第九章 气相色谱法(Gas Chromatography)

1、9-1 9-1 概述概述一气相色谱法的特点一气相色谱法的特点 对样品分析进行先分离后检测一步完成。对样品分析进行先分离后检测一步完成。 主要主要特点特点：高效能、高选择性、高：高效能、高选择性、高 灵敏度灵敏度、应用广泛。、应用广泛。第九章第九章 气相色谱法（气相色谱法（Gas ChromatographyGas Chromatography） 高效能高效能 在几分钟或几十分钟内，完成一个组在几分钟或几十分钟内，完成一个组 成较复杂的试样分析。成较复杂的试样分析。 高选择性高选择性 能分离分析性质极为相近的物质，能分离分析性质极为相近的物质， 如如异构体、同位素等。异构体、同位素等。高灵敏度高

2、灵敏度 使用高灵敏度的检测器，可检测出使用高灵敏度的检测器，可检测出 1010-11-11 1010-13-13g g的物质。的物质。应用广泛应用广泛 适用于沸点低于适用于沸点低于400400的各种有机或的各种有机或 无机试样的分析。无机试样的分析。 该方法目前广泛应用于石油该方法目前广泛应用于石油、化工、生化、化工、生化、 医药、农业、环境保护等生产及科研部门。医药、农业、环境保护等生产及科研部门。二气相色谱分析流程二气相色谱分析流程所谓气相色谱法是以所谓气相色谱法是以气体气体作流动相的色谱法。作流动相的色谱法。气相色谱法的流动相，称为载气。气相色谱法的流动相，称为载气。其作用只是其作用只是

3、 载送试样，不与物质起任何化学反应。载送试样，不与物质起任何化学反应。气相色谱分析是以气相色谱分析是以气相色谱仪气相色谱仪作为分析工具，其作为分析工具，其分析流程如下：分析流程如下：气相色谱分析流程示意图气相色谱分析流程示意图1-1-载气钢瓶载气钢瓶 2-2-减减压阀压阀 3-3-净化干燥净化干燥管管 4-4-针形阀针形阀 5-5-流流量计量计 6-6-压力表压力表 7-7-进样器和汽化室进样器和汽化室 8-8-色谱柱色谱柱 9-9-热导热导检测器检测器 10-10-放大器放大器 11-11-温度控制器温度控制器 12-12-记录仪记录仪气相色谱仪气相色谱仪一般一般由五个部分组成：由五个部分组

4、成：a.a.载气系统载气系统( (包括气源，净化，气流控制和测包括气源，净化，气流控制和测 量）量）b.b.进样系统进样系统( (包括进样器，汽化室）包括进样器，汽化室）c.c.色谱柱色谱柱( (包括恒温控制装置包括恒温控制装置) )d.d.检测系统检测系统( (包括检测器及其电源包括检测器及其电源) )e.e.记录系统记录系统( (放大器，记录仪，数据处理装置放大器，记录仪，数据处理装置) )9-2 9-2 气相色谱仪气相色谱仪1 1载气系统载气系统 常用的载气有氢气、氮气、氦气和氩气。常用的载气有氢气、氮气、氦气和氩气。 载气需用净化器提高纯度，流速、压力的测载气需用净化器提高纯度，流速、

5、压力的测 定和控制用稳压阀和针形阀串联使用。定和控制用稳压阀和针形阀串联使用。测量载气的流速有三种方法：测量载气的流速有三种方法：转子流量计毛细管流速计转子流量计毛细管流速计皂膜流量计皂膜流量计皂膜流量计安装于柱后，测得的流速受三方面皂膜流量计安装于柱后，测得的流速受三方面因素的影响：因素的影响： 水蒸气载气通过皂膜流量计时与通过色谱水蒸气载气通过皂膜流量计时与通过色谱柱时所处的状态不同。柱时所处的状态不同。 温度在室温下测得的载流与色谱柱中温度在室温下测得的载流与色谱柱中测得测得 的载流不同，需进行校正。的载流不同，需进行校正。 压力在室温下测得的载气压力与色谱柱中压力在室温下测得的载气压力

6、与色谱柱中 的载气压力不同，需进行校正。的载气压力不同，需进行校正。 综合这三方面因素，校正公式如下：综合这三方面因素，校正公式如下：000wccaPPTFFjPTF Fc c- -色谱柱内的载流色谱柱内的载流F F0 0- -皂膜流量计测得的载流皂膜流量计测得的载流P P0 0- -大气压大气压P Pw w- -测量时室温下水的饱和蒸汽压测量时室温下水的饱和蒸汽压 T Tc c、T Ta a- -分别为柱温与室温分别为柱温与室温j-j-压力梯度校正因子：压力梯度校正因子：进样系统包括进样装置和气化室。进样系统包括进样装置和气化室。2.2.进样系统进样系统式中式中P Pi i与与P Pj j分

7、别为载气在色分别为载气在色谱柱进出口的绝对压力。谱柱进出口的绝对压力。000wccaPPTFFjPT23()132()1ijijPPjPP(1)(1)进样装置进样装置 进样一般采用微量注射器，进行穿刺进样。进样一般采用微量注射器，进行穿刺进样。注射器规格有注射器规格有 1 1、5 5、1010 L L等。等。 另一种进样方式是采用旋转式六通阀进样。另一种进样方式是采用旋转式六通阀进样。(2)(2)气化室气化室其作用让试样瞬间气化而不被分解。要求其作用让试样瞬间气化而不被分解。要求其热容量大；为减小柱前谱峰变宽，其体积应其热容量大；为减小柱前谱峰变宽，其体积应尽可能小。尽可能小。旋转式六通旋转式

8、六通阀阀 3.3.分离系统分离系统气相色谱仪的分离系统即色谱柱，由柱管和装填气相色谱仪的分离系统即色谱柱，由柱管和装填其中的固定相所组成。分为填充柱和空心毛细管其中的固定相所组成。分为填充柱和空心毛细管柱。柱。柱材料有金属或玻璃管柱材料有金属或玻璃管制成，内径一般为制成，内径一般为2 24mm4mm，长为长为1 110m10m；柱形多为螺；柱形多为螺旋形，螺旋直径与柱内旋形，螺旋直径与柱内径之比一般为径之比一般为15:115:125:125:1。检测器的作用是将被分离组分的量转为易于检测器的作用是将被分离组分的量转为易于测量的电信号。根据检测原理不同，检测器可分测量的电信号。根据检测原理不同，

9、检测器可分为浓度型检测器和质量型检测器。为浓度型检测器和质量型检测器。 4.4.检测器检测器5.5.记录放大系统记录放大系统早期的采用记录仪，现早期的采用记录仪，现在采用色谱工作站。把在采用色谱工作站。把检测器转换的电信号用检测器转换的电信号用数据记录装置记录下来，即得到色谱图。数据记录装置记录下来，即得到色谱图。一一. .色谱流出曲线色谱流出曲线 试样中组分经色谱柱分离后，由检测器转试样中组分经色谱柱分离后，由检测器转为电信号，由记录仪记录下组分浓度随时间的为电信号，由记录仪记录下组分浓度随时间的变化，即得到所谓的色谱图。变化，即得到所谓的色谱图。9-39-3色谱法基本理论色谱法基本理论 在

10、一定的进样量范围内，色谱流出曲线遵在一定的进样量范围内，色谱流出曲线遵循正态分布，是色谱定性、定量以及评价色谱循正态分布，是色谱定性、定量以及评价色谱分离情况的基本依据。分离情况的基本依据。 以组分的浓度变化为纵坐标，流出时间为以组分的浓度变化为纵坐标，流出时间为横坐标所得到的色谱图称为色谱流出曲线。横坐标所得到的色谱图称为色谱流出曲线。 ( (一一) )流出曲线的有关术语流出曲线的有关术语 1 1基线基线 (base line)(base line)只有载气通过检只有载气通过检测器时响应信号测器时响应信号的记录。的记录。 2 2保留值保留值 (retention value)(retenti

11、on value)表征试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值。表征试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值。(1)(1)用时间表示的保留值用时间表示的保留值 t/mint/min 保留时间保留时间(retention time(retention time，t tR R) )：指待测组分从进指待测组分从进样开始到柱后出样开始到柱后出现浓度最大值时现浓度最大值时所需时间。所需时间。 死时间死时间：(dead time(dead time，t tm m) )指不与固定相作用的气体指不与固定相作用的气体( (如空气、甲烷等如空气、甲烷等) )的的保留时间。保留时间。 调整保留时间调整保留时间(adjust

12、ed retention time(adjusted retention time，t tR R ) )：指扣除了死时间的保留时间。指扣除了死时间的保留时间。t tR R t tR R-t-tm m(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(retention volume V(retention volume VR R) )从进样开始到柱后出现待测组分浓度最大值时从进样开始到柱后出现待测组分浓度最大值时所通过的载气体积。所通过的载气体积。 V VR R与与t tR R的关系：的关系： V VR R=t=tR RF F0 0 F F0 0为色谱柱出口处载气流速为色谱柱出

13、口处载气流速(mL(mLminmin-1-1) ) 死体积死体积(dead volume V(dead volume Vm m) )指色谱柱内除了固定相外的指色谱柱内除了固定相外的空隙体积空隙体积、色谱仪色谱仪中管路和连接头之间的空间中管路和连接头之间的空间、进样系统进样系统及及检测检测器的空间器的空间的总和。的总和。 同样：同样： V Vm m= =t tm mF F0 0 调整保留体积调整保留体积(adjusted retention volume(adjusted retention volume， V VR R ) )：指扣除死体积后的保留体积。：指扣除死体积后的保留体积。 V VR

14、R =V=VR R-V-Vm m同样：同样：V VR R =t=tR R F F0 0 (3)(3)相对保留值相对保留值(relative retention value,(relative retention value, r r2121) )：指组分指组分2 2的调整保留值与组分的调整保留值与组分1 1的调整保留值之的调整保留值之比：比：3 3区域宽度区域宽度(peak width)(peak width) 即色谱峰的宽度即色谱峰的宽度。习惯上常用以下三个量之。习惯上常用以下三个量之 一来表示。一来表示。(1)(1)标准偏差标准偏差(standard deviation(standard

15、deviation， ) )： 指流出曲线上二拐点指流出曲线上二拐点(0.607(0.607倍峰高处倍峰高处) )间距间距离之半。离之半。峰高峰高h h是峰顶到基线的距离。是峰顶到基线的距离。r r2121亦可用来表示固定相的选择性，常用亦可用来表示固定相的选择性，常用 表示。表示。212121/RRRRrttVV(2)(2)半峰宽半峰宽(peak width at (peak width at half height, Y half height, Y1/21/2) )：峰高一半处色谱峰的宽度。峰高一半处色谱峰的宽度。即图中的即图中的GHGH。 与与Y Y1/21/2的关系的关系为：为： (

16、3)(3)基线宽度基线宽度(peak width at peak base, W(peak width at peak base, Wb b) )：通过流出曲线的拐点所作的切线在基线上的截距。通过流出曲线的拐点所作的切线在基线上的截距。即图中的即图中的IJIJ。 W Wb b与与 的关系为：的关系为： W Wb b=4=4 1/222ln 22.35Y( (二二) )利用流出曲线可以解决的问题利用流出曲线可以解决的问题1.1.根据峰的保留值根据峰的保留值( (位置位置) )，可进行定性分析。，可进行定性分析。2.2.根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分

17、析。析。3.3.根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱 的分离情况进行评价。的分离情况进行评价。二二. .色谱法分析的理论基础色谱法分析的理论基础1.1.气相色谱的分离过程气相色谱的分离过程 气相色谱分离过程是在色谱柱内完成。如前气相色谱分离过程是在色谱柱内完成。如前 所述，色谱柱有两种：所述，色谱柱有两种： 一是内装固定相的，称为一是内装固定相的，称为填充柱填充柱；另一种；另一种是将固定液均匀涂在毛细管内壁的，称为是将固定液均匀涂在毛细管内壁的，称为空心空心毛细管柱毛细管柱。这里重点讨论填充柱。这里重点讨论填充柱。填充柱色谱：气固色谱和气液色谱。填充柱色

18、谱：气固色谱和气液色谱。气固色谱的固定相气固色谱的固定相：多孔性的固体吸附剂颗粒，多孔性的固体吸附剂颗粒，对试样中各组分吸附能力不同使试样得以分离。对试样中各组分吸附能力不同使试样得以分离。 气固色谱的分离机理：气固色谱的分离机理：吸附与脱附不断重复吸附与脱附不断重复的物的物理理过程；过程；气液色谱的固定相：气液色谱的固定相：由担体和固定液组成。由担体和固定液组成。担体担体：一种：一种化学惰性、化学惰性、多孔性多孔性的固体颗粒。的固体颗粒。固定液固定液：涂在涂在担体表面的担体表面的高沸点有机化合物。高沸点有机化合物。气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理：组分在气液两相间的反组分在气液两相间的

19、反复多次的分配过程。复多次的分配过程。色谱分离过程：色谱分离过程： 当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时 ，被固定相溶解或吸附；，被固定相溶解或吸附； 随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又 从固定相中挥发或脱附；从固定相中挥发或脱附； 挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再再 次被固定相溶解或吸附。次被固定相溶解或吸附。 随着载气的流动，溶解随着载气的流动，溶解挥发或吸附挥发或吸附脱附的脱附的 过程反复交替重复地进行着。过程反复交替重复地进行着。 试样中由于各组分性质

20、不同，它们在吸附试样中由于各组分性质不同，它们在吸附剂上的吸附能力或在固定液中溶解能力不同，剂上的吸附能力或在固定液中溶解能力不同，容易被吸附容易被吸附( (或被溶解或被溶解) )的组分向前移动速度较的组分向前移动速度较慢。经过一定时间后，试样中各组分可彼此分慢。经过一定时间后，试样中各组分可彼此分离，先后流出色谱柱。离，先后流出色谱柱。 组分在两相之间发生的这种吸附、脱附或溶组分在两相之间发生的这种吸附、脱附或溶解、挥发的过程被称为分配过程。解、挥发的过程被称为分配过程。 在一定温度下，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡组分在两相间分配达到平衡时的浓度比时的浓度比，称为，称为分配系数分配

21、系数K K，定义为：，定义为：K=CK=CS S/ /C Cm m C CS S、C Cm m分别为组分在固定相和流动相中的浓分别为组分在固定相和流动相中的浓度；可见，度；可见，K K值的大小反映了组分在色谱柱中的值的大小反映了组分在色谱柱中的分离情况，是色谱进行组分分离的依据。分离情况，是色谱进行组分分离的依据。 实际工作中，常应用的是另一参数实际工作中，常应用的是另一参数分配比，分配比，亦称容量因子，是指在一定温度、压力下，分配亦称容量因子，是指在一定温度、压力下，分配达到平衡时组分在两相中的质量比，用达到平衡时组分在两相中的质量比，用k k表示：表示：m ms s、m mm m分别表示组

22、分在固定相和流分别表示组分在固定相和流动相中的质量。动相中的质量。式中式中V Vm m、V Vs s分别为柱中流动相和固定相的体积。分别为柱中流动相和固定相的体积。V Vm m与与V Vs s之比称为相比，用之比称为相比，用 表示，表示， 反映了色谱反映了色谱柱的柱型及其结构的重要特性。柱的柱型及其结构的重要特性。经推导，经推导，k k与保留值的关系为：与保留值的关系为： t tR R=t=tm m(1+k) (1+k) 即：即： k=tk=tR R /t/tm m=V=VR R /V/Vm mk k与与K K的关系：的关系：/sssmmmmsCmVVKkkCmVVsmmkm由上式可见由上式可

23、见：k与与K都与组分及固定相的性质有关，随柱温都与组分及固定相的性质有关，随柱温 柱压的变化而变化。柱压的变化而变化。K决定于组分本身以及固、流两相的性质，与决定于组分本身以及固、流两相的性质，与 两相体积无关；而两相体积无关；而k除此之外还与相比除此之外还与相比 有关。有关。对于一给定的色谱体系，组分的分离最终决定对于一给定的色谱体系，组分的分离最终决定 于组分分配在两相中的相对量，而非相对浓度。于组分分配在两相中的相对量，而非相对浓度。 因此，分配比因此，分配比k k是衡量色谱柱对组分保留能是衡量色谱柱对组分保留能 力的重要参数。力的重要参数。(1)(1)塔板理论塔板理论 (plate t

24、heory)(plate theory) 该理论将色谱柱视为精馏塔，认为色谱柱该理论将色谱柱视为精馏塔，认为色谱柱由一系列相等的水平塔板组成；将色谱分离由一系列相等的水平塔板组成；将色谱分离过程比作蒸馏过程，即把连续的色谱过程认过程比作蒸馏过程，即把连续的色谱过程认为是许多小段平衡过程的重复。为是许多小段平衡过程的重复。2.2.色谱分离的基本理色谱分离的基本理论论塔板理论的假定：塔板理论的假定：(a)在某一小段空间内，如果组分在气在某一小段空间内，如果组分在气液两相液两相 达到了浓度分配平衡，达到了浓度分配平衡，这一小段柱长称为一个这一小段柱长称为一个 理论塔板的高度，用理论塔板的高度，用H

25、H表示。表示。(c)试样进入柱内都加在第一块板上，沿色谱柱试样进入柱内都加在第一块板上，沿色谱柱 方向上的扩散忽略不计；方向上的扩散忽略不计；(d)在各塔板上的分配系数是常数。在各塔板上的分配系数是常数。(b)载气进入色谱柱是脉动式的，每次进气为一载气进入色谱柱是脉动式的，每次进气为一 个板体积；个板体积；图示的色谱柱图示的色谱柱由由5 5块塔板块塔板(n=5)(n=5)组成，假设某组成，假设某组分的分配比组分的分配比k=1k=1，由载气携，由载气携带一定量的物带一定量的物质带入色谱柱。质带入色谱柱。由上图得到：组分从由上图得到：组分从5 5块塔板的色谱柱中冲洗块塔板的色谱柱中冲洗出的流出曲线

26、呈峰形状，但不对称。如果板数出的流出曲线呈峰形状，但不对称。如果板数n n5050 时，就可得到对称的峰形曲线。时，就可得到对称的峰形曲线。P.259.P.259.表表12-212-2。气相色谱中，气相色谱中，n 值一般很大，约为值一般很大，约为103106，因而这时的流出曲线趋近于正态分布曲线。因而这时的流出曲线趋近于正态分布曲线。 由正态分布推导得出的流出曲线上浓度由正态分布推导得出的流出曲线上浓度c c与与时间时间t t的关系为：的关系为：22()022Rttcce式中式中c c0 0为被测组分的浓度，为被测组分的浓度，t tR R为保留时间，为保留时间， 为标准偏差为标准偏差( (峰宽

27、峰宽) )，c c为时间为时间t t时的浓度值。时的浓度值。 以上为单组分的分配过程；若试样为多组以上为单组分的分配过程；若试样为多组分混合物，由于各组分间性质有差异分混合物，由于各组分间性质有差异(k(k值不同值不同) )，经色谱柱中很多塔板经色谱柱中很多塔板(n(n很大很大) )的分配平衡后，不的分配平衡后，不同的组分即可获得分离。同的组分即可获得分离。由塔板理论可导出由塔板理论可导出n n与与Y Y1/21/2( (色谱半峰宽色谱半峰宽) )或或W Wb b( (基基线宽线宽) )的关系：的关系： LHn221/ 25.54()16()RRbttnYWL L为色谱柱的长度为色谱柱的长度。

28、 可见，色谱峰愈窄可见，色谱峰愈窄(Y(Y1/21/2或或W Wb b ) )，n n ，理论板，理论板高高H H ，组分的分配次数，组分的分配次数愈愈多，则柱的分离效能多，则柱的分离效能愈高。愈高。因而，因而，n n或或H H可作为描述柱效能的指标。可作为描述柱效能的指标。实际工作中，由于死时间实际工作中，由于死时间(t(tm m) )和死体积和死体积(V(Vm m) )的存在，由上两式得到的的存在，由上两式得到的n n和和H H不能切实地反映不能切实地反映出色谱柱的实际分离效能。出色谱柱的实际分离效能。所以常用扣除所以常用扣除t tm m的的有效塔有效塔板数来板数来表示柱效大小：表示柱效大

29、小：221/25.54()16()RRbttnYW有效LHn有效有效相应的有效板高为：相应的有效板高为：L L为色谱柱长。为色谱柱长。 n(H)n(H)或或n n有效有效(H(H有效有效) )的大小，不能判定各组分是的大小，不能判定各组分是 否可被分离，否可被分离，分离的可能性决定于各组分在分离的可能性决定于各组分在固固 定相中的分配系数定相中的分配系数K K( (或或k k) )； 由于同一色谱柱对不同物质计算所得的塔板由于同一色谱柱对不同物质计算所得的塔板数数n n值不同，则柱效能不同，所以当用值不同，则柱效能不同，所以当用n n或表或表示柱效能时，必须说明对什么物质而言。示柱效能时，必须

30、说明对什么物质而言。这里需说明的二点：这里需说明的二点：总结：塔板理论是一种半经验性理论。它用总结：塔板理论是一种半经验性理论。它用热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中移动热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中移动的情况，并解决了二方面的问题：的情况，并解决了二方面的问题： 解释了流出曲线的形状；解释了流出曲线的形状； 提出了计算和评价柱效能大小的参数。提出了计算和评价柱效能大小的参数。塔板理论存在的问题：塔板理论存在的问题：把连续的色谱分离过程看成简单的分配过程，因把连续的色谱分离过程看成简单的分配过程，因而无法解释同一色谱柱在不同载气流速下柱效能而无法解释同一色谱柱在不同载气流速下柱效能不同

31、的实验事实，也无法找出影响不同的实验事实，也无法找出影响n n或或H H的因素。的因素。(2)(2)速率理论速率理论(rate theory)(rate theory)影响柱效能的因素影响柱效能的因素 1956 1956年由荷兰学者年由荷兰学者Van DeemterVan Deemter提出了色谱提出了色谱过程的动力学理论。该理论指出：填充柱的柱过程的动力学理论。该理论指出：填充柱的柱效受效受涡流扩散涡流扩散、分子扩散分子扩散、传质阻力传质阻力、流动相流动相流速流速等多种因素的控制，并导出了板高等多种因素的控制，并导出了板高(H)(H)与以与以上各因素之间的关系。上各因素之间的关系。 把影响塔

32、板高度把影响塔板高度(H)(H)的动力学因素结合塔板的动力学因素结合塔板理论导出了理论导出了H H与与u u的关系：的关系： H=A+B/u+CuH=A+B/u+Cu 速率理论方程式速率理论方程式 （范弟姆特方程式范弟姆特方程式） 式中，式中，A A涡流扩散项，涡流扩散项， B B分子扩散系数分子扩散系数 C C传质阻力系数。传质阻力系数。 u u流动相的流速流动相的流速 由上式可见，影响由上式可见，影响H H的三项因素为：涡流扩散的三项因素为：涡流扩散项项(A)(A)，分子扩散项，分子扩散项(B/u)(B/u)，传质阻力项，传质阻力项(Cu)(Cu)。分别讨论各项的意义：分别讨论各项的意义：

33、(a)(a)涡流扩散项涡流扩散项 A A指柱中气体通过填充物颗粒时，不断改变流指柱中气体通过填充物颗粒时，不断改变流动方向，因而形成紊乱的类似动方向，因而形成紊乱的类似“涡流涡流”的流的流动，引起色谱峰变宽，柱效下降。其影响程动，引起色谱峰变宽，柱效下降。其影响程度由下式决定：度由下式决定： A=2A=2 d dP P 填充物不均匀因子填充物不均匀因子 d dP P填充物的平均颗粒直径填充物的平均颗粒直径A A与载气的性质与载气的性质、流速以及组分性质无关。、流速以及组分性质无关。可见，可见，使用粒度细且均匀的担体，并填充均使用粒度细且均匀的担体，并填充均匀，可减小匀，可减小A A值，提高柱效

34、。值，提高柱效。试样以试样以“塞子塞子”形式进入色谱柱，在柱的轴向形式进入色谱柱，在柱的轴向上存在浓差造成浓度梯度，使运动着的分子产上存在浓差造成浓度梯度，使运动着的分子产生纵向扩散。其影响程度由下式决定：生纵向扩散。其影响程度由下式决定： B=2 B=2 D Dg g 气体扩散路径的弯曲因子气体扩散路径的弯曲因子其物理意义为：由于固定相颗粒的存在，使分其物理意义为：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。子不能自由扩散，从而使扩散程度降低。 1 1(b)(b)分子扩散项分子扩散项(B/u)(B/u)D Dg g组分在气相中的扩散系数组分在气相中的扩散系数(cm/s) (

35、cm/s) 1 载载气气的的相相对对分分子子质质量量gDMM 要降低要降低B/uB/u项，可采用分子量较大的载气，控项，可采用分子量较大的载气，控制较低的柱温，采用较高的载气流速。制较低的柱温，采用较高的载气流速。与与D Dg g有关的因素：组分性质以及在柱内的停留有关的因素：组分性质以及在柱内的停留时间，柱温柱压等。时间，柱温柱压等。(c)(c)传质阻力项传质阻力项CuCu 传质阻力传质阻力系数系数C C包括气相包括气相传质阻力系数传质阻力系数C Cg g和和液相传质阻力系数液相传质阻力系数C CL L。所以，。所以，Cu=(CCu=(Cg g+C+CL L)u)u所谓气相传质阻力指试样组分

36、从气相所谓气相传质阻力指试样组分从气相移动移动到到固定相表面进行浓度分配时所受到的阻力。对固定相表面进行浓度分配时所受到的阻力。对于填充柱：于填充柱： 可见，要降低可见，要降低C Cg g，可采用粒度小的填充物和，可采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气。分子量小的气体作载气。 k k为容量因子。为容量因子。2220.01(1)k kk kpggdCD 可见，要减小可见，要减小C CL L，应降低固定液的含量，增大，应降低固定液的含量，增大组分在液相中的扩散系数。组分在液相中的扩散系数。所谓所谓液相传质阻力液相传质阻力指试样组分从气液界面移动指试样组分从气液界面移动到液相内部，进行质量交换达

37、到分配平衡后，到液相内部，进行质量交换达到分配平衡后，返回气液界面时所受到的阻力。返回气液界面时所受到的阻力。式中式中d df f为固定相的液膜厚为固定相的液膜厚度，度，D DL L为组分在液相中的为组分在液相中的扩散系数。扩散系数。2223 (1)k kk kfLLdCD总结：总结：当固定液含量较高，载流为中等当固定液含量较高，载流为中等流流速时，速时，H主要受主要受CL的影响；当采用低固定液含量和高载的影响；当采用低固定液含量和高载气流速时，气流速时，H主要受主要受Cg的影响。的影响。 综合三方面的影响因素，可得到完整的速率综合三方面的影响因素，可得到完整的速率理论方程式理论方程式( (范

38、弟姆特方程式范弟姆特方程式) )为：为：2222220.0122(1)3 (1)k kk kk kk kgpfpgLDddHduuDD该方程式对于分离条件的选择具有实际该方程式对于分离条件的选择具有实际的指导意义，它指出：填充物的均匀程度的指导意义，它指出：填充物的均匀程度担体的粒度载气种类载流柱温担体的粒度载气种类载流柱温固定相的液膜厚度等均对柱效峰扩张造固定相的液膜厚度等均对柱效峰扩张造成影响。成影响。2222220.0122(1)3 (1)k kk kk kk kgpfpgLDddHduuDD一一. .分离度分离度 混合物能否分离主要取决于固定相与组分混合物能否分离主要取决于固定相与组分

39、分子间相互作用力的大小。但分子间相互作用力的大小。但色谱分离过程中色谱分离过程中各种操作因素对于实现分离的可能性产生的影各种操作因素对于实现分离的可能性产生的影响较大。响较大。9-4 9-4 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择 因此，首先根据分离对象选择适当的固因此，首先根据分离对象选择适当的固定定相，使试样组分有可能被分离；其次创造一定相，使试样组分有可能被分离；其次创造一定的实验条件，使这种可能性得以实现。的实验条件，使这种可能性得以实现。某两个组分在色谱柱上达到完全分离的条件：某两个组分在色谱柱上达到完全分离的条件： 组分色谱峰之间的距离应足够大；组分色谱峰之间的距离应足够大； 色谱峰

40、的色谱峰的峰形必须窄一些。峰形必须窄一些。判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况如何，判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况如何，使用使用分离度分离度R R来衡量。其定义为：来衡量。其定义为：相邻两色谱峰相邻两色谱峰保留值之差与两峰峰底宽的平均值之比。保留值之差与两峰峰底宽的平均值之比。即：即：212112R RR RR R= =bbttWW 式中式中t tR2R2、t tR1R1分别为两组分的保留时间，分别为两组分的保留时间，W Wb1b1、W Wb2b2为相应组分色谱峰的峰底宽度。为相应组分色谱峰的峰底宽度。保留值的差保留值的差值，主要决定于固定液的热力学性质值，主要决定于固定液的热力学性质；而色

41、谱而色谱峰的宽窄反映了色谱过程的动力学因素峰的宽窄反映了色谱过程的动力学因素，即柱，即柱效能的高低。效能的高低。 理论上可证明，若峰形对称且满足于正态分理论上可证明，若峰形对称且满足于正态分布，则当布，则当R=1.5R=1.5时，分离程度可达时，分离程度可达99.7%99.7%。212112R RR RR R= =bbttWW因而用因而用R=1.5R=1.5作为相邻两峰完全分开的标志。作为相邻两峰完全分开的标志。用半峰宽表示的分离度，其公式为：用半峰宽表示的分离度，其公式为：211/2(1)1/2(2)21.699R RR RR R= =ttYY分离度公式中，如果分离度公式中，如果Y Y1/2

42、(1)1/2(1)=Y=Y1/2(2) 1/2(2) , ,根据柱效公式：根据柱效公式：以及选择性公式：以及选择性公式：2 2R R1 1/ /2 2有有 效效n n= =5 5. .5 54 4( (t t / /Y Y) )2 21 1R R2 2R R1 12 21 1r r = =t t / /t t ( (r r = = ) )整理得到整理得到：114k kR R= =1 1+ +k kn 因此，分离度是柱效能因此，分离度是柱效能、选择性影响因素的总、选择性影响因素的总和，故可作为色谱柱的总分离效能指标。和，故可作为色谱柱的总分离效能指标。114k kR R = =1 1 + + k

43、 kn 如果用有效理论板数如果用有效理论板数(n(n有效有效) )表示表示分离度公式，分离度公式，则：则：21114有有 效效有有 效效k k R R= =k knnn二二. .分离操作条件的选择分离操作条件的选择1.1.载气及流速的选择载气及流速的选择 根据根据 H=A+B/u+Cu H=A+B/u+Cu 可可知，对一定色谱柱和试知，对一定色谱柱和试样，有一个最佳的载气样，有一个最佳的载气流速。流速。用不同流速用不同流速u u对测得的对测得的H H作图，可得作图，可得H Hu u曲线曲线图。图。在曲线的最低点在曲线的最低点,H,H最最小，此时柱效最高。小，此时柱效最高。即它所对应的流速为即它

44、所对应的流速为最佳流速。最佳流速。u u最佳最佳及及H H最小最小可通过对范氏方程式可通过对范氏方程式微分求得：微分求得： 202最最佳佳最最小小 u u H HdHBBCABCCduu实际工作中，为缩短分析时间，往往使流速稍实际工作中，为缩短分析时间，往往使流速稍高于高于u u最佳最佳。2.2.柱温的选择柱温的选择柱温首先应考虑不能高于柱温首先应考虑不能高于固定液的最高使用固定液的最高使用温度温度，否则固定液挥发流失。在此前提下，柱，否则固定液挥发流失。在此前提下，柱温的高低直接影响分离效能和分析速度。温的高低直接影响分离效能和分析速度。 提高柱温，可缩短分析时间，但各组分的提高柱温，可缩短

45、分析时间，但各组分的K K 值变小，不利于分离；值变小，不利于分离； 降低柱温，柱的选择性增加有利于分离；但柱降低柱温，柱的选择性增加有利于分离；但柱 温过低，传质速率显著减小，柱效下降。温过低，传质速率显著减小，柱效下降。柱温选择的原则：以最难分离的两组分能够达柱温选择的原则：以最难分离的两组分能够达到分离，且峰形正常保留时间适宜的前提下，到分离，且峰形正常保留时间适宜的前提下，尽量采取较低的柱温。尽量采取较低的柱温。一般所用的柱温接近被分析试样的平均沸点。一般所用的柱温接近被分析试样的平均沸点。 高沸点混合物高沸点混合物(300(300400400) ) 用低固定液含量的用低固定液含量的色

46、谱柱色谱柱(1(13%3%的质量分数的质量分数) )，高灵敏度的检测器，高灵敏度的检测器，可可在低于其沸点在低于其沸点100100200200的柱温下分析。的柱温下分析。 沸点为沸点为200200300300 C C的混合物可在中等柱温或的混合物可在中等柱温或2/32/3沸点左右下操作，固定液质量分数沸点左右下操作，固定液质量分数5 510%10%。沸点为沸点为100100200200 C C的混合物柱温可选在其平的混合物柱温可选在其平 均沸点或沸点的均沸点或沸点的2/32/3左右，用质量分数左右，用质量分数101015%15%。对于气体对于气体、气态烃等低沸点混合物、气态烃等低沸点混合物柱温

47、选在柱温选在 沸点或沸点以上。液担比一般为沸点或沸点以上。液担比一般为151525%25%。对于宽沸程混合物对于宽沸程混合物 采用程序升温，所谓采用程序升温，所谓程程 序升温即柱温按预定的加热速度，随时间作序升温即柱温按预定的加热速度，随时间作 线性或非线性的增加。线性或非线性的增加。P.282.P.282.3.3.柱长和柱内径的选择柱长和柱内径的选择增加柱长，增加柱长，n n增加，增加，R R变大，有利于分离；但变大，有利于分离；但 时间会延长。原则：在满足分离度的前提下时间会延长。原则：在满足分离度的前提下 ，尽可能使用短柱。填充柱以，尽可能使用短柱。填充柱以2 26m6m为宜。为宜。4.

48、4.固定液的用量固定液的用量其用量视担体表面积而定。表面积其用量视担体表面积而定。表面积 ，用量，用量 ； 允许的进样量允许的进样量 ；但往往为提高柱效，缩短分；但往往为提高柱效，缩短分 析时间，使用低固定液的用量，缺点是进样量析时间，使用低固定液的用量，缺点是进样量 较少。较少。5.5.担体的性质和粒度担体的性质和粒度担体的粒度影响涡流扩散项担体的粒度影响涡流扩散项(A)(A)和气相传质阻和气相传质阻 力项力项(Cu)(Cu)，粒度细小均匀的担体，柱效较高；，粒度细小均匀的担体，柱效较高； 但粒度过细，柱阻力过大，对操作不利。但粒度过细，柱阻力过大，对操作不利。6.6.进样时间和进样量进样时

49、间和进样量 进样时间愈短愈好，要求进样时间愈短愈好，要求1 1秒内完成。否则，秒内完成。否则， 造成色谱峰扩张，变形，柱效下降。造成色谱峰扩张，变形，柱效下降。 一般液体进样量一般液体进样量0.10.15 5 L L，气体，气体0.10.110mL10mL。进样过大，会造成色谱峰重叠柱效急剧下降，进样过大，会造成色谱峰重叠柱效急剧下降，保留时间改变。理论上允许的最大进样量为塔板保留时间改变。理论上允许的最大进样量为塔板数数n n下降不超过下降不超过10%10%。控制在峰面积与进样量成线。控制在峰面积与进样量成线性关系的范围内。性关系的范围内。7.7.气化温度气化温度进样后，必须使试样迅速气化。

50、因而提高气进样后，必须使试样迅速气化。因而提高气化温度对分离有利；但前提不能使试样分解。化温度对分离有利；但前提不能使试样分解。一般选择比柱温高一般选择比柱温高30307070较合适。较合适。气相色谱中，混合物的各组分能否完全分离，气相色谱中，混合物的各组分能否完全分离，主要取决于色谱柱的主要取决于色谱柱的柱效能柱效能和和选择性选择性。后者为。后者为热力学因素，在很大程度上取决于固定相选择热力学因素，在很大程度上取决于固定相选择是否适当。是否适当。9-5 9-5 固定相及其选择固定相及其选择一气固色谱固定相一气固色谱固定相在常温下，要分离气体及气态烃时，需采用在常温下，要分离气体及气态烃时，需

51、采用吸附剂作固定相；因其在固定液中溶解度很小，吸附剂作固定相；因其在固定液中溶解度很小，而在吸附剂上它们的吸附热差别却较大。而在吸附剂上它们的吸附热差别却较大。常用的固体吸附剂有活性炭常用的固体吸附剂有活性炭( (非极性非极性) )，氧化，氧化铝铝( (弱极性弱极性) )，硅胶，硅胶( (强极性强极性) )。它们对各种气体。它们对各种气体吸附能力的强弱不一样。介绍吸附能力的强弱不一样。介绍P.269.P.269.固体吸附剂种类相对较少，且不同批次制备的固体吸附剂种类相对较少，且不同批次制备的性能有差别，进样量稍多峰形会不对称，产生拖性能有差别，进样量稍多峰形会不对称，产生拖尾。通过改进，已研制

52、出了一些新型吸附剂。尾。通过改进，已研制出了一些新型吸附剂。二气液色谱固定相二气液色谱固定相气液色谱固定相由气液色谱固定相由担体表面涂固定液构成。担体表面涂固定液构成。担体担体( (载体载体) )是一种化学惰性多孔性的固体颗是一种化学惰性多孔性的固体颗粒它的作用是提供一个大的惰性表面，使固定粒它的作用是提供一个大的惰性表面，使固定液以液膜状态分布其上液以液膜状态分布其上对担体的几点要求。对担体的几点要求。P.270.P.270.1.1.担体担体(1)(1)担体的种类及性能担体的种类及性能 红色和白色担体均由天然硅藻土经煅烧而成。红色和白色担体均由天然硅藻土经煅烧而成。 区别：白色担体在煅烧前加

53、入少量区别：白色担体在煅烧前加入少量NaNa2 2COCO3 3作作助熔助熔剂；两者化学组成和内部结构相似，但表面结构剂；两者化学组成和内部结构相似，但表面结构不同，适合分离的组分对象不同。不同，适合分离的组分对象不同。P.270P.270271.271.(2)(2)选择担体的大致原则：选择担体的大致原则： a.a.当液担比当液担比5%5%时，可选用硅藻土型担体。时，可选用硅藻土型担体。 b.b.当液担比当液担比5%5%时，应选用处理过的担体。时，应选用处理过的担体。 c.c.对于高沸点组分，可选用玻璃微球担体。对于高沸点组分，可选用玻璃微球担体。 d.d.对于强腐蚀性组分，可选用氟担体。对于

54、强腐蚀性组分，可选用氟担体。(1)(1)对固定液的要求对固定液的要求 固定液应具备的条件：固定液应具备的条件：P.271.P.271.2.2.固定液固定液 由此可见，由此可见，a. 固定液一般都是高沸点的有固定液一般都是高沸点的有机物，各有其特定的使用温度范围。机物，各有其特定的使用温度范围。b. 必须针必须针对被测物的性质选择合适的固定液。对被测物的性质选择合适的固定液。(2)(2)固定液的分离特征固定液的分离特征 如果组分与固定液分子性质相似，则两者间如果组分与固定液分子性质相似，则两者间的相互作用力较强；其在固定液中的溶解度较的相互作用力较强；其在固定液中的溶解度较大大(K(K值大值大)

55、 )。组分与固定液分子间的这种相互作用力，会直组分与固定液分子间的这种相互作用力，会直接影响组分在色谱柱中的分离情况。接影响组分在色谱柱中的分离情况。 与固定相作用力大的组分，易被固定液保留与固定相作用力大的组分，易被固定液保留，较迟流出；相反作用力小的，则较早流出。，较迟流出；相反作用力小的，则较早流出。 分子间存在的相互作用力主要有：静电力分子间存在的相互作用力主要有：静电力、诱导力、色散力和氢键力。诱导力、色散力和氢键力。a.a.静电力静电力( (定向力定向力) ) 由极性分子的永久偶极间存在的静电作用而由极性分子的永久偶极间存在的静电作用而 引起。引起。b.b.诱导力诱导力 极性和非极

56、性分子共存时，由于受极性分子永极性和非极性分子共存时，由于受极性分子永 久偶极的电场作用，非极性分子可被极化产生久偶极的电场作用，非极性分子可被极化产生 诱导偶极，在极性和非极性分子间产生相互作诱导偶极，在极性和非极性分子间产生相互作 用力。用力。c.c.色散力色散力 非极性分子间虽没有静电力和诱导力，但却具非极性分子间虽没有静电力和诱导力，但却具 有有瞬间周期性变化的偶极矩瞬间周期性变化的偶极矩，能使周围的分子，能使周围的分子 产生极化，被极化的分子又可加剧此瞬间偶极产生极化，被极化的分子又可加剧此瞬间偶极 矩变化的幅度，由此产生所谓的色散力。矩变化的幅度，由此产生所谓的色散力。d.d.氢键

57、力氢键力 属于定向力的一种。当某个属于定向力的一种。当某个H H原子与某个电负原子与某个电负 性较大的原子性较大的原子(F(F、O)O)构成共价键时，同时又可构成共价键时，同时又可 与另一个电负性较大的原子形成一种有方向性与另一个电负性较大的原子形成一种有方向性 的静电力，即氢键力。的静电力，即氢键力。 由上述可见，分子间的相互作用力与分子的极由上述可见，分子间的相互作用力与分子的极性密切相关。性密切相关。(3)(3)固定液的选择固定液的选择固定液的选择，根据固定液的选择，根据“相似相溶相似相溶”原理进行。原理进行。根据被测组分的极性选择固定液。根据被测组分的极性选择固定液。选择的原则：选择的

58、原则：a.a.分离非极性组分，选用非极性固定液；分离非极性组分，选用非极性固定液；试样中试样中 各各组分按沸点次序先后流出色谱柱。沸点组分按沸点次序先后流出色谱柱。沸点 ， 出峰愈慢。出峰愈慢。b.b.分离极性组分分离极性组分, , 选用极性固定液；试样中各选用极性固定液；试样中各 组分按极性顺序分离。极性组分按极性顺序分离。极性 ，出峰愈慢。出峰愈慢。c.c.分离非极性和极性混合物时，一般选用极性分离非极性和极性混合物时，一般选用极性 固定液；非极性组分先出峰。固定液；非极性组分先出峰。d.d.对于易形成氢键的试样组分对于易形成氢键的试样组分( (醇、酚、胺和水醇、酚、胺和水 等等) )分离

59、，一般选用极性的或氢键型的固定分离，一般选用极性的或氢键型的固定 液，出峰次序按与固定液分子间形成氢键的能液，出峰次序按与固定液分子间形成氢键的能 力大小先后流出。氢键力力大小先后流出。氢键力 ，出峰慢。出峰慢。e.e.对于复杂的难分离的组分，可采用特殊的固对于复杂的难分离的组分，可采用特殊的固 定液或两种以上的固定液混合配制。定液或两种以上的固定液混合配制。9-6 9-6 气相色谱检测器气相色谱检测器 其作用是将色谱柱分离后的各组分，按其物其作用是将色谱柱分离后的各组分，按其物理和化学特性转换为易测量的电信号，且信号理和化学特性转换为易测量的电信号，且信号的大小在一定范围内与进入检测器的物质

60、量成的大小在一定范围内与进入检测器的物质量成正比。正比。 根据检测原理的不同，检测器可分为浓度型根据检测原理的不同，检测器可分为浓度型检测器检测器 (concentration sensitive detector)(concentration sensitive detector)和质量型检测器和质量型检测器 (mass flow rate sensitive (mass flow rate sensitive detector)detector)两种。两种。 浓度型检测器浓度型检测器: :检测的是载气中某组分浓度的检测的是载气中某组分浓度的瞬间变化瞬间变化( (检测器的响应值与组分的浓度成