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1、其次章其次章 色谱基本理论色谱基本理论第一节第一节 色谱图及基本参数色谱图及基本参数 色谱图色谱图:色谱柱流出物通过检测器时所产生的响应信号对时间的曲线图,其纵坐标为信号强度,横坐标为保留时间.色谱图示意图色谱图示意图色谱图相关术语色谱图相关术语.色谱峰色谱峰(Peak):Peak):.峰底峰底(Peak Base):Peak Base):.峰高峰高 h(Peak Height):h(Peak Height):.峰峰(底底)宽宽 W(Peak Width):W(Peak Width):.半半(高高)峰宽峰宽 W W1/2 1/2(Peak Width at(Peak Width at Half
2、 HeightHalf Height):.峰面积峰面积(Peak Area):Peak Area):.标准偏差标准偏差()(Standard Error):)(Standard Error):.拖尾峰拖尾峰(Tailing Peak):Tailing Peak):.前伸峰前伸峰(Leading Peak):Leading Peak):.鬼峰鬼峰,假峰假峰(Ghost PeakGhost Peak):色谱图相关术语.基线基线(Baseline):Baseline):.基线飘移基线飘移(Baseline Drift):Baseline Drift):.基线噪声基线噪声(N)(Baseline No
3、ise):N)(Baseline Noise):.谱带扩展谱带扩展(Band Broadening):Band Broadening):色谱图相关术语色谱图相关术语留值的基本参保数留值的基本参保数保留时间保留时间(t tR R)(Retention time):)(Retention time):死时间死时间(t tM M)(Dead time):)(Dead time):调整保留时间调整保留时间(t tR R)t)tR R=t=tR R-t-tM M,校正保留时间（校正保留时间（t tR R0 0）t tR R0 0=j t=j tR R,净保留时间净保留时间(t tN N)t)tN N=j
4、 t=j tR R,校正保留体积（校正保留体积（V VR R0 0）:V:VR R0 0=j V=j VR R净保留体积净保留体积(V VN N):V):VN N=j V=j VR R 比保留体积比保留体积(Vg):Vg):Vg=(273/TVg=(273/Tc c)(V)(VN N/M/ML L)保留值的基本参数保留值的基本参数有关分别的参数有关分别的参数一 相对保留值又叫选择性系数或选择性因子=1=1时两个组分分不开，变更时两个组分分不开，变更的途径是：的途径是：变更固定相，变更固定相，变更流淌相，变更流淌相，变更样品本身的性质（如衍生化法）变更样品本身的性质（如衍生化法）二二 区域宽度区
5、域宽度（1 1）标准偏差）标准偏差 （2 2）半峰宽半峰宽 W1/2 W1/2（3 3）峰底宽度峰底宽度W W 从色谱图中，可得很多信息：从色谱图中，可得很多信息：1 1 色色谱谱峰峰的的个个数数，可可推推断断所所含含组组分分的的最少个数；最少个数；2 2 依依据据色色谱谱峰峰的的保保留留值值，可可以以进进行行定定性分析；性分析；3 3 依依据据色色谱谱峰峰的的面面积积或或峰峰高高，可可以以进进行定量分析；行定量分析；4 4 色色谱谱峰峰的的保保留留值值及及其其区区域域宽宽度度，评评价柱效依据；价柱效依据；5 5 色谱峰两峰间的距离色谱峰两峰间的距离 三三 安排系数安排系数K K与安排比与安排
6、比(容量因子容量因子)K)K:1 1 安排系数安排系数K K 平衡状态时组分在固定相（平衡状态时组分在固定相（CLCL）与）与流淌相（流淌相（CGCG）中的浓度之比。）中的浓度之比。2 2 安排比安排比(容量因子容量因子)K:)K:平衡状态时组分在固定相平衡状态时组分在固定相(P)(P)与流淌相与流淌相(q)(q)中的质量之比。中的质量之比。探讨：探讨：K=0 则则 tR=tM 组分无保留行为组分无保留行为 K=1 则则 tR=2tM K tR很大很大 组分峰出不来组分峰出不来所以所以K=1-5 最好最好如何限制如何限制K？主要选择合适的固定液主要选择合适的固定液色谱测色谱测K简洁（只测简洁（
7、只测tR tM）所以常用）所以常用K四四 安排系数安排系数K K与安排比与安排比KK的关系的关系于于l K=KKl=VG/VL=K/K=VG/VL=K/K 五五 安排系数安排系数K,K,安排比安排比KK与选择与选择性因子的关系性因子的关系tR(x)-待测物X的调整保留时间tR(z)-碳原子数为Z的正构烷烃的调整保留时间tR(z+n)-碳原子数为z+n的正构烷烃的调整保留时间tR(z)tR(x)tR(z+n)（通常 n=1）规定正构烷烃的I 值是其他原子数的100倍，如：正庚烷I=700保留指数保留指数 I I色谱柱效能的参数色谱柱效能的参数柱效：也叫柱效能柱效：也叫柱效能。理论塔板数理论塔板数
8、n有效理论塔板数有效理论塔板数neff理论塔板高度理论塔板高度H H=L/n其次节其次节 气路系统气路系统 一气体 H2 N2 Air 也可用CO2 Ne Ar 纯度要求大于99.99%气体限制系统 检测器检测器 常用净化剂常用净化剂 作用作用TCD TCD；FID FID 变色硅胶：变色硅胶：除除H H2 2O OTCD TCD；FID FID 分子筛分子筛 ：除除H H2 2O OFID FID；ECD ECD 活性碳：活性碳：除有机物除有机物FID FID；ECD ECD 脱氧剂脱氧剂 ：除除O O2 2 气体的压力与流量的测量气体的压力与流量的测量常用皂膜流量计，用时先将皂膜流量计管常
9、用皂膜流量计，用时先将皂膜流量计管子内壁润湿子内壁润湿 气体的纯化气体的纯化载气流量的校正载气流量的校正 用皂膜流量计测得的流量用皂膜流量计测得的流量用皂膜流量计测得的流量用皂膜流量计测得的流量F F皂（皂（皂（皂（mL/min)mL/min)是在柱后大是在柱后大是在柱后大是在柱后大气压下测得的，欲将其换算成色谱条件下的流量气压下测得的，欲将其换算成色谱条件下的流量气压下测得的，欲将其换算成色谱条件下的流量气压下测得的，欲将其换算成色谱条件下的流量F FC C需作需作需作需作三种校正：湿度校正三种校正：湿度校正三种校正：湿度校正三种校正：湿度校正;压力校正压力校正压力校正压力校正;温度校正温度
10、校正1 1，湿度校正，湿度校正，湿度校正，湿度校正2 2，压力校正，压力校正，压力校正，压力校正PW-室温下的的水饱和蒸汽压P0-柱出口处压力Pi-柱入口处压力 3，温度校正，温度校正空心柱的载气流速通常不用皂膜流量计测量。而是由tM计算得到载气的平均线速U=L/tM 例题“试验与习题”例4 （P125）作业：P131 41；42（思索）；43；第三节第三节 色谱基本理论色谱基本理论塔板理论塔板理论 GCGC是一种分别技术是一种分别技术,组分先分别才组分先分别才可定性定量可定性定量.如何选择最佳分别条如何选择最佳分别条件件,这须要色谱理论的指导这须要色谱理论的指导.一一塔板理论的假设塔板理论的
11、假设二二1 在理论板高在理论板高H内，组分在气液相内快速内，组分在气液相内快速平衡平衡三三2 载气以脉冲式进入色谱柱载气以脉冲式进入色谱柱四四3 无纵向扩散（柱向扩散）无纵向扩散（柱向扩散）五五4 安排系数安排系数K是常数是常数六六 七七 依据对色谱柱模拟蒸馏塔的假设条件，具体绽开探讨组分在色谱柱中移动安排过程如下：动画 二、色谱流出曲线方程二、色谱流出曲线方程 -基本关系式概率推导基本关系式概率推导 设样品分子起先全部位于第0号塔板上，当色谱柱中通过N体积载气后，计算在第n块塔板上出现某组分分子的概率。这个概率应当是考虑在塔板上某组分的一个分子出现在流淌相中的概率(Mp)等于在该塔板上流淌相
12、中组分分子的个数与 整个塔板上组分分子个数之比。l假设色谱柱由假设色谱柱由5 5块塔板组成：块塔板组成：l(0(0号板号板,1,1号号,2,2号号,4,4号板号板)l 令令N=5(NN=5(N表示进入柱中载气的脉冲次数表示进入柱中载气的脉冲次数l 令组分进样量为：令组分进样量为：W=1 W=1 l 组组分分在在柱柱内内的的安安排排过过程程是是以以气气液液色色谱谱安安排为例排为例,组分在气液两相中进行安排组分在气液两相中进行安排 l 表示进入气相的组分分子表示进入气相的组分分子 l 表示进入液相的组分分子表示进入液相的组分分子l此时若组分容量因子此时若组分容量因子K K，=1,=1,即即p=q
13、p=q l 组分中有组分中有p p量溶于液相量溶于液相 l 组分中有组分中有q q量溶于液相量溶于液相可用二项式精确表示出来可用二项式精确表示出来(P+q)N(P+q)N组分在组分在n=5,k,=1,w=1n=5,k,=1,w=1柱内任一板上安排表柱内任一板上安排表01234柱出口N=010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.1250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.
14、1160.2750.2750.11880.0040.0320.0860.1960.2750.13890.0020.0180.0590.1410.2460.138100.0010.1010.0380.1000.1890.118得精彩谱流出曲线方程：得精彩谱流出曲线方程：三、三、塔板理论方程式的探讨塔板理论方程式的探讨 塔板理论成功之处塔板理论成功之处较好地解析了色谱曲线形态较好地解析了色谱曲线形态2 2 浓浓度度极极大大点点CmaxCmax的的位位置置是是tR tR(即即VR)VR)3 3 可用可用N N评价柱效评价柱效V=VV=VR R时流出曲线达浓度极大值时流出曲线达浓度极大值C Cmaxm
15、ax CmaxCmax的影响因素的影响因素 (1)(1)进进样样量量W W愈愈大大,则则CmaxCmax愈愈大大.W W与与Cmax Cmax 成正比。这是色谱峰高定量的依据。成正比。这是色谱峰高定量的依据。（2 2）H H值值愈愈小小，柱柱效效愈愈高高，Cmax/WCmax/W比比值值愈大。即愈大。即H H越小，柱效越小，柱效N N越高越高 (3)(3)色色谱谱柱柱内内径径愈愈小小，填填充充愈愈紧紧密密，Cmax/WCmax/W比比值值也也愈愈大大。即即柱柱愈愈细细填填充充愈愈紧紧密，柱效密，柱效N N越高。越高。（4）色谱柱愈短，Cmax值愈大。（5）先流出柱子的组分容量因子小，所以Cma
16、x/W比值愈大，反之提高色谱柱的温度（对GC），增加流淌相中强洗脱溶剂的浓度（对HPLC），都可以使容量因子下降，比而使Cmax/W比值愈大，提高色谱检测灵敏度。四、塔板理论的作用与不足四、塔板理论的作用与不足(一一)塔扳理论在色谱法中的地位与作用塔扳理论在色谱法中的地位与作用：1 1从塔板理论方程式的形式看它描述的色谱从塔板理论方程式的形式看它描述的色谱信号轨迹应当是正态分布函数，与实际记录信号轨迹应当是正态分布函数，与实际记录的色谱流出曲线相符合，说明此方程是精确的色谱流出曲线相符合，说明此方程是精确的，且对色谱安排系统有理论指导意义。的，且对色谱安排系统有理论指导意义。2 2由塔板理论据
17、导出来计算往效率的理论塔由塔板理论据导出来计算往效率的理论塔板数板数(N)(N)公式，是行之有效的。长期以来用公式，是行之有效的。长期以来用N N值的大小评价色谱柱柱效是成功的，是色谱值的大小评价色谱柱柱效是成功的，是色谱工作者不行缺少的计算公式。工作者不行缺少的计算公式。3.3.塔塔板板理理论论方方程程式式描描述述色色谱谱峰峰极极高高点点的的CmaxCmax数数值值是是符符合合公公式式要要求求的的，试试验验数数据据证证明明Cmax Cmax 与与N N，W W，VRVR之之间间的的关关系系是是正正确确的的。各各参参数数对对CmaxCmax之影响都是客观的。之影响都是客观的。4 4按按塔塔板板
18、理理论论模模型型所所建建立立起起来来的的一一些些方方程程式式探探讨讨了了某某些些色色谱谱参参数数对对组组分分色色谱谱峰峰区区域域半半峰峰宽宽公公式式均均符符台台流流出出曲曲线线半半高高峰峰宽宽变变更更的的实实际际。特特殊殊应应指指出出的的是是，塔塔板板理理论论也也提提出出了了理理论论塔塔板板高高度度对对色色谱谱峰峰区区域域宽宽度度扩扩张张的的影影响响，这一点过去往往被忽视。这一点过去往往被忽视。(二二)塔扳理论存在的不足：塔扳理论存在的不足：1.1.塔塔板板理理论论是是模模拟拟在在一一些些假假设设条条件件下下而而提提出出的的，假假设设同同实实际际状状况况有有差差距距，所所以以他他描描述述的的色
19、色谱谱安安排排过过程程定定量量关关系系合有不精确的地方。合有不精确的地方。2.2.对对于于塔塔板板高高度度H H这这个个抽抽象象的的物物理理量量原原委委由由哪哪些些参参变变量量确确定定的的？H H又又将将怎怎样样影影响响色色谱谱峰峰扩扩张张等等一一些些实实质质性性的的较较深化的问题，塔板理论却不能回答。深化的问题，塔板理论却不能回答。3.3.为为什什么么流流淌淌相相线线速速度度(U)(U)不不同同，柱柱效效率率(n)(n)不不同同；而而有有时时当当U U值值由由很很小小一一下下变变得得很很大大时时，则则柱柱效效能能（n n）指指标标并并未未变变更更很很多多，但但峰峰宽宽各各异异，这这些些现现象
20、象塔塔板板理理论论也也无能为力无能为力4.4.塔塔报报理理论论忽忽视视了了组组分分分分子子在在柱柱中中塔塔板板间间的的纵纵向向扩扩散散作作用用，特特殊殊当当传传质质速速率率很很快快时时，其其纵纵向向扩扩散散作作用用为为主主导导方方面面，这这一关键问题并未阐述。一关键问题并未阐述。l5.5.塔板理论也未说明塔板理论也未说明变更对组变更对组分在柱内移动速率的影响。事实分在柱内移动速率的影响。事实上上VLVL、VGVG在某些方面确定着组分在某些方面确定着组分分子的扩散行为和扩散距离。分子的扩散行为和扩散距离。l综上所述塔板理论虽为半阅历理综上所述塔板理论虽为半阅历理论，但在色谱学发展中起到了领论，但
21、在色谱学发展中起到了领先作用和对实际工作的指导作用，先作用和对实际工作的指导作用，所以至今延用不衰，为广袤色谱所以至今延用不衰，为广袤色谱工作者承认。工作者承认。塔板理论不足之处塔板理论不足之处不能解析载气流速不能解析载气流速U对对N影响影响不能指出板高不能指出板高H受那些因素影响受那些因素影响第四节第四节 色谱理论色谱理论-速率理论基基于于无无规规行行走走模模型型，定定义义H H为为单单位位柱柱长长的的离离散散度度H=2/L,H=2/L,式式中中为为高高斯斯峰峰形形的的标标准偏差，准偏差，L L为柱长。并假设：为柱长。并假设：纵纵向向扩扩散散是是造造成成谱谱带带展展宽宽的的重重要要缘缘由由，
22、必需予以考虑；必需予以考虑；传传质质阻阻力力是是造造成成谱谱带带展展宽宽的的主主要要缘缘由由，它使平衡成为不行能它使平衡成为不行能 对填充柱有涡流扩散的影响对填充柱有涡流扩散的影响 van Deemtervan Deemter方程的数学式为方程的数学式为H=A+B/U+CUH=A+B/U+CU或或H=A+B/U+CsU+CmUH=A+B/U+CsU+CmUA A、B B、C C、为常数，分别代表涡流为常数，分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。质阻力项系数。速率理论探讨速率理论探讨1 1、涡流扩散项、涡流扩散项A=2dA=2d 为反应柱填充状态的常数
23、 dp为填料垃径2、分子扩散项分子扩散项 B/u（纵向扩散项）（纵向扩散项）B=2K0 Dg 纵纵向向分分子子扩扩散散是是由由浓浓度度梯梯度度造造成成的的。组组分分从从柱柱入入口口加加入入，其其浓浓度度分分布布的的构构型型呈呈“塞塞子子”状状。它它随随着着流流淌淌相相向向前前推推动动，由由于于存存在在浓浓度度梯梯度度，“塞塞子子”必必定定自自发发的的向向前前和和向向后后扩扩散散，造造成成谱谱带带展展宽宽。分分子扩散项系数为子扩散项系数为 K0为为阻阻滞滞常常数数即即弯弯曲曲因因子子，它它反反映映了了固固定定相相颗颗粒粒的的几几何何形形态态对对自自由由分分子子扩扩散散的阻碍状况。的阻碍状况。Dg
24、为为组组分分在在流流淌淌相相中中扩扩散散系系数数(cm2.s-1)色谱柱中的涡流扩散示意图 色谱柱中的涡流扩散示意图 色谱柱中的涡流扩散示意图 3 3、传质阻力项、传质阻力项 CU U=(=(Cg+CL)U)U传质过程分为：气相传质过程传质过程分为：气相传质过程 与液相传质过程与液相传质过程传质阻力系数传质阻力系数C C等于气相传质阻力系数等于气相传质阻力系数CgCg和液相传质阻力系数和液相传质阻力系数C CL L之和：之和：（1 1）气液色谱）气液色谱 C=CC=Cg g+C+CL L 气相传质阻力气相传质阻力系数系数Cg为：液相传质阻力液相传质阻力系数系数 CL：范氏方程范氏方程 H=A+
25、B/U+CsU+CmU 令令C=Cs+Cm 则则 H=A+B/U+CU 作作HU图图(见下页见下页):方程探讨探讨1.曲线有一最低点 Uopt(即Hmin)将方程微分:2.对开管柱(毛细柱)A=0 得Golay方程 H=B/U+CU 对填充柱A项与U无关,确定与柱的填充状况3.U很小时很小时:CU项可忽视项可忽视,方程简化为方程简化为:H=A+B/U 作作H1/U直线直线,斜率为斜率为B4.U很大时很大时:B/U项可忽视项可忽视,方程简化方程简化为为:H=A+CU 作作HU直线直线,斜率为斜率为C,截距截距A5.K/对板高对板高H的影响的影响(比较困难比较困难):N随随K/的变更而变更的变更而
26、变更综合考虑:U实际稍高于Uopt 因为:1.右侧曲线斜率小,U稍变 不会引起H的大变更 2.为提高分析速度 因为U 则tR 第五节 分别条件的优化n要求1.两峰间有确定距离tR不同n要求2.峰宽要窄W1/2要小提问提问:怎样制备一根好的色谱柱怎样制备一根好的色谱柱?怎样评价怎样评价?怎样选色谱条件怎样选色谱条件?一般一般:1.选择性选择性(相对保留值相对保留值 或保留指数或保留指数I)评价固定液对物质的保留作用评价固定液对物质的保留作用 2.柱效能柱效能(n.neff)评价柱分别效能评价柱分别效能 3.分别度分别度R(总分别效能指数总分别效能指数)分别度是将以上二者综合考虑分别度是将以上二者
27、综合考虑 既反映柱效能既反映柱效能,又反映选择性又反映选择性 一一.分别参数分别参数n1.n与neff的关系可见neffn都随K/变更而变更因为K/不同，柱效不同,所以评价柱效应接受K/为确定值时的nW1/2与与tR的关系的关系-半峰宽规律半峰宽规律 nW1/2=a+b tRn试验探讨表明:n同系物组分的半峰宽线形n关系好n非同系物组分的半峰宽线形n关系差n所以我们称之为准线形关系.n 半峰宽规律的应用有两种状况 1 其次个峰可能不只一个组分2 或许是第一针留下来未出峰的组分 选择性系数(相对保留指数)可见二组分沸点差大,柱温低时,is 大,易分别.分别度分别条件的选择主要是提高“难分别物质对
28、”的分别度（1）峰宽分别度R 国家标准分别度 当两峰高相差不大,且峰型接近时 可以认为W1=W2=W(2)半峰宽分别度 R1/2 R与R1/2关系,对于高斯 R1/2=1.7R二，分别基本关系式二，分别基本关系式此式用于计算达到确定此式用于计算达到确定R时所需时所需的的n必需必需 n表示柱效表示柱效,难以说明真实分别难以说明真实分别效果效果1.2表示选择性表示选择性,表示固定液对表示固定液对组分保留作用组分保留作用,不说明柱不说明柱效效R 是总分别效能指标是总分别效能指标,只有只有1时时,二组分才有可能二组分才有可能 分分别别1.2探讨：探讨：R=1 分别程度达分别程度达98%R=1.5 完全
29、分别完全分别,达达=99.7 也叫基线分别也叫基线分别 R5,R变更就很小了GC分析:最好k=25 一般不超过10 否则大大延长分析时间如何变更k a.降低柱温Tc,使k上升 b.降低流速U,使k上升RtR2 4 6kk对R,tR的影响3.变更 1.2 R1.2 是准热力学常数,在流淌相,固定相确定时,只与Tc相关当 1.2=1时,变更H,k 都无法使1和2两个组分分别 应当保持 k=210的前提下,设法变更1.2 方法是:a.变更柱温Tc b.更换色谱柱 c.衍生化法(即利用化学反应变更待测物结构)4.程序升温 程序升温可使待测物在适当温度下流出,以保证每个组分有 合适的K/值,同时变更分别
30、度 程序升温是分别困难多组分沸程宽的混合物的有效方法5.进样 i0.204 i 进样峰标准偏差 实际峰标准偏差进样快 防止纵向扩散进样量小 使峰对称,一般进样0.110l 固定液含量低时(毛细柱)进样量要少进样技术之优劣,可以从空气峰,甲烷峰形宽度反映出来柱温Tc 如何选择?最佳柱温:最难分别物质对所需柱温恒温 Tc低 Tc高如何选Tc恒温分析:柱温或许是等于样品沸点的平均温度 如有两个组分混合样,沸点为70C,90C 则选Tc=80C 汽化室温度要高于80C,高2050C 检测器温度要高于80C,高2050C 程序升温用与:多组分,宽沸程样品的毛细柱分析,一般配FID综上所述:GC的分别优化
31、就是要在保证分别度和 灵敏度的条件下实现快速分析实际:提高分别度,往往牺牲分析速度 提高灵敏度,有时要制备分别样品就降低分别效率 一般:先满足分别度要求,再提高分析灵敏度,最终考虑缩短时间 .分别度灵敏度分析速度GC测验题测验题已知物质A和B在一根30.00 cm长的柱上的保留时间分别为16.40 min和17.63 min。不被保留组分通过该柱的时间为1.30 min。峰底宽度分别为1.11 min和1.21 min，计算：（1 1）柱的分别度；）柱的分别度；（2 2）柱的平均塔板数；）柱的平均塔板数；（3 3）达到）达到1.51.5分别度所需的柱长度。分别度所需的柱长度。解（1）柱的分别度R=2（17.63-16.40）/（1.11+1.21）=1.06（2）柱的平均塔板数 n=16(16.40/1.11)2=3493 n=16(17.63/1.21)2=3397 n平均=（3493+3397）/2=3445（3）达到1.5分别度所需的柱长度 R1/R2=(n1/n2)1/2 n2=3445(1.5/1.06)2=6898 L=nH=6898(300/3445)=60 cm