气相色谱法GasChromatography主题知识讲座

第十二章气相色谱法

(GasChromatography）教学目标:1.掌握色谱法基本原理,概念和塔板理论,速率理论2.了解色谱法定性,定量测定方法3.了解气相色谱特点4.了解气相色谱仪组成5.掌握怎样选择分离操作条件气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第1页12-1气相色谱分类、普通流程以及惯用术语按固定相状态分为气-固色谱（GSC）气-液色谱(GLC)按色谱柱粗细分为填充柱色谱4-6mm毛细管柱色谱0.1-0.5mm按分离原理分为吸附色谱（气固色谱）分配色谱（气液色谱）12-1-1气相色谱分类气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第2页气相色谱特点（1）先分离后检测（2）选择性好（3）分离效能高，理论塔板数到达103-106（4）灵敏度高（检测器）纳克级（5）样品用量少：微升级，适合用于痕量分析（6）适用范围广缺点：受试样蒸汽压限制，不适合难挥发和热稳定性差物质分析气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第3页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-进样阀；8-色谱柱;9-检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-统计仪；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统12-1-2气相色谱结构流程气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第4页12-1-3气相色谱图及惯用术语色谱图是指柱后流出物组分在流经检测器时，载气中各组分量所产生信号对时间曲线。色谱图中凸起部分称为色谱峰。1.基线baseline：在操作条件下，没有组分流出时流出曲线。基线反应是仪器（主要是检测器）信号随时间改变。峰面积peakarea：峰与峰底之间面积，用A表示

峰高peakheight：色谱峰最高点至峰底之间距离用h表示。气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第5页2.保留值能够用保留时间和保留体积来表示。（1）保留时间（tR）：组分从进样到出现信号最大值时时间（2）死时间（tM）：不被固定相滞留组分保留时间（3）调整保留时间（

tR′

）：组分保留时间和死时间之差tR′=tR-tM

tR′表示固定相滞留组分时间

气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第6页(4)保留体积VR，是组分从进样到出现最大信号所需要流动相体积VR=tR·F0

(5)死体积VM,，不被固定相滞留组分保留体积VM

=t0·F0

(6)调整保留体积，VR′VR'=VR-VMVR和VR′与载气流速无关(7)相对保留值，组份2调整保留值与组份1调整保留值之比，称为相对保留值r21表示：因为相对保留值只与柱温及固定相性质相关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，所以，它是色谱法中，尤其是气相色谱法中，广泛使用定性数据．必须注意，相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比

.气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第7页3区域宽度：（1）标准偏差σ：正态分布色谱峰上两拐点间距离二分之一或者是0.607倍峰高处峰宽二分之一（2）峰底宽Wb:

指色谱峰两侧拐点处切线在基线上截取距离（3）半峰宽W1/2

：峰高二分之一处对应峰宽

Wb=4σW1/2

=2.354σW0.607h=2σσ值大小表示色谱柱后流出组分分散程度，σ

值

越小，表明流出组分越集中，柱效越高。气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第8页从色谱流出曲线上，得到信息是：（1）依据色谱峰个数，能够判断样品中所合组份最少个数．（2）依据色谱峰保留值(或位置），能够进行定性分析．（3）依据色谱峰下面积或峰高，能够进行定量分析．（4）色谱峰保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能依据．（5）色谱峰两峰间距离，是评价固定相(和流动相)选择是否适当依据．气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第9页4分配系数：气相色谱分析过程中，组分在固定相和流动相之间重复进行分配，组分一部分处于固定相中，一部分处于流动相中，在一定压力、温度条件下，组分在两相中到达分配平衡时，固定相中组分浓度（Cs）与流动相中组分浓度（Cm）之比，称为分配系数，用K

表示。分配系数大小由组分和固定相热力学性质决定，随柱温、柱压变化与两相体积无关，与仪器无关。气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第10页5.分配比(容量因子)：它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中质量比。由色谱理论分析可知，两组分在两相中质量比，实际上等于其滞留在两相中时间比或对应流动相体积之比k值越大，说明组分在固定相中量越多，相当于柱容量大，所以又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力主要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不但随柱温、柱压改变而改变，而且还与流动相及固定相体积相关。

气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第11页12-2气相色谱基本理论热力学理论塔板理论（platetheory）从相平衡观点来研究分离过程动力学理论速率理论（ratetheory）研究动力学原因对柱效影响气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第12页12-2-1塔板理论

最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板概念来描述组分在两相间分配行为，同时引人理论塔板数作为衡量柱效率指标。气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第13页柱长LH△V012345（1）在柱内一小段长度H内，组分能够在两相间快速到达平衡。H称为理论塔板高度。（2）塔板中下层是固定相，上层是流动相，该空间称为板体积ΔVm，载气进入色谱柱不是连续进行，而是脉动式。（3）组分在各塔板内两相之间快速到达分配平衡，分配系数恒定不变，与组分浓度无关（4）组分全部加在0号塔板上，试样在沿色谱柱方向纵向扩散忽略不计12-2-1-1塔板理论假设气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第14页用分离过程中分解动作来说明色谱过程组分在两相中连续转移过程间歇在单个塔板中分配平衡过程气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第15页塔板号01234N=0进样1.000流动相固定相分配平衡0.500流动相0.500固定相N=1进气△V0.500流动相0.500固定相分配平衡0.2500.250流动相0.2500.250固定相N=2进气△V0.2500.250流动相0.2500.250固定相分配平衡0.1250.2500.125流动相0.1250.2500.125固定相N=3进气△V0.1250.2500.125流动相0.1250.2500.125固定相分配平衡0.0630.1880.1880.063流动相0.0630.1880.1880.063固定相N=4进气△V0.0630.1880.1880.063流动相0.0630.1880.1880.063固定相分配平衡0.0320.1250.1880.1250.032流动相0.0320.1250.1880.1250.032固定相组分A在柱内分配过程模型，假设n=5,k=1气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第16页01234出柱口010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2740.2740.11880.0040.0320.0860.1960.2740.13390.0020.0180.0590.1410.2360.138100.0010.0100.0380.1000.1890.1181100.0050.0240.0690.1450.0951200.0020.0160.0460.1070.0731300.0010.0080.0300.0760.05414000.0040.0190.0530.03815000.0020.0120.0360.02816000.0010.0080.0240.018r载气板体积数n组分在色谱柱内塔板上分配情况（n=5,k=1，m=1)气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第17页12-2-2-2柱效能指标1.理论塔板数n2.有效塔板数neffn物理意义：n越大，说明组分在柱中重复分配平行次数越多，平衡次数越多，组分与固定相相互作用力越显著，柱效越高。色谱峰越窄，塔板数多，理论塔板高越小，柱效能越高。因而n或H作为描述柱效能一个指标3.塔板理论高度H有效塔板高度Heff气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第18页【例】某组分经过2m长色谱柱时，保留时间为6.6min，峰底宽为30s，已知死时间为1.2min,试计算组分在色谱柱上理论塔板数、有效塔板数、理论塔板高度和有效塔板高度。解：组分在该色谱柱上理论塔板数为：有效塔板数为：理论塔板高度为：有效塔板高度为：气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第19页12-2-2-3总结1.计算neff和Heff时，扣除了组分不参加分配死时间所以用计算neff和Heff表示柱效能时，反应柱分离作用完全是固定相对组分作用，愈加真实反应了色谱柱效能高低2.色谱柱柱长L一定时，组分H或（Heff）越小，

n或neff就越大，表明色谱柱对该组分作用越大，柱效能越高3.在同一色谱柱上，因为不一样组分tR

(或tR′

)值一定、Wb值不一样，所以色谱柱对不一样组分n

或neff不一样，H或者neff不一样，柱效能也就不一样。4.对于某一组分来说，当峰位一定，即tR

(或tR′

)值一定，组分Wb越小，则neff值越大，说明组分柱效能越高，峰形越窄；当色谱柱对全部组分柱效能都很高时，全部峰形都很窄，相互重合可能性很小，色谱柱对样品含有很好分离效果。5.长度一定色谱柱，H或（Heff）增大时，n

或neff必定减小，造成Wb

值增大色谱峰区域宽度变宽。’气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第20页12-2-2-4塔板理论优点和不足

优点：(1)很好解释了色谱峰形正态分布规律

（2）提出了柱效评价指标

缺点：塔板理论是一个半经验式理论，假设条件与柱内实际条件不一致，没有考虑动力学原因对色谱过程影响。(1)无法解释载气流速对n影响（2）未能回答H对峰形扩张详细影响原因（3）没有提出影响塔板高度原因气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第21页12-2-2速率理论H=A+B/u+CuH：理论塔板高度，A为涡流扩散项；B/u为分子扩散项；Cu为传质阻力项；

u：载气线速度(cm/s)，A,B,C为常数1956年,VanDeemter等人提出色谱过程动力学理论,吸收了塔板理论中板高概念,考虑影响板高动力学原因,研究了组分相间扩散和传质阻力导出速率方程也称范.弟姆特方程式气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第22页1.A─涡流扩散项

A=2λdpdp：固定相平均颗粒直径λ：固定相填充不均匀因子固定相颗粒越大，dp越大，填充颗粒对分子妨碍作用就越严重；色谱柱填充均匀性越差，λ越大，造成A越大，H越大，柱效n降低。表现在涡流扩散所引发色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。空心毛细管柱柱内无填充物时，dp=0，A=0，无“涡流”现象，峰扩张程度小气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第23页2.B/u—分子扩散项（纵向扩散项）

B=2γDg

γ：弯曲因子，填充柱色谱，反应了固定相颗粒几何形状对自由分子纵向扩散妨碍情况，妨碍程度越大，纵向扩散越难，γ值越小。毛细管空心柱为0，普通填充柱小于1。

Dg：试样组分分子在气相中扩散系数（cm2·s-1）

(1)存在着浓度差，产生纵向扩散;(2)扩散造成色谱峰变宽，H↑(n↓)，分离变差;(3)分子扩散项与流速相关，流速下降，滞留时间变长，扩散项变大;(4)扩散系数：Dg∝(M载气)-1/2；M载气↑，B值↓。选择分子量大载气，降低色谱柱温，降气压都可减小Dg气相色谱法GasChromatography主题知识讲座第24页k为容量因子；Dg、DL为扩散系数。

使用填充物粒度小（dp小），载气分子量大（Dg

小），可降低传质阻力，提升柱效。3.Cu—传质阻力项：组分在气液两相中溶解、扩散、平衡、转移过