1、第二章第二章 气相色谱分析气相色谱分析(Gas Chromatography) 2-1 气相色谱法概述气相色谱法概述 n色谱法色谱法(Chromatography)是一种分离分析方法。它是利是一种分离分析方法。它是利用各物质在两相中具有不同的用各物质在两相中具有不同的分配系数分配系数，当两相作相对，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复的分配来达到运动时，这些物质在两相中进行多次反复的分配来达到分离的目的分离的目的 n1903年,俄国植物学家Mikhail Tswett首先采用色谱法分离植物色素nNobel Prize Laureates: A.J.P. Martin, and R.
2、L.M. Synge(英国); Tiselins(瑞典)；1937-1972, 12 Nobel Prize awards related to chromatography色谱分析示意图色谱分析示意图:n固定相固定相:不动的一不动的一相相; 流动相：携带流动相：携带样品流过固定相的样品流过固定相的流动体流动体nTswett方法方法 (经典经典方法方法)nOff line现代色谱法现代色谱法nOn line2.2.色谱法分类色谱法分类 1按两相状态分类按两相状态分类 A. 气相色谱气相色谱(GC): 气体为流动相的色谱气体为流动相的色谱 气固色谱气固色谱: 固定相是固体吸附剂固定相是固体吸附剂
3、 气液色谱气液色谱: 固定相是固定液固定相是固定液 B. 液相色谱液相色谱(LC): 液体为流动相的色谱液体为流动相的色谱 液固色谱液固色谱: 固定相是固体吸附剂固定相是固体吸附剂 液液色谱液液色谱: 固定相是固定液固定相是固定液 C. 超临界流体色谱超临界流体色谱(SFC): 流动相为超临界流流动相为超临界流体体2按分离机理分类 分配色谱分配色谱:利用组分在固定液（固定相）中溶解度溶解度不同而达到分离的方法, 气液/液液吸附色谱吸附色谱:利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力吸附能力强弱不同而得以分离的方法, 气固/液固离子交换色谱离子交换色谱:利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和亲和力大
4、小不同力大小不同而达到分离的方法, LC一种尺寸排阻色谱法尺寸排阻色谱法(凝胶色谱法):利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透选择渗透而达到分离的方法, LC一种亲和色谱亲和色谱法法: 利用不同组分与固定相（固定化分子）的高高专属性亲和力专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的分离, LC一种3按固定相的形式分类固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱柱色谱。固定相填充满玻璃或金属管中的称为填充柱色谱；固定相固定在管内壁的称为开管柱色谱或毛细管柱色谱。 固定相呈平板状的色谱法，称为平板色谱平板色谱，它又可分为薄层色谱薄层色谱和纸色谱纸色谱。 柱色谱柱色谱 填充柱色谱和开管柱色谱填
5、充柱色谱和开管柱色谱 平板色谱平板色谱 薄层色谱和纸色谱薄层色谱和纸色谱4.按固定相材料分类 离子交换色离子交换色谱谱: 以离子交换剂为固定相尺寸排阻色谱法尺寸排阻色谱法(凝胶色谱法):以孔径有一定范围的多孔玻璃或多孔高聚物为固定相化学键合相色谱化学键合相色谱: 采用化学键合相（即通过化学反应将固定液分子键合于多孔载体，如硅胶上）亲和色谱法亲和色谱法: 以固定化的具有高专属性亲和力蛋白质/抗体/抗原为固定相气相色谱法简介 以气体为流动相的柱色谱分离分析方法，可分为气液色谱以气体为流动相的柱色谱分离分析方法，可分为气液色谱法和气固色谱法。法和气固色谱法。 GC具有分离效率高、灵敏度高具有分离效率
6、高、灵敏度高(检测下限检测下限10-1210-14g ) 、分析速度快及应用范围广等特点。分析速度快及应用范围广等特点。 GC能分离性质极相似的物质，如同位素、同分异构体、能分离性质极相似的物质，如同位素、同分异构体、对映体以及组成极复杂的混合物，如石油、污染水样及天对映体以及组成极复杂的混合物，如石油、污染水样及天然精油等。然精油等。 凡能够气化且热稳定、不具腐蚀性的液体或气体，都可用凡能够气化且热稳定、不具腐蚀性的液体或气体，都可用气相色谱法分析。高沸点及热不稳定物物质可衍生化气相色谱法分析。高沸点及热不稳定物物质可衍生化.气相色谱仪GCGC工作过程工作过程1.气路系统n气路系统的目的是将
7、样品载入色谱柱分离后进入检气路系统的目的是将样品载入色谱柱分离后进入检测器测定测器测定n气相色谱常用的载气为氮气、氢气和氦气等。载气气相色谱常用的载气为氮气、氢气和氦气等。载气的选择主要由检测器性质及分离要求所决定的选择主要由检测器性质及分离要求所决定n载气在进入色谱仪前必须经过净化处理载气在进入色谱仪前必须经过净化处理n载气流量由载气流量由稳压阀或稳流阀稳压阀或稳流阀调节控制调节控制n 2. 进样系统进样系统 (进样器，气化室进样器，气化室) 液体样品的进样液体样品的进样通常采用微量注通常采用微量注射器，气体样品射器，气体样品的进样通常采用的进样通常采用医用注射器或六医用注射器或六通阀。通阀
8、。气化室n气化室的作用是将液体或固体样品瞬间气化室的作用是将液体或固体样品瞬间气化而不分解气化而不分解,后进柱分离后进柱分离3.3.分离系统分离系统: :分离样品分离样品（色谱柱，色谱柱，控制温度系统控制温度系统）n色谱柱色谱柱 色谱柱是色谱仪的心脏，安装在温色谱柱是色谱仪的心脏，安装在温控的柱室内，色谱柱有填充柱和开管柱控的柱室内，色谱柱有填充柱和开管柱（亦称毛细管柱）两大类。（亦称毛细管柱）两大类。控制温度系统控制温度系统n色谱柱的温度控制方式有色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温恒温和程序升温二二种。种。n程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向
9、高温作线性或非线性变化，以达到用低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。最短时间获得最佳分离的目的。 对于对于沸点范沸点范围很宽的混合物围很宽的混合物，往往采用，往往采用程序升温法程序升温法进行进行分析。分析。Temperature Programming4.检测系统和数据处理系统检测系统和数据处理系统 检测器把进入的组分按时间及其检测器把进入的组分按时间及其浓度或质浓度或质量量的变化，转化成易于测量的的变化，转化成易于测量的电信号电信号，经过必，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱混合样品的色谱流出曲线
10、流出曲线及定性和定量信息。及定性和定量信息。 常见的有热导检测器、火焰离子化检测常见的有热导检测器、火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器等器、电子捕获检测器、火焰光度检测器等 气相色谱仪可以大致分为以下几大部分：气相色谱仪可以大致分为以下几大部分：1.1.气路系统气路系统2.2.进样系统进样系统3.3.分离系统分离系统4.4.检测系统检测系统5.5.数据处理系统数据处理系统色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语 流出曲线和色流出曲线和色谱峰谱峰 基本术语 (1) 1. 基线基线 柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值，柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值，即图中
11、即图中Ot线稳定的基线应该是线稳定的基线应该是一条水平直线一条水平直线2. 死时间死时间tM 不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间，如图中到出现峰极大值所需的时间称为死时间，如图中 OA3. 保留时间保留时间tR 试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间，试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间，称为保留时间，如图称为保留时间，如图OB它相应于样品到达柱末端的检它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间测器所需的时间. 某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份
12、的的调整保留时间调整保留时间，即，即 tR = tR-tM4调整保留时间调整保留时间tR 指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所指色谱柱在填充后，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而可忽略及检测器的空间的总和当后两项很小而可忽略不计时，死体积可由死时间与流动相体积流速不计时，死体积可由死时间与流动相体积流速F0（Lmin）计算：计算： VM = tMF0 5死体积死体积 VM 从进样开始到被测组份在柱后出现浓度从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相体积。保留体积与极大点时所通
13、过的流动相体积。保留体积与保留时间保留时间tR的关系如下：的关系如下： VR = tRF0 6保留体积保留体积 VR 某组份的保留体积扣除死体积后，某组份的保留体积扣除死体积后，称该组份的调整保留体积，即称该组份的调整保留体积，即 VR= VR- VM7调整保留体积调整保留体积VR 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以以h表示，如图中表示，如图中BA 8. 峰高峰高9、区域宽度、区域宽度1. 标准偏差标准偏差 即即0607倍峰高处色谱峰宽的一半，图中倍峰高处色谱峰宽的一半，图中EF距离的一半。距离的一半。2. 半峰宽半峰宽Y1/2 即峰高一半处对应的峰宽，如图中即
14、峰高一半处对应的峰宽，如图中GH间的距离它与标间的距离它与标准偏差准偏差的关系是：的关系是： Y1/2 = 2.3543. 峰底宽峰底宽Y 即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，如图中即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，如图中IJ的距离它与标准偏差的距离它与标准偏差的关系是：的关系是：Y = 4 某组份某组份2的的调整保留值调整保留值与组份与组份1的的调整保留值调整保留值之比，称之比，称为相对保留值：为相对保留值：10相对保留值相对保留值r21 (柱选择因子)212211RRRRVtrtV r r值越大，表示固定相对组分的选择性越高，则两组分分值越大，表示固定相对组分的选择性越高，则两组
15、分分离得越开。离得越开。r r等于等于1 1时，两组分重叠。时，两组分重叠。 必须注意必须注意: :相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比之比 。线速度RtLr 流动相线速度流动相线速度: :组分速度组分速度: :MLut色谱曲线之用途色谱曲线之用途 根据根据色谱峰的个数色谱峰的个数，可以判断样品中所含组，可以判断样品中所含组 份的份的最少个数最少个数 依据色谱峰的依据色谱峰的保留值保留值(或位置）或位置）进行定性分析进行定性分析 依据色谱峰的依据色谱峰的面积或峰高面积或峰高进行定量分析进行定量分析 依据色谱峰的依据色谱峰的保留值以及峰宽保
16、留值以及峰宽评价色谱柱的分离评价色谱柱的分离效能效能 色谱峰两峰间的距离，色谱峰两峰间的距离，是评价固定相是评价固定相(和流动相和流动相)选选择是否合适的依据择是否合适的依据 2-2 色谱分析理论基础色谱分析理论基础n色谱分离是色谱体系色谱分离是色谱体系热力学过程热力学过程和和动力学过程动力学过程的的综合表现综合表现n热力学过程是指与热力学过程是指与组分在体系中分配系数相关的组分在体系中分配系数相关的过程过程(两峰间的距离两峰间的距离)n动力学过程是指动力学过程是指组分在该体系两相间扩散和传质组分在该体系两相间扩散和传质的过程的过程(峰的宽或窄峰的宽或窄)n各待测组分在色谱体系中的热力学各待测
17、组分在色谱体系中的热力学/动力学性质的动力学性质的不同决定了它们的分离程度不同决定了它们的分离程度 分配色谱的分离是基于样品组分在固定相分配色谱的分离是基于样品组分在固定相/流动相之间反流动相之间反复多次地分配过程，即组分在固定相上的溶解复多次地分配过程，即组分在固定相上的溶解-挥发或吸附挥发或吸附-解吸过程解吸过程, 这种分离过程可用样品分子在两相间的分配系数这种分离过程可用样品分子在两相间的分配系数来描述。来描述。 分配系数分配系数:在一定温度和压力下，组分在固定相和流动在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值相之间分配达平衡时的浓度之比值 分配系数分配系数K
18、分配系数与分离性能cmrRTGKlnK K决定于组分和两相的热力学性质。在一定温度下，决定于组分和两相的热力学性质。在一定温度下，K小的小的组分在流动相中浓度大，先流出色谱柱；反之，后流出色组分在流动相中浓度大，先流出色谱柱；反之，后流出色谱柱。两组分谱柱。两组分K值之比大，（不是指每一组分的值之比大，（不是指每一组分的K的绝对的绝对值值越大），是获得良好色谱分离的关键。越大），是获得良好色谱分离的关键。分配系数与温度成反比，增加温度，分配系数变小。在气分配系数与温度成反比，增加温度，分配系数变小。在气相色谱分离中，柱温是一个很重要的操作参数，温度的选相色谱分离中，柱温是一个很重要的操作参数，
19、温度的选择对分离影响很大，而对液相色谱分离的影响小择对分离影响很大，而对液相色谱分离的影响小分配分配比比k (容量因子) 分配比分配比是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，在固定相和流动相中的平衡时，在固定相和流动相中的总质量比总质量比。即。即 K与k关系 分配比不但与组分和两相性质有关，而且分配比不但与组分和两相性质有关，而且还与两相体积有关还与两相体积有关smmkm组 分 在 固 定 相 中 的 质 量组 分 在 流 动 相 中 的 质 量ssmmmmsscm VVKkkcmVV基本保留方程基本保留方程: 表示组分保留时间与表示组分保留
20、时间与柱长、流动相速度、分配柱长、流动相速度、分配比、分配系数和两相体积之间比、分配系数和两相体积之间的关系。的关系。RMRMMtttktt(1)(1)sRMmVLttkKuV 一一 塔板理论塔板理论n由由MartinMartin等人提出等人提出, ,获获Nobel Prize.Nobel Prize.n塔板的概念是从精馏中借用来的塔板的概念是从精馏中借用来的, ,该理论将一根色谱柱当作该理论将一根色谱柱当作一个精馏塔，其中的每一小段色谱柱相当于精馏塔中的一一个精馏塔，其中的每一小段色谱柱相当于精馏塔中的一个塔板个塔板, ,从而描述组分在色谱柱内的分配行为从而描述组分在色谱柱内的分配行为. .
21、n塔板理论是一种半经验理论，但它能成功地解释色谱流出塔板理论是一种半经验理论，但它能成功地解释色谱流出曲线呈正态分布。同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的曲线呈正态分布。同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。指标。 色谱分离的基本理论色谱分离的基本理论精馏塔示意图1.1.把色谱柱比作精馏塔，视作由许许多多小段把色谱柱比作精馏塔，视作由许许多多小段( (塔板塔板) )组成组成, ,且塔板与塔板之间不连续且塔板与塔板之间不连续; ;塔板之间无分子扩散。塔板之间无分子扩散。2.2.组分在每块塔板的两相间的分配平衡瞬时达到，达到一组分在每块塔板的两相间的分配平衡瞬时达到，达到一次分配平衡所需的最小柱长
22、称为次分配平衡所需的最小柱长称为理论塔板高度理论塔板高度 H H。3.3.一个组分在每块塔板上的分配系数相同一个组分在每块塔板上的分配系数相同4.4.流动相以不连续的形式加入，即以一个一个的塔板体积流动相以不连续的形式加入，即以一个一个的塔板体积加入，连续的色谱过程视作一个塔板中的两相平衡过程加入，连续的色谱过程视作一个塔板中的两相平衡过程的重复。的重复。5.5.塔板数越多，组分在柱内两相间达到分配平衡的次数也塔板数越多，组分在柱内两相间达到分配平衡的次数也越多，柱效越高，分离就越好。越多，柱效越高，分离就越好。 理论塔板数理论塔板数为为: :塔板理论假定HLn m=1g, k=1塔板理论之塔
23、板理论之推导结论推导结论:1. 当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数n大于大于50时，时，可得到基本对称的峰形曲线可得到基本对称的峰形曲线 在色谱柱中，在色谱柱中，n值一般都是很大的，如值一般都是很大的，如GC中可达中可达103106 ，其流出曲线可趋近于正态分布曲线；，其流出曲线可趋近于正态分布曲线；2. 当样品进入色谱柱后，只要当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系各组分在两相间的分配系数数K有微小差异有微小差异，经过反复多次的平衡后，仍可获得，经过反复多次的平衡后，仍可获得良好的分离良好的分离理论塔板数(注意单位) 而理论塔板高度（而理论塔板高
24、度（H H）即：）即：221/25.54()16()RRttnYY例：在柱长例：在柱长2m、5%阿皮松柱、柱温阿皮松柱、柱温100OC、记录、记录纸速为纸速为2.0cm/min的实验条件下，测定苯的保留时间的实验条件下，测定苯的保留时间为为1.5min，半峰宽为，半峰宽为0.20cm。求此色谱柱的理论塔板。求此色谱柱的理论塔板高度。高度。解：依据： =1.2103H=2000/1.2103=1.7（mm）21 / 25 . 5 4 ()RtnY221 / 21 . 55 . 5 4 ()5 . 5 40 . 22RtnY 对于一个色谱系统来讲，理论塔板数越多，理对于一个色谱系统来讲，理论塔板数
25、越多，理论塔板高度越小，色谱峰越窄，表明柱效越高。论塔板高度越小，色谱峰越窄，表明柱效越高。因此，理论塔板数可以用来因此，理论塔板数可以用来1、比较色谱仪的性能比较色谱仪的性能用两台不同的色谱仪测定用两台不同的色谱仪测定同一个物质，比较塔板数同一个物质，比较塔板数2、比较色谱柱的性能比较色谱柱的性能用同一台色谱仪用同一台色谱仪塔板理论之局限性 塔板理论是一种半经验性的理论，它用塔板理论是一种半经验性的理论，它用热力学热力学的观点定量的观点定量说明了溶质在色谱柱中说明了溶质在色谱柱中分配平衡和分离过程，导出流出曲分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极线的
26、数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数 但是色谱过程不仅受热力学的因素影响，而且还与分子的但是色谱过程不仅受热力学的因素影响，而且还与分子的扩散、传质等扩散、传质等动力学动力学因素有关，塔板理论因素有关，塔板理论它的某些基本假它的某些基本假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，只能定性地给只能定性地给出板高的概念，却不能解释出板高的概念，却不能解释板高受哪些因素板高受哪些因素影响，也不能影响，也不能说明说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数为什么在不同的流速
27、下，可以测得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用因而限制了它的应用二 速率理论1956年van Deemter等提出了色谱过程色谱过程动力学动力学理论理论速率理速率理论论。他们吸收了塔板理论中板高的概念吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。 van Deemter方程的数学简化式为 式中u为流动相的线速度为流动相的线速度；A，B，C为常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数、传质项系数。 现分别叙述各项系数的物理意义。 A.A.涡流扩散项涡流扩散项( (Eddy d
28、iffusion)Eddy diffusion) 在填充色谱柱中，在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动障碍，不断改变流动方向，使组分分子在方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类前进中形成紊乱的类似似“涡流涡流”的流动，的流动，故称涡流扩散故称涡流扩散.涡流扩散与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子有关，与流动相的性质、线速度和组分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而均匀细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。对于空心毛细管，不存在涡流扩散。因此A0。 涡流扩散展宽度2pAd
29、 B. 纵向扩散纵向扩散（longitudinal diffusion） 纵向扩散纵向扩散( (纵向分子扩散纵向分子扩散) )是由浓度梯度造成的。组分从是由浓度梯度造成的。组分从柱入口加入，其浓度分布的构柱入口加入，其浓度分布的构型呈型呈“塞子塞子”状。随着流动相状。随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子塞子”必然自发地向前和向必然自发地向前和向后扩散，造成谱带展后扩散，造成谱带展宽。宽。1.为为弯曲因子弯曲因子，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况分子扩散的阻碍情况,一般小于一般小于12.Dg为组分在流动相
30、中为组分在流动相中扩散系数扩散系数。 Dg随柱温升高而增加，随柱温升高而增加，与柱压成反比与柱压成反比; Dg与流动相的相对分子质量与流动相的相对分子质量M的关系为的关系为Dg M-1/2，故在，故在GC中，若用氢气作流动相产生的纵向中，若用氢气作流动相产生的纵向分子扩散要比用氮气时严重。分子扩散要比用氮气时严重。纵向分子扩散展宽度2gBDC. 传质阻力 传质阻力分为传质阻力分为气相传质阻力和液相传质阻力气相传质阻力和液相传质阻力， 组分从流动相扩散到流动相与固定相组分从流动相扩散到流动相与固定相界面界面的传质过程的传质过程中所受到的阻力称为中所受到的阻力称为气相传质阻力气相传质阻力符号同前符
31、号同前如何减小流气相传质阻力?1. 采用细颗粒的固定相采用细颗粒的固定相2. 增大组分在流动相中的扩散系数增大组分在流动相中的扩散系数3. 适当降低流动相线速适当降低流动相线速4. 选用短柱选用短柱22(1)pggdCkD20.01kD. 液相传质阻力 组分从两相界面扩散到液相内部，达到分配平衡后组分从两相界面扩散到液相内部，达到分配平衡后又返回两相界面时受到的阻力，称为又返回两相界面时受到的阻力，称为液相传质阻力。液相传质阻力。 如何减小液相传如何减小液相传质质阻力阻力? ?1. 采用低含量固定液，以减小固定液液膜厚度，但使采用低含量固定液，以减小固定液液膜厚度，但使k也减也减小小2. 选用
32、低粘度固定液，增大组分在固定液中的扩散系数选用低粘度固定液，增大组分在固定液中的扩散系数3. 适当提高柱温及降低流速适当提高柱温及降低流速4. 尽可能使用短柱尽可能使用短柱2223(1)fllkdCkDVan Deemter方程方程: : A为涡流扩散项系数；为涡流扩散项系数；B为纵向分子扩散项系数；为纵向分子扩散项系数；C为气相传为气相传质阻力和液相传质阻力项系数之和质阻力和液相传质阻力项系数之和 由此可知由此可知:流动相线速流动相线速u一定时，仅在一定时，仅在A、B、C较小时，较小时，塔板高度塔板高度H才能较小，柱效才较高；反之柱效较低，色谱峰才能较小，柱效才较高；反之柱效较低，色谱峰将展
33、宽。将展宽。 /glHAB uC uCuAB uCu2222222(1)3(1)gpfpglDdkdHuukDkD20.01kD流动相线速度,分子扩散项和传质阻力项对板高的贡献2-3 2-3 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择1.1.分离度分离度 选择性选择性, ,柱效柱效( (理论塔板数理论塔板数) )均均不能很好地衡量一个色谱系统不能很好地衡量一个色谱系统的分离好坏的分离好坏, ,如右图如右图分离度可很好判断分离好坏分离度可很好判断分离好坏: :分离度是既能反映柱效又能反分离度是既能反映柱效又能反映选择性的指标，又称映选择性的指标，又称总分离总分离效能指标效能指标或或分辨率分辨率.( 2
34、 )(1 )(1 )( 2 )1()2RRttRYY例例 已知某色谱柱的理论塔板数为已知某色谱柱的理论塔板数为3600,组分组分A和和B在该柱上的保留时间为在该柱上的保留时间为27mm和和30mm,求两峰的半峰宽和分离度求两峰的半峰宽和分离度. 21 6 ()RtnYY (1)=27/(3600/16)1/2=1.8 mm Y1/2(1)1.8/1.71.06 mmY(2)=30/(3600/16)1/2=2.0 mm Y1/2(2)2.0/1.71.18 mmR2(30-27)/(1.8+2)6/3.81.6解Y=1.7Y1/2 R值越大，表明相邻两组分分离越好。值越大，表明相邻两组分分离越
35、好。 R1时，分离程度可达时，分离程度可达97.7(两个峰高相同两个峰高相同) 对于两个峰高相同的对称峰，达到基线分离时对于两个峰高相同的对称峰，达到基线分离时，R=1.5，此时，两组分的分离程度达，此时，两组分的分离程度达99. 7%,故常用故常用R=1.5作为相邻两组分已完全分离的标志作为相邻两组分已完全分离的标志。如何判断完全分离?不同分离度时色谱峰分离的程度色谱分离基本方程色谱分离基本方程: 1. 柱效的影响柱效的影响 柱长柱长Ln，柱长，柱长 R ，但分析时间，但分析时间 ，且，且峰宽峰宽 。因此为了增高柱效，用减小塔板高度。因此为了增高柱效，用减小塔板高度H的办法比的办法比增加柱长
36、要好。增加柱长要好。给定给定R下的塔板数下的塔板数:22141nkaRak22222116() ()1kanRak2. 分配比的影响分配比的影响 k , R , 但但k值越大，分析时间越值越大，分析时间越长，峰越展宽。通常长，峰越展宽。通常k值选在值选在1-10范围范围3.3. 相对保留值相对保留值 越大，柱选择性越好，对分离越有越大，柱选择性越好，对分离越有利。利。22141nkaRak色谱分离操作条件的选择色谱分离操作条件的选择: :1柱长的选择柱长的选择 固然增加柱长可使理论塔板数增大，但同时使峰固然增加柱长可使理论塔板数增大，但同时使峰宽加大，分析时间延长。因此，填充柱的柱长要选择宽加
37、大，分析时间延长。因此，填充柱的柱长要选择适当。过长的柱子，总分离效能也不一定高。一般情适当。过长的柱子，总分离效能也不一定高。一般情况下，柱长选择以使组分能完全分离，分离度达到所况下，柱长选择以使组分能完全分离，分离度达到所期望的值为准。期望的值为准。例例 在一根在一根1m长的色谱柱上测得两组分长的色谱柱上测得两组分的分离度为的分离度为0.68,要使它们完全分离要使它们完全分离,则柱则柱长应为多少？长应为多少？解解:根据公式，有根据公式，有 即在其他操作条件不变的条件下，色谱柱长要选择4.87m左右才能使分离度达R=1.5,组分达到完全分离。 2121221)(LLnnRR2222111.5
38、()1()4.87()0.68RLLmR2.载气及其流速的选择载气及其流速的选择 最小塔板高度和最佳线速BCAHCBuCuBdudHopt20min2 例：已知一色谱柱在某温度下的速率方程例：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的的A=0.08cm; B=0.65cm2/s; C=0.003s, 求最佳线速度求最佳线速度u和最小塔板高和最小塔板高H. 解: 欲求 u最佳和H最小,要对速率方程微分,即 dH/dud(A+B/u+Cu)/du -B/u2+C0 而最佳线速: u最佳(B/C)1/2 最小板高: H最小A+2(BC)1/2 可得 u最佳(0.65/0.003)1/214.7cm/s H最
39、小0.08+2(0.650.003)1/20.1683cm3柱温的选择柱温的选择 n提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板高度，改善柱效高度，改善柱效n增加柱温同时又加剧纵向扩散，从而导致柱效下降增加柱温同时又加剧纵向扩散，从而导致柱效下降n较高柱温会导致固定液流失，缩短柱子使用寿命较高柱温会导致固定液流失，缩短柱子使用寿命n较低柱温可改善分离，提高选择性，但会增长分析时间。较低柱温可改善分离，提高选择性，但会增长分析时间。n因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。一般原则是因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。一般原则是：1、在使最难分离的
40、组分有尽可能好的分离前提下，采取适、在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度2、对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法、对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法 4载体粒度及筛分范围的选择载体粒度及筛分范围的选择 载体的粒度愈小，填装愈均匀，柱效就愈高。但载体的粒度愈小，填装愈均匀，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否则，阻力压也急剧增大。一般粒粒度也不能太小。否则，阻力压也急剧增大。一般粒度直径为柱内径的度直径为柱内径的120l25为宜为宜。 5进样量的选择进样量的选择 在实际分析中最大允许进样
41、量应控制在使在实际分析中最大允许进样量应控制在使半峰半峰宽基本不变，而峰高与进样量成线性关系宽基本不变，而峰高与进样量成线性关系。如果超。如果超过最大允许进样量，线性关系遭破坏。过最大允许进样量，线性关系遭破坏。2 - 4 2 - 4 固定相及其选择固定相及其选择 nGC按使用的固定相性质分为气固色谱和气液色谱。n气固色谱固定相为吸附剂，气液色谱填充柱固定相由固定液和载体组成。n由于使用惰性气体作流动相，可以认为组分与流动相分子之间基本没有作用力，决定色谱分离的主要因素是组分和固定相分子之间组分和固定相分子之间的相互作用力的相互作用力 1.气-固色谱固定相固体吸附剂 n炭, 非极性吸附剂; 可
42、分离醇、酸、酚、胺等多种极性化合物也可分离某些异构体。如Carbopackn氧化铝, 中等极性吸附剂，热稳定性和机械强度都很好，主要用于分析C1-C4烃类及其异构体n硅胶, 强极性吸附剂, 用于分析硫化物,如DG系列多孔硅珠，Chromosil、Porasil、Spherosil等n分子筛, 强极性吸附剂，人工合成的硅铝酸盐，可分析H2、O2、N2、CH4和COn高分子多孔微球, 新型的合成有机固定相, 可分析极性的多元醇、脂肪酸或非极性的烃、醚等要求:吸附容量大，热稳定性好，在使用温度下不发生催化活性气液色谱固定相1.担体（载体）载体要求:化学惰性，无表面吸附作用，孔穴均匀，比表面大，耐热性
43、强，无催化活性以及有一定机械强度和浸润性。硅藻土载体使用前须酸洗、碱洗、硅烷化等方法进行处理，目的目的是要分别消除碱性作用中心、酸性作用中心、硅醇基活性氢与组分的作用，以减少峰的拖尾，或不可逆吸附，改进分离。载体类型载体类型n硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体n红色硅藻土和白色硅藻土红色硅藻土适宜于分析非极性或弱极性物质。白色硅藻土分析各种极性化合物n非硅藻土载体有有机玻璃微球载体，氟载体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分析，如HF、Cl2分析 硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基 或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，使用前
44、要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。 载体的表面处理载体的表面处理 （i）酸洗酸洗：用3-6molcm-3盐酸浸煮载体、过滤，水洗至中性。甲醇淋洗，脱水烘干。可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化物。适用于分析酸性物质。（ii）碱洗碱洗：用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质。(iii)硅烷化硅烷化：用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚，以除去表面氢键作用力。如：SiOOHSiOH+ClSiCH2CH2ClOSiCH2OCH2+ 2HClSiSiO常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷
45、（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。 固定液气液色谱中使用的固定液是高沸点有机物，它涂布在惰性载体表面。理想的固定液应满足如下要求：1. 对被测组分化学惰性。2. 热稳定性好，在操作温度下固定液的蒸气压很低，不易流失。3. 对不同的物质具有较高选择性。4. 粘度小、凝固点低，从而可降低固定液的最低使用温度，扩大温度使用范围。5. 对载体表面具有良好浸润性，易涂布均匀。组分与固定液分子间的作用力 n固定液能将不同组分分离是由于组分在固定液中的溶解度不同，而溶解度的差别与组分和固定液分子间的相互作用力大小有关n分子间的作用力主要有定向力、诱导力、色散力和氢键等。固定液的特性固定液的特性 固
46、定液的特性主要是指它的极性或选择性，用它可描述和区别固定液的分离特征。目前大都采用相对极性和固定液特征常数表示。 （i）相对极性：1959年由Rohrschneider（罗氏）提出用相对极性P来表示固定液的分离特征。此法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液，-氧二丙睛的极性为100然后，选择一对物质（如正丁烷一丁二烯或环乙烷一苯），来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到:正丁烷）（丁二烯）(lgrrttq固定液特征常数 nKovats指数n以正构烷烃系列为参比标准,表示一个组分的相对保留能力的大小,可用以定性分析nRohrsc
47、hneider和McReynolds常数n Rohrschneider和McReynolds常数表示固定液的相对极性,为选择合适的固定液提供参考Kovats保留指数1lg( )lg()100 lg()lg()RRnxRnRntxtCIntCtC 保留指数与相对保留值相似，也是用来表示一个组分的相对保留能力的大小。 两者之间的差别在于，相对保留值以任意选定的单个化合物为参比标准，保留指数以正构烷烃系列为参比标准。以正构烷烃系列为参比标准lg( )lg()100lg()lg()RRnxRnZRnZtxtCIntCtCRohrschneider和McReynolds常数 nRohrschneider
48、常数表示固定液的相对极性,用I 表示。I值越大，表示固定液和组分之间的作用力越大。分别测定五种不同作用力的标准物质在被测固定液和参比固定液角鲨烷（非极性）上的保留指数，并计算出在两种固定液上的保留指数差值，即InMcReynolds常数则测定了十种物质(常用前五种),226种固定液的InI值反映了固定液与不同功能团分子之间的作用,并提供了量化指标,可指导实际工作,选择最佳的固定液固定液的选择性 组分分子的蒸汽压和其与固定液分子之间的分子作用力决定了其流出色谱柱的次序 由于两种力交叉作用，且力的大小不可能量化，因此只有通过实验才知道正确流出的次序 两组分要获得良好选择性，必须满足：蒸汽压有足够差
49、别或活度系数要有足够差别 如两组分沸点接近，可通过选择与两者的作用力有足够大差别的固定液获得良好分离固定液的选择原则 对非极性混合物一般选择非极性固定液，各组分按沸点顺序出峰；若非极性混合物中含有极性组分，测沸点相近的极性组分先流出对中等极性混合物一般选择中等极性固定液。若诱导力很小，则组分基本上按沸点顺序出峰。对强极性组分一般选择强极性固定液，各组分按极性顺序出峰，如果极性组分中含有非极性组分，则非极性组分最先流出。对易形成氢键的组分应选用氢键型固定液或极性固定液，组分按形成氢键能力的大小顺序出峰 2-5 检测器检测器 GC检测器是把载气里被分离的各组分的浓度检测器是把载气里被分离的各组分的
50、浓度或质量转换成电信号的装置。或质量转换成电信号的装置。1. 浓度型检测器浓度型检测器 测量的是载气中测量的是载气中某组分浓度瞬间某组分浓度瞬间的变化的变化，如热导检测器和电子捕获检测器。，如热导检测器和电子捕获检测器。2. 质量型检测器质量型检测器 测量的是载气中某组分进入检测器测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即的速度变化，即检测器的响应值和单位时间内进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入检测器某组分的质量成正比。如火焰离子化检。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。测器和火焰光度检测器等。 TCD是根据不同的物质具是根据不同的物质具有不同的有不同的热导系数热导
