极性分子与非极性分子之间的诱导力

1、第2章 色谱分析法第二章 气相色谱分析法（Gas Chromatography，GC）教学要求1. 掌握色谱法的发展，色谱特点、分类、作用2. 掌握色谱法的基本理论及定性、定量分析方法3. 熟悉气相色谱流程及气相色谱仪关键部件4. 掌握色谱操作条件选择、影响柱效的因素及提高柱效的途径5. 掌握重要气相色谱检测器的结构和原理重点：气相色谱分析理论基础；色谱分离条件的选择难点：气相色谱分析理论基础；固定相及其选择；气相色谱检测器课时安排：6.5学时2-1 气相色谱概述色谱法是现代分离分析的一个重要方法，随着色谱技术的不断发展，现在已经成为生产和科研中解决各种复杂问题的最有力的手段之一。色谱法的特点

2、：1、分离效率高。能解决许多其他分析方法无能为力的复杂样品分析。2、分析速度快。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。 3、检测灵敏度高。可以直接检测 10-9g 级的微量物质。如采用预浓缩技术，检测下限可以达到 10-12g数量级。4、样品用量少。一次分析通常只需数纳升至数微升的溶液样品。5、选择性好。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。6、多组分同时分析。在很短的时间内可以实现几十种成分的同时分离与定量。7、易于自动化。可以实现从进样到数据处理的全自动化操作。8、定性能力较差。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

3、性能力的分析技术的联用。色谱法是根据各物质在流动相和固定相中的分配系数不同而进行分离、分析的方法。多种物质经过在流动相和固定相中反复多次分配，产生了分离效果，从而依先后次序流出色谱柱。根据流出色谱柱时间可以定性分析，根据流出物质的量（峰面积或峰高）进行定量分析。色谱柱：进行色谱分离用的细长管。固定相：（stationary phase） 管内保持固定、起分离作用的填充物。流动相：（mobile phase）流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。一、色谱法分类1、按流动相物理状态（1）气相色谱(Gas Chromatography，GC)：用气体作流动相 气固色谱（GSC） 气液色谱（GLC）（2）液

4、相色谱(Liquid Chromatography, LC)： 用液体作流动相 液固色谱（LSC） 液液色谱（LLC）需要说明的是：现代液相色谱多使用高压输液泵提高分离效率，常称高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）2、按固定相的形式 柱色谱柱色谱又可分为填充柱（固定相填入不锈钢柱中）和毛细管柱（固定液涂渍在毛细管柱内壁） 纸色谱：以多孔滤纸为载体，吸附在滤纸上的水为固定相，各组分在滤纸上分开。 薄层色谱：以涂渍在玻璃版上的吸附剂薄层为固定相。3、按分离机理分类 吸附色谱：利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的

5、方法。 分配色谱： 利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法。 离子交换色谱法：利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法 排阻色谱：利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法。二、气相色谱分离过程气相色谱法是利用气体作为流动相的色谱法。A+B色谱柱 检测器记录仪图21气相色谱分理过程示意图气相色谱分离过程如右图所示。A、B两组分组成的混合物，由载气携带进入色谱柱。由于A、B两组分在固定相和流动相之间的分配系数不同，当A、B两组分随载气沿柱出口方向不断移动时，就会产生差速迁移而逐渐分离。用记录仪记录A、B两组分出峰时间和面积（峰高）等参数。载

6、气 （用来载送试样的惰性气体，如氢、氮等) 载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别检测。其简单流程如下。由高压钢瓶供给的流动相载气。经减压阀、净化器后，由气体调节阀调至所需流速，再流经气化室、色谱柱、检测器后放空。液体试样从进样口注入气化室，气化后被载气带入色谱柱中进行分离，分离后的各组分依次进入检测器，检测器将各组分的浓度（或质量）变化转化为电信号，由记录仪记录下来，即得色谱图。三、气相色谱仪主要部件气相色谱仪主要包括五大系统：载气系统、进样系统、分离系统、温度控制系统和检测记录系统。1、载气系统载气系统包括气源、气体净化器、气体流速控制与测量。作用是提供纯净的一

7、定压力和流速的载气。2、进样系统进样系统包括进样器和气化室两部分。进样就是把样品快速而定量地加到色谱柱上端，以便进行分离。3、 色谱柱和柱箱，包括温度控制系统试样各组分分离过程就是在色谱柱内进行的。4、检测系统包括检测器和检测器电源及控温系统，检测器是将组分的浓度或质量大小转变成电信号。5、记录系统包括放大器、记录仪，现代仪器多带有数据处理系统。四、气相色谱常用术语1、基线：仅有载气通过色谱柱时，检测响应信号随时间变化的曲线。稳定的基线应该是一条平行于时间坐标的直线。基线漂移：基线随时间定向缓慢变化。基线噪声：各种因素引起的基线起伏。2、保留值(1) 保留时间tR：组分通过色谱柱所需的时间(2

8、) 死时间tM：不被保留的组分从进样到色谱峰最大值出现的时间(3) 调整保留时间tR：扣除死时间后的保留时间：tRtRtM(4) 保留体积VM： VRtRF0 式中，FM为色谱柱出口载气流量（mL/min-1）(5) 死体积VM： VMtMF0(6) 调整保留体积VR：VRVRVM图2-2色谱流出曲线(7) 相对保留值r21（又称选择因子），：某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为相对保留值。由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱长、填充及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛用作定性的依据。3、区域宽度色谱峰：组分从色谱柱流出，检测器对该组分的响应

9、信号随时间变化所形成的峰形曲线。色谱峰一般呈高斯分布。(1) 标准偏差：它是0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半(2) 半高峰宽Y1/2：峰高一半处对应的色谱峰宽Y1/22.354(3) 色谱峰底宽Y：色谱峰两侧拐点作切线与基线交点间距离Y41.7 Y1/2从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：(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可以进行定性分析；(3) 根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析；(4) 色谱峰的保留值及其区域宽度，可以对评价色谱柱分离效能进行评价。2-2 气相色谱分析理论基础一、气固、气液色谱分析基本原理气相色谱气固色谱分填充柱和毛

10、细管柱两种。填充柱（Packing column）柱管常用不锈钢制成，常用的填充柱内径为24 mm，长13m，为节省空间常将柱管弯成螺旋形环状。填充料可以是具有吸附性的吸附剂或覆盖在载体上的均匀固定液膜。填充柱可供选择的填料种类很多，因而具有广泛的选择性，应用很广。毛细管柱（Capillary column）由不锈钢或石英制成，柱内径0.10.5mm，柱长可达数十米（甚至上百米）。空心毛细管柱是将固定液直接涂在毛细管的内壁表面。由于柱渗透性好，传送阻力小，管柱可以做的很长，因此，分离效率很高，分析速度快。气相色谱固定相可分为液体固定相和固体固定相两类。气固色谱固定相是具有多孔性及较大表面积的吸

11、附剂的颗粒。分离过程：吸附-脱附过程气液色谱固定相是将固定液均匀涂渍在载体而成。载体是固定液的支持骨架，使固定液能在其表面上形成一层薄而匀的液膜。分离过程：溶解-挥发过程1、分配系数（distribution coefficient） 在一定温度和压力下，组分在固定相（stationary phase）和流动相（mobile phase）间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。 cS、cM 分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；VM为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积， Vs为色谱柱中固定相的体积。2、分配比容量因子（capacity factor）在一定温度和压力下，组分在固定相和流

12、动相之间分配达到平衡时的质量比，称为分配比，也称容量因子，用k表示。 cS、cM 分别为组分在固定相和流动相的质量。k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量越大，因此称容量因子，它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。它与分配系数K的关系如下：式中： VS为固定相的体积， VM柱中流动相的体积（近似等于死体积）。VM 与VS之比称为相比，以表示，它反映各中色谱柱柱型及其结构。如：填充柱: 635 毛细管柱: 501500K、k与组分及固定相的热力学性质有关，随柱温、柱压的变化而变化，k与 VM/VS有关，与流速、

13、柱长短无关k越大，保留时间越长。组分的线速度小于流动相的线速度，其比值为RS=uS/u可以推出：组分和流动相通过长度为L的柱所需时间：tR=L/uS，tM=L/u可以推出：即： 可见：容量因子可以由实验数据测得。上式为色谱保留方程式。二、色谱分离的基本理论1、塔板理论为了解释色谱流出曲线的形状、谱带展宽的机理，选择最佳的色谱分离条件，研究人员提出了一些理论，其中最主要的有塔板理论和速率理论。塔板理论1952年由马丁（Martin）等人提出，塔板理论把色谱柱当作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念描述溶质在两相间的分配行为，并引入理论塔板数n和理论塔板高度H作为衡量柱效的指标。塔板理论也称平衡理论

14、，它认为气液分配色谱是基于组分在固定相和流动相之间反复多次的分配过程，而气固吸附色谱的分离是基于组分反复多次的吸附-脱附过程。可用分配系数、分配比来描述组分在给定两相间的分配行为。塔板理论将色谱柱假想为一个精馏塔，塔内有一系列连续的、相等体积的塔板，每一块塔板的高度称理论塔板高度H。塔板理论假设：（1）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。（2）载气进入色谱柱是脉动式迁移。（3）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。（4）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。假设在每一块塔板上被分离组分在气液两相间瞬时达到一次分配平衡，若色谱柱长为L

15、，则:式中：n理论塔板数，H为理论塔板高度，色谱柱长为L理论塔板数n可以从色谱图中的有关参数计算：在实际工作中，由以上公式计算出来的的n和H值有时并不能充分地反映色谱柱的分离效能，因为采用tR计算时，没有扣除死时间tM， 所以常用有效塔板数neff表示柱效： 实际塔板数neff（effective plate number）neff越大(Heff越小)，被测物被分配的次数越多，柱效越高，色谱峰越窄。塔板理论解释了流出曲线的形状，并提出了计算和评价柱效高低的参数n和H。但是，塔板理论也存在明显的不足：（） 不能解释影响柱效高低的原因（） 不能说明载气流速对柱效的影响。（） 没有考虑分子的扩散、传

16、质等动力学因素因此，塔板理论对改进色谱条件指导性意义不大，限制了它的应用。2、速率理论1956年，荷兰学者范第姆特（van Deemter）等提出的色谱过程动力学速率理论，即：速率理论。他们在塔板理论的基础上，充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响柱效（板高）的各种因素。H = A + B / u + Cu式中： A、B、C为常数，分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数，u为流动相的线速度。（1）涡流扩散项 A 在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流

17、动，故称涡流扩散。由于填充物颗粒大小的不同及填充物的不均匀性，使组分在色谱柱中路径长短不一，因而同时进色谱柱的相同组分到达柱口时间并不一致，引起了色谱峰的变宽。色谱峰变宽的程度由下式决定： A = 2dp 上式中：为填充不规则因子，dp 为填充物的平均直径。为了减少涡流扩散，提高柱效，应该使用细而均匀的颗粒，且填充均匀、紧密。对于空心毛细管柱，不存在涡流扩散。因此 A = 0。（2）分子扩散项 B / u （纵向扩散项）纵向分子扩散是由于色谱柱内沿轴向方向存在浓度梯度造成的。组分从柱入口加入，随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，从而造成色谱峰变宽。分子扩散项系数为： B = 2 Dg称弯曲因

18、子，它反映填充柱内填充物对分子的阻碍程度，Dg为组分在流动相中扩散系数（cm2s-1）, 它与流动相相对分子质量的平方根成反比。Dg与流动相及组分性质有关： 采用相对分子质量较大的流动相（如N2），可使B项降低； 柱温降低，柱压增高， Dg降低。另外，纵向扩散与组分在色谱柱内停留时间有关，流动相流速小，组分停留时间长，纵向扩散就大。因此为降低纵向扩散影响，要加大流动相速度。（3）传质阻力项 Cu由于气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，因此，它们的传质过程不完全相同。 气相传质阻力项传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数C1两项，即 C = Cg+ C1 气相传质阻

19、力是指组分从气相与气液界面间进行交换所受到的阻力。若试样在两相界面上不能很快达到分配平衡，引起滞后现象，从而使色谱峰变宽。对于填充柱，气相传质阻力系数Cg为： 式中：k为容量因子。由上式看出，气相传质阻力与填充物粒度dp的平方成正比，与组分在载气流中的扩散系数Dg成反比。因此，采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体（如氢气）做载气，可使Cg减小，提高柱效。 液相传质阻力项液相传质阻力是指组分从气液两相移动到液相内部达到分配平衡后，又返回两相界面的过程中所受到的阻力。液相传质阻力系数 C1为： 由上式看出，适当地减小固定相的液膜厚度df，增大组分在液相的扩散系数D1，可以减小液相传质阻力，提高

20、柱效，改善色谱峰形。2-3 色谱分离条件的选择一、分离度两组分的色谱峰要达到完全分离，必须两峰之间的距离足够大，显然，峰越窄两峰越不易重叠，分离越完全。 在色谱分析中，常用分离度R来衡量两峰分离的程度。R定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比：； 当R1时，两峰有部分重叠，当 R=1.5 时，分离程度可达 99.7% 。因而，常用 R=1.5 来作为相邻两峰已完全分离的标志。二、色谱基本分离方程式分离度R与有效理论塔板数（neff）和相对保留值有关。对于难分离物质对，由于它们的分配系数差别小，可合理地假设k1 k2= k，Y1=Y2=Y，又：， 设则：，所以上式又可以写

21、成：即： 上式为色谱基本分离方程式。可以推出： 即：又：；可以推出：； 1、分离度与柱效的关系（柱效因子） Rn；增加n，可以增加分离度，若增加柱长，会延长分析时间，设法降低板高H，才是增加R的最好方法。由分离方程式可以看出，具有一定相对保留值的物质对，分离度直接和有效塔板数有关，说明有效塔板数能正确地代表柱效能。 当固定相确定，被分离物质对的确定后，分离度将取决于n。这时，对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即 (R1 / R2)2 = n1 / n2 = L1 / L2 说明增加柱长可以提高分离度，但延长了分析时间。因此，提高分离度的好方法是制备出一根性能优良的柱子，通过降低

22、板高，以提高分离度。2、分离度与容量因子的关系加大容量因子k可以增加分离度，但会延长分析时间。一般，k10时，R提高不明显，k10时，随k增大，已对分离度影响不大。对于GC，通过提高温度和改变相比，可选择合适的k值，以改进分离度。3、分离度与选择因子的关系微小变化会使R得到较大改善，当2，很短时间组分可以达到很好的分离，1，分离很困难。由基本色谱方程式判断，越大，选择性好。研究证明的微小变化，就能引起分离度的显著变化。如表2-3（P20）一般通过改变固定相和流动相的性质和组成或降低柱温，可有效增大值。【教材】例题1：设有一对物质，=1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，

23、试计算至少需要多长的色谱柱？解：要实现完全分离，R1.5,故所需有效理论塔板数为：使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm,故所需柱长应为：L=21120.1=200cm=2m u/cms-1H/cmuopt三、分离操作条件的选择1、载气及其流速的选择载气流速u对H影响H = A + B / u + Cu对上式微分，得：；以u对H作图，可得H-u曲线（如图），曲线最低点为最小塔板高度Hmin，对应的载气流速为最佳流速uopt（optimum flow rate）实际工作，为了缩短分析时间，选择流速略高于最佳流速。填充柱：N2为1525mLmin-1，H2为3040mLmin-1（3mm内径柱）

24、2、柱温的选择 柱温直接影响分离效能和分析速度。柱温不能高于固定液最高使用温度。提高柱温使各组分的挥发靠拢，不利于分离，但柱温太低，两相不能迅速达到平衡，柱效下降，分离时间增加。原则：能使最难分离的组分达到分离的前提下，宜选择适当低的柱温。但以保留时间适宜、峰形不能拖尾为度。对于沸点范围较宽的试样，宜采用程序升温方法。3、固定液性质和用量 固定液性质对分离起决定性作用。 固定液用量：液膜薄，液相传质好，柱效高，分析时间短。太薄，容量小，进样量少。4、担体的性质与粒度 要求担体表面积大，表面和孔径分布均匀。担体均匀，细小。柱效高，但太细，阻力和柱压急剧增大。5、进样时间和进样量进样速度必须迅速，

25、通常在1秒以内，过长则峰变宽。最大允许进样量应控制在使半峰宽基本不变，峰高和进样量成线性关系。通常，柱越长、越粗，固定液含量越高，允许进样量越大。进样量一般在0.15微升，气体0.110mL。量多峰重叠，太少则可能不出峰。6、汽化室与检测室温度（与被测对象的利用度有关） 汽化温度、检测室温度高于柱温3070度。（防止液化）2-4 固定相及其选择样品在固定相中的保留主要是吸附和分配机理。混合物各组分能否选择性分离，主要取决于固定相是否选择适当，因此，固定相选择在气相色谱分离中十分重要。气相色谱固定相可分为气固色谱固定相和气液固定相两类。一、气-固色谱固定相固体吸附剂固体固定相是一些多孔、大表面、

26、具有吸附活性的固体物质。分离是基于样品分子在固定相表面的吸附能力的差异而实现的。1、常用的固体固定相用气相色谱分析永久性气体及气态烃时，常采用固体固定相。在固体吸附剂上，永久性气体及气态烃的吸附热差别较大，故可以得到满意的分离。常用的固体固定相有强极性硅胶、弱极性氧化铝、非极性活性炭和特殊作用的分子筛等。它既是载体又起固定相的作用，可在活化后直接用于分离。表2-4（p25）列出了常见的固体吸附剂。根据不同的分析对象可以选用吸附剂。2、人工合成的固定相作为有机固定相的高分子多孔微球是人工合成的多孔共聚物，它既是载体又起固定相的作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再使用。

27、由于是人工合成的，可控制其孔径的大小及表面性质。 如圆柱型颗粒容易填充均匀，数据重线性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、腈类和胺类的分析。高分子多孔微球分为极性和非极性两种：（1）非极性的是由苯乙烯、二乙烯苯共聚而成。如国内GDX1、2（2）极性的是苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入极性基团。如国内GDX3、4。表2-5（P26）列出了一些高分子多孔微球性能比较供选用。二、液体固定相液体固定相由固定液和载体组成。固定液均匀地涂敷在载体表面。1、担体（载体）：载体是固定液的支持骨架，使固定液能在其表面上

28、形成一层薄而匀的液膜。（1）对载体的要求： 化学惰性且具有较好的浸润性 多孔性，比表面积大 热稳定性好，有一定的机械强度 颗粒均匀，适当细小（2）载体的种类及性能常用的载体可以分为硅藻土型和非硅藻土型两类。 硅藻土类载体是天然硅藻土经煅烧等处理后而获得的具有一定粒度的多孔性颗粒。按其制造方法的不同，可分为红色载体和白色载体两种。红色载体因含少量氧化铁颗粒而呈红色。适用于涂渍高含量固定液，分离非极性化合物。其机械强度大，孔径小，比表面积大，表面吸附性较强，有一定的催化活性。 白色载体是天然硅藻土在煅烧时加入少量碳酸钠之类的助熔剂，使氧化铁转化为白色的铁硅酸钠（较疏松）。适用于涂渍低含量固定液，分

29、离极性化合物。白色载体的机械强度不如红色载体，孔径大，比表面积小，催化活性小。（3）硅藻土载体的预处理 普通硅藻土载体的表面并非完全惰性，而是具有硅醇基（Si-OH），并有少量的金属氧化物。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，则不能见个其吸附中心和催化中心完全遮盖。用这种固定相分析样品，将会造成色谱峰的拖尾；而用于分析萜烯和含氮杂环化合物等化学性质活泼的试样时，有可能发生化学反应和不可逆吸附，为此，在涂渍固定液前，应对载体进行预处理，使其表面钝化。 常用的预处理方法有： 酸洗（除去碱性基团）； 碱洗（除去酸性基团）； 硅烷化（消除氢键结合力）； 釉化（表面玻璃化

30、、堵微孔）。（4）选择担体的原则 参见P282、固定液：固定液为高沸点有机液体。（1）对固定液的要求 热稳定性好，在操作温度下，不发生聚合、分解或交联等现象，且有较低的蒸汽压，以免固定液流失。通常，固定液有一个“最高使用温度”。 化学稳定性好，固定液与样品或载气不能发生不可逆的化学反应。 对各组分有一定的溶解度，否则样品会迅速通过柱子，难于使组分分离。 有较好的选择性（2）固定液和组分分子间的作用力 固定液为什么能牢固地附着在载体表面上，而不为流动相所带走？为什么样品中各组分通过色谱柱的时间不同？这些问题都涉及到分子间的作用力。前者，取决于载体分子与固体分子间作用力的大小；后者，则与组分、固定

31、液分子相互作用力的不同有关。分子间的作用力是一种极弱的吸引力，主要包括静电力、诱导力、色散力和氢键力等。 静电力如在极性固定液柱上分离极性样品时，分子间的作用力主要是静电力。被分离组分的极性越大，与固定液间的相互作用力就越强，因而该组分在柱内滞留时间就越长。 诱导力极性分子与非极性分子之间的诱导力。极性分子的极性越大，非极性分子越容易被极化，则诱导力就越大。当样品具有非极性分子和可极化的组分时，可用极性固定液的诱导效应分离。例如，苯（B.P.80.1）和 环己烷（ B.P.80.8）沸点接近，偶极矩为零，均为非极性分子，若用非极性固定液却很难使其分离。但苯比环己烷容易极化，故采用极性固定液，就

32、能使苯产生诱导偶极矩，而在环己烷之后流出。固定液的极性越强，两者分离得越远。 色散力色散力与沸点成正比。 氢键固定液含有-OH、-COOH等官能团，对F、O、N化合物有显著的作用力。（3） 固定液的特性 相对极性目前用于气相色谱的固定液有数百种，一般按其化学结构类型和极性进行分类，其中，按极性进行分类最为简便和常见。此法规定，强极性的,-氧二丙晴的极性P=100，非极性的角鲨烷的极性P=0。其它各种固定液的相对极性都在0100之间。选择一对物质（如丁二烯/正丁烷）试验，分别测定它们在及欲测固定液的色谱柱上保留值，取对数后： 下标1、2、x分别表示氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液。按相对极性强弱常将

33、固定液分为五级，每20为一级，有关列表可参考其它教材（北大、武大等）。 特征常数应用相对极性并未能全面反映被测组分和固定液分子间全部作用力，通常用罗氏和麦氏常数表示。1959年，罗氏选用了5种物质表征固定液的分离特性。1970年，麦氏在罗氏基础上，选用了10种物质表征固定液的分离特性。实际上通常选用麦氏前5种探测物，即：苯、丁醇、2-戊酮、硝基丙烷和吡啶。在柱温120下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的I值。I=Ip-IsIp、Is分别为任一标准物质在被测固定液和参比固定液（角鲨烷）的保留指数。I之和称总极性，平均值为平均极性。实际工作中实际上选用最常用的10种固定液。见表2-6（P32

34、）一般来说，麦氏常数总极性越大，极性越强。（4）固定液的选择在选择固定液时，一般按“相似相溶”的规律选择，因为这时的分子间的作用力强，选择性高，分离效果好。在应用中，应根据实际情况并按如下几个方面考虑： 非极性试样一般选用非极性固定液。非极性固定液对样品的保留作用，主要靠色散力。分离时，试样中各组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱；若样品中含有同沸点的烃类和非烃类化合物，则极性化合物先流出。 中等极性的试样应首先选用中等极性固定液。在这种情况下，组分与固定液分子之间的作用力主要为诱导力和色散力。分离时组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱，但对于同沸点的极性和非极性物，由于此时诱导力起主

35、要作用，使极性化合物与固定液的作用力加强，所以非极性组分先流出。 强极性的试样应选用强极性固定液。此时，组分与固定液分子之间的作用主要靠静电力，组分一般按极性从小到大的顺序流出；对含有极性和非极性的样品，非极性组分先流出。 具有酸性或碱性的极性试样，可选用带有酸性或碱性基团的高分子多孔微球，组分一般按相对分子质量大小顺序分离。此外，还可选用极性强的固定液，并加入少量的酸性或碱性添加剂，以减小谱峰的拖尾。 能形成氢键的试样，应选用氢键型固定液。如腈醚和多元醇固定液等。各组分将按形成氢键的能力大小顺序分离。 对于复杂组分，可选用两种或两种以上的混合液，配合使用，增加分离效果。 对于组分性质不明的样

36、品，先选择常用5种试验，不行再在12种中选取。2-5 气相色谱检测器热导池检测器是根据各种物质和载气的导热系数不同，采用热敏元件进行检测的。根据检测原理的差别，气相色谱检测器可分为浓度型和质量型两类。浓度型检测器测量的是载气中组分浓度的瞬间变化，即检测器的响应值正比于组分的浓度。如热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）。质量型检测器测量的是载气中所携带的样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内组分进入检测器的质量。如氢焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）。常见的检测器有以下四种：一、热导检测器(Thermal Conductivity Detector

37、 ,TCD)热导池检测器是一种结构简单，性能稳定，线性范围宽，对无机、有机物质都有响应，灵敏度适中的检测器，在气相色谱中广泛应用。1、热导池检测器结构热导池检测器结构如图所示。将四支热丝组成一个惠斯登电桥，往A和C室通纯载气，往B和D室通含样品的载气。由于A、C室和B、D室的电阻变化造成惠斯登电桥的不平衡，从而有输出电压，电压（或电流）的大小与样品的浓度成正比。2、它是基于各种物质和载气的导热系数不同，采用热敏元件进行检测的。是一种非破坏检测器，对各种物质都有响应。3、影响热导池检测灵敏度的因素（1）桥路电流电流增加，灵敏度提高，过高基线不稳定，通常100200mA。（2）池体温度降低池体的温

38、度，将使得池体与钨丝的温差变大，从而可提高热导池检测器的灵敏度。但不低于柱温，以防组分在检测器内冷凝。（3）载气载气与样品的导热系数相差越大，灵敏度越高。常用载气的导热系数大小顺序为H2 N2。由于被测组分的导热系数一般都比较小，故为了提高灵敏度，一般选用H2 或He为载气。载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。用 N2作载气，热导系数较大的试样 (如甲烷) 可出现倒峰。 （4）热敏元件的电阻值选择阻值高，电阻温度系数较大的热敏元件，如钨丝。（5）热导池死体积热导池死体积大会降低灵敏度。TCD适合于所有物质的检测，但灵敏度不高。二、氢火焰离子化检测器(Flame Ionization D

39、etector, FID)氢火焰离子化检测器（FID）具有结构简单，灵敏度高，响应快，稳定性好的特点，是气相色谱常用的检测器。但是，它仅对含碳有机化合物有响应，对某些物质，如永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等不产生信号或者信号很弱。1、氢焰检测器结构氢焰检测器结构如图所示。它是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳化合物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。2、作用机理 可能的机理： CnHmCH CH+O*2CHO+e 2CHO+H2OH3O+CO3、操作条件（1）气体流量一般用N2作载气，选

40、择最佳流速。H2 流量低，灵敏度低，且易熄火，过高，热噪声大。通常 H2:N2=1:1或 1:1.5H2:空气=1:10（2）极化电压 通常100300VFID适合于痕量有机物的分析。三、电子俘获检测器(Electron capture Conductivity, ECD)电子捕获检测器主要用来分析痕量的具有电负性元素的组分（如含卤素、硫、磷、氰等的物质），是一种选择性很强的高灵敏度检测器，且电负性越强，检测灵敏度越高。它已广泛应用于农药残留量、大气、水中的痕量污染物分析等领域。它的缺点是线性范围窄，重现性较差。电子捕获检测器原理：以63Ni作放射源，当载气（如N2）通过检测器时，受放射源发射

41、的射线的激发与电离，产生一定数量的电子和正离子，在一定强度电场作用下形成一个背景电流（基流）。如载气中含有电负性强的样品，则电负性物质就会捕捉电子，从而使检测室中的基流减小，形成“倒峰”，基流的减小与样品的浓度成正比。AB+eAB-+E(能量)AB-+N2+AB+ N2ECD 主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。四、火焰光度检测器(Flame Photometric Detector, FPD)火焰光度检测器主要对含硫、磷化合物有选择性响应，故又称硫磷检测器。它是根据含硫、含磷化合物在富氢火焰中燃烧时，将发射出不同波长的特征辐射（硫

42、max=394nm；磷max=526nm）的原理设计而成。检测器主要由火焰喷嘴、滤光片、光电倍增管构成。含硫、磷化合物在燃烧时，发射出特征频率的光照射到光电倍增管上，经光电转换和放大记录下来。FPD主要用于SO2、H2S、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。 五、检测器的性能指标1、灵敏度 ；Q为进样量对于浓度型检测器Sc有： 其中：灵敏度Sc单位为mVmLmg-1，qV,0为校正到检测器温度和大气压时的载气的流量（mLmin-1），A为峰面积（cm2）。Sc的意义为：每毫升载气中有毫克试样时在检测器所能产生的响应信号。可见进样量与峰面积成正比，当进样量一定时，峰面积与流速成

43、反比。对于质量型检测器灵敏度Sm有： 其中：灵敏度Sm的单位为mVsg-1，A的单位为mVs，m的单位为g。可见进样量与峰面积成正比，进样量一定时，峰面积与载气流量无关。2、检出限检出限定义为：检测器恰能产生3倍于噪声信号时的单位时间（s/质量型）引入检测器的样品量（g），或单位体积（mL/浓度型）引入检测器的样品量（g）。检出限： D = ；单位：对于色谱分析法，N为噪声信号（mV），S为灵敏度。D越小，仪器越灵敏。 TCD检测器D约为10-5mgmL-1，FID检测器D约为10-12gs-1 检出限不仅决定于灵敏度，还受限于噪声，所以它的衡量检测器性能好坏的综合指标。3、最小检测量 Q0检

44、测器恰能产生信号时所需进入色谱柱的最小质量（或浓度）。浓度型： Q0=1.065Y1/2qV,0D （mg）质量型：Q0=1.065Y1/2D （g）最小检测量与检出限不同。检出限只用来衡量检测器的性能，最小检测量不仅与检测器性能有关，还与色谱柱效及操作条件有关。4、响应时间响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其值的63%所需的时间。检测器应该迅速真实地反映通过它的物质的浓度变化，即相应要快。一般小于1s。5、线性范围试样量与信号之间保持线性关系的范围。用最大进样量和最小进样量的比值来表示，范围越大，越有利。FID约107，TCD约105。2-6 色谱定性分析色谱定性分析就是要确定各色

45、谱峰代表何种化合物。色谱法主要利用保留值定性，但在很多情况下，仍需借助其它手段。一、根据保留值进行定性分析(1)直接根据色谱保留值进行定性由于各种物质在一定的色谱条件下均有确定的保留值，这些保留值包括保留时间、保留体积，保留指数及相对保留值，因此保留值可作为一种定性指标。但是不同物质在同一色谱条件下，可能具有相似或相同的保留值，即保留值并非专属的。因此仅根据保留值对一个完全未知的样品定性是困难的。还必须再结合物质的其它信息确定色谱峰所代表的化合物。(2)利用相对保留值r21进行定性保留时间受柱长、固定液含量、载气流速等操作影响，而相对保留值r21仅与温度有关。(3)利用纯物质峰高增量定性当未知

46、样品中组分较多，或仅作未知样品指定项目分析时可以利用峰高增量定性。方法是首先作出未知样品的色谱图，然后在未知样品加入已知物，在相同的条件下得到一个色谱图。峰高增加的组分即可能为这种已知物。 (4) 利用多色谱系统定性一些物质可能在某一种固定相中有相同的保留值，如果用两根或更多极性差异较大的色谱柱作色谱图，比较保留值，这样定性的把握要增大许多。二、根据保留指数定性保留指数（retention index）又称为柯瓦（Kovts）指数，它表示物质在固定液上的保留行为，是目前使用最广泛并被国际上公认的定性指标。保留指数也是一种相对保留值，它是把正构烷烃中某两个组分的调整保留值的对数作为相对的尺度，并

47、假定正构烷烃的保留指数为n100。被测物的保留指数值可用以下公式计算： 式中：X为保留值，可以用调整保留时间tR，调整保留体积VR表示，Z、Z+1为两相邻正构烷烃的碳数，I为在两相邻正构烷烃间流出的被测物质X的保留指数。例：60时，在角鲨烷柱上，正己烷、正庚烷和某组分的调整保留时间分别为262.1s，661.3s和395.4s，可以根据以上公式计算：根据文献查得：所计算出来的Ix对应的化合物是苯。需要注意的是，使被测物质的调整保留时间应在选取的两个正构烷烃基准物质的调整保留时间之间，即：XZXiXZ+1。保留指数的物理意义在于：它是与被测物质具有相同调整保留时间的假想的正构烷烃的碳数乘以100

48、。保留指数仅与固定相的性质、柱温有关，与其它实验条件无关。其准确度和重现性都很好。只要柱温与固定相相同，就可应用文献值进行鉴定，而不必用纯物质相对照。三、其它方法1、与其它方法结合定性分析（1）与质谱、红外光谱等仪器联用先分离，再定性。色谱-IR、色谱-NMR及色谱-MS。色质联用是目前解决未知物定性分析最有效的手段。（2）与化学方法配合定性 对于一些的官能团，用化学方法处理，色谱峰将提前、推后或消失由此定性。（2）利用检测器选择性进行定性 利用检测器具有不同的选择性和灵敏度，可以对未知物大致定性。2-7 色谱定量分析气相色谱定量分析的依据是被测组分的质量与其色谱峰面积（或峰高）成正比，即：m

49、i=fiAi式中：为被测组分i的质量，Ai为被测组分i的峰面积，fi为被测组分i的定量校正因子（比例常数）。一、峰面积测量法1、峰高乘半峰宽 对称峰峰面积： A=1.065hY1/2 方便，但不适合不对称峰峰面积测量2、峰高乘底峰宽 作图法，矮而宽的峰，此法更准确，约为真实值的0.98倍。3、峰高乘平均峰宽法不对称峰峰面积使用此法：式中：h 为峰高，Y0.15 和 Y0.85分别为峰高0.15倍和0.85倍处的峰宽。4、峰高乘保留值此法适用于狭窄的峰，常用于工厂控制分析。5、积分仪和色谱工作站 现代色谱大多配有“色谱工作站”，不仅配有积分仪，还能对仪器进行实时监控，对信号进行自动采集和处理。二

50、、定量校正因子被测组分的量与其峰面积成正比。但质量相同的不同组分在相同条件下测定时，所得的峰面积是不相同的，这与各种物质的性质有关。因此，混合物中某一组分的百分含量并不等于该组分的峰面积在各组分峰面积总和中所占的百分率。所以，不能直接利用峰面积计算物质的含量。为了使峰面积能真实反映出物质的质量，就要对峰面积进行校正，即在定量计算时引入校正因子。1、 绝对校正因子 mi=fiAi ；fi = mi /Ai式中：fi称为绝对校正因子。在定量分析时要精确求出fi值是比较困难的。因为绝对校正因子与色谱条件有关，要保持测定fi值时的色谱条件相同，既困难又不方便。为此在实际应用中，用相对校正因子的来解决色

51、谱定量分析问题。2、质量校正因子fm 某组分i的相对校正因子fi为组分i与标准物质s的绝对校正因子之比。通过相对校正因子，可以把各个组分的峰面积分别换算成与其质量相等的标准物质的峰面积。相对校正因子值只与被测物和标准物以及检测器的类型有关，而与操作条件无关。因此， 文献中提供许多物质的fi，可以直接引用。若文献中查不到所需的fi 值，也可以自己测定。通常所指的校正因子都是相对校正因子。常用的标准物质，对TCD是苯，对FID是正庚烷。3、摩尔校正因子fM 4、体积校正因子fV如果以体积计量则：fV=fM5、相对响应值s相对响应值是物质i与标准物质s的相应值之比，即： s=1/ fi三、几种常用的

52、定量计算方法1、归一化法把所有出峰组分的含量之和按100%计的定量方法称为归一化法。式中：wi为被测组分i的百分含量； A1、A2 An为组分1 n的峰面积；f1、f2 fn为组分1 n的相对校正因子。若校正因子f相近或相同，则：对于狭窄的峰，有用峰高代替峰面积进行定量测量，f为峰高校正因子。特点及要求： 简单、准确，操作条件变化时对定量结果影响不大。 样品的所有组分必须全部出峰，某些不需要定量的组分也必须测出其峰面积及fi 值。 测量低含量尤其是微量杂质时，误差较大。因此，该法在实际使用中受到限制。2、内标法在一定量的试样中，加入一定量的内标物（纯物质），根据待测组分和内标物峰面积及内标物质质量计算待测组分质量的方法。由于被测组分与内标物质量之比等于峰面积之比，即 式中：下标s代表内标物，i代表组分。若试样质量为mi，则含量wi为：一般常以内标物为基准，则fs=1，上式可简化为：内标法的关键是选择合适的内标物，它必须符合下列条件： 内标物应是试样中原来不存在的纯物质，性质与被测物相近，能完全溶解于样品中，不与样品发生化学反应。 内标物的峰位置应尽量靠近被测组分的峰，并与色谱峰完全分离。 内标物的质量应与被测物质的质量接近，能保持色谱峰大小差不多。特点及要求： ms / m比值恒定，所以进样量不必准确； 通过测量Ai / As比值进行计算，操作条件稍有变化对结果没有什么影响，因此