有機(jī)物分離與剖析第2章氣相色譜法

第二章氣相色譜法理論基礎(chǔ)

（TheoryofGasChromatography）

2.1概述1903年俄國(guó)植物學(xué)家茨維特分離植物色素時(shí)采用。（1）固定相（2）流動(dòng)相（3）分離原理

當(dāng)流動(dòng)相中樣品混合物經(jīng)過固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生作用，從而按先后不同的次序從固定相中流出。色譜法分類一．按兩相狀態(tài)分類

1.氣體為流動(dòng)相的色譜稱為氣相色譜（GC）

（1）氣-固色譜（GSC）（2）氣-液色譜（GLC）

2.液體為流動(dòng)相的色譜稱液相色譜（LC）

（1）液-固色譜（LSC）（2）液-液色譜（LLC）

3.超臨界流體為流動(dòng)相的色譜稱為超臨界流體色譜（SFC）

4.通過化學(xué)反應(yīng)將固定液鍵合到載體表面，這種化學(xué)鍵合固定相的色譜又稱化學(xué)鍵合相色譜（CBPC）。

二.按分離機(jī)理分類

1.利用組分在吸附劑（固定相）上的吸附能力強(qiáng)弱不同而得以分離的方法，稱為吸附色譜法。

2.利用組分在固定液（固定相）中溶解度不同而達(dá)到分離的方法稱為分配色譜法。

3.利用組分在離子交換劑（固定相）上的親和力大小不同而達(dá)到分離的方法，稱為離子交換色譜法。

4.利用大小不同的分子在多孔固定相中的選擇滲透而達(dá)到分離的方法，稱為凝膠色譜法或尺寸排阻色譜法。

5.利用不同組分與固定相（固定化分子）的高專屬性親和力進(jìn)行分離的技術(shù)稱為親和色譜法，常用于蛋白質(zhì)的分離。三．按固定相的形狀分類

1.柱色譜；2.薄層色譜；3.紙色譜

根據(jù)以上所述，將色譜法的分類總結(jié)于下一頁(yè)表中。2.1.1色譜流出曲線及有關(guān)術(shù)語(yǔ)

一．流出曲線和色譜峰

1.基線2.保留時(shí)間（1）用時(shí)間表示保留時(shí)間（tR）死時(shí)間（tM）調(diào)整保留時(shí)間（tR’）（2）用體積表示保留體積(VR)VR=tR*F0死體積（VM）VR=tM*F0調(diào)整保留體積（VM’）VM’=VR-VM3.區(qū)域?qū)挾龋ǚ鍖挘?）標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）（2）半峰寬（Y1/2）（3）峰底寬（Y或Wb）Y1/2=2.354σWb=4σ3.12

相對(duì)保留值r2.1

某組份2的調(diào)整保留值與組份1的調(diào)整保留值之比，稱為相對(duì)保留值：只與柱溫和固定相有關(guān)；表示固定相對(duì)這兩種組分的選擇性。從色譜流出曲線上，得到信息是：

l.根據(jù)色譜峰的個(gè)數(shù)，可以判斷樣品中所合組份的最少

個(gè)數(shù)．

2.根據(jù)色譜峰的保留值(或位置），可以進(jìn)行定性分析．

3.根據(jù)色譜峰下的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分析．

4.色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，是評(píng)價(jià)色譜柱分離效能的依據(jù)．

5.色譜峰兩峰間的距離，是評(píng)價(jià)固定相(和流動(dòng)相)選擇是否合適的依據(jù)．

2.1.2色譜法分析的基本原理

色譜分析的目的是將樣品中各組分彼此分離，組分要達(dá)到完全分離，兩峰間的距離必須足夠遠(yuǎn)，兩峰間的距離是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的，即與色譜過程的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。但是兩峰間雖有一定距離，如果每個(gè)峰都很寬，以致彼此重疊，還是不能分開。這些峰的寬或窄是由組分在色譜柱中傳質(zhì)和擴(kuò)散行為決定的，即與色譜過程的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。因此，要從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面來研究色譜行為。

一、分配系數(shù)K和分配比k1．分配系數(shù)K

在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相之間分配達(dá)平衡時(shí)的濃度之比值，即分配系數(shù)K的討論1.一定溫度下，組分的K越大，出峰越慢；2.試樣一定時(shí)，K主要取決于固定相性質(zhì)；3.每個(gè)組分在各種固定相上的分配系數(shù)不同；4.選擇適宜的固定相可以改善分離效果；5.試驗(yàn)中的各組分具有不同的K值是分離的基礎(chǔ)；6.某組分的K=0時(shí)，即不被固定相保留，最先流出。2.分配比k

分配比又稱容量因子，它是指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間分配達(dá)平衡時(shí)，分配在固定相和流動(dòng)相中的質(zhì)量比。即與滯留因子有關(guān)（自學(xué)）3.分配系數(shù)K與分配比k的關(guān)系

其中β稱為相比，流動(dòng)相與固定相的體積比。填充柱，其β值一般為6～35；對(duì)毛細(xì)管柱，其β值為60～600。

最早由Martin等人提出塔板理論，把色譜柱比作一個(gè)精餾塔，沿用精餾塔中塔板的概念來描述組分在兩相間的分配行為，同時(shí)引人理論塔板數(shù)作為衡量柱效率的指標(biāo)。

二塔板理論（platetheory）3.14

色譜柱長(zhǎng)：L，虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的理論塔板數(shù)：n，則三者的關(guān)系為：理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：相應(yīng)的有效塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：塔板理論的特點(diǎn)和不足

(1)當(dāng)色譜柱長(zhǎng)度一定時(shí)，塔板數(shù)n

越多(塔板高度H越小)，被測(cè)組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。

(2)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(biāo)時(shí)，應(yīng)指明測(cè)定物質(zhì)。

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

(4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。二、速率理論-影響柱效的因素1.速率方程（VanDeemter方程式）

H=A+B/u+C·u

H：理論塔板高度；

u：載氣的線速度(cm/s)；

A：渦流擴(kuò)散項(xiàng)；

B/u：縱向擴(kuò)散項(xiàng)；

C·u：傳質(zhì)阻力項(xiàng)；如何提高柱效率？

A、B、C三項(xiàng)各與哪些因素有關(guān)？減小A、B/u、C·u三項(xiàng)可。(1).A─渦流擴(kuò)散項(xiàng)

A=2λdp

dp：固定相的平均顆粒直徑λ：固定相的填充不均勻因子

固定相顆粒越小dp↓，填充的越均勻，A↓，H↓，柱效n↑。表現(xiàn)在渦流擴(kuò)散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。(2).B/u—縱向擴(kuò)散項(xiàng)

B=2νDgν：彎曲因子；Dg：試樣組分分子在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s-1）；

(1)存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴(kuò)散;(2)擴(kuò)散導(dǎo)致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差;(3)縱向擴(kuò)散項(xiàng)與流速有關(guān)，流速↓，滯留時(shí)間↑，擴(kuò)散↑;(4)擴(kuò)散系數(shù)：M載氣↑，Dg↓

，B值↓，柱效↑。

選擇小分子量的氣體作載氣，降低液層厚度，可降低傳質(zhì)阻力。(3).C·u—傳質(zhì)阻力項(xiàng)

傳質(zhì)阻力包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液相傳質(zhì)阻力CL即：

C=（Cg+CL）思考：如果是毛細(xì)管色譜柱會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？如何降低傳質(zhì)阻力項(xiàng)？Cg

·uCL·u2.載氣流速與柱效——最佳流速載氣流速高（＞u最佳）時(shí)：

傳質(zhì)阻力項(xiàng)是影響柱效的主要因素，流速，柱效。載氣流速低（＜u最佳

）時(shí)：

分子擴(kuò)散項(xiàng)成為影響柱效的主要因素，流速,柱效。H-u曲線與最佳流速：

由于流速對(duì)這兩項(xiàng)完全相反的作用，流速對(duì)柱效的總影響使得存在著一個(gè)最佳載氣流速值。

以塔板高度H對(duì)應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點(diǎn)的流速即為最佳流速。實(shí)際選擇最佳載氣流速，如何選？uop思考題

下面填充柱的VanDeemter方程的圖形，如果在下面的圖形中將空心毛細(xì)管柱的VanDeemter方程的圖形繪制出來，應(yīng)如何繪制？長(zhǎng)度=A原因：1.曲線向下平移A，因?yàn)槊?xì)管柱中A=0；

2.曲線右端變平緩，因?yàn)楣潭ㄒ阂耗ぷ儽。合鄠髻|(zhì)阻力項(xiàng)降低；柱內(nèi)徑變小，氣相傳質(zhì)阻力項(xiàng)降低。結(jié)論：毛細(xì)管柱柱效率高于填充柱，而且可以使用更高的載氣流速。3.速率理論的要點(diǎn)總結(jié)(1)組分在柱內(nèi)運(yùn)行的多路徑、濃度梯度以及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達(dá)到等因素是造成色譜峰擴(kuò)展柱效下降的主要原因。(2)通過選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６取⑤d氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導(dǎo)。闡明了流速和柱溫對(duì)柱效及分離的影響。(4)只有選擇最佳條件，才能使柱效達(dá)到最高。2.1.4分離度

（a）兩色譜峰距離近并且峰形寬。兩峰嚴(yán)重相疊，這表示選擇性和柱效都很差。（b）雖然兩峰距離拉開了，但峰形仍很寬，說明選擇性好，但柱效低。（c）分離最理想，說明選擇性好，柱效也高。

3.18引入一個(gè)綜合性指標(biāo)—分離度R。它定義為相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰底寬總和之半的比值，即

R值越大，表明相鄰兩組分分離越好。一般說，當(dāng)R＜1時(shí)，兩峰有部分重疊；當(dāng)R＝1時(shí)，分離程度可達(dá)98％；當(dāng)R＝1.5時(shí)，分離程度可達(dá)99.7％。通常用R=1.5作為相鄰兩組分已完全分離的標(biāo)志。

下圖表示了不同分離度時(shí)色譜峰分離的程度。

令W1=W2，引入相對(duì)保留值和塔板數(shù)，可導(dǎo)出下式思考：n有效=？5.281.分離度與柱效的關(guān)系[例2-1]

在一定條件下，兩個(gè)組分的調(diào)整保留時(shí)間分別為85秒和100秒，要達(dá)到完全分離，即R=1.5。計(jì)算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長(zhǎng)是多少？解：r21=100/85=1.18

n有效=16R2[r21/(r21—1)]2=16×1.52×(1.18/0.18)2

=1547（塊）

L有效=n有效·H有效=1547×0.1=155cm

即柱長(zhǎng)為1.55米時(shí)，兩組分可以得到完全分離。[例2-2]

在一定條件下，如果n=3600，兩個(gè)組分的保留時(shí)間分別為12.2s和12.8s，計(jì)算分離度。要達(dá)到完全分離，即R=1.5，所需要的柱長(zhǎng)。解：分離度：塔板數(shù)增加一倍，分離度增加多少？

2-1在一個(gè)柱效相當(dāng)于4200塊有效塔板數(shù)的色譜柱上，測(cè)得十八烷及2-甲基-十七烷的調(diào)整保留時(shí)間分別為15.05min和14.82min。計(jì)算：（1）十八烷對(duì)2-甲基-十七烷的相對(duì)保留值？（2）這兩個(gè)化合物在此色譜柱上的分離度R是多少？（3）如果要求分離度R=1.0，則需要多少塊有效塔板？習(xí)題

2-1假設(shè)兩組分的調(diào)整保留時(shí)間分別為19min和20min,死時(shí)間1min，計(jì)算（1）較晚流出的第二個(gè)組分的分配比K2；（2）欲達(dá)到分離度R為0.75及1.5時(shí)所需的理論塔板數(shù).

2-2在一根長(zhǎng)度為3米的填充柱上，空氣峰的保留時(shí)間為1min，苯和環(huán)己烷的保留時(shí)間分別為14min和17min，環(huán)己烷的峰寬為1min，為得到R=1.5的分離度，需要的最短柱長(zhǎng)是多少？作業(yè)

2-3結(jié)合范第姆特方程說明為何毛細(xì)管色譜的柱效率明顯高于填充柱色譜。2.2氣相色譜

GasChromatography2.1a氣相色譜立體結(jié)構(gòu)流程2.1b氣相色譜平面結(jié)構(gòu)流程

processofgaschromatograph1-鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化管；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；7-進(jìn)樣閥;8-分離柱;9-檢測(cè)器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀.載氣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)色譜柱檢測(cè)系統(tǒng)溫控系統(tǒng)（5）固定液的選擇

對(duì)固定液的選擇并沒有規(guī)律性可循。一般可按“相似相溶”原則來選擇。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況而定。（i）分離非極性物質(zhì)：一般選用非極性固定液，這時(shí)試樣中各組分按沸點(diǎn)次序流出，沸點(diǎn)低的先流出，沸點(diǎn)高的后流出。（ii）分離極性物質(zhì)：選用極性固定液，試樣中各組分按極性次序分離，極性小的先流出。極性大的后流出。（iii）分離非極性和極性混合物：一般選用極性固定液，這時(shí)非極性組分先流出，極性組分后流出。（vi）分離能形成氫鍵的試樣：一般選用極性或氫鍵型固定液。試樣中各組分按與固定液分子間形成氫鍵能力大小先后流出，不易形成氫鍵的先流出，最易形成氫鍵的最后流出。（v）復(fù)雜的難分離物質(zhì)：可選用兩種或兩種以上混合固定液。對(duì)于樣品極性情況未知的，一般用最常用的幾種固定液做試驗(yàn)。2.2.4氣相色譜檢測(cè)器檢測(cè)器是把載氣里被分離的各組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。根據(jù)檢測(cè)原理的不同，可將其分為濃度型檢測(cè)器和質(zhì)量型檢測(cè)器兩種：（l）濃度型檢測(cè)器

檢測(cè)器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比。如熱導(dǎo)檢測(cè)器。（2）質(zhì)量型檢測(cè)器

檢測(cè)器的響應(yīng)值和單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器某組分的量成正比。如火焰離子化檢測(cè)器。－.熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）

熱導(dǎo)檢測(cè)器是根據(jù)不同的物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)原理制成的。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，對(duì)所有物質(zhì)都有響應(yīng)，通用性好，而且線性范圍寬，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn)是靈敏度較低。熱導(dǎo)池檢測(cè)器ThermalConductivityDetector(TCD)熱導(dǎo)池示意圖雙臂熱導(dǎo)池四臂熱導(dǎo)池濃度型檢測(cè)器熱導(dǎo)池Wheatstone電橋測(cè)量線路

1．熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)和工作原理

惠斯登電橋

2．影響熱導(dǎo)檢測(cè)器靈敏度的因素

（l）橋電流

橋電流增加，鎢絲溫度提高，鎢絲和熱導(dǎo)池體的溫差加大，有利于熱傳導(dǎo)，靈敏度就提高。所以，增大電流有利于提高靈敏度，但電流太大會(huì)影響鎢絲壽命。一般橋電流控制在100～200mA左右。（2）池體溫度

池體溫度降低，有利于提高靈敏度。但池體溫度不能低于柱溫。（3）載氣種類

載氣與試樣的熱導(dǎo)系數(shù)相差愈大，則靈敏度愈高。

二.火焰離子化檢測(cè)器（FID）

1.工作原理；2.結(jié)構(gòu)3.特點(diǎn)：（1）操作簡(jiǎn)單；（2）檢出限低，可達(dá)10-12g·S-1；（3）能檢測(cè)大多數(shù)含碳有機(jī)化合物；（4）死體積??；（5）響應(yīng)速度快；（6）線性范圍也寬，可達(dá)106以上；（7）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（8）靈敏度很高，比熱導(dǎo)檢測(cè)器的靈敏度高約103倍；4.主要缺點(diǎn)：

不能檢測(cè)永久性氣體、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氫等物質(zhì)。3.21火焰離子化機(jī)理

至今還不十分清楚其機(jī)理，普遍認(rèn)為這是一個(gè)化學(xué)電離過程。以苯為例，在氫火焰中的化學(xué)電離反應(yīng)如下：

3.影響操作條件的因素

氫氣、載氣、空氣流速和檢測(cè)室的溫度等都對(duì)檢測(cè)器靈敏度有影響三.檢測(cè)器的性能指標(biāo)

一個(gè)優(yōu)良的檢測(cè)器應(yīng)具以下幾個(gè)性能指標(biāo)：靈敏度高，撿出限低，死體積小，響應(yīng)迅速，線性范圍寬，穩(wěn)定性好。通用性檢測(cè)器要求適用范圍廣；選擇性檢測(cè)器要求選擇性好。

最小檢測(cè)量

最小檢測(cè)量指產(chǎn)生二倍噪聲峰高時(shí)，色譜體系（即色譜儀）所需的進(jìn)樣量。線性范圍

檢測(cè)器呈線性時(shí)最大和最小進(jìn)樣量之比，或叫最大允許進(jìn)樣量（濃度）與最小檢測(cè)量（濃度）之比。

2.2.4色譜分離操作條件的選擇

1．柱長(zhǎng)的選擇

一般情況下，柱長(zhǎng)選擇以使組分能完全分離，分離度達(dá)到所期望的值為準(zhǔn)。具體方法是選擇一根極性適宜，任意長(zhǎng)度的色譜柱，測(cè)定兩組分的分離度，然后根據(jù)基本色譜分離方程式，確定柱長(zhǎng)是否適宜。2.載氣及其流速的選擇

3．柱溫的選擇

選擇柱溫要兼顧幾方面的因素。一般原則是：在使最難分離的組分有盡可能好的分離前提下，采取適當(dāng)?shù)偷闹鶞?，但以保留時(shí)間適宜，峰形不拖尾為度。具體操作條件的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。柱溫的選擇還應(yīng)考慮固定液的使用溫度，柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否則固定液揮發(fā)流失，對(duì)分離不利。對(duì)于寬沸程的多組分混合物，可采用程序升溫。4．載體粒度及篩分范圍的選擇

載體的粒度愈小，填裝愈均勻，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否則，阻力壓也急劇增大。一般粒度直徑為柱內(nèi)徑的1／20～l／25為宜。

5．進(jìn)樣量的選擇

一般說來，色譜柱越粗、越長(zhǎng)，固定液含量越高，容許進(jìn)樣量越大。2.2.5定性分析

色譜法定性分析主要依據(jù)是保留值，所以需要標(biāo)準(zhǔn)樣品。而且單靠色譜法對(duì)每個(gè)組分進(jìn)行鑒定，往往不能令人滿意。1.用已知純