哈工程分析化学第5章色谱分析法

1、第第 5 章章色色 谱谱 分分 析析 法法5.1 色谱分析法基础色谱分析法基础5.2 色谱基础理论色谱基础理论5.3 气相色谱法气相色谱法5.4 高效液相色谱法高效液相色谱法5.5 色谱定性与定量分析方法色谱定性与定量分析方法5.6 超临界流体色谱法简介超临界流体色谱法简介5.7 高效毛细管电泳分析法简介高效毛细管电泳分析法简介 1.熟悉色谱分析方法的特点、分类、作用；熟悉色谱分析方法的特点、分类、作用；理解色谱的基本分离过程。理解色谱的基本分离过程。 2.掌握气相色谱仪的基本结构，检测器的作掌握气相色谱仪的基本结构，检测器的作用和原理，用和原理，检测器的性能检测器的性能，固定相极性。固定相极

2、性。 3.掌握影响气相色谱分离的各种因素及必要掌握影响气相色谱分离的各种因素及必要的操作条件选择。的操作条件选择。 4.重点掌握塔板理论、速率理论、分离度及重点掌握塔板理论、速率理论、分离度及相关计算，色谱分析的各种定性定量方法。相关计算，色谱分析的各种定性定量方法。 5.掌握掌握毛细管色谱、液相色谱毛细管色谱、液相色谱基本原理及应基本原理及应用对象用对象。 6.了解超临界流体色谱的特点及应用。了解超临界流体色谱的特点及应用。5.1.1 色谱法概述色谱法概述 俄国植物学家茨维特在俄国植物学家茨维特在1906年使年使用的装置：如图。用的装置：如图。 色谱法是一种分离技术，色谱法是一种分离技术，

3、试样混合物的分离过程也就是试试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。不断进行着的分配过程。 其中的一相固定不动，称为其中的一相固定不动，称为固定固定相相； 另一相是携带试样混合物流过固另一相是携带试样混合物流过固定相的流体（气体或液体），称为定相的流体（气体或液体），称为流流动相动相。5.1 色谱分析法基础色谱分析法基础玻璃管玻璃管色谱柱色谱柱CaCO3 固定相固定相石油醚石油醚流动相流动相叶绿素的分离（动画）叶绿素的分离（动画）色谱法的分离原理色谱法的分离原理 当流动相中携带的混合物流经固定相时，并当流动相中携带的混合

4、物流经固定相时，并与固定相发生相互作用。与固定相发生相互作用。利用不同组分在两相（利用不同组分在两相（固定相和流动相）中，具有不同的固定相和流动相）中，具有不同的分配系数分配系数或或吸吸附系数附系数，当两相作相对运动时，这些物质在两相，当两相作相对运动时，这些物质在两相中反复多次的中反复多次的分配或吸附分配或吸附，这样就使得那些分配，这样就使得那些分配系数或吸附系数只有微小差异的组分产生很大的系数或吸附系数只有微小差异的组分产生很大的分离效果。分离效果。使得各组分被固定相保留的时间不同使得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。与适当的柱，从而按一定次序由固定相中流出。与适

5、当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。检测。 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础5.1.2 色谱法特点与分类色谱法特点与分类气相色谱气相色谱 流动相为流动相为气体气体（称为载气）。（称为载气）。 按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；色谱； 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱填充柱填充柱 36mm毛细管柱毛细管柱0.10.5mm填充柱色谱流程图（动画）填充柱色谱流程图（动画）毛细柱色谱流程图毛细柱色谱流

6、程图液相色谱液相色谱液相色谱：流动相为液相色谱：流动相为液体液体（也称为淋洗液）。（也称为淋洗液）。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同脂为固定相，不同pH值的水溶液为流动相。值的水溶液为流动相。其他色谱方法其他色谱方法薄层色谱和纸色谱：薄层色谱和纸色谱： 比较简单的色谱方法比较简单的色谱方法凝胶色谱法凝胶色谱法:超临界色谱超临界色谱: :高效毛细管电泳高效毛细管电泳: : 九十年代快速发展、九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分特别适合生物试样

7、分析分离的高效分析仪器。离的高效分析仪器。纸层析（动画）纸层析（动画）气相色谱法的特点气相色谱法的特点（1）分离效率高分离效率高： 复杂混合物，有机同系物、异构体；手性异构体。复杂混合物，有机同系物、异构体；手性异构体。（2）灵敏度高：）灵敏度高： 可检出可检出g.g-1(10-6)级甚至级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。级的物质量。（3） 分析速度快：分析速度快： 一般在几分或几十分内可以完成一个试样的分析一般在几分或几十分内可以完成一个试样的分析。（4） 应用范围广：应用范围广： 适用于沸点低于适用于沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。的各种有机或无机试样的分析。 不足之处：

8、不足之处： 不适用于不适用于高沸点、难挥发高沸点、难挥发、热不稳定物质热不稳定物质的分析。的分析。 被分离组分的定性较为困难。被分离组分的定性较为困难。5.1.3 气相色谱基本原理与分离过程气相色谱基本原理与分离过程气相色谱基本原理与分离过程气相色谱基本原理与分离过程气相色谱分离过程是在色谱柱内完成的。气相色谱分离过程是在色谱柱内完成的。填充柱色谱填充柱色谱: :气固和气液色谱，两者分离机理不同。气固和气液色谱，两者分离机理不同。气固色谱的固定相气固色谱的固定相: :多孔性的固体吸附剂颗粒。多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的

9、不同。气液色谱的固定相气液色谱的固定相: : 由担体和固定液所组成。由担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。气固色谱的分离机理气固色谱的分离机理: : 吸附与脱附的不断重复过程；吸附与脱附的不断重复过程；气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理： 气液两相间的反复多次分配过程。气液两相间的反复多次分配过程。气气相相色色谱谱分分离离过过程程（动画）（动画）两相分配（动画）两相分配（动画）当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附。时，被固定相溶解或吸附。随着载气的不断通入，被溶解或吸

10、附的组分随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附，又从固定相中挥发或脱附，挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附。再次被固定相溶解或吸附。随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。附的过程反复地进行。气相色谱分离过程气相色谱分离过程分配系数分配系数K 组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程分配过程。在一。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓定温度下，组分在两相间

11、分配达到平衡时的浓度（单位：度（单位：g mL-1）比，称为）比，称为分配系数分配系数，用，用K 表示，即：表示，即：smcKc cs和和cm分别表示组分在固分别表示组分在固定相和流动相中的浓度定相和流动相中的浓度分配系数分配系数K的讨论的讨论一定温度下，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；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；每个组份在各种固定相上的分配系数每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的K值是分离

12、的基础；值是分离的基础；某组分的某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。时，即不被固定相保留，最先流出。smcKc （动画）（动画）5.1.4 色谱基本参数与色谱流出曲线的表征色谱基本参数与色谱流出曲线的表征气相色谱的流出曲线气相色谱的流出曲线1.基线基线 无试样通过检测器无试样通过检测器, ,仅有载气仅有载气通过检测器时，通过检测器时， 检测到的信号即为检测到的信号即为基线基线. .基线漂移：基线漂移：指基线随时间定向的缓慢变化。指基线随时间定向的缓慢变化。基线噪声：基线噪声：指由各种因素所引起的基线起伏波动指由各种因素所引起的基线起伏波动2.保留值保留值 （1）用时间表示的保留值

13、用时间表示的保留值 保留时间（保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间。度极大值时所需的时间。 死时间（死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间。空气）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 死体积（死体积（VM）：）：指不被固定相吸附或溶解指不被固定相吸附或溶解气体（空气或甲烷）从进样开始到柱后出现浓气体（空气或甲烷）从进样开始到柱后出现浓度最大值时，所通过载气的体积。度最大值时，所通过载气的体积。F0为色谱柱为色谱柱出口处的载气

14、流量，单位出口处的载气流量，单位：mL/min。 VM=tMF0 死体积死体积VM是由三部分组成是由三部分组成: : 是填充柱内固定相颗粒间所剩留的空间是填充柱内固定相颗粒间所剩留的空间 是气相色谱仪管路连接处的空间是气相色谱仪管路连接处的空间 是检测器的死空间是检测器的死空间 一般来说后两项的空间是一般来说后两项的空间是很小很小的，可忽略不计。的，可忽略不计。3. 相对保留值相对保留值r21 相对保留值只与相对保留值只与柱温和固定相性质有关柱温和固定相性质有关，与，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。相对这两种组分的选择性。(2)(2

15、)(2)(2)21(1)(1)(1)(1)RRRRRRRRtVtVrtVtV组分组分2与组分与组分1调整保留值之比：调整保留值之比： 保留体积保留体积（VR）：指被测组分从进样开始到柱指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值所通过的载气体积。后出现浓度最大值所通过的载气体积。 VR = tRF0调整保留体积调整保留体积（VR）： V R= VRVM4. 区域宽度区域宽度用来衡量色谱峰宽度的参数。用来衡量色谱峰宽度的参数。 有三种表示方法：有三种表示方法：（1）标准偏差）标准偏差( ( ) )： 即即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。倍峰高处色谱峰宽度的一半。（2）半峰宽）半峰宽( (Y1/2

16、) )： 色谱峰高一半处的宽度色谱峰高一半处的宽度 Y1/2 =2.354 （3）峰底宽）峰底宽( (Wb或或Y) )： Wb=4 色谱流出曲线可以解决以下三个问题：色谱流出曲线可以解决以下三个问题： （1）根据色谱峰的位置（保留值）可以进行根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性分析；定性分析； （2）根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析；分析； （3）根据色谱峰的位置及其宽度，可以评价根据色谱峰的位置及其宽度，可以评价色谱柱分离效果。色谱柱分离效果。5.2 色谱基础理论色谱基础理论5.2.1 色谱基本关系式色谱基本关系式1.1.分配比分配比 分配系数分配系

17、数K：组分在两相间的浓度比；：组分在两相间的浓度比；分配比分配比 k（partition ratio，也称也称容量因子容量因子）是是指在一定温度下，在两相间达到分配平衡时，指在一定温度下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比组分在两相中的质量比 k：平衡时，组分在各相中总的质量比；平衡时，组分在各相中总的质量比； k =MS / MmMS、Mm分别为组分在固定相和流动相中的质分别为组分在固定相和流动相中的质量量。2. 容量因子容量因子k与分配系数与分配系数K的关系的关系 式中式中为相比。为相比。 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： 501500SSSSs

18、SSmmmmmMVMVcVKkMMcVVV M/SSSMMMScMVVKkkcMVV 3. 分配比与保留时间的关系分配比与保留时间的关系 容量因子越大，保留时间越长。可由保留容量因子越大，保留时间越长。可由保留时间计算出容量因子：时间计算出容量因子：RMRMMtttktt分配系数与分离温度的关系分配系数与分离温度的关系 分离过程中的温度变化必然要影响到溶质在分离过程中的温度变化必然要影响到溶质在两相中的分配，即分配系数是物质的一种两相中的分配，即分配系数是物质的一种热力热力学参数学参数。 对于一定的溶质和固定相，溶质的分配系对于一定的溶质和固定相，溶质的分配系数与分离温度间存在以下关系数与分离

19、温度间存在以下关系：lgCaKbT式中，式中，a，b为常数，为常数，TC为分离时的绝对温度。为分离时的绝对温度。 由此可见，分离温度越高，分配系数越小由此可见，分离温度越高，分配系数越小，即溶质在流动相中的浓度越大，保留时间越，即溶质在流动相中的浓度越大，保留时间越短，组分色谱峰流出分离柱也越快。短，组分色谱峰流出分离柱也越快。 在色谱理论的发展过程中，其中较重要的理在色谱理论的发展过程中，其中较重要的理论有论有塔板理论和速率理论塔板理论和速率理论。塔板理论反映了色谱塔板理论反映了色谱分离过程的热力学行为分离过程的热力学行为，并提出了，并提出了塔板数，塔板塔板数，塔板高度高度等概念，等概念，解

20、释了保留值的大小，两峰间距离解释了保留值的大小，两峰间距离发生变化的现象。发生变化的现象。5.2.2 塔板理论塔板理论- -柱分离效能指标柱分离效能指标 而速率理论主要描述了色谱峰宽度，组分在而速率理论主要描述了色谱峰宽度，组分在色谱柱中的扩散和运行速度等问题，是色谱的动色谱柱中的扩散和运行速度等问题，是色谱的动力学行为。力学行为。 因此塔板理论和速率理论是从两个方面描述因此塔板理论和速率理论是从两个方面描述一个较完整的分离行为。除了塔板理论和速率理一个较完整的分离行为。除了塔板理论和速率理论之外，还有非平衡理论和质量理论。本节只讨论之外，还有非平衡理论和质量理论。本节只讨论塔板理论和速率理论

21、。论塔板理论和速率理论。 塔板理论塔板理论最早于最早于1941年，年，由马丁（由马丁（Martin）和詹姆斯）和詹姆斯( (James)提出，并用数学模提出，并用数学模型描述了色谱分离过程。它型描述了色谱分离过程。它把整个色谱柱比拟作把整个色谱柱比拟作分分馏塔馏塔，因而直接引用了因而直接引用了处理处理分分馏过馏过程的概念，理论和方法来处程的概念，理论和方法来处理色谱过程理色谱过程，即将连续的色即将连续的色谱过程看作是许多小段平衡谱过程看作是许多小段平衡过程的重复过程的重复。这个。这个半经验理半经验理论论把色谱柱比作一个分馏塔。把色谱柱比作一个分馏塔。 色谱柱可由许多假设的塔板组成，在每色谱柱可

22、由许多假设的塔板组成，在每块塔板内，一部分空间为涂在担体上的液相块塔板内，一部分空间为涂在担体上的液相占据，另一部分空间被载气（气相）所占据，占据，另一部分空间被载气（气相）所占据，载气所占据的空间称为载气所占据的空间称为板体积板体积V。当欲分离。当欲分离的组分随载气进入色谱柱后，就在两相间进的组分随载气进入色谱柱后，就在两相间进行分配。由于流动相在不停地移动，组分就行分配。由于流动相在不停地移动，组分就在塔板间隔的气在塔板间隔的气- -液两相间不断地达到分配液两相间不断地达到分配平衡。平衡。塔板理论假定：塔板理论假定：（1）在每块塔板上，组分在两相间的分配平衡在每块塔板上，组分在两相间的分配

23、平衡是瞬间完成的。每次分配平衡所需要的一段是瞬间完成的。每次分配平衡所需要的一段柱长称为理论塔板高度，用柱长称为理论塔板高度，用H表示。表示。（2）载气进入色谱柱，不是连续的，而是脉冲载气进入色谱柱，不是连续的，而是脉冲式的，每次进气为一个板体积式的，每次进气为一个板体积V。（3）试样开始时都加在第试样开始时都加在第0号塔板上，而且试号塔板上，而且试样沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可忽略样沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可忽略不计。不计。（4）在所有的塔板上，组分在两相中的分配系在所有的塔板上，组分在两相中的分配系数数K（或分配比（或分配比k）是常数）是常数色谱柱长：色谱柱长：L，虚拟的塔板间距

24、离：虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：色谱柱的理论塔板数：n，则三者的关系为：则三者的关系为： 理论塔板数与色谱参数之间的理论塔板数与色谱参数之间的关系为：关系为：222116545)()(./bRRWtYtnLHn 色谱峰越窄，理论塔板数色谱峰越窄，理论塔板数n越多，理论塔越多，理论塔板高度板高度H就越小，此时柱效能越高就越小，此时柱效能越高，因此因此n和和H可作为评价柱效能的一个指标可作为评价柱效能的一个指标。 由于死时间由于死时间tM(或死体积或死体积VM)的存在，它包括的存在，它包括在在tR（或（或VR）中，而）中，而tM(或或VM M) )不参加柱内的分配，不参加柱内的分配，

25、因此尽管计算出来的因此尽管计算出来的n很大，很大，H很小，但色谱柱很小，但色谱柱表现出来的实际分离效能却并不好，特别是对流表现出来的实际分离效能却并不好，特别是对流出色谱较早（出色谱较早（tR较小）的组分更为突出。较小）的组分更为突出。需引入需引入有效塔板数和有效塔板高度：有效塔板数和有效塔板高度：有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度222116545)()(./bRRWtYtn有效有效有效nLHWtYtnbRR222/1)(16)(54. 5 有效塔板数有效塔板数n有效有效和有效塔板和有效塔板高度高度H有效有效是扣除可死时间（或死是扣除可死时间（或死体积）的影响体积）的影响. .

26、 因此更能真实地因此更能真实地反映柱效能的好坏反映柱效能的好坏塔板理论的特点和不足：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越多，柱效，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。能则越高，所得色谱峰越窄。 ( (2) )不同物质在同一色谱柱上的分配系数及理论塔不同物质在同一色谱柱上的分配系数及理论塔板数不同，用塔板数和塔板高度作为衡量柱效能的指板数不同，用塔板数和塔板高度作为衡量柱效能的指标时，标时，应指明测定物质应指明测定物质。 ( (3) )

27、柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当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两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。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载气流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。素及提高柱效的途径。 总结：总结：塔板理论能解释塔板理论能解释 色谱流出曲线的形态（呈正态分布）色谱流出曲线的形态（呈正态分布）; ; 浓度极大点的位置（浓度极大点的位置（t=tR）；）

28、；计算评价柱效能等方面都取得了成功计算评价柱效能等方面都取得了成功. . 塔板理论不能解塔板理论不能解释释 塔板高度是受哪些因素影响的这个本质问题；塔板高度是受哪些因素影响的这个本质问题； 也不能解释为什么在不同流速（也不能解释为什么在不同流速（F）下可以测）下可以测得不同的理论塔板数这一实验事实：得不同的理论塔板数这一实验事实：22()022Rt tccec0为进样浓度，为进样浓度，tR为保留时间，为保留时间，为标准偏差，为标准偏差，c为时间为时间t t时柱子出口的浓度时柱子出口的浓度图图 载气流速对塔板数的影响载气流速对塔板数的影响 速率理论速率理论Van Deemter方程式方程式 19

29、56年荷兰学者范弟姆特（年荷兰学者范弟姆特（Van Deemter）等提出）等提出了了色谱过程的动力学理论色谱过程的动力学理论，他们吸收了塔板理论的概，他们吸收了塔板理论的概念，并把念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出，导出了塔板高度了塔板高度H与载气线速度与载气线速度u的关系：的关系： 5.2.3 速率理论速率理论- -影响柱效的因素影响柱效的因素BHACuu 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) ) 载气的线速度是指单位时间内载气流过色谱中的距载气的线速度是指单位时间内载气流过色谱中的距离，一般以离，一般以c

30、m/s表示表示 减小减小A、B、C三项可提高柱效；三项可提高柱效； A、B、C三项各与哪些因素有关？三项各与哪些因素有关？1.涡流扩散项涡流扩散项A 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 固定相颗粒越小固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，填充的越均匀，A，H，柱效，柱效n。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。减轻，色谱峰较窄。A与载气流速与载气流速u无关无关。涡流扩散（动画）涡流扩散（动画）2.分子扩散项分子扩散项-B2mBD：弯曲因子，填充柱色谱，弯曲因子，填充柱色谱

31、， 10时时，k/（k+1）的改变不大，的改变不大，对对分离度分离度R的提高并不明显，反而使分离时间大为的提高并不明显，反而使分离时间大为延长延长。 因此因此k值的值的最佳范围是最佳范围是1k10，在此范围内在此范围内，既可得到大的，既可得到大的R值，也可使分离时间不至于过值，也可使分离时间不至于过长，使色谱峰的扩展不太严重。长，使色谱峰的扩展不太严重。 使分配比使分配比k值改变的方法有：值改变的方法有： 改变柱温和改变相比，改变柱温影响分配比改变柱温和改变相比，改变柱温影响分配比而使而使k值改变；改变相比值改变；改变相比包括改变固定相体积及包括改变固定相体积及柱的死体积柱的死体积VM。 .分

32、离度分离度R与柱选择性与柱选择性r21的关系（选择因子）的关系（选择因子） r21是柱选择性的量度是柱选择性的量度，r21越大，柱选择性越大，柱选择性越好，分离效果越好。越好，分离效果越好。 在实际工作中，可由一定的在实际工作中，可由一定的r21值和所要求值和所要求的分离度，用上两式计算所需要的有效塔板数的分离度，用上两式计算所需要的有效塔板数和有效塔板高度，求柱长。和有效塔板高度，求柱长。 当当r21=1时分离所需要的有效塔板数为无穷时分离所需要的有效塔板数为无穷大，故分离是不可能实现的。大，故分离是不可能实现的。例题例题1 1： 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

33、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 。计算需要多。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1cm，柱长是柱长是多少？多少？解：解： r21= 100 / 85 = 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 = 155cm=1.55m 即柱长为即柱长为1.55m时，两组分可以得到完全分离。时，两组分可以得到完全分离。例题例题2： 在一

34、定条件下，两个组分的保留时间分别为在一定条件下，两个组分的保留时间分别为12.2s和和12.8s，计算分离度计算分离度（柱长（柱长1m，n=3600） 。要达到完全分离，即要达到完全分离，即R=1.5 ，所需要的柱长。，所需要的柱长。解：解：8533. 036008 .12448133. 036002 .12442211ntWntWRbRb分离度：分离度：72. 08133. 08533. 0)2 .128 .12(2RmLRRL34. 4172. 05 . 1212122 例题例题3： 在一根在一根3米长的色谱柱上，分离某一试样得如下的米长的色谱柱上，分离某一试样得如下的色谱图及数据色谱图及

35、数据：1.1.用组分用组分2计算色谱柱的有效塔板数和有效塔板高度计算色谱柱的有效塔板数和有效塔板高度2.2.求调整保留时间求调整保留时间tR1 和和tR2 3.3.若达到分离度若达到分离度R=1.5，所需的最短柱为几米。，所需的最短柱为几米。（留给同学自己作）（留给同学自己作）5.3 气相色谱法气相色谱法5.3.1 气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱流程气相色谱流程1-1-载气钢瓶；载气钢瓶；2-2-减压阀；减压阀；3-3-净化干燥管；净化干燥管；4-4-针形阀；针形阀；5-5-流量计流量计;6-;6-压力表；压力表；7-7-气化室；气化室

36、；8-8-分离柱分离柱;9-;9-热导池；热导池；10-10-放大器；放大器；11-11-温度控制器；温度控制器；12-12-记录仪；记录仪；热导池检测器填充柱色谱流程图热导池检测器填充柱色谱流程图1.1.净化器净化器 2.2.稳压阀稳压阀 3.3.稳流阀稳流阀 4.4.压力表压力表 5.5.进样室进样室 6.6.温控温控 7.7.填充色谱柱填充色谱柱 8.8.氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器 9.9.放大器放大器 10.10.记录仪记录仪 11.11.积分仪积分仪 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器气相色谱流程气相色谱流程1. 气路系统（载气系统）气路系统（载气系统）：包括气源、净化干

37、燥包括气源、净化干燥管和载气流速控制；管和载气流速控制；2. 进样系统进样系统：进样器及气化室；进样器及气化室；3. 色谱柱：色谱柱：填充柱或毛细管柱；填充柱或毛细管柱；4. 检测器检测器：可连接各种检测器，以热导检测器或可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检测器最为常见；氢火焰检测器最为常见；5. 记录系统：记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪；放大器、记录仪或数据处理仪；6. 温度控制系统温度控制系统：柱室、气化室柱室、气化室、检测室、检测室的温度的温度控制。控制。气相色谱仪气相色谱仪1. 气路系统（载气系统）气路系统（载气系统）气路系统气路系统是一个载气连续运行、管路密闭是一个载气连续

38、运行、管路密闭系统。系统。气路系统包括气路系统包括气源、气体净化器、气体流气源、气体净化器、气体流量控制和测量装置。量控制和测量装置。在气相色谱法中，在气相色谱法中，作为流动作为流动相的气体称为载气。相的气体称为载气。载气的主要作用有二，载气的主要作用有二， 其一是推动试样在色谱柱中运动；其一是推动试样在色谱柱中运动； 其二是为试样在色谱柱中的分配或吸附提供其二是为试样在色谱柱中的分配或吸附提供一个一个“相相”空间空间常用载气：常用载气：H2、N2、He（1）载气的净化载气的净化 对载气纯度的要求主要取决于所用的对载气纯度的要求主要取决于所用的色谱色谱柱，检测器和分析任务柱，检测器和分析任务的

39、要求的要求。 一般痕量组分分析比常量组分分析要求载一般痕量组分分析比常量组分分析要求载气的纯度高。气的纯度高。 净化干燥器是提高载气的纯度。净化干燥器净化干燥器是提高载气的纯度。净化干燥器中通常装有中通常装有4A或或5A分子筛、硅胶，活性炭等，分子筛、硅胶，活性炭等，可除去水蒸气或氧气等杂质。可除去水蒸气或氧气等杂质。 一般来说气相色谱法用的载气纯度要求在一般来说气相色谱法用的载气纯度要求在99.99%以上。以上。 载气流速有体积流速和线速度载气流速有体积流速和线速度. . 载气的体积流速载气的体积流速是指单位时间内通过色谱中是指单位时间内通过色谱中的气体体积，单位为的气体体积，单位为mLmi

40、n-1. . 载气的线速度载气的线速度是指单位时间内载气流过色谱是指单位时间内载气流过色谱中的距离，一般以中的距离，一般以cms-1表示表示. .（2）载气流速的测量载气流速的测量3102(min)/60( )(/ )F cmsu cm sA cm柱截面积（载气流量的测量方法常用如下两种方法：载气流量的测量方法常用如下两种方法：（1）转子流量计转子流量计（2）皂膜流量计皂膜流量计2.进样系统进样系统 进样系统包括进样系统包括气化室和进样器气化室和进样器。在色谱分析。在色谱分析中，进样量的大小，进样时间的长短，液体试样中，进样量的大小，进样时间的长短，液体试样气化速度等都会影响色谱分离效果和定量

41、分析结气化速度等都会影响色谱分离效果和定量分析结果的准确度，重复性。果的准确度，重复性。 ( (1) )气化室气化室 气化室（也叫样品注射室），其作用是将液气化室（也叫样品注射室），其作用是将液体试样（固体试样一般转化为液体试样）瞬间气体试样（固体试样一般转化为液体试样）瞬间气化为蒸气化为蒸气. . 气化室结构示意气化室结构示意1.散热片散热片 2.玻璃插入管玻璃插入管 3.加热管加热管 4.载气入口载气入口 5.接色谱柱接色谱柱 ( (2）进样器）进样器 分为分为气体进样气体进样和和液体进样液体进样。（1）气体进样）气体进样 气体进样常用医用气体进样常用医用0.25、1、2、5、10mL注射

42、器进样，方法简便，但重复性差，一般相注射器进样，方法简便，但重复性差，一般相差差2.0%。也可用。也可用旋转式六通阀定量进样旋转式六通阀定量进样，重复，重复性好，相差性好，相差0.5%。（2）液体进样液体进样 液体进样一般用液体进样一般用1、2、5、10、50L微量注射微量注射器进样，重复性为器进样，重复性为2.0%。现代的气相色谱仪有自现代的气相色谱仪有自动进样器，由计算控制。动进样器，由计算控制。 圆盘式自动进样器圆盘式自动进样器1.1.电机电机 2.2.贮样圆盘贮样圆盘 3.3.样品瓶样品瓶 4.4.取样针取样针 5.5.滑块滑块 6.6.进样阀进样阀 7.7.丝杠丝杠 8.8.定体积管

43、定体积管3.分离系统分离系统 气相色谱法最突出的优点是具有较高的气相色谱法最突出的优点是具有较高的分离分离效果效果。即分离过程中正是在色谱柱中进行的，色。即分离过程中正是在色谱柱中进行的，色谱柱是安装在具有可调温的恒温箱内，恒温箱的谱柱是安装在具有可调温的恒温箱内，恒温箱的温度由温度控制系统控制的。色谱柱又分为温度由温度控制系统控制的。色谱柱又分为填充填充柱柱和和毛细管柱两种毛细管柱两种。填充柱填充柱 36mm毛细管柱毛细管柱0.10.5mm4. 检测系统检测系统 在气相色谱分析中，经色谱柱分离后流出的在气相色谱分析中，经色谱柱分离后流出的各个组分，必须通过检测器，各个组分，必须通过检测器，将

44、各个组分按其物将各个组分按其物理的或化学的特性，用直接或间接的方式转变成理的或化学的特性，用直接或间接的方式转变成电信号电信号显示出来，才能鉴别各个组分及其浓度的显示出来，才能鉴别各个组分及其浓度的变化情况，从而达到定性和定量分析的目的，变化情况，从而达到定性和定量分析的目的， 可见检测器也是气相色谱的重要组成部分。可见检测器也是气相色谱的重要组成部分。 气相色谱法能在比较短的时间内有飞跃的发气相色谱法能在比较短的时间内有飞跃的发展，其原因就是高灵敏度，高选择性的检测器的展，其原因就是高灵敏度，高选择性的检测器的应用分不开的。应用分不开的。 5.温度控制系统温度控制系统 温度是气相色谱分析的重

45、要操作参数之一，温度是气相色谱分析的重要操作参数之一，它直接影响到色谱柱的选择性，分离效果以及检它直接影响到色谱柱的选择性，分离效果以及检测器的灵敏度和稳定性。由于测器的灵敏度和稳定性。由于气化室，色谱柱气化室，色谱柱和和检测器检测器的温度各具有不同的作用，因此要求仪器的温度各具有不同的作用，因此要求仪器具有三种不同的独立温度控制。具有三种不同的独立温度控制。 气化室温度的控制是为了保证液体试样在瞬气化室温度的控制是为了保证液体试样在瞬间气化而不发生分解。间气化而不发生分解。 检测室温度的控制是为了保证被分离后的组检测室温度的控制是为了保证被分离后的组分通过时不被冷凝。分通过时不被冷凝。 柱温

46、是色谱分离的重要操作参数柱温是色谱分离的重要操作参数 6.数据处理系统数据处理系统 数据处理系统包括放大器，记录仪，数据处理系统包括放大器，记录仪，积分仪，现代仪器带有色谱工作站等。有积分仪，现代仪器带有色谱工作站等。有关原理和操作参考仪器说明书。关原理和操作参考仪器说明书。 目前色谱仪大都把色谱柱和检测器目前色谱仪大都把色谱柱和检测器分别放在色谱箱和检测器室内，便于程分别放在色谱箱和检测器室内，便于程序升温。序升温。5.3.2 气相色谱固定相气相色谱固定相1.气固色谱固定相气固色谱固定相 活性炭：活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。有较大的比表面积，吸附性较强。 活性氧化铝活性氧化铝：有较

47、大的极性。适用于常温下有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互等气体的相互分离。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。 硅胶硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。等，且能够分离臭氧。气固色谱固定相气固色谱固定相 分子筛分子筛： 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如。如3A、4A、5A、10X及及13X分

48、子筛等（孔径：分子筛等（孔径：埃）埃）。常用常用5A和和13X（常温下分离（常温下分离O2与与N2）。）。除除了广泛用于了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外等的分离外，还能够测定，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等等。 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（苯乙烯与二乙烯苯新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。共聚）。 型号：型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气等。适用于水、气体及低级醇的分析。体及低级醇的分析。表表 气固色谱法常用的几种吸附剂及其性能气固色谱法常用的几种吸附剂及其性能吸附吸附剂剂 主要化学主要化

49、学成分成分 最高使最高使用温度用温度 性质性质 活化方法活化方法 分离特征分离特征 备注备注 活性活性炭炭 C C 300 500 500 非极性非极性 同上同上 分离气体及烃类，分离气体及烃类，对沸点高的化合物对沸点高的化合物也能获得较好峰形也能获得较好峰形 硅硅 较较SiO2H2O 400 400 氢键型氢键型 粉碎过筛后，用粉碎过筛后，用6molL1HCl浸泡浸泡12小时，然后用蒸馏水洗至无氯离小时，然后用蒸馏水洗至无氯离子为止。在子为止。在180烘至烘至68小时。装小时。装柱后于使用前再柱后于使用前再200下通载气活化下通载气活化2小时小时 分离永久性气体及分离永久性气体及低级烃低级烃

50、 商品色谱用商品色谱用硅胶，只需硅胶，只需在在200下下活化处理活化处理 氧化氧化铝铝AlAl2 2O O3 3400400弱极性弱极性2001000下烘烤活化下烘烤活化分离烃类及有机异分离烃类及有机异构体构体分子分子筛筛X(MO)YX(MO)Y(Al(Al2 2O O3 3) ) Z(SiOZ(SiO2 2) ) nHnH2 2O O400400极性极性粉碎过筛后，用前在粉碎过筛后，用前在350550下下活化活化34小时，或在小时，或在350真空下活真空下活化化2小时小时特别适用于永久性特别适用于永久性气体和惰性气体的气体和惰性气体的分离分离GDX多孔聚合多孔聚合物物牌号不牌号不同，使同，使

51、用温度用温度不同不同原料不原料不同极性同极性不同不同170800下烘去微量水后，在下烘去微量水后，在H2或或N2气中活化处理气中活化处理1020小时小时牌号不同，分离特牌号不同，分离特征不同征不同气固色谱固定相的特点气固色谱固定相的特点（1）性能与制备和活化条件有很大关系；性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；件，分离效果差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。使用方便。2.气气-液色谱固定相液色谱固定相 气液色谱固定相气液色谱固定相 固定液固定液+ +担体

52、（支持体）担体（支持体） ： 固定液是固定液是高沸点的有机液体物质，把它涂渍高沸点的有机液体物质，把它涂渍在担体上，组成气液色谱固定相，称为气在担体上，组成气液色谱固定相，称为气液色液色谱柱谱柱, , 固定液在常温下不一定为液体，固定液在常温下不一定为液体，但在使用但在使用温度下一定呈液体状态。温度下一定呈液体状态。 固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。不断扩大。 担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。大的比表面积。 可以作为担体使用的物质应满足以下条件：可以作为担体使用的物质应满足以下条件：

53、 （1）比表面积大，孔径分布均匀比表面积大，孔径分布均匀. . （2）化学惰性，表面无吸附性或吸附性很）化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应弱，与被分离组份不起反应. . （3）具有较高的热稳定性和机械强度，不）具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎易破碎. . （4）颗粒大小均匀、适度。一般常用）颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、目、80100目。目。（1）担体担体担体有硅藻土担体和非硅藻土担体担体有硅藻土担体和非硅藻土担体红色担体：红色担体： 孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试械强度好。

54、适宜分离非极性或弱极性组分的试样。样。 缺点是表面存有缺点是表面存有活性吸附中心点活性吸附中心点。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) )。颗粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强颗粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。分的试样。硅藻土担体分为红色担体和白色担体硅藻土担体分为红色担体和白色担体填充柱气液色谱担体一览表填充柱气液色谱担体一览表固定液固定液 固定液：高沸点难挥发有机化合物，种类固定液：高沸点难挥发有机化合物，种类繁多。繁多。对对固定

55、液的固定液的要求：要求： 挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。以免流失。 热稳定性好，在操作温度下不发生分解热稳定性好，在操作温度下不发生分解和聚合反应，并呈液体状态，以保持固定液原和聚合反应，并呈液体状态，以保持固定液原有的特性，有最高使用温度。有的特性，有最高使用温度。 对试样各组分有适当的溶解能力，具有对试样各组分有适当的溶解能力，具有良好的选择性良好的选择性 。 化学稳定性好，不与被测组分，化学稳定性好，不与被测组分，担体，载气发生化学反应。担体，载气发生化学反应。 有合适溶剂溶解，使固定液能均有合适溶剂溶解，使固定液能均匀涂敷在担体表面，

56、形成液膜。匀涂敷在担体表面，形成液膜。 熔点不能太高，在室温下不一定熔点不能太高，在室温下不一定是液体，有最低使用温度是液体，有最低使用温度（3）固定液的相对极性固定液的相对极性 早在早在1953年，罗胥耐德提出用相对极性年，罗胥耐德提出用相对极性P P来标志来标志 固定液的分离特征。固定液的分离特征。 规定强极性的固定液规定强极性的固定液, -氧二丙腈的氧二丙腈的极性极性P=100 非非极性的极性的固定液角鲨烷（异三十烷）的固定液角鲨烷（异三十烷）的极性极性P=0 其他其他固定液的极性固定液的极性用一对物质用一对物质苯与环己烷苯与环己烷进行试验。进行试验。112100 100 xxqqPqq

57、 )(R(Rttlgq环乙烷苯） 式中式中q下标下标1，2和和x分别表示分别表示， 氧二丙腈，角氧二丙腈，角鲨烷及待测固定液鲨烷及待测固定液。 这样测得的各种固定液的相对极性均在这样测得的各种固定液的相对极性均在0100之间，之间，为了便于选择固定液时参考，又将其分为六级，每为了便于选择固定液时参考，又将其分为六级，每20为为一级一级。每一级的极性用一个每一级的极性用一个“+”表示，表示， 非极性固定液用非极性固定液用“0”，或或 “-” 120为为“+” 2140为为“+2” 4160为为“+3” 6180为为“+4” 81100为为“+5” “ “0”为非极性固定液为非极性固定液，+1+2

58、为弱极性固定液，为弱极性固定液，+3为极性固定液，为极性固定液，+4+5为强极性固定液为强极性固定液表表 气相色谱常用固定液气相色谱常用固定液固定液固定液英文名称英文名称最高使最高使用温度用温度( )常用溶剂常用溶剂相对相对极性极性分析对象分析对象 （仅供参考）（仅供参考）角鲨烷角鲨烷(异异三十烷三十烷)Squalane140甲苯甲苯0是非极性标准固定液，分离一是非极性标准固定液，分离一般烃类及非极性化合物般烃类及非极性化合物液体石蜡液体石蜡Liquid paraffin100甲苯甲苯一般非极性化合物一般非极性化合物正十六烷正十六烷nhexadecane80甲苯甲苯低级烃类化合物低级烃类化合物

59、阿皮松阿皮松LApiezon L240300氯仿，氯仿，二氯甲烷二氯甲烷各类高沸点有机化合物各类高沸点有机化合物阿皮松阿皮松NApiezon N300氯仿，氯仿，二氯甲烷二氯甲烷各类高沸点有机化合物各类高沸点有机化合物硅油硅油Silixone oil200氯仿氯仿,甲苯甲苯,二氯甲烷，二氯甲烷，非极性和弱极性各类有机化合非极性和弱极性各类有机化合物物硅酮弹性体硅酮弹性体Silicone elastomer300氯仿氯仿+丁丁醇（醇（1：1）各类高沸点有机化合物（弱极各类高沸点有机化合物（弱极性），如多核芳烃化合物，高性），如多核芳烃化合物，高级脂肪酸酯、酚等级脂肪酸酯、酚等固定液固定液英文名称

60、英文名称最高使用温最高使用温度（度（）常用溶常用溶剂剂相对极相对极性性分析对象（仅供参考）分析对象（仅供参考）二甲基硅二甲基硅橡胶橡胶SE30，E301Dimethy silicone300350氯仿氯仿+丁醇丁醇（1：1）各类高沸点有机化合物（弱各类高沸点有机化合物（弱极性），如多核芳烃化合物，极性），如多核芳烃化合物，高级脂肪酸酯、酚等高级脂肪酸酯、酚等邻苯二甲邻苯二甲酸二丁酯酸二丁酯Dibutyi phthalate(DBP)100丙 烷 ，丙 烷 ，二 氯 甲二 氯 甲烷烷2芳族化合物，不饱和化合物芳族化合物，不饱和化合物及各种含氧化合物（醇，酮，及各种含氧化合物（醇，酮，酸酯等）酸酯