第02章、气相色谱分析

1、第一节、概述第一节、概述 一一. . 色谱法的产生和发展色谱法的产生和发展u19061906年，俄国植物学家年，俄国植物学家TswettTswett为了分离植物色素，为了分离植物色素，将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，形成一圈圈进行，不同色素向下移动的速度不同，形成一圈圈不同颜色的色带，使各色素成分得到了分离。他将不同颜色的色带，使各

2、色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法（这种分离方法命名为色谱法（chromatographychromatography）。）。u在此后的在此后的2020多年里，几乎无人问津这一技术。多年里，几乎无人问津这一技术。u到了到了19311931年，年，KuhnKuhn等用同样的方法成功地分离了胡等用同样的方法成功地分离了胡萝卜素和叶黄素，从此，色谱法开始为人们所重视，萝卜素和叶黄素，从此，色谱法开始为人们所重视，u此后，相继出现了各种色谱方法（见表此后，相继出现了各种色谱方法（见表2-12-1）。）。第二章、气相色谱分析第二章、气相色谱分析表表2-1 2-1 色谱法的发展历史色谱法的发

3、展历史 在分析化学领域在分析化学领域: : u色谱法是一个相对年轻的分支学科。色谱法是一个相对年轻的分支学科。u早期的色谱技术只是一种分离技术，与萃取、早期的色谱技术只是一种分离技术，与萃取、蒸馏等分离技术不同的是其分离效率高得多。蒸馏等分离技术不同的是其分离效率高得多。u当这种高效的当这种高效的分离技术分离技术与各种灵敏的与各种灵敏的检测技检测技术术结合在一起后，才使得色谱技术成为最重结合在一起后，才使得色谱技术成为最重要的一种分析方法，要的一种分析方法，u色谱技术几乎可以分析所有已知物质，在所色谱技术几乎可以分析所有已知物质，在所有学科领域都得到了广泛的应用。有学科领域都得到了广泛的应用。

4、表表2-2 2-2 色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作v二二. . 色谱法的优点和缺点色谱法的优点和缺点1. 色谱法的优点分离效率高分离效率高。几十种甚至上百种性质类似的化合物可在同一根色谱柱上得到分离，能解决许多其他分析方法无能为力的复杂样品分析。分析速度快分析速度快。色谱法可在几分钟至几十分钟的时间内完成一个复杂样品的分析。 检测灵敏度高检测灵敏度高。随着信号处理和检测器制作技术的进步，不经过预浓缩可以直接检测 10-9g 级的微量物质。如采用预浓缩技术，检测下限可以达到 10-12g数量级。 样品用量少样品用量少。一次分析通常只需数纳升至数微升的溶液

5、样品。选择性好选择性好。通过选择合适的分离模式和检测方法，可以只分离或检测感兴趣的部分物质。多组分同时分析多组分同时分析。在很短的时间内（20min左右），可以实现几十种成分的同时分离与定量。易于自动化易于自动化。现在的色谱仪器已经可以实现从进样到数据处理的全自动化操作。2. 色谱法的缺点定性能力较差定性能力较差。为克服这一缺点，已经发展起来了色谱法与其他多种具有定性能力的分析技术的联用。三、色谱法的定义与分类三、色谱法的定义与分类固定相（stationary phase）： 在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的一相。流动相（mobile phase）： 与固定相处于平衡状态、带动样品向前移

6、动的另一相。色谱法色谱法： 又称色层法色层法或层析法层析法，是一种物理化学分析方法，它利用不同溶质（样品）与固定相和流不同溶质（样品）与固定相和流动相之间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差动相之间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别，当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次别，当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次平衡，使各溶质达到相互分离平衡，使各溶质达到相互分离。色谱法的分类方法很多，最常用的分类是根据流动相的状态将色谱法分成四大类（见表2-3）。表表2-3 2-3 色谱法按色谱法按流动相流动相种类的分类种类的分类固定相种类固定相种类：气固色谱法气固色谱法(固定相为固体吸附剂

7、固定相为固体吸附剂)气液色谱法气液色谱法(固定相为涂在固体担体上或毛细管壁上的液体固定相为涂在固体担体上或毛细管壁上的液体)液固色谱法液固色谱法和和液液色谱法液液色谱法等。等。v固定相使用的形式：固定相使用的形式：柱色谱法柱色谱法(固定相装在色谱柱中固定相装在色谱柱中)、纸色谱纸色谱法法(滤纸为固定相滤纸为固定相)薄层色谱法薄层色谱法(将吸附剂粉末制成薄层作固定相将吸附剂粉末制成薄层作固定相)等。等。v分离过程的机制：分离过程的机制：吸附色谱法吸附色谱法(利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离的差异进行分离)分配色谱法分配色谱法(利用不同组分

8、在两相中有不同的分配系数来利用不同组分在两相中有不同的分配系数来进行分离进行分离)离子交换色谱法离子交换色谱法(利用离子交换原理利用离子交换原理)排阻色谱法排阻色谱法(利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用)等。等。v第二节、气相色谱仪器第二节、气相色谱仪器一、气相色谱仪流程图一、气相色谱仪流程图气相色谱仪是一个载气连续运行、气密的气相色谱仪是一个载气连续运行、气密的气体流路系统。气路系统的气密性、载气流气体流路系统。气路系统的气密性、载气流速的稳定性及测量的准确性，都影响色谱仪速的稳定性及测量的准确性，都影响色谱仪的稳定性和分析结果。的稳定性和分析结果。

9、高压钢瓶中的载气（气源）经减压阀减低至高压钢瓶中的载气（气源）经减压阀减低至0.2-0.5MPa0.2-0.5MPa，通过，通过装有吸附剂（分子筛）的净化气除去载气中的水分和杂质，到装有吸附剂（分子筛）的净化气除去载气中的水分和杂质，到达稳压阀，维持气体压力稳定。样品在气化室变成气体后被载达稳压阀，维持气体压力稳定。样品在气化室变成气体后被载气带至色谱柱，各组分在柱中达到分离后依次进入检测器。气带至色谱柱，各组分在柱中达到分离后依次进入检测器。流量计流量计减压阀减压阀 结构如下图所示。图中结构如下图所示。图中7 7是高压气瓶与减压阀的连接口，气体经针是高压气瓶与减压阀的连接口，气体经针阀阀4

10、4进入装有调节隔膜的出口腔进入装有调节隔膜的出口腔5 5，出口压力是靠调节手柄，出口压力是靠调节手柄1 1调节。顺时调节。顺时针拧紧，针阀逐渐打开，出口压力升高；反时针旋松，出口压力减小。针拧紧，针阀逐渐打开，出口压力升高；反时针旋松，出口压力减小。减压阀减压阀 稳压阀稳压阀 稳流阀稳流阀 进样器进样器 检测器检测器减压阀结构图减压阀结构图稳压阀稳压阀 结构如下图所示。为后面的针形阀提供稳定的气压，或为后面的稳流阀提结构如下图所示。为后面的针形阀提供稳定的气压，或为后面的稳流阀提供恒定的参考压力。旋转调节手柄，即可通过弹簧将针阀供恒定的参考压力。旋转调节手柄，即可通过弹簧将针阀2 2旋到一定的

11、开度，当旋到一定的开度，当压力达到一定值时就处于平衡状态，当气体进口压力压力达到一定值时就处于平衡状态，当气体进口压力P P1 1 稍有增加时，稍有增加时，P P2 2 处的压处的压力也增加，波纹管就向右移动，并带动三根连动阀杆（图中只画出一根）也向力也增加，波纹管就向右移动，并带动三根连动阀杆（图中只画出一根）也向右移动，使阀开度变小，使出口压力右移动，使阀开度变小，使出口压力 P P3 3 维持不变，反之亦然。维持不变，反之亦然。 稳压阀的结构图稳流阀稳流阀 结构如下图所示。程序升温用气相色谱仪通常还配有稳流阀，以维结构如下图所示。程序升温用气相色谱仪通常还配有稳流阀，以维持柱持柱升降温升

12、降温时气流的稳定。其工作原理是针阀在输入压力保持不变的情时气流的稳定。其工作原理是针阀在输入压力保持不变的情况下旋到一定的开度，使流量维持不变。当进口压力况下旋到一定的开度，使流量维持不变。当进口压力P P1 1 稳定，针阀两端稳定，针阀两端的压力差的压力差P=PP=P3 3-P-P2 2 ，当，当PP等于弹簧压力时，膜片两边达到平衡。当柱等于弹簧压力时，膜片两边达到平衡。当柱温升高时，气体阻力增加，出口压力温升高时，气体阻力增加，出口压力P P4 4 增加，流量降低。因为增加，流量降低。因为 P P1 1是恒是恒定的，所以定的，所以P P1 1-P-P2 2 小于弹簧压力，这时弹簧向上压动膜

13、片，球阀开度增小于弹簧压力，这时弹簧向上压动膜片，球阀开度增大，出口压力大，出口压力 P P4 4增大，流量增加，增大，流量增加， P P2 2也相应下降，直至也相应下降，直至P P1 1-P-P2 2 等于弹簧等于弹簧压力时，膜片又处于平衡，使气体流量维持不变。压力时，膜片又处于平衡，使气体流量维持不变。二、进样器二、进样器1. 1. 阀进样器阀进样器- -气体样品的进样气体样品的进样2. 2. 隔膜进样器隔膜进样器- -填充柱液体样品的进样填充柱液体样品的进样3. 3. 分流进样器分流进样器- -毛细管柱液体样品的进样毛细管柱液体样品的进样1. 1. 阀进样器阀进样器-气体样品的进样气体样

14、品的进样通常用六通阀进样器，其结构如下图所示。在采样位置通常用六通阀进样器，其结构如下图所示。在采样位置时，载气经时，载气经1 1流入，直接从流入，直接从2 2流出，到达色谱柱，气体样品从流出，到达色谱柱，气体样品从进样口进样口5 5流入到接在通道流入到接在通道3 3和和6 6上的定量管上的定量管7 7中，并从通道中，并从通道4 4流流出。当六通阀从采样位置旋转出。当六通阀从采样位置旋转6060o o 至进样位置时，载气经至进样位置时，载气经1 1和和6 6通道与定量管通道与定量管7 7连通，将定量管中的样品从通道连通，将定量管中的样品从通道3 3和和2 2带至带至色谱柱中。色谱柱中。v2.

15、2. 隔膜进样器隔膜进样器-填充柱液体样品的进样填充柱液体样品的进样液体样品通过气化室转化为气体后被载气带入色谱柱。色谱柱的一液体样品通过气化室转化为气体后被载气带入色谱柱。色谱柱的一端插入气化室中，气化室的另一端有一个硅橡胶隔膜，注射器穿透隔膜端插入气化室中，气化室的另一端有一个硅橡胶隔膜，注射器穿透隔膜将样品注入气化室。这种隔膜进样器的结构如图所示。将样品注入气化室。这种隔膜进样器的结构如图所示。隔膜进样器3. 3. 分流进样器分流进样器-毛细管柱液体样品的进样毛细管柱液体样品的进样由于毛细管柱样品容量在纳升级，直接导入如此微量样品很困难，由于毛细管柱样品容量在纳升级，直接导入如此微量样品

16、很困难，通常采用分流进样器，其结构如图所示。进入气化室的载气与样品混合通常采用分流进样器，其结构如图所示。进入气化室的载气与样品混合后只有一小部分进入毛细管柱，大部分从分流气出口排出，分流比可通后只有一小部分进入毛细管柱，大部分从分流气出口排出，分流比可通过调节分流气出口流量来确定，常规毛细管柱的分流比在过调节分流气出口流量来确定，常规毛细管柱的分流比在1:50-1:500 1:50-1:500 。分流进样器三、检测器三、检测器1. 1. 热导检测器热导检测器(thermal conductivity (thermal conductivity detector,TCD)detector,TC

17、D)2. 2. 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器(flame ionization (flame ionization detector,FID)detector,FID)3. 3. 电子捕获检测器电子捕获检测器(electron capture (electron capture detector,ECD)detector,ECD)4. 火焰光度检测器火焰光度检测器 (flame photometric detector，简称简称FPD)v1. 1. 热导检测器热导检测器(thermal conductivity detector,TCD)(thermal conductivity de

18、tector,TCD)原理： 基于载气和样品的导热系数的差异，基于载气和样品的导热系数的差异，并用惠斯登电桥检测。v检测器结构： 如图所示。它由一个金属块和装在通气室中的热敏元件组成，热敏元件是具有较大温度系数的金属丝（如铂丝、铼钨丝），TCD一般有四个通气室（只画出两个），各通气室中的金属丝的电阻完全相同。热导检测器惠斯登电桥： 如图所示，将四支热丝组成一个惠斯登电桥，往A室通纯载气，往B室通含样品的载气。由于A室和B室的电阻变化造成惠斯登电桥的不平衡，从而有输出电压，电压（或电流）的大小与样品的浓度成正比。惠斯登电桥v影响热导池检测器灵敏度的因素影响热导池检测器灵敏度的因素v桥路工作电流桥

19、路工作电流的影响的影响 一般工作电流与响应值之间有三次方的关系，即一般工作电流与响应值之间有三次方的关系，即增加电流能使灵敏度迅速增加；一般桥路电流控制在增加电流能使灵敏度迅速增加；一般桥路电流控制在100200 mA左左右右(N2作载气时为作载气时为100150 mA，H2作载气时为作载气时为150200 mA)。v热导池体温度热导池体温度的影响的影响 池体温度低，池体和钨丝的温差就大，能使灵敏池体温度低，池体和钨丝的温差就大，能使灵敏度提高。冷凝。一般池体温度不应低于柱温。度提高。冷凝。一般池体温度不应低于柱温。v载气的影响载气的影响 载气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。故选择热载

20、气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。故选择热导系数大的气体导系数大的气体(例如例如H2或或He)作载气，灵敏度就比较高。通常采用氢作作载气，灵敏度就比较高。通常采用氢作载气。氮作载气，灵敏度低。载气流速要稳定。载气。氮作载气，灵敏度低。载气流速要稳定。v热敏元件阻值热敏元件阻值的影响的影响 选择阻值高，电阻温度系数较大的热敏元件选择阻值高，电阻温度系数较大的热敏元件(钨丝钨丝) v一般热导袍的一般热导袍的死体积死体积较大，且灵敏度较低，这是其主要缺点，微型池体较大，且灵敏度较低，这是其主要缺点，微型池体(25mL)的热导池。的热导池。v2. 2. 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器(f

21、lame ionization detector,FID)(flame ionization detector,FID) 原理： 含碳有机物含碳有机物在氢火焰中燃烧时，产生化学电离，在氢火焰中燃烧时，产生化学电离，发生下列反应：发生下列反应： CH + O - CHOCH + O - CHO+ + + e + e CHO CHO+ + + H + H2 2O - HO - H3 3O O+ + + CO + CO在电场作用下，正离子被收集到负极，产生电流。在电场作用下，正离子被收集到负极，产生电流。检测器结构： 如图所示，在喷嘴上加一极化电压，氢气从管道7进入喷嘴，与载气混合后由喷嘴逸出进行燃

22、烧，助燃空气由管道6进入，通过空气扩散器5均匀分布在火焰周围进行助燃，补充气从喷嘴管道底部8通入。v操作条件的选择操作条件的选择v (1)气体流量气体流量v 载气流量载气流量：一般用：一般用N2作载气，载气流量的选择主要考虑分离效能。对一作载气，载气流量的选择主要考虑分离效能。对一定的色谱柱和试样，要找到一个最佳的载气流速，使柱的分离效果最好。定的色谱柱和试样，要找到一个最佳的载气流速，使柱的分离效果最好。v氢气氢气与氮气流量之比是与氮气流量之比是1:1l:1.5。在最佳氢氮比时，不但灵敏度高，而。在最佳氢氮比时，不但灵敏度高，而且稳定性好。且稳定性好。v 空气流量空气流量：空气是助燃气，并为

23、生成：空气是助燃气，并为生成CHO提供提供02。空气流量在一定范。空气流量在一定范围内对响应值有影响。当空气流量较小时，对响应值影响较大，流量很围内对响应值有影响。当空气流量较小时，对响应值影响较大，流量很小时，灵敏度较低。空气流量高于某一数值小时，灵敏度较低。空气流量高于某一数值(例如例如400 ml min-1)，此时对，此时对响应值几乎没有影响。一般氢气与空气流量之比为响应值几乎没有影响。一般氢气与空气流量之比为1:10。v 气体中的气体中的机械杂质或载气中含有微量有机杂质机械杂质或载气中含有微量有机杂质。v (2)极化电压极化电压 在极化电压较低时，响应值随极化电压的增加成正比增加，在

24、极化电压较低时，响应值随极化电压的增加成正比增加，然后趋于一个饱和值，极化电压高于饱和值时与检测器的响应值几乎无然后趋于一个饱和值，极化电压高于饱和值时与检测器的响应值几乎无关。一般选关。一般选100 V到到300 V之间。之间。v (3)使用温度使用温度 与热导池检测器不同，氢焰检测器的温度不是主要影响因与热导池检测器不同，氢焰检测器的温度不是主要影响因素，从素，从80200，灵敏度几乎相同。，灵敏度几乎相同。80以下，灵敏度显著下降，这是以下，灵敏度显著下降，这是由于水蒸气冷凝造成的影响。由于水蒸气冷凝造成的影响。v3. 3. 电子捕获检测器电子捕获检测器(electron capture

25、 (electron capture detector,ECD)detector,ECD)原理：以原理：以6363NiNi或或3 3H H作放射源，当载气（如作放射源，当载气（如N N2 2）通）通过检测器时，受放射源发射的过检测器时，受放射源发射的BetaBeta射线的激发与电射线的激发与电离，产生一定数量的电子和正离子，在一定强度电离，产生一定数量的电子和正离子，在一定强度电场作用下形成一个背景电流（基流）。在此情况下，场作用下形成一个背景电流（基流）。在此情况下，如载气中含有如载气中含有电负性强的样品电负性强的样品，则电负性物质就会，则电负性物质就会捕捉电子，从而使检测室中的基流减小，基

26、流的减捕捉电子，从而使检测室中的基流减小，基流的减小与样品的浓度成正比。小与样品的浓度成正比。检测器结构：检测器结构：如图所示，检测器的池体用作阴极，圆筒内如图所示，检测器的池体用作阴极，圆筒内侧装有放射源，阳极侧装有放射源，阳极2 2与阴极之间用陶瓷或聚四氟乙烯绝缘与阴极之间用陶瓷或聚四氟乙烯绝缘。在阴阳极之间施加恒流或脉冲电压。在阴阳极之间施加恒流或脉冲电压。v4. 火焰光度检测器火焰光度检测器v 火焰光度检测器火焰光度检测器(flame photometric detector，简称，简称FPD)是是对含磷、对含磷、含硫的化合物含硫的化合物有高选择性和高灵敏度的一种色谱检测器。有高选择性

27、和高灵敏度的一种色谱检测器。v 这种检测器主要由火焰喷嘴、滤光片、光电倍增管三部分组成，v含含S：350-430nmv含含P：526nmv含碳有机物，在氢焰高温下进行电离而产生微电流，经收含碳有机物，在氢焰高温下进行电离而产生微电流，经收集极收集，放大后可同时记录下来。集极收集，放大后可同时记录下来。v因此火焰光度检测器可以同时测定硫、磷和含碳有机物，因此火焰光度检测器可以同时测定硫、磷和含碳有机物，即火焰光度检测器、氢焰检测器联用。即火焰光度检测器、氢焰检测器联用。四种检测器的比较检测器特点注意事项及应用热导热导检测器检测器(TCD)(TCD)结构简单，灵敏度适宜，稳定性较好，对结构简单，灵

28、敏度适宜，稳定性较好，对所有所有物质物质都有响应都有响应应用最广、最成熟应用最广、最成熟氢火焰离子化氢火焰离子化检测器检测器(FID)(FID)结构简单，灵敏度高，响应快，稳定性好，死结构简单，灵敏度高，响应快，稳定性好，死体积小、线性范围宽，对体积小、线性范围宽，对含碳有机化合物含碳有机化合物有很有很高的灵敏度，一般比热导池检测器的灵敏度高高的灵敏度，一般比热导池检测器的灵敏度高几个数量级，能检测至几个数量级，能检测至10-12 g/s的痕量物质。的痕量物质。故适宜于痕量有机物的分析。故适宜于痕量有机物的分析。电子捕获电子捕获检测检测器器(ECD)(ECD)具有选择性、灵敏度高，只对具有具有

29、选择性、灵敏度高，只对具有电负性电负性的物的物质质(如含有卤素、硫、磷、氮、氧的物质如含有卤素、硫、磷、氮、氧的物质)有响有响应，电负性愈强，灵敏度愈高。高灵敏度表现应，电负性愈强，灵敏度愈高。高灵敏度表现在能测出在能测出10-14gmL-1的电负性物质。的电负性物质。用于痕量的具有特殊官能团的组分的用于痕量的具有特殊官能团的组分的分析，如食品、农副产品中农药残留分析，如食品、农副产品中农药残留量的分析，大气、水中痕量污染物的量的分析，大气、水中痕量污染物的分析等分析等火焰光度检测火焰光度检测器器(FPD)对对含磷、含硫含磷、含硫的化合物有高选择性和高灵敏度的化合物有高选择性和高灵敏度操作时应

30、注意载气的纯度操作时应注意载气的纯度(应在四个应在四个9以上以上)和流速对信号值和稳定性有很和流速对信号值和稳定性有很大的影响。检测器的温度对响应值也大的影响。检测器的温度对响应值也有较大的影响。由于线性范围较狭，有较大的影响。由于线性范围较狭，只有只有103左右，进样量不可超载。左右，进样量不可超载。仪器组成小结v仪器由五部分组成。1. 载气系统载气系统，包括气源、气体净化、气体流速控制和测量：2. 进样系统进样系统，包括进样器、气化室；3. 色谱柱和柱箱色谱柱和柱箱，包括温度控制装置；4. 检测系统检测系统，包括检测器、检测器的电源及控温装置；5. 记录系统记录系统，包括放大器、记录仪，数

31、据处理装置。v第三节、气相色谱分析的理论基础v一、色谱图及相关术语v基线基线(baseline)v基线漂移(baseline drift)v基线噪声(baseline noise)v死时间死时间(dead time) tMv保留时间保留时间(retention time) tRv调整保留时间调整保留时间(adjusted retention time) tRv区域宽度区域宽度(peak width) 越窄越好。越窄越好。 (1) 标准偏差标准偏差(standard deviation) , 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) 半蜂宽度半蜂宽度(peak wid

32、th at half-height)Yl/2 又称半宽度或区域宽度又称半宽度或区域宽度(3) 峰底宽度峰底宽度(peak width at peak base) YY=4 Yl/2=2.35 v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（asymmetryasymmetry）拖尾峰（拖尾峰（tailing peaktailing peak）伸舌峰（伸舌峰（leading peakleading peak或或fronting peakfronting peak）v高斯（高斯（GaussianGaussian）曲线：）曲线： v 在理

33、想情况下，色谱峰的形状可以近似地用高斯曲线描述。图中为在理想情况下，色谱峰的形状可以近似地用高斯曲线描述。图中为标准偏差（拐点处的半峰宽），标准偏差（拐点处的半峰宽），h h为最大峰高，为最大峰高，w w为峰宽。为峰宽。不对称因子（不对称因子（asymmetryasymmetry）：）： 在实际的色谱过程中，溶质从色谱柱中流出时，很少符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不对称因子AsAs来定量地表示色谱峰的不对称程度，如图所示，来定量地表示色谱峰的不对称程度，如图所示

34、，将将1010峰高处前半峰的宽度设为峰高处前半峰的宽度设为a, a, 同高度处后半峰的宽度设同高度处后半峰的宽度设为为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v拖尾峰（拖尾峰（tailing peaktailing peak）：）： v 当当AsAs大于大于1 1时，色谱峰的形状是前半部分信号增时，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。引起峰拖尾的主要原加快，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作用，因此，拖尾峰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。也称为吸附峰。 伸舌峰（伸舌峰（

35、leading peakleading peak或或fronting peakfronting peak）：）： 当当AsAs小于小于1 1时，色谱峰是前半部分信号增加时，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，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，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。所以也称超载峰。分离度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

36、分离度相邻色谱峰的分离度R R（resolutionresolution）定义为）定义为两峰保留时间两峰保留时间差与两峰峰底宽平均值之商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度。色谱峰呈高斯分布：色谱峰呈高斯分布：分离度分离度R=1.5(99.7%)R=1.5(99.7%)即可认为完全分开即可认为完全分开，满足定量分析的需要。，满足定量分析的需要。R=2R=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

37、高的得更高的R R值，不过这时的代价将是分析时间增加。如果两组值，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，分浓度相差不是太大，分离度分离度R=0.5R=0.5时，仍然可以看得出两个峰的峰顶是分开的。时，仍然可以看得出两个峰的峰顶是分开的。选择性系数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(relative retention value) ，两两个色谱峰真实保留时间之比个色谱峰真实保留时间之比，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中获得。选择性系数主要由柱温、固定相的性质所决定，不随柱径、柱长，填充情况及流动相流速而变，可用来表示

38、固定相(色谱柱)的选择性。当选择性系数=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。 二、气一固、气一液色谱分析的基本原理二、气一固、气一液色谱分析的基本原理色谱柱：填充柱和毛细管柱。色谱柱：填充柱和毛细管柱。气一固色谱分析：吸附气一固色谱分析：吸附 脱附脱附气一液色谱分析：溶解气一液色谱分析：溶解 挥发挥发分配系数分配系数K：气相色谱分析的分离原理：气相色谱分析的分离原理：是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数。是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数。分配比分配比k（容量因子或容量比容量因子或容量比,capacity factor or capacity

39、 ratio)式中：ms为组分分配在固定相中的质量, mM为组分分配在流动相中的质量v ：相比：相比(phase ratio)，v填充柱的值约为635，毛细管柱)的值为501 500v(1)分配系数是组分在两相中浓度之比，分配比则是组分在两相中分配总量之比。分配系数是组分在两相中浓度之比，分配比则是组分在两相中分配总量之比。它们都与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。它们都与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。v(2)分配系数只决定于组分和两相性质，与两相体积无关。分配比不仅决定于组分配系数只决定于组分和两相性质，与两相体积无关。分配比不仅决定于组分

40、和两相性质，且与相比有关，亦即组分的分配比随固定相的量而改变。分和两相性质，且与相比有关，亦即组分的分配比随固定相的量而改变。v(3)对于一给定色谱体系对于一给定色谱体系(分配体系分配体系)，组分的分离最终决定于组分在每相中的相，组分的分离最终决定于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。对量，而不是相对浓度，因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。k值越大，保留时间越长，值越大，保留时间越长， k值为零的组分，其保留时间即为死时间值为零的组分，其保留时间即为死时间tM。v(4) 滞留因子滞留因子(retardation factor) R

41、s=us/uv三、色谱分离的三、色谱分离的基本理论基本理论v包括两方面：包括两方面：v一一 是试样中各组分在两相间的是试样中各组分在两相间的分配情况分配情况。这与各组分在。这与各组分在两相间的分配系数，各物质两相间的分配系数，各物质(包括试样中组分，固定相，包括试样中组分，固定相，流动相流动相)的分子结构和性质有关。各个色谱峰在柱后出现的分子结构和性质有关。各个色谱峰在柱后出现的时问的时问(即保留值即保留值)反映了各组分在两相间的分配情况，它反映了各组分在两相间的分配情况，它由色谱过程中的由色谱过程中的热力学因素热力学因素所控制。所控制。v二二 是各组分在色谱柱中的是各组分在色谱柱中的运动情况

42、运动情况。这与各组分在流动。这与各组分在流动相和固定相两相之间的传质阻力有关，各个色谱峰的半峰相和固定相两相之间的传质阻力有关，各个色谱峰的半峰宽度就反映了各组分在色谱柱中运动的情况。这是一个宽度就反映了各组分在色谱柱中运动的情况。这是一个动动力学因素力学因素。1. 1. 塔板理论塔板理论2. 2. 速率理论速率理论 色谱过程动力学色谱过程动力学色谱过程动力学研究物质在色谱过程中的运动规律，如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

43、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，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。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。究中，通常要进行适当的条件假设并作简化的数学处理。v1. 1. 塔板理论塔板理论色谱分离过程比拟作蒸馏过程，因而直接引用了色谱分离过程比拟作蒸馏过程，因而直接引用了处理蒸馏过程的

44、概念、理论和方法来处理色谱过处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱过程，塔板理论程，塔板理论假定假定：(1)在这样一小段间隔内，气相平均组成与液相平均组在这样一小段间隔内，气相平均组成与液相平均组成可以很快地达到分配平衡。这样成可以很快地达到分配平衡。这样达到分配平衡的一小达到分配平衡的一小段柱长称为理论塔板高度段柱长称为理论塔板高度H；(2)载气进人色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次载气进人色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进气为一个板体积；进气为一个板体积；(3)试样开始时都加在第试样开始时都加在第0号塔板上，且试样沿色谱柱方号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩散向的扩散(纵向扩散纵向扩

45、散)可略而不计；可略而不计；(4)分配系数在各塔板上是常数。分配系数在各塔板上是常数。塔板理论把气液色谱柱当作一个精馏塔，沿用精馏塔板理论把气液色谱柱当作一个精馏塔，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，并引入理论理论塔板数（塔板数（the number of theoretical platesthe number of theoretical plates）N N和理论塔和理论塔板高度（板高度（theoretical plate heighttheoretical plate height）H H作为衡量柱效的指作为衡量柱效的指标

46、。标。根据塔板理论，溶质进入柱入口后，即在两相间进行分根据塔板理论，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在数千次以上( (约为约为10103 310106 6) )，最后，最后， 挥发度挥发度 最大（保留最大（保留最弱）的溶质最先从最弱）的溶质最先从 塔顶塔顶 （色谱柱出口）逸出（流出），（色谱柱出口）逸出（流出），从而使不同从而使不同 挥发度挥发度 （保留值）的溶质实现相互分离。（保留值）的溶质实现相互分离。理论塔板数理论塔板数N N可以从色谱图中溶质色谱峰的有关参数计算，可以从

47、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：常用的计算公式有以下两式：式中：b1/2为半峰宽；w为峰底宽（经过色谱峰的拐点所作三角形的底边宽）。理论塔高度理论塔高度H H与理论塔板数与理论塔板数N N和柱长和柱长的关系如下： 塔板理论的优缺点v塔板理论可解释：塔板理论可解释：流出曲线的形状流出曲线的形状(呈正态分布呈正态分布)浓度极大点的位置浓度极大点的位置计算评价柱效能计算评价柱效能v不当的基本假设：不当的基本假设：纵向扩散是不能忽略的，纵向扩散是不能忽略的，分配系数与浓度无关只在有限的浓度范围内成立，分配系数与浓度无关只在有限的浓度范围内成立，色谱体系几乎没有真正的平衡状态

48、。色谱体系几乎没有真正的平衡状态。v不能解释：不能解释：塔板高度是受哪些因素影响塔板高度是受哪些因素影响在不同流速下可以测得不同的理论塔板数在不同流速下可以测得不同的理论塔板数流速对塔板数的影响2. 2. 速率理论速率理论 为了克服塔板理论的缺陷，为了克服塔板理论的缺陷，Van DeemterVan Deemter等在等在MartinMartin等人工作的基础等人工作的基础上，比较完整地解释了速率理论。后来，上，比较完整地解释了速率理论。后来，GiddingsGiddings等又作了进一步的完善。等又作了进一步的完善。速率理论充分考虑了速率理论充分考虑了溶质在两相间的扩散和传质过程溶质在两相间

49、的扩散和传质过程，更接近溶质在两相，更接近溶质在两相间的实际分配过程。间的实际分配过程。 当溶质谱带向柱出口迁移时，必然会发生谱带展宽。谱带的迁移速率当溶质谱带向柱出口迁移时，必然会发生谱带展宽。谱带的迁移速率的大小决定于流动相线速度和溶质在固定相中的保留值。同一溶质的不同的大小决定于流动相线速度和溶质在固定相中的保留值。同一溶质的不同分子在经过固定相时，它们的迁移速率是不同的，正是这种差异造成了谱分子在经过固定相时，它们的迁移速率是不同的，正是这种差异造成了谱带的展宽。谱带展宽的直接后果是影响分离效率和降低检测灵敏度，所以，带的展宽。谱带展宽的直接后果是影响分离效率和降低检测灵敏度，所以，抑

50、制谱带展宽抑制谱带展宽就成了高效分离追求的目标。就成了高效分离追求的目标。 引起谱带展宽的引起谱带展宽的主要因素有主要因素有涡流扩散（涡流扩散（eddy diffusioneddy diffusion）、）、纵向扩散（纵向扩散（longitudinal diffusionlongitudinal diffusion）两相中传质阻力（两相中传质阻力（resistance to mass transfer)resistance to mass transfer)引起的扩引起的扩散。散。色谱柱中溶质谱带展宽的几种主要因素的图示。 v（一）涡流扩散（一）涡流扩散v（二）纵向扩散（二）纵向扩散v（三）流

51、动相传质阻力引起的扩散（三）流动相传质阻力引起的扩散v（四）固定相中传质阻力引起的扩散（四）固定相中传质阻力引起的扩散v（五）（五）Van DeemterVan Deemter速率方程式速率方程式( (一一) ) 涡流扩散涡流扩散当溶质随流动相流向色谱柱出口时，溶质和流动相受到填料颗粒的当溶质随流动相流向色谱柱出口时，溶质和流动相受到填料颗粒的阻力，不断改变流动方向，致使同一溶质的不同分子在通过填料的过程阻力，不断改变流动方向，致使同一溶质的不同分子在通过填料的过程中所走的路径不一样，所取路径最长和最短的溶质分子（离子）流出色中所走的路径不一样，所取路径最长和最短的溶质分子（离子）流出色谱柱的

52、时间相差越大，则峰的展宽越严重。溶质分子在前进过程中形成谱柱的时间相差越大，则峰的展宽越严重。溶质分子在前进过程中形成的这种紊乱类似于的这种紊乱类似于“涡流涡流”的流动，所以称之为涡流扩散。下图表示涡的流动，所以称之为涡流扩散。下图表示涡流扩散引起的色谱峰展宽。流扩散引起的色谱峰展宽。涡流扩散引起的峰展宽的大小由下式决定：涡流扩散引起的峰展宽的大小由下式决定：式中：式中：l l为填充不规则因子，它由填料颗粒直径为填充不规则因子，它由填料颗粒直径dp、粒度范围和柱填充、粒度范围和柱填充状况决定；状况决定；L为柱长。由上式可知，采用颗粒细且粒径分布窄的球形填为柱长。由上式可知，采用颗粒细且粒径分布

53、窄的球形填料，并仔细填充避免颗粒破碎，就可以减小涡流扩散引起的峰展宽。但料，并仔细填充避免颗粒破碎，就可以减小涡流扩散引起的峰展宽。但是，颗粒过细又会使柱压升高。是，颗粒过细又会使柱压升高。( (二二) ) 纵向扩散纵向扩散纵向扩散是溶质分子在移动方向上向前和向后的扩散，纵向扩散是溶质分子在移动方向上向前和向后的扩散，即即x x轴方向的扩散。轴方向的扩散。它是由浓度梯度所引起。样品从柱入它是由浓度梯度所引起。样品从柱入口加入，样品带像一个塞子随流动相向前推进，由于存在口加入，样品带像一个塞子随流动相向前推进，由于存在浓度梯度，塞子必然会自发地向前和向后扩散，引起谱带浓度梯度，塞子必然会自发地向

54、前和向后扩散，引起谱带展宽。纵向扩散引起的峰展宽的大小由下式决定：展宽。纵向扩散引起的峰展宽的大小由下式决定：式中：式中：g gm为弯曲因子或阻碍因子，它反映固定相颗粒的几何形为弯曲因子或阻碍因子，它反映固定相颗粒的几何形状对溶质分子扩散的阻碍情况，状对溶质分子扩散的阻碍情况，g gm通常小于通常小于1；v为流动相线速为流动相线速度；度；Dm为溶质在流动相中的扩散系数为溶质在流动相中的扩散系数,Dm与溶质性质、柱温、与溶质性质、柱温、压力和流动相性质等许多因素有关。溶质分子在溶液中的扩散压力和流动相性质等许多因素有关。溶质分子在溶液中的扩散系数只有在气体中的约十万分之一，所以气相色谱中的纵向扩

55、系数只有在气体中的约十万分之一，所以气相色谱中的纵向扩散要比液相色谱中大得多。散要比液相色谱中大得多。 下图是下图是纵向扩散纵向扩散引起峰展宽的示意图。随着样品带在固引起峰展宽的示意图。随着样品带在固定相中的移动，因纵向扩散使样品带宽逐渐增加，相应地，定相中的移动，因纵向扩散使样品带宽逐渐增加，相应地，得到的色谱峰就越来越宽而矮。得到的色谱峰就越来越宽而矮。纵向扩散引起峰展宽的示意图纵向扩散引起峰展宽的示意图v( (三三) ) 流动相传质阻力引起的扩散流动相传质阻力引起的扩散溶质分子要从流动相转移到固定相中，就要从流动相溶质分子要从流动相转移到固定相中，就要从流动相主体扩散到气主体扩散到气-

56、-液、气液、气- -固、液固、液- -液或液液或液- -固界面，阻碍这一固界面，阻碍这一扩散过程的阻力称流动相传质阻力，如图所示。扩散过程的阻力称流动相传质阻力，如图所示。v流动相传质阻力引起的谱带展宽程度由下式决定：流动相传质阻力引起的谱带展宽程度由下式决定：式中柱系数v由柱填料性质和柱填充过程所决定。v( (四四) ) 固定相中传质阻力引起的扩散固定相中传质阻力引起的扩散如图所示，溶质分子到达两相界面后，将继如图所示，溶质分子到达两相界面后，将继续扩散到固定相内部达到分配平衡，然后又返回续扩散到固定相内部达到分配平衡，然后又返回到两相界面。溶质在这一移动过程中的阻力称固到两相界面。溶质在这

57、一移动过程中的阻力称固定相传质阻力。定相传质阻力。v固定相传质阻力引起的谱带展宽由下式决定： 式中：f为固定相因子，与固定相性质有关；df为固定相厚度；Ds为溶质在固定相中的扩散系数；ke为容量因子。v( (五五) ) Van DeemterVan Deemter速率方程式速率方程式色谱峰的总展宽 是各种因素引起的展宽的总和，即：色谱柱的总理论塔板高度H可以表示如下：v如果色谱条件已经确定，只有流速是变量时，表示如果色谱条件已经确定，只有流速是变量时，表示H H与与v v关系的上述关系的上述van Deemtervan Deemter方程式可以简写方程式可以简写如下：如下：式中第一项第一项 A

58、 A 与流速无关，表征涡流扩散引起的谱带展宽与流速无关，表征涡流扩散引起的谱带展宽。 第二项第二项 B/v B/v 表示溶质分子纵向扩散引起的谱带展宽表示溶质分子纵向扩散引起的谱带展宽。流速越快，纵向扩散引起的谱带展宽越小。 第三项第三项 Cv Cv 为流动相和固定相中传质阻力引起的谱带展宽为流动相和固定相中传质阻力引起的谱带展宽。第四节、色谱分离条件及固定相的选择第四节、色谱分离条件及固定相的选择v一、柱效一、柱效(柱效因子柱效因子)、容量比、容量比(容量因子容量因子)、柱选择性、柱选择性(选择因子选择因子)对分离度对分离度的影响的影响v容量比容量比(容量因子容量因子)v柱选择性柱选择性(选

59、择因子选择因子)v理论塔板数理论塔板数v色谱分离基本方程式色谱分离基本方程式ov1柱效柱效 对分离度的影响对分离度的影响(柱效因子柱效因子)分离度与分离度与 n 的平方根成正比。的平方根成正比。增加柱长可改进分离度，但增加柱长使各组分增加柱长可改进分离度，但增加柱长使各组分的保留时间增长，延长了分析时间并使峰产生的保留时间增长，延长了分析时间并使峰产生扩展，因此在达到一定的分离度条件下应使用扩展，因此在达到一定的分离度条件下应使用短一些的色谱柱。短一些的色谱柱。除增加柱长外，增加除增加柱长外，增加n值的另一办法是减小柱值的另一办法是减小柱的的H值。值。v2分离度与容量比的关系分离度与容量比的关

60、系(容量因子容量因子)k 值的最佳范围是值的最佳范围是1 k 10，在此范围内，既可得，在此范围内，既可得到大的到大的R值，亦可使分析时间不至过长。使峰的扩值，亦可使分析时间不至过长。使峰的扩展不会太严重而对检测发生影响。展不会太严重而对检测发生影响。v3分离度与柱选择性的关系分离度与柱选择性的关系(选择因子选择因子)v 是柱选择性的量度，是柱选择性的量度， 越大，柱选择性越好，分离效果越大，柱选择性越好，分离效果越好。在实际工作中，可由一定的越好。在实际工作中，可由一定的值和所要求的分离度，值和所要求的分离度，计算柱子所需的有效理论塔板数下表列出了一些计算结果。计算柱子所需的有效理论塔板数下