气相色谱分析-3

第二章气相色谱分析2023/11/10第一节色谱概述第二节气相色谱分析理论基础第三节气相色谱仪第四节气相色谱固定相及其选择第五节气相色谱定性和定量方法第六节气相色谱分析法的示例及应用一、色谱法的特点、分类和作用

2023/11/101.概述

混合物最有效的分离、分析方法。俄国植物学家茨维特在1903年使用的装置：色谱原型装置，如图。

色谱法是一种分离技术，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。第一节色谱概述色谱法

2023/11/10

当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。2.色谱法分类

2023/11/10(1)气相色谱：流动相为气体（称为载气）。按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱液相色谱2023/11/10(2)液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。离子交换色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同pH值的水溶液为流动相。(3)其他色谱方法2023/11/10薄层色谱和纸色谱：比较简单的色谱方法凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。超临界色谱:CO2流动相。高效毛细管电泳:九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。3.色谱法的特点2023/11/10（1）分离效率高

复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2）灵敏度高

可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。（3）分析速度快

一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4）应用范围广

气相色谱：沸点低于400℃的热稳定有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。

不足之处：

被分离组分的定性较为困难。二、色谱分离过程2023/11/10色谱分离过程是在色谱柱内完成的。填充柱色谱:气固(液固)色谱和气液(液液)色谱，两者的分离机理不同。气固(液固)色谱的固定相:多孔性的固体吸附剂颗粒。

固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。气液(液液)色谱的固定相:由担体和固定液所组成。

固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。气固色谱的分离机理:吸附与脱附的不断重复过程；气液色谱的分离机理：

气液(液液)两相间的反复多次分配过程。气相色谱分离过程2023/11/10当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附;随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附;挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附;随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。色谱分离过程（色谱图）

混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应三、色谱流出曲线与术语2023/11/101.基线

无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。2.保留值

（1）时间表示的保留值

保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；

调整保留时间（tR

＇）：tR＇=tR－tM

（2）用体积表示的保留值2023/11/10

保留体积（VR）：VR=tR×F0F0为柱出口处的载气流量，单位：mL/min。

死体积（VM）：VM=tM×F0

调整保留体积(VR＇)：VR＇=VR－VM

3.相对保留值r212023/11/10组分2与组分1调整保留值之比：

r21=t´R2

/t´R1=V´R2/V´R1相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。4.区域宽度2023/11/10

用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法：（1）标准偏差(

)：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。（2）半峰宽(Y1/2)：色谱峰高一半处的宽度Y1/2=2.354

（3）峰底宽(Wb)：Wb=4

一.气固和气液色谱分析的理论

1.分配系数（PARTIONFACTOR）K2023/11/10

组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g/mL）比，称为分配系数，用K表示，即：分配系数是色谱分离的依据。第二节气相色谱分析理论基础分配系数K的讨论2023/11/10

一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；试样一定时，K主要取决于固定相性质；每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。2.分配比（PARTIONRADIO）K2023/11/10

在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：

1.分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。2.分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。3.分配比可以由实验测得。分配比也称为：容量因子；容量比3.分配比与分配系数的关系

2023/11/10

式中β为相比。填充柱相比：6～35；毛细管柱的相比：50～1500。容量因子越大，保留时间越长。

VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；

VS为固定相体积，对不同类型色谱柱，VS的含义不同；

气-液色谱柱：VS为固定液体积；

气-固色谱柱：VS为吸附剂表面容量；4.分配比与保留时间的关系

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滞留因子（retardationfactor）：us：组分在分离柱内的线速度；u：流动相在分离柱内的线速度；滞留因子RS也可以用质量分数ω表示：若组分和流动相通过长度为L的分离柱，需要的时间分别为tR和tM，则：由以上各式，可得：tR=tM(1+k)2023/11/10二.色谱分离的基本理论1.塔板理论（platetheory）两组份峰间距足够远：由各组份在两相间的分配系数决定，即由色谱过程的

热力学性质决定。每个组份峰宽足够小：由组份在色谱柱中的传质和扩散决定，即由色谱过程

动力学性质决定。因此，研究、解释色谱分离行为应从热力学和动力学两方面进行。1952年，Martin等人提出的塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。

2023/11/10塔板理论假定：1）塔板之间不连续；2）塔板之间无分子扩散；3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H；4）某组分在所有塔板上的分配系数相同；5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。

当塔板数n较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；当塔板数n>50时，峰形接近正态分布。理论塔板数n：可见理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。若柱长为L，则每块理论塔板高度H为

由上述两式知道，理论塔板数n越多、理论塔板高度H越小、色谱峰越窄，则柱效越高。但上述两式包含死时间t0，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。因此，通常以有效塔板数neff和有效塔板高度Heff表示：有关塔板理论的说明：1）说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等；2）应定期对柱效进行评价，以防柱效下降、延长柱寿命。3）塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程、导出流出曲线的数学模型、解释了流出曲线形状和位置、提出了计算和评价柱效的参数。

但该理论是在理想情况下导出的，未考虑分子扩散因素、其它动力学因素对柱内传质的影响。因此它不能解释：峰形为什么会扩张？影响柱效的动力学因素是什么？速率理论1956年，荷兰化学工程师vanDeemter提出了色谱过程动力学速率理论：吸收了塔板理论中的板高H概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而给出了vanDeemter方程：

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—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。2.速率理论（ratetheory）1）涡流扩散项(eddydiffusionterm,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”。A=2dp其中dp—填充物平均直径；—填充不均匀因子。

可见，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。2）分子扩散项(Longitudinaldiffusionterm,B/u)

纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。当样品被注入色谱柱时，它呈“塞子”状分布。随着流动相的推进，“塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其分子扩散系数B大小为B=2D—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；D—组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以Dg或Dm表示；讨论：分子量大的组分，Dg小，即B小

Dg随柱温升高而增加，随柱压降低而减小；流动相分子量大，Dg小，即B小；

u增加，组份停留时间短，纵向扩散小；（B/u）对于液相色谱，因Dm

较小，B项可勿略。球状颗粒；大分子量流动相；适当增加流速；短柱；低温。3）传质阻力项(Mass-transferterm,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。气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，二者传质过程不完全相同。下面分别作讨论。气液色谱：传质阻力项C包括气相传质阻力系数Cs和液相传质阻力系数Cl。流动相固液界面固定液组分分子ClCg2023/11/101.载气系统

包括气源、净化干燥管和载气流速控制；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。第三节气相色谱仪2.进样装置2023/11/10进样装置：进样器+气化室；气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱；

液体进样器：2023/11/10不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10μL；毛细管色谱常用1μL；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。

气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。3.色谱柱（分离柱）2023/11/10

色谱柱：色谱仪的核心部件。柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。

液-固色谱：固体吸附剂液-液色谱：担体+固定液

柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。有关固定液性质及其选择见下一节。4.检测系统2023/11/10

色谱仪的眼睛通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；

检测器：广普型——对所有物质均有响应；

专属型——对特定物质有高灵敏响应；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；

5.温度控制系统2023/11/10

温度是色谱分离条件的重要选择参数；

气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；

气化室：保证液体试样瞬间气化；

检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；

分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离；（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。其定义为：

利用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度R。

R越大，相邻组分分离越好。当R=1.5时，分离程度可达99.7%，因此R=1.5通常用作是否完全分开的判据。第四节气相色谱分离条件及固定相的选择一.分离度及色谱分离方程R=1.5R=0.75R=1.0响应信号保留时间t,min(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。也就是说，R未与影响其大小的因素：柱效n、选择因子和保留因子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，W1W2=W。因此可导出R与n（neff）、和k的关系。概念、表示方法及计算公式汇总表-1表-2分离操作条件的选择1.载气及其流速的选择

由vanDeemter方程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，色谱峰将展宽。以u对H作图，可得H-u曲线（如图），从该曲线得到：

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，此时选择分子量大的气体如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，此时选择分子量小的气体如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()；板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u2.柱温的选择：柱温是影响分离的最重要的因素。选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分析时间20-30min)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。恒温：45oC程序升温：30~180oC恒温：145oC温度低，分离效果好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，但分析时间短，但分离效果差程序升温与恒温对分离的影响比较程序升温:在分析周期内使柱温按预定的升温程序由低向高逐渐变化，使不同沸点的组份在各自最佳的温度流出，改善分离效果。2023/11/103.固定液的性质和用量：固定液的性质对分离起决定作用。担体表面积越大，固定液用量可以越高，允许的进样量也越多。目前，常用低固定液含量的色谱柱，柱效能高，分析时间短。2023/11/104.担体的性质和粒度：对3-6mm色谱柱，使用80-100目的担体较合适。5.进样时间和进样：时间：1s内进样量：液体试样0.1-5微升

气体试样0.1-10毫升6.气化温度：比柱温高30-70度。分离柱中固定相组成与性质直接影响分离效能。固定相分为两类：

1）固体固定相

2）液体固定相第四节气相色谱固定相及其选择

利用固体表面有一定活性的基团对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。一.固体固定相常用固定相性质及其分离对象气液色谱固定相由载体和固定液构成。载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。1.担体(也称载体)对载体的要求：粒度均匀、高强度的球形小颗粒；至少1m2/g的比表面；高温下呈惰性；并可被固定液完全浸润。二.液体固定相——担体+固定液载体类型：分为硅藻土型和非硅藻土型，

前者又分为白色和红色担体。载体的处理：硅藻土含有硅醇基，不完全化学惰性，需进行化学处理。如与硅烷化试剂反应，生成硅醚。或进行酸洗、碱洗处理。2.固定液及其选择1）对固定液的要求：a)热稳定性好、蒸汽压低——流失少；b)化学稳定性好——不与其它物质反应；c)对试样有合适的溶解能力——分配系数K适当；d)对各组分具有良好的选择性。2）固定液的分类：固定液最常用的分类方法是按极性进行分类。相对极性P：规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液

,-氧二丙腈的极性为100，例如丁二烯和正已烷分别在角鲨烷、

,-氧二丙腈及待测固定液柱上测定所选物质对的相对保留值，并取对数：从下列公式求得待测固定液的相对极性Px：其中q1,q2,qx分别表示物质对在角鲨烷、

,-氧二丙腈和待测固定液的相对保留值。Px在0~100之间，每20单位为一级，即将极性分为5级：0,+1(非极性)；+1,+2(弱极性)；+3(中等极性；+4,+5(强极性)3）固定液选择：按“相似相溶”原理选择固定液。非极性组分——非极性固定液——沸点低的物质先流出；极性物质——极性固定液——极性小的物质先流出；各类极性混合物——极性固定液——极性小的物质先流出；氢键型物质——氢键型固定液——不易形成氢键的物质先流出；复杂混合物——两种或以上混合固定液固定液分类及选择一、定性分析方法1、利用保留值与已知物对照定性

当有待测组分的纯样品时，用对照法进行定性极为简单。实验时，可采用单柱比较法，双柱比较法或峰高加入法。1)单柱比较法：在相同的色谱条件下，分别对已知纯样及待测试样进行色谱分析，得到两张色谱图，然后比较其保留时间或保留体积，当两者的参数相同时，即可认为待测试样中可能有纯样品那种组分存在。第五节气相色谱定性和定量方法2）双柱比较法在两个极性完全不同的色谱柱上，测定纯样品和待测组分在其上的保留值，如果都相同，则可较准确地判断试样中有与此纯样相同的物质存在。双柱法比单柱法更为可靠，因为有些不同的化合物会在某一固定液上表现出相同的色谱性质。3）峰高加入法

将已知纯样加入待测组分后再进行一次分析，然后与原来的待测组分的色谱图进行比较，若前者的色谱峰增高而半峰宽不变，则可认为加入的已知纯物与样品中的某一组分为同一化合物。当进样量很低时，如果峰不重合，峰中出现转折，或者半峰宽变宽，则一般可以肯定试样中不含与所加已知纯物相同的化合物。2、利用保留值经验规律定性碳数规律：

大量实验事实证明，在一定温度下，同系物的调整保留时间的对数与分子中碳原子数成线性关系：

lgtR＇=A1n+C1

式中A1和C1是常数，n（n≥3）为分子中的碳原子数。该式说明，如果知道某一同系物中两个或更多组分的调整保留值，则可根据上式推知同系物中其它组分的调整保留值。

沸点规律：

同族具有相同碳数碳链的异构体化合物，其调整保留时间的对数和它们的沸点呈线性关系：

lgtR＇=A2Tb+C2

式中A2和C2均为常数，Tb为组分的沸点（K）。由此可见，根据同族同数碳链异构体中几个已知组分的调整保留时间的对数值，就能求得同族中具有相同碳数的其它异构体的调整保留时间。3、根据文献保留数据定性

相对保留值定性法保留指数定性法相对保留值定性法

用组分i与基准物质s的相对保留值ri,s作为定性指标对未知组分i定性的方法称为相对保留值法。

相对保留值只与两组分的分配系数有关，不受其它操作条件影响，只要固定相性质与柱温确定，相对保留值就是一个定值。测定时，有关文献提供的组分i与某基准物s的相对保留值ri,s可作为初步定性依据。

保留指数定性法

人为规定正构烷烃的保留指数为其碳数乘100，被测物质的保留指数则可采用两个相邻正构烷烃的保留指数进行标定。测定时，将碳数为n和n＋1的正构烷烃加到被测物质中进行色谱分析，x的保留指数Ix可按下式计算：

二、

定量分析方法

当操作条件一定时，被测组分的质量mi或浓度与检测器的响应讯号（峰面积或峰高）成正比：

mi=f’iAimi：i的质量；f’i：定量校正因子（比例常数）；

Ai：峰面积。此式为色谱定量分析的依