气相色谱分析精品课件

1、气相色谱分析第1页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五第二章气相色谱分析2-1气相色谱法概述一、色谱法的由来二、色谱法的分离原理三、色谱法定义、实质和目的四、色谱法的分类五、气相色谱法的仪器装置六、色谱流出曲线图及相关色谱术语七、色谱流出曲线的意义八、色谱法的特点第2页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五一、色谱法的由来 11906年由俄国植物学家Tsweet创立 植物色素分离见图1所示 2现在：一种重要的分离、分析技术 分离混合物各组分并加以分析 固定相除了固体，还可以是液体 流动相液体或气体 色谱柱各种材质和尺寸 被分离组分不再仅局限于有色物质第3页，共

2、144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五色带固定相CaCO3颗粒流动相石油醚 图1第4页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 二、色谱法定义、实质和目的定义：利用物质在两相中的分配系数（表示溶解或吸附的能力）不同而进行分析的方法。实质：分离目的：定性分析或定量分析三.色谱法的分离原理 将混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相，另一相是携带混合物流过固定相的流体，称为流动相。当流动相中所含混合物经过固定相时，会与固定相发生相互作用。由于各组分在性质和结构上的不同，与固定相发生作用的大小，强弱不同，因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时

3、间有长有短，从而按先后不同次序从固定相中流出，最终达到分离的目的。第5页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五四、色谱法的分类（一）按两相物理状态分1.气相色谱法(GC)：用气体作流动相的色谱法 气 -固色谱法 GSC： 固定相为固体吸附剂 气-液色谱法 GLC：固定相为涂在固体或毛细 管壁 2.液相色谱法(LC)：用液体作流动相的色谱法 液-固色谱法LSC：固定相为固体吸附剂 液-液色谱法LLC：固定相为涂在固体载体上 的液体第6页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（二）按固定相的形式1.柱色谱法（column chromatography）：固定相装在

4、柱中, 试样沿着一个方向移动而进行分离。 填充柱色谱法：固定相填充满玻璃管和金属管中 开管柱色谱法：固定相固定在细管内壁（毛细管 柱色谱法） 2.平板色谱法（planer chromatography）：固定相呈平面状的色谱法。 纸色谱法：以吸附水分的滤纸作固定相。 薄层色谱法：以涂敷在玻璃板上的吸附剂作固定相 第7页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五第8页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（三）按分离原理分(可分为五类)1.吸附色谱法（adsorption chromatography) 根据吸附剂表面对不同组分物理吸附能力的强弱差异进行分离的方法。

5、如：气一固色谱法、液-固色谱法2.分配色谱法（partition chromatography) 根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相间分配系数的差异进行分离的方法。 如：气-液色谱法、液-液色谱法3.离子交换色谱法(ion exchange chromatography) 根据不同组分离子对固定相亲和力的差异进行分离的方法。（利用离子交换原理） 第9页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五4. 排阻色谱法(size exclusiochromatography) 又称凝胶色谱法(gel chromatography),根据多孔性物质对不同大小分子的排阻作用进行分离的方法。

6、 其中以水溶液作流动相的称为凝胶过滤色谱法 以有机溶剂作流动相的称为凝胶渗透色谱法5. 亲合色谱法(affinity chromatography) 利用不同组分与固定相共价键合的高专属反应进行分离的方法。 第10页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五五、气相色谱法的仪器装置 气相色谱仪包括载气系统、进样系统、分离系统、检测系统和记录系统等五部分第11页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五第12页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五第13页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五1.载气：气相色谱中常用的载气有氢气、氮气、氦气

7、和氩气，一般由相应的高压钢瓶供给。 载气的作用：一是作为动力，它驱动样品在色谱柱中流动，并把分离后的各组分推进检测器 二是为样品的分配提供一个相空间。 可见载气既要与固定相充分按触，又要直接进入检测器。所以载气的性质、纯度、流速和压力对柱效率、分析时间和检测器灵敏度都有很大的影响。一般根据所选用的检测器和其它一些因素选择合适的载气。第14页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 气路结构 气路结构可分为单柱单气路和双柱双气路两类。 其中单柱单气路适用于恒温分析，一些较简单的气相色谱均属此类。双柱双气路可补偿气流不稳定及固定液流失对检测器产生的干扰，特别适合于程序升温操作。第15

8、页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 2.进样系统 进样系统就是把样品快速而定量地加到色谱柱上端,以便进行分离.进样系统包括进样器和气化室两部分. 液体样品用微量注射器进样.常用的微量注射器有1、5、10mL等多种规格.气体样品除用微量注射器外还可用六通阀进样,六通阀进样重现性好,体积相对误差较小. 气化室又称为样品注射室,由电加热的金属块制成,它的作用是将液体样品瞬间气化,以避免气化过程长而影响色谱峰形.第16页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 3.分离系统 分离系统包括色谱柱、色谱炉(柱箱)和温度控制装置。 色谱柱可分为填充柱和毛细管柱两类,都是由

9、固定相和柱管构成.柱管可用不锈钢、铜、玻璃或聚四氟乙烯等材料制成,可根据样品有无腐 蚀性、反应性及柱温的要求,选用适当材料制作的色谱柱。 色谱炉的作用是为样品各组分在柱内的分离提供适宜的温度。第17页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 温度控制系统作用:设定、控制和测量色谱炉、 气化室和检测器的温度。 色谱炉温度从300500连续可调,可在任意给定温度保持恒温,也可按一定的速率程序升温.气化室温度应使试样立即瞬间气化而又不分解,一般,气化室温度比柱温高1050.除氢焰离子检测器外，所有检测器对温度变化都较敏感,尤其是热导检测器,温度的微小变化，都直接影响检测器的灵敏度和稳定

10、性,所以检测器的控温精度要优于 0.1。第18页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五六、色谱流出曲线图及相关色谱术语1. 色谱流出线：以组分的浓度变化作纵坐标,流出 时间作横坐标的曲线,称色谱流出线。 理想的色谱流出线应该是正态分布曲线。第19页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 2.术语： （1）基线：在实验条件下,色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线。 基线漂移：指基线随时间定向的缓慢变化。 基线噪声：指由各种因素所引起的基线起伏。 第20页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（2）峰高h和峰面积A： 峰高：色谱峰顶点与

11、基线之间的垂直距离。峰面积：色谱峰与峰底基线所围成区域的面积。第21页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五(3）保留值 保留值：试样各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。 死时间tM：指不被固定相保留的组分(如空气、甲烷) 从进样开始到出现峰值极大值所需要的时间。对于气相色谱,死时间是指从进样到空气峰(对热导检测器)或甲烷峰(对氢火焰检测器)最高点所经过的时间。 tM=L/第22页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 保留时间: 从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时(色谱峰顶点)所需要的时间,称为该组分的保留时间。 调整保留时间tR/:扣除死时间后的组分保留时间

12、它表示某组分因溶解或吸附于固定相后,比非滞留组分在柱中多停留的时间: tR/ = tR tM第23页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五死体积: 不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积 t其中为色谱柱载气体积流 速mL/min.保留体积VR :从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时所通过的载气体积。 当色谱柱载气体积流速为F0(ml/min)时,它与保留时间的关系为: VR = tRF0 调整保留体积VR /: 是指扣除死体积后的保留体积,即: VR /= VR V0= tR/ F0 在一定的实验条件下VR 、 VR /与载气流速无关（ tRF0及tR/ F0为一常数）

13、第24页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五相对保留值 r21：指组分2和组分1的调整保留值之比。 相对保留值的特点是只与温度和固定相的性质有关,与色谱柱及其它色谱操作条件无关。 相对保留值反映了色谱柱对待测两组分1和2 的选择性,是气相色谱法中最常使用的定性参数。第25页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（4）色谱的区域宽度：通常用三种方法来表示 标准偏差: 对于正常峰,为0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半. 的大小表示组分被带出色谱柱的分散程度, 越大,组分流出越分散;反之亦反. 的大小与柱效有关, 小,柱效高.第26页，共144页，2022年，5月2

14、0日，0点5分，星期五 半峰宽 Yh/2：峰高一半处的色谱峰宽度. 半峰宽与标准偏差的关系为: Yh/2 =2.354 峰底宽Y：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离。Y= 4第27页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五七、色谱流出曲线的意义： 色谱峰数= 样品中单组份的最少个数； 色谱保留值定性依据； 色谱峰高或面积定量依据； 色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效能 评价指标； 色谱峰间距固定相或流动相选择是否合 适的依据。第28页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五八、色谱法的特点优点：“三高”、“一快”、“一广” 高选择性可将性质相似的组分分开 高效能

15、进行成千上万次的质量交换，使性质上仅有微小差别的组分得到分离 高灵敏度10-1110-13g，适于痕量分析 分析速度快几几十分钟完成分离 一次可以测多种样品 应用范围广缺点 对未知物分析的定性专属性差 需要与其他分析方法联用(GC-MS,LC-MS)第29页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五色谱应用广泛作为一种分离检测手段可用于测定分子量很低的常量或痕量气体，又可分离测定分子量上百万的材料；可分离性质非常接近的同位素、同分异构体、空间异构体、自旋异构体或光学异构的对映体，也广泛用于大分子和一些生物活性物质以及无机阴、阳离子的测定色谱法已成为有机物和一些无机物分离测定的重要手

16、段，是科研和生产中分离检测不可缺少的工具第30页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2.2气相色谱分析理论基础1.气-固色谱分析和气-液色谱分析的基本原理1.1气-固色谱分析原理1.2气-液色谱分析原理2.分配过程： 图2 色谱主柱内的分配平衡 第31页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 2.1分配系数K： 指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度的比值，即 K 只与固定相和温度 、柱压有关，与两相体积、柱管特性和所用仪 器无关。第32页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五分配系数 K的讨论 样品一定时，K 主要取

17、决于固定相性质。 每个组份在各种固定相上的分配系数K不同； 一定温度和压力下，组分的分配系数 K 越大，出峰越慢；某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。 K较小的组分在色谱分析中每次分配后在气相中的浓度较大，因此较早流出色谱柱;K较大的组分每次分配后在气相中浓度较小，因此较晚流出色谱柱 选择适宜的固定相可改善分离效果； 试样中的各组份具有不同的K值是分离的基础；第33页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 当分配次数足够多时，就能将具有不同K的组分分开。所以，我们可以认为，气相色谱法是利用不同的物质具有不同的K而进行分离的。而K的不同则是由于各组分在固定相中的溶解

18、度（对气-液色谱）或吸附能力（对气-固色谱）不同而造成的。 第34页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2.2 分配比 在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比。它反映了组分在柱中的迁移速率。又称保留因子。也叫容量因子或容量比。其中Vm流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积， Vs为固定相体积第35页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 称为相比，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，=635；对毛细管柱， =60600。2.3 K 与 k 的关系：第36页，共144页，2022年，5月20日，0点5分

19、，星期五2.4 K和k与保留值tR的关系 分配平衡是在色谱柱中固定相和流动相之间进行的，因此分配比也可以用组分在固定相和流动相中的停留时间之比来表示，则分配比可写成： 任一组分的 k 值可由实验测得，即为调整保留时间 t/R与不被固定相吸附或溶解的组分的保留时间tM 的比值。 可将k 看作色谱柱对组分保留能力的参数，k 值越大，保留时间越长。 第37页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 分配系数 K 与保留时间的关系为： = ktM=KtM （Vs/Vm） 由此式可见，在一定的实验条件下，组分的调整保留时间正比于分配系数K（或k),K(或k)越大,组分在色谱柱内的保留时间越

20、长.由于分配系数（或分配比）是由组分的性质决定的,因此保留值可用于定性.在填充色谱柱中,选择不同的固定液及其用量,可以控制组分在色谱柱上的保留值. 第38页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 注意：K或k反映的是某一组分在两相间的分配；而是反映两组分间的分离情况！ 当两组分K或k相同时, =1,两组分不能分开；当两组分 K 或 k 相差越大时, 越大,分离得越好.也就是说,两组分在两相间的分配系数不同,是色谱分离的先决条件. 和k是计算色谱柱分离效能的重要参数！第39页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五第40页，共144页，2022年，5月20日，0点5

21、分，星期五1、色谱柱柱长增加，其它条件不变时，会发生变化的参数有（ ） A.选择性 B.分配系数 C.保留时间C2、衡量固定相选择性的参数是（ ）A.相对保留值 B.分配系数 C.分配比A第41页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五蒸馏塔的应用Bubble Point VDew Point(露点) Bubble Point( 气泡点 ) L温度Bubble Point Dew Point 温度VLV1进料第42页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五3.色谱分离的基本理论3.1 塔板理论 塔板理论是描述色谱柱中组分在两相间的分配状况及评价色谱柱的分离效能的一种

22、半经验式的理论。 塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的分馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。 第43页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五塔板理论假定1）在色谱柱中的每一小段内，组分可以迅速地在气液两相间达到分配平衡，这一小段称为理论塔板；2）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。3）试样开始都加在第1块塔板上,塔板之间无分子扩散；4）某组分在所有塔板上的分配系数相同；第44页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五分离过程如下图所示第45页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五第46页，共144页，2022年，5月

23、20日，0点5分，星期五色谱分离过程 塔板理论把是把一色谱柱假想个分馏塔，塔内存在许多塔板，组分在每个塔板的气相和液相间进行分配，达成一次分配平衡。 组分然后随着流动相按一个塔板、一个塔板的方式向前移动。经过多次分配平衡后，分配系数小的组分，先离开色谱柱，分配系数大的组分后离开色谱柱，从而使分配系数不同的组分彼此得到分离。 第47页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 为简单起见，设色谱柱由5节塔板（n=5，n为柱子的塔板数）组成，并以r表示塔板编号r=0，1，2，3，4；某组分的分配比k=1。 开始时，单位质量（即 m=1）的该组分进入0号塔板上，然后将流动相以一个板体积（

24、V）一个板体积的脉动形式进入色谱柱；此时组分将按下表所示在固定相和流动相进行分配：第48页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 板号r 载气体积0123进样mM0.5mS0.5VmM0.250.25mS0.250.252VmM0.1250.125+0.1250.125mS0.1250.125+0.1250.1253VmM0.0630.063+0.1250.125+0.0630.063mS0.0630.063+0.1250.125+0.0630.063第49页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 按上述分配过程，对于n=5，k=1，m=1的体系，随着进入柱中板

25、体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量（气相和液相的总质量）见下表：第50页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 r 载气体积01234出口 0100000 10.50.50000 20.250.50.25000 30.1250.3750.3750.12500 40.0630.250.3750.250.0630 50.0320.1570.3130.3130.1570.032第51页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五60.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2740.2740.11880.0040

26、.0320.0860.1960.2740.13390.0020.0180.0590.1410.2360.138100.0010.0100.0380.1000.1890.1181100.0050.0240.0690.1450.0951200.0020.0160.0460.1070.0731300.0010.0080.0300.0760.05414000.0040.0190.0530.03815000.0020.0120.0360.02816000.0010.0080.0240.018第52页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 由表中可见，当有5个塔板体积的流动相进入柱中时，组

27、分就开始从柱口流出。并且呈现先小后大再变小的情况。 第53页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 以上是当塔板数为5时的情况，出现的峰形不对称 ，这是由于塔板数太少的原因。当塔板数大于50时，峰形就是对称的。在实际色谱柱中，n值很大（约为106 109 ）。所以色谱峰一般为正态分布。第54页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2.1.3 柱效能指标 对于一个色谱柱来说，其分离能力（叫柱效能）的大小主要与塔板的数目有关，塔板数越多，柱效能越高。 色谱柱的塔板数可以用理论塔板数和有效塔板数来表示。第55页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五式中

28、：tR某组分的保留时间； Y1/2某组分色谱峰的半宽度； Y色谱峰的峰底宽度。 由式可见，柱子的理论塔板数与峰宽和保留时间有关。色谱峰越窄，理论塔板数就越多，柱效能也就越高。（1）理论塔板数n：对于一个柱子来说，其理论塔板数可由下式计算：第56页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 对于一个柱长固定为L的柱子，其理论塔板高度H为 每一个塔板的高度，即组分在柱内每达成一次分配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。第57页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（2）有效塔板数n有效： 在以上计算理论塔板数的式子中使用的是保留时间，它包括了死时间

29、，它与组分在柱内的分配无关，因此不能真正反映色谱柱的柱效。为此，引入了有效塔板数的概念。第58页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五同理有效塔板高度为：第59页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（3）塔板理论的特点： a.当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高。 b.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，应指明测定物质。 c.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 K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。 d.塔板

30、理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。第60页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五塔板理论优缺点成功处：解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的tR 阐明了保留值与K的关系评价柱效（n，H）存在问题: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和扩散的动力学过程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3）排除了一个重要参数流动相的线速度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第61页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五练习例：在柱长为2m的5%的阿皮松柱、柱温为1000C，记录纸速度为2.0cm/min的色

31、谱条件下，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.20cm，求理论塔板数及理论塔板高。解：第62页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五3.2 速率理论范弟姆特方程式： 塔板理论是一个半经验性的理论。它定性的给出了板高的概念，但不能指出影响板高的因素。速率理论就是在塔板理论的基础上，给出了影响塔板高度的因素： 3.色谱分离的基本理论第63页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 u 为流动相线速度； A，B，C为常数，其中 A分别表示涡流扩散系数； B纵向分子扩散系数； C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。 该式从动力学角度很好地解释了影响板高（柱

32、效）的各种因素！任何减少方程右边三项数值的方法，都可降低H，从而提高柱效。u 一定时，只有A,B,C较小时,H才能较小,柱效才能较高，反之则柱效较低，色谱峰将展宽。第64页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五1）涡流扩散项(A) 在填充柱中，由于受到固定相颗粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动相不断改变方向，形成紊乱的“涡流”：从图中可见，因填充物颗粒大小及填充的不均匀性同一组分运行路线长短不同流出时间不同峰形展宽。展宽程度以A表示：A=2dp其中dp填充物平均直径；填充不均匀因子。措施：使用细粒的固定相并填充均匀可减小A，提高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0。流动方

33、向第65页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五第66页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2）纵向分子扩散项(B/u) 纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。当样品被载气带入色谱柱时，它呈“塞子”状分布。随着载气的推进，“塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为B=2Dg 称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；Dg组分在气相中的扩散系数。第67页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五讨论：相对分子质量大的组分，Dg小，即B小Dg 随柱温升高而增加，随柱压 升高而减小；载气分子质量大，Dg 小，即 B 小u 增

34、加，组份停留时间短，纵向 扩散小；（B/u）球状颗粒；相对分子质量大的载气(如氮气)；适当增加流速；短柱；低温。B=2Dg组分在色谱柱的保留时间越长,分子扩散项对色谱峰扩张的影响就越显著。第68页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五3）传质阻力项(Cu) 因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。气液色谱的传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl。第69页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五气相气液界面固定液组分分子ClCg减小填充颗粒直径dp；相对分子质量小的气体作载气液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数Dl大，则

35、Cl小。第70页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五讨论： 减小填充颗粒直径dp； 采用相对分子质量小的流动相，使Dg增加； 减小液膜厚度df，Cl下降。但此时k又减小，不利于不同组分的分离，因此，当保持固定液含量不变时，可通过增加固定液载体的比表面来降低df，但比表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。 增加柱温，可增加Dl，但k值也减小，为保 持合适Cl值，应控制柱温。第71页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五H=2dp + 2Dg/u + 填充的不均匀性填充物的平均直径弯曲因子组分在气相中的扩散系数固定相液膜厚度组分在液相中的扩散系数第72页，共144页，2

36、022年，5月20日，0点5分，星期五 例：下列各项对柱的塔板高度有何影响?试解释(1)增大相比：(2)减小进样速度：(3)增加气化室的温度；(4)提高载气的流速；（5）减小填料的粒度；（6）降低色谱柱的柱温解：（1）增大相比将使固定液液膜厚度df减小，这将使公式中的传质阻力项系数C值减小，因此将使塔板高度减小。（2）减小进样速度，将使所有的分子并非同时进入色谱柱，造成柱前谱峰扩宽。而使H增大。（3）提高气化室的温度，会加快试样的蒸发速度，扩大分子进入色谱柱的时间差，这将使H增大。第73页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（4）增高载气流速，将会因流速值不同，而增大或减小H

37、 (因为板高方程中的后两项相反的效果产生竞争（5）降低填料的粒度，将增大填粒的比表面积，且降低了液膜的厚度，因此，从公式可知，可减少C项和A项，就整体而言，会降低H。（6）降低色谱柱的柱温，将减小组分在气相和液相的扩散速率，从方程式可以看出，这将减小B而增大C，因此H是增大还是减小，则将由B，C的相对大小来决定。(4)提高载气的流速；（5）减小填料的粒度；（6）降低色谱柱的柱温第74页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 上面分别介绍了影响色谱分离的基本原理以及影响柱效的各种因素，但是如何从总体上定量描述色谱分离效能？如何将各种影响因素对分离的影响定量地表述出来呢？第75页，

38、共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2.3 分离度及色谱分离方程一、分离度(Resolution, R)同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度R。第76页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 R 越大，相邻组分分离越好。 当R=1.5 时，分离程度可达99.7%，对一般分析要求R在11.5之间 。R=1.5R=0.75R=1.0响应信号保留时间 t, min第77页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五二、色谱分离基本方程 R 的定义并未反映影响分离度的各种因素。

39、也就是说，R未与影响其大小的因素：理论塔板数n、选择因子 和分配比k 联系起来。 对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数 K 相差小，可合理假设k1k2=k，Y1 Y2=Y。因此可导出R与n、 和 k 的关系：第78页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五转P20LH有效第79页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五有关色谱分离基本方程的讨论：1）分离度R 与柱效的关系 分离度R与理论塔板数n 有关，即R 受热力学性质的影响。 对于具有一定相对保留值 的物质对，R与理论塔板数n有关 由色谱方程可得：因此可通过增加柱长提高分离度。然而，分析时间也相应增加，且峰宽

40、也展宽！为提高柱效，用减小塔板高度 H 的方法比增加柱长更有效。第80页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2）分离度R 分配比 k 的关系 k增加,分离度R增加,但当k10后,则R的增加不明显。通常k在210之间 改变k的方法有:适当增加柱温(GC)、改变流动相性质和组成(LC)以及增加固定液含量,增加固定液含量虽可增大分离度,但会延长分析时间,引起色谱峰展宽。第81页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五3）分离度R与选择因子 的关系 越大,柱选择性越好,对分离有利。的微小变化可引起R较大改变。如:当 从1.01增加至1.10(增加9% )时，R 则增加9

41、倍(但1.5, R增加不大)。 改变的方法有：降低柱温、改变流动相及固定相的性质和组成。 第82页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五色谱分离中的问题 由于分析物组成复杂，以某一组成的流动相可能使部分待测物得到好的分离，但同时又使其它待测物的分离不令人满意！实际工作中采用程序升温（GC）和梯度淋洗（LC）来解决这个问题。第83页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五表-1 概念、表示方法及计算公式汇总第84页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五表-2第85页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 1）载气及其流速u的选择 由方

42、程 H = A + B/u + Cu知道： 当u一定时，仅在A、B、C 较小时，H 较小，柱效较高；反之则柱效较低。 用在不同流速下测得的H对u作图，可得H-u曲线（如图），从该曲线得到：三、分离操作条件的选择第86页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五板高H(cm)HminA+B/u+CuCguCluAB/u第87页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 涡流扩散项A与流速u无关； 低流速区(u小)，B/u大，分子扩散项占主导，此时选择相对分子质量大的气体如N2和Ar为载气，可减小扩散，提高柱效； 高流速区(u大)，Cu大，传质阻力项占主导， 此时选择相对分

43、子质量小的气体如H2和He为载气， 可增加扩散系数，提高柱效； 曲线的最低点对应最佳线速uopt( ) 下的 最小板高Hmin( )；H = A + B/u + Cu第88页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2）柱温的选择 升高柱温，组分的传质项减小；分子的纵向扩散加剧，分子的纵向扩散项增大；分配比减小，分离度R变差。柱温的选择原则： 1）在能保证R的前提下，尽量使用低柱温，但应保证适宜的tR及峰不拖尾，减小检测成本 2）根据样品沸点情况选择合适柱温 沸点范围较宽的试样，应采用程序升温，柱温按预定的加热速度，随时间作线形或非线性的增加。第89页，共144页，2022年，5月

44、20日，0点5分，星期五续前程序升温好处： 改善分离效果 缩短分析周期 改善峰形 提高检测灵敏度第90页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五固定液配比：固定液与担体的质量比。 对于表面积大的载体，配比可以大一些，但一般小于30%； 对于表面积小的载体，配比小一些，一般小于10%； 其次，还要注意分析样品的沸点，对于气体和低沸点样品，配比大些，可采用15%25%的配比；4）进样时间和进样量进样速度必须快(1s以内)，进样量一般比较少。液体试样0.15L，气体试样0.110mL3）固定液的用量第91页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五5）担体的性质和粒度要求担

45、体表面积大，表面和孔径分布均匀；要求担体粒度均匀、细小，但粒度过细会使阻力过大、柱压降增大，对操作不利。36mm内径的色谱柱，选择6080目的单体比较合适。6)气化温度 在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对分离和定量有利，尤其是进样量大时更是如此，一般选择气化温度比柱温高3070。第92页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五在1m长的填充色谱柱上，某镇静药物A及其异构体B的保留时间分别为5.80min和6.60min；峰底宽度分别为0.78min及0.82min，空气通过色谱柱需要1.10min。计算： （1）组分B的分配比； （2）A与B的分离度； （3）该色谱柱的

46、平均有效理论塔板数和塔板高 度； （4）A、B两组分完全分离时，所需的柱长。第93页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五解：（1）=5.00=1.00（2）（3） （4）=2.62m 第94页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五例：两物质A和B在30cm长的色谱柱上的保留时间分别为16.4和17.63min，有一不与固定相作用的物质，其在此柱上的保留时间为1.30 min。物质A和B的峰底宽分别为1.11和1.21min。试问：1）柱分辨率R；2）柱平均理论塔板数nav3）平均塔板高度Hav4）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？第95页，共144页，2

47、022年，5月20日，0点5分，星期五1）柱分辨率R第96页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 2）柱平均理论塔板数nav第97页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五3）平均塔板高度Hav第98页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五 4）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？LH有效则有：L1/L2=(R1/R2)2 30/L2=(1.06/1.5)2L2=60cm与柱长L无关，根据第99页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五例：已知物质A和B在水和正己烷中的分配系数K=c(H2O)/c(hex)分别为6.50和6.3

48、1，在一带水硅胶柱中分离，用正己烷为流动相。巳知相比为2.37。试计算（1）两物质的分配比； （2）选择性系数；（3）欲得到分离度为1.5时，需多少块塔板？（4）若柱长为806cm，流动相的流速为7.10cms-1，则需多长时间可冲洗出各物质？解：（1）根据K=k可知： k = K/故：kA =6.50/2.37=2.74 kB =6.31/2.37=2.66（2）=tR/(A)/ tR/(B) 而k = tR/ tM 所以：=kA/kB=6.50/6.31=1.030第100页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五tM=L/u=(806/7.10) (1/60)=1.89mi

49、n k = (tR- tM)/ tM 所以kA=2.74=(tRA- 1.89)/1.89 故tRA=7.07min同理：tRB=6.92min（3）欲得到分离度为1.5时，需多少块塔板？n=16R2(/-1)2 (1+k)/k2=16(1.5)2(1.030/0.030)23.66/2.662=78354（4）若柱长为806cm，流动相的流速为7.10cms-1， 则需多长时间可冲洗出各物质？第101页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2-4 固定相及其选择1.气-固色谱固定相1）非极性的活性炭、弱极性的Al2O3、强极性的硅胶2）物理化学改性后的吸附剂：石墨化碳黑、碳分

50、子筛3）高分子多孔微球第102页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2.气-液色谱固定相1担体作用：承载固定液的作用2对担体的要求： 化学惰性（不与固定液发生化学反应） 多孔性，即比表面积大（多涂渍固定液） 热稳定性好，有一定的机械强度 担体粒度均匀、细小 第103页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五3担体分类：（1）硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒 红色担体：吸附力强，与非极性物质或弱极性物质配合使用 白色担体：吸附力弱，与极性物质配合使用（2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球，氟塑载体，含氟化合物4载体的处理方法钝化，减弱吸附性 酸洗：除去担体表面

51、的铁等无机杂质 碱洗：除去担体表面的三氧化二铝等酸性作用 点，但在表面会残留微量的游离碱，能分解或吸附一些非碱性物质。 硅烷化：消除担体表面的氢键结合力第104页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五第105页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2.2 固定液1对固定液的要求：（1）挥发性小（2）热稳定性好（3）对试样各组分有适当的溶解能力（4）具有高的选择性（5）化学稳定性好，不与被测物质起化学反应第106页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五a按极性相似原则选择： 固定液与被测组分极性“相似相溶”，K大 非极性组分选非极性固定液， 按沸点

52、顺序出柱，低沸点的先出柱 中等极性组分选中等极性固定液， 基本按沸点顺序出柱 强极性组分选强极性固定液 按极性顺序出柱，极性强的后出柱2固定液的选择：“相似相溶”原理第107页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2.2 固定液3固定液极性的表示方法（1）相对极性Px = 100 100(q1-qx)/(q1-q2)（2）麦氏常数第108页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五简单练习用气相色谱法分析苯中微量水，可选用的固定相为( ) (A)分子筛 (B)氧化铝 (C)高分子多孔微球C2、用气相色谱法分析氧气和氮气，可选用的固定相为( ) (A)分子筛 (B)氧

53、化铝 (C)硅胶A第109页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2-4气相色谱检测器检测器：作用是将经色谱柱分离后的各 组分按其特性及含量转换为相应的电信号一、气相色谱检测器分类 二、常用检测器的特点和检测原理三、检测器的性能指标第110页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五一、气相色谱检测器分类：按检测原理分 浓度型检测器：测量组分浓度的变化 响应值与组分的浓度成正比如：热导池检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD） 质量型检测器：测量组分质量流速的变化 响应值与单位时间进入检测器的组分质量 成正比如：氢火焰离子化检测器（FID）、 火焰光度检测器（FP

54、D）第111页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五二、常用检测器的特点和检测原理（一）热导池检测器（TCD） （二）氢火焰离子化检测器（FID）第112页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（一）热导池检测器（TCD）1特点 2结构 3检测原理 4影响因素及注意事项 第113页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五1特点：浓度型检测器 优点： 1）通用型，对所用物质都有相应，应用广泛 2）结构简单 3）稳定性好 4）线性范围宽 5）不破坏样品，可重新收集制备 缺点：死体积大，与其他检测器比灵敏度稍低 第114页，共144页，2022年，5月2

55、0日，0点5分，星期五2结构 测量臂接在色谱柱后 通样品气体+载气，电阻为R1惠斯登电桥 参比臂接在色谱柱前 只通载气，电阻R2 两个等阻值电阻R1 = R2第115页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五3检测原理1）进样前：两臂均通载气时 2）进样后：测量臂通样品气体+载气 参比臂通载气时第116页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五4影响因素及注意事项（1）桥流，灵敏度 灵敏度足够时,桥流应尽可能小（100200mA） 先通载气,再给桥流 （2），灵敏度，选大的做载气 载 组，出正峰 载 = 组，不出峰 载 He N2选氢气做载气（3）热导池T ，池体与

56、热丝温差，灵敏度 保证T检 T柱，以免造成检测器污染 （4）应保持u一定第117页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（二）氢火焰离子化检测器（FID）1特点2结构3检测原理和离子化机理4操作条件选择第118页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五1特点：质量型检测器优点:专属型检测器（只能测含C有机物） 灵敏度高,适于痕量分析（ TCD） 响应快 线性范围宽缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回收 第119页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五10-1210-11A10-7A第120页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五2结构第

57、121页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五3检测原理和离子化机理检测原理：利用组分在氢焰中产生离子流进行检测 有机化合物离子对离子流负极流向正极放大记录离子化机理：化学电离理论（即有机物在火焰中发生自由基反应而被电离。） 氢焰自由基正离子第122页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五4操作条件选择1）载气的选择： 载气N2 燃气H2 1:11:1.5 助燃气空气 1:10 2）极化电压：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，一般选在100 300V之间。3）使用温度：温度对灵敏度影响不大，但800C以下，灵敏度显著下降，这是

58、由于水蒸气冷凝造成的，温度一般高于柱温501000C第123页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五电子俘获检测器（ECD）特点： 选择性：只对具有电负性的物质（如含有卤素、硫、磷、氮、氧的物质）有响应，电负性越强，灵敏度越高。 高灵敏度：能测出10-14gmL-1的电负性物质。 载气纯度应在四个9以上。第124页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五火焰光度检测器（FPD）火焰光度检测器对含磷、含硫的化合物有高选择性和高灵敏度。火焰光度检测器主要由火焰喷嘴、滤光片、光电倍增管三部分组成。第125页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五三、检测器

59、的性能指标（一）灵敏度（二）检出限（三）最小检出量Q0（四）响应时间（五）线性范围第126页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（一）灵敏度S（响应值，应答值）1浓度型检测器的灵敏度（Sc）定义：单位量的物质通过检测器时所产生信号的大小称为检测器对该物质的灵敏度。S =R/Q， R为记录仪信号变化率， Q为通过检测器样品量的变化率 Sc=qv,0A/m2质量型检测器的灵敏度（Sm）Sm=A/m第127页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（二）检出限（敏感度）定义：指检测器恰能产生与噪声相鉴别的信号时（3N），在单位体积或时间需向检测器进入的物质质量。比较灵

60、敏度与敏感度优劣灵敏度未考虑噪音因素，衡量检测器好坏不全面敏感度考虑了噪音影响D=3N/S第128页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（三）最小检出量Q0定义：检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时所需进入色谱柱的最小物质量（或最小浓度）对质量型检测器： Q0 = 1.065Y1/2D对浓度型检测器： Q0 = 1.065Y1/2F0D 最小检出量与检测器的检出限成正比； Q0不仅与检测器的性能有关，还与柱效率及操作条件有关，色谱峰宽度越窄， Q0就越小。第129页，共144页，2022年，5月20日，0点5分，星期五（五）线性范围指试样量与信号之间保持线性关系的范围，用最大进