第三节第四节气相色谱理论与定性定量分析

1、12:44:484.3 4.3 4.3 气相色谱基本理论气相色谱基本理论气相色谱基本理论气相色谱基本理论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、分离度要求：掌握塔板理论与速率理论基本要点， 掌握分离度的影响因素12:44:48色谱理论的作用与目的：色谱理论的作用与目的：色谱理论的作用与目的：色谱理论的作用与目的：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

2、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）12:44:48问题问题2：色谱峰变宽原因：色谱峰变宽原因： 色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

3、理论和速率理论塔板理论和速率理论12:44:48 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论描述色谱分离过程。1 1 1 1 1 1、 塔板理论塔板理论塔板理论塔板理论塔板理论塔板理论 - - - - - -柱分离效能的描述

4、柱分离效能的描述柱分离效能的描述柱分离效能的描述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）；复习12:44:49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：

5、则三者的关系为： 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 / H12:44:492bR21/2R)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

6、数计算公式：理论塔板数计算公式：理论塔板数计算公式：理论塔板数计算公式：理论塔板数计算公式：返回12:44:49（2 2 2 2 2 2）. . . . . .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有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

7、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12:44:49（3 3 3 3 3 3）. . . . . .塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足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

8、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，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

9、同的载气流速下柱效不同的实验结果。验结果。公式12:44:492 2 2、 速率理论速率理论速率理论速率理论速率理论速率理论- - - - - -影响柱效的因素影响柱效的因素影响柱效的因素影响柱效的因素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

10、各与哪些因素有关？三项各与哪些因素有关？12:44:49A A A 涡流扩散项涡流扩散项涡流扩散项涡流扩散项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12:44:49B B B/ / /u u u 分子扩散项分子扩散项分子扩散项分子扩散项分子扩散项分子扩散

11、项B B B称为纵向扩散项系数称为纵向扩散项系数称为纵向扩散项系数称为纵向扩散项系数称为纵向扩散项系数称为纵向扩散项系数 B = 2 DM ：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;12:44:49影响因素：影响

12、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 C C u u u 传质阻力项传质阻力项传质阻力项传质阻力项传质阻力项传质阻力项 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；

13、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。12:44:49（2 2 2 2 2 2）载气流速与柱效）载气流速与柱效）载气流速与柱效）载气流速与柱效）载气流速与柱效）载气流速与柱效最佳流速最佳流速最佳流速最佳流速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

14、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。12:44:49（3 3 3 3 3 3）速率理论的要点）速率理论的要点）速率理论的要点）速率理论的要点）速率理论的要点）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

15、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)

16、 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。12:44:493 3 3 3 3 3、分离度分离度分离度分离度分离度分离度R R Rn 塔板理论和速率理论描述柱效高低，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

17、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） 12:44:49 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。

18、12:44:49分离度的表达式分离度的表达式分离度的表达式分离度的表达式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。12:44:49令令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相邻

19、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nrrR12:44:49讨论讨论讨论讨论讨论讨论：（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，

20、增加柱效，可提高分离度。增加柱效，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nrrR12:44:49小结小结小结 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。12:44:494.4 4.4 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气相色谱的定性与定量分析

21、气相色谱的定性与定量分析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12:44:491 1 1、定性分析、定性分析、定性分析、定性分析、定性分析、定性分析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12:44:49（1）已知物对照方法）已知物对照方法 （对照保留时

22、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。12:44:49050001000015000200002500030000012345678910111213retention time / minutesintensity 75As / counts3425610001500200025003000012345678910111213retention time / minutesintensity 75As /counts456

23、7050001000015000200002500030000012345678910111213retention time / minutesintensity 75As / counts42512:44:49 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。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

24、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。12:44:49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 xx为组分相当于正构烷烃C原子的数12:44:49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

25、式：lglg100, 1,NNNxrrNIN，N+1 分别为两个正构烷烃的碳原子数 )()(,)()(,NRnNRNnNNRxRNxttrttrC7C8苯P10812:44:49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。12:44:49 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。（2） 利用文献值查找对照利用文献值查找对照12:4

26、4:49（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-MS12:44:49GC-MSGC-MSGC-MS特点：特点：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12:44:50卷烟香气成分分析卷烟香气成分分析保留时间能够提供任一色谱

27、峰的质谱图能够提供任一色谱峰的质谱图12:44:5012:44:502、定量分析、定量分析色谱定量分析的依据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。12:44:50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

28、可由标准物质标准物质试验求出试验求出12:44:50 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/ssiiiWAAfW12:44:50（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

29、归一”12:44:50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全出峰试样中所有组分必须全出峰12:44:50 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不需要校正因子EiiiAAEx 12:44:50C. 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。ssiisiAfAfWWsssiiiWAfA