

46、异；第二第二，区域扩宽的速率应小于区域分，区域扩宽的速率应小于区域分 离的速度；离的速度；第三第三，在保证快速分离的前提下，提，在保证快速分离的前提下，提供供足够长的色谱柱足够长的色谱柱。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 第一、二点是完全分离的必要条件第一、二点是完全分离的必要条件。作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。移动过程中引起区域扩宽的各种因素。塔板理论和速率理论塔板理论和速率理论均以色谱过程中分配均以色谱过程中分配系数恒定为前提

47、系数恒定为前提，提出了相关的模型来解，提出了相关的模型来解释和分析色谱过程，称为线性色谱理论。释和分析色谱过程，称为线性色谱理论。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 色谱法研究的核心色谱法研究的核心选择最适合的色谱体系和条选择最适合的色谱体系和条件、在最短的时间达到最佳件、在最短的时间达到最佳的分离效果。的分离效果。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY一、塔板理论（一、塔板理论（Plate Theory）塔板理论的基本内容是什么？塔板理论的基本内容是什么？塔板理论假定：塔板理论假定：（1）塔板之间不连续；）塔板之间不连续；（2）塔板之间无分子扩散；）塔板之间无分子

48、扩散；（3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平）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衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H；（4）某组分在所有塔板上的分配系数相同；）某组分在所有塔板上的分配系数相同；（5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。的塔板体积加入。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY （一）、色谱分离过程：（一）、色谱分离过程： 塔板理论塔板理论是把色谱柱假想为一个精馏塔，是把色谱柱假想为一个精馏塔，塔内存在许多塔板，组分在每个塔板的气相和液塔内存在许多塔板，组分在每个塔板的气相

49、和液相间进行分配，达成一次分配平衡。然后随着流相间进行分配，达成一次分配平衡。然后随着流动相按一个塔板、一个塔板的方式向前移动。经动相按一个塔板、一个塔板的方式向前移动。经过多次分配平衡后，过多次分配平衡后，分配系数小的组分，先离开分配系数小的组分，先离开精馏塔精馏塔（色谱柱），分配系数大的组分后离开精（色谱柱），分配系数大的组分后离开精馏塔（色谱柱），从而使分配系数不同的组分彼馏塔（色谱柱），从而使分配系数不同的组分彼此得到分离。此得到分离。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITYHLn （理论塔板数）（理论塔板数）（理论塔板高度）（理论塔板高度）HAL（2-19）YANGTZE

50、 NORMAL UNIVERSITY理论塔板数还可以根据色谱图按下面理论塔板数还可以根据色谱图按下面经验公式计算：经验公式计算：222/121654. 5bRRRWtYttn式中式中tR 与与Y1/2 ( Wb )应采用同一单位（时间应采用同一单位（时间或距离）或距离）,由上式可知，组分的由上式可知，组分的保留时间越保留时间越长长，峰宽度越小峰宽度越小，则，则理论塔板数理论塔板数n越多越多，色，色谱谱柱效能越高柱效能越高。（2-18）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY222/11654. 5bRReffeffWtYtHLn 在实际的应用中，由上式计算出来的的在实际的应用中，由上

51、式计算出来的的n值有时并不能充分地反映色谱柱的分离效能。值有时并不能充分地反映色谱柱的分离效能。因为采用因为采用tR计算时，没有扣除死时间计算时，没有扣除死时间tM， 所所以常用调整保留时间以常用调整保留时间tR代替代替tR计算所得到的有计算所得到的有效理论塔板数效理论塔板数neff来衡量色谱柱效。来衡量色谱柱效。即：即：（2-20）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（二）、塔板理论的特点和不足（二）、塔板理论的特点和不足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越大（塔板高越大（塔板高度度H越小），被测组分在柱内被分配的次数越越小），被测组分在柱内被分配的次数

52、越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。2.不同物质在同一色谱柱上的不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，的指标时，应指明测定物质应指明测定物质。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY3.柱效不能表示被分离组分的实际分离效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果，当两组分的分配系数K相同时，无论该相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。色谱柱的塔板数多大，都无法分离。4.塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的塔板理论无法解释同一色谱

53、柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 塔板理论是一种半经验性理论。塔板理论是一种半经验性理论。 它用它用热力学热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中的的观点定量说明了溶质在色谱柱中的行为，解释了流出曲线的形状，并提出了计算和评价行为，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。柱效高低的参数。 但是，色谱过程不仅受但是，色谱过程不仅受热力学热力学因素的影响，而且因素的影响，而且还与分子的扩散、传质等还与分子的扩散、传质

54、等动力学动力学因素有关。因素有关。 因此塔板理论只能定性地给出板高的概念，却不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；也不能说明为什么在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，可以测得不同的理论塔板数，因而限制同的流速下，可以测得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用。了它的应用。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY二、速率理论二、速率理论 1956年，荷兰学者范第姆特（年，荷兰学者范第姆特（Van Deemter）等在研究等在研究气气-液液色谱时，提出了色色谱时，提出了色谱过程谱过程动力学理论动力学理论速率理论速率理论。吸收了塔板。

55、吸收了塔板理论板高的概念，并把理论板高的概念，并把色谱分配过程色谱分配过程与组分与组分在两相中的在两相中的扩散和传质过程扩散和传质过程联系起来，导出联系起来，导出速率理论方程式，速率理论方程式，较完善地解释了影响塔板较完善地解释了影响塔板高度的各种因素高度的各种因素。同时适用于气相和液相色。同时适用于气相和液相色谱。谱。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 式中的式中的u为载气的为载气的线速度线速度；A、B、C为为常数，分别代表常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩涡流扩散项系数、分子扩散项系数和传质阻力项系数散项系数和传质阻力项系数。CuuBAH/Van DeemterVan D

56、eemter方程的数学简化式为方程的数学简化式为: :（2-22）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY1.1.涡流扩散项系数涡流扩散项系数A A 组分随载气在流动过程中遇到填充物的组分随载气在流动过程中遇到填充物的颗粒阻碍不断改变流动方向，使组分在气相颗粒阻碍不断改变流动方向，使组分在气相中形成紊乱的类似中形成紊乱的类似“涡流涡流”的流动，因而引的流动，因而引起起了色谱峰变宽。了色谱峰变宽。pdA2YANGTZE NORMAL UNIVERSITYYANGTZE NORMAL UNIVERSITYYANGTZE NORMAL UNIVERSITY 上式表明上式表明涡流扩散涡流扩散

57、引起的引起的峰形变宽峰形变宽只与只与填填充物平均颗粒直径充物平均颗粒直径d dP P及及填充不规则因子填充不规则因子 有有关，与流动相的性质、线速度和组分性质无关。关，与流动相的性质、线速度和组分性质无关。 为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。 对于空心毛细管，不存在涡流扩散，对于空心毛细管，不存在涡流扩散，因此因此 A = 0A = 0YANGTZE NORMAL UNIVERSITY2.2.分子扩散项分子扩散项B/B/u u 分子扩散亦称分子扩散亦称纵向扩散纵向扩散，是由色谱柱内

58、，是由色谱柱内沿沿轴向轴向存在存在浓度梯度浓度梯度，使组分分子随载气迁移时，使组分分子随载气迁移时自发地产生自发地产生由高浓度向低浓度由高浓度向低浓度的扩散。的扩散。gDB2（2-23）YANGTZE NORMAL UNIVERSITYYANGTZE NORMAL UNIVERSITY 称为称为弯曲因子弯曲因子，它反映填充物对分子扩散，它反映填充物对分子扩散的的阻碍程度（阻碍程度（填充柱填充柱 1 1，空心柱，空心柱= 1= 1） ； D Dg g为组分在气相中的为组分在气相中的扩散系数扩散系数（cmcm3 3/s/s），），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

59、分子质量相对分子质量大的组分大的组分D Dg g小，小，D Dg g反比于流反比于流动相相对分子质量的平方根，动相相对分子质量的平方根，所以采用相对分所以采用相对分子质量较大的流动相，可使子质量较大的流动相，可使B B项降低；项降低； (b)(b) D Dg g随随柱温柱温增高而增加，但反比于色谱柱的增高而增加，但反比于色谱柱的压力。压力。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY u u为载气的为载气的线速度线速度，即，即u u=L/t=L/tM M，载气，载气的线速度越小，则组分在气体中停留的的线速度越小，则组分在气体中停留的时间越长，分子扩散项就越大，时间越长，分子扩散项就越大，

60、因此加因此加大流动相速度可降低纵向扩散影响大流动相速度可降低纵向扩散影响。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY3.3.传质阻力项传质阻力项C Cu u 传质阻力项系数传质阻力项系数C C包括包括气相传质系数气相传质系数C Cg g和和液相传液相传质阻力系数质阻力系数C Cl l，即：即：气相传质过程是气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面指试样组分从气相移动到固定相表面的过程的过程。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即根据分配系数在两相间进行分配。有的来不及换，即根据分配系数在两相间进行分配。有的来不及进入两相界面，就被气相