第四章第一二节色谱分离原理

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 n 1.色谱的发展历史色谱的发展历史n 2.色谱分

2、离原理色谱分离原理n 3. 色谱图及相关概念色谱图及相关概念n 4.色谱分类色谱分类n 5.色谱法的特点色谱法的特点n1.色谱法发展的历史色谱法发展的历史n 俄国植物学家茨维特在俄国植物学家茨维特在1906年年使用的装置：使用的装置： 色谱原型装置，如图。色谱原型装置，如图。n 色谱法是一种分离技术色谱法是一种分离技术n 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。n 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）；n 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

3、定相的流体（气体或液过此固定相的流体（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

4、相的分配差异洗脱先后的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与固定相作用能力的差异是分离的根本原因。原因。两相及两相的相对运动构成了色谱法的两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础基础（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

5、程叫做分配过程。发的过程叫做分配过程。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

6、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

7、征色谱分配平衡过程。分配比是指，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 组分在流动相中的质量组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量组分在固定相中的质量 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

8、间越长。 3. 分配比可以由实验测得。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)；n 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。n 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。n 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

9、体积不同各组分的流体力学体积不同n 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

10、保留值表示的保留值 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

11、= tRFcFc为载气流速，为载气流速，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

12、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：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

13、过程，组分在两项中的扩散、传质过程动力学过程，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）. .色谱流出曲线方程色谱流出曲线方程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

14、程，反映了分离过程动力学过程，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

15、择性。nr2.1越大越大，选择性差异越大，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

16、色谱分配色谱离子交换色谱离子交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：

17、填充柱色谱和毛细管柱色谱； 按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

18、的色谱方法n超临界色谱超临界色谱: : 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：

19、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。卷烟香气成分分析卷烟香气成分分析4.2 气相色谱仪n气相色谱的分离过程气相色谱的分离过程n 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：n固定相：固定相：n流动相：流动相：n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n色谱图色谱图n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

20、入，被溶解或吸附的组分又从固定相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

21、流程图色谱仪1 1、载气系统、载气系统 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：）

22、常用的载气：氮气，氢气，氦气氮气，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

23、统、分离系统-色谱柱色谱柱色谱柱色谱柱填充柱（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

24、配系数作用能力（分配系数)不同，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 8

25、0.70C采用非极性固定液 ，因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

26、氢火焰离子化检测器电子捕获检测器n 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）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