第二章-气相色谱法-课件

第二章气相色谱分析2-1气相色谱历史2-2气相色谱概述2-3气相色谱法的基本原理2-4色谱分离条件选择2-5固定相及其择2-6气相色谱检测器2-7气相色谱定性分析2-8气相色谱定量方法2-9毛细管柱气相色谱法1ppt课件2ppt课件3ppt课件4ppt课件俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置：色谱原型装置，如图。色谱法是一种分离、分析的技术。试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两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。另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。混合物最有效的分离、分析方法。§2-1气相色谱法历史5ppt课件1850年，Runge在纸上分离盐溶液；1869年，Goppalsroeder在长条纸上分析染料和动植物色素，产生了纸色谱的雏形；俄国植物学家Tswett于1901年发现：利用吸附原理分离植物色素。1903年发表文章：Onanewcategoryofadsorptionphenomenaandtheirapplicationtobiochemicalanalysis1906年Tswett

创立“chromatography”—“色谱法”新名词1907年在德国生物会议上第一次向世界公开展示显现彩色环带的柱管6ppt课件1930年R.Kuhn用色谱柱分离出胡萝卜素；1935年AdamsandHolmes发明了苯酚-甲醛型离子交换树脂，进一步发明了离子色谱；1938年Izmailov

发明薄层色谱；1941年Martin&Synge发明了液-液分配色谱；1944年Consden,Gordon&Martin发明纸色谱；1952年Martin&Synge发明气-液色谱，并因此获得诺贝尔奖；1953年Janak发明气-固色谱；1954年Ray发明热导检测器；1956年Golay提出了开口色谱柱理论，同年VanDeemter提出速率理论；1957年Martin&Golay

发明毛细管色谱；1959年Porath&Flodin

发明凝胶色谱；1960年液相色谱技术完善；1954年我国研究成功第一台色谱仪7ppt课件色谱文献JournalofChromatography(J.Chromatogr.),1938年创刊（荷兰），一般每卷为2期；JournalofChromatographicScience(J.Chromatogr.Sci.),1963年创刊（美国），原名JournalofGasChromatography,1969年改现名，每卷12期；Chromatographia,1968年创刊(德国），每卷12期

；JournalofLiquidChromatography(J.Liq.Chromatogr.),1978年创刊（美国），每卷最多达18期；JournalofHighResolutionChromatographyandChromatographicCommunications,1978年创刊（德国），每卷12期；LCMagazine,现名为MagazineofLiquidandGasChromatography,1983年创刊（美国）；JournalPlanarChromatographyModernTLC(J.Planar.Chromatogr.),1992年创刊（匈牙利），每卷6期；BiomedicalChromatography(Bioed.Chromatogr.),1987年创刊（英国），每卷6期；EuropeanChromatographyNews,1978年创刊（英国）；色谱，1982年创刊（中国化学会），每卷6期；LiquidChromatographyLiteratureAbstractsandIndex,1972年创刊（美国）；GasChromatographyLiteratureAbstractsandIndex,1958年创刊（美国）；ChemicalAbastract（CA)是最全的化学文摘。有关色谱法的文摘可查阅CA主题索引的“Chromatography”栏目。8ppt课件§2-2气相色谱法概述色谱法是一种分离技术。固定相：使混合物中各组分在两相间进行分配，其中不动的一相。流动相：携带混合物流过此固定相的流体相。分离原理：依据不同物质在流动相中与固定相的相互作用的不同而产生不同的分配率，经过多次分配而达到混合物的分离的目的。9ppt课件色谱法分类：1、按流动相的物态：气相色谱法，液相色谱法按固定相的物态：气固色谱（固定相为固定吸附剂）气液色谱（固定相为涂在固体担体上的或毛细管壁上的液体）液固色谱液液色谱2、按固定相使用的形式：柱色谱，纸色谱，薄层色谱。3、色谱分离过程的机制吸附色谱分配色谱离子交换色谱排阻色谱（凝胶色谱）10ppt课件11ppt课件总结色谱法气相色谱法广义毛细管电泳法液相色谱法填充柱色谱法毛细管柱色谱法柱色谱法平面色谱法逆流分配色谱法LLC经典液相色谱法:LSC、IEC、SEC高效液相色谱法HPLC薄层色谱法TLC纸色谱PC、薄膜GLC、GSC毛细管电泳法CE毛细管电色谱法CEC微流控芯片分析MFC开口：CZE、MECC填充：CGE、CIEF填充CEC壁处理CECLSC、SFCRHPLCBPC12ppt课件1、分离效能高2、灵敏度高。3、分析速度快。4、应用范围广泛。5、装置简单，操作方便。缺点：在缺乏标准样品的情况下，定性分析较困难，对于高沸点，不能气化和热不稳定的物质不能用气相色谱法分离和测定。色谱法的特点13ppt课件§2-3气相色谱法的基本原理

热力学理论是由相平衡观点研究色谱过程，以塔板理论为代表色谱理论主要可分为热力学理论及动力学理论两大类动力学理论是以动力学观点-速率，来研究色谱过程中各种动力学因素对色谱峰扩展的影响，以VanDeemter方程式为代表

色谱条件的优化14ppt课件一、气相色谱流程：

1、高压钢瓶2、减压阀3、载气净化干燥管4、针形阀5、流量剂6、压力表7、进样器8、色谱柱9、检测器10、记录仪图2.1气相色谱流程图15ppt课件二、气相色谱仪的组成及各部分的作用：1、载气系统（包括气源、气体净化、气体流速控制和测量）常用的载气，氨气、氮气2、进样系统包括进样器和汽化室微量注射器：0.1，1，5，10，50μL

汽化室可控制温度为20～400℃

汽化室的作用是将液体或固体样品瞬间气化为蒸气，并很快被载气带入色谱柱。16ppt课件3、分离系统色谱柱（心脏部分）、柱箱和恒温控制装置色谱柱：填充柱、空心毛细管柱填充柱：制备简单，可供使用的单体，固定液，吸附剂繁多，可解决各种分离分析问题。填充柱外形有U型，W型和螺旋型三种，内径均为2～6mm，长度在1～10m之间，通常2～4m。不锈钢，玻璃，聚四氟乙烯。17ppt课件空心毛细管：分析速度快，内径为0.1～0.5mm，长为50～300m，其外形多为螺旋型，材料，玻璃尼龙，不锈钢。色谱柱放在恒温箱中：柱恒温箱控温范围一般为15℃至350℃程序升温，温度自动控制18ppt课件4、检测系统：检测器，控温装置检测恒温箱中的温度，一般选择与柱温相同或略高于柱温。5、记录系统：放大器和记录器，数据处理装置。19ppt课件三、气相色谱分析的理论基础1、基本原理

气固色谱、气液色谱

气——固色谱中被分离物随着载气的流动，被测组分在吸附剂表面进行吸附，脱附，再吸附，再脱附……这样反复的过程，使不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。气——液色谱中被分离物随着载气的流动，被测组分在固定液中进行溶解，挥发，再溶解，再挥发……的过程，使不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。20ppt课件

在一定温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度（g·mL-1）比称为分配系数，以K表示。待测组分在固定相和流动相之间发生的吸附，脱附或溶解，挥发的过程叫做分配过程。21ppt课件

分配系数K是由组分及固定液的热力学性质决定的，随柱温，柱压变化，与柱中气相、液相的体积无关。当K=1时，组分在固定相和流动相中浓度相等；当K>1时，组分在固定相中的浓度大于在流动相中的浓度；当K<1时，组分在固定相中的浓度小于在流动相中的浓度。

22ppt课件

不同物质的分配系数相同时，它们不能分离。色谱柱中不同组分能够分离的先决条件是其分配系数不等。分配系数K小的组分：在气相中的浓度较大，移动速度快，在柱中停留时间短，较早流出色谱柱。分配系数K大的组分：在气相中的浓度较小，移动速度慢，在柱中停留时间长，较迟流出色谱柱。两组分分配系数相差越大，两峰分离的就越好。23ppt课件2、气相色谱流出曲线和有关术语：

图12.2色谱流出曲线24ppt课件（1）基线（baseline）当色谱柱中没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反应检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。（2）保留值（retentionvalue）表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值，通常用时间或用将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。任何一种物质都有一定的保留值。25ppt课件死时间（deadtime）tm

指不被固定相吸附或溶解的气体（如空气、甲烷）从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需时间。保留时间（retentiontime）tR指被测样品从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间O’B。调整保留时间（adjustedretentiontime）tR’tR’=tR-tm

某组分由于溶解或吸附于固定相，比不溶解或不被吸附的组分在色谱柱中多滞溜的时间。26ppt课件

死体积（deadvolume）Vm

指色谱柱在填完后柱管内固定相颗粒间所剩留的空间。色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两项很小忽略不计时，

Vm=tmF0

F0——载气体积流速，mL·min-127ppt课件保留体积（retentionvolume）VRVR=tRF0

载气流速大，保留时间相应降低，两者乘积仍为常数，因此VR与F0无关。调整保留体积（adjustedretentionvolume）VR’

VR’=tR’F0或VR’=VR-Vm

VR’与载气流速无关28ppt课件

相对保留值（relativeretentionvolume）r21

指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比。29ppt课件相对保留值的优点是：

只要柱温，固定相不变，即使柱径，柱长，填充情况及流动相流速有所变化，r21值仍保持不变，（重要参数）相邻两组分的tR’相差越大，分离的越好，r21＝1两组分不能分离。30ppt课件（3）区域宽度（peakwidth）

i

标准偏差（standardarddeviation）σ

即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半（图中EF）

ii

半峰宽度（peakwidthathalf-height）Y1/2

峰高一半处的宽度（GH）它与标准偏差的关系为：易于测量，使用方便，常用来表示区域宽度。31ppt课件iii

峰底宽度（peakwidthatbase）Y

自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距IJ与标准偏差的关系为：

Y=4σ利用色谱流出曲线可以解决以下问题：

i

根据色谱峰位置（保留值）可以进行定性检测；

ii

根据色谱峰面积或峰高可以进行定量测定；

iii

根据色谱峰位置及宽度可以对色谱柱分离情况进行评价。32ppt课件3、分配比与保留时间的关系，分配比、分配系数与保留时间具有如下关系：

tR=tm(1＋k)→推导过程见下：若流动相（载气）在柱内的线速度为u，即一定时间里载气在柱中流动的距离（单位cm·s-1），由于固定相的作用（保留），所以组分在柱内的线速度us将小于u，则两速度之比称为滞留因子（retardationfactor）Rs.33ppt课件

Rs=us/u（2-11）

Rs可用质量分数ω表示：组分和流动相通过长度为L的色谱柱所需时间分别k可由实验测得。34ppt课件4、塔板理论（色谱分析的基本理论）

半经验理论：将色谱柱看成精馏塔，一定的柱长看作一个塔板，以精馏理论进行解释。塔板理论的假设：

（1）在一小段间隔内，气相平均组成与液相平均组成可以很快的达到分配平衡。这样达到分配平衡的一小段柱长称为塔板理论高度（heightequivalenttotheoreticalplate）H；35ppt课件（2）载气进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进入为一个板体积；（3）试样开始时都加在0号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可略而不计；（4）分配系数在各塔板上是常数。36ppt课件4.1差速迁移色谱过程是物质在相对运动着的两相间分配平衡的过程。若混合物中两个组分的分配系数（或吸附平衡常数）不等，则被流动相携带移动的速度也不同----差速迁移。因此分配系数不等是分离的前提。

A、B两组分的调整保留时间：tRB’=t0kB;tRA‘=t0kA大ΔtR’=t0(kA-kB)；若kA=kB,两组分重叠不能分开若kA≠kB,

两组分才能分开37ppt课件4.2二项式分布在逆流分配中，设第0号漏斗中上层溶剂中溶质的含量为q，下层中的含量为p。经N次转移后，在各号漏斗中溶质含量的分布服从二项式，故称为二项式分布：（p+q)N。转移N次后，第r号漏斗中溶质的含量NXr，可由下述二项式展开后的第r项直接求出：NXr=(N!/r!(N-r)!)pN-rqr设一个组分的分配系数为1，并假设分液漏斗上层（流动相）与下层（固定相）的体积相等。若溶质加至0号漏斗的量用100%表示，则此漏斗经振摇、平衡后，上下层的含量如下图所示：38ppt课件另一例子：假设色谱柱由5块塔板组成：(0,1,2,…5)。令N=5，组分进样量为：W=1，组分在柱内的分配过程是组分在两相中进行分配，○表示进入流动相的组分分子，□表示进入固定相的组分分子。此时若组分容量因子k=1,即p=q，组分中有p量溶于固定相，有q量溶于流动相01234柱出口N=010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.1250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2750.2750.11880.0040.0320.0860.1960.2750.13890.0020.0180.0590.1410.2460.138100.0010.1010.0380.1000.1890.118NXr指经N次转移后r号漏斗中上下二层物质量之和。Nqr=(1/(1+K))NXrNPr=(K/(1+K))NXr39ppt课件4.3色谱流出曲线方程的连续函数形式二项式分布概率密度函数是一个非连续函数的表达形式，当N和r很大时计算起来相当麻烦，通常将其转变成连续函数形式：将NXr=(N!/r!(N-r)!)pN-r

qr两边取数，则ln

NXr=lnN!-lnr!-ln(N-r)!+（N-r)lnp+rlnq----------------(1)根据Stirling公式：lnN!NlnN-N;ln(N-r)!(N-r)ln(N-r)-(N-r);----------(2)lnr!rlnr-r将（2）代入（1）中有

ln

NXr=NlnN-rlnr-(N-r)ln(N-r)+（N-r)lnp+rlnq---(3)将上式（3）对N求一阶导数：

dln

NXr/dN=lnN-ln(N-r)+lnp-----------(4)其峰的极大点应大dln

NXr/dN=0处，即N=r/q处，而（q=1-p)再对N求二附导数：d2lnNXr/dN2=1/N-1/(N-r)-----------(5)它在极大点的值为：d2lnNXr/dN2N=r/q=-q2/rp------------(6)将函数lnNXr在极大点附近进行Taylor级数展开：lnNXr=lnNXrN=r/q+（N-r/q)dlnNXr/dNN=r/q+（N-r/q)2/2!d2lnNXr

/dN2N=r/q+-----取前三次，可得：NXr=NXr

N=r/qe-(Nq-r)2/2rp-----------------------------（7）40ppt课件在二项式分布中，根据p、q的含义，可得q=1/(1+K),p=k/(1+K)----（8）。若板高为H,色谱柱横截面积为S，其中流动相所占截面积的分数为，则经N次转移后，通过色谱术流动相体积V=NHS,所以：N=V/HS---（9）。将式（8）和（9）代入式（7）中，得：NXr=NXr

N=r/qe-[V-rHS(1+k)2]/2rH2S22k(1+k）

=NXr

N=r/qe-[V-VR]/2rH2S22k(1+k）-------------------------（10）其中VR=rHS(1+k),L=Hr当流动相通过的体积为无穷大时，组分必定会在柱后出现，所以有：(NXr)0dV=(NXr)-+dV=1,这样可以得到NXr

N=r/q（2LHS22k(1+k))0.5=1所以有NXr

N=r/q=1/（2LHS22k(1+k))0.5--

------------------（11）将11代回（10）中得到NXr=

1/(2LHS22k(1+k))0.5

e-[V-VR]/2rH2S22k(1+k）(12)

这是某一特定分子在柱后出现的概率分布曲线。令=1/(LHS22k(1+k))0.5

，则(12)式变为NXr=

1/(2)0.5

e-[V-VR]/22这是高斯方程，一条正态分布曲线。在实际应用中，当进样量为m时，色谱流出曲线的可表达为c=

m/(2LHS22k(1+k))0.5

e-[V-VR]/2rH2S22k(1+k）-----------------(13)当V=VR，出现最大值：41ppt课件4.4色谱流出曲线正态分布方程式将正态分布方程式用于色谱流出线，把某些函数做相应的改变即可c=

C0/(2)0.5

e-[V-VR]/22;c=

C0/(2)0.5

e-[t-tR]/221.讨论：当t=tR时，c=C0/((2)0.5)，因此时浓度最大，用Cmax表示。（1）进样量C0愈大,则Cmax愈大.C0与Cmax

成正比。这是色谱峰高定量的依据。（2）H值愈小，柱效愈高，Cmax/C0比值愈大。（3）色谱柱内径愈小，填充愈紧密，Cmax/C0比值也愈大。即柱愈细填充愈紧密，柱效N越高。（4）色谱柱愈短，Cmax值愈大。（5）

先流出柱子的组分容量因子小，所以Cmax/C0比值愈大，反之提高色谱柱的温度（对GC），增加流动相中强洗脱溶剂的浓度（对HPLC），都可以使容量因子下降，比而使Cmax/C0比值愈大，提高色谱检测灵敏度。当

ttR或

ttR时，则有c=

Cmax

e-[t-tR]/22;h=

hmax

e-[t-tR]/22,两边同时取对数则有：ln

Cmax

/c=[t-tR]/22;lnhmax/h=

[t-tR]/22相应小于最大值。42ppt课件

在气相色谱中，n值是很大的，约为103~106

，流出曲线可趋近于正态分布曲线。流出曲线上的浓度c与时间t的关系可由下式表示:43ppt课件由塔板理论可导出n与色谱峰半峰宽或峰低宽度的关系：

式中L为色谱柱长度，tR及Y1/2或Y用同一物理量单位（时间或距离）。由式（2-18）（2-19）可见，色谱峰越窄，塔板数n越多，理论塔板高度H就越小，此时柱效能越高。n，H可作为描述柱效能的一个指标。44ppt课件

为使塔板数和塔板高度真实反应色谱柱分离的好坏，将tM外的有效塔板数n有效和有效塔板高度H有效作为柱效能指标。计算公式为：

有效塔板数和有效塔板高度较为真实的反应了柱效能的好坏。成功处：解释流出曲线的形状（呈正态分布）、浓度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面。不足处：基本假设是不当。45ppt课件4.5.证明下述关系：（1）位于峰高的0.607倍处当t-tR=时，ln(hmax/h)=[t-tR]/22=2/22=1/2,得到hmax/h=e1/2h=0.607hmax（2）W1/2=2.355根据定义，峰高之半处的宽度为W1/2。此处，h=(1/2)hmax;t-tR=(1/2)W1/2则有lnhmax/(1/2)hmax=

((1/2)W1/2)2/22ln2=W21/2/82W1/2=2.3352（3）峰宽相当于0.135倍峰高处的宽度。因为W=4,即t-tR=2则有lnhmax/h=

(2)2/22=2hmax/h=e2=7.3890h=0.135

hmax46ppt课件（4）

峰面积A=1.065W1/2hmax。从上面的讨论可知：hmax

=C0/(2)0.5hmax的单位为cm时，的单位也是cm，则C0的单位需取cm2，即某组分的量可用峰面积表示。当用峰面积A代表C0，上式变为：A=hmax

(2)0.5因为已证明W1/2=2.355，代入上式中得到：A=(2)0.5/2.355W1/2

hmaxA=1.065W1/2

hmax流出曲线方程式可以说明色谱峰的形状、宽度、浓度极大点的位置，以及进样量与峰面积和峰高的关系：1）流出曲线方程式可以说明组分由色谱柱流出时的浓度变化与时间的关系。2）曲线在t=tR时，有浓度极大点。T与TR相差越大，则相应浓度越小。3）进样量一定时，即某组分的量C0一定时，越小，峰高越高。4）在实验条件一定时，在一定进样量范围内，高斯峰高与进样量成正比。

47ppt课件4.6理论塔板数与理论塔板高度的计算2.理论塔板数与理论塔板高度计算式的导出在色谱流出曲线连续函数形式中，当浓度为最大浓度(cmax)一半时，记为c1/2，对应的V=V-VR,记为V1/2，则有：

cmax/c1/2=2=exp(V21/2/2LHS22k(1+k))，对两端取对数后，可得：Ln2=V21/2/2LHS22k(1+k)V1/2=(2ln2LHS22k(1+k))1/2--------------------------(14)已知：VR=rHS(1+k),L=Hr，得到VR=LS(1+k)-------------(15)1.理论塔板数与理论塔板高度是柱效指标：样品组分的保留时间越长、区域宽度（、W1/2

或W）越小，则理论塔板数越多，柱效越高。48ppt课件因此，(15)/(14)式可以得到下式：VR/V1/2=LS(1+k)/(2ln2LHS22k(1+k))1/2=1/2(2ln2)1/2(L/H)1/2((1+k)/k)1/2这样可以得到：n=L/H=8ln2(VR/V1/2)2=5.54(VR/V1/2)2-------(16)当采用时间或距离为坐标时，(16)式可改写成：n=5.54(tR/W1/2)2-----------------------------------(17)H=L/n可以由理论塔板数计算得到。理论塔板数和理论塔板高度可以定量地描述色谱柱的柱效，但由于色谱系统存在死体积，溶质消耗在死体积与死时间内与分配平衡无关，因此理论塔板数与理论塔板高度与色谱柱实际柱效不完全一致。因此又提出有效塔板数与有效塔板高度。n有效=(VR/V1/2)2=5.54(tR/W1/2)2是扣除了与分配平衡无关的死体积或死时间的影响，可以更好地反映色谱柱的实际柱效。根据tR=tR-t0，k=tR/

t0,可得n/n有效=(tR/

tR)2=((tR+t0)/

tR)2=((1+k)/k)2所以有：n/=n有效((1+k)/k)2同样可以得到H=H有效((1+k)/k)2当k很大时，二者才近似相等。49ppt课件4.7塔板理论的作用与不足的计算塔板理论的作用与意义:1．从塔板理论方程式的形式看它描述的色谱信号轨迹应该是正态分布函数，与实际记录的色谱流出曲线相符合，说明此方程是准确的，且对色谱分配系统有理论指导意义。2．由塔板理论据导出来计算往效率的理论塔板数(N)公式，是行之有效的。长期以来用N值的大小评价色谱柱柱效是成功的，是色谱工作者不可缺少的计算公式。3.塔板理论方程式描述色谱峰极高点的Cmax数值是符合公式要求的，实验数据证明Cmax

与N，W，VR之间的关系是正确的。各参数对Cmax之影响都是客观的。

4．按塔板理论模型所建立起来的一些方程式讨论了某些色谱参数对组分色谱峰区域半峰宽公式均符台流出曲线半高峰宽变化的实际。特别应指出的是，塔板理论也提出了理论塔板高度对色谱峰区域宽度扩张的影响，这一点过去往往被忽视。50ppt课件塔扳理论存在的不足：1.塔板理论是模拟在一些假设条件下而提出的，假设同实际情况有差距，所以他描述的色谱分配过程定量关系合有不准确的地方。2.对于塔板高度H这个抽象的物理量究竟由哪些参变量决定的？H又将怎样影响色谱峰扩张等一些实质性的较深入的问题，塔板理论却不能回答。3.为什么流动相线速度(U)不同，柱效率(n)不同；而有时当U值由很小一下变得很大时，则柱效能（n）指标并未变化许多，但峰宽各异，这些现象塔板理论也无能为力．4.塔报理论忽略了组分分子在柱中塔板间的纵向扩散作用，特别当传质速率很快时，其纵向扩散作用为主导方面，这一关键问题并未阐述。5.塔板理论也未说明β变化对组分在柱内移动速率的影响。实际上VL、VG在某些方面决定着组分分子的扩散行为和扩散距离。综上所述塔板理论虽为半经验理论，但在色谱学发展中起到了率先作用和对实际工作的指导作用，所以至今延用不衰，为广大色谱工作者承认。塔板理论不足之处:

不能解析载气流速U对N影响

不能指出板高H受那些因素影响51ppt课件2.3.1塔板高度的统计意义由于溶质分子运动过程中分子间的碰撞以及运动路径是无规则的、随机的，因此，可以用随机模型来描述它们的行为。随机过程总是导致高斯分布，标准偏差或方差2作为溶质分子在色谱柱内离散的量度。总的离散程度应为单位柱长分子离散程度的累计，且与柱长成正比：2=HL。其中，HL相当于正态分布曲线的方差，即为随机变量的分散程度；H为比例系数，为单位柱长的分子分散，H=2/L。这里H仍称为板高，速率理论的塔板高度是柱内单位长度中溶质分子离散的程度，作为一个色谱参数使用，是描述色谱区域宽度或色谱谱峰扩张的指标。根据随机理论，有限个独立随机变量和的方差等于它们的方差和。因此，色谱速率理论就是把色谱过程看作为一个动态过程，研究过程中的动力学因素对峰展宽（柱效）的影响。Martin于1952年指出，在气相色谱过程中，溶质分子的纵向扩散是引起色谱峰展宽的主要因素。在此基础上，后来有人提出了纵向扩散理论。1956年，VanDeemter全面概括了影响气相色谱柱的动力学因素，提出了气相色谱速率理论—VanDeemter方程式。1958年，Giddings与Snyder等根据液体与气体性质的差别，提出了液相色谱速率理论方程式—Giddings方程式。5、速率理论（ratetheory）52ppt课件过程总的色谱区域宽度的扩张，等于各独立因素引起的色谱区域宽度扩张的和，即：2=12+22+32+42+----------+n2=i2色谱柱柱效采用单位柱长上溶质分子离散项的和表示：H=H1+H2+H3+H4---------------+Hn=12/L+22/L+32/L+42/L+---=i2/L总的塔板高度等于各种因素对塔板高度贡献之和。2.3.2气相色谱速率理论方程式VanDeemter通过实验发现，在载气流速很低时，峰变锐；超过某一速度后，流速增加峰变钝。用塔板高度H对载气流速u作图为二次曲线。曲线最低点对应的板高最小，柱效最高，此时的流速称为最佳流速，如图所示。VanDeemter根据气相色谱过程中的物料平衡、扩散及传质现象与溶质运动速率关系的偏微分方程，并假设：①纵向扩散是造成谱带展宽的重要原因，必须予以考虑；②传质阻力是造成谱带展宽的主要原因，它使平衡成为不可能③对填充柱有涡流扩散的影响导出了VanDeemter方程：H=A+B/u+Cu，用该方程可以解释板高流速曲线A─涡流扩散项C·u—传质阻力项B/u—分子扩散项H=A+B/u+C·u53ppt课件1956年由荷兰学者范第姆特提出：式中：A，B，C为三个常数

A为涡流扩散项

B为分子扩散项系数

C为传质阻力系数

u一定时，只有A，B，C较小时，H才能较小，柱效能才能较高。54ppt课件

气体碰到填充物颗粒时，形成类似“涡流”的流动，引起色谱峰扩张。

A=2λdp

填充物颗粒直径dp（单位为cm）填充的不均匀性λ

使用适当粒度和颗粒均匀的单体，尽量填充均匀，可减少涡流扩散。空心毛细管柱中，A项为零。（1）涡流扩散项A55ppt课件涡流扩散示意图56ppt课件

由于进样在色谱柱内存在浓差而形成浓度梯度。

B＝2rDgr—载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数（弯曲因子）

Dg—组分在气相中的扩散系数（单位为cm2·s-1）

（2）分子扩散项B/u（纵向扩散）57ppt课件

纵向扩散与组分在柱内的保留时间有关，保留时间越长，分子扩散项对色谱峰扩张的影响就越显著。相对分子质量较大的载气（如氨气）可使B项降低。

Dg随柱温增高而增加，但反比与柱压。弯曲因子r：空心毛细管柱r＝1、填充柱中扩散程度降低r<1、硅藻土担体r＝0.5～0.758ppt课件

系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数C1，对填充柱：k——容量因子

采用粒度小的填充物和分子量小的气体（H2）作载气可使Cg减小，提高柱效率。（3）传质项Cu59ppt课件液相传质阻力系数：

固定相液膜df薄，组分在液相的扩散系数D1大，则液相传质阻力系数较小。范第姆特方程60ppt课件速率理论的要点

(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。(2)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。

(3)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。(4)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。61ppt课件§2-4色谱分离条件的选择一、分离度（resolution）色谱柱的分离效能指标：分离度R62ppt课件当R＝1时，分离程度可达98％当R＝1.5时，分离程度可达99.7％（作为两峰分开的标志）定义：相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值。63ppt课件

当两组分色谱峰分离较差，峰低宽度难于测量时，可用半峰宽度代替峰低宽度：当两组分色谱峰分离较差，峰低宽度难于测量时，可用半峰宽度代替峰低宽度：64ppt课件

色谱分析中，在选择合适的固定相及实验条件时，对于难分离的物质对，由于它们的保留值差别小，可合理的认为：Y1=Y2=Y，k1=k2=k。由式（2-18）得：二、色谱分离基本方程式65ppt课件

将上式及式（2-15）代入式（2-27）整理后可得：（2-29）n与n有效（有效理论塔板数）的关系式：

（2-30）

66ppt课件有效理论塔板数表示的色谱分离基本方程：（2-31）1、分离度与柱效的关系（柱效因子）分离度与n的平方根成正比。当固定相确定，亦即被分离物质对的α确定，欲使达到一定的分离度，将取决于n。67ppt课件

k值大一些对分离有利，但并非越大越有利。表2-2数据（P18）

k>10时，k/k+1的改变不大，对R的改变不明显，反而分析时间大为延长。

k值的最佳范围是1<k<10，可得到大的R值。2、分离度与容量比的关系（容量因子）68ppt课件α是柱选择性的量度，α越大，柱选择性越好，分离效果越好。表2-3（P19）列出了根据式（2-31）计算得到的一些结果。结果表明：分离度从1.0增加至1.5。对应于各α值所需的理论塔板数大致增加一倍。

3、分离度与柱选择性的关系（选择因子）69ppt课件

在一定分离度下，大的α值可在有效理论塔板数小的色谱柱上实现分离。当α值为1时，分离所需的有效理论塔板数为无穷大。故分离不能实现。当α值相当小的情况下，特别是α<1时，实现分离所需的有效理论塔板数很大，此时应当是增大α值。如果相邻两峰的α值已足够大，即使色谱柱的理论塔板数较小，分离亦可顺利的实现。70ppt课件分离度、柱效和选择性参数的联系：71ppt课件三、分离操作条件的选择1、载气及其流速的选择用在不同流速下测得的塔板高度H对了流速u作图，得H—u曲线图（图2-7）2-7塔板高度与载气流速的关系72ppt课件

曲线的最低点，塔板高度H最小。此时，柱效最高。该点所对应的流速为最佳流速u最佳。u最佳及H最佳可由（2-22）微分求得。将式（2－34）代入式（2－22）得：73ppt课件

实际工作中，为了缩短分析时间，往往使流速稍高于最佳流速。对于填充柱，N2的最佳实用线速度为10～12cm·s-1H2为15～20cm·s-1

载气流速习惯上用柱前的体积流速（mL·min-1），也可用皂膜流量计在柱后测量。若色谱柱内径3mm，N2流速一般为40～60mL·min-1

H2流速一般为60～90mL·min-174ppt课件2、柱温的选择柱温：重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度。柱温不能高于固定液的最高温度，否则挥发流失。柱温选择的原则：在使最难分离的组分能尽可能好的分离前提下，尽可能采取较低的柱温，但以保留的时间为宜，峰形不脱尾为度。对于高沸点混合物（300～400℃）希望在较低温度下进行（低于沸点100～200℃）分析柱温：重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度。

75ppt课件

沸点不太高的混合物（200～300℃）可在中等柱温下进行，固定液质量分数5％～10％柱温比平均沸点低100℃。沸点在100～200℃的混合物，柱温可选在其平均沸点2/3左右，固定液质量分数10～15％。对于气体、气态烃等低沸点混合物，柱温选在其沸点及沸点以上，能在室温50℃以下分析。固定液质量分数一般在15～25％。对于沸点范围较宽的试样，宜采用程序升温。76ppt课件5、进样时间和进样量进样时间在一秒以内。时间过长，试样原始宽度变大，半缝宽必将变宽，甚至峰变形。进样量一般：液体试样0.1～5μL

气体样0.1～10mL

进样量太多，会使几个峰叠在一起，分离不好。进样量太少，含量少的组分因检测器灵敏度不够而不出峰。最大进样量应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系。77ppt课件6、气化温度进样后要有足够的气化温度，使液体试样迅速气化被载气带入柱中，在得证试样不分解的的情况下，适当提高气化温度对分离及定量有利。气化温度比柱温高30～70℃。78ppt课件§2-5固定相及其选择

气相色谱分析中，某组分的完全分离取决于色谱柱的效能和选择性，后者取决于固定相的选择性。1、气——固色谱固定相气——固色谱法中常用固定相非极性——活性炭弱极性——氧化铝强极性——硅胶常用吸附剂及其一般用途见表2-4（P25）79ppt课件

（1）担体载体应是一种化学惰性、多孔型的固体颗粒，它的作用是提供一个大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。对担体的要求：

①表面是化学惰性的，表面没有吸附性或很弱，更不能与被测物起化学反应；

②多孔性，即表面积大，使固定液与试样接触面积大；2、气液色谱固定相80ppt课件③热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎；④对担体粒度的要求：均匀，细小（过细柱压增大），一般选用40～60目，60～80目，80～100目。气液色谱中所用担体：可分为：硅藻土型红色担体白色担体非硅藻土性氟担体玻璃微球高分子多孔微球81ppt课件红色担体——0201红色担体，2011红色担体，C-22保温砖等；表面孔穴密集，孔径较小，表面积大（比表面积40cm2·g-1），平均孔径1μm。一般用于分析非极性或弱极性物质。白色担体——101白色担体机械强度不如红色担体。表面孔径较大约8～9μm，比表面积1.0cm2·g－1。一般适用于分析极性物质。82ppt课件硅藻土型担体表面含有相当数量的硅醇基团有吸附性，担体需加以钝化处理。处理方法：酸洗，碱洗，硅熔。83ppt课件A、对固定液的要求 ①挥发性小操作温度下有较低蒸气压，以免流失；②热稳定性好操作温度下不发生分解；③对试样各组分有适当的溶解能力。④具有高的选择性对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的溶解能力；⑤化学稳定性好不与被测物质起化学反应。（2）固定液84ppt课件B、固定液的分离特征

被测组分在固定液中溶解度或分配系数的大小与被测组分和固定液两种分子之间相互作用力的大小有关。分子间作用力①静电力（定向力）②诱导力③色散力④氢键例（不同固定液的分离性质用麦氏常数表征——表2-6麦氏常数）85ppt课件固定液选择——相似相溶原理选择固定液的基本原则：①分离非极性物质选用非极性固定液——鲨鱼烷、甲基硅油、阿批松。被分离组分和固定液之间的作用力是色散力。各组分按沸点顺序先后流出色谱柱。沸点低的组分先流出，沸点高的组分后流出。如果被分离组分是同系物，由于色散力与分子量成正比，各组分按碳顺序分离。C、固定液的选择86ppt课件②分离强极性样品选用强极性固定液——β，β’－氧二丙睛，聚丙二醇己二酸等。被分离组分和固定液之间的作用力主要是取向力（定向力），这时试样中的各组分主要按极性顺序分离，极性小的物质先流出色谱柱，极性大的后流出。③分离极性和非极性混合物时可选用非极性固定液也可选用极性固定液，应视组分的性质而定。如果沸点为主要矛盾，则应选用非极性；若极性差别为主，应选极性固定液。87ppt课件④分离中等极性样品选择中等极性固定液——邻苯二甲酸二壬酯、聚乙二醇己二酸、甲基硅油。被分离组分和固定液分子之间的作用力是色散力和诱导力，组分按沸点顺序分离。⑤对于能形成氢键的组分一般选用强极性和氢键型固定液，多元醇固定液。此时样品中各组分按和固定液之间形成氢键能力大小的顺序分离，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的后流出。⑥对于复杂的难分离的物质，可以选用两种或两种以上的混合物固定液。88ppt课件

固定液的性质对分离是起决定作用的。一般来讲，担体的表面积越大，固定液用量可以越高，允许的进样量也就越多。目前填充色谱柱盛行低固定液含量色谱柱。固定液膜薄柱效能提高，并可缩短分析时间。固定液量太低，液膜越薄，允许的进样量也就越少固定液用量根据具体情况决定。固定液的配比（固定液与担体质量比）：一般用5：100到25：100，也有低于5：100的。3、固定液的性质和用量89ppt课件

担体的表面结构和孔径分布决定了固定液在担体上的分布以及液相传质和纵向扩散情况。要求担体表面积大表面和孔径分布均匀。担体的粒度要求均匀、细小，有利于提高柱效。对3～6mm内径的柱，使用60～80目的担体较为合适。4、担体的性质和粒度90ppt课件§2-6气相色谱检测器

检测器：将色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转换为相应的电讯号。

检测器分为：浓度型检测器（concentrationsensitivedetector）质量型检测器（massflowratesensitivedetector）91ppt课件

浓度型检测器：测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分浓度成正比。

质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的质量成正比。92ppt课件1、热导池的结构

双臂热导池四臂热导池一、热导池检测器（thermalconductivitydetector）TCD表示93ppt课件热导池由池体（不锈钢块）和热敏元件（铼钨合金）构成。双臂热导池：一臂参比池；一臂测量池四臂热导池：两臂是参比；两臂是测量94ppt课件2、热导池检测的基本原理将电桥在未通入试样与通入试样后平衡性的差异（以电位差的形式来表现）记录下来，得到色谱峰，反映待测物浓度。95ppt课件（1）桥路工作电流一般桥路电流控制在100～200mA左右。氮气作载气100～150mA氢气作载气150～200mA

（2）热导池温度的影响一般池体温度不应低于柱温。3、影响热导池检测器灵敏度的因素96ppt课件

（3）载气的影响载气与试样的热导数相差越大，则灵敏度越高。一般选择热导系数大的载气：H2、He（灵敏度较高）。（4）热敏元件阻值的影响选择阻值高、电阻温度系数大的热敏元件（钨丝）（5）热导池的死体积较大，灵敏度较低应使用具有微型池体（2.5μL）的热导池。97ppt课件二、氢火焰离子化检测器（flameionizationdetector）FID

对含碳有机化合物有很高的灵敏度。适用于痕量有机物的分析。特点：结构简单、灵敏度高、响应块、稳定性好、死体积小、线性范围宽。98ppt课件1、氢火焰检测器的结构

离子化室、火焰喷嘴、一对电极、外罩99ppt课件2、氢焰检测器作用原机理A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区(1)当含有机物CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基：

CnHm──→·CH(2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：

·CH+O──→CHO++e100ppt课件(3)生成的正离子CHO+与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：

CHO++H2O──→H3O++CO(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-6～10-14A）；101ppt课件(5)

在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。(6)

组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离。

(7)离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线102ppt课件（1）气体流量载气流量一般用氮气作载气，最佳载气流速氢气流量氢气流量与载气流量之比影响氢火焰的温度及火焰中的电离过程。

H2：N2＝1：1～1：1.5（最佳氢氮比）空气流量空气是助燃气空气流量高于某一数值（400mL·min-1）对影响值几乎没有影响。一般H2：空气＝1：10

3、操作条件选择103ppt课件（3）极化电极极化电压的大小直接影响响应值。一般选±100V～±300V（4）使用温度氢焰检测器的温度不是主要影响因素

80～200℃灵敏度几乎相同。

80℃以下灵敏度显著下降。（水蒸气冷凝所致）104ppt课件三、电子捕获检测器（electroncapturedetector）ECD它是一种具有选择性，高灵敏度的浓度型检测器。它对具有电负性的物质（卤素、硫、磷、氮、氧）有响应，电负性越强，灵敏度越高。能检测10-14g·mL-1物质。105ppt课件电子捕获型检测器结构：106ppt课件

进入检测器的载气在β放射源的照射下发生电离，产生的各种离子在恒定电场的作用下形成恒定的基流。当有电负性较大的试样进入时，会捕获带正电的离子，而使基流降低，形成倒峰，组分浓度越高，倒峰愈大。

电子捕获型检测器，高灵敏度，高选择性，常用于痕量的具有特殊官能团的组分分析。食品，农副产品中农药残留量分析；大气、水中痕量污染物分析。注意：载气纯度应在4个9以上。线性范围较宽103左右进样量不可超载。107ppt课件五、检测器的性能指标要求：响应快、灵敏度高、稳定性好、线性范围宽。1、灵敏度（响应值或应答值）

一定浓度或一定质量的试样进入检测器后，就产生一定的相应信号R。如果以进样量Q对检测器作图，就可得到一直线。图中直线的斜率就是检测器的灵敏度。108ppt课件浓度型检测器的灵敏度：109ppt课件Sc——浓度型检测器灵敏度C1——记录仪灵敏度(mV·cm-1)；

C2——记录仪纸速的倒数(min·cm-1);F0——流速；

A——峰面积；m——进样量（mg）浓度型检测器的灵敏度的单位是mV·mL·mg-1，即每毫升载气中有一毫克气试样时在检测器所能产生的相应信号，单位mV。若试样为气体，灵敏度单位是mV·mL·mL-1。110ppt课件质量型检测器灵敏度：111ppt课件2、检出限D（detectionlimit）

检出限也称敏感度。是指检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时，在单位体积或时间需向检测器进入的物质质量（单位为g）通常认为恰能鉴别的响应信号重力应等于检测器噪声的3倍。检出限以D表示，则可定义为N为检测器噪声，指由于各种因素所引起的基线在段时间内左右偏差值（单位mv），S为检测器的灵敏度。一般；D值越小说明仪器越敏感。112ppt课件3、最小检出量Q。（minimumdetectablequantity）

指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），以Q。表示。对于质量型检测器：Q0＝1.065Y1/2D（2-51）对于浓度型检测器：Q0=1.065Y1/2F0D（2-52）Q0与检测器的检出限成正比，但与检出限不同。Q0不仅与检测器性能有关，还与柱效率即操作条件有关。所得色谱峰的半宽度越窄，Q0就越小。113ppt课件

要求检测器能够迅速的和真实的反应通过它的物质的浓度变化情况，即要求相应速度快。检测器体积要小，电路系统的滞后现象尽可能小，一般小于1s，记录仪的全行程时间要（1s）。4、响应时间（responsetime）114ppt课件

指试样量与信号之间保持线性关系的范围，用最大进样量与最小检出量的比值来表示，这个范围越大，越有利于准确定量。5、线性范围（linearrange）115ppt课件§2-6气相色谱定性方法

应用气相色谱法进行定性分析还存在着一定的问题，发展方向：气相色谱——质谱气相色谱——红外一、根据色谱保留值进行定性分析

根据色谱保留值进行定性分析，但要求柱效要高，混合物组分简单，且已知，可一一分离。即使这样，也只能做其它定性方法的旁证。该方法采用的指标为保留指数。116ppt课件二、与其他方法结合的定性分析方法。

1、与质谱、红外等仪器联用；

2、一化学方法配合进行定性分析。三、利用检测器的选择性进行定性分析117ppt课件§2-8气相色谱定量方法

在一定操作条件下，分析组分i的质量（mi）或其在载气中的浓度是与检测器的响应信号（色谱图上表现为峰面积Ai或峰高hi）成正比。可写作：mi=fi·Ai

（色谱定量分析的依据）由上式可见：在定量分析中需要：（1）准确测量峰面积；（2）准确求出比例常数（定量校正因子）（3）根据上式正确选用定量计算方法，将测的组分的峰面积换算为质量分数。118ppt课件一、峰面积测量法1、峰高来求峰宽法使用条件：色谱峰为对称峰依据：等腰三角形的面积计算方法。

A=h·Y1/2

这样测得的峰面积为实际峰面积的0.94倍，实际上峰面积应为：

A=1.605h·Y1/2

绝对测量时，应乘以1.065，相对测量时1.065可约去。此法简单、快速。在实际工作中常采用。（用于对称峰）119ppt课件2、峰高乘以峰底宽度法（作图求峰面积法）这种作图法测得的峰面积约为真实面积的0.98倍，对于矮而宽的峰，此法更准确些。120ppt课件3、峰高乘以平均峰宽法对于不对称色谱峰使用此法可得较准确的结果，平均峰宽是指在峰高0.15和0.85处分别测缝宽，然后取其平均值：121ppt课件4、峰高乘以保留值法

使用条件：狭窄的峰

依据：在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间成正比。

A=h·Y1/2=h·b·tR

相对计算时，b可以约去，于是：

A=h·Y1/2=h·tR122ppt课件5、积分仪积分仪或称数据处理机是测量峰面积最方便的工具，速度快，线性范围宽，精度一般可达0.2％～2％。数字电子积分仪能以数字的形式把峰面积和保留时间打印出来。123ppt课件二、定量校正因子

色谱定量分析是基于被测物质的量与其峰面积的正比关系。但由于同一检测器对不同的物质具有不同的响应值，所以两个相等量的物质出的峰面积往往不相等，这样就不能用峰面积来直接计算物质的量。引入“定量校正因子”quantitativecalibrationfoutor

一定操作条件下，进样量（mi）与响应信号（峰面积Ai）成正比：124ppt课件

为绝对质量校正因子，单位峰面积所代表物质的质量。主要由仪器的灵敏度所决定。不易准确测定，无法直接应用。125ppt课件这是一种最常用的定量校正因子，即：（2-59）式中下标i，s分别代表被测物和标准物质。

1、质量校正因子fm126ppt课件如果以摩尔数计量，则：（2-60）式中Mi，Ms分别为被测物和标准物质相对分子量。2、摩尔校正因子fM127ppt课件

如果以体积计量（气体试样）则体积校正因子就是摩尔校正因子，因为1mol任何气体在标准状态下其体积都是22.4L。

（2-61）对于气体分析，使用摩尔校正因子可得体积分数。3、体积校正因子fV128ppt课件

相对响应值是物质i与标准物质s