第二章气相色谱分析法

1、油料应用实验工程中心梅 林Question混合物混合物最有效的最有效的分离、分析分离、分析方法。方法。一一 “色谱法色谱法”名称的由来：名称的由来：色谱法的创始人色谱法的创始人俄国植物学家茨维特俄国植物学家茨维特(M.Tswett)*(Twseet) 1906年植物化学家茨维特首先将植物提取物放入装有碳酸钙的玻璃管年植物化学家茨维特首先将植物提取物放入装有碳酸钙的玻璃管中，植物提取液由于在碳酸钙中的流速不同分布不同因此在玻璃管中中，植物提取液由于在碳酸钙中的流速不同分布不同因此在玻璃管中呈现出不同的颜色，形成不同颜色的谱带，这样就可以对各种不同的呈现出不同的颜色，形成不同颜色的谱带，这样就可以

2、对各种不同的植物提取液进行有效的成分分离。到植物提取液进行有效的成分分离。到1907年茨维特的论文用俄文公开年茨维特的论文用俄文公开发表，他把这种方法命名为发表，他把这种方法命名为chromatography, 即中文的色谱，这就是现即中文的色谱，这就是现代色谱这一名词的来源。代色谱这一名词的来源。 *茨维特观察到，石油醚极易溶解离析态的叶绿素和相关色素，但不能直接茨维特观察到，石油醚极易溶解离析态的叶绿素和相关色素，但不能直接从植物叶中提取出色素，从植物叶中提取出色素，, ,而乙醇而乙醇( (甚至在其它溶剂中加入少量乙醇甚至在其它溶剂中加入少量乙醇) )则很容则很容易直接提取出植物叶中的色素

3、。易直接提取出植物叶中的色素。他认为他认为 , ,这种现象并不是由于叶绿素这种现象并不是由于叶绿素 “ “不溶于不溶于” ” 石油醚而石油醚而 “ “溶溶” ” 于乙于乙醇醇 , ,也不是由于叶绿素在乙醇提取过程中发生了化学变化而溶解也不是由于叶绿素在乙醇提取过程中发生了化学变化而溶解 , “, “很可很可能是由于植物组织的分子力的干扰能是由于植物组织的分子力的干扰 , ,即是说是由于吸附。石油醚对色素的即是说是由于吸附。石油醚对色素的溶解力小于植物组织的吸附力溶解力小于植物组织的吸附力 , ,而这种吸附力能被某些其它溶剂如乙醇所而这种吸附力能被某些其它溶剂如乙醇所克服因此克服因此 , ,即使

4、在石油醚中加入少量无水乙醇也能将所有的色素提取出即使在石油醚中加入少量无水乙醇也能将所有的色素提取出来来”。现代色谱不仅可分离有色物质，还可分离无色物质，现代色谱不仅可分离有色物质，还可分离无色物质，并出现了种类繁多的各种色谱法。并出现了种类繁多的各种色谱法。现在的色谱仅是沿用这一名称。现在的色谱仅是沿用这一名称。 由于出现了各种各样的色谱法，许多气体、液体和由于出现了各种各样的色谱法，许多气体、液体和固体样品都能找到合适的色谱法进行分离和分析。固体样品都能找到合适的色谱法进行分离和分析。茨维茨维特特实验的实质：实验的实质：色素受两种作用力影响：色素受两种作用力影响： 1 CaCO3吸附，使色

5、素停在柱中上部位置。吸附，使色素停在柱中上部位置。2被石油醚洗脱溶解，使色素在柱中向下移动。被石油醚洗脱溶解，使色素在柱中向下移动。溶解度大的移动速度快，溶解度小的移动速度慢。溶解度大的移动速度快，溶解度小的移动速度慢。各种色素结构不同，受两种作用力的大小不同，经过一段各种色素结构不同，受两种作用力的大小不同，经过一段时间的吸附、洗脱溶解后，四种叶绿素在柱上得以分开，时间的吸附、洗脱溶解后，四种叶绿素在柱上得以分开，形成了各种带颜色的彩色谱带。此方法就是色谱法。形成了各种带颜色的彩色谱带。此方法就是色谱法。色色谱法是一种分离技术。谱法是一种分离技术。试样混合物的分离过程就是试样中各组分在色谱分

6、离柱中的两试样混合物的分离过程就是试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。相间不断进行着的分配过程。其中的一相固定不动，称为固定相（其中的一相固定不动，称为固定相（stationary）；另一相是）；另一相是携带样品流过固定相的流动体携带样品流过固定相的流动体(气体或液体气体或液体)，称为流动相，称为流动相(mobil phase)。1931年，年，kuhn和和lederer等用同样的方法成功地分离了等用同样的方法成功地分离了, , 和和胡萝卜素。胡萝卜素。此后，相继出现了各种各样的色谱方法此后，相继出现了各种各样的色谱方法 色谱柱：进行色谱分离用的细长管（玻璃管或不锈钢管）

7、。 固定相：管内保持固定、起分离作用的固体或液体填充物。 流动相：携带样品流过固定相的空隙或表面的气体或液体。缺点：缺点：对未知物分析对未知物分析的定性较困难的定性较困难优点：优点：“三高三高”、“一快一快”、“一广一广”（1）分离效率高）分离效率高复杂混合物，有机同系物、异构体，复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。手性异构体。（2） 灵敏度高灵敏度高可以检测出可以检测出gg-1(10-6)级甚至级甚至ngg-1(10-9)级的物质。级的物质。（3）自动化程度高）自动化程度高 集富集、分集富集、分离和检测于一体离和检测于一体几十分钟内完成试样的分析几十分钟内完成试样的分析应用范围广应用

8、范围广 气相色谱：沸点气相色谱：沸点18 8 峰的区域宽度峰的区域宽度(peak width)(peak width)（1）标准偏差标准偏差standard deviation( )： 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， 的大小表示组分被的大小表示组分被带出色谱柱的分散程度，带出色谱柱的分散程度， 越大，组分流出越分散；反之亦越大，组分流出越分散；反之亦然。然。 的大小与柱效有关，的大小与柱效有关， 小，柱效高。小，柱效高。（2）半峰宽半峰宽(Y1/2)： 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(Y)：Y =4

9、用来衡量色谱峰宽度的参数，有用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法三种表示方法：tM与流动相流速有关峰宽峰宽9 色谱流出曲线信息色谱流出曲线信息*从从上可获得的信息：上可获得的信息： 由色谱峰的由色谱峰的判断试样中所含判断试样中所含的的最少最少 由色谱峰的由色谱峰的（或位置）进行（或位置）进行分析分析 由色谱峰下的由色谱峰下的进行进行分析分析 由色谱峰两峰间的由色谱峰两峰间的评价固定相（或流动相）评价固定相（或流动相）的是否的是否 由色谱峰的保留值及由色谱峰的保留值及评价色谱柱评价色谱柱*七七 气相色谱仪器气相色谱仪器* 载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。载气系统：气源、气体净

10、化器、供气控制阀门和仪表。 进样系统：进样器、汽化室。进样系统：进样器、汽化室。 分离系统：色谱柱、控温柱箱。分离系统：色谱柱、控温柱箱。 检测系统：检测器、检测室。检测系统：检测器、检测室。 记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。 1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；7、进样器；8、色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；（一）气相色谱仪的组成（一）气相色谱仪的组成：1. 1. 载气系统载气系统 包括气源、净化干燥管和载气流速控制；常包括气源、净化干燥管和载气流速控制；常用的载气有：

11、氢气、氮气、氦气；用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定流速恒定。（二）气相色谱仪主要部件（二）气相色谱仪主要部件：注射器注射器气化室气化室2. 2. 进样装置进样装置 进样装置：进样装置：进样器+气化室取样位置取样位置 试样导入色谱柱试样导入色谱柱气体进样器：六通阀气体进样器：六通阀液体进样器：微量注射器液体进样器：微量注射器温度比柱温高温度比柱温高出出1

12、0503.3.分离系统（色谱柱）分离系统（色谱柱）色谱柱是色谱仪的核心部件。色谱柱是色谱仪的核心部件。色谱柱色谱柱填充柱填充柱毛细管柱毛细管柱柱内径柱内径24 mm0.05-0.5 mm柱长度柱长度 13 m30300m总塔板数总塔板数103 106样品容量样品容量 10-1000 0.1-504. 4. 检测系统检测系统通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；根据检测原理可分为：根据检测原理可分为：浓度型检测器：热导检测器、电子捕获检测器等浓度型检测器：热导检测器、电子捕获检测器等质量型检测器：氢焰离子检测器、火焰光度检测器等质量型检测器：氢焰

13、离子检测器、火焰光度检测器等例*思考习题思考习题1 主要色谱术语有哪些，各自的含义是什么？主要色谱术语有哪些，各自的含义是什么？2 从从上可获得哪些信息？上可获得哪些信息？3 简要说明气相色谱分析的基本原理。简要说明气相色谱分析的基本原理。4 气相色谱仪的基本组成包括哪几部分气相色谱仪的基本组成包括哪几部分? 各有什么作用各有什么作用?色谱分离是在色谱柱内完成的。色谱分离是在色谱柱内完成的。 填充柱色谱填充柱色谱:气固气固(液固液固)色谱和气液色谱和气液(液液液液)色谱，两者的分色谱，两者的分离机理不同。离机理不同。 气固气固(液固液固)色谱的固定相色谱的固定相:多孔性的固体吸附剂颗粒。多孔性

14、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不同。气液气液(液液液液)色谱的固定相色谱的固定相: 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： 气液气液(液液液液)两相间的反复多次分配过程。两相间的反复多次分配过程。分离过程分离过程二、分配平衡的几个参数：二、分配平衡的几个参数： 1 1 分配系数分配系数 在一定温度和压力下，组分在固

15、定相和流动相间达在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度之比，到分配平衡时的浓度之比，用用K表示。表示。 msccK 组分在固定相中的浓度组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度组分一定时，组分一定时，K主要取决于固定相性质主要取决于固定相性质组分及固定相一定时组分及固定相一定时, ,温度增加温度增加, ,K减小减小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值是分离的基础值是分离的基础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某某组分的组分的K = 0K = 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。一

16、定温度下，组分的分配系数一定温度下，组分的分配系数K K越大，出峰越慢；越大，出峰越慢；影响影响K的因素的因素 固定相固定相温度温度2 分配比分配比(容量因子容量因子) （partion ratio） kMsmmk 组分在固定相中的质量组分在固定相中的质量 组分在流动相中的质量组分在流动相中的质量K K与与k k都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分都是与组分及固定相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。离柱温度、柱压的改变而变化。K与与k k都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。该组分的保留

17、时间越长。k k可由实验测得。可由实验测得。在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为分配比，也称容量因子，用时的质量比，称为分配比，也称容量因子，用k表示。表示。3 3、分配系数和分配比之间的关系、分配系数和分配比之间的关系k/sMMMssMsVVkVmVmccKcs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；Vm为色谱柱为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积，中流动相

18、的体积，近似等于死体积， Vs为色谱柱中固定相体积。为色谱柱中固定相体积。1KVVKkMS MRMRVVttk 相比相比 : =VM / VS, 反映各种色谱柱反映各种色谱柱柱型及其结构特征。柱型及其结构特征。填充柱填充柱: 635 毛细管柱毛细管柱: 501500容量因子越大，保留时间越长。容量因子越大，保留时间越长。三、色谱分离的基本理论三、色谱分离的基本理论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色谱分离过程的热力学(试样中各试样中各组分在两相间的分配组分在两相间的分配)和动力学和动力学(各组分在色谱柱中的运动各组分在色谱柱中的运动)问题问题。影响分离及柱效的

19、因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的。影响分离及柱效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。评价指标及其关系。各组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？各组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间组分保留时间：由色谱过程的热力学因素控制；：由色谱过程的热力学因素控制； （组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽色谱峰变宽：由色谱过程的动力学因素控制；由色谱过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：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

20、可以迅速达到；到；(2)(2)将载气看成脉动（间歇）过程，每次进样一个板体积将载气看成脉动（间歇）过程，每次进样一个板体积V V；(3)(3)试样开始时都加在第试样开始时都加在第0 0号塔板上，且沿色谱柱方向的纵向扩号塔板上，且沿色谱柱方向的纵向扩散可忽略；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(k=1)(k=1)。( (一一) )、塔板理论、塔板理论半经验理论：将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色半经验理论：将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程看作许多小段平衡过程的重复谱分离过程看作许多小段平衡过程的重复(类似于蒸馏塔塔板类似于蒸馏塔塔板上的

21、平衡过程上的平衡过程)； 塔板理论认为，一根柱子可以分为塔板理论认为，一根柱子可以分为n段段(假想成由假想成由n块塔板组块塔板组成成)，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。设柱长为块理论塔板。设柱长为L，理论塔板高度为，理论塔板高度为H，则，则 H =L / n 式中式中n为理论塔板数。为理论塔板数。Martin & Synge*This years Nobel Prize in Chemistry is awarded for the discovery of a method for the separatio

22、n of substances from complicated mixtures.How can it happen, one may ask, that something apparently so commonplace as a separation method should be rewarded by a Nobel Prize? The answer is that from the very beginnings of chemistry until our own time, methods for separating substances have occupied

23、a key position in this science. Even today, in Holland, chemistry is called Scheikunde, or the art of separation, and even today some of chemistrys most important advances are linked to the invention of new methods for separating various substances.Presentation Speech * k=1组分在色谱柱内任一塔板上的分配情况组分在色谱柱内任一

24、塔板上的分配情况假设某组分的分配比假设某组分的分配比k=1，n=5，将单位质量（，将单位质量（ m=1mg或或g）的组分加到第的组分加到第0号塔板上，分配达到平衡后，号塔板上，分配达到平衡后，mS=mM=0.5。两组份分配过程示意图两组份分配过程示意图k13、流出曲线图及其表达方程式、流出曲线图及其表达方程式 N色谱色谱流出曲线的数学描述流出曲线的数学描述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关系为：正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为： 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

25、数构建关系式。减函数构建关系式。进样浓进样浓度度4 4、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. 5YtYtnRR保留时间包含死时间，组分在死时间内不参与分配保留时间包含死时间，组分在死时间内不参与分配! !理论塔板数理论塔板数(n)可根据色谱图上所测得的保留时间可根据色谱图上所测得的保留时间(tR)和峰底宽和峰底宽(Y)或半峰宽或半峰宽( Y1/2)按下式按下式推算：5、理论板数和理论塔板高度的计算、理论板数和理论塔板高度的计算 理论塔板高度理论塔板高度H： 为使组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需要的柱长。为使组分在柱内两相间达到一

26、次分配平衡所需要的柱长。理论塔板数理论塔板数n： 组分流过色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数组分流过色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数 。HLn nLH/或柱长柱长，但柱压和分析时间一定，；，分离能力，柱效一定，讨论：nLHnHLHnLn1不同；组分不同则与所用组分有关，选用注：计算nn一致无量纲，上下单位必须n6、有效塔板数（、有效塔板数（neff）的计算的计算222/1)(16)(54. 5YtYtnRReff 通常用通常用有有效塔板数（效塔板数（n neffeff）来评价柱的效能比较符合实际。）来评价柱的效能比较符合实际。 neff 越大或越大或H Heffeff越小，则色谱柱的

27、柱效越高。越小，则色谱柱的柱效越高。 Heff=L/neff 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 由于由于tR包含了包含了tM，而组分在而组分在tM时间内不参与柱内分配。因此有时间内不参与柱内分配。因此有时计算出来的时计算出来的n很大，很大，H很小，但色谱柱表现出来的实际分离效很小，但色谱柱表现出来的实际分离效果却不好，尤其对流出色谱柱较早果却不好，尤其对流出色谱柱较早(tR较小较小)的组分更为突出。的组分更为突出。n和和H并不能真实反映色谱柱分离的好坏。并不能真实反映色谱柱分离的好坏。需引入将需引入将tM除外的有效塔板数和有效塔板高度：除外的有效塔板数和

28、有效塔板高度：塔板理论的特点塔板理论的特点 (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，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。峰越窄。(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同物质在同一色谱柱上的分配系数K不同，用有效塔板数和不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的

29、分配系数系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。存在问题存在问题1 1）做出了四个与实际不相符的假设；忽略了组分在两相中传质）做出了四个与实际不相符的假设；忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程。和扩散的动力学过程。2 2）只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的影响因素）只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的影响因素3 3）排除了一个重要参数）排除了一个重要参数流动相的线速度流动相的线速度u u， 因而无法解释柱效与流速关系，更无法提出降低板高的途径因而无法解释柱效与流速关系，更无法提出降低板高的途径 ( (二二) )、速率理

30、论、速率理论 （J. J. Van DeemterJ. J. Van Deemter 1956 1956） 速率理论认为，速率理论认为，单个组分粒子单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相在色谱柱内固定相和流动相间要发生间要发生千万次转移千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是在柱内的运动是高度不规则的，是随机的随机的，在柱中随流动相，在柱中随流动相前进的速度是不均一的。前进的速度是不均一的。 A项为涡流扩散项；项为涡流扩散项；B/ u项为分子扩散项；项为分子扩散项；C u为传质项为传质项；u为载气线速度，单位为为载气线速度，单位

31、为cm/s。范第姆特方程式范第姆特方程式(Van Deemter equation)CuuBAH 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气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似分在气相中形成类似“涡流涡流”的流动，引起色谱峰的扩张。的流动，引起色谱峰的扩张。 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 A A与载气性质、线速度和

32、组分无关，应使用适当细粒度和颗与载气性质、线速度和组分无关，应使用适当细粒度和颗粒均匀的担体，尽量填充均匀，可减少涡流扩散，提高柱效。粒均匀的担体，尽量填充均匀，可减少涡流扩散，提高柱效。 固定相颗粒越小固定相颗粒越小d dp，填充的越均匀，填充的越均匀，A A，H H，柱效，柱效n n。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。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。 对于空心毛细管柱，对于空心毛细管柱，A A项为零。项为零。*2)分子扩散项分子扩散项B/u（纵向扩散相）（纵向扩散相）longitudinal diffusion term B = 2Dg：弯曲因子，

33、载体填充在柱内引起气体扩散路径弯曲的因素。弯曲因子，载体填充在柱内引起气体扩散路径弯曲的因素。 其物理意义可理解为由于固定相颗粒的存在，使分子不能自由扩其物理意义可理解为由于固定相颗粒的存在，使分子不能自由扩散，使扩散程度降低。散，使扩散程度降低。 填充柱色谱，填充柱色谱， 10时，对时，对R的增加不明显，的增加不明显，也会显著增加分析时间，也会显著增加分析时间，k的最佳范围：的最佳范围：1 k 10容量因子容量因子)1)(1)(4(kknRMsmmk 3、 分离度、柱效、柱选择性的关系分离度、柱效、柱选择性的关系是是柱选择性的量度，柱选择性的量度，越高分离效果越好。实际工越高分离效果越好。实

34、际工作中，可由作中，可由值和所要求的值和所要求的R用以下公式计算出所用以下公式计算出所需需n数。数。)1()4(effnR在一定在一定值和值和R值下所需值下所需n数计算数据见下表数计算数据见下表 从表中可知，从表中可知，r2,1（）越大，柱选择性越好，分离效果越好。）越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。数较小，也可以实现分离。 YttYYttYYttRRRRRRR) 1 ()2(12) 1 ()2(21) 1 ()2(2)(2RttYRR)1()2(222) 1 (

35、)2()2(2)1(16)(16)(16RttRtYtnRRRReff 将柱选择性、分离度和柱效三者联系起来，得将柱选择性、分离度和柱效三者联系起来，得到以下计算式，即可计算出所需柱长。到以下计算式，即可计算出所需柱长。neff= L/Heff因为：又因为：又因为：所以：effeffffHnHRL2e2116 例题例题1：设有一物质对，其：设有一物质对，其r2,1 =1.15，要求在，要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？少需要多长的色谱柱？ 解：要实现完全分离，解：要实现完全分离，R1.5，故所需有效理论塔板数为：，

36、故所需有效理论塔板数为： 使用普通色谱柱，有效塔板高度使用普通色谱柱，有效塔板高度0.1cm，故所需柱长应为：，故所需柱长应为：m.L2102112 22)1(16RneffLeff=neff Heff例题例题2：有一根有一根 l m长的柱子，分离组分长的柱子，分离组分1和和2得到得到如下色谱图。图中横坐标如下色谱图。图中横坐标l为为记录笔走纸距离。若记录笔走纸距离。若欲得到欲得到 R=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？色谱柱要加到多长？Y2Y122116 Rneff需要需要解法解法1用用neff计算计算1 . 154554912RRttR=1

37、.2,)(42787811 . 11 . 12 . 11622块需要effn1) 14 effnR2)需要需要原来原来需要需要原来原来LLnneffeff effeffHnL 原来原来需要需要原来原来需要需要effeffnnLL )(04123955491616222块原来Ytneff)(25.21239042787841mL需要8 . 054549 原原R解法解法2用用R计算计算)(25. 28 . 02 . 112mL需要需要 需要需要原来原来需要需要原来原来需要需要原来原来LLRRnneffeff2 1) 同解法同解法12)22116 RneffYttRRR)1()2(三、色谱条件的选择

38、三、色谱条件的选择1 1、载气流速与柱效、载气流速与柱效载气流速高时：载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速传质阻力项是影响柱效的主要因素，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的主要因素，流速分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速 , ,柱效柱效 。载气的选择载气的选择检测器检测器载气载气柱柱效效u 较小时，较小时，B项成为色谱峰扩张的主要因素，应选择分子量较项成为色谱峰扩张的主要因素，应选择分子量较大的载气（大的载气（N2，Ar），使组分在载气中有较小的扩散系数；），使组分在载气中有较小的扩散系数；u 较大时，较大时，C项成为控制因素，应选

39、择分子量较小的载气项成为控制因素，应选择分子量较小的载气(H2，He) ，此时组分在载气中有较大的扩散系数，可减小气相传质，此时组分在载气中有较大的扩散系数，可减小气相传质阻力，提高柱效。阻力，提高柱效。u的选的选择择载气及流速的选择载气及流速的选择最佳流速最佳流速（与分析时间、柱效有关）（与分析时间、柱效有关）实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高于最佳流速。实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高于最佳流速。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，流速对柱效的总影响使得存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

40、对速率方程式微分有一极小值。在着一个最佳流速值，即对速率方程式微分有一极小值。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，曲线最低点的流速为最佳流速。作图，曲线最低点的流速为最佳流速。2. 的选择的选择改变柱温产改变柱温产生的影响生的影响柱柱效效增加柱温可加快气相、液相的传增加柱温可加快气相、液相的传质速率，有利于降低塔板高度，质速率，有利于降低塔板高度，改善柱效；但同时又会加剧纵向改善柱效；但同时又会加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。扩散，从而导致柱效下降。 分离度分离度柱温升高，柱温升高， K 减小，分离度减小，分离度下降。下降。分析时间分析时间降低柱温，分析降低柱温，分析时间增加

41、时间增加1. 柱温应控制在固定液的柱温应控制在固定液的最高使用温度最高使用温度和最低使和最低使用温度范围之内。用温度范围之内。2. 使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。不拖尾为度。3. 柱温一般选择在组分平均沸点左右。柱温一般选择在组分平均沸点左右。4. 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。选择原则选择原则 能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽量选择较低的能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽量选择较低的温度。当然被测

42、物的保留时间要短、峰形不能有严重拖尾。温度。当然被测物的保留时间要短、峰形不能有严重拖尾。最好用程序升温方法，以实验优化选择的条件为工作条件。最好用程序升温方法，以实验优化选择的条件为工作条件。程序升温程序升温50250，8/min恒温恒温150 正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。程序升温不仅可以改善分离，而且可以缩短分析时间。固定液对分离起决定作用。根据分析样品而定，由实验手册查出参考固定液对分离起决定作用。根据分析样品而定，由实验手册查出参考值，再由实验选择。值，再由实验选择。 担体表面结构和孔径决定固定液在表面

43、的分布及液相传质和纵向扩散担体表面结构和孔径决定固定液在表面的分布及液相传质和纵向扩散情况，一般填充柱使用直径情况，一般填充柱使用直径80-100目担体。目担体。 担体表面积越大固定液用量可越高，允许的进样量就越多。一般而言，担体表面积越大固定液用量可越高，允许的进样量就越多。一般而言，液担比为液担比为5：100到到25：100， 从公式看，为改善液相传质，应使液膜薄一些。目前填充柱色谱中盛行从公式看，为改善液相传质，应使液膜薄一些。目前填充柱色谱中盛行低固定液含量色谱柱。低固定液含量色谱柱。 df薄，柱效提高，并可缩短分析时间。薄，柱效提高，并可缩短分析时间。 但固定液用量太低，但固定液用量

44、太低，df太小，则会出现什么情况？太小，则会出现什么情况？ 允许进样量就越少。允许进样量就越少。4 4、进样时间和、进样时间和进样量的选择进样量的选择 进样量进样量柱柱效效进样量过大，使色谱柱超载，进样量过大，使色谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽柱效急剧下降，峰形变宽检测器检测器 进样量过大，峰高或峰面积与进样量进样量过大，峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏，会使几个峰叠在的线性关系被破坏，会使几个峰叠在一起，分离不好；一起，分离不好；进样量过小，会使进样量过小，会使含量少的组分测不出来。含量少的组分测不出来。进样量由固定相和分析要求进样量由固定相和分析要求(与柱效和检测器有关与柱效和检测器

45、有关)决定，应控制在柱容量决定，应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内（允许范围及检测器线性检测范围之内（液体样液体样0.1-50.1-5L L，气体样，气体样0.1-100.1-10L L ）根据担液比及柱子形式决定进样量，进样方式为柱塞根据担液比及柱子形式决定进样量，进样方式为柱塞进样，进样，1 1秒钟内进样完毕。秒钟内进样完毕。5、气化温度、气化温度在保证试样不分解的前提下，适当提高气化温度对在保证试样不分解的前提下，适当提高气化温度对分离及定量有利，尤其在进样量大时。分离及定量有利，尤其在进样量大时。一般选择气化温度比柱温高一般选择气化温度比柱温高30-70度。度。 复习复习

46、H=A+B/u+Cu =A+B/u+Cgu+Clu A=2dpuDuBg2/LfLDkkduC22132gpgDdkkuC222101. 021)1()2(21)1()2()(22YYttYYttRRRRR 分离度与柱效的关系分离度与柱效的关系2121221)(LLnnRR分离度与容量因子的关系分离度与容量因子的关系k的最佳范围：的最佳范围：1 k 10分离度、柱效、柱选择性的关系effeffffHnHRL2e2116)1)(1)(4(kknR作业作业 1 在一根在一根2 m长的色谱柱上，分析一个混合物，得到以下数长的色谱柱上，分析一个混合物，得到以下数据据:苯、甲苯、及乙苯的保留时间分别为苯

47、、甲苯、及乙苯的保留时间分别为120“， 22”及及31“；半峰宽为半峰宽为0.211cm， 0.291cm，0.409cm，已知记录纸速为，已知记录纸速为1200mm.h-1，求色谱柱对每种组分的理论塔板数及塔板高度。，求色谱柱对每种组分的理论塔板数及塔板高度。 2 分析某种试样时，两个组分的相对保留值分析某种试样时，两个组分的相对保留值r2，1 =1.11， 柱的有效塔板高度柱的有效塔板高度H=1mm，需要多长的色，需要多长的色谱柱才能完全分离？谱柱才能完全分离？3.2-4 2-4 固定相及其选择固定相及其选择气相色谱分析中，混合物中各组分能否完全分开，主要取决气相色谱分析中，混合物中各组

48、分能否完全分开，主要取决于色谱柱的柱效和选择性，选择性主要取决于固定相选择于色谱柱的柱效和选择性，选择性主要取决于固定相选择得当与否。因此色谱分析的关键问题是选择适当的固定相。得当与否。因此色谱分析的关键问题是选择适当的固定相。固定相的类型：固定相的类型： 吸附剂型固定相吸附剂型固定相 固定相固定相 担体担体+ +固定液型固定相固定液型固定相 常用吸附剂型固定相有：气固色谱固定相和气液色谱固定相常用吸附剂型固定相有：气固色谱固定相和气液色谱固定相分离测定有机物中的痕量水分离测定有机物中的痕量水高分子多孔微球高分子多孔微球应用最广泛应用最广泛硅胶强极性硅胶强极性氧化铝弱极性氧化铝弱极性活性炭非极

49、性活性炭非极性分子筛分子筛强极性强极性高分子多孔微球高分子多孔微球(GDX)固体吸附剂固体吸附剂1 气气-固色谱固定相固色谱固定相永久性气体永久性气体惰性气体惰性气体低沸点有机化合物低沸点有机化合物分离对象分离对象2 气气-液色谱固定相液色谱固定相 担体质量要求：担体质量要求：（1 1）表面呈化学惰性，没有吸附及催化性能，更不能与被分离）表面呈化学惰性，没有吸附及催化性能，更不能与被分离组分起化学反应。组分起化学反应。（2 2）具有多孔性，表面积大（）具有多孔性，表面积大（1m1m2 2/g/g），使固定液及组分有较），使固定液及组分有较大的接触面。大的接触面。（3 3）颗粒细小均匀）颗粒细小

50、均匀(40(406060、60608080、8080100100目目) )。（4 4） 热稳定性好，有一定机械强度，使固定相在制备和填充热稳定性好，有一定机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。过程中不易粉碎。固定液固定液担担 体体液体固定相液体固定相提供大的惰性表面，用以承担固定液，提供大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面。使固定液以薄膜状态分布在其表面。SiOHO SiOHSiCH3CH3ClCl+Si O SiSiCH3CH3OO+ HCl 担体的表面处理担体的表面处理a.酸洗酸洗浓盐酸浸泡，除去金属铁、碱性浓盐酸浸泡，除去金属铁、碱性 作用基团等。作用基团

51、等。b. 碱洗碱洗氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去氧氢氧化钾甲醇溶液浸泡，除去氧 化铝等酸性作用化铝等酸性作用基团。基团。c. 硅烷化硅烷化除去担体表面的氢键作用力。除去担体表面的氢键作用力。二甲基二甲基二氯硅二氯硅烷烷1 红色担体：（红色担体：（101型担体）型担体） 特点特点 表面空隙小表面空隙小(孔径孔径1m)、表面积大（、表面积大（4.0m2/g）、）、 机械强度高、担液能力强、表面有吸附中心。机械强度高、担液能力强、表面有吸附中心。2 白色担体：（白色担体：（6201型）型） 特点特点 表面空隙较大表面空隙较大(孔径孔径8-9 m)、表面积较小、表面积较小(1.0m2/g)、 机械强度较差

52、、担液能力中等、表面无吸附中心。机械强度较差、担液能力中等、表面无吸附中心。3 非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃微球担体、非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃微球担体、 高分子微球担体等。高分子微球担体等。 特点特点 表面空隙适中、比表面积适中、机械强度较强、耐表面空隙适中、比表面积适中、机械强度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。高温、耐强腐蚀、价格偏高。硅藻土型担体用前要预处理：酸洗、碱洗、硅烷化。硅藻土型担体用前要预处理：酸洗、碱洗、硅烷化。担体担体非硅藻土型非硅藻土型硅藻土型硅藻土型白色担体白色担体红色担体红色担体固定液固定液 固定液的要求及类型：固定液的要求及类型：1、对固定液的质

53、量要求：、对固定液的质量要求： (1)选择性好：对被分离的样品中各组分具有不同的溶解能力。选择性好：对被分离的样品中各组分具有不同的溶解能力。对填充柱要求对填充柱要求r2.11.15，毛细管柱，毛细管柱r2.11.08。(2)适当的溶解度：对组分溶解度太小就分离不好，溶解度太大适当的溶解度：对组分溶解度太小就分离不好，溶解度太大分离分析太长。分离分析太长。(3)附着力强：固定液在担体表面形成一层牢固不易脱落的液膜。附着力强：固定液在担体表面形成一层牢固不易脱落的液膜。(4)热稳定性和化学稳定性好：在使用温度下固定液呈液态，而热稳定性和化学稳定性好：在使用温度下固定液呈液态，而且不易分解，并不与

54、组分发生化学反应。且不易分解，并不与组分发生化学反应。(5)挥发性小：在使用温度下有较低蒸气压，固定液不易流失。挥发性小：在使用温度下有较低蒸气压，固定液不易流失。 组分与固定液分子间的相互作用组分与固定液分子间的相互作用 组分与固定液间的作用力：组分与固定液作用力大，溶组分与固定液间的作用力：组分与固定液作用力大，溶解度就大，解度就大，K 就大，组分间就易分离。就大，组分间就易分离。 组分与固定液作用力分为组分与固定液作用力分为范德华力范德华力（静电力、诱导力、（静电力、诱导力、色散力）和色散力）和氢键力氢键力。a. 静电力极性分子之间的作用力（永久偶极间静电作用）。静电力极性分子之间的作用

55、力（永久偶极间静电作用）。b. 诱导力极性与非极性分子之间的作用力（极化产诱导力极性与非极性分子之间的作用力（极化产 生诱导偶极）。生诱导偶极）。c. 色散力非极性分子之间的作用力（瞬间偶极距变化）。色散力非极性分子之间的作用力（瞬间偶极距变化）。d. 氢键力氢原子与电负性很大的原子氢键力氢原子与电负性很大的原子(如如F、O、N等等) 之间之间 的作用力。的作用力。 2 2、固定液的极性：、固定液的极性： 固定液与待测化合物之间的作用力主要属定向力、诱导力、固定液与待测化合物之间的作用力主要属定向力、诱导力、色散力、氢键力等相互作用为主，所以固定相的极性对分离色散力、氢键力等相互作用为主，所以

56、固定相的极性对分离过程非常重要，固定相极性用相对极性过程非常重要，固定相极性用相对极性P P表示。表示。 规定：规定：,- -氧二丙腈固定液的氧二丙腈固定液的P=100P=100、角鲨烷固定液角鲨烷固定液的的P=0 P=0 ；并用环己烷；并用环己烷- -苯物质对在三根柱子上测定其调整保留苯物质对在三根柱子上测定其调整保留值，用下式进行计算。值，用下式进行计算。rttqqqqqPRRxx12211lglg100100)(，（环己烷）（笨）1、2、x分别代表氧二丙腈、角鲨烷和待测固定液1、2分别代表物质对环己烷、苯 按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级： 020 为0+1 ，称非极性固定液；

57、 2040 为+1+2 ，称弱极性固定液； 4060 为+2+3 ，称中极性固定液； 80100 为+4+5 , 称强极性固定液； 固定液特征常数（罗氏和麦氏常数）固定液特征常数（罗氏和麦氏常数） 相对极性不能全面反映组分与固定液之间的全部相对极性不能全面反映组分与固定液之间的全部作用力，作用力，66年罗胥耐特提出用保留指数差值年罗胥耐特提出用保留指数差值I表表示固定液的相对极性，示固定液的相对极性，I值越大值越大 ，表示固定液和，表示固定液和组分分子间作用力越大，固定液的选择性越高。他组分分子间作用力越大，固定液的选择性越高。他选择五种标准物质，选择五种标准物质，苯苯（易极化的电子给予体），

58、（易极化的电子给予体），乙醇乙醇（氢（氢键型质子给予体），键型质子给予体），甲乙酮甲乙酮（氢键力强的质子接受体），（氢键力强的质子接受体），硝基甲烷硝基甲烷（特殊氢键质子接受体），（特殊氢键质子接受体），吡啶吡啶（氮杂环上可形成大（氮杂环上可形成大键的易极化的键的易极化的质子接受体质子接受体），），在在100下分别测定被测固定液和非极下分别测定被测固定液和非极性基准固定液（角鲨烷）的保留指数性基准固定液（角鲨烷）的保留指数，并求出它们并求出它们的差值的差值I， 为罗氏常数为罗氏常数（见下表）。（见下表）。 I=Ip-IsI 任一标准物质保留指数差值任一标准物质保留指数差值 Ip、Is任一标准物

59、质在被测固定液和参比固定液上的保留指数任一标准物质在被测固定液和参比固定液上的保留指数 麦氏常数：麦氏常数： 在在120下分别测定下分别测定226种被测固定液和参比固定液（角种被测固定液和参比固定液（角鲨烷）的保留指数，并计算出它们的保留指数差鲨烷）的保留指数，并计算出它们的保留指数差（用XYZUS表示），然后统计了，然后统计了5种物质并求出它们的平均极性种物质并求出它们的平均极性和总极性（选择了和总极性（选择了12种典型固定液列于下表）。种典型固定液列于下表）。甲乙酮甲乙酮sIIZP笨笨sIIXP丁醇丁醇sIIYP吡啶吡啶sIISP硝基甲烷硝基甲烷sIIUP 固定液的选择原则固定液的选择原则

60、“相似相溶相似相溶”a. 非极性物质非极性物质非极性固定液非极性固定液。 沸点沸点越低的组分越早出峰。越低的组分越早出峰。b. 极极性物质性物质极性固定液极性固定液。 极性极性越小的组分越早出峰。越小的组分越早出峰。c. 极性与非极性混合物极性与非极性混合物极性固定液。极性固定液。 极性越小的组分越早出峰。极性越小的组分越早出峰。d. 易形成氢键物质易形成氢键物质极性或氢键型固定液。极性或氢键型固定液。 不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分后出峰。不易形成氢键的组分先出峰，易形成氢键的组分后出峰。e. 复杂难分离样品复杂难分离样品多种固定液混合多种固定液混合 样品混合物能否在色谱上实现分离，主