色谱技术及相关设备讲义

1、第四讲第四讲 色谱技术及相关设备色谱技术及相关设备生物仪器分析生物仪器分析色谱法（色谱法（chromatographychromatography）又称）又称“色谱分析色谱分析”、“色谱分析法色谱分析法”、“层析法层析法”，是一种分离和，是一种分离和分析方法，在分析方法，在分析化学分析化学、有机化学、有机化学、生物化学生物化学等领域有着非常广泛的应用。等领域有着非常广泛的应用。是利用混合物不同组分在是利用混合物不同组分在和和中分中分配系数配系数( (或吸附系数、渗透性等或吸附系数、渗透性等) )的差异，使不的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，同组分在作相对运动的两相中进行反复分

2、配，实现分离的分析方法。实现分离的分析方法。色谱法色谱法1 1 色谱法的发展色谱法的发展2 2 色谱法的分类色谱法的分类3 3 色谱法流出曲线及相关术语色谱法流出曲线及相关术语4 4 色谱法的原理色谱法的原理内容提要内容提要色谱法始于二十世纪初，经历了整整一个世纪色谱法始于二十世纪初，经历了整整一个世纪的发展到今天已经成为最重要的分离分析科学，的发展到今天已经成为最重要的分离分析科学，广泛地应用于许多领域，如石油化工、有机合广泛地应用于许多领域，如石油化工、有机合成、生理生化、医药卫生、环境保护，乃至空成、生理生化、医药卫生、环境保护，乃至空间探索等。间探索等。 将一滴含有混合将一滴含有混合色

3、素色素的溶液滴在的溶液滴在一块布或一片纸上，随着溶液的展开可以观察一块布或一片纸上，随着溶液的展开可以观察到一个个到一个个同心同心圆环出现，这种层析现象虽然古圆环出现，这种层析现象虽然古人就已有初步认识并有一些简单的应用。人就已有初步认识并有一些简单的应用。 TswettTswett俄国俄国植物学家关于色谱分离方法的研究始于植物学家关于色谱分离方法的研究始于19011901年，两年后他发表了他的研究成果年，两年后他发表了他的研究成果 一种新型一种新型吸附现象及其在生化分析上的应用，提出了应用吸吸附现象及其在生化分析上的应用，提出了应用吸附附原理原理分离植物色素的新方法。三年后，他将这种分离植物

4、色素的新方法。三年后，他将这种方法命名为色谱法（方法命名为色谱法（ChromatographyChromatography），很显然色），很显然色谱法谱法 （ChromatographyChromatography）这个词是由希腊语中）这个词是由希腊语中”色色“的写法（的写法（chromachroma）和）和”书写书写“(graphein)(graphein)这两这两个词根组成的，派生词有个词根组成的，派生词有chromatographchromatograph（色谱（色谱仪），仪），chromatogramchromatogram（色谱图），（色谱图），chromatographerchro

5、matographer（色谱工作者）等。由（色谱工作者）等。由TswettTswett的的开创性工作，因此人们尊称他为开创性工作，因此人们尊称他为 色谱学之父色谱学之父 ，而，而以他的名字命名的以他的名字命名的TswettTswett奖也成为了色谱界的最高奖也成为了色谱界的最高荣誉奖。荣誉奖。色谱法发明后的最初二三十年发展非常缓慢。液色谱法发明后的最初二三十年发展非常缓慢。液- -固色谱的进一步发展有赖于固色谱的进一步发展有赖于瑞典瑞典科学家科学家TiseliusTiselius（19481948年年Nobel Chemistry PrizeNobel Chemistry Prize获得者）和

6、获得者）和ClaessonClaesson的努力，他们创立了的努力，他们创立了液相色谱液相色谱的迎头法和的迎头法和顶替法。顶替法。分配色谱分配色谱是由著名的英国科学家是由著名的英国科学家MartinMartin和和 SyngeSynge创立的，他们因此而获得创立的，他们因此而获得19521952年的诺贝尔化年的诺贝尔化学奖。学奖。1941年，Martin和Synge采用水分饱和的硅胶为固定相，以含有乙醇的氯仿为流动相分离乙酰基氨基酸，他们在这一工作的论文中预言了用气体代替液体作为流动相来分离各类化合物的可能性。 1951年，Martin和James报道了用自动滴定仪作检测器分析脂肪酸，创立了气

7、-液色谱法。 1958年，Golay首先提出了分离效能极高的毛细管柱气相色谱法，发明了玻璃毛细管拉制机，从此气相色谱法超过最先发明的液相色谱法而迅速发展起来，今天常用的气相色谱检测器也几乎是在五十年代发展起来的。七十年代发明了石英毛细管柱和固定液的交联技术。随着电子技术和计算机技术的发展气相色谱仪器也在不断发展完善中，到现在最先进的气相色谱仪已实现了全自动化和计算机控制，并可通过网络实现远程诊断和控制。 “色谱法色谱法” 名称的由来名称的由来石油醚石油醚(流动相流动相)碳酸钙碳酸钙( (固定相固定相) )色色谱谱带带色谱法起源于20世纪初，1906年俄国植物学家米哈伊尔茨维特用碳酸钙填充竖立的

8、玻璃管，以石油醚洗脱植物色素的提取液，经过一段时间洗脱之后，植物色素在碳酸钙柱中实现分离，由一条色带分散为数条平行的色带。气相色谱和色谱理论的出现气相色谱和色谱理论的出现 1952年马丁和詹姆斯提出用气体作为流动相进行色谱分离的想法，他们用硅藻土吸附的硅酮油作为固定相，用氮气作为流动相分离了若干种小分子量挥发性有机酸。 气相色谱的出现使色谱技术从最初的定性分离手段进一步演化为具有分离功能的定量测定手段，并且极大的刺激了色谱技术和理论的发展。相比于早期的液相色谱，以气体为流动相的色谱对设备的要求更高，这促进了色谱技术的机械化、标准化和自动化；气相色谱需要特殊和更灵敏的检测装置，这促进了检测器的开

9、发；而气相色谱的标准化又使得色谱学理论得以形成色谱学理论中有着重要地位的塔板理论和Van Deemter方程，以及保留时间、保留指数、峰宽等概念都是在研究气相色谱行为的过程中形成的。 高效液相色谱高效液相色谱1960年代，为了分离蛋白质、核酸等不易汽化的大分子物质，气相色谱的理论和方法被重新引入经典液相色谱。1960年代末科克兰、哈伯、荷瓦斯、莆黑斯、里普斯克等人开发了世界上第一台高效液相色谱仪，开启了高效液相色谱的时代。高效液相色谱使用粒径更细的固定相填充色谱柱，提高色谱柱的塔板数，以高压驱动流动相，使得经典液相色谱需要数日乃至数月完成的分离工作得以在几个小时甚至几十分钟内完成。 1971年

10、科克兰等人出版了液相色谱的现代实践一书，标志着高效液相色谱法 （HPLC）正式建立。1 1 色谱法的发展色谱法的发展2 2 色谱法的分类色谱法的分类3 3 色谱法流出曲线及相关术语色谱法流出曲线及相关术语4 4 色谱法的原理色谱法的原理内容提要内容提要 色谱法的分类色谱法的分类1 1 根据流动相的根据流动相的物态可分为物态可分为气相色谱气相色谱(GC)(GC)液相色谱液相色谱(LC)(LC)超临界流体色谱超临界流体色谱(SFC)(SFC)2 2 根据固定相的外形分根据固定相的外形分柱色谱柱色谱平板色谱平板色谱平平 板板 色色 谱谱吸附色谱：吸附色谱：利用吸附剂对不同组分的吸附性能的差别而进行分

11、离，常用的吸附剂有氧化铝、硅胶、聚酰胺等有吸附活性的物质。包括气-固吸附色谱和液-固吸附色谱。分配色谱：分配色谱：利用不同的组分在两相间的分配系数的差别而进行分离，常用的载体有硅胶、硅藻土、硅镁型吸附剂与纤维素粉等包括气液分配色谱和液-液分配色谱。3 3 根据分离机理可分为根据分离机理可分为: :离子交换色谱离子交换色谱离子交换色谱中的固定相固定相是一些带电荷的基团，这些带电基团通过静电相互作用与带相反电荷的离子结合。如果流动相中存在其他带相反电荷的离子，按照质量作用定律，这些离子将与结合在固定相上的反离子进行交换。固定相基团带正电荷的时候，其可交换离子为阴离子，这种离子交换剂为阴离子交换剂；

12、固定相的带电基团带负电荷，可用来与流动相交换的离子就是阳离子，这种离子交换剂叫做阳离子交换剂。排阻色谱：排阻色谱：用化学惰性的多孔性凝胶作固定相，按固定相对样品中各组分分子体积阻滞作用的差别来实现分离。当分子进入当分子进入色谱柱后，它们中的不同组分按其大小进入相色谱柱后，它们中的不同组分按其大小进入相应的孔径内，大小大于所有孔径的分子不能进应的孔径内，大小大于所有孔径的分子不能进入填充剂颗粒内部，在色谱过程中不被保留，入填充剂颗粒内部，在色谱过程中不被保留，最早被流动相洗脱至柱外，表现为保留时间较最早被流动相洗脱至柱外，表现为保留时间较短；大小小于所有孔径的分子能自由进入填充短；大小小于所有孔

13、径的分子能自由进入填充剂表面的所有孔径，在柱子中滞留时间较长，剂表面的所有孔径，在柱子中滞留时间较长，表现为保留时间较长；其余分子则按分子大小表现为保留时间较长；其余分子则按分子大小依次被洗脱。依次被洗脱。 1 1 色谱法的发展色谱法的发展2 2 色谱法的分类色谱法的分类3 3 色谱法流出曲线及相关术语色谱法流出曲线及相关术语4 4 色谱法的原理色谱法的原理内容提要内容提要色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语图4-1基线基线锋高锋高h ht 0 如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线的线性范围内，色谱峰如果对称，可用Gauss正态分布函数表示： 式中：C不同时间t时某物质的浓度，C0进

14、样浓度，tr保留时间，标准偏差。1、基线 是柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值，即图41中Ot线稳定的基线应该是一条水平直线 2、峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示，如图41中BA 3 区域宽度 色谱峰的区域宽度是组份在色谱柱中谱带扩张的函数，它反映了色谱操作条件的动力学因素度量色谱峰区域宽度通常有三种方法： （1）.标准偏差标准偏差 即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半，如图41中EF距离的一半。 （2）.半峰宽半峰宽W1/2即峰高一半处对应的峰宽，如图41中GH间的距离它与标准偏差的关系是： W1/2 = 2.354 （3 3）. . 基线宽度基线宽度W W 即色谱峰两

15、侧拐点上的切线在基线上的截距，如图41中IJ的距离它与标准偏差的关系是： W = 4 保留值保留值定性定性1 1 死时间死时间t t0 0死时间死时间(dead time)-(dead time)-不保留组分的保留时不保留组分的保留时间间 不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间，如图41中 OA。因为这种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速度将与流动相的流动速度相近测定流动相平均线速时，可用往长L与t t0 0的比值计算。流动相流动相平均线速度平均线速度0tLu 柱长柱长2 2 保留时间保留时间t tr r试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间

16、，称为保留时间，如图41 OB它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间 3 3 校正校正( (调整调整) )保留时间保留时间保留时间是色谱法定性的基本依据，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保留体积等参数进行定性检定 4 4死体积死体积 V V0 0 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及检测器的空间的总和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F0（Lmin）计算： V0= t0F0 5 5保留体积保留体积 V VR R 指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相体积。保留体积与保留

17、时间t的关系如下： VR = tRF0 6 6调整保留体积调整保留体积V VR 某组份的保留体积扣除死体积后，称该组份的调整保留体积，即 VR= VR-V0 7 7相对保留值相对保留值2.1 某组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比，称为相对保留值： 由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它是色谱法中，特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据 必须注意，相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比 。8 分离因子 在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（s），然后再求其它峰（i）对这个峰的相对保留值此时，ri/s可能大于1，也可能小于

18、1在多元混合物分析中，通常选择一对最难分离的物质对，将它们的相对保留值作为重要参数在这种特殊情况下，可用符号表示： 式中tR2为后出峰的调整保留时间，所以这时总是大于1的 。12RRtt色谱流出曲线上的信息1 根据色谱峰的个数，可判断样品所含的最少组份数。2 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析。3 根据色谱峰的面积或峰高, 可以进行定量分析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 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(或流动相)选择是否合适的依据。1 1 色谱法的发展色谱法的发展2 2 色谱法的分类色谱法的分类3 3 色谱法流出曲线及相关术语色谱法流出曲线及相关术语4 4 色谱

19、法的原理色谱法的原理内容提要内容提要色谱分析的基本原理组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？ 色谱法分析的基本原理 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，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，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，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。 (一）分配系数K和分配比kmsccK 组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度1 分配系数k 如前所述，分配色谱的分离是基

20、于样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次地吸附一脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配系数见它是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即 组分一定时，K 主要取决于固定相性质组分及固定相一定时,温度增加,K 减小试样中的各组分具有不同的K 值是分离的基础选择适宜的固定相可改善分离效果影响影响K K 的因素的因素固定相、温度2 分配比(容量因子)k 分配比又称容量因子，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质量比。即 msmmk 组分在固

21、定相中的质量 组分在流动相中的质量K与k都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数。K与k都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。k可直接从色谱图上获得。 k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。 mm3 滞留因子 Rs 设流动相在柱内的线速度为u，组分在柱内线速度为us，由于固定相对组分有保留作用，所以usu此两速度之比称为滞留因子Rs。 0Rs若用质量分数表示，即 对组分和流动

22、相通过长度为L的色谱柱，其所需时间分别为mmmmm0可得： 000004. 分配系数K与分配比k的关系 其中称为相比率，它是反映各种色谱柱型特点的又一个参数。例如，对填充柱，其值一般为6-35；对毛细管柱，其值为60-600。 5分配系数K及分配比k与分离因子的关系 根据上述式子，对A、B两组分的选择因子，用下式表示 上式表明：通过选择因子把实验测量值k与热力学性质的分配系数K直接联系起来，对固定相的选择具有实际意义。如果两组分的K或k值相等，则=1，两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的K或k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的先决条件。6 6 分离度分

23、离度)WW()tt (2)WW(21ttR211r2r211r2r 定义：相邻两组分的色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽均值的比值tr2, tr1: 组分组分2和组分和组分1的保留时间的保留时间W2, W1: 组分组分2和组分和组分1的峰底宽度的峰底宽度R=1.5完全分离完全分离 (二）色谱理论-塔板理论 最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。 该理论假定： （i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。 （ii）以气相色谱为例，载气进入

24、色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（Vm）。 （iii）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。 （iv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。 为简单起见，设色谱往由5块塔板（n5，n为柱子的塔板数）组成，并以r表示塔板编号，r=1，2，nl；某组分的分配比k=1. 根据上述假定，在色谱分离过程中，该组分的分布可计算如下： 开始时，若有单位质量，即m=1（例1mg或1g）的该组分加到第0号塔板上，分配平衡后，由于k=1，即ms=mm故mm=ms=0.5。当一个板体积（lV）的载气以脉动形式进入0号板时，就将气相中含有nm部分组

25、分的载气顶到1号板上，此时0号板液相（或固相）中ms部分组分及1号板气相中的mm部分组分，将各自在两相间重新分配。故0号板上所含组分总量为05，其中气液（或气固）两相各为025而1号板上所含总量同样为05气液（或气固）相亦各为025。以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述过程就重复一次(见下表)。1 塔板理论塔板理论柱分离效能指标柱分离效能指标* k=1 塔板号塔板号载气塔板体积数载气塔板体积数01234柱出口柱出口01234567891011121314151610.50.250.1250.0630.0320.0160.0080.0040.0020.00100000000.50

26、.50.3750.250.1570.0950.0560.0320.0180.0100.0050.0020.001000000.250.3750.3750.3130.2350.1650.1110.0720.0450.0280.0160.0100.0050.0020.0010.000.1250.250.3130.3130.2740.220.1660.0940.0700.0490.0330.0220.0140.00800000.0630.1570.2350.2740.2740.2470.2070.1510.1100.080.0570.0400.027000000.0320.0790.1180.138

27、0.1380.1240.1040.0760.0560.0400.0280.020 按上述分配过程，对于n=5，k=1，m=1的体系，随着脉动进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量（气液两相中的总质量）见表：4-2由塔板理论可建流出曲线方程： m为组分质量，Vr为保留体积，n为理论塔板数。当V=Vr 时，C值最大，即222/11654. 5 WtWtnrrnLH 理论塔板数理论塔板数理理论论塔塔板板高高度度色谱柱长度色谱柱长度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 越大越大( (塔板高度塔板高度 H 越小越小) )，被测组分在柱内，被测组分在柱内被分配的次数越多

28、，柱效能越高，所被分配的次数越多，柱效能越高，所得色谱峰越窄。得色谱峰越窄。由流出曲线方程可推出： 从上两式可以看出，色谱峰W越小，n就越大，而H就越小，柱效能越高。因此，n和H是描述柱效能的指标。 通常填充色谱柱的n103，H1mm。而毛细管柱 n=105-106，H0.5mm 由于死时t0包括在tr中,而实际的t0不参与柱内分配,所计算的n值尽大,H很小,但与实际柱效能相差甚远.所以,提出把t0扣除,采用有效理论塔板数neff和有效塔板高Heff评价柱效能。 222/11654. 5 WtWtnrreffeffeffnLH 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

29、为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。有效塔板数有效板高由分离度和塔板理论推出基本色谱分离方程式)(212112WWttRrr 对于难分离相邻两组分：W1W2WWttWttRrrrr1212 22162 Wtnreff反映柱效，则有反映柱效，则有若以组分若以组分222122211616 RtttRnrrreffRttWrr12 22220222221 kktttttnnrrrreff 11422kknR 14 effnR分离度与分离度与k、n及及 的关系的关系 k从从1增加到增加到3，R增加到原来的增加到原来的1.5倍倍 (k: 2-7) n增加到原来的增加到原来的3倍倍，R增加到原来的增加到

30、原来的1.7倍倍 从从1.01增加到增加到1.1，增加约增加约9，R增增 加到原来的加到原来的9倍倍 结论结论选择合适的固定相选择合适的固定相(流动相流动相)以增加以增加 是改善分离度最有效的方法是改善分离度最有效的方法 1) 各组分的分配系数必须不同。这一条件通过选择合适的固定相来实现。2) 区域扩宽的速度应小于区域分离的速度，即色谱柱的柱效要高。3) 在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。使试样中的不同组分分离需要满足的条件双K与“五保”，塔板n/H。 1，没有戏！R1.5, 全分离。 塔板理论用热力学观点形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功

31、地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数。但由于它的某些基本假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，例如，纵向扩能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素，也不能说明为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数，这就限制了它的应用。 2 速率理论影响柱效的因素CuuBAH 流动相流动相线速度线速度范弟姆特方程1) 涡流扩散项涡流扩散项ApdA 2 固定相颗粒越小，填充的越均匀固定相颗粒越小，填充的越均匀A越小，越小，H越小，柱效越高，色谱峰越窄。越小，柱效越高，色谱峰越窄。2) 分子扩散项分子扩散项B/u(纵向扩散项纵向扩散项)gDB 2 流动相流动相柱内谱带构型

32、柱内谱带构型相应的响应信号相应的响应信号产生原因：产生原因：浓度梯度浓度梯度影响因素：影响因素：流动相流速；流动相流速；气体扩散系数气体扩散系数)1(载气载气MDg 3) 传质阻力项传质阻力项CuuCuCCulg gpgDdkkC222)1(01. 0 气相传质阻力气相传质阻力固定相颗粒越小，载气分子量越小固定相颗粒越小，载气分子量越小气相传质阻力越小气相传质阻力越小lflDdkkC22)1(32 液相传质阻力液相传质阻力固定液粘度及液膜厚度越小固定液粘度及液膜厚度越小液相传质阻力越小液相传质阻力越小4) 流动相线速度对板高的影响流动相线速度对板高的影响CuuBAH 例1：已知一色谱柱在某温度

33、下的速率方程的A=0.08cm; B=0.65cm2/s; C=0.003s, 求最佳线速度u和最小塔板高H. 解: H=A+B/u+Cu欲求 u最佳和H最小,要对速率方程微分,即 dH/dud(A+B/u+Cu)/du-B/u2+C0最佳线速: u最佳(B/C)1/2 (0.65/0.003)1/214.7cm/s最小板高: H最小A+2(BC)1/2 0.08+2(0.650.003)1/20.17cm例2：有一根 l m长的柱子，分离组分1和2得到如下色谱图。图中横坐标l为记录笔走纸距离。若欲得到 R=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？22116 Rneff需要需要解

34、法解法1 11 . 154554912 rrtt R=1.2,)(278811 . 11 . 12 . 11622块块需要需要 effn1) 14 effnR2)需要需要原来原来需要需要原来原来LLnneffeff effeffHnL 原来原来需要需要原来原来需要需要effeffnnLL )(1239545491616222块块原来原来 Wtneff)(25. 2123927881mL 需要需要8 . 054549 原原R解法解法2)(25. 28 . 02 . 112mL需要需要 需要需要原来原来需要需要原来原来需要需要原来原来LLRRnneffeff2 1) 同解法同解法12)22116

35、Rneff气相色谱实验技术气相色谱实验技术一一 气相色谱仪气相色谱仪GC工作过程工作过程载气系统载气系统进样系统进样系统分离系统分离系统检测和检测和记录系统记录系统温控系统温控系统（一）载气系统（一）载气系统常用载气：常用载气：氮气、氦气、氢气及氩气氮气、氦气、氢气及氩气气源气源净化干燥管净化干燥管载气流速控制装置载气流速控制装置 载气系统载气系统载气选择依据载气选择依据检测器检测器柱效柱效 （二）进样系统（二）进样系统注射器注射器气化室气化室进样系统进样系统 进样器进样器气化室气化室温度比柱温高温度比柱温高出出1050取样位置取样位置 试样导入色谱柱试样导入色谱柱六通阀进样器六通阀进样器（三

36、）分离系统（三）分离系统(色谱柱色谱柱)色谱柱色谱柱填充柱填充柱毛细管柱毛细管柱柱内径柱内径1-10 mm0.05-0.5 mm柱长度柱长度 0.5-10 m10-150 m总塔板数总塔板数103 106样品容量样品容量 10-1000 0.1-50g g 1 气液色谱固定相气液色谱固定相 组成组成担体担体(载体载体)固定液固定液硅藻土硅藻土红色红色白色白色非硅藻土非硅藻土 1) 担体担体(载体载体)对载体的要求对载体的要求a. 具有多孔性，即比表面积大。具有多孔性，即比表面积大。b.化学惰性，表面没有活性，有较好的化学惰性，表面没有活性，有较好的浸润性。浸润性。c. 热稳定性好。热稳定性好。

37、d.有一定的机械强度，使固定相在制备有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。和填充过程中不易粉碎。SiOHO SiOHSiCH3CH3ClCl+Si O SiSiCH3CH3OO+ HCl 担体的表面处理担体的表面处理a. 酸洗酸洗浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团浓盐酸浸泡，除去碱性作用基团b. 碱洗碱洗氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去酸氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去酸 性作用性作用基团基团c. 硅烷化硅烷化除去担体表面的氢键作用力除去担体表面的氢键作用力二甲基二甲基二氯硅二氯硅烷烷2) 固定液固定液高沸点的有机化合物高沸点的有机化合物 对固定液的要求对固定液的要求a. 热稳定性好，在操作温度

38、下不发生聚合、分热稳定性好，在操作温度下不发生聚合、分解等反应；具有较低的蒸气压，以免流失。解等反应；具有较低的蒸气压，以免流失。b.化学稳定性好，不与样品或载气发生不可逆化学稳定性好，不与样品或载气发生不可逆的化学反应。的化学反应。c. 粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。布。d.对样品中的各组分有适当的溶解度。对样品中的各组分有适当的溶解度。(填充填充柱柱 ，毛细管柱，毛细管柱 )15. 1 08. 1 组分与固定液分子间的相互作用组分与固定液分子间的相互作用a. 静电力极性分子之间的作用力静电力极性分子之间的作用力b.诱导力极性与非极性分子之间

39、的作用力诱导力极性与非极性分子之间的作用力c. 色散力非极性分子之间的作用力色散力非极性分子之间的作用力d.氢键力氢原子与电负性很大的原子氢键力氢原子与电负性很大的原子(如如F、O、N等等) 之间的作用力之间的作用力 固定液的相对极性固定液的相对极性P)()(lg)()(lg正丁烷正丁烷丁二烯丁二烯或或环己烷环己烷苯苯rrrrttqttq 角鲨烷角鲨烷氧二丙腈氧二丙腈:2;, :1 )()(100100211qqqqPxx 固定液的选择原则固定液的选择原则“相似相溶相似相溶”a. 非极性物质非极性物质非极性固定液非极性固定液。 沸点沸点越低的组分越早出峰。越低的组分越早出峰。b. 极极性物质性

40、物质极性固定液极性固定液。 极性极性越小的组分出越早出峰。越小的组分出越早出峰。c. 极极性与非极性混合物性与非极性混合物极性固定液极性固定液。 极性越小的组分出越早出峰。极性越小的组分出越早出峰。d. 易易形成氢键物质形成氢键物质极性或氢键型固定液。极性或氢键型固定液。 不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分后出峰。的组分后出峰。e. 复杂难分离样品复杂难分离样品多种固定液混合多种固定液混合固定液固定液极性极性适用范围适用范围100二甲基聚硅二甲基聚硅氧烷氧烷非极性非极性脂肪烃化合物，脂肪烃化合物，石化产品石化产品(50三氟丙基三氟丙基)甲甲基聚硅氧烷

41、基聚硅氧烷中等极性中等极性极性化合物，如极性化合物，如高级脂肪酸高级脂肪酸聚乙二醇聚乙二醇中强极性中强极性极性化合物，如极性化合物，如醇、羧酸酯等醇、羧酸酯等常用毛细管色谱柱固定液常用毛细管色谱柱固定液2 气固色谱固定相气固色谱固定相永久性气体永久性气体惰性气体惰性气体低沸点有机化合物低沸点有机化合物分离对象分离对象分离测定有机物中的痕量水分离测定有机物中的痕量水高分子多孔微球高分子多孔微球硅胶强极性硅胶强极性氧化铝弱极性氧化铝弱极性活性炭非极性活性炭非极性分子筛分子筛强极性强极性高分子多孔微球高分子多孔微球(GDX)固体吸附剂固体吸附剂(四四) 检测系统检测系统1 热导池检测器热导池检测器

42、(TCD)参比参比测量测量R1R2ABR1*R参比参比=R2*R测量测量只有载气通过时只有载气通过时载气载气+组分组分R1*R参比参比R2*R测量测量利用载气与组分热导系数的差异进行测量利用载气与组分热导系数的差异进行测量载气对载气对热导检测器灵敏度的影响热导检测器灵敏度的影响某些气体与蒸气的热导系数某些气体与蒸气的热导系数/10-4J(cms)-1气体气体热导系数热导系数气体气体热导系数热导系数氢气氢气22.4甲烷甲烷4.56氦气氦气17.41乙烷乙烷3.06氮气氮气3.14丙烷丙烷2.64氧气氧气3.18甲醇甲醇2.30空气空气3.14乙醇乙醇2.22氩气氩气2.18丙酮丙酮1.76影响热

43、导检测器灵敏度的因素影响热导检测器灵敏度的因素载气种类；载气种类；热丝工作电流；热丝工作电流；热丝与池体温度差。热丝与池体温度差。适用范围适用范围 测量对象：通用测量对象：通用 色谱柱：填充柱色谱柱：填充柱 2 氢氢火焰离子化检测器火焰离子化检测器 (FID) CH6HC66裂解裂解 CHO6e6O3CH62 OH6CO6OH6CHO632火焰离子化机理火焰离子化机理 适用范围适用范围 含碳有机化合物含碳有机化合物 影响检测灵敏度的因素影响检测灵敏度的因素氢氮比；空气流量；极化电压。氢氮比；空气流量；极化电压。3 电子捕获检测器电子捕获检测器 (ECD) eNN22 ABeABABNNAB22

44、 电子电子捕获机理捕获机理 适用范围适用范围 卤素及亲电子物质卤素及亲电子物质饮用水中三卤甲烷色谱图饮用水中三卤甲烷色谱图水水氯氯氯仿氯仿二氯溴甲烷二氯溴甲烷二溴氯甲烷二溴氯甲烷溴仿溴仿4 火焰光度检测器火焰光度检测器 (FPD) 222SOCOO2RS S2OH4H4SO222 *2C390SSS )nm394(hSSmax*2 )nm526(hHPOHPOmax* 响应机理响应机理 适用范围适用范围 含硫、磷化合物含硫、磷化合物含磷化合物含磷化合物含硫化合物含硫化合物三三九九一一一一乙乙拌拌磷磷地地亚亚农农倍倍硫硫磷磷对对硫硫磷磷丙丙硫硫磷磷乙乙硫硫磷磷乙乙丙丙硫硫磷磷谷谷硫硫磷磷壤壤虫虫

45、磷磷丰丰索索磷磷蝇蝇毒毒磷磷马马拉拉硫硫磷磷一一0五九五九5 质谱检测器质谱检测器毛毛细细管管柱柱接口接口离子源离子源离子检测器离子检测器加加热热器器温温度度传传感感器器6 原子发射光谱检测器原子发射光谱检测器二二 色谱分离操作条件的选择色谱分离操作条件的选择1. 色谱色谱柱柱固定相；固定相；固定液液膜厚度；固定液液膜厚度；柱长等柱长等检测器检测器载气载气柱柱效效u 较小时，选择分子量较较小时，选择分子量较大的载气（大的载气（N2，Ar）；）；u 较大时，选择分子量较较大时，选择分子量较小的载气小的载气(H2，He) u的选的选择择3. 的选择的选择改变柱温产改变柱温产生的影响生的影响柱柱效效

46、增加柱温可加快气增加柱温可加快气相、液相的传质速相、液相的传质速率，有利于降低塔率，有利于降低塔板高度，改善柱效；板高度，改善柱效；但同时又会加剧纵但同时又会加剧纵向扩散，从而导致向扩散，从而导致柱效下降。柱效下降。 分离度分离度柱温升高，柱温升高， K 减小，分离度减小，分离度下降。下降。分析时间分析时间降低柱温，分析降低柱温，分析时间增加时间增加1. 柱温应控制在固定液的柱温应控制在固定液的最高使用温度最高使用温度和和最低使用温度范围之内。最低使用温度范围之内。2. 使最难分离的组分有尽可能好的分离前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，但以保留时提下，采取适当低的柱温

47、，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。间适宜，峰形不拖尾为度。3. 柱温一般选择在组分平均沸点左右。柱温一般选择在组分平均沸点左右。4. 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。温。选择原则选择原则程序升温程序升温50250，8/min恒温恒温150 正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较程序升温不仅可以改善分离，而且可程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。以缩短分析时间。 4. 进样量的选择进样量的选择 进样量进样量柱柱效效进样量过大，使色进样量过大，使色谱柱超载，柱效急谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽剧下降，峰形变宽检测器检

48、测器 进样量过大，峰高进样量过大，峰高或峰面积与进样量或峰面积与进样量的线性关系被破坏的线性关系被破坏 进样量应控制在柱容量允许范围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及检测器线性检测范围之内气相色谱分析方法及应用气相色谱分析方法及应用一一 定性分析定性分析1 用已知纯物质用已知纯物质 对照定性对照定性保留值定性保留值定性峰高增加法定峰高增加法定性性 (1) 经验规律经验规律碳数规碳数规律律在一定温度下，在一定温度下，的调整保留时间的的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系对数与分子中碳数成线性关系)3(lg nCAntr如果知道两种或更多同系物的调整保留时间，则如果知道两种

49、或更多同系物的调整保留时间，则可求出常数可求出常数A和和C。从色谱图查出未知物的。从色谱图查出未知物的 后，后，根据上式即可求出未知物的碳数。根据上式即可求出未知物的碳数。rt(2) 相对保留值相对保留值(3) 保留指数保留指数lglglglg100)()1()()(ZrZrZrxrxttttZI Z, Z+1:正构烷烃的碳原子数正构烷烃的碳原子数进样)(xrt)(Zrt)1( Zrt例：乙酸正丁酯在阿皮松例：乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲线如下柱上的流出曲线如下图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正丁酯丁酯310.0 mm，正庚烷，正庚烷174.0

50、 mm，正辛烷，正辛烷373.4 mm。求乙酸正定酯的保留指数。求乙酸正定酯的保留指数。6 .7750 .174lg4 .373lg0 .174lg0 .310lg7100 xI在与文献值对照时，一在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知等。而且要用几个已知组分进行验证。组分进行验证。 联机定性联机定性GC/MS(气相色谱气相色谱- -质谱质谱) )例：川桂皮挥发油的化学成分分析例：川桂皮挥发油的化学成分分析色谱柱：色谱柱：SE54(30m0.25mm0.25m) 色谱操作条件色谱操作条件载气：氦气，流速载气：氦气

51、，流速1mL/min柱温：初温柱温：初温60保持保持1min，8 /min升温至升温至150 ，6 /min升温至升温至190 ，8 /min升升温至温至250 ，保持，保持1min总离子流色谱图总离子流色谱图6号峰的质谱图号峰的质谱图GC/AES(气相色谱原子发射光谱气相色谱原子发射光谱)二甲基硒二甲基硒烯丙基甲基硒烯丙基甲基硒甲基亚磺基硒酸甲酯甲基亚磺基硒酸甲酯二甲基二硒二甲基二硒2丙稀硫硒酸甲酯丙稀硫硒酸甲酯 1丙稀硫硒酸甲酯丙稀硫硒酸甲酯 双双(甲硫甲硫)硒硒烯丙基甲基烯丙基甲基硫硫二甲基二硫二甲基二硫二烯丙基硫二烯丙基硫烯丙基甲基二硫烯丙基甲基二硫二甲基三硫二甲基三硫二烯丙基二硫二烯丙基二硫烯丙基甲基三硫烯丙基甲基三硫二烯丙基三硫二烯丙基三硫GC-AES同时检测大蒜中碳、硫、硒化合物同时检测大蒜中碳、硫、硒化合物Se(196.1 nm)C(193.1 nm)S(180.7 nm)4 几种方法联合定性几种方法联合定性化合物化合物GC-MS色谱保留指数色谱保留指数质谱相似度质谱相似度 OV-101柱柱 PEG 20M柱柱9号峰定性数据号峰定性数