第2,3章色谱分析

1、 仪仪 器器 分分 析析基础化学部基础化学部 邵超英邵超英仪仪 器器 分分 析析是分析化学的一个分支。是分析化学的一个分支。是以测量物质的物理性质为基础的分析是以测量物质的物理性质为基础的分析方法。方法。主要包括色谱分析法、光谱分析法、电主要包括色谱分析法、光谱分析法、电分析法等。分析法等。是试样成分分析和化合物结构测定的重是试样成分分析和化合物结构测定的重要手段。要手段。仪器分析测量的物理性质与方法分类仪器分析测量的物理性质与方法分类方法分类方法分类被测物理性质被测物理性质相应分析方法相应分析方法色谱分析法色谱分析法物质在两相间的分配物质在两相间的分配气相色谱法、液相色谱法气相色谱法、液相色

2、谱法光学分析法光学分析法辐射的发射辐射的发射辐射的吸收辐射的吸收辐射的散射辐射的散射辐射的折射辐射的折射辐射的衍射辐射的衍射辐射的旋转辐射的旋转发射光谱法、荧光光谱法、磷光光发射光谱法、荧光光谱法、磷光光谱法谱法原子吸收法、分光光度法、核磁共原子吸收法、分光光度法、核磁共振波谱法、电子自旋共振波谱法振波谱法、电子自旋共振波谱法浊度法、拉曼光谱法浊度法、拉曼光谱法折射法、干涉法折射法、干涉法衍射法衍射法偏振法、旋光色散法、圆二色性法偏振法、旋光色散法、圆二色性法电化学分析法电化学分析法电位、电导电位、电导电流电流-电压电压电荷量电荷量电位分析法、电导分析法电位分析法、电导分析法极谱分析法极谱分析

3、法库伦法库伦法热分析法热分析法热性质热性质其他其他质荷比质荷比核性质核性质质谱法质谱法中子活化分析中子活化分析仪器分析仪器分析( (成分分析成分分析) )特点特点: :简便；简便；快速；快速；灵敏；灵敏；自动化程度高。自动化程度高。特点：适合微量分析特点：适合微量分析(10-810-9)； 相对误差相对误差1%。 讲课内容讲课内容(32学时学时):色谱分析法：气相色谱法色谱分析法：气相色谱法(第第2章章) 液相色谱法液相色谱法(第第3章章)质谱分析法质谱分析法(第第14章章)光谱分析法：原子发射分析法光谱分析法：原子发射分析法(第第7章章) 原子吸收分析法原子吸收分析法(第第8章章) 分子发光

4、分析分子发光分析(第第12章章) 紫外吸收光谱分析紫外吸收光谱分析(第第9章章) 教学重点：教学重点：学习各种仪器分析方法的基本原理；学习各种仪器分析方法的基本原理；学习相关分析仪器的组成、作用及应用；学习相关分析仪器的组成、作用及应用；学习仪器分析常用定量方法。学习仪器分析常用定量方法。主要分析方法安排实验辅助学习。主要分析方法安排实验辅助学习。 成绩考核：成绩考核：平时成绩平时成绩(20)； 期末考试成绩期末考试成绩(80) 第二章第二章 气相色谱分析气相色谱分析 2.1 气相色谱法概述气相色谱法概述2.1.1 色谱法概述色谱法概述1. 定义定义q 色谱法是一种分离技术；色谱法是一种分离技

5、术；q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；q另一相是携带试样混合物流过此固定相的流另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体体(气体或液体气体或液体)，称为，称为流动相流动相。q 色谱法的实质是利用色谱法的实质是利用不同组分在两相中具有不同组分在两相中具有不同的分配系数不同的分配系数(溶解度溶解度)。 色谱法是混合物最有效的色谱法是混合物最有效的分离、分析方法分离、分析方法。俄国植物学家俄国植物学家Tswett在在1906年使用的色谱原型装置年使用的色谱原型装置色谱分离：色谱分离：当流动相携带的混合物流经固定相时，由于混当流动相携带的混合物流经固定相时，由于混合物中各组

6、分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力大小、强弱不同。随着流动相的移动，混合物在两相作用力大小、强弱不同。随着流动相的移动，混合物在两相间经反复多次的分配平衡，使各组分被固定相保留的时间不间经反复多次的分配平衡，使各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。同，从而按一定次序由固定相中流出。（动画）（动画） 该分离过程是在该分离过程是在色谱柱色谱柱内完成的。内完成的。 与适当的柱后检测方法与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组结合，实现混合物中各组分的分离与检测。分的分离与检测。 两相及两相的相对运动两相及两相的

7、相对运动构成了色谱法的基础。构成了色谱法的基础。2. .色谱分析法的分类色谱分析法的分类 (1) 按流动相的物态分按流动相的物态分 气相色谱：流动相为气体气相色谱：流动相为气体(称为载气称为载气) 液相色谱：流动相为液体液相色谱：流动相为液体(也称为淋洗液也称为淋洗液)(2) 按固定相的物态分按固定相的物态分 气固色谱和液固色谱：固定相为固体气固色谱和液固色谱：固定相为固体 气液色谱和液液色谱：固定相为液体气液色谱和液液色谱：固定相为液体(3) 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 包括填充柱色谱和毛细管柱色谱包括填充柱色谱和毛细管柱色谱 纸色谱法纸色谱法 薄层色谱法薄层

8、色谱法(4) 按分离原理分类按分离原理分类 吸附色谱法吸附色谱法 利用吸附剂表面对不同组分吸附性能的差异进行分离；利用吸附剂表面对不同组分吸附性能的差异进行分离； 分配色谱法分配色谱法 利用不同组分在两相中的分配系数进行分离；利用不同组分在两相中的分配系数进行分离； 离子交换色谱法离子交换色谱法利用离子交换原理进行分离；利用离子交换原理进行分离； 排阻色谱法排阻色谱法(凝胶色谱法凝胶色谱法) 利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用进行分离。利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用进行分离。 3. .色谱法的特点色谱法的特点(1) 分离效率高分离效率高 能分离复杂混合组分，如有机同系物、异构体等。

9、能分离复杂混合组分，如有机同系物、异构体等。(2) 灵敏度高灵敏度高 可检测出可检测出g.g-1(10-6)级甚至级甚至pg.g-1(10-12)级的物质。级的物质。(3) 分析速度快分析速度快 一般几分钟或几十分钟内即可完成一个试样的分析。一般几分钟或几十分钟内即可完成一个试样的分析。(4) 应用范围广应用范围广 气相色谱：沸点较低的各种有机或无机试样气相色谱：沸点较低的各种有机或无机试样; 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。2.1.2 色谱分析基本原理色

10、谱分析基本原理 1. 色谱分离过程色谱分离过程 色谱的分离过程在色谱柱内完成。色谱的分离过程在色谱柱内完成。 (1) 气固气固(液固液固)色谱色谱 固定相：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。 分离过程：分离过程：吸附与脱附的重复过程；吸附与脱附的重复过程； 分离机理：分离机理：固体吸附剂对各组分吸附能力的不同。固体吸附剂对各组分吸附能力的不同。 (2)气液气液(液液液液)色谱色谱 固定相固定相: 由担体和固定液所组成。由担体和固定液所组成。 分离过程：分离过程：两相间的反复多次分配过程；两相间的反复多次分配过程； 分离机理：分离机理：固定液对试样中各组分溶解能力的不同。固

11、定液对试样中各组分溶解能力的不同。气相色谱分离过程气相色谱分离过程 当试样随载气进入色谱当试样随载气进入色谱柱与固定相接触时，被固柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附定相溶解或吸附; ; 随着载气的不断通入，随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附固定相中挥发或脱附; ; 挥发或脱附的组分随着挥发或脱附的组分随着载气向前移动时又再次被载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附固定相溶解或吸附; ; 随着载气的流动，溶解随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。过程反复地进行。慢慢中等中等快快Temporal cours

12、e淋洗液淋洗液2. 分配系数分配系数K色谱分离的依据色谱分离的依据组分在固定相和流动相间进行的吸附组分在固定相和流动相间进行的吸附脱附、或溶解脱附、或溶解挥发过程叫分配过程。挥发过程叫分配过程。把一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度把一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度(g / mL)比，称为分配系数。比，称为分配系数。Ms ccK 组组分分在在流流动动相相中中的的浓浓度度组组分分在在固固定定相相中中的的浓浓度度 试样中各组分具有不同的试样中各组分具有不同的K值是色谱分离的基础值是色谱分离的基础； 固定相固定相/流动相不同，组分的分配系数不同；流动相不同，组分的分配系数不同；

13、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； 一定温度下，组分的分配系数一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢越大，出峰越慢。3. 分配比分配比k (容量因子容量因子) 分配比指在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时分配比指在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：的质量比：MRMs ttmmk组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量 1.1.分配系数和分配比都是与组分及固定相的热力学性质有分配系数和分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随色谱柱温度、柱压不同变化。关的常数，随色谱柱温度、柱压不同变化。 2. 组分分离最终取决于组分在两相中的相

14、对量，而不是相组分分离最终取决于组分在两相中的相对量，而不是相对浓度，因此分配比更具实际意义。对浓度，因此分配比更具实际意义。 3. k越大，保留时间越长。越大，保留时间越长。实际工作中，常用分配比表征分配平衡。实际工作中，常用分配比表征分配平衡。分配比可由实验测得分配比可由实验测得4. 分配比分配比(容量因子容量因子)与分配系数的关系与分配系数的关系 = VM / VS为相比为相比; 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，气为固定相体积，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

15、：VS为吸附剂表面容量。为吸附剂表面容量。 填充柱相比：填充柱相比：635；毛细管柱的相比：；毛细管柱的相比：501500。 KVVccVVmVVmmmkMSMsMMSSSSMS 分配系数只取决于组分及两相性质；分配比除取决分配系数只取决于组分及两相性质；分配比除取决于组分及两相性质外，还与两相体积有关。于组分及两相性质外，还与两相体积有关。2.1.3 色谱流出曲线与术语色谱流出曲线与术语1. 基线基线 无试样通过检测器时检无试样通过检测器时检测到的噪声随时间变化的测到的噪声随时间变化的曲线称为基线。曲线称为基线。2. 保留值保留值表示组分在表示组分在色谱柱中滞留的时间色谱柱中滞留的时间 (1

16、) 时间表示的保留值时间表示的保留值 保留时间保留时间(tR)：组分从进组分从进样到柱后出现浓度极大值样到柱后出现浓度极大值所需的时间所需的时间。死时间死时间(tM)：不与固定相作用的气体不与固定相作用的气体(如空气如空气)的保留时间。的保留时间。调整保留时间调整保留时间(tR )：tR= tRtM (2) 用体积表示的保留值用体积表示的保留值保留体积保留体积(VR)： VR = tRq0 (q0为柱出口处的载气流量为柱出口处的载气流量)死体积死体积(VM)：VM = tM q0调整保留体积调整保留体积(VR)： V R = VR VM 3. 相对保留值相对保留值r21组分组分2与组分与组分1

17、调整保留值之比：调整保留值之比： r21 = t R2 / t R1= V R2 / V R1 注意：注意：r21 1 相对保留值相对保留值r21只与柱温和固定相性质有关，与柱径、柱长只与柱温和固定相性质有关，与柱径、柱长、填充情况及其他色谱操作条件无关、填充情况及其他色谱操作条件无关，是色谱定性分析的重要，是色谱定性分析的重要参数。参数。 r21也能表示色谱柱的选择性，也能表示色谱柱的选择性， r21越大，分离越好。越大，分离越好。4.区域宽度区域宽度 用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法：表示方法： (1) 标准偏差标准偏差( )：即：即0.607倍峰高

18、处色谱倍峰高处色谱峰宽度的一半。峰宽度的一半。 (2) 半峰宽半峰宽(Y1/2)：色谱峰高一半处的宽：色谱峰高一半处的宽度。度。Y1/2 =2.35 (3) 峰底宽峰底宽(Y)：Y =4 5.色谱流出曲线的用途色谱流出曲线的用途(1) 利用保留值进行定性分析；利用保留值进行定性分析；(2) 根据色谱峰面积或峰高进行定量测定根据色谱峰面积或峰高进行定量测定;(3) 根据色谱峰位置及其宽度，对色谱柱的分离情况进行评价。根据色谱峰位置及其宽度，对色谱柱的分离情况进行评价。2.2 色谱分析基本理论色谱分析基本理论试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括两方面：试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括两方面：

19、1. 各组分在两相间的分配情况各组分在两相间的分配情况-热力学热力学 2. 各组分在两相间的运动情况各组分在两相间的运动情况-动力学动力学 组分保留时间：组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；色谱过程的热力学因素控制； (与分配系数、组分和固定相的结构和性质有关与分配系数、组分和固定相的结构和性质有关) 色谱峰宽：色谱峰宽：色谱过程的动力学因素控制；色谱过程的动力学因素控制； (与两相中的运动阻力、扩散有关与两相中的运动阻力、扩散有关)色谱理论需要解决的问题：色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力色谱分离过程的热力学和动力学问题；影响分离及柱效学问题；影响分离及柱效(色谱柱分离效

20、率色谱柱分离效率)的因素与提高的因素与提高柱效的途径；柱效与分离度的评价指标及其关系。柱效的途径；柱效与分离度的评价指标及其关系。两种色谱理论：塔板理论和速率理论。两种色谱理论：塔板理论和速率理论。 塔板理论的假设：塔板理论的假设： (1) 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；达到； (2) 将载气看作成脉动将载气看作成脉动(间歇间歇)过程，每次进气过程，每次进气一个板体积；一个板体积； (3) 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； (4) 每次分配的分配系数相同。每次分配的分配系数相同。2.2.1 塔板理论塔板理论柱分离效能指

21、标柱分离效能指标1. 塔板理论塔板理论 半经验理论；半经验理论； 将色谱分离过程比作蒸馏过程，将连续的色将色谱分离过程比作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次平衡过程的重复谱分离过程分割成多次平衡过程的重复( (类似于类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程蒸馏塔塔板上的平衡过程) )。 设色谱柱长为设色谱柱长为L，虚拟的塔板间距离为，虚拟的塔板间距离为H，色谱柱的理论塔板数为色谱柱的理论塔板数为n，则：，则： n = L / H 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：222/1)(16)(54.5YtYtnRRq 塔板数塔板数n和塔板高和塔板高H可作为描述柱效能的指标可

22、作为描述柱效能的指标。q 色谱峰越窄，塔板数色谱峰越窄，塔板数n越多，理论塔板高越多，理论塔板高H越小，柱效越小，柱效越高。越高。q 用不同组分计算色谱峰可得到不同的理论塔板数。用不同组分计算色谱峰可得到不同的理论塔板数。2. 有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度有效有效有效nLHYtYtnRR222/1)(16)(54.5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! !tR= tRtM222/1)(16)(54.5YtYtnRR3. 塔板理论的优点和不足塔板理论的优点和不足 (3) 柱效不能预言及确定被测组分能否分离柱效不能预言及确定被测组分

23、能否分离 组分能否分离由分配系数组分能否分离由分配系数K决定。在一定温度条件下，当两决定。在一定温度条件下，当两组分的组分的K值相同时，无论色谱柱的塔板数多大，都无法分离值相同时，无论色谱柱的塔板数多大，都无法分离。 (2) 由于各组分在色谱柱上的分配系数不同，因此有不同的由于各组分在色谱柱上的分配系数不同，因此有不同的柱效值。用有效塔板数或有效塔板高衡量柱效能时，应指明柱效值。用有效塔板数或有效塔板高衡量柱效能时，应指明测定物质。测定物质。 (4) 塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效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，也无法指出影响柱效的因素及提高柱

24、效的不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。途径。 (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越大越大(塔板高度塔板高度H越小越小)，被测组分在柱内被分配的次数就越多，柱效能则越高。被测组分在柱内被分配的次数就越多，柱效能则越高。2.2.2 速率理论速率理论- -影响柱效的因素影响柱效的因素 1. 速率方程速率方程(范范.第姆特方程式第姆特方程式) H = A + B/u + Cu H：理论塔板高度；：理论塔板高度； u：载气的线速度：载气的线速度(cm/s) 减小减小A、B、C三项可提高柱效；三项可提高柱效； 存在着最佳流速；存在着最佳流速； A、B、C

25、三项各与哪些因素有关？三项各与哪些因素有关？A涡流扩散项涡流扩散项 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 固定相颗粒固定相颗粒dp越小，填充越均匀，越小，填充越均匀，A，H，柱效，柱效n。涡。涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象越小。流扩散所引起的色谱峰变宽现象越小。 H = A + B/u + Cu 涡流扩散项与载气性质、流速及组分无关，只与色谱柱有涡流扩散项与载气性质、流速及组分无关，只与色谱柱有关。关。B分子扩散项分子扩散项 B = 2Dg ：弯曲因子。填充柱色谱：弯曲因子。填充柱色谱：1； Dg：组分分子在气相中

26、的扩散系数组分分子在气相中的扩散系数 (1) 由于由于浓度差，产生横向扩散浓度差，产生横向扩散; (2) 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; (3) 分子扩散项与分子扩散项与流速流速有关，流速有关，流速，滞留时间，滞留时间，扩散，扩散; (4) 扩散系数：扩散系数：Dg (M载气载气)-1/2 ； 载气分子量载气分子量M载气载气，B值值； (5) Dg正比于正比于柱温柱温，反比于，反比于柱压柱压。 k为容量因子为容量因子； df 为液膜厚度为液膜厚度；Dg 、DL为扩散系数。为扩散系数。 减减小担体粒度小担体粒度，选择，选择小分子量的气体作载气小分子量的气体

27、作载气，可降低气相传，可降低气相传质阻力。固定相质阻力。固定相液膜厚度薄液膜厚度薄，组分在液相的扩散系数大，液相，组分在液相的扩散系数大，液相传质阻力小。传质阻力小。C 传质阻力项传质阻力项气液色谱气液色谱 传质阻力包括气相传质阻力传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力和液相传质阻力CL即：即： C =（Cg + CL）gfgDdkkC22)1 (01.0LfLDdkkC22)1 (322. 载气流速与柱效载气流速与柱效 H = A + B/u + Cu 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传质阻力项是影响柱效的主要因素，因素，流速流速 ，柱效柱效 。载气流速低时：载气

28、流速低时： 分子扩散项成为影响柱效的主分子扩散项成为影响柱效的主要因素，要因素，流速流速，柱效柱效 。H - u曲线与最佳流速：曲线与最佳流速： 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。 A,B,C已知时已知时: u最佳最佳= (B/C)1/2222/1)(16)(54.5YtYtnRR3. 速率理论的要点速率理论的要点 (1) 组分在柱内运行的组分在柱内运行的多路径与涡流扩散多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成、浓度梯度所造成的的分子扩散分子扩散及及传质阻力传质阻力使气液使气液/ /固两相间的分配平衡不能瞬间固两相间

29、的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。 (2) 通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。气流速可提高柱效。 (3) 各种因素相互制约，选择最佳条件，才能使柱效达到最各种因素相互制约，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。高。 (4) 速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。 需需同时满足同时满足K大、色大、色谱峰窄这两个条件，两

30、谱峰窄这两个条件，两组分才能完全分离。组分才能完全分离。 2.3 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择难分离物质的分离受色谱过程中两种因素的综合影响：难分离物质的分离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。 两组份能否为色谱柱分离，取决于固定相与被分离组两组份能否为色谱柱分离，取决于固定相与被分离组分间相互作用的差别。分间相互作用的差别。 除固定相影响分离外，色谱条件的选择对分离也有很除固定相影响分离外，色谱条件的选择对分离也有很大影响。大影响。 R = 1: 分离程度可达分

31、离程度可达98%； R = 1.5: 分离程度可达分离程度可达99.7%(相邻两峰完全分离的标准相邻两峰完全分离的标准)。)(699.1)(2)(2)1(2/1)2(2/1)1()2()1()2()1()2(YYttYYttRRRRR分离度分离度R: 包含了热力学和动力学两种因素，故可包含了热力学和动力学两种因素，故可作为色谱柱的总分离效能指标。作为色谱柱的总分离效能指标。定义式定义式令令Y(2) = Y(1) = Y(相邻两峰的峰底宽近似相等相邻两峰的峰底宽近似相等)，则：，则：16)1()1()1()(2212121)1()2()1()2()2()1()2()1()1()2()1()2(有

32、效nrrYtttrYtttYttYYttRRRRRRRRRRR有效有效HrrRLrrRn221212221212116116)()(色谱分离基本方程色谱分离基本方程)1(412121rrnR有效色谱分离基本方程的讨论：色谱分离基本方程的讨论： (1) 分离度与柱效分离度与柱效 分离度与柱效的平方根成正比。分离度与柱效的平方根成正比。r21一定时，增加柱效，一定时，增加柱效，可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间加可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间加长。长。 (2) 分离度与相对保留值分离度与相对保留值r21 增大增大r21是提高分离度的最有效方法。是提高分离度的最有

33、效方法。在相同分离度的条在相同分离度的条件下，件下，r21增加一倍，相当于增加一倍，相当于n有效有效减小减小1万倍。万倍。r21等于等于1时，不时，不能分离。能分离。 增大增大r21的最有效方法是选择合适的固定相。的最有效方法是选择合适的固定相。)1(412121rrnR有效例：例： 在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和秒和100秒。要达到完全分离，即秒。要达到完全分离，即R=1.5，需要多少块有效塔板？，需要多少块有效塔板？若填充柱的塔板高为若填充柱的塔板高为0.1 cm，柱长应为多少？，柱长应为多少？解：解： r21= 100 / 8

34、5 = 1.18 n有效有效 = 16R2 r21 / (r21 1)2 = 161.52 (1.18 / 0.18 )2 = 1547(块块) L有效有效 = n有效有效H有效有效 = 15470.1 = 155 cm 即柱长为即柱长为1.55米时，两组分可完全分离。米时，两组分可完全分离。2.4.1 气相色谱结构流程气相色谱结构流程1-载气钢瓶；载气钢瓶；2-减压阀；减压阀；3-净化干燥管；净化干燥管；4-针形针形阀；阀；5-流量计流量计; 6-压力表；压力表；7-进样阀；进样阀；8-色谱柱色谱柱; 9-检测器；检测器；10-放大器；放大器；11-温度控制器；温度控制器；12-记记录仪。录

35、仪。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系统检测系统温控系统温控系统2.4 气相色谱仪气相色谱仪2.4.2 气相色谱仪主要组成部分气相色谱仪主要组成部分一、载气系统一、载气系统 包括气源、净化干燥管和气包括气源、净化干燥管和气体流速控制装置。体流速控制装置。常用的常用的载气载气有：氢气、氮气、氦气，用气体钢瓶或气体发有：氢气、氮气、氦气，用气体钢瓶或气体发生器。生器。净化干燥管净化干燥管：去除载气中的水、氧和有机物等杂质（依次：去除载气中的水、氧和有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）。其会产生噪声，尤其对通过分子筛、活性炭等）。其会产生噪声，尤其对ECD检检测器，严重时还会

36、损坏色谱柱。测器，严重时还会损坏色谱柱。载气流速控制系统载气流速控制系统：压力表、流量计、针形稳压阀，保证：压力表、流量计、针形稳压阀，保证载气流速恒定。载气流速恒定。 包括：进样器和气化室包括：进样器和气化室 进样方式：手动进样；自动进样器进样进样方式：手动进样；自动进样器进样 气体试样气体试样可通过手动注射器或定量阀进样可通过手动注射器或定量阀进样 液体试样液体试样用不同规格的微量注射器进样：填充柱色用不同规格的微量注射器进样：填充柱色谱常用谱常用10L；毛细管色谱常用；毛细管色谱常用1L，常见为分流进样。，常见为分流进样。新型仪器带有全自动液体进样系统，清洗、润冲、取新型仪器带有全自动液

37、体进样系统，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。试样。 气化室：气化室：将液体试样瞬间气化的将液体试样瞬间气化的装置。装置。二、进样系统二、进样系统进样方式的选择进样方式的选择 分流进样分流进样 适用于有较好的热稳定性、浓度适用于有较好的热稳定性、浓度0.001%-10%左右、沸程在左右、沸程在C6-C19(69-330)的样品；的样品；程序升温进样程序升温进样 若组分沸程很宽，可采用程序升温分若组分沸程很宽，可采用程序升温分流进样流进样 。不分流进样不分流进样 当组分沸点较高，沸程接近当组分沸点较高，沸程接近C10-

38、C26(174-412)，浓度，浓度 0.01%时，不分流为宜，且时，不分流为宜，且最好以最好以H2作载气。作载气。(1) 顶空进样顶空进样 是气态进样，可避免样品基体对柱系统的是气态进样，可避免样品基体对柱系统的影响。影响。 毛细管柱分流比调节毛细管柱分流比调节 毛细管柱由于内径细，具有低流速、低容量的特点，进样方毛细管柱由于内径细，具有低流速、低容量的特点，进样方式对定量误差的影响很大。因而带来式对定量误差的影响很大。因而带来三个问题三个问题：(1) 允许通过的载气流量很小；允许通过的载气流量很小；(2) 柱容量很小，允许的进样量小。需采用分流技术；柱容量很小，允许的进样量小。需采用分流技

39、术；(3) 分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。 解决方法解决方法：1)使用灵敏度高的氢焰检测器；使用灵敏度高的氢焰检测器；2)采用尾吹技术。采用尾吹技术。分流比分流比：放空的试样量：放空的试样量与进入毛细管柱的试样与进入毛细管柱的试样量之比。一般在量之比。一般在50:1到到500:1之间调节。之间调节。三、三、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；温度； 气化室：气化室：保证液体试样瞬间

40、气化；保证液体试样瞬间气化； 检测器：检测器：保证被分离后的组分通过时不冷凝；保证被分离后的组分通过时不冷凝； 分离室：分离室：准确控制准确控制分离需要的温度。当试分离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温需要按一定程序控制温度变化，以使各组分在度变化，以使各组分在最佳温度下分离。最佳温度下分离。四、色谱柱四、色谱柱(分离柱分离柱) 色谱柱：色谱仪的核心部件。色谱柱：色谱仪的核心部件。 填充柱：填充柱：不锈钢管或玻璃管，内径不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。长度可根据毫米。长度可根据需要确定。需要确定。 柱填料：柱填料：气气-固色谱：固体吸附剂固色谱：固体

41、吸附剂 气气-液色谱：担体液色谱：担体+固定液固定液 柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，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，反之空隙体积大，柱效低。流速慢或将柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。 毛细管柱色谱：毛细管柱色谱：管径管径0.2mm，长度可达百米。固定液直接，长度可达百米。固定液直接涂在管壁上，总柱内壁面积较大涂在管壁上，总柱内壁面积较大, 气流单途径通过柱子，理气流单途径通过柱子，理论塔板数可达论塔板数可达104106。 2.4.3 固定相的选择固定相的选择 多组分混合物能否分离，主要取决于色谱柱的柱效多组分混合物能否分离，主要取决于色谱

42、柱的柱效和选择性。因此，固定相选择是色谱分析的关键问题。和选择性。因此，固定相选择是色谱分析的关键问题。1. 气固色谱固定相气固色谱固定相 是固体吸附剂，表面具有吸附活性。是固体吸附剂，表面具有吸附活性。 (1) 种类种类 1) 活性炭活性炭 非极性。有较大的比表面积，吸附性较强。非极性。有较大的比表面积，吸附性较强。 2) 活性氧化铝活性氧化铝 弱极性。适用于常温下弱极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。种固定相进行分析。 3) 硅胶硅胶 强极性

43、。与活性氧化铝有大致相同的分离性能。除能分析强极性。与活性氧化铝有大致相同的分离性能。除能分析上述物质外，还能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2、臭氧等。、臭氧等。4) 分子筛分子筛 极性。碱及碱土金属的硅铝酸盐极性。碱及碱土金属的硅铝酸盐(沸石沸石)，多孔性。如，多孔性。如3A、4A、5A、10X及及13X分子筛等。除了广泛用于分子筛等。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。等。5) 高分子多孔微球高分子多孔微球(GDX系列系列) 新型的有机合成固定相新型的有机合成固定相( (苯乙烯与二乙烯苯

44、共聚苯乙烯与二乙烯苯共聚) )。 适用于水、气体及低级醇的分析。适用于水、气体及低级醇的分析。(2) 气固色谱固定相的特点气固色谱固定相的特点1) 性能与制备及活化条件有关；性能与制备及活化条件有关；2) 同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；差异较大；3) 使用方便；使用方便；4) 种类有限，能分离的对象不多。种类有限，能分离的对象不多。2. 气液色谱固定相气液色谱固定相 (1) 固定液固定液+ +担体担体( (支持体支持体) ) -担体上涂渍一薄层固定液。担体上涂渍一薄层固定液。担体：担体： 化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大

45、的比表面积。化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。固定液：固定液： 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下呈液体固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下呈液体状态。状态。 固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。 担体应满足的条件担体应满足的条件 比表面积大，孔径分布均匀；比表面积大，孔径分布均匀； 化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组分不起反应；分不起反应； 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎； 颗粒大小均匀、适度。一般常用

46、颗粒大小均匀、适度。一般常用60-80目、目、80-100目。目。硅藻土硅藻土担体担体 由天然硅藻土经煅烧而成，两种担体化学组成和内部结由天然硅藻土经煅烧而成，两种担体化学组成和内部结构基本相似，但表面结构不同。构基本相似，但表面结构不同。红色担体：红色担体： 孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好，分孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好，分离效率高。缺点是表面存有活性吸附中心点。离效率高。缺点是表面存有活性吸附中心点。 适宜分离非极性或弱极性组分的试样。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。白色担体：白色担体： 煅烧前原料中加入了少量助溶剂煅烧前原料中加入了少量助溶剂(碳酸钠碳酸钠

47、)。 颗粒疏松，颗粒疏松，孔径较大，比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著孔径较大，比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，减小，适宜分离极性组分适宜分离极性组分。气液色谱担体分类气液色谱担体分类 种类 担体名称 特点及用途 生产厂家红色硅藻土担体201 红色担体301 釉化红色担体6201 红色担体适用于涂渍非极性固定液分析非极性物质由 201 釉化而成，性能介于红色与白色硅藻土担体之间，适用于分析中等极性物质上海试剂厂大连催化剂厂硅藻土类白色硅藻土担体101 白色担体101 酸洗101 硅烷化白色担体102 白色担体适用于涂渍极性固定液分析极性物质催化吸附性小，减小色谱峰拖尾上海试

48、剂厂非硅藻土类高分子微球玻璃微球氟担体由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成经酸碱处理，比表面积0.02 m2 / g ,可在较高温度下使用，适宜分析高沸点物质。由四氟乙烯聚合而成，比表面积10.5 m2 /g适宜分析强极性物质和腐蚀性物质上海试剂厂固定液固定液 固定液通常是高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。固定液通常是高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。 对固定液的要求对固定液的要求 挥发性小，在操作条件下呈液体状态，以免流失；挥发性小，在操作条件下呈液体状态，以免流失； 热稳定性好，在操作条件下不分解；热稳定性好，在操作条件下不分解； 对被分离组分具有不同的溶解能力，有较高的选择性；对被分离组分具有

49、不同的溶解能力，有较高的选择性； 化学稳定性好，不与被分离组分发生不可逆的化学反应。化学稳定性好，不与被分离组分发生不可逆的化学反应。 固定液的最高、最低使用温度固定液的最高、最低使用温度 高于最高使用温度易分解或气化，温度低呈固体。高于最高使用温度易分解或气化，温度低呈固体。 选择固定液的基本原则选择固定液的基本原则 -“相似相溶相似相溶”原理原理 固定液的性质与被测组分相似时，溶解度较大。固定液的性质与被测组分相似时，溶解度较大。 组分在固定液中的溶解度组分在固定液中的溶解度/分配系数的大小取决于组分与固分配系数的大小取决于组分与固定液间的分子间作用力。定液间的分子间作用力。 分离非极性物

50、质，一般选用非极性固定液。各组分按沸点分离非极性物质，一般选用非极性固定液。各组分按沸点次序分离。沸点低的先出峰，沸点高的后出峰。次序分离。沸点低的先出峰，沸点高的后出峰。 分离极性物质，选用极性固定液。各组分按极性次序分离。分离极性物质，选用极性固定液。各组分按极性次序分离。极性小的先出峰，极性大的后出峰。极性小的先出峰，极性大的后出峰。 分离非极性和极性混合物，选用极性固定液。非极性组分分离非极性和极性混合物，选用极性固定液。非极性组分先出峰，极性组分后出峰。先出峰，极性组分后出峰。 固定液分类方法固定液分类方法 组分与固定液间的作用力与两者极性有关。固定液的极组分与固定液间的作用力与两者

51、极性有关。固定液的极性采用相对极性性采用相对极性P表示。表示。 规定强极性固定液规定强极性固定液,-氧二丙腈的相对极性氧二丙腈的相对极性P = 100，非，非极性的固定液角鲨烷的相对极性极性的固定液角鲨烷的相对极性P = 0，其他固定液的相对，其他固定液的相对极性均介于极性均介于0 -100之间，分为之间，分为5级。级。 混合固定相混合固定相 对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上固定液配合使用。至两种以上固定液配合使用。(2) 毛细管色谱柱的结构特点毛细管色谱柱的结构特点 管径管径0.2mm，不装填料，阻力小，长度可达百米。

52、，不装填料，阻力小，长度可达百米。 气流单途径通过柱子，消除了组分在柱中的涡流扩散。气流单途径通过柱子，消除了组分在柱中的涡流扩散。 固定液直接涂在管壁上，总柱内壁面积较大，涂层很薄，固定液直接涂在管壁上，总柱内壁面积较大，涂层很薄，传质阻力大大降低。传质阻力大大降低。 毛细管色谱柱柱效高，每米可达毛细管色谱柱柱效高，每米可达30004000块理论塔板，块理论塔板，长长100米的毛细管柱，总理论塔板数可达米的毛细管柱，总理论塔板数可达104106。 毛细管柱毛细管柱色谱的分离能力高色谱的分离能力高 塔板理论：增加柱长，减小柱径，即增加色谱柱塔板理论：增加柱长，减小柱径，即增加色谱柱塔板数；塔板

53、数； 速率理论：减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻速率理论：减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻力，可降低塔板高度。力，可降低塔板高度。 分离效率高：比填充柱高分离效率高：比填充柱高10100倍；倍； 分析速度快分析速度快; 色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温方式；色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温方式； 涡流扩散为零。涡流扩散为零。毛细管色谱具有以下优点毛细管色谱具有以下优点毛细管柱按其制备方法可分为以下几种：毛细管柱按其制备方法可分为以下几种： 涂壁开管柱：将固定液直接涂敷在管内壁上。柱制作相涂壁开管柱：将固定液直接涂敷在管内壁上。柱制作相对简单，但柱制备的重现性差、寿命短。对简单，但柱制备

54、的重现性差、寿命短。 多孔层开管柱：在管壁上涂敷一层多孔性吸附剂固体多孔层开管柱：在管壁上涂敷一层多孔性吸附剂固体微粒。构成毛细管气固色谱。微粒。构成毛细管气固色谱。 载体涂渍开管柱：将非常细的担体微粒粘接在管壁上，载体涂渍开管柱：将非常细的担体微粒粘接在管壁上，再涂固定液。柱效较再涂固定液。柱效较WCOTWCOT柱高。柱高。 化学键合或交联柱：将固定液通过化学反应键合在管化学键合或交联柱：将固定液通过化学反应键合在管壁上或交联在一起。使柱效和柱寿命进一步提高。壁上或交联在一起。使柱效和柱寿命进一步提高。五、检测系统五、检测系统 色谱仪的眼睛，色谱仪的核心部件。色谱仪的眼睛，色谱仪的核心部件。

55、 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度浓度或或质量质量随时间的变化，随时间的变化，转化成相应电信号转化成相应电信号，经放大后记录和显示，经放大后记录和显示，给出色谱图。给出色谱图。 由检测器、放大器、显示记录三部分组成。由检测器、放大器、显示记录三部分组成。 检测器应具以下性能指标：检测器应具以下性能指标：灵敏度高；灵敏度高； 检出限低；检出限低；响应线性范围宽；响应线性范围宽；稳定性好；稳定性好；响应速度快；响应速度快；通用性强。通用性强。检测器类型检测器类型浓度型检测器浓度型检测器： 测量载气中通过检测器的组分浓度瞬间的变化。测量载气中通过检

56、测器的组分浓度瞬间的变化。检测信号值检测信号值与组分的浓度成正比与组分的浓度成正比。如热导检测器、电子捕获检测器等；。如热导检测器、电子捕获检测器等；质量型检测器质量型检测器： 测量载气中某组分进入检测器的速度变化。即测量载气中某组分进入检测器的速度变化。即检测信号值与检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比单位时间内进入检测器组分的质量成正比。如氢火焰离子化。如氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器等；检测器和火焰光度检测器等；通用型检测器通用型检测器： 对所有物质有响应，如热导检测器、氢火焰离子化检测器；对所有物质有响应，如热导检测器、氢火焰离子化检测器；选择性型检测器选择性型检测器：

57、 对特定物质有高灵敏响应，如电子俘获检测器、火焰光度检对特定物质有高灵敏响应，如电子俘获检测器、火焰光度检测器。测器。1.1.检测器性能指标检测器性能指标(1) 灵敏度灵敏度S ： 灵敏度亦称响应值，即响应信号对进样量的变化率。灵敏度亦称响应值，即响应信号对进样量的变化率。 气相色谱检测器灵敏度气相色谱检测器灵敏度(S)定义为：通过检测器物质量变定义为：通过检测器物质量变化化(Q)与响应信号变化与响应信号变化(R)之比：之比： S越大越灵敏。越大越灵敏。 S = R / Q 对浓度型检测器，检测信号对浓度型检测器，检测信号( (色谱峰高色谱峰高h或峰面积或峰面积A) )与载与载气中的物质质量浓

58、度气中的物质质量浓度成正比：成正比： Sc = h / A / = m m为进样量；为进样量；q为载气流量为载气流量。 对质量型检测器，检测信号与载气中的物质质量对质量型检测器，检测信号与载气中的物质质量m成正比：成正比： Sm = A / m 质量型检测器灵敏度与载气流量无关。质量型检测器灵敏度与载气流量无关。 2.4.4 气相色谱检测器气相色谱检测器(2) 检出限检出限D 检出限检出限D指仪器恰能分辨噪声指仪器恰能分辨噪声N和信号时，单位时间或体和信号时，单位时间或体积检测器进入的物质质量。通常以检测器积检测器进入的物质质量。通常以检测器基线偏差的响应数值基线偏差的响应数值的的3倍表示。倍

59、表示。 D值越小，值越小，检测器检测器越敏感。越敏感。 D = 3N / S(3) 最小检测量最小检测量检测器能检出的最小质量或浓度检测器能检出的最小质量或浓度 浓度型检测器：浓度型检测器： Qmin = 1.065Y1/2 q D 质量型检测器质量型检测器 Qmin= 1.065Y1/2 D 最小检出量与检测器的检出限成正比，此外，还与柱最小检出量与检测器的检出限成正比，此外，还与柱效及操作条件有关。效及操作条件有关。Y1/2越小越小Qmin越低。越低。(4) 线性范围线性范围 检测器的线性范围指：载气中组分浓度与检测器响应检测器的线性范围指：载气中组分浓度与检测器响应值值(峰高或峰面积峰高

60、或峰面积)成正比例的范围。表示为偏离线性成正比例的范围。表示为偏离线性5%处处的进样量的进样量Qmax与最小检出量与最小检出量Qmin之比。之比。 线性范围线性范围 = Qmax / Qmin线性范围越大，越有利于准确定量。线性范围越大，越有利于准确定量。2. 热导检测器热导检测器 (TCD) (1) 热导检测器的结构：由池体和热敏元件构成。热导检测器的结构：由池体和热敏元件构成。 池体池体：一般用不锈钢制成，有两个大小、形状完全相同的：一般用不锈钢制成，有两个大小、形状完全相同的孔道；孔道； 热敏元件热敏元件：用电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工：用电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工