第二章气相色谱

1、第二章 气相色谱分析2-1 气相色谱概述2-2 气相色谱分析的理论基础2-3 色谱分离条件选择2-4 固定相及其选择2-5 气相色谱检测器2-6 气相色谱定性方法2-7 色谱法特点 色谱色谱（chromatography）来源于希腊字）来源于希腊字chroma（color）和）和graphein（to write) 色谱法早在色谱法早在1903年由俄国植物学家年由俄国植物学家茨维特茨维特（Tsweet）分离植物色素时采用并提出的。分离植物色素时采用并提出的。2-1 气相色谱法概述气相色谱法概述茨 维茨 维特特 分分离 植离 植物 色物 色素 的素 的装置装置。俄国植物学家茨维特他在波兰华山大学

2、将植物色素的溶液放在填有他在波兰华山大学将植物色素的溶液放在填有碳酸钙颗粒碳酸钙颗粒的玻璃管中，的玻璃管中，用用石油醚石油醚冲洗。观察到这种色素在柱中被分离成为不同颜色的色素谱带。冲洗。观察到这种色素在柱中被分离成为不同颜色的色素谱带。因而在德国植物学杂志上发表文章时称这种色带为因而在德国植物学杂志上发表文章时称这种色带为“色谱色谱”,把玻璃管称把玻璃管称为为“色谱柱色谱柱”，把碳酸钙称为，把碳酸钙称为“固定相固定相”，把纯净的石油醚称为，把纯净的石油醚称为“流动流动相相”。茨维特开创的方法叫液固色谱法，这就是色谱的起源。茨维特开创的方法叫液固色谱法，这就是色谱的起源。后来不仅用于分离有色物质

3、，还用于分离无色物质，并出现了种类繁多后来不仅用于分离有色物质，还用于分离无色物质，并出现了种类繁多的各种色谱法。许多气体、液体和固体样品都能找到合适的色谱法进行的各种色谱法。许多气体、液体和固体样品都能找到合适的色谱法进行分离和分析。目前分离和分析。目前环境介质中有机物的分析主要是采用色谱法环境介质中有机物的分析主要是采用色谱法，色谱法，色谱法是一类重要的分离、分析方法。是一类重要的分离、分析方法。 色谱法，其共同的基本特点： 具备两个相：不动的一相，称一为固定相；不动的一相，称一为固定相；另一相是携带样品流过固定相的流动体，另一相是携带样品流过固定相的流动体，称为流动相称为流动相。当流动相

4、中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。 板流动相固定相色谱法是一种分离技术。色谱法是一种分离技术。固定相：使混合物中各组分在两相间进行分配，其中固定相：使混合物中各组分在两相间进行分配，其中 不动的一相。不动的一相。流动相：携带混合物流过此固定相的流体相。流动相：携带混合物流过此固定相的流体相。分离原理分离原理： 依据不同物质在流动相中与固定相的依据不同物质在流动相中与固定相的相互相互作用作用的不同而产生不同的分配率

5、，经过多次分的不同而产生不同的分配率，经过多次分 配而达配而达到混合物的分离的目的。到混合物的分离的目的。一、色谱法分类：一、色谱法分类：1、按流动相的物态：气相色谱法，液相色谱法、按流动相的物态：气相色谱法，液相色谱法 按固定相的物态：气固色谱（固定相为固定吸附剂）按固定相的物态：气固色谱（固定相为固定吸附剂） 气液色气液色谱（固定相为涂在固体担体上的或毛细管壁上的液体）谱（固定相为涂在固体担体上的或毛细管壁上的液体） 液固色谱液固色谱 液液色谱液液色谱2、按固定相使用的形式：柱色谱，纸色谱，薄层色谱。、按固定相使用的形式：柱色谱，纸色谱，薄层色谱。 3、按色谱分离过程的机制、按色谱分离过程

6、的机制 吸附色谱吸附色谱 分配色谱分配色谱 离子交换色谱离子交换色谱 排阻色谱（凝胶色谱）排阻色谱（凝胶色谱）二、气相色谱流程：二、气相色谱流程：图图2.1 气气相相色色谱谱流流程程图图三.GC工作过程气相色谱仪的组成及各部分的作用：气相色谱仪的组成及各部分的作用：1、载气系统（包括气源、气体净化、气体流速、载气系统（包括气源、气体净化、气体流速控制和测量），常用的载气：氨气、氮气。控制和测量），常用的载气：氨气、氮气。2、进样系统、进样系统 包括包括进样器和汽化室进样器和汽化室 微量注射器：微量注射器：0.1, 1, 5, 10, 50L 汽化室的作用是将液汽化室的作用是将液体或固体样品瞬间

7、气体或固体样品瞬间气化为蒸气，并很快被化为蒸气，并很快被载气带入色谱柱。载气带入色谱柱。进样要求动作快、时间短。进样要求动作快、时间短。汽化室可控制温度为汽化室可控制温度为20400汽气化温度一般较柱温高汽气化温度一般较柱温高30-70 1）填充柱 填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般一般内径为内径为2 24 mm4 mm，长，长1 13m3m。填充柱的形状有。填充柱的形状有U U型和型和螺旋螺旋型二型二种。种。 2 2）毛细管柱毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体载体空心柱空心柱。涂

8、壁空心柱是将固定液均匀地涂在。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径内径0 0l l0.5mm0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充往相比，其分离效率高（理论塔板数可达几十米。与填充往相比，其分离效率高（理论塔板数可达10106 6）、）、分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。高，并且制备较难。 3、分离系统、分离系统

9、色谱柱（心脏部分）、柱箱和恒温控制装置色谱柱（心脏部分）、柱箱和恒温控制装置,它是色它是色 谱仪的核心部件，其作用是分离样品谱仪的核心部件，其作用是分离样品 色谱柱：填充柱、空心毛细管柱色谱柱：填充柱、空心毛细管柱4.控制温度系统控制温度系统 在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对稳定性。控制温度主要指对色谱柱炉，气化室，色谱柱炉，气化室，检测器检测器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。对于沸

10、点范围很宽的混有恒温和程序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用合物，往往采用程序升温法程序升温法进行分析。程序升温进行分析。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。分离的目的。 检测恒温箱中的温度，一般选择与柱温相同或略高于检测恒温箱中的温度，一般选择与柱温相同或略高于柱温。柱温。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。5.检测和数据处理系统检测和数据处理系统 这个系统是指样品经色谱柱分离后，这个系统是指

11、样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载各成分按保留时间不同，顺序地随载气进人检测器检测器把进入的组分按气进人检测器检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱混合样品的色谱流出曲线流出曲线及定性和定及定性和定量信息。量信息。四、气相色谱流出曲线和有关术语：四、气相色谱流出曲线和有关术语： 图图2.2 色谱流出曲线色谱流出曲线流出曲线流出曲线（色谱图）（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线色谱峰色谱峰：流

12、出曲线上突起部分（1）基线基线（base line） 是柱中仅有流动相通过时，检测是柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值，即图器响应讯号的记录值，即图2.2中中Ot线稳定的基线应该是线稳定的基线应该是一一条水平直线条水平直线噪音噪音：仪器本身所固有的，以噪音带表示（仪器越好，噪音越小） 漂移：漂移：基线向某个方向稳定移动（仪器未稳定造成） 基线：基线：当色谱柱中没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反应检测器系统噪声随时间变化的线称为基线.（2）保留值保留值（retention value） 表示试样中各组分表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间在色谱柱中的滞留时间的数值，通常用的数值

13、，通常用时间时间或或用将组分带处色谱柱所用将组分带处色谱柱所需载气的体积需载气的体积来表示。来表示。任何一种物质都有一定任何一种物质都有一定的保留值的保留值。死时间死时间（dead time）tM 指不被固定相吸附或溶解的气体（如空气、甲烷）指不被固定相吸附或溶解的气体（如空气、甲烷）从进样开始到柱后出现从进样开始到柱后出现浓度最大值浓度最大值时所需时间。时所需时间。保留时间保留时间（retention time） 指被测样品从进样指被测样品从进样开始到柱后出现浓度开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间最大值时所需的时间OB。调整保留时间调整保留时间（adjusted retention tim

14、e）RtRtRRMttt参数另外含义：某组分由于溶解或吸附于固定相，比不溶参数另外含义：某组分由于溶解或吸附于固定相，比不溶解或不被吸附的组分在色谱柱中多滞留的时间。解或不被吸附的组分在色谱柱中多滞留的时间。由于组份在色谱柱中的保留时间由于组份在色谱柱中的保留时间 包含了组份随流动相包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间，通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间，所以所以 实际上是组份在固定相中停留的总时间实际上是组份在固定相中停留的总时间保留时间可用时间单位（如保留时间可用时间单位（如s）或距离单位（如）或距离单位（如cm）表）表示。示。 保留时间保留时间

15、是色谱法定性的基本依据，但同一组份的保留时是色谱法定性的基本依据，但同一组份的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积等参数进行定性检定体积等参数进行定性检定RtRt 死体积死体积（dead volume）Vm 指色谱柱在填完后柱管内固定相颗粒间所指色谱柱在填完后柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两项空间以及检测器的空间的总和。当后两项很小忽略不计时，死体积可由很小忽略不计时，死体积可由死时间与色死时间与色谱柱出口的载气体积流速谱柱出口

16、的载气体积流速来计算：来计算： VM=tMF0 F0载气体积流速，载气体积流速，mLmin-1保留体积保留体积（retention volume）VR 从进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积 ： VR= tRF0 载气流速大，保留时间相应降低，两者乘积仍为常数，因此VR与F0无关。调整保留体积调整保留体积（adjusted retention volume） 扣除死体积后的保留体积 ，即 RV00 RRRRRMVt FVVFVV与载气流速或无关。 相对保留值相对保留值（relative retention volume）r21 指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之

17、比。) 1 ()2() 1 ()2() 1 ()2() 1 ()2(21RRRRRRRRvvttvvttr必须注意必须注意：相对保留值绝对不是两个组份保相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比留时间或保留体积之比 . r21亦可用来表示固定相（色谱柱）的选择性， r21越大，相邻两组分的tR相差越大，分离的越好， r211两组分不能分离。相对保留值的相对保留值的优点优点： 由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它是色谱法中，特别是气相色谱法中，广泛使

18、此，它是色谱法中，特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据用的定性数据 选择因子：选择因子：在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（s），），然后再求其它峰（然后再求其它峰（i）对这个峰的相对保留值此时，）对这个峰的相对保留值此时，ri/s可能大于可能大于1，也可能小于，也可能小于1在多元混合物分析中，在多元混合物分析中，通常选择通常选择一对最难分离的物质对一对最难分离的物质对，将它们的相对保留，将它们的相对保留值作为重要参数在这种特殊情况下，可用符号值作为重要参数在这种特殊情况下，可用符号表表示：示：12RRtt 式式中中tR2为后出峰的调整保留时间

19、，所以这时为后出峰的调整保留时间，所以这时总是总是大大于于1的的 。 ii 半峰宽度（peak width at half-height）Y1/2 峰高一半处的宽度（GH）它与标准偏差的关系为：1/222ln22.35Y易于测量，使用方便常用表示区域宽度。（3）区域宽度（peak width）i 标准偏差（standardard deviation） 即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半（图中EF的一半）iii 峰底宽度（peak width at base）Y 自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距IJ与标准偏差的关系为： Y=4利用色谱流出曲线可以解决以下问题： i 根据色谱峰的个数，

20、可以判断样品中所合组份的 最少个数； ii 根据色谱峰位置（保留值）可以进行定性检测； iii 根据色谱峰面积或峰高可以进行定量测定； 色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分 离效能的依据； 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相) 选择是否合适的依据。色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。性质有关。但是两峰间虽有一定

21、距离，如果每个峰都很宽，但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。谱行为。2-2 气相色谱分析的理论基础气固色谱、气液色谱气固色谱、气液色谱 气气固色谱固色谱中被分离物随着载气的流动，被测组中被分离物随着载气的流动，被测组分在吸附剂表面进行吸附，脱附，再吸附，再脱分在吸附剂表面进行吸附，脱附

22、，再吸附，再脱附附这样反复的过程不同物质在色谱柱中的保这样反复的过程不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。留时间不同而达到分离的目的。 气气液色谱液色谱中被分离物随着载气的流动，被测组分在中被分离物随着载气的流动，被测组分在固定液中进行溶解，挥发，再溶解，再挥发固定液中进行溶解，挥发，再溶解，再挥发的过的过程，使不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分程，使不同物质在色谱柱中的保留时间不同而达到分离的目的。离的目的。1、基本原理、基本原理 待测组分在固定相和流动相之间发生的吸附，脱附待测组分在固定相和流动相之间发生的吸附，脱附或溶解，挥发的过程叫做或溶解，挥发的过程叫做分配过程分配

23、过程。 smKCKC -分配系数是色组分在固定相中的浓度组分在流动相中浓谱分析的依据度分配系数分配系数在一定温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度在一定温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度（gmL-1）比称为）比称为分配系数分配系数，以，以K表示。表示。 分配系数分配系数 K的讨论的讨论一定温度下，组分的分配系数一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；越大，出峰越慢；试样一定时，试样一定时，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

24、中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；值是分离的基础；某组分的某组分的K = 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固定相中的浓度K在实际工作中，常应用另一表征色谱分配平衡过程的参数分配比（分配比（partition ratiopartition ratio）k。 kmS/mMmS为组分分配在固定相中的质量， mM为组分分配在流动相中的质量。与分配系数K的关系： K= k 为相比，反映各种色谱柱柱型及其结构的重要特性。填充柱相比：填充柱相比：635；毛细管柱的相比：毛细管柱的相比：501500分配比分配比 (容量因

25、子容量因子) 越大，保留时间越长。越大，保留时间越长。滞留因子（retardation factor）：kmmmmmRMSSMMs1111若流动相（载气）在柱内的线速度为u，即一定时间里载气在柱中流动的距离（单位cms-1），由于固定相对组分有保留作用，所以组分在柱内的线速度us将小于u，则两速度之比称为滞留因子Rs，Rs=us/u （1）也可用质量分数表示，如下：k可由实验测得。分配比与保留时间的关系：分配比与保留时间的关系：(1)RMRMRMMttktttktt 组分和流动相通过长度为L的色谱柱所需时间分别为， RsMLtuLtu11sRMsSLutukLtuRu 分配系数分配系数K及分配

26、比及分配比k与选择因子与选择因子的关系的关系 对A、B两组分的选择因子，用下式表示 )()()()()()(AKBKAkBkAtBtrr通过选择因子通过选择因子把实验测量值把实验测量值k与热力学性质的分配系数与热力学性质的分配系数K直直接联系起来，接联系起来，对固定相的选择具有实际意义。如果两组分对固定相的选择具有实际意义。如果两组分的的K或或k值相等，则值相等，则=1，两个组分的色谱峰必将重合，说，两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。明分不开。两组分的两组分的K或或k值相差越大，则分离得越好。因值相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。此两组分具有不同的分

27、配系数是色谱分离的先决条件。2. 色谱分离的基本理论色谱分离的基本理论基本理论包括两方面：I 塔板理论（色谱分析的基本理论）塔板理论（色谱分析的基本理论） 半经验理论：最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，一定的柱长看作一个塔板，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液 塔底产品 Q减压阀精馏塔 （3）试样开始时都加在）试样开始时都加在0号塔板上，且试样沿号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可略而不计；色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可略而不计；塔板理论的塔板理论的假设假设：（1）

28、在一小段间隔内，气相平均组成与液相平均组成可以很快的达到分配平衡。这样达到分配平衡的一小段柱长称为塔板理论高度（height equivalent to theoretical plate）H；（2）载气进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进入为一个板体积；（4）分配系数在各塔板上是常数。）分配系数在各塔板上是常数。 在气相色谱中，柱子的理论板数n值是很大的，约为 103106 ，流出曲线可趋近于正态分布曲线。流出曲线上的浓度c与时间t的关系可由下式表示:时在柱出口的浓度。为时间为保留时间为标准偏差为进样浓度式中：流出曲线方程tctceccRttR02)(0_222 可导出柱子的理论板数n

29、与色谱峰半峰宽或峰低宽度的关系：221/25.54()16()RRttnYYLHn而 式中L为色谱柱长度，tR及及Y1/2或或Y用同一物理量用同一物理量单位（时间或距离）。单位（时间或距离）。 由上面两式可见，色谱峰越窄，塔板数色谱峰越窄，塔板数n越多，越多，理论塔板高度理论塔板高度H就越小，此时柱效能越高。就越小，此时柱效能越高。 n，H可作为描述柱效能的一个指标。可作为描述柱效能的一个指标。由于有死时间（死体积）存在，由此计算出的n很大，H很小，不好，想办法。 为使塔板数和塔板高度真实反应色谱柱分离的好坏，将为使塔板数和塔板高度真实反应色谱柱分离的好坏，将tM外的有效塔板数外的有效塔板数n

30、有效有效和有效塔板高度和有效塔板高度H有效有效作为柱效能指标。作为柱效能指标。计算公式为：计算公式为： 221/25.54()16()RRttnYYLHn有效有效有效 有效塔板数和有效塔板高度较为真实的反应了柱效能的好坏。有效塔板数和有效塔板高度较为真实的反应了柱效能的好坏。 成功处：成功处：从热力学角度从热力学角度解释流出曲线的形状（呈正态分布）、浓解释流出曲线的形状（呈正态分布）、浓度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面。度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面。不足处：不足处：基本假设是不当基本假设是不当 。II 、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（也称范弟姆特方

31、程式，速率方程（也称范弟姆特方程式，1956年荷兰）年荷兰）: H = A + B/u + Cu H：理论塔板高度，：理论塔板高度，u：载气的线速度：载气的线速度(cm/s)，A，B，C三个三个常数。常数。 减小减小A、B、C三项可提高三项可提高柱效；柱效； 存在着最佳流速；存在着最佳流速； A、B、C三项各与哪些因三项各与哪些因素有关？素有关？涡流扩散项涡流扩散项分子扩散项分子扩散项传质阻力项传质阻力项 气体碰到填充物颗粒时，形成类似“涡流”的流动，引起色谱峰扩张。 （1）涡流扩散项）涡流扩散项A A=2dp dp: 填充物颗粒直径（单位为cm） : 填充的不均匀性 减少涡流扩散,提高柱效的

32、有效途径： 使用适当粒度和颗粒均匀的单体，尽量填充均匀。 对空心毛细管柱，A项为零。 由于进样在色谱柱内存在浓差而形成浓度梯度，从而使分子产生纵向扩散。 B2Dg 载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数（弯曲因子） Dg组分在气相中的扩散系数（单位为cm2s-1） （2）分子扩散项）分子扩散项B/（纵向扩散）（纵向扩散） 纵向扩散与组分在柱内的保留时间有关，保留时间越长，分子扩散项对色谱峰扩张的影响就越显著。相对分子质量较大的载气（如氨气）可使B项降低。 Dg随柱温增高而增加，但反比于柱压。 弯曲因子与填充物有关。 物理意义：由于固定相颗粒的存在，使分子不能自 由扩散，从而使扩散程度降低。

33、 空心毛细管柱1、填充柱中扩散程度降低1、 硅藻土担体0.50.7注意与区别：都与填充物有关， 是造成扩散阻碍； 是不均匀造成的。 当填充物很均匀， 可大大降低，当不会。（3）传质阻力项传质阻力项 C组分在气相和液相两相间进行反复分配时，遇到阻力。组分在气相和液相两相间进行反复分配时，遇到阻力。传质阻力包括气相传质阻力传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力和液相传质阻力CL ，液相传质液相传质阻力大于气相传质阻力。阻力大于气相传质阻力。即：即：C =（Cg + CL）LfLDdC2df：液膜的厚度：液膜的厚度DL：组分在液相中的：组分在液相中的扩散系数扩散系数22123(1)fLdkCkD

34、Dgd)k(k.Cgp2221010范第姆特方程 uDd)k(kDgd)k(k.urDgdpHfp122222132101022该方程对分离条件的选择有指导意义。它可以说明 ，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。2-3 色谱分离条件的色谱分离条件的选择选择一、分离度（一、分离度（resolution）决定二色谱峰能否分离有二个因素决定二色谱峰能否分离有二个因素：保：保留值的差别和峰宽度。留值的差别和峰宽度。色谱柱的分离效能指标色谱柱的分离效能指标 ：分离度分离度R两个峰有一定两个峰有一定距离，且峰必距离，且峰必须窄。须窄。完全重叠完全重叠部分

35、重叠部分重叠 完全分离完全分离)YY(ttR)(R)(R211221当R1时，分离程度可达98当R1.5时，分离程度可达99.7（作为两峰分开的标志） 相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值。定义： 当两组分色谱峰分离较差，峰低宽度难于测量时， 可用半峰宽度代替峰低宽度：)(21)2(2/1)1 (2/1)1 ()2(YYttRRR 色谱分析中，在选择合适的固定相及实验条件时，对于难分离的物质对，由于它们的保留值差别小，可合理的认为：Y1=Y2=Y（峰底宽度），k1=k2=k（分配比）。可得：RtnY141二、色谱分离基本方程式二、色谱分离基本方程式整理后可得：211

36、1() ()41(RRkRnktkt相对保留值） 选择因子， 容量因子n与n有效（有效理论塔板数）的关系式： 有效n)kk(n21色谱分离基本方程。有效理论塔板数表示的色谱分离基本色谱分离基本方程方程：114Rn有效（）ABBABBAA原始状态增加 k增加 n增加2111() ()41(RRkRnktkt相对保留值） 选择因子， 容量因子分离度、柱效和选择性参数的联系：222)1()2()2(2)2()1()2(21)1()2(21)1()2()1(16)(16)(16)(2)(2RttRtYtnYttYYttYYttRRRRRRRRRRR有效有效HRL22)1(16三、分离操作条件的选择三、

37、分离操作条件的选择1、载气及其流速的选择、载气及其流速的选择CuuBAH用在不同流速下测得的塔用在不同流速下测得的塔板高度板高度H对了流速对了流速作图，作图，得得H曲线图（如图）曲线图（如图）塔板高度与载气流速的关系 曲线的最低点，塔板高度H最小。此时，柱效最高。该点所对应的流速为最佳流速最佳。 最佳及H最佳可由微分求得。20dHBCduuBuC 最佳同时可得：BCAH2最小载气流速高时：载气流速高时： 传质阻力项传质阻力项(C)(C)是影是影响柱效的主要因素，响柱效的主要因素，流速流速 ，柱效，柱效 , ,右图右图曲线的右边。曲线的右边。宜采用相对分子质量较小的载气 (H2, He ) 载气

38、流速低时：载气流速低时： 分子扩散项分子扩散项(B)成为影响柱效的主要因素，成为影响柱效的主要因素，流速流速 ，柱效柱效 ，右图曲线的左边。，右图曲线的左边。相对分子质量较大的载气相对分子质量较大的载气 (N2，Ar ) ，使组分在载气中有较小的扩散系数，使组分在载气中有较小的扩散系数 实际工作中，为了缩短分析时间，往往使流速稍高于最佳流速。 对于填充柱，N2的最佳实用线速度为1012cms-1 H2为1520cms-1 载气流速习惯上用柱前的体积流速（mLmin-1），也可用皂膜流量计在柱后测量。 若色谱柱内径3mm，N2流速一般为4060mLmin-1 H2流速一般为6090mLmin-1

39、N2、H2、He的H-u2、柱温的选择、柱温的选择柱温：重要的操作变数，直接影响分离效能和分析柱温：重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度。速度。 柱温不能高于固定液的最高温度柱温不能高于固定液的最高温度，否则挥发，否则挥发流失。流失。柱温选择的原则：柱温选择的原则： 在使最难分离的组在使最难分离的组分能尽可能好的分分能尽可能好的分离前提下，尽可能离前提下，尽可能采取采取较低较低的柱温，的柱温，但以保留的时间为但以保留的时间为宜，峰形宜，峰形不脱尾不脱尾为为度。度。 柱温的选择单阶和多阶程序升温示意图单阶和多阶程序升温示意图对于沸点范围较宽的试样，宜采用对于沸点范围较宽的试样，宜采用程序升

40、温程序升温。等温及程序升温时对宽沸点范围混合物的分离3.固定液的性质和用量固定液的性质和用量固定液的性质对分离起决定作用。固定液的性质对分离起决定作用。固定液的配比：一般用固定液的配比：一般用5:100至至25:100。 固定液用量不同时的 H - u 曲线图 a.18% b.25 % c.34 % d. 43 % e.50%柱温 50 ，物质对 l 、 2在不同涂泽量固定液的色谱柱上分离谱图（ a) 3 0 ( b ) 20 % , ( c ) 10 % ( d ) 5 % . ( e ) 1 %4.担体的性质和粒度担体的性质和粒度要求担体表面积大，表面和孔径分布均匀，对担要求担体表面积大，

41、表面和孔径分布均匀，对担体粒度要求均匀、细小。体粒度要求均匀、细小。载体粒度对 H - u 曲线的影响目数，是指物料的粒度或粗细度，一般定义是指目数，是指物料的粒度或粗细度，一般定义是指在在1英寸（英寸（inch）*1英寸（英寸（inch）的面积内有）的面积内有多少个网孔数，即筛网的网孔数多少个网孔数，即筛网的网孔数.目数越大，说目数越大，说明物料粒度越细明物料粒度越细.5、进样时间和进样量、进样时间和进样量 进样时间在一秒以内进样时间在一秒以内。时间过长，试样原始宽。时间过长，试样原始宽度变大，半缝宽必将变宽，甚至峰变形。度变大，半缝宽必将变宽，甚至峰变形。 进样量一般：液体试样进样量一般：

42、液体试样 0.15L 气体样气体样 0.110mL 进样量太多，会使几个峰叠在一起，分离进样量太多，会使几个峰叠在一起，分离不好。不好。 进样量太少，含量少的组分因检测器灵敏进样量太少，含量少的组分因检测器灵敏度不够而不出峰。度不够而不出峰。 最大进样量应控制最大进样量应控制在峰面积或峰高与进样在峰面积或峰高与进样量呈线性关系。量呈线性关系。6、汽化温度化温度 进样后要有足够的进样后要有足够的气化温度气化温度，使液体试样迅速气，使液体试样迅速气化被载气带入柱中，在得证试样化被载气带入柱中，在得证试样不分解不分解的的情况下，的的情况下，适当提高气化温度对分离及定量有利。适当提高气化温度对分离及定

43、量有利。汽化温度比柱温高汽化温度比柱温高3070。2-4 固定相及其选择固定相及其选择 气相色谱分析中，某组分的完全分离取决于气相色谱分析中，某组分的完全分离取决于色谱色谱柱的效能和选择性柱的效能和选择性，后者取决于固定相的选择性。，后者取决于固定相的选择性。1、气、气固色谱固定相固色谱固定相非极性非极性活性炭：活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强有较大的比表面积，吸附性较强。弱极性弱极性活性氧化铝活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分等气体的相互分离。离。CO2能能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相被活

44、性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。进行分析。强极性强极性硅胶：硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。等，且能够分离臭氧。常用吸附剂及其一般用途有表可查常用的固定相分子筛分子筛：结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，多孔性多孔性通常为0.32.0 nm 广泛用于广泛用于H2 2、O2 2、N2 2、CH4 4、CO等的分离外，还能够测等的分离外，还能够测定定He、Ne、Ar、NO、N2 2O等。等。 高分子多孔微球（高分子多孔微球（GDX系列）：系列）： 新型的有

45、机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。 型号：型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇等。适用于水、气体及低级醇的分析。的分析。（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）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）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）使用方便。）使用方便。气固色谱固定相的特点气固色谱固定相的特点 （1）担体担体 载体应是一种化学惰性、多孔型的载体应是一种化学惰性、多孔型的固体

46、颗粒，它的作用是提供一个大的惰性表固体颗粒，它的作用是提供一个大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。分布在其表面上。对对担体的要求担体的要求： 表面是化学惰性的，表面没有吸附性或很表面是化学惰性的，表面没有吸附性或很弱，更不能与被测物起化学反应；弱，更不能与被测物起化学反应； 多孔性，即表面积大，使固定液与试样接多孔性，即表面积大，使固定液与试样接触面积大；触面积大； 2、气液色谱固定相、气液色谱固定相热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎；热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎；对担体粒度的要求：均匀，细小（过细柱压增大），对担

47、体粒度的要求：均匀，细小（过细柱压增大）， 一般选用一般选用4060目，目，6080目，目，80100目。目。气液色谱中所用担体：气液色谱中所用担体：可分为：硅藻土型可分为：硅藻土型 红色担体红色担体 白色担体白色担体 非硅藻土性非硅藻土性 氟担体氟担体 玻璃微球玻璃微球 高分子多孔微球高分子多孔微球红色担体红色担体0201红色担体，红色担体，2011红色担体，红色担体，C-22保温砖等；保温砖等； 表面孔穴密集，孔径较小，表面积大（比表表面孔穴密集，孔径较小，表面积大（比表面积面积40cm2g-1），平均孔径），平均孔径1m。一般用于分析一般用于分析非极性或弱极性物质非极性或弱极性物质。白色

48、担体白色担体101白色担体白色担体 机械强度不如红色担体。表面孔径较大约机械强度不如红色担体。表面孔径较大约89m，比表面积，比表面积1.0cm2g1。一般适用于。一般适用于分析分析极性物质极性物质。硅藻土型担体表面含有相当数量的硅醇基团有吸附性，担体需加以钝化处理。处理方法：酸洗，碱洗，硅熔 。SiOHAlOFeOA、对固定液的要求、对固定液的要求挥发性小挥发性小 操作温度下有较低蒸气压，以免操作温度下有较低蒸气压，以免流失；流失；热稳定性好热稳定性好 操作温度下不发生分解；操作温度下不发生分解；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。具有高的选择性具有高的选择性 对沸点

49、相同或相近的不同对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的溶解能力；物质有尽可能高的溶解能力；化学稳定性好化学稳定性好 不与被测物质起化学反应。不与被测物质起化学反应。（2）固定液）固定液B、固定液的分离特征、固定液的分离特征 被测组分在固定液中溶解度或分配系数的大小与被测组分在固定液中溶解度或分配系数的大小与被测组分和固定液两种分子之间相互作用力的大小有被测组分和固定液两种分子之间相互作用力的大小有关。关。分子间作用力分子间作用力：静电力（定向力）静电力（定向力）诱导力诱导力色散力色散力氢键力氢键力固定液选择相似相溶原理选择固定液的基本原则：分离非极性物质 选用非极性固定液鲨鱼烷、甲基硅油、阿批

50、松。被分离组分和固定液之间的作用力是色散力。各组分按沸点顺序先后流出色谱柱。沸点低的组分先流出，沸点高的组分后流出。如果被分离组分是同系物，由于色散力与分子量成正比，各组分按碳顺序分离。C、固定液的选择分离强极性样品 选用强极性固定液，氧二丙睛，聚丙二醇己二酸等。被分离组分和固定液之间的作用力主要是取向力（定向力），这时试样中的各组分主要按极性顺序分离，极性小的物质先流出色谱柱，极性大的后流出。分离极性和非极性混合物时 可选用非极性固定液也可选用极性固定液，应视组分的性质而定。如果沸点为主要矛盾，则应选用非极性；若极性差别为主，应选极性固定液。对于能形成氢键的组分 一般选用强极性和氢键型固定液

51、，多元醇固定液。此时样品中各组分按和固定液之间形成氢键能力大小的顺序分离，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的后流出。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，规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零， ，氧二丙腈的相对极性为氧二丙腈的相对极性为100.固定液固定液分子式或结构式分子式或结构式最高使最高使用温度用温度常用常用溶剂溶剂相对相对极性极性分析对象分析对象角鲨烷2,6,10,15,19,23-六甲基二十烷140乙醚0烃类及非极性化合物阿皮松L高分子饱和烃混合物240-300苯，氯仿各类高沸点有机物硅油Me3-Si-O-SiMe2On-Si-Me3200丙酮，

52、氯仿非极性和弱极性有机物邻苯二甲酸二壬酯COOC4H9COOC4H9130乙醚，甲醇2烃，醇，醛，酮，酯，酸有机皂土-34C18H37C18H37200甲苯+4芳烃、二甲苯异构体-氧二丙腈 (CH2)2CN (CH2)2CN100甲醇，丙酮+5低级含氧物(醇)，胺类等N(CH3)2-皂土O2-5 基本概念：固定相固定相（s）；流动相流动相（m）（一）吸附色谱法（二）分配色谱法（三）离子交换色谱法（四）空间排阻色谱法（一）吸附色谱法（一）吸附色谱法要求要求： 固定相吸附剂（硅胶或AL2O3） 具表面活性吸附中心分离机制分离机制：见图示的浓度为溶质分子在流动相中面的浓度为溶质分子在吸附剂表maXX

53、为流动相的体积为吸附剂表面面积maVS注：注：Ka与组分的性质、吸附剂的活性、流动相的性质 及温度有关吸附平衡 Xm + nYaXa + nYm mXaXnamnmaaVnSnYXYXKma吸附系数：常数图示分离机制：分离机制： 各组分与流动相分子争夺吸附剂表面活性中心各组分与流动相分子争夺吸附剂表面活性中心 利用吸附剂对不同组分的利用吸附剂对不同组分的吸附能力差异吸附能力差异而实现分离而实现分离吸附解吸再吸附再解吸无数次洗脱分开 mXmYmaaX X.溶质分子溶质分子 Y.流动相分流动相分子子 a. 吸附剂吸附剂 m.流动相流动相吸附色谱示意图吸附色谱示意图要求要求： 固定相机械吸附在惰性载

54、体上的液体 流动相必须与固定相不为互溶 载体惰性，性质稳定， 不与固定相和流动相发生化学反应分离机制分离机制见图示 狭义分配系数狭义分配系数sssmmmCXVKCXV的浓度为溶质分子在流动相中的浓度为溶质分子在固定相中msCC为流动相的体积为固定相的体积msVV图示分离机制分离机制 利用组分在流动相和固定相间溶解度差别实现分离利用组分在流动相和固定相间溶解度差别实现分离 连续萃取过程 backXm流动相中游离的组分分子Xs固定相中溶解的组分分子mXsXms分配色谱示意图（三）离子交换色谱法（三）离子交换色谱法要求要求：固定相固定相离子交换树脂离子交换树脂流动相流动相水为溶剂的缓冲溶液水为溶剂的

55、缓冲溶液被分离组分被分离组分离子型的有机物或无机物离子型的有机物或无机物分离机制分离机制见图示见图示选择性系数选择性系数 阳离子交换树脂 RSO3-H+ + X+ RSO3-X+ + H+ 3333 SmSSSmSmRSO XHRSO XXKRSO HXRSO HH注：Ks与离子的电荷数、水合离子半径、流动相性质、 离子交换树脂性质以及温度有关固定离子固定离子可交换离子可交换离子待测离子待测离子图示分离机制：分离机制： 依据被测组分与离子交换剂交换能力（亲和力）依据被测组分与离子交换剂交换能力（亲和力） 不同而实现分离不同而实现分离1.固定离子；固定离子；2.可交换离子可交换离子R.树脂骨架；

56、树脂骨架；m.流动相流动相m21R阳离子交换色谱示意图阳离子交换色谱示意图要求要求： 固定相固定相多孔性凝胶多孔性凝胶 流动相流动相水水凝胶过滤色谱凝胶过滤色谱 流动相流动相有机溶剂有机溶剂凝胶渗透色谱凝胶渗透色谱 分离机制分离机制见图示见图示渗透系数渗透系数 SPmXKX注：Kp仅取决于待测分子尺寸和凝胶孔径大小， 与流动相的性质无关图图示示分离机制分离机制： 利用被测组分分子大小不同、在固定相上选择利用被测组分分子大小不同、在固定相上选择性性 渗透实现分离渗透实现分离凝胶色谱分离示意图凝胶色谱分离示意图Ge.凝胶； m.流动相图示n结论结论四种色谱的分离机制各不相同，分别形成：吸附平衡、分

57、配平衡、离子交换平衡和渗透平衡。K分别为吸附系数，狭义分配系数，选择性系数和渗透系数。除了凝胶色谱法中的K仅与待测分子大小尺寸、凝胶孔径大小有关外，其他三种K值都受组分的性质、流动相的性质、固定相的性质以及柱温的影响。2-6 气相色谱检测气相色谱检测器器 检测器：将色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转换检测器：将色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转换为相应的电讯号。为相应的电讯号。目前有目前有50余种，但商用的检测器主要是余种，但商用的检测器主要是热导检测器热导检测器（TCD）、氢火焰离子化检测器（）、氢火焰离子化检测器（FID）、电子捕获检）、电子捕获检测器（测器（ECD）、火焰光度检测器（

58、）、火焰光度检测器（FPD）、氮磷检测器）、氮磷检测器（NPD），），这几类检测器在环境领域的污染物识别、痕这几类检测器在环境领域的污染物识别、痕量浓度水平检测、污染物的积类、代谢、迁移和转化等方量浓度水平检测、污染物的积类、代谢、迁移和转化等方面都有广泛应用。面都有广泛应用。检测器的分类：检测器的分类：1）按输出信号与流入检测器的样品量的关系分A、积分型。输出信号是流入检测器的样品各组分量叠加的结果。例如：极谱检测器、电导检测器、质量检测器等B、微分型。输出信号反应流入检测器的样品各组分量随时间的变化，样品组分只是流过检测器而不积累。特点：灵敏度高、选择性强，适合当前多多组分复杂样品的超微量

59、分析，测量保留时间方便，易于定性分析。目前新近的GC中都有微分型检测器。A、热力学性质。热导、超声波。B、电学性质。射频放点、离子选择、电导。C、光学性质。微波等离子、火焰光度、红外。D、分子电离。放点电离、火焰及电子轰击、放射性电离。2）按工作原理分A A、浓度型检测器 （concentration sensitive detector） 输出信号色谱峰高与进入检测器的载气中的浓度成正比，峰面积与载气的流速成反比。如：热导检测器和电子捕获检测器。 B、 质量型检测器 （mass flow rate sensitive detector） 输出信号色谱峰高与单位时间进入检测器的组分质量成正比，

60、与载气的流速即样品的组分在载气中的浓度无关，峰面积不随载气的流速而变化。如氢火焰检测器、火焰光度检测器。C、特殊性检测器。检测器通性既不属于浓度型也不属于质量型。如火焰光度检测器测硫时检测器响应与样品的浓度平方成正比。3）按检测器响应特性分对以上检测器的污染物种类、范围、原理、检出对以上检测器的污染物种类、范围、原理、检出限、注意事项等进行归纳总结。限、注意事项等进行归纳总结。4）按检测器的适应范围分A、通用性检测器。对永久性气体和挥发性的物质都有响应。热导检测器。特点：灵敏度低，只适于常量或半微量的分析。B、选择性检测器。只对某几类化合物有响应，而对其他的物质则不敏感。 1热导池检测器(TC