第15章气相色谱分析

1、2021-10-13第第1515章章 分离分析法导论分离分析法导论2021-10-1315-115-1、概述、概述混合物最有效的分离、分析方法。混合物最有效的分离、分析方法。 俄国植物学家茨维特在俄国植物学家茨维特在19061906年使用的装置：年使用的装置：色谱原型装置，如图。色谱原型装置，如图。 色谱法是一种分离技术色谱法是一种分离技术， 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。配过程。 其中的一相固定不动，称为其中的一相固定不动，称为固定相固定相； 另一相是携带

2、试样混合物流过此固定相的流另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为体（气体或液体），称为流动相流动相。2021-10-13色谱法的发展历史色谱法的发展历史年代发明者发明的色谱方法或重要应用1906Tswett用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。1931Kuhn, Lederer用氧化铝和碳酸钙分离a-、b-和g-胡萝卜素。使色谱法开始为人们所重视。1938Izmailov, Shraiber最先使用薄层色谱法。1938Taylor, Uray用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。1941Martin, Synge提出色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可

3、作为流动相（即气相色谱）。1944Consden一步等发明了纸色谱。1949Macllean在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段。1952Martin, James从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法。1956Van Deemter等提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。1957 基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。1958Golay发明毛细管柱气相色谱。1959Porath, Flodin发表凝胶过滤色谱的报告。1964Moore发明凝胶渗透色谱。1965Giddings发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。1975Small发明了以离子交换剂为固定相、强电

4、解质为流动相，采用抑制型电导检测的新型离子色谱法。1981Jorgenson等创立了毛细管电泳法。2021-10-13 色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作 年代获奖学科获奖研究工作1937化学类胡萝卜素化学，维生素A和B1938化学类胡萝卜素化学1939化学聚甲烯和高萜烯化学1950生理学、医学性激素化学及其分离、肾皮素化学及其分离1951化学超铀元素的发现1955化学脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素1958化学胰岛素的结构1961化学光合作用时发生的化学反应的确认1970生理学、医学关于神经元触处迁移物质的研究1970化学糖核苷酸的发现及其在生物合成碳水化合物中的作用1972化学核糖核

5、酸化学酶结构的研究1972生理学、医学抗体结构的研究2021-10-1315-215-2、色谱分析法及其基本概念、色谱分析法及其基本概念 当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中组

6、分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。流出。 与适当的柱后检测方与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。组分的分离与检测。 两相及两相的相对运两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础动构成了色谱法的基础一、色谱分析法简介一、色谱分析法简介2021-10-13二、色谱法分类二、色谱法分类 (1) (1)气相色谱气相色谱：流动相为气体（称为载气）。流动相为气体（称为载气）。 按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱。按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱。 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱。按固定相的不同又分为：气固色谱和气

7、液色谱。2021-10-13(2)(2)液相色谱液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。流动相为液体（也称为淋洗液）。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。离子色谱：离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同定相，不同pHpH值的水溶液为流动相。值的水溶液为流动相。2021-10-13(3)(3)其他色谱方法其他色谱方法薄层色谱和纸色谱：薄层色谱和纸色谱： 比较简单的色谱方法比较简单的色谱方法凝胶色谱法凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。超临界色谱超临界色谱: : COCO2 2流动相。流动相。高效

8、毛细管电泳高效毛细管电泳: : 九十年代快速发展、特别九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高适合生物试样分析分离的高效分析仪器。效分析仪器。2021-10-13三、色谱流出曲线与术语三、色谱流出曲线与术语1. 1.基线基线 无试样通过检测器时，无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。检测到的信号即为基线。2. 2.色谱保留值色谱保留值 （1 1）时间表示的保留值）时间表示的保留值 保留时间（保留时间（t tR R）：）：组组分从进样到柱后出现浓度分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；极大值时所需的时间； 死时间（死时间（t tMM）：）：不与固定相作用的气体（如空气）的保不与固定

9、相作用的气体（如空气）的保留时间；留时间； 调整保留时间（调整保留时间（t tR R ）：）：t tR R= = t tR R- -t tMM 2021-10-13 （2 2）用体积表示的保留值）用体积表示的保留值 保留体积（保留体积（V VR R）：）： V VR R = = t tR RF F0 0F F0 0为柱出口处的载气流量，为柱出口处的载气流量，单位：单位：m L / minm L / min。 死体积（死体积（V VMM）：）： V VMM = = t tMM F F0 0 调整保留体积调整保留体积( (V VR R) )： V V R R = = V VR R - -V VMM

10、 2021-10-13（3 3） 相对保留值相对保留值r r2121 组分组分2 2与组分与组分1 1调整保留值之比：调整保留值之比： r r2121 = = t t R R2 2 / / t t R R1 1= = V V R R2 2 / / V V R R1 1 相对保留值只与柱温相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组表示了固定相对这两种组分的选择性。分的选择性。2021-10-133 3. . 色谱峰的高度、宽度及面积色谱峰的高度、宽度及面积 用来衡量色谱峰宽度的参用来衡量色谱峰宽度的参数，有数，

11、有三种表示方法三种表示方法：（1 1）标准偏差标准偏差( ( ) )：即即0.6070.607倍峰倍峰高处色谱峰宽度的一半。高处色谱峰宽度的一半。（2 2）半峰宽半峰宽( (Y Y1/21/2) )：色谱峰高一色谱峰高一半处的宽度半处的宽度 Y Y1/21/2 =2.354 =2.354 （3 3）峰底宽峰底宽( (WWb b) )：WWb b=4 =4 2021-10-134. 4.色谱分离过程色谱分离过程 色谱分离过程是在色谱柱内完成的。色谱分离过程是在色谱柱内完成的。 填充柱色谱填充柱色谱: :气固气固( (液固液固) )色谱和气液色谱和气液( (液液液液) )色谱，两者的分色谱，两者的

12、分离机理不同。离机理不同。 气固气固( (液固液固) )色谱的固定相色谱的固定相: : 多孔性的固体吸附剂颗粒。多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。气液气液( (液液液液) )色谱的固定相色谱的固定相: : 由由 担体和固定液所组成。担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。气固色谱的分离机理气固色谱的分离机理: : 吸附与脱附的不断重复过程。吸附与脱附的不断重复过程。气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理： 气液气液( (液液液液) )两相间的反复多次分配过程。两

13、相间的反复多次分配过程。2021-10-131. 1. 气相色谱分离过程气相色谱分离过程 当试样由载气携带进入色谱当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附。溶解或吸附。 随着载气的不断通入，被溶随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附。挥发或脱附。 挥发或脱附下的组分随着载挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附。溶解或吸附。 随着载气的流动，溶解、挥随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复发，或吸附、脱附的过程反复地进行。地进行。2021-10-

14、132. 2. 分配系数（分配系数（ partion factorpartion factor） K K 组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：分配达到平衡时的浓度（单位：g / mLg / mL）比，称为分配系数，比，称为分配系数，用用K K 表示，即：表示，即：Ms ccK 组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度组分在固定相中的浓度分配系数是色谱分离的依据。分配系数是色谱分离的依据。2

15、021-10-13分配系数分配系数 K K 一定温度下，组分的分配系数一定温度下，组分的分配系数K K越大，出峰越慢。越大，出峰越慢。试样一定时，试样一定时，K K主要取决于固定相性质。主要取决于固定相性质。每个组份在各种固定相上的分配系数每个组份在各种固定相上的分配系数K K不同。不同。选择适宜的固定相可改善分离效果。选择适宜的固定相可改善分离效果。试样中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的K K值是分离的基础。值是分离的基础。某组分的某组分的K K = 0 = 0时，即不被固定相保留，最先流出。时，即不被固定相保留，最先流出。 组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在固定相中的

16、浓度组分在固定相中的浓度 K2021-10-133. 3.分配比分配比 （partion radiopartion radio）k k 在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：时的质量比：Ms mmk 组分在流动相中的质量组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量组分在固定相中的质量 1. 1. 分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变

17、化。有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。 2. 2.分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。参数，数值越大，该组分的保留时间越长。 3. 3. 分配比可以由实验测得。分配比可以由实验测得。分配比也称：分配比也称： 容量因子容量因子( (capacity factor)capacity factor)；容量比容量比( (capacity factor)capacity factor)；2021-10-134. 4. 容量因子与分配系数的关系容量因子与分配系数的关系 式中式中 为相比。为相比。 填充柱

18、相比：填充柱相比：6 63535；毛细管柱的相比：；毛细管柱的相比：505015001500。 容量因子越大，保留时间越长。容量因子越大，保留时间越长。 V VMM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积。 V VS S为固定相体积，对不同类型色谱柱，为固定相体积，对不同类型色谱柱， V VS S的含义不同的含义不同。 气气- -液色谱柱：液色谱柱： V VS S为固定液体积为固定液体积。 气气- -固色谱柱：固色谱柱： V VS S为吸附剂表面容量为吸附剂表面容量。b bKVVccVVMVVMMMkmSmsmmSSSSmS 2021-10-135.

19、 5. 分配比与保留时间的关系分配比与保留时间的关系 滞留因子（滞留因子（retardation factorretardation factor）：）：uuRSS u us s：组分在分离柱内的线速度；组分在分离柱内的线速度；u u：流动相在分离柱内的线流动相在分离柱内的线速度；速度；滞留因子滞留因子R RS S也可以用质量分数也可以用质量分数 表示：表示：kmmmmmRS 1111MsMss 若组分和流动相通过长度为若组分和流动相通过长度为L L的分离柱，需要的时间分别的分离柱，需要的时间分别为为t tR R和和t tMM，则：则：uLtuLt MSR;由以上各式，可得：由以上各式，可得：

20、 t tR R = = t tMM(1+(1+k k) )MRMMRtttttk 2021-10-13一、色谱理论一、色谱理论 色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。分离度的评价指标及其关系。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制。：色谱过程的热力学因素控制。 （组分和固定液的结构和性质）（组分和固定液的结构和性质）色

21、谱峰变宽：色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制。色谱过程的动力学因素控制。 （两相中的运动阻力，扩散）（两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：塔板理论和速率理论。两种色谱理论：塔板理论和速率理论。15-3 15-3 色谱分析的基本理论色谱分析的基本理论2021-10-13 塔板理论的假设：塔板理论的假设：(1) (1) 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到。 (2) (2) 将载气看作成脉动（间歇）过程。将载气看作成脉动（间歇）过程。(3) (3) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略。试样沿色谱柱方向的扩散可忽略。(4) (4) 每次分配的分配系数相同。每

22、次分配的分配系数相同。 1. 1.塔板理论塔板理论半经验理论：半经验理论： 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）。（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）。2021-10-13 色谱柱长：色谱柱长：L L， 虚拟的塔板间距离：虚拟的塔板间距离：H H， 色谱柱的理论塔板数：色谱柱的理论塔板数：n n，则三者的关系为：则三者的关系为： n n = = L L / / H H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：22211654

23、5)()(./bRRWtYtn保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配! !2021-10-132. 2.有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 组分在组分在t tMM时间内不参与柱内分配。需引入有效时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：塔板数和有效塔板高度：222/1)(16)(54. 5bRRWtYtn 理理有效有效有效有效有效有效nLHWtYtnbRR 222/1)(16)

24、(54. 52021-10-133. 3.塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足 (1) (1)当色谱柱长度一定时，塔板数当色谱柱长度一定时，塔板数 n n 越大越大( (塔板高度塔板高度 H H 越小越小) )，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。色谱峰越窄。 (2) (2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。质。 (3) (3)柱效不能表示被分离

25、组分的实际分离效果，当两组分的柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数分配系数K K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。离。 (4) (4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。途径。2021-10-13二、二、 速率理论速率理论- -影响柱效的因素影响柱效的因素速率方程速率方程-（也称范（也称范. .弟姆特方程式）弟姆特方程式） H H = = A A + +

26、 B B/ /u u + + C Cu u H H：理论塔板高度，：理论塔板高度， u u：载气的线速度：载气的线速度( (cm/s)cm/s) 减小减小A A、B B、C C三项可提高柱效。三项可提高柱效。 存在着最佳流速。存在着最佳流速。 A A、B B、C C三项各与哪些因素有关？三项各与哪些因素有关？2021-10-13A A涡流扩散项涡流扩散项 A A = 2 = 2dpdp dpdp：固定相的平均颗粒直径固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不均匀因子固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小固定相颗粒越小dpdp，填充的越均匀，填充的越均匀，A A，H H，柱效，柱效n n。表现在涡流

27、扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。峰较窄。2021-10-13B B/ /u u 分子扩散项分子扩散项 B B = 2 = 2 D Dg g ：弯曲因子，填充柱色谱，弯曲因子，填充柱色谱， 11。 D Dg g：试样组分分子在气相中的扩散系数（：试样组分分子在气相中的扩散系数（cmcm2 2ss-1 -1） (1) (1) 存在着浓度差，产生纵向扩散存在着浓度差，产生纵向扩散; ; (2) (2) 扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽，H H(n n) )，分离变差分离变差; ; (3) (3) 分子扩散项与流速有关，流速分子扩散项与

28、流速有关，流速，滞留时间，滞留时间，扩散，扩散; ; (4) (4) 扩散系数：扩散系数：D Dg g (MM载气载气) )-1/2 -1/2 ； MM载气载气，B B值值。2021-10-13 k k为容量因子；为容量因子； D Dg g 、D DL L为扩散系数。为扩散系数。 减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。阻力。C C u u 传质阻力项传质阻力项 传质阻力包括气相传质阻力传质阻力包括气相传质阻力C Cg g和液相传质阻力和液相传质阻力C CL L即：即： C C = =（C Cg g + + C CL L）gfg

29、DdkkC22)1 (01. 0LfLDdkkC22)1 (322P2021-10-132. 2.载气流速与柱效载气流速与柱效最佳流速最佳流速载气流速高时：载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的主传质阻力项是影响柱效的主要因素，要因素，流速流速 ，柱效，柱效 。载气流速低时：载气流速低时： 分子扩散项成为影响柱效的分子扩散项成为影响柱效的主要因素，主要因素，流速流速 , ,柱效柱效 。H H - - u u曲线与最佳流速：曲线与最佳流速： 由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流使得

30、存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度以塔板高度H H对应载气流速对应载气流速u u作图，曲线最低点的流速即作图，曲线最低点的流速即为为最佳流速最佳流速。2021-10-133. 3. 速率理论的要点速率理论的要点 (1) (1) 组分分子在柱内运行的组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散多路径与涡流扩散、浓度梯度所造浓度梯度所造成的成的分子扩散分子扩散及及传质阻力传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。 (

31、2) (2) 通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。流速可提高柱效。 (3) (3) 速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。明了流速和柱温对柱效及分离的影响。 (4) (4) 各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩

32、散的影效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。2021-10-13三、三、 分离度分离度 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：影响：保留值之差保留值之差色谱过程的热力学因素；色谱过程的热力学因素； 区域宽度区域宽度色谱过程的动力学因素。色谱过程

33、的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示：2021-10-13讨论：讨论： 色谱分离中的四种情况的讨论：色谱分离中的四种情况的讨论： 柱效较高，柱效较高，K K( (分配系数分配系数) )较大较大, ,完全分离；完全分离； K K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，柱效较低，K K较大较大, ,但分离的不好；但分离的不好； K K小，小，柱效低，分离效果更差。柱效低，分离效果更差。2021-10-13分离度的表达式分离度的表达式：R R=0.8=0.8：两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达89%8

34、9%。R R=1=1：分离程度：分离程度98%98%。R R=1.5=1.5：达：达99.7%99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。（相邻两峰完全分离的标准）。)(.)()()(/)(/)()()()()()(121221121212699122YYttWWttRRRbbRR2021-10-13令令WWb(2)b(2)= =WWb(1)b(1)= =WWb b（相邻两峰的峰底宽近似相等相邻两峰的峰底宽近似相等），），引入相对引入相对保留值和塔板数，可导出下式：保留值和塔板数，可导出下式：161112212121121221211212有效nrrWtttrWtttWttWWttRbbbbbRRR

35、RRRRRRR)()()()()()()()()()()()()()()()(有效有效HrrRLrrRn221212221212116116)()(2021-10-13讨论讨论：（1 1）分离度与柱效分离度与柱效 分离度与柱效的平方根成正比，分离度与柱效的平方根成正比， r r2121一定时，增加柱效，一定时，增加柱效，可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。（2 2）分离度与分离度与r r2121 增大增大r r2121是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当离度下，当

36、r r2121增加一倍，需要的增加一倍，需要的n n有效有效 减小减小1000010000倍。倍。 增大增大r r2121的最有效方法是选择合适的固定液。的最有效方法是选择合适的固定液。2021-10-13例题例题1 1： 在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为8585秒和秒和100100秒，要达到完全分离，即秒，要达到完全分离，即R R=1.5 =1.5 。计算需要多少块有效计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 0.1 cmcm，柱长是多少？柱长是多少？解：解： r r2121= 100 / 85 = 1.

37、18= 100 / 85 = 1.18 n n有效有效 = 16= 16R R2 2 r r2121 / ( / (r r2121 1) 1) 2 2 = 16 = 161.51.52 2 (1.18 / 0.18 )(1.18 / 0.18 ) 2 2 = 1547 = 1547（块）块） L L有效有效 = = n n有效有效H H有效有效 = 1547= 15470.1 = 155 0.1 = 155 cmcm 即柱长为即柱长为1.551.55米时，两组分可以得到完全分离。米时，两组分可以得到完全分离。2021-10-13例题例题2 2： 在一定条件下，两个组分的保留时间分别为在一定条件

38、下，两个组分的保留时间分别为12.212.2s s和和12.812.8s s，计算分离度。要达到完全分离，即计算分离度。要达到完全分离，即R R=1.5=1.5，所需要的柱长。所需要的柱长。解：解：8533. 036008 .12448133. 036002 .12442211 ntWntWRbRb分离度分离度：72. 08133. 08533. 0)2 .128 .12(2 RmLRRL34. 4172. 05 . 1212122 塔板数增加一倍，分离度增加多少？塔板数增加一倍，分离度增加多少？2021-10-13第16章气相色谱分析法2021-10-13 气相色谱法是指用气体作为流动相的色

39、谱法。气相色谱法是指用气体作为流动相的色谱法。由于样品在气相中传递速度快，因此样品组分在流由于样品在气相中传递速度快，因此样品组分在流动相和固定相之间可以瞬间地达到平衡。另外加上动相和固定相之间可以瞬间地达到平衡。另外加上可选作固定相的物质很多，因此气相色谱法是一个可选作固定相的物质很多，因此气相色谱法是一个分析速度快和分离效率高的分离分析方法。近年来分析速度快和分离效率高的分离分析方法。近年来采用高灵敏选择性检测器，使得它又具有分析灵敏采用高灵敏选择性检测器，使得它又具有分析灵敏度高、应用范围广等优点。度高、应用范围广等优点。 16-1 16-1 概述概述2021-10-1316-2、气相色

40、谱仪2021-10-13气相色谱仪2021-10-13气相色谱仪器2021-10-13气相色谱主要部件气相色谱主要部件1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统2021-10-131. 1. 载气系统载气系统 包括气源、净化干燥管和载气流速控制。常用的载气有：氢气、氮气、氦气。净化干燥管净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）。载气流速控制载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定

41、。2021-10-132. 进样系统 进样装置：进样装置：进样器+气化室。 气体进样器气体进样器（六通阀）：（六通阀）：推拉式和旋转式两种。 试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱。2021-10-13液体进样器： 不同规格的专用注射器专用注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。 气化室气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。2021-10-133. 分离系统 色谱柱：色谱柱：色谱仪的核心部件。 柱材质：柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径3-6毫米。长度可根据需

42、要确定。 柱填料：柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。 液液- -固色谱：固体吸附剂固色谱：固体吸附剂 液液- -液色谱：担体液色谱：担体+ +固定液固定液 柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将 柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。2021-10-13一、气固色谱固定相1. 1. 种类种类 (1)(1)活性炭活性炭 有较大的比表面积，吸附性较强。 (2)(2)活性氧化铝活性氧化铝 有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。2021-10-13 (3)(3)

43、硅胶硅胶 与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。(4)(4)分子筛分子筛 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。(5)(5)高分子多孔微球（高分子多孔微球（GDXGDX系列）系列） 新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。 型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。2021-10-132. 气固色谱

44、固定相的特点（1 1）性能与制备和活化条件有很大关系。）性能与制备和活化条件有很大关系。（2 2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大。差异较大。（3 3）种类有限，能分离的对象不多。）种类有限，能分离的对象不多。（4 4）使用方便。）使用方便。2021-10-13二、气液色谱固定相 气液色谱固定相气液色谱固定相 固定液固定液+ +担体担体（支持体） ：小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。 固定液特点：固定液特点： 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下

45、一定呈液体状态。液体状态。 固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。2021-10-13 1. 作为担体使用的物质应满足的条件 比表面积大，孔径分布均匀。比表面积大，孔径分布均匀。 化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应。不起反应。 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎。具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎。 颗粒大小均匀、适度。一般常用颗粒大小均匀、适度。一般常用6

46、0806080目、目、8010080100目。目。2021-10-132.担体（硅藻土）红色担体：红色担体： 孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。性吸附中心点。白色担体：白色担体： 煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。煅烧前原料中加入了少量助溶剂（碳酸钠）。 颗颗 粒疏粒疏松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性松，孔径较大。比表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。显著减小，适宜分离

47、极性组分的试样。2021-10-13表 气液色谱担体 种类 担体名称 特点及用途 生产厂家红色硅藻土担体201 红色担体301 釉化红色担体6201 红色担体适用于涂渍非极性固定液分析非极性物质由 201 釉化而成，性能介于红色与白色硅藻土担体之间，适用于分析中等极性物质上海试剂厂大连催化剂厂硅藻土类白色硅藻土担体101 白色担体101 酸洗101 硅烷化白色担体102 白色担体适用于涂渍极性固定液分析极性物质催化吸附性小，减小色谱峰拖尾上海试剂厂非硅藻土类高分子微球玻璃微球氟担体由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成经酸碱处理，比表面积 0.02 m2 / g ,可在较高温度下使用，适宜分析高沸点物质。

48、由四氟乙烯聚合而成，比表面积 10.5 m2 /g适宜分析强极性物质和腐蚀性物质上海试剂厂2021-10-133. 3.固定液固定液 固定液：固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。(1) (1) 对固定液的要求对固定液的要求 应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。(2) (2) 选择的基本原则选择的基本原则 “相似相溶相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。(3) (3) 固定液分类方法固定液分类方法 如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺

49、、聚硅氧烷等。2021-10-13(4)(4)固定液的最高最低使用温度固定液的最高最低使用温度 高于最高使用温度易分解，温度低呈固体；(5) (5) 混合固定相混合固定相 对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上配合使用；(6) (6) 固定液的相对极性固定液的相对极性 规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，氧二丙睛的相对极性为100。2021-10-132021-10-132021-10-134. 检测系统 色谱仪的眼睛。 通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成。 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给

50、出色谱图。 检测器：检测器：广普型广普型对所有物质均有响应。对所有物质均有响应。 专属型专属型对特定物质有高灵敏响应。对特定物质有高灵敏响应。 常用的检测器：热导检测器（TCD）、氢火焰离子化检 测器(FID)。2021-10-13一、热导检测器一、热导检测器 thermal conductivity detector,TCDthermal conductivity detector,TCD1. 1. 热导检测器的结构热导检测器的结构 池体池体（一般用不锈钢制成） 热敏元件热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测

51、量臂测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。2021-10-132. 2.检测原理检测原理 平衡电桥，右图。 不同的气体有不同的热导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R R参参= =R R测测 ; ; R R1 1=R=R2 2 则：则： R R参参R R2 2= =R R测测R R1 1 无电压信号输出； 记录仪走直线（基线）。 2021-10-13进样后进样后: : 载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R R参参R R测测 则： R R参参R R2 2

52、R R测测R R1 1 这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。2021-10-133. 3. 影响热导检测器灵敏度的因素影响热导检测器灵敏度的因素 桥路电流桥路电流I I ： I ，钨丝的温度 ，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S S I I 3 3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。 池体温度池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。2021-10-13

53、载气种类载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。表表 某些气体与蒸气的热导系数（某些气体与蒸气的热导系数（ ），），单位：单位：J / cmsJ / cms2021-10-13二、 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器 flame ionization detector, FIDflame ionization detector, FID1. 1. 特点特点 简称氢焰检测器简称氢焰检测器 （FIDFID：hydrogen

54、hydrogen f flamelamei ionization onization d detectoretector） (1) (1) 典型的典型的质量型检测器质量型检测器。 (2) (2) 对有机化合物具有很高的灵敏度。对有机化合物具有很高的灵敏度。 (3) (3) 无机气体、水、四氯化碳等无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应灵敏度低或不响应。 (4) (4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点。响应迅速等特点。 (5) (5) 比热导检测器的灵敏度高出近比热导检测器的灵敏度高

55、出近3 3个数量级，检测下限个数量级，检测下限可达可达1010-1 -13 3gsgs-1 -1。2021-10-132. 2. 氢焰检测器的结构氢焰检测器的结构 (1) (1) 在发射极和收集极之间在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（加有一定的直流电压（100100300300V V）构成一个外加电场。构成一个外加电场。 (2) (2) 氢焰检测器需要用到三氢焰检测器需要用到三种气体：种气体： N2 ：载气携带试样组分； H2 ：为燃气； 空气：助燃气。 使用时需要调整三者的比例使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。关系，检测器灵敏度达到最佳。2021-10-133. 3.

56、 氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理 (1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ： CnHm CH(2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应： CH + O CHO+ + e(3)生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应： CHO+ + H2O H3O+ + COA A区：预热区区：预热区B B层：点燃火焰层：点燃火焰C C层：热裂解区：层：热裂解区：温度最高温度最高D D层：反应区层：反应区2021-10-13氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理 (4)(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）。(5) (5) 在一定范围内，微电流的大小与进入离在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。器