第四章仪器分析

1、第四章 气相色谱与反气相色谱4.1 色谱分离原理与基本概念色谱分离原理与基本概念4.2 气相色谱仪简介气相色谱仪简介4.3 气相色谱基本理论（难点）气相色谱基本理论（难点）4.4 气相色谱的定性与定量分析气相色谱的定性与定量分析4.5 反气相色谱反气相色谱4.6 气相色谱与反气相色谱在聚合物中的应用。气相色谱与反气相色谱在聚合物中的应用。要求：重点掌握色谱基本分离原理，掌握气相色谱重点掌握色谱基本分离原理，掌握气相色谱工作流程、相关理论，掌握气相色谱的定性定量应用。工作流程、相关理论，掌握气相色谱的定性定量应用。4.1 色谱分离原理与基本概念 1.色谱的发展历史色谱的发展历史 2.色谱分离原理

2、色谱分离原理 3. 色谱图及相关概念色谱图及相关概念 4.色谱分类色谱分类 5.色谱法的特点色谱法的特点 1.色谱法发展的历史色谱法发展的历史 俄国植物学家茨维特在俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置：年使用的装置： 色谱原型装置，如图。色谱原型装置，如图。 色谱法是一种分离技术色谱法是一种分离技术 色谱柱：色谱柱：试样混合物各组分试样混合物各组分的分离过程在色谱柱中进行。的分离过程在色谱柱中进行。 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（可以是液体或固体固固定相（可以是液体或固体固定相）定相）； 另一相是携带试样混合物流另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液过

3、此固定相的流体（气体或液体），称为体），称为流动相流动相。植物色素分离示意植物色素分离示意色谱原型装置色谱原型装置色色谱谱柱柱2. 色谱分离原理色谱分离原理n由于各组分的物理化学特性的不同，由于各组分的物理化学特性的不同，固定相固定相对各组分的作用能力不同，在两对各组分的作用能力不同，在两相中的分配存在差异，而这种差异使不相中的分配存在差异，而这种差异使不同组分在随流动相流经色谱柱时，洗脱同组分在随流动相流经色谱柱时，洗脱速度不同，洗脱顺序出现先后，得以达速度不同，洗脱顺序出现先后，得以达到分离目的。到分离目的。固定相与之作用能力不同固定相与之作用能力不同两相的分配差异两相的分配差异洗脱先后的

4、不同洗脱先后的不同两相间的反复多次分配两相间的反复多次分配不同组分相互分离不同组分相互分离t或Vs色谱分离原理示意图色谱图色谱图多组分分离过程的机理浓度与时间浓度与时间的检测的检测检测装置检测装置讨论：讨论：分离在色谱柱中完成分离在色谱柱中完成与固定相作用能力的差异是分离的根本原与固定相作用能力的差异是分离的根本原因。因。两相及两相的相对运动构成了色谱法的基两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础础（1 1）. . 分配系数分配系数（ partion factor） K组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。发的过

5、程叫做分配过程。组分在两相中分配能力不同，大小用分配系数加以衡量分配系数：分配系数：在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：位：g / mL）比，称为）比，称为分配系数分配系数，用，用K 表示，即：表示，即：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分配系数是色谱分离的依据。分配系数是色谱分离的依据。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，柱中保留时间越大，柱中保留时间越长，出峰越慢；越长，出峰越慢；试样中的各组分具有不同的

6、试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；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。同一组份在各种固定相上的分配系数同一组份在各种固定相上的分配系数K不同，组分一不同，组分一定时，定时，K主要取决于主要取决于固定相性质固定相性质；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； 组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度组分在固定相中的浓度 K（2 2）. .分配比分配比 （partion radio）k 在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分

7、配比是指，在一定温度下，组分在两平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：相间分配达到平衡时的质量比：Ms mmk 组组分分在在流流动动相相中中的的质质量量组组分分在在固固定定相相中中的的质质量量 1. 分配系数与分配比都是与分配系数与分配比都是与组分及固定相组分及固定相的热力学性质的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。 2.分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力保留能力的的参数，数值越大，该组分的参数，数值越大，该组分的保留时间越长保留时间越长。 3. 分配比

8、可以由实验测得。分配比可以由实验测得。分配比也称分配比也称： 容量因子容量因子(capacity factor)；容量比容量比(capacity factor)； 固定相为多孔性的固体吸附剂颗粒：固定相为多孔性的固体吸附剂颗粒： 分离基础：分离基础： 固体吸附剂对试样中各组分的吸固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。附能力的不同。 液体固定相液体固定相: 固定液涂渍在惰性载体上固定液涂渍在惰性载体上 分离基础分离基础： 固定液对试样中各组分的溶解能固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。力的不同。 凝胶渗透色谱：凝胶渗透色谱： 分离基础：分离基础：各组分的流体力学体积不同各组分的流体力学体积

9、不同 离子色谱离子色谱：固定相与流动相之间离子交换竞争：固定相与流动相之间离子交换竞争（3） 常见分离机理：常见分离机理：3、色谱图及相关概念色谱图及相关概念横坐标：流动相横坐标：流动相体积或流动相从体积或流动相从进样到流出的时间进样到流出的时间纵坐标：检测器纵坐标：检测器测量的各组分浓测量的各组分浓度度各组分的浓度随各组分的浓度随流出体积或分析流出体积或分析时间的变化曲线时间的变化曲线称为色谱峰称为色谱峰。色谱图（1 1）. .基线基线 无试样通过检测器时，无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。检测到的信号即为基线。（2 2）. .保留值保留值时间时间表示的保留值表示的保留值 保留时间（

10、保留时间（tR）：）：组分从进样到柱后出现组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时浓度极大值时所需的时间；间；或者说：进样到出或者说：进样到出现色谱峰的时间现色谱峰的时间 死时间（死时间（tM）：）：不与固不与固定相作用的气体（如定相作用的气体（如空气）的保留时间；空气）的保留时间；或者说或者说流动相流经色流动相流经色谱柱的时间谱柱的时间调整保留时间（调整保留时间（tR ） tR = tRtM用用体积体积表示的保留值表示的保留值 保留体积（保留体积（VR）：）：组分组分从进样到柱后出现浓度极大从进样到柱后出现浓度极大值时所耗的流动相体积值时所耗的流动相体积 VR = tRFcFc为载气流速，为

11、载气流速，单位：单位：m L / min。 死体积（死体积（VM）：）：不与固定不与固定相作用的组分（如空气）相作用的组分（如空气）从近样到出现色谱峰所从近样到出现色谱峰所耗流动相体积；耗流动相体积；或者说或者说色谱柱的空隙体积（如：色谱柱的空隙体积（如：凝胶渗透色谱）凝胶渗透色谱） VM = tM Fc调整保留体积调整保留体积(VR)： V R = VR VM色谱图（3 3）. . 相对保留值相对保留值r21有时固定相在分离过程中有流失，保留值不易测准，采用相对有时固定相在分离过程中有流失，保留值不易测准，采用相对值，定义为：组分值，定义为：组分2与组分与组分1调整保留值之比：调整保留值之比

12、： r21 = t R2 / t R1= V R2 / V R1注意：注意：相对保留值只与柱相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种它表示了固定相对这两种组分的组分的选择性选择性。色谱峰的位置：保留色谱峰的位置：保留时间或体积。时间或体积。定性的主定性的主要依据；反应了色谱的要依据；反应了色谱的热力学过程。热力学过程。(4)色谱图的解析要素色谱图的解析要素色谱峰的大小与形状：色谱峰的大小与形状：峰高峰高（h）大小是定量依据；）大小是定量依据；峰宽峰宽反映了分离反映了分离过程动力学过程，组分在两项中的扩散、传质

13、过程动力学过程，组分在两项中的扩散、传质状况相关，也受操作条件影响。状况相关，也受操作条件影响。色谱峰的分离状况：色谱峰的分离状况：表征分离效果表征分离效果（5 5）. .色谱色谱流出曲线方程流出曲线方程222)(02ttRecc 色谱峰为色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：关系为： 当色谱峰为非当色谱峰为非正态分布时，可按正态分布函数加指数衰正态分布时，可按正态分布函数加指数衰减函数构建关系式。减函数构建关系式。P109，方程417（6 6）峰宽（区域宽度）峰宽（区域宽度）峰宽峰宽反映了分离过程动力学过程，反映了分离过程动力学过程，

14、是与分离效果相关的重要参数。是与分离效果相关的重要参数。衡量色谱峰宽度的参数：衡量色谱峰宽度的参数：（1）标准偏差标准偏差( )：0.607倍峰高处倍峰高处色谱峰宽度的一半。色谱峰宽度的一半。（2）半峰宽半峰宽(Y1/2)：峰高一半处的：峰高一半处的宽度宽度 Y1/2 =2.354 （3）峰底宽峰底宽(Wb)：Wb=4 （7）分离效能指标）分离效能指标 选择性（相对保留值）选择性（相对保留值）12121 . 212KKkkttrRRn相对保留值由两组分与固定相的热力学性质决定，与色谱柱的长短粗细无关。它表示了固定相它表示了固定相对这两种组分的对这两种组分的选择性选择性。nr2.1越大越大，选择

15、性差异越大，组分分离效果越好选择性差异越大，组分分离效果越好 峰宽度峰宽度从色谱分离角度着眼，希望区域宽度越窄越好 分离度分离度21212bbRRWWttR分离度考虑了保留时间和峰宽度，是一个综合指标：分离度考虑了保留时间和峰宽度，是一个综合指标：R 1.5两峰完全分开两峰完全分开R = 1.0两峰达两峰达97.7%分离分离R 1.0两峰明显重叠两峰明显重叠4、色谱分类、色谱分类按流动相分按流动相分以此分类为主以此分类为主气相色谱（气相色谱（GC）液相色谱（液相色谱（LC）超临界流体色谱（超临界流体色谱（SFC）按分配作按分配作用机理分用机理分吸附色谱吸附色谱分配色谱分配色谱离子交换色谱离子交

16、换色谱排阻色谱排阻色谱色谱虽然仪器构造、分离机理基本相同，但由于流色谱虽然仪器构造、分离机理基本相同，但由于流动相、固定相以及分离机理的细微差别，可将色谱动相、固定相以及分离机理的细微差别，可将色谱分为几类：分为几类：按固定相在按固定相在支持体中的支持体中的形状分（形状分（分分离柱）离柱）柱色谱柱色谱平板色谱平板色谱纸色谱纸色谱薄层色谱薄层色谱按分离效率分按分离效率分经典液相色谱经典液相色谱高效液相色谱高效液相色谱 举例：举例：气相色谱气相色谱：流动相为气体（称为载气）。流动相为气体（称为载气）。 按按分离柱分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱； 按

17、按固定相固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱的不同又分为：气固色谱和气液色谱例：例：液相色谱液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。流动相为液体（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。 离子色谱离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同固定相，不同pHpH值的水溶液为流动相。值的水溶液为流动相。凝胶色谱凝胶色谱：测聚合物分子量分布。测聚合物分子量分布。例：例：其他色谱方法其他色谱方法n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n超临界色谱超临界色

18、谱: : CO2流动相。流动相。n高效毛细管电泳高效毛细管电泳: : 九十年代快速发展、特九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。高效分析仪器。5.5.色谱法的特点色谱法的特点（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。（2 2） 灵敏度高灵敏度高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。（3） 分析速度快分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4 4） 应用范围广应用范围广 气相色谱：沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分

19、离分析。 不足之处不足之处： 被分离组分的定性较为困难。卷烟香气成分分析卷烟香气成分分析4.2 气相色谱仪 气相色谱的分离过程气相色谱的分离过程 气相色谱仪简介气相色谱仪简介气相色谱的分离气相色谱的分离关注以下方面：关注以下方面： 固定相：固定相： 流动相：流动相： 组分在固定相与流动相之间分配的机理组分在固定相与流动相之间分配的机理 色谱图色谱图 分离效能分离效能气相色谱的分离过程n 当试样由载气携带进入色谱柱与固定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相接触时，被固定相溶解或吸附; ;n 随着载气的不断通入，被溶解或吸附随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相

20、中挥发或脱附的组分又从固定相中挥发或脱附; ;n 挥发或脱附下的组分随着载气向前移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动时又再次被固定相溶解或吸附; ;n 随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。、脱附的过程反复地进行。气相色谱仪主要包括四部分：气相色谱仪主要包括四部分：1 1、载气系统、载气系统2 2、进样系统、进样系统3 3、分离系统、分离系统4 4、检测系统、检测系统 5.5.控温系统控温系统气相色谱仪简介气相色谱仪简介载气净化器流量计色谱柱柱箱汽化室检测器记录器进样放空气相色谱仪流程图色谱仪1 1、载气系统、载

21、气系统 载气由压缩气体钢瓶供给，经减压阀、稳压阀载气由压缩气体钢瓶供给，经减压阀、稳压阀控制压强和流速，由压强计指示气体压强，然后进控制压强和流速，由压强计指示气体压强，然后进入检测器热导池的参考臂，继而进入色谱柱。最后入检测器热导池的参考臂，继而进入色谱柱。最后通过热导池、流量计而放入大气。通过热导池、流量计而放入大气。气相色谱对载气的基本要求：气相色谱对载气的基本要求：（1）纯净）纯净通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的水分、氧等有害杂质。水分、氧等有害杂质。（2）稳定：）稳定：流速稳定。流速稳定。（3）常用的载气：）常用的载气：氮气，氢气，氦气氮气

22、，氢气，氦气2、进样系统、进样系统包括包括进样装置进样装置和和汽化室汽化室。进样通常用进样通常用微量注射器微量注射器和进样阀将样品和进样阀将样品引入。液体样品引入后需要瞬间汽化。汽化在引入。液体样品引入后需要瞬间汽化。汽化在汽化室进行。汽化室进行。对汽化室的要求是：对汽化室的要求是：（1）体积小；（）体积小；（2）热容量大；（）热容量大；（3）对样品）对样品无催化作用无催化作用载气入口接色谱柱散热片加热块汽化室示意图汽化室示意图对高分子样品，采用裂解装置：管式炉裂解器热丝裂解器居里点裂解器载气入口裂解的小分子随载气进入色谱柱裂解的小分子随载气进入色谱柱3、分离系统、分离系统-色谱柱色谱柱色谱柱

23、色谱柱填充柱（填充柱（2-6mm直径，直径，1-6m长）长）P102毛细管柱（毛细管柱（0.1-1mm直径直径, 几十米长）几十米长）固定相固定相固体固定相：固体固定相：液体固定相：液体固定相：（1）固体固定相：固体固定相：固体吸附剂包括活性碳、硅胶、固体吸附剂包括活性碳、硅胶、Al2O3、分、分子筛等。子筛等。非极性碳，弱极性氧化铝，强极性硅胶非极性碳，弱极性氧化铝，强极性硅胶（2）液体固定相：液体固定相：液体固定相涂渍或键合在液体固定相涂渍或键合在惰性载体上惰性载体上担体担体固定液固定液不同种类的固定液对混合物组分的不同种类的固定液对混合物组分的作用能力（分配系数作用能力（分配系数)不同，

24、分离不同，分离效果差异很大。效果差异很大。如何选择恰当的固定液使组分得以如何选择恰当的固定液使组分得以更好的分离呢？更好的分离呢？固定液的选择：组分与固定相的相互作用力固定液的选择：组分与固定相的相互作用力（A）非极性组分分离非极性固定液 ，组分出峰的顺序由蒸汽压决定，沸点高保留时间长（B）中等极性组分分离中等极性固定相，沸点与分子间力同时起作用（C）强极性组分分离强极性固定相，分子间力起作用，按极性大小出峰（D）极性+非极性组分分离极性固定相依据相似相溶原则；（极性原则）依据相似相溶原则；（极性原则）例如：苯和环己烷的色谱分离苯沸点 80.10C环己烷沸点 80.70C采用非极性固定液 ，因

25、组分出峰的顺序由蒸汽压决定，所以分不开；但是苯容易极化tR(苯）/tR（环己烷）（1）用弱极性的邻苯二甲酸二辛酯1.5（2）用极性的聚乙二醇-4003.9（3）用，氧二丙氰6.3P1054、检测器、检测器n作用：将色谱分离后的各组分的量转变成可测量的电信号，然后纪录下来。n检测器相关性能指标：灵敏度（Sensitivity）指样品量变化引起信号变化的程度，程度越大灵敏度越高。检测限（Detection Limit）二倍噪音所相当的物质的量称为检测限线性范围（Linear range） 指检测器信号与样品浓度（或量）之间成正比关系的范围。n常用检测器： 热导检测器氢火焰离子化检测器电子捕获检测器

26、 对检测器性能要求： 灵敏度高线性范围宽响应速度快通用性强 结构简单（1）热导检测器(Thermal Conductivity Detector, TCD) 利用载气与样品组分热导系数的差异，当它们通过热敏电阻元件时，阻值出现差异而产生电信号。热导检测器的主要特点:(1) 结构简单(2) 对无机物和有机物都有响应(3) 灵敏度不高（2）、氢火焰离子化检测器Flame Ionization Detector (FID)有机物在火焰中电离形成离子流，根据离子流的出现和大小进行分析。载气+样品组分H2空气极化极收集极放大记录离子流方向氢火焰离子化检测器的特点：（1）灵敏度高，响应快，线性范围宽（2）

27、通用性强，适于有机物的检测（3）是目前最广泛使用的检测器之一。（3）、电子俘获检测器载气在-射线源的照射下发生电离：N2 N2 + e形成稳定的基流。卤素等含电负性的原子捕获电子生成稳定的负离子，并与载气正离结合，使基流信号下降，根据信号是否降低和降低程度，可检测组分。放射源（-）不锈钢棒（+）放大与检测系统电子俘获检测器的特点：（1）对卤素、硫、磷、氮、氧有很强的响应；（2）灵敏度高，可用于痕量农药残留物的分析；（3）线性范围较窄（4）、其他检测器火焰光度检测器（Flame Photometric Detector）是一种对硫磷选择性的检测器，这两种元素燃烧中被激发，从而发射特征的光信号：2

28、RS SO2SO2 + H2S2*S2 + hv燃烧S394 nmP526 nm载气+组分H2检测系统滤光片1800-29000CPowerful（5）与其他定性定量分析仪器组合：）与其他定性定量分析仪器组合：GC-MSGC-FTIR有利于确定各组分的结构，是十分有力的分析工具。有利于确定各组分的结构，是十分有力的分析工具。5、控温系统、控温系统:四大系统之外，存在控温系统：汽化室、色谱柱、检测器均要求在适宜温度下工作汽化室、色谱柱、检测器均要求在适宜温度下工作。因此，各部分均配有精密的温度控制装置，以便设立、控制、监测各处温度，使测量顺利进行。恒温恒温程序升温程序升温常见的控温方式：常见的控

29、温方式：不同的温度条件下色谱的分离效果是不同的不同的温度条件下色谱的分离效果是不同的原因：原因： 分配系数分配系数K是热力学常数，随温度而变。是热力学常数，随温度而变。 温度越高，温度越高，K值越小，因此保留时间越短，值越小，因此保留时间越短，峰窄。据此，可通过柱温调节分离程度。峰窄。据此，可通过柱温调节分离程度。提高温度程序升温例：恒温和程序升温分析烃类化合物色谱柱温度要求：柱温低于固定液最高使用温度。色谱柱温度要求：柱温低于固定液最高使用温度。从分离角度讲：在难分离峰被分离前提下尽量低温。从分离角度讲：在难分离峰被分离前提下尽量低温。小结小结气相色谱仪主要包括四部分：气相色谱仪主要包括四部

30、分： 载气系统，进样系统，分离系统，检测系统。载气系统，进样系统，分离系统，检测系统。 参照分离机理与流程掌握其结构特征、性能要参照分离机理与流程掌握其结构特征、性能要 求及功用求及功用色谱柱是分离核心，重点掌握固定相的选择色谱柱是分离核心，重点掌握固定相的选择理解各种检测器的测量机理理解各种检测器的测量机理控温系统是工作的必要条件，不同组分需在不控温系统是工作的必要条件，不同组分需在不同控温条件下进行。同控温条件下进行。4.3 气相色谱基本理论气相色谱基本理论n1、塔板理论、塔板理论n2、速率理论、速率理论n3、分离度、分离度色谱理论的作用与目的：色谱理论的作用与目的：理论用途：理论用途：用

31、于阐述与解释色谱分离过程的热力学、动力学用于阐述与解释色谱分离过程的热力学、动力学 现象与问题，寻求最佳分离条件。现象与问题，寻求最佳分离条件。理论内容：理论内容：包括分离过程及其效能的相关理论，影响分离及柱效的因素包括分离过程及其效能的相关理论，影响分离及柱效的因素，提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系等。，提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系等。例如：例如：问题问题1：组分保留时间：组分保留时间影响因素影响因素： 色谱过程的热力学因素控制；色谱过程的热力学因素控制； （组分和固定液的结构和性质）（组分和固定液的结构和性质）问题问题2：色谱峰变宽原因：色谱峰变宽原因： 色

32、谱过程的动力学因素控制；色谱过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，扩散）（两相中的运动阻力，扩散）主要有两种色谱理论：主要有两种色谱理论： 塔板理论和速率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，平衡可以迅速达在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；到； (2) (2) 将载气看作成脉动（间歇）过程；将载气看作成脉动（间歇）过程； (3) (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) (4) 每次分配的分配系数相同。每次分配的分配系数相同。由此，可利用精馏的塔板理论描述色谱分离过程。由此，可利用精馏的塔板理

33、论描述色谱分离过程。1 1、 塔板理论塔板理论 - -柱分离效能的描述柱分离效能的描述这是种半经验理论；这是种半经验理论； 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次重复的平衡过程的色谱分离过程分割成多次重复的平衡过程 （类似于精馏塔塔板上的平衡过程）；（类似于精馏塔塔板上的平衡过程）；具体理论内容：（1 1）理论塔板数与理论塔板高度：）理论塔板数与理论塔板高度：相关参量：相关参量：色谱柱长：色谱柱长：L， 理论塔板高度：理论塔板高度：即为虚拟的塔板间距离：即为虚拟的塔板间距离：H，理论塔板数理论塔板数：n， 则三者的关系为：则三者的关系为

34、： 塔板理论的柱效：塔板理论的柱效：单位柱长的塔板数单位柱长的塔板数. 柱长一定时，塔板数柱长一定时，塔板数n越多越多,表明表明柱效柱效越高。越高。n = L / H2bR21/2R)Wt16()Yt5.54(nn理论塔板数理论塔板数n与色谱峰宽度相关。与色谱峰宽度相关。 组分色谱峰越窄，则塔板数组分色谱峰越窄，则塔板数n越多，塔板高度越多，塔板高度H越越小，柱效越高。小，柱效越高。n理论塔板数理论塔板数n与相关组分保留值成正比与相关组分保留值成正比。 注：用注：用不同物质不同物质计算可得到不同的计算可得到不同的理论理论塔板数。塔板数。理论塔板数计算公式：理论塔板数计算公式：（2 2）. .有

35、效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度为了更有效的表征实际柱效，消除死时间的影响为了更有效的表征实际柱效，消除死时间的影响，用调整保留时间替代保留时间，引入，用调整保留时间替代保留时间，引入有效塔板有效塔板数和有效塔板高度数和有效塔板高度：有效有效有效nLH)Wt16()Yt5.54(n2bR21/2R有效塔板数越大说明组分在柱中分配次数越多，有效塔板数越大说明组分在柱中分配次数越多，越有利于分离越有利于分离（3 3）. .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与峰宽成反比，与保与峰宽成反比，与保留时间成正比。塔板数留时间

36、成正比。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，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高。在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高。 (2) (2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同。用有效塔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为衡量柱效能的指标时，应指明测定板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。物质。 (3) (3)塔板数（塔板数（柱效）不能表示被分离组分的实际分离效果柱效）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。当两组分的分配系数K K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大相同时，无论该色谱柱的塔板数多大

37、，都无法分离。，都无法分离。 (4) (4)塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径，也无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实，也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。验结果。2、 速率理论速率理论- -影响柱效的因素影响柱效的因素（1 1）速率方程（也称范）速率方程（也称范. .弟姆特方程式）弟姆特方程式） 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) 方程描述了柱效的影响因素。方程描述了柱效的影响因素。 减小减小A、B、C三项可提高柱效；三项可

38、提高柱效； 存在着最佳流速，使存在着最佳流速，使H值最小；值最小； A、B、C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 = d d：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柱效改进：柱效改进：固定相颗粒越小固定相颗粒越小d，填充的越均匀，填充的越均匀，A，则色谱峰，则色谱峰变窄，变窄，H，柱效，柱效n。指流动相载着组分过柱时的多路径流动所引起的色谱峰变宽，指流动相载着组分过柱时的多路径流动所引起的色谱峰变宽，柱效降低现象柱效降低现象B/u 分子扩散项分子扩散项B称为纵向扩散项系数称为纵向扩散项系数 B = 2 DM

39、 ：曲率因子，填充柱色谱，曲率因子，填充柱色谱，11。 DM：试样组分分子在气相中的扩散系数（：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1） (1) 扩散原因：扩散原因：纵向浓度差与分子无规运动纵向浓度差与分子无规运动; (2) 影响因素：影响因素：与流速有关，流速与流速有关，流速分子扩散项分子扩散项；温度有关温度有关 (3)后果：后果：扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽， H，柱效下降柱效下降 (n)，分离变，分离变差差;影响因素：影响因素：（1）担体粒度：担体粒度：减小担体粒度，（小分子量减小担体粒度，（小分子量载气），可降低传质阻力。载气），可降低传质阻力。C u 传质阻力项传质阻

40、力项 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）（动画）（动画）（2）载气流速：传质阻力项）载气流速：传质阻力项随着载气流速增加而增大；随着载气流速增加而增大；（3）柱温）柱温后果：后果：传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到，色传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到，色谱峰变宽；传质阻力项增大，谱峰变宽；传质阻力项增大， H，柱效下降，柱效下降 (n)，分离变，分离变差。差。（2 2）载气流速与柱效）载气流速与柱效最佳流速最佳流速载气流速高时：载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的传质阻力项是影响柱效的主要因

41、素，主要因素，流速流速 ，柱效，柱效 。载气流速低时：载气流速低时： 分子扩散项成为影响柱效分子扩散项成为影响柱效的主要因素，的主要因素，流速流速 , ,柱效柱效 。H - u曲线与最佳流速：曲线与最佳流速： 由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。流速的一阶导数有一极小值。 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作图，曲线最低点的流速即为为最佳流速最佳流速。（3 3）速率理论

42、的要点）速率理论的要点 (1) (1)造成色谱峰扩展柱效下降的因素主要包括三项：造成色谱峰扩展柱效下降的因素主要包括三项： A涡流涡流扩散项，扩散项，组分分子在柱内运行的组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散多路径与涡流扩散； B/u分分子扩散项，子扩散项，浓度梯度所造成的浓度梯度所造成的分子扩散分子扩散； C u传质阻力项，传质阻力项，使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到。使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到。 (2)提高柱效途径：提高柱效途径：通过选择适当的固定相粒度、载气种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。类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。 ( (4)4)速率理

43、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。 (3) 各种因素相互制约。如载气流速增大，分子扩散项的影各种因素相互制约。如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。3 3、分离度分离度Rn 塔板理论和速率理论

44、描述柱效高低，但难以描述塔板理论和速率理论描述柱效高低，但难以描述物质对的实际分离程度。即物质对的实际分离程度。即n柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离？柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离？（柱效高不一定分离就好）（柱效高不一定分离就好） 柱效不能明确表示分离情况。如下图：柱效不能明确表示分离情况。如下图： 柱效较高，柱效较高，K(分配系数分配系数)较大较大,完全分离；完全分离；柱效较高，柱效较高， K不是很大，峰较窄，基本上完全分离；不是很大，峰较窄，基本上完全分离；柱效虽高，但柱效虽高，但K较较小，小，分离效果很差。分离效果很差。柱效较低，柱效较低，K较大较大, 但分离的不好；但分离

45、的不好；利用分离度则可表示相邻色谱峰的分离程度。利用分离度则可表示相邻色谱峰的分离程度。分离度的表达式分离度的表达式：R=0.8：两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度：分离程度98%；R=1.5：达：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）。)1()2()1()2()(2bbRRWWttR物质分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：物质分离度大小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。令令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相邻

46、两峰的峰底宽近似相等（相邻两峰的峰底宽近似相等），），引入引入相对相对保留值保留值和塔板数，可导出下式：和塔板数，可导出下式：161112212121121221211212有效nrrWtttrWtttWttWWttRbbbbbRRRRRRRRRR)()()()()()()()()()()()()()()()(222/1)(16)(54. 5bRRWtYtn有效221212)1(16rrRn有效16)1(2121有效nrrR讨论讨论：（1）分离度与柱效分离度与柱效 分离度与柱效（塔板数）的平方根成正比，分离度与柱效（塔板数）的平方根成正比， r21一定时，一定时，增加柱效，可提高分离度。增加柱

47、效，可提高分离度。（2）分离度与分离度与r21 增大增大r21是提高分离度的最有效方法，计算可知，是提高分离度的最有效方法，计算可知， r21比增大柱效有效的多。比增大柱效有效的多。 增大增大r21的最有效方法是选择合适的固定液。的最有效方法是选择合适的固定液。16) 1(2121有效nrrR小结 塔板理论与速率理论：掌握理论基本要点与计算公式。 能够分析各种因素对柱效的影响。 能够利用塔板理论公式、速率公式、分离度公式进行计算。4.4 气相色谱的定性与定量分析气相色谱的定性与定量分析1、定性分析、定性分析2、定量分析、定量分析气相色谱的具体应用方法气相色谱的具体应用方法1、定性分析、定性分析

48、保留值所对应色谱峰组分结构的确认保留值所对应色谱峰组分结构的确认纯标准样对照保留值保留指数相对保留值保留指数GC-MSGC-IR文献值对照仪器联用定性相对保留值（1）已知物对照方法）已知物对照方法 （对照保留时间或相对保留时间）（对照保留时间或相对保留时间） 利用保留时间定性： 在一定的色谱系统和操作条件下，每种物质都有一定的保留时间，如果在相同色谱条件下，未知物的保留时间与标准物质相同，则可初步认为它们为同一物质。050001000015000200002500030000012345678910111213retention time / minutesintensity 75As / c

49、ounts3425610001500200025003000012345678910111213retention time / minutesintensity 75As /counts4567050001000015000200002500030000012345678910111213retention time / minutesintensity 75As / counts425 利用相对保留值定性保留值定性的缺点：由于保留值受柱温、柱长、固定液含量等因素影响，测量时必须严格控制操作条件，操作麻烦。因此，引入相对保留值定性。相对保留值优势：仅为柱温与固定相性质函数，与其他操作条件无关

50、。条件：需选择一基准物质作为参照，要求纯度高且与待测组分保留值接近。rx1 = t Rx / t R1= V Rx / V R1设物质设物质1为基准物质，将待测组分的相对保留值与已知物质的为基准物质，将待测组分的相对保留值与已知物质的相对保留值对比，即可判断其为何物。相对保留值对比，即可判断其为何物。利用保留指数（利用保留指数（I）定性法）定性法以正构烷烃为参考标准，某一未知组分的保留行为用两个紧靠近它的标准物质（正构烷烃）正构烷烃）来标定：正构烷烃的保留指数：正构烷烃的保留指数：I = 100 N N为碳原子数例如：正己烷 I = 600正辛烷 I = 800其它化合物 Ix = 100 x

51、x为组分相当于正构烷烃C原子的数例如：苯在某柱子上的Ix = 733表示苯在该柱上的保留值相当于含7.33个碳原子的正构烷烃的保留值。保留指数计算公式：lglg100, 1,NNNxrrNIN，N+1 分别为两个正构烷烃的碳原子数 )()(,)()(,NRnNRNnNNRxRNxttrttrC7C8苯注意：注意：n 由于保留值（保留时间、保留指数等）定性受温度影响，因此应严格控制温度；n当两个化合物的保留值相同或相近时，容易出现错判。n 因此，常用两种色谱柱进行定性。 相对保留值 保留指数 由文献查找有关物质的保留指数与相对保留值，明确这些数据在何种固定相与柱温下测定；选择相同的测试条件，测出

52、待测组分的相对保留值或保留指数，由此判定待测物质的组分。（3）与其他仪器联用定性）与其他仪器联用定性 将具有定性能力的分析仪器如红外（IR）、核磁（NMR）、质谱（MS）等仪器作为色谱仪的检测器获得比较准确的定性信息。将色谱的分离优势与质谱、红外、核磁的定性优势相结合，强强联手举例：气相色谱与质谱联用：GC-MSGC-MS特点： 通用性强，对所有样品都有响应通用性强，对所有样品都有响应 高灵敏度高灵敏度 配质谱标准谱库，进行定性分析配质谱标准谱库，进行定性分析当今最强大有当今最强大有效检测器，效检测器，我一直用它我一直用它卷烟香气成分分析卷烟香气成分分析2、定量分析、定量分析色谱定量分析的依据

53、是被测物质的量与它在色谱图上的峰面积（或峰高）成正比。 iiiAfW （1） 校正因子fi由于不同组分浓度大小对检测信号响应值不同，（如浓度相同不同组分具有不同吸收峰面积；同组分的浓度对不同检测器的响应不同）定量计算时，需对峰高或峰面积进行响应的校正。分为绝对和相对校正因子两种。绝对校正因子定义：绝对校正因子定义：已知 则可求出待测组分质量 q绝对校正因子随实验条件而变。因此定量分析时实际样品必须与标准物质处在相同测定条件下q因此常用相对校正因子iiiAWf ifiW可由可由标准物质标准物质试验求出试验求出 相对校正因子f 指某物质i与一选择的标准物质S的绝对校正因子之比。 即相对校正因子只与

54、检测器类型有关，而与色谱条件无关。常用于作为标准物质S的有苯（热导检测器）和庚烷（氢火焰离子化检测器）等。ssiisiiAWAWfff/ssiiiWAAfW（2）定量分析的方法（求组分含量）A、归一化法niiiniifAW11niiixxifAfAW1%若流出色谱柱组分的总量为：则X组分所占的百分含量为 归一化法是将所有组分的峰面积归一化法是将所有组分的峰面积Ai分别乘以它们分别乘以它们的的校正因子校正因子后求和，即所谓后求和，即所谓“归一归一”特点及要求：特点及要求： 简便、准确简便、准确 进样量进样量/ /操作条件对结果影响不大操作条件对结果影响不大( (同时同时) ) 试样中所有组分必须

55、全出峰试样中所有组分必须全出峰 B、外标法、外标法 :采用标准曲线法定量采用标准曲线法定量tRAAEtRE方法：方法：: : 含待测物的标准样品测工作曲线含待测物的标准样品测工作曲线注意注意: : 控制相同测量条件控制相同测量条件EiiiAAEx C. 内标法内标法: : 定量地将内标准物质加入试样中并混匀比较标准物质和被测组分的峰面积，从而确定被测组分的浓度。ssiisiAfAfWWsssiiiWAfAfW 目的:为消除进样量、操作条件对色谱定量的影响.由于标准物质和被测组分处在同一基体中，因此可以消除基体带来的干扰。而且当仪器参数和洗脱条件发生非人为的变化时，标准物质和样品组分都会受到同样

56、影响，这样消除了系统误差。内标物应满足的要求：内标物应满足的要求：l在所给定的色谱条件下具有一定的化学稳定性；l在接近所测定物质的保留时间内洗脱下来；l与两个相邻峰达到基线分离；l物质特有的校正因子应为已知的或者可测定；l与待测组分有相近的浓度和类似的保留行为；l具有较高的纯度。例题例题 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 。计算需要多少块有效。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？，柱长是多少？解：解： r21=

57、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 = 155 cm 即柱长为即柱长为1.55米时，米时，两组分可以得到完全分离。两组分可以得到完全分离。x50.00.20.40.60.81.0*Bt*AtlgC6H5CH3(A)C6H6(B)xBt/1401208010060y5y3y2 y4y1 x0 x4x3t3t2t1t4t5 精馏分离原理精馏分离原理x2x1160精馏精馏: 将液态混合物同时将液态混合物同时经多次部分气化和部分经多次部分气化和部分冷凝而使之分离的操作冷凝而使之分离的操作.精馏塔精馏塔：同一层隔同一层隔板上板上, 自下而上的有较自下而上的有较高温度的气相与反方向高温度的气相与反方向的较低温度的液相相遇的较低温度的液相相遇. 通过热交换通过热交换,气相部分气相部分冷凝冷凝, 液相则部分气化液相则部分气化. 往塔顶往塔顶底塔往底塔往