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1、第二章第二章气相色谱分析气相色谱分析 2-1 2-1 气相色谱法概述气相色谱法概述气相色谱法概述气相色谱法概述俄国植物学家茨维特，俄国植物学家茨维特，19061906年年 1906年，俄国植物学家茨维特年，俄国植物学家茨维特(MSTswett)在研究植在研究植物色素的过程中，做了一个经典的实验。物色素的过程中，做了一个经典的实验。实验是这样的实验是这样的a.在一根玻璃管的狭小一端塞上小团棉花。在一根玻璃管的狭小一端塞上小团棉花。b.在管中填充沉淀碳酸钙，这就形成了一个吸附柱。在管中填充沉淀碳酸钙，这就形成了一个吸附柱。c.c.c.c.把绿色植物叶子的石油醚抽取液注入柱中。把绿色植物叶子的石油醚
2、抽取液注入柱中。把绿色植物叶子的石油醚抽取液注入柱中。把绿色植物叶子的石油醚抽取液注入柱中。d.用纯溶剂淋洗。用纯溶剂淋洗。结果：结果：植物叶子的几种色素便在玻璃柱上展开：留在最上面植物叶子的几种色素便在玻璃柱上展开：留在最上面的是叶绿素；绿色层下接着是两三种黄色的叶绿素；随着溶的是叶绿素；绿色层下接着是两三种黄色的叶绿素；随着溶剂跑到吸附层最下层的是黄色的胡萝卜素。各种色素就得以剂跑到吸附层最下层的是黄色的胡萝卜素。各种色素就得以分离。吸附柱成为一个分离。吸附柱成为一个显现着彩色环带的柱显现着彩色环带的柱。类胡萝卜素类胡萝卜素和维生素和维生素n n19311931年年年年,德国德国德国德国K
3、uhnKuhn和和和和LedererLederer使用色谱法证实了蛋黄内的叶使用色谱法证实了蛋黄内的叶使用色谱法证实了蛋黄内的叶使用色谱法证实了蛋黄内的叶绿素系植物叶黄素与玉米黄质的混合物绿素系植物叶黄素与玉米黄质的混合物绿素系植物叶黄素与玉米黄质的混合物绿素系植物叶黄素与玉米黄质的混合物,使人们认识到色谱使人们认识到色谱使人们认识到色谱使人们认识到色谱技术在分离科学中的重要性技术在分离科学中的重要性技术在分离科学中的重要性技术在分离科学中的重要性.色谱法从此兴起色谱法从此兴起色谱法从此兴起色谱法从此兴起.n n19381938年年年年,Taylor,Taylor和和和和UrayUray用离子
4、交换分离锂和钾的同位素用离子交换分离锂和钾的同位素用离子交换分离锂和钾的同位素用离子交换分离锂和钾的同位素广泛广泛广泛广泛地用于无色物质的分离，地用于无色物质的分离，地用于无色物质的分离，地用于无色物质的分离，2020世纪世纪世纪世纪4040年代后年代后年代后年代后,合成离子交换树合成离子交换树合成离子交换树合成离子交换树脂商品出现后脂商品出现后脂商品出现后脂商品出现后,离子交换色谱得到广泛应用离子交换色谱得到广泛应用离子交换色谱得到广泛应用离子交换色谱得到广泛应用.n n19411941年年年年,英国英国英国英国MartinMartin和和和和SyngeSynge创立了分配色谱创立了分配色谱
5、创立了分配色谱创立了分配色谱.他们采用水饱他们采用水饱他们采用水饱他们采用水饱和的硅胶为固定相和的硅胶为固定相和的硅胶为固定相和的硅胶为固定相,以含有乙醇的氯仿为流动相分离已酰基以含有乙醇的氯仿为流动相分离已酰基以含有乙醇的氯仿为流动相分离已酰基以含有乙醇的氯仿为流动相分离已酰基氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸.n n19441944年年年年,Martin,Martin等发展了纸色谱等发展了纸色谱等发展了纸色谱等发展了纸色谱.n n19521952年年年年,Martin,Martin和和和和JamesJames发展了气发展了气发展了气发展了气-液分配色谱液分配色谱液分配色谱液分配色谱.n n19561
6、956年年年年,荷兰学者荷兰学者荷兰学者荷兰学者 VanDeemterVanDeemter等发表了关于色谱效率的速等发表了关于色谱效率的速等发表了关于色谱效率的速等发表了关于色谱效率的速率理论率理论率理论率理论,并应用到气相色谱并应用到气相色谱并应用到气相色谱并应用到气相色谱.n n19581958年年年年,Golay,Golay提出了毛细管柱气相色谱提出了毛细管柱气相色谱提出了毛细管柱气相色谱提出了毛细管柱气相色谱.n n19621962年年年年,Klesper,Klesper等人提出了超临界流体色谱等人提出了超临界流体色谱等人提出了超临界流体色谱等人提出了超临界流体色谱.n n196319
7、63年年年年,Giddings,Giddings的理论工作为现代液相色谱奠定了理论基的理论工作为现代液相色谱奠定了理论基的理论工作为现代液相色谱奠定了理论基的理论工作为现代液相色谱奠定了理论基础础础础.n n19661966年年年年,Ito,Ito等提出了逆流色谱等提出了逆流色谱等提出了逆流色谱等提出了逆流色谱.n n2020世纪世纪世纪世纪6060年代中期年代中期年代中期年代中期,凝胶渗透色谱出现凝胶渗透色谱出现凝胶渗透色谱出现凝胶渗透色谱出现.n n2020世界世界世界世界6060年代后期年代后期年代后期年代后期,亲和色谱出现亲和色谱出现亲和色谱出现亲和色谱出现.n n2020世纪世纪世纪
8、世纪8080年代年代年代年代,高效逆流色谱出现高效逆流色谱出现高效逆流色谱出现高效逆流色谱出现.n n2020世纪世纪世纪世纪8080年代以后年代以后年代以后年代以后,毛细管柱应用于超临界流体色谱技术中毛细管柱应用于超临界流体色谱技术中毛细管柱应用于超临界流体色谱技术中毛细管柱应用于超临界流体色谱技术中.n n2020世纪世纪世纪世纪8080年代末年代末年代末年代末,毛细管电泳得到发展毛细管电泳得到发展毛细管电泳得到发展毛细管电泳得到发展.DevelopingofChromatographicTechnique1948,8 days separation for 16 amino acidsD
9、evelopingofChromatographicTechnique1958,22 hours separation for 19 of amino acidsDevelopingofChromatographicTechnique1958,22 hours separation for 19 of amino acids1982,less than 30 minutes separation for 18 of amino acids目前，色谱分析广泛应用在食品学科，目前，色谱分析广泛应用在食品学科，目前，色谱分析广泛应用在食品学科，目前，色谱分析广泛应用在食品学科，石油化工、医石油化工、
10、医药、生化、环境科学等各个领域药、生化、环境科学等各个领域它通过对不同的物质分析、它通过对不同的物质分析、它通过对不同的物质分析、它通过对不同的物质分析、分离。分离。分离。分离。一一一一、色谱法、色谱法、色谱法、色谱法(chromatography)(chromatography)：以试样组分和固定相以试样组分和固定相以试样组分和固定相以试样组分和固定相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色
11、谱法。依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。色谱柱：色谱柱：色谱柱：色谱柱：进行色谱分离用的细长管。进行色谱分离用的细长管。进行色谱分离用的细长管。进行色谱分离用的细长管。固定相：固定相：固定相：固定相：（stationaryphasestationaryphase）管内保持固定、起分离管内保持固定、起分离管内保持固定、起分离管内保持固定、起分离 作用的作用的作用的作用的填充物。填充物。填充物。填充物。流动相：流动相：流动相：流动相：（mobilephasemobilephase）流经固定相的空隙或表面的冲
12、洗剂。流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。按固定相的几何形式分类：按固定相的几何形式分类：按固定相的几何形式分类：按固定相的几何形式分类：1.1.柱色谱法，柱色谱法，2.2.纸色谱法，纸色谱法，3.3.薄层色谱法薄层色谱法 。按流动相所处的状态分类按流动相所处的状态分类按流动相所处的状态分类按流动相所处的状态分类：气相色谱法气相色谱法液相色谱法液相色谱法气气-固色谱法固色谱法液液-固色谱法固色谱法气气-液色谱法液色谱法 液液-液色谱法液色谱法二、色谱法分类：二、色谱法分类：二、色谱法分类：二、色谱法分类：按分离机制按分离机制:吸附色谱
13、（吸附剂对不同组分吸附性能的异）、吸附色谱（吸附剂对不同组分吸附性能的异）、分配色谱（不同组分分配系数的差异）、分配色谱（不同组分分配系数的差异）、离子交换色谱（离子交换原理）、离子交换色谱（离子交换原理）、排阻色谱（与分子尺寸大小有关）等。排阻色谱（与分子尺寸大小有关）等。n n 色谱洗脱原理图色谱洗脱原理图三、气相色谱分析三、气相色谱分析 气相色谱法是利用气体作为流动相的一种色谱气相色谱法是利用气体作为流动相的一种色谱气相色谱法是利用气体作为流动相的一种色谱气相色谱法是利用气体作为流动相的一种色谱法。在此法中，载气法。在此法中，载气法。在此法中，载气法。在此法中，载气(是不与被测物作用，用
14、来载是不与被测物作用，用来载是不与被测物作用，用来载是不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体，如氢、氮等送试样的惰性气体，如氢、氮等送试样的惰性气体，如氢、氮等送试样的惰性气体，如氢、氮等)载着欲分离的试载着欲分离的试载着欲分离的试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，样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，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。其简单流程如图然后分别检测。其简单流程如图然后分别检测。其简单流程如图然后分别检测。其简单流程如图 2-12-1所示。所示。所示。所示。n n 气相色谱仪流程图气相
15、色谱仪流程图 气相色谱仪 gas chromatographic instruments色谱工作站GC-102气相色谱仪气相色谱仪GC-102气相色谱仪气相色谱仪外观外观内部结构内部结构GC-6890气相色谱仪气相色谱仪 毛细管柱色谱 （美国安捷伦科技公司 Agilent)四、气相色谱仪组成四、气相色谱仪组成四、气相色谱仪组成四、气相色谱仪组成 载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。进样系统：进样器、汽化室。进样系统：进样器、汽化室。进样系统
16、：进样器、汽化室。进样系统：进样器、汽化室。分离系统：色谱柱、控温柱箱。分离系统：色谱柱、控温柱箱。分离系统：色谱柱、控温柱箱。分离系统：色谱柱、控温柱箱。检测系统：检测器、检测室。检测系统：检测器、检测室。检测系统：检测器、检测室。检测系统：检测器、检测室。记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。气路系统气路系统:要求具有要求具有：气密性：气密性载气流速的稳定性载气流速的稳定性流量测量的准确性流量测量的准确性常用载气：常用载气：化学惰性，不与有关物质反应化学惰性，不与有关物质反应N
17、2H2ArHe。气路系统气路系统：单柱气路单柱气路-恒温分析恒温分析双柱气路双柱气路-程序升温分析程序升温分析净化器：活性炭、硅胶和分子筛、作用是吸潮、除氧、净化器：活性炭、硅胶和分子筛、作用是吸潮、除氧、脱烃。脱烃。载气流速控制：压力表载气流速控制：压力表(两级两级)、流量计、针形稳压阀，流量计、针形稳压阀，稳流阀控制载气流速恒定。稳流阀控制载气流速恒定。进样系统进样系统(Sample injection system)mL-1常常以以微微量量注注射射器器(穿穿过过隔隔膜膜垫垫)或或六六通通阀阀将将液液体体样样品品注注入入气气化化室室(汽汽化化室室温温度度比比样样品品中中最最易易蒸蒸的的物物
18、质质的的沸沸点点高高约约50oC)，。，。进进样样要要求求：进进样样量量或或体体积积适适宜宜；“塞塞子子”式式进进样样。一一般般柱柱分分离离进进样样快快速速，过过慢慢，将将导导致致分分离离变差变差(拖尾拖尾)。色谱柱(分离柱)色谱柱:色谱仪的核心部件。柱材质:不锈钢管或玻璃，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。填充柱（填充柱（填充柱（填充柱（2-6mm2-6mm直径，直径，直径，直径，1-6m1-6m长）长）长）长）毛细管柱（直径毛细管柱（直径毛细管柱（直径毛细管柱（直径,几十米长）几十米长）几十米长）几十米长）色谱柱包括填充柱和开管柱色谱柱包括填充柱和开管柱(或称毛细管柱或称毛细管柱)。填充
19、柱：多为填充柱：多为U形或螺旋形，内填形或螺旋形，内填60-80目的固定相；目的固定相；开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。通常弯成直径开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。通常弯成直径1030cm的螺旋状。过去是填充柱占主要，但现在，这种情的螺旋状。过去是填充柱占主要，但现在，这种情况正在迅速发生变化，填充柱将会被更高效、更快速的开管况正在迅速发生变化，填充柱将会被更高效、更快速的开管柱所取代！柱所取代！担体担体担体担体固定液固定液固定液固定液4.4.检测系统检测系统检测系统检测系统要求要求要求要求：5.5.记录系统记录系统记录系统记录系统 这这这这个个个个系系系系统统统统是是是是指指
20、指指样样样样品品品品经经经经色色色色谱谱谱谱柱柱柱柱分分分分离离离离后后后后，各各各各成成成成分分分分按按按按保保保保留留留留时时时时间间间间不不不不同同同同，顺顺顺顺序序序序地地地地随随随随载载载载气气气气进进进进人人人人检检检检测测测测器器器器，检检检检测测测测器器器器把把把把进进进进入入入入的的的的组组组组分分分分按按按按时时时时间间间间及及及及其其其其浓浓浓浓度度度度或或或或质质质质量量量量的的的的变变变变化化化化，转转转转化化化化成成成成易易易易于于于于测测测测量量量量的的的的电电电电信信信信号号号号，经经经经过过过过必必必必要要要要的的的的放放放放大大大大传传传传递递递递给给给给记
21、记记记录录录录仪仪仪仪或或或或计计计计算算算算机机机机，最最最最后后后后得得得得到到到到该该该该混混混混合合合合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。灵敏度高灵敏度高灵敏度高灵敏度高线性范围宽线性范围宽线性范围宽线性范围宽响应速度快响应速度快响应速度快响应速度快结构简单结构简单结构简单结构简单通用性强通用性强通用性强通用性强常用检测器：热导检测器常用检测器：热导检测器常用检测器：热导检测器常用检测器：热导检测器,氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器,电子
22、捕获检测器电子捕获检测器电子捕获检测器电子捕获检测器 色谱图色谱图色谱图色谱图（chromatogramchromatogram）：）：）：）：试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，器时，器时，器时，各组分的浓度经检测器转换成电信号而记录下来，各组分的浓度经检测器转换成电信号而记录下来，各组分的浓度经检测器转换成电信号而记录下来，各组分的浓度经检测器转换成电信号而记录下来，得到一条信号随时间变化的曲线，称为色谱流出曲线，也得到一条信号随时间变化
23、的曲线，称为色谱流出曲线，也得到一条信号随时间变化的曲线，称为色谱流出曲线，也得到一条信号随时间变化的曲线，称为色谱流出曲线，也称为色谱峰称为色谱峰称为色谱峰称为色谱峰.五、色谱术语五、色谱术语 色谱图界面色谱图界面 基线：基线：基线：基线：在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的 流出曲线。流出曲线。流出曲线。流出曲线。它反映检测器噪声随时间变化，它反映检测器噪声随时间变化，它反映检测器噪声随时间变化，它反映检测器噪声随时间变化，稳定的基线是条直线，是仪器是否正常工作的指标
24、。稳定的基线是条直线，是仪器是否正常工作的指标。稳定的基线是条直线，是仪器是否正常工作的指标。稳定的基线是条直线，是仪器是否正常工作的指标。保留值保留值保留值保留值:表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。通常用出峰时间或用将组分带出色谱柱所数值。通常用出峰时间或用将组分带出色谱柱所数值。通常用出峰时间或用将组分带出色谱柱所数值。通常用出峰时间或用将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。在一定的固定相和操作条需载气的体积来表示。在一定的固定相和操作条需载气的体积来表示。在一定的固
25、定相和操作条需载气的体积来表示。在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样就可用作定性参数。就可用作定性参数。就可用作定性参数。就可用作定性参数。死时间：死时间：死时间：死时间：不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间最大值时所需的时间称为死时间(deadtime)，tM。保留时间保留时间保留时间保留时间：从进样至被测组分出现浓度最大值时从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间所需时间
26、tR。调整保留时间：调整保留时间：调整保留时间：调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。扣除死时间后的保留时间。tR=tR tM死体积死体积死体积死体积:指色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒间的剩留空指色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒间的剩留空间、色谱仪管路和连接头间的空间及检测器的空间总间、色谱仪管路和连接头间的空间及检测器的空间总和称为死体积和称为死体积(deadvolume)，VM。VM=tM F 0保留体积保留体积保留体积保留体积：从进样至被测组分出现最大浓度时流从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积，动相通过的体积，VR。VR=tRF0调整保留体积：调整保留体积：调整保留体积：调整保
27、留体积：扣除死体积后的保留体积。扣除死体积后的保留体积。VR =VR VM 或 VR =tR F0（F0为柱尾载气体积流量）为柱尾载气体积流量）相对保留值相对保留值相对保留值相对保留值:在相同的操作条件下，某组分与另一组分在相同的操作条件下，某组分与另一组分的调整保留值之比，用的调整保留值之比，用r表示表示 相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种流动相流速等
28、条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。类有关。类有关。类有关。当当当当r r =1=1时两个组分不能分离。时两个组分不能分离。峰高与峰面积：峰高与峰面积：峰高与峰面积：峰高与峰面积：色谱峰顶点与峰底之间的色谱峰顶点与峰底之间的色谱峰顶点与峰底之间的色谱峰顶点与峰底之间的 垂直距离称为峰高垂直距离称为峰高垂直距离称为峰高垂直距离称为峰高(peakheight)(peakheight)。用。用。用。用h h表示。表示。表示。表示。峰与峰底之间的面积称为峰面积峰与峰底之间的面积称为峰面积峰与峰底之间的面积称为峰面积峰与峰底之间的面积称为峰面积(peakarea)(peakarea)，用，用，用，用A
29、 A表示。表示。表示。表示。峰的区域宽度：峰的区域宽度：峰的区域宽度：峰的区域宽度：a、峰底宽 W=4 b、半峰宽 W1/2 c、标准偏差峰宽 W=2 峰底宽：从峰两边的拐点作切线与基线相交部分的宽度。峰底宽：从峰两边的拐点作切线与基线相交部分的宽度。色谱分析的实验依据：色谱分析的实验依据：色谱分析的实验依据：色谱分析的实验依据：n n 1.1.色谱峰数，表明样品中所含组分的最少数量；色谱峰数，表明样品中所含组分的最少数量；色谱峰数，表明样品中所含组分的最少数量；色谱峰数，表明样品中所含组分的最少数量；n n 2.2.根据色谱峰的保留值进行定性；根据色谱峰的保留值进行定性；根据色谱峰的保留值进
30、行定性；根据色谱峰的保留值进行定性；n n 3.3.根据色谱峰的峰高或峰面积进行定量；根据色谱峰的峰高或峰面积进行定量；根据色谱峰的峰高或峰面积进行定量；根据色谱峰的峰高或峰面积进行定量；n n 4.4.根据色谱峰的根据色谱峰的根据色谱峰的根据色谱峰的位置和区域宽度，评价色谱系统；位置和区域宽度，评价色谱系统；位置和区域宽度，评价色谱系统；位置和区域宽度，评价色谱系统；n n 5.5.根据两色谱峰之间的距离和分离度，根据两色谱峰之间的距离和分离度，根据两色谱峰之间的距离和分离度，根据两色谱峰之间的距离和分离度，评价色谱评价色谱评价色谱评价色谱条件的合适性。条件的合适性。条件的合适性。条件的合适
31、性。2-2 2-2 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础一一一一.色谱分析的基本理论色谱分析的基本理论色谱分析的基本理论色谱分析的基本理论 在在气气相相色色谱谱分分析析的的流流程程中中，多多组组分分的的试试样样是是通通过过色色谱谱柱柱而而得得到到离离的，那么这是怎样实现的呢？的，那么这是怎样实现的呢？色色谱谱柱柱有有两两种种：一一种种是是内内装装固固定定相相的的，称称为为填填充充柱柱，通通常常为为用用金金属属（铜铜或或不不锈锈钢钢）或或玻玻璃璃制制成成的的内内径径2-6mm/长长0.510m的的U形或螺旋形的管子形或螺旋形的管子 另另一一种种是是将将
32、固固定定液液均均匀匀的的涂涂敷敷在在毛毛细细管管的的内内壁壁上上，形成中空的柱子，称为毛细管柱。形成中空的柱子，称为毛细管柱。在填充柱内填充的固定相有两类在填充柱内填充的固定相有两类即气即气-固色谱分析中固色谱分析中的固定相和气液色谱中的固定相。的固定相和气液色谱中的固定相。气气-固色谱分析中的固定相是一种具有多孔型及较大固色谱分析中的固定相是一种具有多孔型及较大面积的吸附颗粒。面积的吸附颗粒。气液色谱分析中的固定相是在化学惰性的固体颗粒气液色谱分析中的固定相是在化学惰性的固体颗粒表面，涂上一层高沸点的有机化合物，这种高沸点的化表面，涂上一层高沸点的有机化合物，这种高沸点的化合物称为固定液。合
33、物称为固定液。当当试试样样由由载载气气携携带带进进入入色色谱谱柱柱与与固固定定相相接接触触时时，被被固定相溶解或吸附固定相溶解或吸附;随随着着载载气气的的不不断断通通入入，被被溶溶解解或或吸吸附附的的组组分分又又从从固固定相中挥发或脱附定相中挥发或脱附;挥挥发发或或脱脱附附下下的的组组分分随随着着载载气气向向前前移移动动时时又又再再次次被固定相溶解或吸附被固定相溶解或吸附;随随着着载载气气的的流流动动，溶溶解解、挥挥发发，或或吸吸附附、脱脱附附的的过过程程反复地进行。反复地进行。由于各组分性质的差异，固定相对它们溶解或吸附的由于各组分性质的差异，固定相对它们溶解或吸附的由于各组分性质的差异，固
34、定相对它们溶解或吸附的由于各组分性质的差异，固定相对它们溶解或吸附的能力不同。能力不同。能力不同。能力不同。易被溶解或吸附的组分，挥发或脱附较难，随易被溶解或吸附的组分，挥发或脱附较难，随易被溶解或吸附的组分，挥发或脱附较难，随易被溶解或吸附的组分，挥发或脱附较难，随载气移动速度慢，在柱内停留时间长；反之，停留短。载气移动速度慢，在柱内停留时间长；反之，停留短。载气移动速度慢，在柱内停留时间长；反之，停留短。载气移动速度慢，在柱内停留时间长；反之，停留短。随着载气的流动，溶解、挥发随着载气的流动，溶解、挥发随着载气的流动，溶解、挥发随着载气的流动，溶解、挥发,或吸附、脱附的过程反复或吸附、脱附
35、的过程反复或吸附、脱附的过程反复或吸附、脱附的过程反复地进行，经过一定的时间间隔后，性质不同的组分彼此分地进行，经过一定的时间间隔后，性质不同的组分彼此分地进行，经过一定的时间间隔后，性质不同的组分彼此分地进行，经过一定的时间间隔后，性质不同的组分彼此分离。离。离。离。分配平衡的几个参数：分配平衡的几个参数：分配平衡的几个参数：分配平衡的几个参数：1 1 1 1、分配系数、分配系数、分配系数、分配系数 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，间达到分配平衡时的浓度比值，用用K K表示。表示。2 2、分配比、分配比(容量因子容量
36、因子容量因子容量因子)在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用称分配比，用k k表示。表示。Cs、Cm分别为组分在固分别为组分在固定相和流动相的浓度定相和流动相的浓度(g/ml)；mms s为组分分配在固定相中的质量，为组分分配在固定相中的质量，为组分分配在固定相中的质量，为组分分配在固定相中的质量，mmmm为组分分为组分分为组分分为组分分配在流动相中的质量配在流动相中的质量配在流动相中的质量配在流动相中的质量。Phase ratio(相比，相比，b b)
37、:VM/VS,反映各种色谱柱柱型及其结构特征填充柱（填充柱（Packingcolumn）:635毛细管柱（毛细管柱（Capillarycolumn）:5015003、分配系数、分配系数和分配比之间的关系和分配比之间的关系 （1）分分配配系系数数是是组组分分在在两两相相间间分分配配达达到到平平衡衡时时的的浓浓度之比，分配比则是组分在两相间的分配总量之比。度之比，分配比则是组分在两相间的分配总量之比。（4）分配比与保留时间的关系）分配比与保留时间的关系 （2）分分配配系系数数决决定定于于组组分分和和两两相相的的性性质质，与与两两相相体体积积无无关关。分分配配比比不不仅仅决决定定于于组组分分和和两两
38、相相的的性性质质，且且与与两两相体积比有关。相体积比有关。（3）对对于于一一给给定定的的色色谱谱体体系系，组组分分的的分分离离最最终终决决定定于于组组分分在在每每相相中中的的相相对对量量，而而不不是是相相对对浓浓度度，因因此此分分配配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。若流动相（载气）在柱内的线速度为若流动相（载气）在柱内的线速度为若流动相（载气）在柱内的线速度为若流动相（载气）在柱内的线速度为uu（cmcm s s-1-1)，组分在柱内的线速度为组分在柱内的线速度为组分在柱内的线速度为组分在柱内的线速度为u us s，则两速度之比称为滞留，则两速度
39、之比称为滞留，则两速度之比称为滞留，则两速度之比称为滞留因子（因子（因子（因子（retardationfactor)Rretardationfactor)Rs sRs用质量分数表示组分通过长度组分通过长度L的色谱柱所需时间为的色谱柱所需时间为二、色谱分离的基本理论二、色谱分离的基本理论试样在色谱中的分离过程的基本理论包括两个方面：试样在色谱中的分离过程的基本理论包括两个方面：1.1.试样中各组分在两相间的分配情况试样中各组分在两相间的分配情况-热力学过程热力学过程2.2.试样中各组分在色谱柱中的运动情况试样中各组分在色谱柱中的运动情况-动力学过程动力学过程如何评价分离效能？如何评价分离效能？如
40、何评价分离效能？如何评价分离效能？将色谱假设为一个蒸馏塔，塔内有许多块塔板，将色谱假设为一个蒸馏塔，塔内有许多块塔板，样品各组分在每块塔板的液相和固相间进行分配。样品各组分在每块塔板的液相和固相间进行分配。1、塔板理论、塔板理论 塔板理论认为，塔板理论认为，一根柱子可以分为一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板，这一小段相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板，这一小段柱长称为理论塔板高度柱长称为理论塔板高度H。引引用用了了处处理理蒸蒸馏馏过过程程的的概概念念、理理论论和和方方法法来来处处理理色色谱谱分分离离过过程程：将将连连续续
41、的的色色谱谱过过程程看看作作是是许许多多小小段段平平衡衡过过程程的重复。的重复。塔板理论假定：塔板理论假定：（1）平衡迅速）平衡迅速（2）脉动式进载气，一次一个板体积（）脉动式进载气，一次一个板体积（V）（3）试样开始加在零号塔板上，纵向扩散可忽略不计）试样开始加在零号塔板上，纵向扩散可忽略不计（4）分配系数在塔板上是常数）分配系数在塔板上是常数为讨论方便，假设：塔板数为为讨论方便，假设：塔板数为5,k=1。开始时，若有单位质量，即开始时，若有单位质量，即m=1（例（例1mg或或1g）的该组分加到第）的该组分加到第0号塔板上，分配平衡后，号塔板上，分配平衡后，由于由于k=1，即，即ms=mM故
42、故mM=ms。当一个板体积（当一个板体积（lV）的载气以脉动形式进入）的载气以脉动形式进入0号板时，就将气相中含有号板时，就将气相中含有mM部分组分的载气顶到部分组分的载气顶到1号板上，此时号板上，此时0号板液相中号板液相中ms部分组分及部分组分及1号板气号板气相中的相中的mM部分组分，将各自在两相间重新分配。部分组分，将各自在两相间重新分配。故故0号板上所含组分总量为，其中气液两相各为，号板上所含组分总量为，其中气液两相各为，而而1号板上所含总量同样为，气液相亦各为。号板上所含总量同样为，气液相亦各为。以后每当一个新的板体积载气以脉动式进以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述过
43、程就重复一次入色谱柱时，上述过程就重复一次(见下表见下表)。x0.050.100.15N5 10 15 组分从N=的柱中的流出曲线图流出曲线呈峰形但不对称，这是由于柱子的塔板数太少流出曲线呈峰形但不对称，这是由于柱子的塔板数太少的缘故。的缘故。塔板理论指出塔板理论指出：第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数板数板数板数n n大于大于大于大于5050时，可得到基本对称的峰形曲线。时，可得到基本对称的峰形曲线。时，可得到基本对称的峰形曲线。时，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中，
44、在色谱柱中，在色谱柱中，在色谱柱中，n n值一般很大，如气相色谱柱的值一般很大，如气相色谱柱的值一般很大，如气相色谱柱的值一般很大，如气相色谱柱的n n约为约为约为约为10103 3-10-106 6，因而这时的流出曲线可趋近于正，因而这时的流出曲线可趋近于正，因而这时的流出曲线可趋近于正，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。态分布曲线。态分布曲线。态分布曲线。第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次在两
45、相间的分配系数有微小差异，经过反复多次在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良好的分离。的分配平衡后，仍可获得良好的分离。的分配平衡后，仍可获得良好的分离。的分配平衡后，仍可获得良好的分离。此式成为流出曲线方程式。此式成为流出曲线方程式。式中式中c0为进样浓度，为进样浓度，tR为为保留时间，保留时间，为标准偏差，为标准偏差，c为时间为时间t时的浓度。时的浓度。由塔板理论可导出由塔板理论可导出n与色谱峰与色谱峰峰底宽峰底宽度的关系：度的关系：式中色谱柱的长度式中色谱柱的长度L，tR及及Y1/2或或Y用同一单位用同一单位（时间或距离（时间或距离)色谱柱效的描述色谱柱效的描
46、述理论塔板数越多，柱效能越高。理论塔板数越多，柱效能越高。考考虑虑到到死死时时间间不不参参与与柱柱内内的的分分配配，提提出出了了有有效效塔塔板板数的概念：数的概念：1.色色谱谱峰峰越越窄窄，塔塔板板数数n越越多多，理理论论塔塔板板数数H就就越越小小，此此时柱效能越高，因此时柱效能越高，因此n和和H可一作为描述柱效能的指标。可一作为描述柱效能的指标。2.n有效有效和和H有效有效能较为真实地描述柱效能的好坏。能较为真实地描述柱效能的好坏。*同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的。同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的。色谱柱效的描述色谱柱效的描述 通通常常用用塔塔板板高高度度和和塔塔板板数数来来评
47、评估估色色谱谱柱柱的的柱柱效效。所所以，塔板理论可以近似描述柱内过程的实以，塔板理论可以近似描述柱内过程的实际情况。际情况。塔塔板板理理论论在在解解释释流流出出曲曲线线的的形形状状（呈呈正正态态分分布布），浓浓度度极极大大点点的的位位置置及及计计算算和和评评价价柱柱效效等等方方面面都都取取得得了了很很大的成功。大的成功。对对塔板理论讨论塔板理论讨论塔板理论的局限性塔板理论的局限性塔板理论的局限性塔板理论的局限性（在某些方面的基本假设是不成功的）：在某些方面的基本假设是不成功的）：(1)蒸馏塔不完全符合色谱柱内情况（理想近似）；蒸馏塔不完全符合色谱柱内情况（理想近似）；(2)不是跳跃式脉冲而是连
48、续的；不是跳跃式脉冲而是连续的；（纵向扩散被忽略掉了）（纵向扩散被忽略掉了）(3)在一个塔板高度内，也达不到瞬时平衡，需要一定时间在一个塔板高度内，也达不到瞬时平衡，需要一定时间传递；传递；(4)不能解释，同一色谱柱对不同组分不能解释，同一色谱柱对不同组分的理论塔板数和理论的理论塔板数和理论高度可能不同；高度可能不同；速率理论速率理论 塔板高度和塔板数受哪些因素的影响塔板高度和塔板数受哪些因素的影响 不同的流速下测得不同的理论塔板数不同的流速下测得不同的理论塔板数不能很好的解释不能很好的解释同一组分不同操作条件下，同一组分不同操作条件下，同一组分不同操作条件下，同一组分不同操作条件下，理论塔板
49、数和理论塔板高度的理论塔板数和理论塔板高度的理论塔板数和理论塔板高度的理论塔板数和理论塔板高度的不同；不同；不同；不同；(5)(5)不能找出影响塔板高度的内在因素；不能找出影响塔板高度的内在因素；不能找出影响塔板高度的内在因素；不能找出影响塔板高度的内在因素；(6(6）不能为操作与应用色谱方法提供。）不能为操作与应用色谱方法提供。）不能为操作与应用色谱方法提供。）不能为操作与应用色谱方法提供。2.速率理论速率理论-范弟姆特方程式范弟姆特方程式 溶溶质质在在柱柱内内移移动动过过程程中中存存在在着着有有限限的的传传质质过过程程,色色谱谱峰峰在在朝朝前前运运动动的的同同时时还还存存在在纵纵向向扩扩散
50、散。1956年年荷荷兰兰学学者者范范弟弟姆姆特特(VanDeemter )等等人人在在研研究究气气相相色色谱谱时时，提提出出了了色色谱谱过过程程的的动动力力学学理理论论-速速率率理理论论。该该理理论论沿沿用用了了塔塔板板理理论论中中塔塔板板高高度度的的概概念念，并并同同时时考考虑虑色色谱谱过过程程中中影影响响塔塔板高度的动力学因素。板高度的动力学因素。速速率率理理论论指指出出，谱谱峰峰变变宽宽受受到到三三个个动动力力学学因因素素的的控控制，即涡流扩散项，分子扩散项，传质阻力项。制，即涡流扩散项，分子扩散项，传质阻力项。n n A A，B B，C C为三个常数。为三个常数。为三个常数。为三个常数