氣相色譜分析

氣相色譜分析第一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日第二章氣相色譜分析§2-1氣相色譜法概述一、色譜法的由來二、色譜法的分離原理三、色譜法定義、實質(zhì)和目的四、色譜法的分類五、氣相色譜法的儀器裝置六、色譜流出曲線圖及相關(guān)色譜術(shù)語七、色譜流出曲線的意義八、色譜法的特點第二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日一、色譜法的由來

1．1906年由俄國植物學家Tsweet創(chuàng)立

植物色素分離見圖1所示

2．現(xiàn)在：一種重要的分離、分析技術(shù)分離混合物各組分并加以分析

固定相——除了固體，還可以是液體流動相——液體或氣體色譜柱——各種材質(zhì)和尺寸被分離組分——不再僅局限于有色物質(zhì)第三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日色帶固定相——CaCO3顆粒流動相——石油醚

圖1第四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

二、色譜法定義、實質(zhì)和目的定義：利用物質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)（表示溶解或吸附的能力）不同而進行分析的方法。實質(zhì)：分離目的：定性分析或定量分析三.色譜法的分離原理將混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，稱為固定相，另一相是攜帶混合物流過固定相的流體，稱為流動相。當流動相中所含混合物經(jīng)過固定相時，會與固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的不同，與固定相發(fā)生作用的大小，強弱不同，因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后不同次序從固定相中流出，最終達到分離的目的。第五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日四、色譜法的分類（一）按兩相物理狀態(tài)分

1.氣相色譜法(GC)：用氣體作流動相的色譜法氣-固色譜法GSC：固定相為固體吸附劑氣-液色譜法GLC：固定相為涂在固體或毛細管壁

2.液相色譜法(LC)：用液體作流動相的色譜法液-固色譜法LSC：固定相為固體吸附劑

液-液色譜法LLC：固定相為涂在固體載體上的液體第六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（二）按固定相的形式1.柱色譜法（columnchromatography）：固定相裝在柱中,試樣沿著一個方向移動而進行分離。

填充柱色譜法：固定相填充滿玻璃管和金屬管中

開管柱色譜法：固定相固定在細管內(nèi)壁（毛細管柱色譜法）

2.平板色譜法（planerchromatography）：固定相呈平面狀的色譜法。

紙色譜法：以吸附水分的濾紙作固定相。

薄層色譜法：以涂敷在玻璃板上的吸附劑作固定相

第七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日第八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（三）按分離原理分(可分為五類)1.吸附色譜法（adsorptionchromatography)

根據(jù)吸附劑表面對不同組分物理吸附能力的強弱差異進行分離的方法。

如：氣一固色譜法、液-固色譜法2.分配色譜法（partitionchromatography)

根據(jù)不同組分在固定相中的溶解能力和在兩相間分配系數(shù)的差異進行分離的方法。

如：氣-液色譜法、液-液色譜法3.離子交換色譜法(ionexchangechromatography)根據(jù)不同組分離子對固定相親和力的差異進行分離的方法。（利用離子交換原理）

第九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日4.排阻色譜法(sizeexclusiochromatography)又稱凝膠色譜法(gelchromatography),根據(jù)多孔性物質(zhì)對不同大小分子的排阻作用進行分離的方法。其中以水溶液作流動相的稱為凝膠過濾色譜法以有機溶劑作流動相的稱為凝膠滲透色譜法5.親合色譜法(affinitychromatography)利用不同組分與固定相共價鍵合的高專屬反應(yīng)進行分離的方法。

第十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日五、氣相色譜法的儀器裝置

氣相色譜儀包括載氣系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)等五部分第十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日第十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日第十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日1.載氣：氣相色譜中常用的載氣有氫氣、氮氣、氦氣和氬氣，一般由相應(yīng)的高壓鋼瓶供給。載氣的作用：一是作為動力，它驅(qū)動樣品在色譜柱中流動，并把分離后的各組分推進檢測器

二是為樣品的分配提供一個相空間?？梢娸d氣既要與固定相充分按觸，又要直接進入檢測器。所以載氣的性質(zhì)、純度、流速和壓力對柱效率、分析時間和檢測器靈敏度都有很大的影響。一般根據(jù)所選用的檢測器和其它一些因素選擇合適的載氣。第十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

氣路結(jié)構(gòu)

氣路結(jié)構(gòu)可分為單柱單氣路和雙柱雙氣路兩類。其中單柱單氣路適用于恒溫分析，一些較簡單的氣相色譜均屬此類。雙柱雙氣路可補償氣流不穩(wěn)定及固定液流失對檢測器產(chǎn)生的干擾，特別適合于程序升溫操作。第十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

2.進樣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)就是把樣品快速而定量地加到色譜柱上端,以便進行分離.進樣系統(tǒng)包括進樣器和氣化室兩部分.

液體樣品用微量注射器進樣.常用的微量注射器有1、5、10mL等多種規(guī)格.氣體樣品除用微量注射器外還可用六通閥進樣,六通閥進樣重現(xiàn)性好,體積相對誤差較小.

氣化室又稱為樣品注射室,由電加熱的金屬塊制成,它的作用是將液體樣品瞬間氣化,以避免氣化過程長而影響色譜峰形.第十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

3.分離系統(tǒng)分離系統(tǒng)包括色譜柱、色譜爐(柱箱)和溫度控制裝置。色譜柱可分為填充柱和毛細管柱兩類,都是由固定相和柱管構(gòu)成.柱管可用不銹鋼、銅、玻璃或聚四氟乙烯等材料制成,可根據(jù)樣品有無腐蝕性、反應(yīng)性及柱溫的要求,選用適當材料制作的色譜柱。

色譜爐的作用是為樣品各組分在柱內(nèi)的分離提供適宜的溫度。第十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

溫度控制系統(tǒng)作用:設(shè)定、控制和測量色譜爐、氣化室和檢測器的溫度。色譜爐溫度從300~500℃連續(xù)可調(diào),可在任意給定溫度保持恒溫,也可按一定的速率程序升溫.氣化室溫度應(yīng)使試樣立即瞬間氣化而又不分解,一般,氣化室溫度比柱溫高10~50℃.除氫焰離子檢測器外，所有檢測器對溫度變化都較敏感,尤其是熱導(dǎo)檢測器,溫度的微小變化，都直接影響檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性,所以檢測器的控溫精度要優(yōu)于±0.1℃。第十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日六、色譜流出曲線圖及相關(guān)色譜術(shù)語1.色譜流出線：以組分的濃度變化作縱坐標,流出時間作橫坐標的曲線,稱色譜流出線。

理想的色譜流出線應(yīng)該是正態(tài)分布曲線。第十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

2.術(shù)語：

（1）基線：在實驗條件下,色譜柱后僅有純流動相進入檢測器時的流出曲線稱為基線。基線漂移：指基線隨時間定向的緩慢變化。

基線噪聲：指由各種因素所引起的基線起伏。

第二十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（2）峰高h和峰面積A：

峰高：色譜峰頂點與基線之間的垂直距離。峰面積：色譜峰與峰底基線所圍成區(qū)域的面積。第二十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日(3）保留值

保留值：試樣各組分在色譜柱中的滯留時間的數(shù)值。死時間tM：指不被固定相保留的組分(如空氣、甲烷)從進樣開始到出現(xiàn)峰值極大值所需要的時間。對于氣相色譜,死時間是指從進樣到空氣峰(對熱導(dǎo)檢測器)或甲烷峰(對氫火焰檢測器)最高點所經(jīng)過的時間。

tM=L/μ第二十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日保留時間:從進樣到柱后出現(xiàn)待測組分濃度最大值時(色譜峰頂點)所需要的時間,稱為該組分的保留時間。調(diào)整保留時間tR/:扣除死時間后的組分保留時間它表示某組分因溶解或吸附于固定相后,比非滯留組分在柱中多停留的時間:tR/=tR–tM第二十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日死體積ＶＭ:不被保留的組分通過色譜柱所消耗的流動相的體積．ＶＭ＝

tＭＦ０

其中Ｆ０為色譜柱載氣體積流速mL/min.保留體積VR

:從進樣到柱后出現(xiàn)待測組分濃度最大值時所通過的載氣體積。當色譜柱載氣體積流速為F0(ml/min)時,它與保留時間的關(guān)系為:VR=tRF0

調(diào)整保留體積VR

/:是指扣除死體積后的保留體積,即:VR

/=VR–V0=tR/·F0

在一定的實驗條件下VR

、VR

/與載氣流速無關(guān)（

tRF0及tR/·F0為一常數(shù)）第二十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日相對保留值r21：指組分2和組分1的調(diào)整保留值之比。

相對保留值的特點是只與溫度和固定相的性質(zhì)有關(guān),與色譜柱及其它色譜操作條件無關(guān)。相對保留值反映了色譜柱對待測兩組分1和2的選擇性,是氣相色譜法中最常使用的定性參數(shù)。第二十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（4）色譜的區(qū)域?qū)挾龋和ǔＳ萌N方法來表示標準偏差:

對于正常峰,為0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半.

的大小表示組分被帶出色譜柱的分散程度,

越大,組分流出越分散;反之亦反.

的大小與柱效有關(guān),

小,柱效高.第二十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日半峰寬

Yh/2：峰高一半處的色譜峰寬度.

半峰寬與標準偏差的關(guān)系為:Yh/2

=2.354

峰底寬Y：色譜峰兩側(cè)拐點上切線與基線的交點間的距離。Y=4第二十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日七、色譜流出曲線的意義：

色譜峰數(shù)=樣品中單組份的最少個數(shù)；色譜保留值——定性依據(jù)；色譜峰高或面積——定量依據(jù)；色譜保留值或區(qū)域?qū)挾取V柱分離效能評價指標；色譜峰間距——固定相或流動相選擇是否合適的依據(jù)。第二十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日八、色譜法的特點優(yōu)點：“三高”、“一快”、“一廣”

高選擇性——可將性質(zhì)相似的組分分開

高效能——進行成千上萬次的質(zhì)量交換，使性質(zhì)上僅有微小差別的組分得到分離

高靈敏度——10-11~10-13g，適于痕量分析

分析速度快——幾~幾十分鐘完成分離一次可以測多種樣品應(yīng)用范圍廣缺點

對未知物分析的定性專屬性差需要與其他分析方法聯(lián)用(GC-MS,LC-MS)第二十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日——色譜應(yīng)用廣泛作為一種分離檢測手段可用于測定分子量很低的常量或痕量氣體，又可分離測定分子量上百萬的材料；可分離性質(zhì)非常接近的同位素、同分異構(gòu)體、空間異構(gòu)體、自旋異構(gòu)體或光學異構(gòu)的對映體，也廣泛用于大分子和一些生物活性物質(zhì)以及無機陰、陽離子的測定——色譜法已成為有機物和一些無機物分離測定的重要手段，是科研和生產(chǎn)中分離檢測不可缺少的工具第三十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日§2.2氣相色譜分析理論基礎(chǔ)1.氣-固色譜分析和氣-液色譜分析的基本原理1.1氣-固色譜分析原理1.2氣-液色譜分析原理2.分配過程：

圖2色譜主柱內(nèi)的分配平衡

第三十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

2.1分配系數(shù)K：

指在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動相之間分配達平衡時的濃度的比值，即

K只與固定相和溫度、柱壓有關(guān)，與兩相體積、柱管特性和所用儀器無關(guān)。第三十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日分配系數(shù)K的討論

樣品一定時，K主要取決于固定相性質(zhì)。每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；一定溫度和壓力下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；某組分的K=0時，即不被固定相保留，最先流出。K較小的組分在色譜分析中每次分配后在氣相中的濃度較大，因此較早流出色譜柱;K較大的組分每次分配后在氣相中濃度較小，因此較晚流出色譜柱選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣中的各組份具有不同的K值是分離的基礎(chǔ)；第三十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日當分配次數(shù)足夠多時，就能將具有不同K的組分分開。所以，我們可以認為，氣相色譜法是利用不同的物質(zhì)具有不同的K而進行分離的。而K的不同則是由于各組分在固定相中的溶解度（對氣-液色譜）或吸附能力（對氣-固色譜）不同而造成的。

第三十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2.2分配比

在一定溫度和壓力下，組份在兩相間的分配達平衡時，分配在固定相和流動相中的質(zhì)量比，稱為分配比。它反映了組分在柱中的遷移速率。又稱保留因子。也叫容量因子或容量比。其中Vm流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積，Vs為固定相體積第三十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日稱為相比，它也是反映色譜柱柱型特點的參數(shù)。對填充柱，=6~35；對毛細管柱，=60~600。2.3K

與k的關(guān)系：第三十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2.4K和k與保留值tR的關(guān)系

分配平衡是在色譜柱中固定相和流動相之間進行的，因此分配比也可以用組分在固定相和流動相中的停留時間之比來表示，則分配比可寫成：

任一組分的k值可由實驗測得，即為調(diào)整保留時間t/R與不被固定相吸附或溶解的組分的保留時間tM

的比值?？蓪看作色譜柱對組分保留能力的參數(shù)，k值越大，保留時間越長。

第三十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

分配系數(shù)K與保留時間的關(guān)系為：

=ktM=KtM×（Vs/Vm）

由此式可見，在一定的實驗條件下，組分的調(diào)整保留時間正比于分配系數(shù)K（或k),K(或k)越大,組分在色譜柱內(nèi)的保留時間越長.由于分配系數(shù)（或分配比）是由組分的性質(zhì)決定的,因此保留值可用于定性.在填充色譜柱中,選擇不同的固定液及其用量,可以控制組分在色譜柱上的保留值.

第三十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

注意：K或k反映的是某一組分在兩相間的分配；而是反映兩組分間的分離情況！當兩組分K或k相同時,=1,兩組分不能分開；當兩組分K或k相差越大時,

越大,分離得越好.也就是說,兩組分在兩相間的分配系數(shù)不同,是色譜分離的先決條件.和k是計算色譜柱分離效能的重要參數(shù)！第三十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日第四十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日1、色譜柱柱長增加，其它條件不變時，會發(fā)生變化的參數(shù)有（）

A.選擇性B.分配系數(shù)C.保留時間C2、衡量固定相選擇性的參數(shù)是（）A.相對保留值B.分配系數(shù)C.分配比A第四十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日蒸餾塔的應(yīng)用BubblePointVDewPoint(露點)

BubblePoint(氣泡點

)L溫度BubblePointDewPoint

溫度VLV1進料第四十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日3.色譜分離的基本理論3.1塔板理論塔板理論是描述色譜柱中組分在兩相間的分配狀況及評價色譜柱的分離效能的一種半經(jīng)驗式的理論。塔板理論將一根色譜柱當作一個由許多塔板組成的分餾塔，用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。

第四十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日塔板理論假定1）在色譜柱中的每一小段內(nèi)，組分可以迅速地在氣液兩相間達到分配平衡，這一小段稱為理論塔板；2）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個一個的塔板體積加入。3）試樣開始都加在第1塊塔板上,塔板之間無分子擴散；4）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)相同；第四十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日分離過程如下圖所示第四十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日第四十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日色譜分離過程

塔板理論把是把一色譜柱假想個分餾塔，塔內(nèi)存在許多塔板，組分在每個塔板的氣相和液相間進行分配，達成一次分配平衡。組分然后隨著流動相按一個塔板、一個塔板的方式向前移動。經(jīng)過多次分配平衡后，分配系數(shù)小的組分，先離開色譜柱，分配系數(shù)大的組分后離開色譜柱，從而使分配系數(shù)不同的組分彼此得到分離。第四十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日為簡單起見，設(shè)色譜柱由5節(jié)塔板（n=5，n為柱子的塔板數(shù)）組成，并以r表示塔板編號．r=0，1，2，3，4；某組分的分配比k=1。

開始時，單位質(zhì)量（即m=1）的該組分進入0號塔板上，然后將流動相以一個板體積（△V）一個板體積的脈動形式進入色譜柱；此時組分將按下表所示在固定相和流動相進行分配：第四十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日板號r載氣體積0123進樣mM0.5mS0.5△VmM0.250.25mS0.250.252△VmM0.1250.125+0.1250.125mS0.1250.125+0.1250.1253△VmM0.0630.063+0.1250.125+0.0630.063mS0.0630.063+0.1250.125+0.0630.063第四十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

按上述分配過程，對于n=5，k=1，m=1的體系，隨著進入柱中板體積載氣的增加，組分分布在柱內(nèi)任一板上的總量（氣相和液相的總質(zhì)量）見下表：第五十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日r載氣體積01234出口010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.032第五十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日60.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2740.2740.11880.0040.0320.0860.1960.2740.13390.0020.0180.0590.1410.2360.138100.0010.0100.0380.1000.1890.1181100.0050.0240.0690.1450.0951200.0020.0160.0460.1070.0731300.0010.0080.0300.0760.05414000.0040.0190.0530.03815000.0020.0120.0360.02816000.0010.0080.0240.018第五十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

由表中可見，當有5個塔板體積的流動相進入柱中時，組分就開始從柱口流出。并且呈現(xiàn)先小后大再變小的情況。第五十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

以上是當塔板數(shù)為5時的情況，出現(xiàn)的峰形不對稱，這是由于塔板數(shù)太少的原因。當塔板數(shù)大于50時，峰形就是對稱的。在實際色譜柱中，n值很大（約為106～109

）。所以色譜峰一般為正態(tài)分布。第五十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2.1.3柱效能指標

對于一個色譜柱來說，其分離能力（叫柱效能）的大小主要與塔板的數(shù)目有關(guān)，塔板數(shù)越多，柱效能越高。色譜柱的塔板數(shù)可以用理論塔板數(shù)和有效塔板數(shù)來表示。第五十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日式中：tR－－某組分的保留時間；

Y1/2－－某組分色譜峰的半寬度；

Y－－色譜峰的峰底寬度。

由式可見，柱子的理論塔板數(shù)與峰寬和保留時間有關(guān)。色譜峰越窄，理論塔板數(shù)就越多，柱效能也就越高。（1）理論塔板數(shù)n：對于一個柱子來說，其理論塔板數(shù)可由下式計算：第五十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

對于一個柱長固定為L的柱子，其理論塔板高度H為

每一個塔板的高度，即組分在柱內(nèi)每達成一次分配平衡所需要的柱長叫理論塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。第五十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（2）有效塔板數(shù)n有效：

在以上計算理論塔板數(shù)的式子中使用的是保留時間，它包括了死時間，它與組分在柱內(nèi)的分配無關(guān)，因此不能真正反映色譜柱的柱效。為此，引入了有效塔板數(shù)的概念。第五十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日同理有效塔板高度為：第五十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（3）塔板理論的特點：

a.當色譜柱長度一定時，塔板數(shù)n

越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高。

b.不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應(yīng)指明測定物質(zhì)。

c.柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系數(shù)K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。

d.塔板理論無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。第六十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日塔板理論優(yōu)缺點成功處：解釋了色譜流出曲線的形狀和濃度極大值對應(yīng)的tR

闡明了保留值與K的關(guān)系評價柱效（n，H）存在問題:1）做出了四個與實際不相符的假設(shè)，忽略了組分在兩相中傳質(zhì)和擴散的動力學過程2）只定性給出塔板高度的概念，卻無法解釋板高的影響因素3）排除了一個重要參數(shù)——流動相的線速度u，因而無法解釋柱效與流速關(guān)系,更無法提出降低板高的途徑第六十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日練習例：在柱長為2m的5%的阿皮松柱、柱溫為1000C，記錄紙速度為2.0cm/min的色譜條件下，測定苯的保留時間為1.5min，半峰寬為0.20cm，求理論塔板數(shù)及理論塔板高。解：第六十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日3.2速率理論——范弟姆特方程式：

塔板理論是一個半經(jīng)驗性的理論。它定性的給出了板高的概念，但不能指出影響板高的因素。速率理論就是在塔板理論的基礎(chǔ)上，給出了影響塔板高度的因素：

3.色譜分離的基本理論第六十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

u為流動相線速度；A，B，C為常數(shù)，其中

A—分別表示渦流擴散系數(shù)；

B—縱向分子擴散系數(shù)；

C—傳質(zhì)阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質(zhì)阻力系數(shù)）。

該式從動力學角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各種因素！任何減少方程右邊三項數(shù)值的方法，都可降低H，從而提高柱效。u一定時，只有A,B,C較小時,H才能較小,柱效才能較高，反之則柱效較低，色譜峰將展寬。第六十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日1）渦流擴散項(A)

在填充柱中，由于受到固定相顆粒的阻礙，組份在遷移過程中隨流動相不斷改變方向，形成紊亂的“渦流”：從圖中可見，因填充物顆粒大小及填充的不均勻性—同一組分運行路線長短不同—流出時間不同—峰形展寬。展寬程度以A表示：A=2dp其中dp—填充物平均直徑；—填充不均勻因子。措施：使用細粒的固定相并填充均勻可減小A，提高柱效。對于空心毛細管柱，無渦流擴散，即A=0。流動方向第六十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日第六十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2）縱向分子擴散項(B/u)

縱向分子擴散是由于濃度梯度引起的。當樣品被載氣帶入色譜柱時，它呈“塞子”狀分布。隨著載氣的推進，“塞子”因濃度梯度而向前后自發(fā)地擴散，使譜峰展寬。其大小為B=2Dg—稱為彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況；Dg—組分在氣相中的擴散系數(shù)。第六十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日討論：相對分子質(zhì)量大的組分，Dg小，即B小Dg

隨柱溫升高而增加，隨柱壓升高而減??；載氣分子質(zhì)量大，Dg小，即B小u增加，組份停留時間短，縱向擴散小；（B/u）球狀顆粒；相對分子質(zhì)量大的載氣(如氮氣)；適當增加流速；短柱；低溫。B=2Dg組分在色譜柱的保留時間越長,分子擴散項對色譜峰擴張的影響就越顯著。第六十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日3）傳質(zhì)阻力項(Cu)

因傳質(zhì)阻力的存在，使分配不能“瞬間”達至平衡，因此產(chǎn)生峰形展寬。氣液色譜的傳質(zhì)阻力系數(shù)C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl。第六十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日氣相氣液界面固定液組分分子ClCg減小填充顆粒直徑dp；相對分子質(zhì)量小的氣體作載氣液膜厚度df薄，組分在液相的擴散系數(shù)Dl大，則Cl小。第七十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日討論：減小填充顆粒直徑dp；采用相對分子質(zhì)量小的流動相，使Dg增加；減小液膜厚度df，Cl下降。但此時k又減小，不利于不同組分的分離，因此，當保持固定液含量不變時，可通過增加固定液載體的比表面來降低df，但比表面過大又會因吸附過強使峰拖尾。增加柱溫，可增加Dl，但k值也減小，為保持合適Cl值，應(yīng)控制柱溫。第七十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日H=2λdp+2γDg/u+

填充的不均勻性填充物的平均直徑彎曲因子組分在氣相中的擴散系數(shù)固定相液膜厚度組分在液相中的擴散系數(shù)第七十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

例：下列各項對柱的塔板高度有何影響?試解釋(1)增大相比：(2)減小進樣速度：(3)增加氣化室的溫度；(4)提高載氣的流速；（5）減小填料的粒度；（6）降低色譜柱的柱溫解：（1）增大相比將使固定液液膜厚度df減小，這將使公式中的傳質(zhì)阻力項系數(shù)C值減小，因此將使塔板高度減小。（2）減小進樣速度，將使所有的分子并非同時進入色譜柱，造成柱前譜峰擴寬。而使H增大。（3）提高氣化室的溫度，會加快試樣的蒸發(fā)速度，擴大分子進入色譜柱的時間差，這將使H增大。第七十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（4）增高載氣流速，將會因流速值不同，而增大或減小H(因為板高方程中的后兩項相反的效果產(chǎn)生競爭．（5）降低填料的粒度，將增大填粒的比表面積，且降低了液膜的厚度，因此，從公式可知，可減少C項和A項，就整體而言，會降低H。（6）降低色譜柱的柱溫，將減小組分在氣相和液相的擴散速率，從方程式可以看出，這將減小B而增大C，因此H是增大還是減小，則將由B，C的相對大小來決定。(4)提高載氣的流速；（5）減小填料的粒度；（6）降低色譜柱的柱溫第七十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

上面分別介紹了影響色譜分離的基本原理以及影響柱效的各種因素，但是如何從總體上定量描述色譜分離效能？如何將各種影響因素對分離的影響定量地表述出來呢？第七十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日§2.3分離度及色譜分離方程一、分離度(Resolution,R)同時反映色譜柱效能和選擇性的一個綜合指標。也稱總分離效能指標或分辨率。其定義為：用此式，可直接從色譜流出曲線上求出分離度R。第七十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

R越大，相鄰組分分離越好。當R=1.5時，分離程度可達99.7%，對一般分析要求R在1~1.5之間。R=1.5R=0.75R=1.0響應(yīng)信號保留時間t,min第七十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日二、色譜分離基本方程

R的定義并未反映影響分離度的各種因素。也就是說，R未與影響其大小的因素：理論塔板數(shù)n、選擇因子和分配比k聯(lián)系起來。對于相鄰的難分離組分，由于它們的分配系數(shù)K相差小，可合理假設(shè)k1k2=k，Y1Y2=Y。因此可導(dǎo)出R與n、和

k

的關(guān)系：第七十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)P20LH有效第七十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日有關(guān)色譜分離基本方程的討論：1）分離度R與柱效的關(guān)系分離度R與理論塔板數(shù)n有關(guān)，即R受熱力學性質(zhì)的影響。對于具有一定相對保留值的物質(zhì)對，R與理論塔板數(shù)n有關(guān)由色譜方程可得：因此可通過增加柱長提高分離度。然而，分析時間也相應(yīng)增加，且峰寬也展寬！為提高柱效，用減小塔板高度H的方法比增加柱長更有效。第八十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2）分離度R分配比k的關(guān)系

k增加,分離度R增加,但當k>10后,則R的增加不明顯。通常k在2~10之間改變k的方法有:適當增加柱溫(GC)、改變流動相性質(zhì)和組成(LC)以及增加固定液含量,增加固定液含量雖可增大分離度,但會延長分析時間,引起色譜峰展寬。第八十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日3）分離度R與選擇因子的關(guān)系越大,柱選擇性越好,對分離有利。的微小變化可引起R較大改變。如:當從1.01增加至1.10(增加9%)時，R則增加9倍(但>1.5,R增加不大)。

改變的方法有：降低柱溫、改變流動相及固定相的性質(zhì)和組成。

第八十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日色譜分離中的問題

由于分析物組成復(fù)雜，以某一組成的流動相可能使部分待測物得到好的分離，但同時又使其它待測物的分離不令人滿意！實際工作中采用程序升溫（GC）和梯度淋洗（LC）來解決這個問題。第八十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日表-1概念、表示方法及計算公式匯總第八十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日表-2第八十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

1）載氣及其流速u的選擇

由方程

H=A+B/u+Cu知道：

當u一定時，僅在A、B、C較小時，H較小，柱效較高；反之則柱效較低。

用在不同流速下測得的H對u作圖，可得H-u曲線（如圖），從該曲線得到：三、分離操作條件的選擇第八十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日板高H(cm)HminA+B/u+CuCguCluAB/u第八十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日渦流擴散項A與流速u無關(guān)；低流速區(qū)(u小)，B/u大，分子擴散項占主導(dǎo)，此時選擇相對分子質(zhì)量大的氣體如N2和Ar為載氣，可減小擴散，提高柱效；高流速區(qū)(u大)，Cu大，傳質(zhì)阻力項占主導(dǎo)，此時選擇相對分子質(zhì)量小的氣體如H2和He為載氣，可增加擴散系數(shù)，提高柱效；曲線的最低點對應(yīng)最佳線速uopt()下的最小板高Hmin()；H=A+B/u+Cu第八十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2）柱溫的選擇

升高柱溫，組分的傳質(zhì)項減小；分子的縱向擴散加劇，分子的縱向擴散項增大；分配比減小，分離度R變差。柱溫的選擇原則：

1）在能保證R的前提下，盡量使用低柱溫，但應(yīng)保證適宜的tR及峰不拖尾，減小檢測成本

2）根據(jù)樣品沸點情況選擇合適柱溫

沸點范圍較寬的試樣，應(yīng)采用程序升溫，柱溫按預(yù)定的加熱速度，隨時間作線形或非線性的增加。第八十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日續(xù)前程序升溫好處：

改善分離效果縮短分析周期改善峰形提高檢測靈敏度第九十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日固定液配比：固定液與擔體的質(zhì)量比。對于表面積大的載體，配比可以大一些，但一般小于30%；

對于表面積小的載體，配比小一些，一般小于10%；

其次，還要注意分析樣品的沸點，對于氣體和低沸點樣品，配比大些，可采用15%~25%的配比；4）進樣時間和進樣量進樣速度必須快(1s以內(nèi))，進樣量一般比較少。液體試樣0.1~5μL，氣體試樣0.1~10mL3）固定液的用量第九十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日5）擔體的性質(zhì)和粒度要求擔體表面積大，表面和孔徑分布均勻；要求擔體粒度均勻、細小，但粒度過細會使阻力過大、柱壓降增大，對操作不利。3~6mm內(nèi)徑的色譜柱，選擇60~80目的單體比較合適。6)氣化溫度

在保證試樣不分解的情況下，適當提高氣化溫度對分離和定量有利，尤其是進樣量大時更是如此，一般選擇氣化溫度比柱溫高30~70℃。第九十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日在1m長的填充色譜柱上，某鎮(zhèn)靜藥物A及其異構(gòu)體B的保留時間分別為5.80min和6.60min；峰底寬度分別為0.78min及0.82min，空氣通過色譜柱需要1.10min。計算：（1）組分B的分配比；（2）A與B的分離度；（3）該色譜柱的平均有效理論塔板數(shù)和塔板高度；（4）A、B兩組分完全分離時，所需的柱長。第九十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日解：（1）=5.00=1.00（2）（3）

（4）=2.62m

第九十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日例：兩物質(zhì)A和B在30cm長的色譜柱上的保留時間分別為16.4和17.63min，有一不與固定相作用的物質(zhì)，其在此柱上的保留時間為1.30min。物質(zhì)A和B的峰底寬分別為1.11和1.21min。試問：1）柱分辨率R；2）柱平均理論塔板數(shù)nav3）平均塔板高度Hav4）若要求R達到1.5，則柱長至少應(yīng)為多少？第九十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日1）柱分辨率R第九十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

2）柱平均理論塔板數(shù)nav第九十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日3）平均塔板高度Hav第九十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日4）若要求R達到1.5，則柱長至少應(yīng)為多少？LH有效則有：L1/L2=(R1/R2)230/L2=(1.06/1.5)2L2=60cmα與柱長L無關(guān)，根據(jù)第九十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日例：已知物質(zhì)A和B在水和正己烷中的分配系數(shù)[K=c(H2O)/c(hex)]分別為6.50和6.31，在一帶水硅膠柱中分離，用正己烷為流動相。巳知相比為2.37。試計算（1）兩物質(zhì)的分配比；（2）選擇性系數(shù)；（3）欲得到分離度為1.5時，需多少塊塔板？（4）若柱長為806cm，流動相的流速為7.10cm·s-1，則需多長時間可沖洗出各物質(zhì)？解：（1）根據(jù)K=k·β可知：k=K/β故：kA=6.50/2.37=2.74kB=6.31/2.37=2.66（2）α=tR/(A)/tR/(B)而k=tR//tM

所以：α=kA/kB=6.50/6.31=1.030第一百頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日tM=L/u=(806/7.10)×(1/60)=1.89mink=(tR-tM)/tM所以kA=2.74=(tRA-1.89)/1.89

故tRA=7.07min同理：tRB=6.92min（3）欲得到分離度為1.5時，需多少塊塔板？n=16R2(α/α-1)2[(1+k)/k]2=16×(1.5)2×(1.030/0.030)2×[3.66/2.66]2=78354（4）若柱長為806cm，流動相的流速為7.10cm·s-1，則需多長時間可沖洗出各物質(zhì)？第一百零一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日§2-4固定相及其選擇1.氣-固色譜固定相1）非極性的活性炭、弱極性的Al2O3、強極性的硅膠2）物理化學改性后的吸附劑：石墨化碳黑、碳分子篩3）高分子多孔微球第一百零二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2.氣-液色譜固定相1．擔體作用：承載固定液的作用2．對擔體的要求：

化學惰性（不與固定液發(fā)生化學反應(yīng)）多孔性，即比表面積大（多涂漬固定液）熱穩(wěn)定性好，有一定的機械強度擔體粒度均勻、細小

第一百零三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日3．擔體分類：（1）硅藻土類：具有一定粒度的多孔性固體微粒紅色擔體：吸附力強，與非極性物質(zhì)或弱極性物質(zhì)配合使用白色擔體：吸附力弱，與極性物質(zhì)配合使用（2）非硅藻土類：玻璃微球，石英微球，氟塑載體，含氟化合物4．載體的處理方法——鈍化，減弱吸附性酸洗：除去擔體表面的鐵等無機雜質(zhì)堿洗：除去擔體表面的三氧化二鋁等酸性作用點，但在表面會殘留微量的游離堿，能分解或吸附一些非堿性物質(zhì)。硅烷化：消除擔體表面的氫鍵結(jié)合力第一百零四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日第一百零五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2.2固定液1．對固定液的要求：（1）揮發(fā)性?。?）熱穩(wěn)定性好（3）對試樣各組分有適當?shù)娜芙饽芰Γ?）具有高的選擇性（5）化學穩(wěn)定性好，不與被測物質(zhì)起化學反應(yīng)第一百零六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日a．按極性相似原則選擇：固定液與被測組分極性“相似相溶”，K大非極性組分——選非極性固定液，按沸點順序出柱，低沸點的先出柱中等極性組分——選中等極性固定液，基本按沸點順序出柱強極性組分——選強極性固定液按極性順序出柱，極性強的后出柱2．固定液的選擇：“相似相溶”原理第一百零七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2.2固定液3．固定液極性的表示方法（1）相對極性Px=100–100(q1-qx)/(q1-q2)（2）麥氏常數(shù)第一百零八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日簡單練習用氣相色譜法分析苯中微量水，可選用的固定相為()

(A)分子篩(B)氧化鋁(C)高分子多孔微球C2、用氣相色譜法分析氧氣和氮氣，可選用的固定相為()

(A)分子篩(B)氧化鋁(C)硅膠A第一百零九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日§2-4氣相色譜檢測器檢測器：作用是將經(jīng)色譜柱分離后的各組分按其特性及含量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號一、氣相色譜檢測器分類二、常用檢測器的特點和檢測原理三、檢測器的性能指標第一百一十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日一、氣相色譜檢測器分類：按檢測原理分濃度型檢測器：測量組分濃度的變化響應(yīng)值與組分的濃度成正比如：熱導(dǎo)池檢測器（TCD）、電子捕獲檢測器（ECD）

質(zhì)量型檢測器：測量組分質(zhì)量流速的變化響應(yīng)值與單位時間進入檢測器的組分質(zhì)量成正比如：氫火焰離子化檢測器（FID）、火焰光度檢測器（FPD）第一百一十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日二、常用檢測器的特點和檢測原理（一）熱導(dǎo)池檢測器（TCD）（二）氫火焰離子化檢測器（FID）第一百一十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（一）熱導(dǎo)池檢測器（TCD）1．特點

2．結(jié)構(gòu)

3．檢測原理

4．影響因素及注意事項

第一百一十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日1．特點：濃度型檢測器

優(yōu)點：

1）通用型，對所用物質(zhì)都有相應(yīng)，應(yīng)用廣泛

2）結(jié)構(gòu)簡單

3）穩(wěn)定性好

4）線性范圍寬

5）不破壞樣品，可重新收集制備

缺點：死體積大，與其他檢測器比靈敏度稍低第一百一十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2．結(jié)構(gòu)

測量臂——接在色譜柱后

通樣品氣體+載氣，電阻為R1惠斯登電橋

參比臂——接在色譜柱前

只通載氣，電阻R2

兩個等阻值電阻R1=R2第一百一十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日3．檢測原理1）進樣前：兩臂均通載氣時

2）進樣后：測量臂通樣品氣體+載氣參比臂通載氣時第一百一十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日4．影響因素及注意事項（1）橋流↑，靈敏度↑

靈敏度足夠時,橋流應(yīng)盡可能?。?00~200mA）

先通載氣,再給橋流

（2）⊿λ↑，靈敏度↑，選λ大的做載氣

λ載>λ組，出正峰

λ載=λ組，不出峰

λ載<λ組，出倒峰

λH2>λHe>λN2——選氫氣做載氣（3）熱導(dǎo)池T

↓，池體與熱絲溫差↑，靈敏度↑

保證T檢

>T柱，以免造成檢測器污染（4）應(yīng)保持u一定第一百一十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（二）氫火焰離子化檢測器（FID）1．特點2．結(jié)構(gòu)3．檢測原理和離子化機理4．操作條件選擇第一百一十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日1．特點：質(zhì)量型檢測器優(yōu)點:專屬型檢測器（只能測含C有機物）

靈敏度高,適于痕量分析（>TCD）

響應(yīng)快

線性范圍寬缺點：燃燒會破壞離子原形，無法回收

第一百一十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日10-12~10-11A10-7A第一百二十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日2．結(jié)構(gòu)第一百二十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日3．檢測原理和離子化機理檢測原理：利用組分在氫焰中產(chǎn)生離子流進行檢測有機化合物→離子對→離子流→負極流向正極→放大→記錄離子化機理：化學電離理論（即有機物在火焰中發(fā)生自由基反應(yīng)而被電離。）

氫焰→自由基→正離子第一百二十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日4．操作條件選擇1）載氣的選擇：載氣——N2

燃氣——H21:1~1:1.5

助燃氣——空氣1:10

2）極化電壓：極化電壓較低時，響應(yīng)值隨極化電壓的增加成正比增加，然后趨于一個飽和值，一般選在±100~±300V之間。3）使用溫度：溫度對靈敏度影響不大，但800C以下，靈敏度顯著下降，這是由于水蒸氣冷凝造成的，溫度一般高于柱溫50~1000C第一百二十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日電子俘獲檢測器（ECD）特點：選擇性：只對具有電負性的物質(zhì)（如含有鹵素、硫、磷、氮、氧的物質(zhì)）有響應(yīng)，電負性越強，靈敏度越高。高靈敏度：能測出10-14g?mL-1的電負性物質(zhì)。

載氣純度應(yīng)在四個9以上。第一百二十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日火焰光度檢測器（FPD）火焰光度檢測器對含磷、含硫的化合物有高選擇性和高靈敏度?；鹧婀舛葯z測器主要由火焰噴嘴、濾光片、光電倍增管三部分組成。第一百二十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日三、檢測器的性能指標（一）靈敏度（二）檢出限（三）最小檢出量Q0（四）響應(yīng)時間（五）線性范圍第一百二十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（一）靈敏度S（響應(yīng)值，應(yīng)答值）

1．濃度型檢測器的靈敏度（Sc）定義：單位量的物質(zhì)通過檢測器時所產(chǎn)生信號的大小稱為檢測器對該物質(zhì)的靈敏度。S=△R/△Q，△R為記錄儀信號變化率，△Q為通過檢測器樣品量的變化率

Sc=qv,0A/m2．質(zhì)量型檢測器的靈敏度（Sm）Sm=A/m第一百二十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（二）檢出限（敏感度）定義：指檢測器恰能產(chǎn)生與噪聲相鑒別的信號時（3N），在單位體積或時間需向檢測器進入的物質(zhì)質(zhì)量。比較靈敏度與敏感度優(yōu)劣靈敏度——未考慮噪音因素，衡量檢測器好壞不全面敏感度——考慮了噪音影響D=3N/S第一百二十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日（三）最小檢出量Q0

定義：檢測器恰能產(chǎn)生和噪聲相鑒別的信號時所需進入色譜柱的最小物質(zhì)量（或最小濃度）對質(zhì)量型檢測器：

Q0=1.065×Y1/2×D對濃度型檢測器：

Q0=1.065×Y1/2×F0×D

最小檢出量與檢測器的檢出限成正比；Q0不僅與檢測器的性能有關(guān)，還與柱效率及操作條件有關(guān)，色譜峰寬度