1、2023-1-101 第六章第六章气相色谱分析法气相色谱分析法2023-1-102目录目录l6-1 6-1 概述概述l6-2 6-2 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础l6-3 6-3 固定相固定相 l6-4 6-4 气相色谱分离操作条件的选择气相色谱分离操作条件的选择l6-5 6-5 毛细管柱气相色谱法简介毛细管柱气相色谱法简介l6-6 6-6 气相色谱检测器气相色谱检测器 l6-7 6-7 气相色谱定性鉴定方法气相色谱定性鉴定方法l6-8 6-8 气相色谱定量测定方法气相色谱定量测定方法l6-9 6-9 高效液相色谱分析法简介高效液相色谱分析法简介 2023-1-1036-1 概述概
2、述 一、色谱法简介一、色谱法简介(chromatography)l色谱法色谱法又名色层法、层析法，是一种用以分离、分析多又名色层法、层析法，是一种用以分离、分析多组分混合物质的极有效的物理及物理化学分析方法。组分混合物质的极有效的物理及物理化学分析方法。l原理：原理：利用混合物中各组分在两相中具有不同的分配系利用混合物中各组分在两相中具有不同的分配系数数(或吸附系数，渗透性等或吸附系数，渗透性等)，当两相作相对运动时，各组，当两相作相对运动时，各组分在两相中进行多次反复地分配，以达到分离的目的。分在两相中进行多次反复地分配，以达到分离的目的。l色谱分析法：色谱分析法：色谱法应用于分析化学中，并
3、与适当的检色谱法应用于分析化学中，并与适当的检测手段相结合时，就构成了色谱分析法。通常所说的色测手段相结合时，就构成了色谱分析法。通常所说的色谱法即指色谱分析法。谱法即指色谱分析法。2023-1-104 二、色谱法的发展史二、色谱法的发展史 色谱法这种分离技术的应用已有一百多年的历史色谱法这种分离技术的应用已有一百多年的历史了。意识到它对分离、分析的作用和意义的第一人是俄国植了。意识到它对分离、分析的作用和意义的第一人是俄国植物学家茨维特物学家茨维特(Tswett)(Tswett)。l19011901年，茨维特认识到色谱法对分离分析具有重大价值。年，茨维特认识到色谱法对分离分析具有重大价值。l
4、19031903年，在华沙自然科学学会生物学分会会议上，茨维特年，在华沙自然科学学会生物学分会会议上，茨维特在其发表的文章（在其发表的文章（On a new category of adsorption On a new category of adsorption phenomena and their application on Biochemical phenomena and their application on Biochemical analysisanalysis）中提出应用吸附原理分离植物色素的新方法。）中提出应用吸附原理分离植物色素的新方法。2023-1-105l190
5、61906年，年，TswettTswett发表了他的实验结果，他为了分离发表了他的实验结果，他为了分离植物色素，将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳植物色素，将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳酸钙颗粒的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，酸钙颗粒的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，形成一层层不同颜色的色带，使各色素成分得到了形成一层层不同颜色的色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法分离。他将这种分离方法命
6、名为色谱法（chromatographychromatography）。）。l19071907年，茨维特在德国生物会年，茨维特在德国生物会 议上第一次向人们公开展示了议上第一次向人们公开展示了 采用色谱法提纯的植物色素溶采用色谱法提纯的植物色素溶 解液及其色谱图解液及其色谱图显示着彩显示着彩 色环带的柱管。色环带的柱管。2023-1-106l在此后的在此后的2020多年里，几乎无人问津这一技术。多年里，几乎无人问津这一技术。l19311931年，年，Kuhn(Kuhn(库恩库恩)等用同样的方法成功地分离了等用同样的方法成功地分离了胡萝卜素和叶黄素，从此，色谱法开始为人们所重胡萝卜素和叶黄素，从
7、此，色谱法开始为人们所重视，此后，相继出现了各种色谱方法。视，此后，相继出现了各种色谱方法。l19551955年，出现了第一台商业化的气相色谱仪。年，出现了第一台商业化的气相色谱仪。l在我国，气相色谱法起步于在我国，气相色谱法起步于19541954年；年；19601960年研制并年研制并生产了最早的成型仪器；生产了最早的成型仪器；19801980年大规模生产。年大规模生产。2023-1-107l在分析化学领域，色谱法是一个相对年轻的分支学科。在分析化学领域，色谱法是一个相对年轻的分支学科。早期的色谱技术只是一种分离技术而已，与萃取、蒸早期的色谱技术只是一种分离技术而已，与萃取、蒸馏等分离技术不
8、同的是其分离效率高得多。馏等分离技术不同的是其分离效率高得多。l当这种高效的分离技术与各种灵敏的检测技术结合在当这种高效的分离技术与各种灵敏的检测技术结合在一起后，才使得色谱技术成为最重要的一种分析方法，一起后，才使得色谱技术成为最重要的一种分析方法，几乎可以分析所有已知物质，在所有学科领域都得到几乎可以分析所有已知物质，在所有学科领域都得到了广泛的应用。了广泛的应用。l从从19371937年年19721972年，色谱法先后在年，色谱法先后在1212次诺贝尔奖获奖次诺贝尔奖获奖项目的研究工作中起过关键的作用。项目的研究工作中起过关键的作用。(化学化学-9-9；生理；生理学和医学学和医学-3)-
9、3)。2023-1-108 三、色谱分析法的分类三、色谱分析法的分类 一些定义：一些定义：分离柱：分离柱：色谱法中起分离作用的柱。色谱法中起分离作用的柱。固定相固定相(stationary phase)(stationary phase)：固定在柱内的填充物。固定在柱内的填充物。在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的一相。在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的一相。流动相流动相(mobile phase)(mobile phase)：沿着柱流动的流体。沿着柱流动的流体。与固定相处于平衡状态、带动样品向前移动的另一相。与固定相处于平衡状态、带动样品向前移动的另一相。液相色谱法：液相色谱法：以液体
10、作为流动相的色谱法。以液体作为流动相的色谱法。气相色谱法：气相色谱法：以气体作为流动相的色谱法。以气体作为流动相的色谱法。2023-1-109 气相色谱气相色谱气液色谱：流动相为气体，固定相为液体气液色谱：流动相为气体，固定相为液体(涂在担体涂在担体 上或毛细管壁上上或毛细管壁上)。气固色谱：流动相为气体，固定相为固体吸附剂。气固色谱：流动相为气体，固定相为固体吸附剂。液相色谱液相色谱液液色谱：流动相为液体，固定相为液体液液色谱：流动相为液体，固定相为液体(涂在担涂在担 体上或毛细管壁上体上或毛细管壁上)。液固色谱：流动相为液体，固定相为固体吸附剂。液固色谱：流动相为液体，固定相为固体吸附剂。
11、l按使用的固定相和流动相的不同分类：按使用的固定相和流动相的不同分类：2023-1-1010l按分离的原理分类：按分离的原理分类：l吸附色谱法：吸附色谱法：利用吸附剂表面对不同组分的物利用吸附剂表面对不同组分的物 理吸附性能的差异进行分离；固定相为固体吸附剂。理吸附性能的差异进行分离；固定相为固体吸附剂。l分配色谱法：分配色谱法：利用不同组分在两相中有不同的分配系数利用不同组分在两相中有不同的分配系数进行分离；固定相为液体液膜。进行分离；固定相为液体液膜。l离子交换色谱法：离子交换色谱法：利用离子交换原理；固定相为离子交利用离子交换原理；固定相为离子交换剂。换剂。l凝胶渗透色谱法：凝胶渗透色谱
12、法：利用多孔性物质对不同大小分子的排利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用；固定相为凝胶阻作用；固定相为凝胶(又称排阻色谱，尺寸排阻色谱法又称排阻色谱，尺寸排阻色谱法)l化学键合色谱法：化学键合色谱法：通过化学反应将有机分子键合在载体通过化学反应将有机分子键合在载体表面形成的柱填充剂。表面形成的柱填充剂。l离子色谱法：离子色谱法：由离子交换色谱法中产生出来的一种新型由离子交换色谱法中产生出来的一种新型的离子多柱色谱技术的离子多柱色谱技术(分离柱后增加一个抑制柱分离柱后增加一个抑制柱)。2023-1-1011l按固定相使用的方式分类：按固定相使用的方式分类：l柱色谱法：柱色谱法：固定相装在色谱柱
13、内。固定相装在色谱柱内。l纸色谱法：纸色谱法：滤纸为固定相。滤纸为固定相。l薄层色谱法：薄层色谱法：将吸附剂粉末制成薄层作为固定相。将吸附剂粉末制成薄层作为固定相。l按色谱动力学过程分类：按色谱动力学过程分类：冲洗色谱法、顶替色谱法和迎头色谱法冲洗色谱法、顶替色谱法和迎头色谱法l按色谱技术分类：按色谱技术分类：程序升温色谱法、反应色谱法、裂解色谱法、程序升温色谱法、反应色谱法、裂解色谱法、毛细管色谱法、多维色谱法、制备色谱法等毛细管色谱法、多维色谱法、制备色谱法等2023-1-1012 四、色谱分析法的特点四、色谱分析法的特点 高效，灵敏，快速和应用广泛高效，灵敏，快速和应用广泛l分离效率高：
14、分离效率高：几十种甚至上百种性质类似的化合物几十种甚至上百种性质类似的化合物可在同一根色谱柱上得到分离，能解决许多其他分析可在同一根色谱柱上得到分离，能解决许多其他分析方法无能为力的复杂样品分析。方法无能为力的复杂样品分析。l分析速度快：分析速度快：一般而言，色谱法可在几分钟至几十一般而言，色谱法可在几分钟至几十分钟的时间内完成一个复杂样品的分析。分钟的时间内完成一个复杂样品的分析。l检测灵敏度高：检测灵敏度高：随着信号处理和检测器制作技术的随着信号处理和检测器制作技术的进步，不经过预浓缩可以直接检测进步，不经过预浓缩可以直接检测1010-9-9g g级的微量物质。级的微量物质。如采用预浓缩技
15、术，检测下限可以达到如采用预浓缩技术，检测下限可以达到1010-12-12g g数量级。数量级。2023-1-1013l样品用量少：样品用量少：一次分析通常只需数纳升至数微升一次分析通常只需数纳升至数微升的溶液样品。的溶液样品。l选择性好：选择性好：通过选择合适的分离模式和检测方法，通过选择合适的分离模式和检测方法，可以只分离或检测感兴趣的部分物质。可以只分离或检测感兴趣的部分物质。l多组分同时分析：多组分同时分析：在很短的时间内（在很短的时间内（20min20min左左右），可以实现几十种成分的同时分离与定量。右），可以实现几十种成分的同时分离与定量。l易于自动化：易于自动化：现在的色谱仪器
16、已经可以实现从进现在的色谱仪器已经可以实现从进样到数据处理的全自动化操作。样到数据处理的全自动化操作。2023-1-1014l不足之处：不足之处：l定性能力较差：定性能力较差：没有待测物的纯品或相应的色谱没有待测物的纯品或相应的色谱定性数据作对照时，不能从色谱峰给出定性结果。定性数据作对照时，不能从色谱峰给出定性结果。为克服这一缺点，已经发展起来了色谱法与其他为克服这一缺点，已经发展起来了色谱法与其他多种具有定性能力的分析技术的联用。多种具有定性能力的分析技术的联用。l不适用于沸点高于不适用于沸点高于450450的难挥发物质和热不稳定的难挥发物质和热不稳定物质的分析。物质的分析。l现在：现在：
17、近年来，气相色谱近年来，气相色谱质谱、气相色谱质谱、气相色谱红外红外光谱的联用使气相色谱的强分离能力和质谱、红光谱的联用使气相色谱的强分离能力和质谱、红外光谱的强定性能力得到完美的结合，为气相色外光谱的强定性能力得到完美的结合，为气相色谱分析开辟了新的途径。谱分析开辟了新的途径。2023-1-1015 五、气相色谱分析流程五、气相色谱分析流程l气相色谱仪气相色谱仪 图图6-1 6-1 双气路气相色谱仪流程图双气路气相色谱仪流程图2023-1-1016l一般的气相色谱仪由五部分组成一般的气相色谱仪由五部分组成 l载气系统：载气系统：气源、气体净化、气体流速的控制和测量气源、气体净化、气体流速的控
18、制和测量l进样系统：进样系统：进样器、汽化室进样器、汽化室l分离系统：分离系统：色谱柱、柱箱、温度控制装置色谱柱、柱箱、温度控制装置l检测系统：检测系统：检测器、温度控制装置检测器、温度控制装置l记录系统：记录系统：放大器、记录仪（有的还带有数据处理装置）放大器、记录仪（有的还带有数据处理装置）l气相色谱方法气相色谱方法l气固色谱气固色谱l气液色谱气液色谱2023-1-10176-2 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础 在整个色谱分离过程中，流动相始终是以一定在整个色谱分离过程中，流动相始终是以一定的流速（或压力）在固定相间流动的，并将溶质带的流速（或压力）在固定相间流动的，并将溶质带入
19、色谱柱。溶质因分配、吸附等相互作用，进入固入色谱柱。溶质因分配、吸附等相互作用，进入固定相后，从而在固定相中保留。同时，溶质又被流定相后，从而在固定相中保留。同时，溶质又被流动相洗脱下来，进入流动相。与固定相作用越强的动相洗脱下来，进入流动相。与固定相作用越强的溶质在固定相中的保留时间就越长。溶质在固定相中的保留时间就越长。2023-1-1018一、气相色谱常用术语一、气相色谱常用术语l气相色谱流出曲线气相色谱流出曲线 试样中各组分经色谱试样中各组分经色谱柱分离，随载气先后流出柱分离，随载气先后流出色谱柱色谱柱，经检测器转化为，经检测器转化为电信号，信号的大小随时电信号，信号的大小随时间变化。
20、以组分的浓度变间变化。以组分的浓度变化为纵坐标，流出时间为化为纵坐标，流出时间为横坐标所得的曲线为横坐标所得的曲线为色谱色谱流出曲线流出曲线，一般为高斯分，一般为高斯分布曲线。相应的谱图称为布曲线。相应的谱图称为色谱图。色谱图。图图6-2 6-2 色谱流出曲线图色谱流出曲线图色谱峰色谱峰2023-1-1019l常用术语常用术语l基线：基线：只有载气通过时的信号记录，直线。只有载气通过时的信号记录，直线。基线漂移：基线随时间定向的缓慢变化。基线漂移：基线随时间定向的缓慢变化。基线噪声：有各种因素引起的基线起伏。基线噪声：有各种因素引起的基线起伏。l峰高峰高h：色谱峰最高点与基线间距离。色谱峰最高
21、点与基线间距离。l峰面积峰面积A：（定量中介绍）（定量中介绍）h h2023-1-1020l区域宽度：区域宽度：色谱峰宽色谱峰宽标准偏差标准偏差：0.607h 0.607h 处色处色谱峰宽的一半谱峰宽的一半。半峰宽半峰宽 ：峰高一半处色：峰高一半处色谱峰的宽度。谱峰的宽度。峰基宽度峰基宽度 ：通过曲线上的：通过曲线上的拐点所作的切线在基线上的拐点所作的切线在基线上的截距。截距。2/1Y354.22ln222/1YbW4bW图图6-3 6-3 高斯曲线高斯曲线E EG GF FH HI IJ J2023-1-1021l保留值：保留值：试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值。试样中各组分在色谱柱内停
22、留时间的数值。用用时间时间表示：表示：保留时间保留时间 ：待测组分从进样到柱后出现浓度最大值：待测组分从进样到柱后出现浓度最大值 时所需的时间。时所需的时间。死时间死时间 ：不与固定相作用的气体（如空气、甲烷）：不与固定相作用的气体（如空气、甲烷）的保留时间。的保留时间。调整保留时间调整保留时间 ：扣除死时间的保留时间。：扣除死时间的保留时间。MtMRRtttRtRtt tM Mt tR Rt tR R2023-1-1022 用用载气体积载气体积表示：表示：保留体积保留体积 ：从进样到柱后出现待测组分浓度最大值：从进样到柱后出现待测组分浓度最大值 时所通过的载气体积。时所通过的载气体积。死体积
23、死体积 ：色谱柱内除了填充物固定相以外的空隙体：色谱柱内除了填充物固定相以外的空隙体积、色谱仪中管路和连接头间的空间、进样系统及检测积、色谱仪中管路和连接头间的空间、进样系统及检测器的空间总合。器的空间总合。调整保留时间调整保留时间 ：扣除死体积的保留体积。：扣除死体积的保留体积。MVMRRVVVRVRVoRRFtV色谱柱出口处载气色谱柱出口处载气流速，流速，mlmlminmin-1-1oMMFtVoRRFtV或或2023-1-1023 用用相对保留值相对保留值表示：表示：相对保留值相对保留值 ：组分：组分2 2与另一组分与另一组分1 1 调整保留值调整保留值 之比，是一个量纲为之比，是一个量
24、纲为1 1的量。的量。只与柱温及固定相性质有关。只与柱温及固定相性质有关。不随柱径、柱长、填充情况及不随柱径、柱长、填充情况及F FO O变化。变化。表示柱色谱的选择性。表示柱色谱的选择性。色谱定性的主要参数。色谱定性的主要参数。121221RRRRVVttr21r2023-1-1024l气相色谱流出曲线应用气相色谱流出曲线应用l依据色谱峰的位置（保留值）可以进行依据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性测定定性测定。l依据色谱峰的面积或峰高可以进行依据色谱峰的面积或峰高可以进行定量测定定量测定。l依据色谱峰的位置（保留值）及其宽度，可以对依据色谱峰的位置（保留值）及其宽度，可以对色色谱柱分离情况
25、（分离效能）谱柱分离情况（分离效能）进行评价。进行评价。2023-1-1025 二、气相色谱分析理论基础二、气相色谱分析理论基础l基本原理基本原理l色谱分离是一个非常复杂的过程，它是色谱体系热色谱分离是一个非常复杂的过程，它是色谱体系热力学和动力学过程的综合表现。力学和动力学过程的综合表现。热力学过程热力学过程是指与组分在体系中是指与组分在体系中分配系数分配系数相关的相关的过程。过程。动力学过程动力学过程是指组分在该体系两相间是指组分在该体系两相间扩散扩散和和传质传质的过程。的过程。2023-1-1026l气气-固色谱分析固色谱分析中的固定相是一种具有多孔性及大表中的固定相是一种具有多孔性及大
26、表面积的吸附剂颗粒。面积的吸附剂颗粒。在载气的推动下，被测组分在吸附剂表面进行反复在载气的推动下，被测组分在吸附剂表面进行反复的物理吸附、脱附过程。的物理吸附、脱附过程。由于各组分的性质不同，吸附力的差别，使各组分由于各组分的性质不同，吸附力的差别，使各组分在柱中滞留时间不同，从而实现分离。在柱中滞留时间不同，从而实现分离。l气气-液色谱分析液色谱分析中的固定相是在化学惰性的固体颗粒表中的固定相是在化学惰性的固体颗粒表面涂上一层高沸点有机化合物的液膜。面涂上一层高沸点有机化合物的液膜。组分在流动相的带动下，在液膜上进行反复多次的组分在流动相的带动下，在液膜上进行反复多次的 溶解、挥发过程。溶解
27、、挥发过程。由于各组分的性质不同，溶解性的差异，使各组分在由于各组分的性质不同，溶解性的差异，使各组分在柱中滞留时间不同，从而实现分离。柱中滞留时间不同，从而实现分离。2023-1-1027l分配过程：分配过程：物质在固定相和流动相（气相）之间发物质在固定相和流动相（气相）之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程。生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程。l分配系数分配系数K：一定温度下，组分在两相之间分配达到一定温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比。平衡时的浓度比。MSCCK组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度2023-1-1028色谱分离的依据色谱分离的依据l气相色谱分析的分离原理：气相
28、色谱分析的分离原理：不同物质在两相间具有不同物质在两相间具有不同的不同的分配系数分配系数。l分配比分配比k：容量因子、容量比：容量因子、容量比 在一定的温度、压力下，组分在两相之间分配在一定的温度、压力下，组分在两相之间分配达到平衡时，它在两相间的质量比。达到平衡时，它在两相间的质量比。kVVmmVmVmCCKSMMSMMSSMS/MSmmk 相比相比SMVV2023-1-1029l讨论：讨论：K K，k k 均与组分及固定相的热力学性质有关，受均与组分及固定相的热力学性质有关，受T T、P P影响。影响。K K与与 、无关，而无关，而 k k 与与 、有关。有关。组分的分离，对给定的色谱体系
29、，最终决定于组分组分的分离，对给定的色谱体系，最终决定于组分在两相中的相对量，而非相对浓度。因此在两相中的相对量，而非相对浓度。因此 k k 是衡是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。量色谱柱对组分保留能力的重要参数。k k值大，则保留时间长；值大，则保留时间长；k=0k=0，t=tt=tM M滞留因子滞留因子 ：SVSVMVMVSRkmmmuuRSMMSS11/流动相在柱内的线速度，流动相在柱内的线速度，cmcms s-1-1组分在柱内组分在柱内的线速度，的线速度，cmcms s-1-1MRMMRMRStttttttuuk/11/可由实验测得可由实验测得MtLu RStLu 2023-1-1
30、030l基本理论基本理论 试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括两方面：试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括两方面：l试样中各组分在两相间的分配情况。试样中各组分在两相间的分配情况。这与这与K K及组分、及组分、固定相、流动相的结构和性质有关，各色谱峰在柱后固定相、流动相的结构和性质有关，各色谱峰在柱后出现的时间（保留值）反映试样中各组分在两相间的出现的时间（保留值）反映试样中各组分在两相间的分配情况，由色谱过程的分配情况，由色谱过程的热力学因素热力学因素控制。控制。l各组分在色谱柱中的运动情况。各组分在色谱柱中的运动情况。这与各组分在固定相这与各组分在固定相和流动相之间的传质阻力有关，各色谱峰
31、的半峰宽度和流动相之间的传质阻力有关，各色谱峰的半峰宽度反映了各组分在色谱柱中的运动情况，由色谱过程的反映了各组分在色谱柱中的运动情况，由色谱过程的动力学因素动力学因素控制。控制。2023-1-1031l塔板理论（塔板理论（plate theoryplate theory）：）：19521952年由马丁年由马丁(Martin)(Martin)提出。将色谱柱比作一个提出。将色谱柱比作一个精精馏塔馏塔，用塔板概念来描述组分在柱内的分配行为，用塔板概念来描述组分在柱内的分配行为，是一种半经验理论。是一种半经验理论。塔板理论塔板理论假设假设：平衡平衡无分子扩散无分子扩散K K相同相同脉冲进气脉冲进气2
32、023-1-1032结论结论：色谱柱理论塔板数色谱柱理论塔板数n:n:n n越大，色谱峰越大，色谱峰对称对称正态分布曲线正态分布曲线 色谱峰越窄。色谱峰越窄。n n，H H：可作为：可作为柱效能柱效能指标指标 。HLn 222/1)(16)(54.5bRRWtYtn222/1M)(16)t(54.5bRRWtYtn有效有效有效nLH2023-1-1033注意注意：同一色谱柱，不同物质同一色谱柱，不同物质n n，H H不同。不同。分离与否决定于分离与否决定于K K的差别。的差别。不足不足：不能解释塔板高度受哪些因素影响。不能解释塔板高度受哪些因素影响。不能解释，不能解释，F F不同，不同，n n
33、或或H H不同。不同。原因：原因：某些基本假设不当。某些基本假设不当。没有真正的平衡状态；纵向扩散不能忽略；没有真正的平衡状态；纵向扩散不能忽略；K K与浓度无关只在有限浓度范围内成立。与浓度无关只在有限浓度范围内成立。优点优点：直观，便于理解分离过程。直观，便于理解分离过程。2023-1-1034l速率理论（速率理论（rate theoryrate theory）：）：19561956年由荷兰学者范年由荷兰学者范 弟姆特弟姆特(Van Deemter)(Van Deemter)提出。色提出。色谱柱过程的谱柱过程的动力学理论动力学理论。范。范 弟姆特方程式。弟姆特方程式。是常数。越小越好。是常
34、数。越小越好。把塔板理论中的塔板高度概念与组分在两相间把塔板理论中的塔板高度概念与组分在两相间的扩散和传质联系起来，采用随机模式描述组分在的扩散和传质联系起来，采用随机模式描述组分在柱内的分离过程。柱内的分离过程。uCuBAH(11-16)载气的线速度，载气的线速度，m ms s-1-1uABC、2023-1-1035涡流扩散项涡流扩散项 A A：组分分子随载气进入色谱柱，碰到填充物颗粒时组分分子随载气进入色谱柱，碰到填充物颗粒时不得不改变方向，形成紊乱的、类似涡流的流动。不得不改变方向，形成紊乱的、类似涡流的流动。组分分子所经过的路径长短各异，从而引起峰形组分分子所经过的路径长短各异，从而引
35、起峰形的扩展。的扩展。不均匀因子；不均匀因子；平均粒径。平均粒径。与填充状况有关，而与载气的性质、线速度、与填充状况有关，而与载气的性质、线速度、组分无关。组分无关。小颗粒，颗粒均匀，填充均匀，短柱有利于减小颗粒，颗粒均匀，填充均匀，短柱有利于减小小 。pdA2pdAA2023-1-1036涡流扩散涡流扩散(不同路径的影响不同路径的影响).).取决于取决于色谱柱色谱柱大小、形状和填充的好坏。大小、形状和填充的好坏。毛细管毛细管柱柱可忽略该项。可忽略该项。2023-1-1037分子扩散项（纵向扩散项）分子扩散项（纵向扩散项）：“塞子塞子”形的样品，存在沿柱轴方向（纵向）形的样品，存在沿柱轴方向（
36、纵向）的浓度梯度，各组分分子产生纵向分子扩散，的浓度梯度，各组分分子产生纵向分子扩散，使色谱峰扩展。使色谱峰扩展。弯曲因子，填充柱弯曲因子，填充柱 。（毛细管柱。（毛细管柱 ）组分在气相中的扩散系数，单位：组分在气相中的扩散系数，单位：cm2s-1采用摩尔质量大的载气，可以使采用摩尔质量大的载气，可以使B B值减小。值减小。gDB21gDuB/载气MDg112023-1-1038 随着样品带在固定相中的移动，因纵向扩散使样随着样品带在固定相中的移动，因纵向扩散使样品带宽逐渐增加，相应地，得到的色谱峰就越来越宽品带宽逐渐增加，相应地，得到的色谱峰就越来越宽而矮。而矮。图图6-4 纵向扩散引起峰展
37、宽的示意图纵向扩散引起峰展宽的示意图2023-1-1039纵向扩散纵向扩散 气相中分子的扩散气相中分子的扩散 主要决定于气体流速主要决定于气体流速2023-1-1040传质阻力项传质阻力项 C C ：试样组分从气相移动到固定相表面进行浓度试样组分从气相移动到固定相表面进行浓度分配时所受到的阻力。分配时所受到的阻力。组分从固定相的气液界面移动到液相内部进组分从固定相的气液界面移动到液相内部进行质量交换到达分配平衡，又返回气液界面的行质量交换到达分配平衡，又返回气液界面的过程中所受的阻力。过程中所受的阻力。几乎与所有的因素有关。几乎与所有的因素有关。lguCCCgClCgpgpgDdDdkkC22
38、22)1(01.0气相传质阻力气相传质阻力液相传质阻力液相传质阻力lflflDdDdkkC222)1(322023-1-1041综上综上 ：公式说明了填充的均匀程度、担体颗粒、载气公式说明了填充的均匀程度、担体颗粒、载气种类、载气流速、柱温、柱压、固定相液膜厚种类、载气流速、柱温、柱压、固定相液膜厚度等对度等对H H的影响。的影响。对色谱对色谱分离条件的选控分离条件的选控具有指导意义。具有指导意义。uCuBAHulfgpgpDDkkDDkkuDd)1(32)1(01.022222222023-1-10426-3 固定相固定相l气气-固色谱固定相固色谱固定相l吸附剂：吸附剂：l种类：种类：常用：
39、非极性的活性炭、弱极性的氧化铝、强极性常用：非极性的活性炭、弱极性的氧化铝、强极性的硅胶等。的硅胶等。高分子多孔微球（国产品牌号高分子多孔微球（国产品牌号GDXGDX）。）。固定相的选择对色谱分离及分离条件的选固定相的选择对色谱分离及分离条件的选择至关重要。择至关重要。2023-1-1043l气气-液色谱固定相液色谱固定相l担体：担体：化学惰性、多孔性的固体颗粒。化学惰性、多孔性的固体颗粒。l种类：种类：硅藻土型硅藻土型：红色担体，白色担体。：红色担体，白色担体。非硅藻土型：非硅藻土型：氟担体，玻璃微球担体，高分子多孔微球等。氟担体，玻璃微球担体，高分子多孔微球等。l作用：作用：提供一个大的惰
40、性表面，用来承担固定液，使固定液提供一个大的惰性表面，用来承担固定液，使固定液 以薄膜状态分布在其表面。以薄膜状态分布在其表面。l要求：要求：表面化学惰性。表面化学惰性。多孔性。多孔性。热稳定性好，有一定的机械强度。热稳定性好，有一定的机械强度。颗粒均匀，大小适度：一般选颗粒均匀，大小适度：一般选40-6040-60目，目，60-8060-80目，目，80-10080-100目。目。2023-1-1044l固定液：固定液：l对固定液的要求：对固定液的要求：挥发性小。挥发性小。热稳定性好。热稳定性好。对试样各组分有适当的溶解能力。对试样各组分有适当的溶解能力。具有高选择性。具有高选择性。化学稳定
41、性好。化学稳定性好。高沸点有机化合物高沸点有机化合物据被测物选择据被测物选择2023-1-1045l固定液的分离特征：固定液的分离特征：选择固定液的基础选择固定液的基础一般原则：一般原则：“相似相溶相似相溶”。固定液极性表示：固定液极性表示：相对极性相对极性P P。麦氏常数：麦氏常数：x x、y y、z z、u u、s s。l固定液的选择：固定液的选择：分离非极性物质，一般选非极性固定液。分离非极性物质，一般选非极性固定液。分离极性物质，一般选极性固定液。分离极性物质，一般选极性固定液。分离非极性和极性混合物，一般选极性固定液。分离非极性和极性混合物，一般选极性固定液。分离能形成氢键的试样，一
42、般选极性或氢键型固定液。分离能形成氢键的试样，一般选极性或氢键型固定液。分离复杂试样，常采用特殊固定液或混合固定液。分离复杂试样，常采用特殊固定液或混合固定液。2023-1-1046l固定液的用量固定液的用量能均匀覆盖担体表面形成薄的液膜为宜。能均匀覆盖担体表面形成薄的液膜为宜。l固定液的配比：固定液的配比：即，固定液与担体的质量比。即，固定液与担体的质量比。一般在一般在15%-25%15%-25%之间。之间。低低柱效高柱效高分析速度快分析速度快允许进样量少。允许进样量少。2023-1-10476-4 气相色谱分离条件的选择气相色谱分离条件的选择l分离度分离度(resolution)R 两峰保
43、留时间差与两峰峰底宽平均值之商，即两峰保留时间差与两峰峰底宽平均值之商，即 lR R是柱效能、选择性影响因素的总和，可用作色谱柱的是柱效能、选择性影响因素的总和，可用作色谱柱的总分离效能的指标总分离效能的指标。l若峰形对称且满足正态分布，若峰形对称且满足正态分布，R=1R=1，分离程度，分离程度98%98%，R=1.5R=1.5，分离程度，分离程度99.7%99.7%)(2121)1()2(YYttRRR动力学性质动力学性质热力学性质热力学性质两峰完全分两峰完全分开的标志开的标志2023-1-1048l若两峰有重叠，若两峰有重叠，Y Y难测，可用难测，可用R R表示分表示分离度：离度：lR R
44、与与R R物理意义一致，数值不同，应用物理意义一致，数值不同，应用时要注意。时要注意。l经推导：经推导：)(21)2(2/1)1(2/1)1()2(YYttRRR半峰宽代替半峰宽代替峰底宽度峰底宽度59.0RR)r1r(162121有效nR221212)r1r(16Rn有效有效HRL221212)r1r(162023-1-1049l例：假设两组分的相对保留值例：假设两组分的相对保留值r r2121为为1.151.15，要在一，要在一根填充柱上获得完全分离（即，根填充柱上获得完全分离（即，R=1.5R=1.5）,需有效需有效塔板数和柱长各为多少？塔板数和柱长各为多少？解：解：一般填充柱的一般填充
45、柱的H H有效有效=0.1cm=0.1cm，则，则2112)15.015.1(5.16.1)r1r(1622221212Rn有效211cm有效有效HnL2023-1-1050l色谱分离的基本方程色谱分离的基本方程 对难分离的物质，近似的有对难分离的物质，近似的有 ，则则 YYY21色谱分离基本方程色谱分离基本方程kkk21)1()1(412121kknR有效nkkn2)1()1(412121有效nR2023-1-1051l分离度与柱效的关系（柱效因子）：分离度与柱效的关系（柱效因子）：lnn，RR，可以增加柱长来改进分离度，但是延长，可以增加柱长来改进分离度，但是延长了组分在柱内的保留时间，使
46、峰形扩展。了组分在柱内的保留时间，使峰形扩展。l方法：方法：应从减小应从减小H H入手，即，制备性能优良的柱子入手，即，制备性能优良的柱子并在最优化条件下进行操作。并在最优化条件下进行操作。l分离度与容量比的关系（容量因子）：分离度与容量比的关系（容量因子）：lkk，RR，但，但k10k10时，效果并不明显，反而使分析时，效果并不明显，反而使分析时间延长。故应选时间延长。故应选1k101k10。l方法：方法：改变柱温改变柱温T T，使，使 变。变。改变相比改变相比 ，减小死体积，减小死体积 ，使，使 。kMVk)1()1(412121kknR2023-1-105221l分离度与柱选择性的关系（
47、选择因子）：分离度与柱选择性的关系（选择因子）：l 是柱选择性的量度，是柱选择性的量度，越大，柱选择性越好，越大，柱选择性越好，分离效果越好。分离效果越好。l ，RR；一定；一定R R下，大的下，大的 值可使组分在理值可使组分在理论塔板数小的色谱柱上实现分离。论塔板数小的色谱柱上实现分离。l方法：方法：改变固定相，使各组分的分配系数有较大改变固定相，使各组分的分配系数有较大差别。差别。212121)1()1(412121kknR2023-1-1053l气相色谱分离操作条件的选择气相色谱分离操作条件的选择 综上，要是气相色谱分离获得理想的效果，操作综上，要是气相色谱分离获得理想的效果，操作条件的
48、选择是关键，而固定相的选择是前提。条件的选择是关键，而固定相的选择是前提。l载气种类与流速的选择：载气种类与流速的选择：02CuBdudHCB最佳uuCuBAH图图6-4 6-4 塔板高度与载气线速的关系塔板高度与载气线速的关系BC2 AH最小2023-1-1054ul 小：小：主要，应选主要，应选 大的载气，以抑制扩大的载气，以抑制扩散。散。l 大：大：主要，应选主要，应选 小的载气，以减小传小的载气，以减小传质阻力。质阻力。l选择载气还应考虑不同检测器的适应性。选择载气还应考虑不同检测器的适应性。l一般：一般：N N2 2，20-60ml20-60mlmin-1 H H2 2，40-90m
49、l40-90mlmin-1 。uB/载MuuC载M2023-1-1055l柱温的选择：柱温的选择：l柱温要低于固定液的最高使用温度。柱温要低于固定液的最高使用温度。l柱温柱温，各组分挥发靠拢，各组分挥发靠拢，K K。l柱温柱温，H 。l选择原则：选择原则：在使最难分离的组分能尽可能好的分离的前提在使最难分离的组分能尽可能好的分离的前提下，尽可能采用较低的柱温，但以保留时间适下，尽可能采用较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。宜，峰形不拖尾为度。一般选低于组分平均沸点一般选低于组分平均沸点20-3020-30，常用程序常用程序升温升温。gDlD2023-1-1056l柱长、柱内径的选择：
50、柱长、柱内径的选择：l柱长：柱长：保证分离的前提下，选短柱。常用保证分离的前提下，选短柱。常用1-3m1-3m。l柱内径：柱内径：一般为一般为3-4mm3-4mm。l进样量和进样时间的选择：进样量和进样时间的选择：l进样量：进样量：液样：液样：0.1-50.1-5ll气样：气样：0.10.1-10 ml-10 mll进样时间：进样时间：速度要快，速度要快，1s1s以内。以内。l气化温度的选择：气化温度的选择：l保证样品不分解的情况下，可适当提高气化温度。保证样品不分解的情况下，可适当提高气化温度。l接近组分平均沸点，高于柱温接近组分平均沸点，高于柱温30-7030-70。2023-1-1057
