气相色谱分析

1、2020/7/2,第二章 气相色谱分析,Gas chromatographic analysis ,GC,教学目标及要求 1.掌握气相色谱仪的组成和分析流程； 2.掌握色谱分离原理及分离基本方程式； 3.掌握下列基本概念：色谱峰、基线、保留值、分离度、分配系数和分配比； 4.掌握气相色谱法定性和定量的依据及分析方法； 5.掌握用相对极性法选择固定液； 6.了解四个常见检测器的构造及特性； 7.理解塔板理论和速率理论； 8.了解常用的气相色谱担体、固定相、固定液的种类及选择原则； 9.了解气相色谱分析操作条件的选择； 10.了解气相色谱法的应用。,重点： 1、色谱流出曲线和有关术语，相关计算。

2、2、气相色谱法的基本原理及分离基本方程式。 3、气相色谱定性分析方法。 4、定量分析方法中校正因子、归一化法及内标法的计算。 难点： 色谱流出曲线和有关术语，气相色谱定性、定量分析方法。,2020/7/2,一、概述（由来、分类和作用 ） Generalization 二、气相色谱仪 Gas chromatographic instruments 三、气相色谱仪流程 Process of gas chromatograph 四、气相色谱主要部件 Main assembly of gas chromatograph 五、基本概念 Basic conception,第一节 气相色谱法概述,Gener

3、alization of gas chromatographic instruments,2020/7/2,一、 色谱法的由来、分类和作用,1.由来 色谱法是混合物最有效的分离、分析方法。 1906年由俄国植物学家茨维特（Tswett）创立的，他在研究植物叶子的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。当时Tswett把这种色带叫做“色谱”（Chromatography）这种方法因此得名为色谱法（当时使用的色谱原型装置如下图）。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人

4、们沿用至今。,2020/7/2,2020/7/2,在色谱法中： （1）将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相称为固定相。 （2）自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相 。 （3）装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱 。 当含有混合物样品的流动相（气体、液体或超临界流体）经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。 20世纪50年代，色谱发展最快（原因：1. 一些新型色谱技术的发展

5、；2. 复杂组分分析发展的要求。） 1937-1972年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的！,在Tswett提出色谱概念后的20多年里没有人关注这一伟大的发明。直到1931年德国的Kuhn和Lederer才重复了Tswett的某些实验，用氧化铝和碳酸钙分离了-，-，和-胡萝卜素，此后用这种方法分离了60多种这类色素。 Martin和Synge在 1940年提出液液分配色谱法（LiquidLiquid Partition Chromatography），即固定相是吸附在硅胶上的水，流动相是某种有机溶剂。1941年马丁Martin和辛吉Syngee提出用气体代替液体作流动相的可能性，11年之后

6、James和Martin发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法（GasLiquid Chromatography），因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。,在此基础上，1957年Golay开创了开管柱气相色谱法（OpenTubular Column Chromatography），习惯上称为毛细管柱气相色谱法（Capillary Column Chromatography ）。1956年Van Deemter等在前人研究的基础上发展了描述色谱过程的速率理论，1965年Giddings总结和扩展了前人的色谱理论，为色谱的发展奠定了理论基础。另一方面早在1944年Consden等就发展了纸色谱(P

7、C)，1949年Macllean等在氧化铝中加入淀粉粘合剂制作薄层板使薄层色谱法（TLC ）得以实际应用，而在1956年Stahl开发出薄层色谱板涂布器之后，才使TLC得到广泛地应用。在60年代末把高压泵和化学键合固定相用于液相色谱，出现了高效液相色谱（HPLC）。80年代初毛细管超临界流体色谱（SFC）得到发展，但在90年代后未得到较广泛的应用。而在80年代初由Jorgenson等集前人经验而发展起来的毛细管电泳(CE)，在90年代得到广泛的发展和应用。同时集HPLC和CZE优点的毛细管电色谱在90年代后期受到重视。到21世纪色谱科学将在生命科学等前沿科学领域发挥不可代替的重要作用。,202

8、0/7/2,2. 色谱法分类 ：,1. 按流动相和固定相的状态分类,2. 按使用领域不同对色谱仪的分类,2020/7/2,2. 气相色谱法分类 ：,2020/7/2,3.色谱分离过程,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,t0,t2,t1,2020/7/2,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,2020/7/2,3.作用 色谱分离过程,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。,在色谱分离中，如果将样品注入色谱柱头，样品本身很快就会在固定相和流动相之间达到分配平衡。当流动相流过时，样品将在流动相和新的固定

9、相上又达到分配平衡。 同时，原来仍在固定相中的样品与新的流动相之间也会形成新的分配平衡。随着流动相不断的流过， 它们就会携带发生分配平衡后而存在于 流动相的样品沿着柱子向前移动。,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。 气相色谱分离原理：P9 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。,2020/7/2,色谱法的特点,（1）分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。

10、 （2） 灵敏度高 可以检测出g.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的各种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。,2020/7/2,二.气相色谱仪,现在，有近百厂家、提供数百种型号的气相色谱仪，价格在几万到几十万。 过去几十年内，色谱仪器得到了极大的发展，这主要归于： 1970s电子积分仪及计算机数据处理装置的发展； 1980s计算机技术对仪器各类参数的自动控制。如柱温、流速、自动

11、进样等。 随着这些技术的发展，仪器性价比大幅提高。其中，GC最重要的发展是开管柱的引入，使含有数百种混合物样品得以分离！,2020/7/2,岛津 GC-14C 气相色谱仪,2020/7/2,2020/7/2,上海分析仪器厂GC122型气相色譜仪,2020/7/2,色-质谱联用仪,2020/7/2,三、气相色谱结构流程,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-进样器；8-色谱柱； 9-热导检测器；10-放大器； 11-温度控制器；12-记录仪；,2020/7/2,结构流程,2020/7/2,四、气相色谱仪主要部件 main assembly of

12、gas chromatograph,载气系统(Carrier gas supply) 气路系统：获得纯净、流速稳定的载 气。包括压力计、流量计 及气体净化装置。 载气: 要求化学惰性，不与有关物质 反应。载气的选择除了要求考 虑 对柱效的影响外，还要与分 析对象和所用的检测器相配。 常用的载气有：氢气、氮气、氦气；,2020/7/2,净化干燥管：去除载气中的水、氧、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。 压力表：多为两级压力指示： 第一级，钢瓶压力(总是高于常压。对填充柱：10-50 psi（Pounds per square

13、 inch ）；对开口毛细柱：1-25 psi)； 第二级，柱头压力指示；( 1psi=6894.76 pa) 流量计: 在柱头前使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确。 通常在柱后，以皂膜流量计(Soap-bubble meter)测流 速。许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制 其流速保持不变。,2020/7/2,2. 进样装置(Sample injection system),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；,2020/7/2,常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液

14、体样品注入气化室(汽化室温度比样品中最易蒸的物质的沸点高约50oC)，通常六通阀进样的重现性好于注射器。 进样要求：进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至20L，对毛细管柱分离，体积约为10-3 L，此时应采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过慢，将导致分离变差(拖尾)。,2020/7/2,液体进样器：,不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用1uL; 10L；毛细管色谱常用1L；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。,2020/7/2,3. 色谱柱（分离柱）,色

15、谱柱：色谱仪的核心部件。 柱材质：不锈钢管或玻璃管融熔石英等，内径3-6毫 米。 长度可根据需要确定。 柱填料：粒度为40-60、60-80或80-100目的色谱固定相。 气-固色谱：固体吸附剂 气-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、颗粒过细、使柱压降增大，对操作不利；反之空隙体积大，柱效低。 填充柱：多为U形或螺旋形，内径36 mm，长13m，内 填固定相；,2020/7/2,开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。 内径0.10.5mm长 达几十至 100m。通常弯成直径 1030cm的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质 快， 因而分离效率高(n可达 106)、分析速

16、度快、样品用量 小。过去是填充柱占主要，但现在，这种情况正在迅 速发生变化，除了一些特定的分析之外，填充柱将会 被更高效、更快速的开管柱所取代！ 柱温： 是影响分离的最重要的因素。其变化应小0.xoC。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。,2020/7/2,4. 检测系统,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

17、有响应； 专属型对特定物质有高灵敏响应； 浓度型: 检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与 浓度成正比。 质量型: 检测的是载气中组分进入检测器中速度变化，即响 应值与单位时间进入检测器的量成正比。,2020/7/2,1. 热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD):是基于各种物质有不同的导热系数而设计的检测器。 2. 氢火焰离子化检测器(Flame ionized detector, FID):是气相色谱中最常用的一种检测器。它的敏感度高，线性范围宽，易于掌握，应用范围广，特别适合于毛细管气相色谱使用。 3. 电子捕获检测器(Electron c

18、apture detector, ECD):是一种用Ni或氖做放射源的离子化检测器，它是气相色谱检测器中灵敏度最高的一种选择性检测器，在气相色谱仪中应用范围仅次于TCD和FID，占第三位。 4. 火焰光度检测器(Flame photometric detector, FPD):是基于样品在富氢火焰中燃烧，使含硫、磷化合物经燃烧后又被氢还原而得到特征光谱的检测器 5. 氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionic detector, TID):是基于样品在富氢火焰中燃烧，使含硫、磷化合物经燃烧后又被氢还原而得到特征光谱的检测器 6. 原子发射检测器(Atomic emission

19、Detector, AED) 7. 硫荧光检测器（Sulfur chemiluminescence Detector, SCD） 根据检测器的响应原理，可将其分为浓度型和质量型检测器。,常用的气相色谱的检测器：,2020/7/2,5. 温度控制系统,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；,2020/7/2,程序升温与恒温对分离的影响比较,2020/7/2,

20、五、基本概念P6,1流出曲线和色谱峰 2基线、噪音和漂移 3保留值：色谱定性参数 4色谱峰的区域宽度：色谱柱效参数,2020/7/2,1流出曲线和色谱峰,流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线 色谱峰：流出曲线上突起部分,2020/7/2,不对称因子,fs在0.951.05之间,fs小于0.95,fs大于1.05,2020/7/2,2基线、噪音和漂移,基线：当没有待测组分进入检测器 时，反映检测器噪音随时间 变化的曲线（稳定平直直线） 噪音：仪器本身所固有的，以噪音 带表示（仪器越好，噪音越小） 漂移：基线向某个方向稳定移动 （仪器未稳定造成）,2020/7/2,3保留值：色谱定性参数,

21、（1）时间表示的保留值 保留时间（retention time） tR：从 进样开始到组分出现浓度极大点时所需 时间，即组分通过色谱柱所需要的时间 死时间（dead time） tm：不被固定 相溶解或吸附的组分的保留时间（即组 分在流动相中的所消耗的时间），或流 动相充满柱内空隙体积占据的空间所需要的时间，又称流动相保留 时间。,调整保留时间（adjusted retention time） tR：组分的保留时间与死时间之差值，即组分在固定相中滞留的时间,2020/7/2,保留体积（retention volume） VR：从进样开始到组分出现浓度极大点时所消耗的流动相的体积,死体积（dea

22、d volume） Vm：不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积，又指色谱柱中未被固定相所占据的空隙体积，即色谱柱的流动相体积（包括色谱仪中的管路、连接头的空间、以及进样器和检测器的空间）。,3,（2）用体积表示的保留值,F0色谱柱出口的载气体积流量,2020/7/2,调整保留体积（adjusted retention volume） VR：保留体积与死体积之差，即组分停留在固定相时所消耗流动相的体积,相对保留值（relative retention） ri,s（选择性系数）：调整保留值之比,2020/7/2,（3）相对保留值r21 : 衡量色谱柱选择性的指标,组分2与组分1调整保留值之

23、比： r21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1,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，如柱径，柱长，填充情况及流动相的流速等无关。它表示了固定相对这两种组分的选择性。是色谱中广泛使用的定性数据。,选择因子21,2020/7/2,4色谱峰的区域宽度：色谱柱效参数,峰宽（peak width） W：正态分布色谱曲线两拐点切线与基线相交的截距,标准差：对应0.607h处峰宽的一半. 注：小，峰窄，柱效高 半峰宽（peak width at half height） W1/2：峰高一半处所对应的峰宽,注：除了用于衡量柱效，还可以计算峰面积,用来衡量色谱峰宽度的参数，有

24、三种表示方法：,2020/7/2,5 色谱流出曲线的数学描述,色谱峰为正态分布（n=103-106)时，由热力学推导，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：,c:色谱流出曲线上任意一点样品的浓度； n:理论塔板数； m:溶质的质量； VR:溶质的保留体积，即从进样到色谱峰极大点出现时通入色谱柱载气的体积； V:在色谱流出曲线上任意一点的保留体积。,2020/7/2,从色谱流出曲线，可以得出许多信息,1.根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数。 2.根据色谱峰的保留值（或位置），可进行定性分析。 3.根据色谱峰下的面积和峰高可进行定量分析。 4.色谱峰的保留值和色谱峰的区域宽度，是评价

25、色谱柱分离 效能的依据。 5.色谱峰两峰的距离，是评价固定相（和流动相）选择是否 合适的依据。,2020/7/2,一、基本原理 postulate 二、塔板理论 Plate theory 三、速率理论 Rate theory 四、分离度 resolution,第二节 色谱理论,Basic theory,色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。 这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过

26、程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。,2020/7/2,1. 分配系数（ partition factor） K,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。,基本原理P8,2020/7/2,分配系数 K 的讨论,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

27、础； 某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。,2020/7/2,2.分配比 （partition ratio）k,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： 容量因子(capacity factor)；容量比(capacity ratio)；,2020/7/2,3. 容量因子与分配系

28、数的关系,式中为相比(phase ratio)。 填充柱相比：635；毛细管柱的相比：501500。 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；,2020/7/2,4. 分配比与保留时间的关系P10,滞留因子（retardation factor）：,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；两者速度之比为滞留因子RS，可以用质量分数表示：,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：,

29、由以上各式，可得： tR = tM(1+k),2020/7/2,色谱理论,色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。,组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？ 组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制； （组分和固定液的结构和性质） 色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，扩散） 两种色谱理论：塔板理论和速率理论；,热力学理论：塔板理论平衡理论 动力学理论：速率理论Van Deemter方程,2020/7/2,塔板理论的四个假设： (1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到； (2)将载气

30、看作成脉动（间歇）过程；每次进气一个塔板体积。 (3)样品和载气均加在第0号塔板上，且忽略样品沿柱方向的纵向扩散。 (4)分配系数在各塔板上是常数。,一、塔板理论-柱分离效能指标(1941,Martin、Synge提出),1.塔板理论（plate theory） 半经验理论； 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；,假设单位质量m=1、k=1,塔板号 0 1 2 3,流出曲线成正态分布,2020/7/2,色谱柱长：L 理论塔板高度H为使组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需要的柱长。 理论塔板数n组分流过色谱柱时，在两相间

31、进行平衡分配的总次数。 则三者的关系为： n = L / H 理论塔板数与色谱参数之间的关系为：,保留时间包含死时间， 在死时间内不参与分配!,2020/7/2,n理无量纲，上下单位必须一致。,2020/7/2,2.有效塔板数和有效塔板高度,单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 由于组分在tM时间内不参与柱内分配。理论塔板数和理论塔板高度不能真实地反映柱效，需引入有效塔板数和有效塔板高度：,注：n有效和 L有效扣除了死 时间更能真实地反映柱效。,2020/7/2,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的色谱条

32、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。,解：,注意：计算n时上下单位一致,2020/7/2,3.塔板理论的特点和不足,成功处： 从热力学角度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，提出了评价柱效高低的n和H的计算式。,指出：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，所得色谱峰越窄。,注意：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，须在给定条件，指定组分测定时才有意义（应指明测定物质）。,2020/7/2,存在问题:

33、(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) 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。,(3) 塔板理论排除了一个重要参数流动相的线速度u， 它只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的影响 因素。即无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效 不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高 柱效的途径。,2020/7/2,二、 速率理论-影响柱效的因素,减小A、B、C三项可提高柱效； 存在着最佳流速； A、B、C三项各与哪些因素有关？,吸收了塔板理论的有效成果H， 并从动力学角度较好

34、地解释了影响柱效的因素,1. 速率方程（也称Van Deemter范.弟姆特方程式） H = A + B/u + Cu,H：理论塔板高度， u：载气的线速度(cm/s),2020/7/2,A涡流扩散项,A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不均匀因子,产生原因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒 的阻力路径不同涡流扩散,流动方向不断地改变，因而形成紊乱的类似 涡流的流动。,2020/7/2,也就是说：固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，A，H，柱效n。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。,注意：颗粒太小，柱压过高且不易填充均匀 填充柱60100目 空心毛细管

35、柱（0.10.5mm），A=0，n理较高,讨 论：,2020/7/2,B/u 分子扩散项,B = 2 Dg ：弯曲因子，填充柱色谱，1。 Dg ：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1） 小结： (1) 存在着浓度差，产生纵向扩散; (2) 扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差; (3) 分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散; (4) 扩散系数：Dg (M载气)-1/2 ； M载气，B值。,产生原因： 峰在固定相中被流动相 推动向前、展开两边浓度差。,2020/7/2,注：为降低纵向扩散，宜选用分子量较大的载气、较高线速度和较低的柱温。 选择载气原则：兼顾分析时间和减小纵向扩散

36、，u 较小时，选M 较大的N2气（粘度大） u 较大时，选M较小的 H2气，He气（粘度小）。,2020/7/2,k为容量因子； Dg 、DL为扩散系数。df为液膜厚度 减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。,C u 传质阻力项,传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即： C =（Cg + CL）,产生原因：样品在气液两相分配，样品未及溶解就被带走，从而造成峰扩张。,2020/7/2,注：固定液应完全覆盖载体表面，不可以太薄，否则柱子寿命短，k太小；T不可以超过固定液最佳使用温度,讨论,小结：范氏方程说明了在色谱分离条件的选择中，填充均匀 程度、填充物的粒度、流动相的

37、种类及流速、固定相 的液膜厚度等对柱效和峰展宽的影响,2020/7/2,2.载气流速与柱效最佳流速P21,载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速，柱效。 载气流速低时： 分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速,柱效 。,H - u曲线与最佳流速： 由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。,2020/7/2,流速与柱效的关系,2020/7/2,3. 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

38、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。,2020/7/2,三、 分离度,塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难分离物质对的

39、分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：保留值之差色谱过程的热力学因素； 区域宽度色谱过程的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示：,2020/7/2,讨论：,色谱分离中的四种情况的讨论：, 柱效较高，K(分配系数)较大,完全分离； K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离； 柱效较低，K较大,但分离的不好； K小，柱效低，分离效果更差。,2020/7/2,分离度的表达式：P17,R=0.8：两峰的分离程度可达89%； R=1：分离程度98%； R=1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。,定义分离度：,由于用柱效和柱的选择性并不能真实地反映组分在色谱柱中 的分离情况，因此需

40、要引入分离度的概念：,令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：,2020/7/2,讨论：,（1）分离度与柱效 P19 分离度与柱效的平方根成正比， r21一定时，增加柱效，可提高分离度， 但组分保留时间增加且峰扩展，分析 时间长。 （2）分离度与容量比 对【k/（1+k）】影响；最佳范围：1k10 采用改变柱温、相比 死体积VM影响大,( 3 )分离度与21 增大21是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当21增加一倍，需要的n有效 减小10000倍。 增大21的最有效方法是选择合适的固定液。,双K与“五保”，塔板n/H。

41、1，没有戏！ R1.5, 全分离。,2020/7/2,例题：,在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和100秒，要达到完全分离，即R=1.5 。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？ 解： 21= 100 / 85 = 1.18 n有效 = 16R2 21 / (21 1) 2 = 161.52 (1.18 / 0.18 ) 2 = 1547（块） L有效 = n有效H有效 = 15470.1 = 155 cm 即柱长为1.55米时，两组分可以得到完全分离。,2020/7/2,例题：,在一定条件下，色谱柱长为米时，两个组分的保留时间分别为12.2s和1

42、2.8s，计算分离度。要达到完全分离，即R=1.5，所需要的柱长。（假设理论塔板数为3600） 解：,分离度：,塔板数增加一倍，分离度增加多少？,2020/7/2,一、色谱柱及使用条件的选择 chromatographic columns and choice of operating condition 二、载气种类和流速的选择 classification of carrier gas and choice of flow rate 三、其它操作条件的选择 choice of other operating condition,第四节 分离操作条件的选择,choice of chromat

43、ographic operating condition,2020/7/2,一、 色谱柱及使用条件的选择 chromatographic columns and choice of operating condition,1. 固定相的选择 气液色谱，应根据“相似相溶”的原则,分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。, 分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。,2020/7/2,分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。,醇、胺、水等

44、强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。,组成复杂、较难分离的试样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。,2020/7/2,2. 固定液配比（涂渍量）的选择,配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比，配比通常在5%25%之间。 配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快。 配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。,2020/7/2,3.柱长和柱内径的选择,增加柱长对提高分离度有利（分离度R正比于柱长L2），但组分的保留时间tR ，且柱阻力，不便操作。 柱长的选用原则是在能满足分离目

45、的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。 填充色谱柱的柱长通常为13米。 可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长或实验确定。 柱内径一般为34厘米。,2020/7/2,4.柱温的确定,首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。,柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。,柱温，分离度，分析时间。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组分的

46、峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的交叠更为严重。,柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。 组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。,2020/7/2,程序升温,2020/7/2,二、 载气种类和流速的选择 classification of carrier gas and choice of flow rate,1. 载气种类的选择 载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。 载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。 热导检测器需要使

47、用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。 在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。,2020/7/2,2. 载气流速的选择,由图可见存在最佳流速（uopt）。实际流速通常稍大于最佳流速，以缩短分析时间。,P21 讨论部分,2020/7/2,三、 其它操作条件的选择 choice of other operating condition,1.进样方式和进样量的选择 液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L等。 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。进样要求动作快、时间短。 气体试样应采气体进样阀进样。

48、,2020/7/2,2.气化温度的选择,色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化； 气化温度一般较柱温高3070C 防止气化温度太高造成试样分解。,2020/7/2,一、气固色谱固定相 stationary phases in Gas-solid chromatograph 二、气液色谱固定相 stationary phases in gas-liquid chromatograph,第四节 固 定 相,stationary phases,2020/7/2,一、气固色谱固定相 stationary phases in Gas-solid chromatograph,1. 种类

49、(1)活性炭 有较大的比表面积，吸附性较强。 (2)活性氧化铝 有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。 (3)硅胶 与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。,2020/7/2,气固色谱固定相,(4)分子筛 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、

50、NO、N2O等。 (5)高分子多孔微球（GDX系列） 新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。 型号：GDX-01、-02、-03、 -04等。适用于水、气体及低级醇的分析。,2020/7/2,2. 气固色谱固定相的特点,（1）性能与制备和活化条件有很大关系； （2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大； （3）种类有限，能分离的对象不多； （4）使用方便。,2020/7/2,二、气液色谱固定相 stationary phases in gas-liquid chromatograph,气液色谱固定相 固定液 + 担体（支持体） ： 小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。 固定

51、液特点： 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。 固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。 担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。,2020/7/2,作为担体使用的物质应满足的条件,比表面积大，孔径分布均匀； 化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应；无催化活性。 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎； 颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、80100目。,1.担体（硅藻土）,2020/7/2,红色担体： 孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。 白色担体： 煅烧

52、前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。 颗 粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。,2020/7/2,表 气液色谱担体,普通硅藻土类担体的表面并非完全惰性，而是具有硅醇基（Si-OH），并有少量金属氧化物。因此，它的表面上既有吸附活性，又有催化活性。如果涂渍的固定液量较低，有可能发生化学反应和不可逆吸附。为此涂渍固定液前应进行预处理，使其表面钝化。 常用的预处理方法有：酸洗（除去碱性作用基团）、碱洗（除去酸性作用基团）、硅烷化（消除氢键结合力）、釉化（表面玻璃化、堵住微孔）等处理方法。 常用的硅烷化试剂有：二甲基二氯硅烷，六甲基二硅烷胺 硅烷化反

53、应:,2020/7/2,2. 固定液及其选择 固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。 (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) 对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数k适当）； d) 对各组分具有良好的选择性。 (2) 选择的基本原则 “相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。,2020/7/2,固定液与组分的作用力： a) 色散力非极性分子之间（瞬时偶极之间静电吸引）； b) 诱导力极性与非极性分子之间（偶极与瞬时偶极之间静电吸引）； c) 取向力极性与极性分子之间（偶极与偶极之间静电吸引） d) 氢键力强度介于化学键力和范

54、德华力之间的静电吸引，亦属取向力。 前三种统属范德华力，后者属特殊范德华力。,(3)固定液的最高最低使用温度,高于最高使用温度易分解，温度低呈固体；最高使用温度不能超过沸点，最低温度不能低于熔点。,(4) 混合固定相 对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上配合使用；,2020/7/2,p31,(5) 固定液分类方法 如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。, 根据固定液的相对极性来分类 (1959, Rohrschneider),规定, 氧二丙腈 (1) : 100 角鲨烷

55、(2) : 0 物质对 (正丁烷, 丁二烯) 或(环己烷, 苯)分别测定在, 氧二丙腈、角鲨烷及欲测极性固定液的色谱柱上的调整保留时间，按照下式计算欲测极性固定液的相对极性Px,固定液的极性的表征不同于化合物极性的表征，化合物的极性用偶极矩表征，而固定液的极性实际上是用典型化合物在固定液上的保留性能来表征，目前多用McReynolds常数表征固定液的极性，即测定五种典型化合物在某一固定液上的保留指数，同时测定这五种典型化合物在角鲨烷上的保留指数，用这两种固定液上保留指数之差来表征固定液的极性。,麦氏常数：x、y、z、u、s表示，分别代表了极性分子间存在着的静电力（偶极定向力）；极性与非极性分子

56、间存在着的诱导力；非极性分子间的色散力；氢键等。也可以用五个数的总和来表示固定相的极性大小，如：，氧二丙睛五个常数的总和为4427，是强极性固定相。, 罗氏常数和麦氏常数,对固定液的选择并没有规律性可循。一般可按“相似相溶”原则来选择。在应用时，应按实际情况而定。 （i）分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。 （ii）分离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出。极性大的后流出。 （iii）分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。 （vi）分离能形成氢键的试样：

57、一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。 （v）复杂的难分离物质：可选用两种或两种以上混合固定液。 对于样品极性情况未知的，一般用最常用的几种固定液做试验。下表列出了几种最常用的固定液。,2020/7/2,表 优选固定液,2020/7/2,一、检测器特性 specific property of detector 二、热导检测器TCD thermal conductivity detector 三、氢火焰离子化检测器 flame ionization detector, FID 四、电子捕获检测器 electron capture detector, ECD 五、其他检测器 other detector,第五节 气相色谱检测器,detector of gas chromatograph,2020/7/2,一、检测器特性 specific property of detector,1.检测器类型 浓度型检测器： 测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测 信号值与组分的浓度成正比。热导检测器； 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，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。FID； 广普型检测器： 对所有物质有响应，热