单元一气相色谱分离原理

《工业分析技术》

开封大学化学工程学院

情景五有机化工产品分析项目一工业冰乙酸的分析任务二工业冰乙酸中甲酸含量的分析（气相色谱法）单元一气相色谱分离原理单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第1页!茨维特实验

气相色谱法基础知识1906年，茨维特利用不同色素在活性碳酸钙与石油醚的共同作用之下在玻璃柱中呈现出不同的运行速度，能使其达到彼此分离。茨维特在他的原始论文中，把上述分离方法叫做色谱法（chromatography）在柱中出现的有颜色的色带叫做色谱图（chromatogram）。填充CaCO3的玻璃柱管叫做色谱柱（column）具有大表面积的CaCO3固体颗粒称为固定相(stationaryphase)，推动被分离的组分（色素）流过固定相的惰性流体（上述实验用的是石油醚）称为流动相（mobilephase）单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第2页!色谱法定义色谱分析法实质上是一种物理化学分离方法，即利用不同物质在两相（固定相和流动相）中具有不同的分配系数（或吸附系数），当两相作相对运动时，这些物质在两相中反复多次分配（即组分在两相之间进行反复多次的吸附、脱附或溶解、挥发过程）从而使各物质得到完全分离。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第3页!色谱法分离过程示意图ABCD载气3种组分同时进入色谱柱3种组分开始在色谱柱中分离3种组分在色谱柱中基本达到分离3种组分在色谱柱中完全达到分离单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第4页!学生提问、讨论与总结2问题2：吸附与脱附是怎么回事？吸附作用是指各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体物质表面上的作用。具有吸附性的物质叫做吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。吸附作用可分为物理吸附和化学吸附。脱附作用正好与吸附作用相反，是指吸着在固体或液体物质表面上的物质在一定的作用下离开原表面的过程。问题3：什么是溶解过程与挥发过程？溶解过程是指气态或液态组分进入固定液的过程，而挥发过程则是指组分离开固定液回到气态或液态流动相的过程。

单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第5页!学生提问、讨论与总结4容量因子（k）:又称分配比，容量比，指组分在固定相和流动相中分配量（质量、体积、物质的量）之比。两组分分配系数不同，则在色谱柱中有不同的保留值，因而就以不同的速度先后流出色谱柱，从而达到分离。组分分子结构不同，组分性质不同，则相应的分配系数也不同，这是色谱分离的基础。

单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第6页!色谱法发展历史21938年，Kuhn因在维生素和胡萝卜素的离析与结构分析中取得了重大研究成果被授予诺贝尔化学奖。从此色谱法开始为人们所重视，迅速为各国科学家们所注目，广泛被采用起来。此后，相继出现了各种色谱方法（如下表所示）。现在的色谱分析已经失去颜色的含义，只是沿用色谱这个名词。年代发明者发明的色谱方法或重要应用1906Tswett用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。1931Kuhn,Lederer用氧化铝和碳酸钙分离a-、b-和g-胡萝卜素。使色谱法开始为人们所重视。1938Izmailov,Shraiber最先使用薄层色谱法。1938Taylor,Uray用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。1941Martin,Synge提出色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第7页!色谱法基础知识

色谱的特点：高分离效能色谱的优点：1.分离效率高2.应用范围广3.分析速度快4.样品用量少5.灵敏度高6.分离与测定一次完成，可与多种分析仪器联用7.易于自动化色谱的缺点：鉴别功能较差单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第8页!色谱法的分类2按固定相性质和操作方式分类固定相形式柱纸薄层板填充柱开口管柱固定相性质在玻璃或不锈钢柱管内填充固体吸附剂或涂渍在惰性载体上的固定液在弹性石英玻璃或玻璃毛细管内壁附有吸附剂薄层或涂渍固定液等具有多孔和强渗透能力的滤纸或纤维素薄膜在玻璃板上涂有硅胶G薄层操作方式液体或气体流动相从柱头向柱尾连续不断地冲洗液体流动相从滤纸一端向另一端扩散液体流动相从薄层板一端向另一端扩散名称柱色谱纸色谱薄层色谱单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第9页!色谱法基础知识色谱法的分类色谱气相色谱GC液相色谱LC超临界流体色谱SFC气固吸附色谱GSC气液分配色谱GLC液固吸附色谱LSC液液分配色谱LLC离子交换色谱IEC空间排阻色谱GPC,GFC反相分配色谱正相分配色谱柱色谱平面色谱电色谱薄层色谱TLC纸色谱TLC亲合色谱平面层电色谱毛细管柱电色谱毛细管电泳毛细管区带电泳毛细管凝胶电泳毛细管胶束电动色谱毛细管等电聚焦毛细管等速电泳单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第10页!首先，要求有较大的溶解度和高的选择性，这样，各组分随载气通过色谱柱时在固定液中有较大的、各不相同的溶解度，就有可能达到良好的分离。其次，要求蒸气压低，在实际的操作柱温下不易挥发(蒸气压一般在1．3332～13．332Pa)，以免固定液容易流失。第三，固定液的化学稳定性要好，在一般情况下不与载体、组分和载气起不可逆化学反应。此外，固定液的使用温度范围要宽，黏度要小，凝固点要低，热稳定性要好，在较低温度下不凝固，在较高温度下不发生分解、聚合和交联。

对固定液的要求

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固定液的特性

气液色谱分析中使用的固定液种类很多，用什么来标度它的分离特性呢?目前大都采用相对极性和固定液的特征常数进行标度。各种固定液的相对极性在O～100之间，以20为一级，分为五级，用“+”表示，非极性用“一”表示。各种固定液相对极性大小列于表5-3单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第12页!固定液的分类固定液按极性大小可分为五类：类非极性固定液。这一类固定液多为饱和烷烃，如正癸烷、正十八烷、异卅烷(角鲨烷)、阿皮松(常用L、M、N型)等，其中异卅烷最常用，称为标准非极性固定液，其极性定为零。这类固定液与组分分子的作用力是色散力，主要用于分离一般烃类和非极性化合物。第二类弱极性固定液。主要为含甲基的硅氧烷类，分为硅油和硅橡胶。硅油类如硅油I、OV一101、PMS一100等。硅橡胶类如SE一30、SE一54等。高真空硅脂／丁二酸丁二醇聚酯属硅脂类。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第13页!第四类极性固定液。极性固定液的种类也很多，分子中都含有很强的极性基团，与样品分子的作用力属静电力和诱导力。这类固定液主要有含氧化合物如D一山梨醇，含腈基化合物如苯乙腈、β，β‘-氧二丙腈、各种二醇类及聚烷基氧化物等。第五类特殊类型固定液。如有机皂土一34，它是一种极性很强的固定液，最高使用温度为180～200℃，对芳香族异构体的分离非常有效，如邻、间、对二甲苯的分离。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第14页!（2）中等极性样品应选中等极性固定液，组分基本按沸点顺序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。而对沸点相同的非极性与极性组分，非极性组分先流出。（3）强极性样品应选强极性固定液。组分按极性大小顺序流出，但样品中如有非极性组分，则非极性组分先流出。易形成氢键的样品，应选用氢键型固定液进行分离。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第15页!合成固定相合成固定相又称高分子多孔微球固定相，它既可作色谱吸附剂使用，也可作载体涂上固定液后使用。有人认为，其分离机理随使用温度而变化，低温时可能以吸附作用为主，高温时以分配作用为主。合成固定相是一种特殊类型的固定相，它分为极性和非极眭两大类，常用合成固定相见表5-4。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第16页!学生提问、讨论与总结1问题1：不同组分在色谱柱中为什么呈现不同的运行速度？因为固定相对不同组分有不同的吸附力，吸附力强的组分难以被流动相冲洗出色谱柱，故运行速度慢，运行时间长。反之，吸附力弱的组分则容易被流动相冲洗出色谱柱，故运行速度快，运行时间短。同样的道理，若固定相呈液体状态，则不同组分呈现不同运行速度则是因为固定液对不同组分有不同的溶解能力，溶解性强的组分难以挥发至流动相中，故其在色谱柱中运行速度慢，运行时间长。反之，溶解性弱的组分则容易挥发至流动相中，故其在色谱柱中运行速度快，运行时间短。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第17页!学生提问、讨论与总结3问题4：所谓分配系数？分配比？它在色谱分离过程中有什么作用？分配系数（K）:平衡状态时，组分在固定相与流动相中的浓度比。如在给定柱温下组分在流动相与固定相间的分配达到平衡时，对于气-固色谱，组分的分配系数为：对于气-液色谱，分配系数为：式中CL与CG分别是组分在固定液与载气中的浓度。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第18页!色谱法发展历史1茨维特发现他的色谱法之后的20多年里，几乎无人问津这一技术。到了1931年，德籍奥地利化学家库恩（R.Kuhn）利用茨维特的方法在纤维状氧化铝和碳酸钙的吸附柱上将过去一个世纪以来公认为单一的结晶状胡萝卜素分离成a和b两个同分异构体，并由所取得的纯胡萝卜素确定出了其分子式。随后他还发现了八种新类胡萝卜素，并把它们制成纯品，进行了结构分析。同年，库恩又把注意力集中在维生素的研究上，确定了维生素A的结构。此外，他还用色谱法从蛋黄中分离出了叶黄素；还曾把腌鱼腐败细菌中所含的红色类胡萝卜素确定离析出来并制成结晶。1933年库恩从35000升脱脂牛奶中分离出1g核黄素（即维生素B2），制得结晶，并测定了它的结构。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第19页!色谱法发展历史3年代发明者发明的色谱方法或重要应用1944Consden等发明了纸色谱。1949Macllean在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段。1952Martin,James从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法。1956VanDeemter等提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。1957基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。1958Golay发明毛细管柱气相色谱。1959Porath,Flodin发表凝胶过滤色谱的报告。1964Moore发明凝胶渗透色谱。1965Giddings发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。1975Small发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测的新型离子色谱法。1981Jorgenson等创立了毛细管电泳法。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第20页!色谱法的分类1按固定相和流动相所处的状态分类流动相总称固定相色谱名称气体气相色谱（GC）固体气-固色谱（GSC）液体气-液色谱（GLC）液体液相色谱（LC）固体液-固色谱（LSC）液体液-液色谱（LLC）单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第21页!色谱法的分类3按色谱分离过程的物理化学原理分类名称吸附色谱分配色谱离子交换色谱凝胶色谱原理利用吸附剂对不同组分吸附性能的差别利用固定液对不同组分分配性能差别利用离子交换剂对不同离子亲和能力差别利用凝胶对不同组分分子的阻滞作用差别平衡常数吸附系数KA分配系数KP选择性系数KS渗透系数KPF流动相为液体液固吸附色谱液液分配色谱液相离子交换色谱液相凝胶色谱流动相为气体气固吸附色谱气液分配色谱目前，应用最广泛的是气相色谱法（gaschromatography，GC）和高效液相色谱法（highperformanceliquidchromatography，HPLC）。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第22页!在气相色谱分析中，要实现混合物中各组分的分离，主要决定于色谱柱中的固定相。气相色谱中所使用的固定相包括固体固定相、液体固定相和合成固定相三类，但使用最多的是液体固定相。在气液色谱中使用的固定相是涂在固体支持物(载体)上的一层液膜，称为固定液，它直接对各组分起分离作用。载体不直接起分离作用，但对柱效会产生影响。因此，对固定液和载体都有一定的要求，对它们的特性及选择也要进行研究。

气相色谱固定相

单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第23页!色谱柱固定相固定液的涂渍、装柱及老化

抽气N2例：2m3mm玻璃柱1.5%OV-17+2%QF-1/ChromosorbWAW-DMCS,80/100目单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第24页!《工业分析技术》

固定液名称相对极性级数角鲨烷阿皮松SE_30邻苯二甲酸二壬酯四乙基硅羟乙基月桂醇二丁基甲酰胺癸二酸乙二醇聚酯环氧丙基吗啉二乙基甲酰胺苯乙腈聚乙二醇600二甲基甲酰胺β，β‘-氧二丙腈O71325263643525762647880100-1+1+1+2+2+2+3+3+3+4+4+4+4+5表5-3固定液的相对极性单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第25页!第三类中等极性固定液。这类固定液种类很多，应用也广。如含各种极性基团的聚硅氧烷类有QF-l、SP-2401等。含苯基的聚硅氧烷有OV-17、DC-704、OV-25等。属中等极性固定液的还有各种一元酸酯，如邻苯二甲酸二壬酯(DNP)、己二酸二辛酯。另外，磷酸三苯酯、司班一80、吐温一60以及聚间苯二酚等都属中等极性固定液。这类固定液的最高使用温度为200～300℃，中等极性，可用于分离沸点相近的烷烃、烯烃、芳烃和环烷烃以及醇类和酮类，也可用于各种卤化物的分离。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第26页!固定液的选择

相似相溶原理是指结构或极性相似的物质之间具有较大的溶解度。色谱分析中要实现组分的分离，就要使固定液对各组分具有不同的保留能力，而固定液对组分的保留能力就取决于组分在两相中的溶解和解吸能力的大小。因此，可按以下原则进行选择：（1）非极性样品应选择非极性固定液，此时P=0，级数为-1或+1。不论非极性组分多少，均按沸点高低顺序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。例如，正辛烷、正壬烷、正癸烷、正十二烷、正十三烷等组分在SE一30柱上分离时，正辛烷先流出，正壬烷流出以后各组分依次流出。而对烃和极性物质的混合物，同沸点的极性物质先流出。单元一气相色谱分离原理共29页，您现在浏览的是第27页!载体理想的载体应具有表面惰性好，没有吸附活性，没有催化作用，热稳定性好，孔结构合适