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1、第一章 气相色谱分析 第一节第一节 概述概述 色谱法是一种重要的分离分析方法。它是色谱法是一种重要的分离分析方法。它是利用各物质在利用各物质在两相两相中进行中进行反复的分配反复的分配来达到来达到分离分离的目的。的目的。茨维特茨维特与固定相作用与固定相作用检测检测固定相固定相分离过程分离过程流动相流动相 固定相：固定相：在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）。止不动的一相（固体或液体）。流动相：流动相：携带混合物流经此固定相的流体（一般是气携带混合物流经此固定相的流体（一般是气体或液体）。体或液体）。色谱柱：色谱柱：装有固定相的管子
2、（玻璃管或不锈钢管）。装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）。原理：原理：当当流动相中样品混合物流动相中样品混合物经过经过固定相固定相时，就会时，就会与固与固定相发生作用定相发生作用（由于（由于各组分在性质和结构上的差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），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，不同组分在因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相固定相滞留时间滞留时间长短不同，从而长短不同，从而按先后不同的次序从固按先后不同的次序从固定相中流出定相中流出。从不同角度，可将色谱法分类如下：从不同角度，可将色谱法分类如下：1.按两相状态分类
3、按两相状态分类流动相：流动相：根据固定相是固体吸附剂还是固定液根据固定相是固体吸附剂还是固定液（附着在惰性载体上的一薄层有机化合（附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体），又可分为物液体），又可分为气固色谱（气固色谱（GSC）和气液色谱（和气液色谱（GLC）。气体气体 气相色谱（气相色谱（GC）液体液体 液相色谱（液相色谱（LC）同理液相色谱亦可分为同理液相色谱亦可分为液固色谱（液固色谱（LSC）和和液液色谱（液液色谱（LLC）。超临界流体超临界流体超临界流体色谱（超临界流体色谱（SFC）。通过化学反应将固定液键合到载体表面，这种化学键合固通过化学反应将固定液键合到载体表面，这种化学键合固定相
4、的色谱又称定相的色谱又称化学键合相色谱（化学键合相色谱（CBPC）。2.按按组分和固定相之间的作用组分和固定相之间的作用机理分类：机理分类：作用机理：作用机理：吸附能力不同称为吸附能力不同称为吸附色谱法吸附色谱法溶解度的不同称为溶解度的不同称为分配色谱法分配色谱法亲和力大小称为亲和力大小称为离子交换色谱法离子交换色谱法分子尺寸大小称为分子尺寸大小称为凝胶色谱法凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法或尺寸排阻色谱法3.3.按固定相的使用形式分类：按固定相的使用形式分类：固定相装于柱内的色谱法，称为固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱柱色谱。固固定定相相呈呈平平板板状状的的色色谱谱，称称为为平平板板色色谱谱，它
5、它又又可可分分为为薄层色谱和纸色谱薄层色谱和纸色谱。9 气相色谱仪(P5)主要包括：主要包括：载气系统载气系统进样系统进样系统分离系统分离系统 检测系统检测系统数数据据处处理理系统系统101 1、载气系统、载气系统常用的载气有：氢气、氦气和氮气。常用的载气有：氢气、氦气和氮气。载气由压缩气体钢瓶供给，通过净化器除去水、载气由压缩气体钢瓶供给，通过净化器除去水、氧等有害杂质，净化后的载气经减压阀、稳压阀控氧等有害杂质，净化后的载气经减压阀、稳压阀控制压强和流速，由压强计指示气体压强，然后进入制压强和流速，由压强计指示气体压强，然后进入检测器，继而进入色谱柱。检测器，继而进入色谱柱。11气相色谱对
6、气相色谱对载气的基本要求载气的基本要求：（1）纯净）纯净通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的通过活性炭或分子筛净化器，除去载气中的水分、氧等有害杂质。水分、氧等有害杂质。（2）稳定）稳定采用稳压阀采用稳压阀122、进样系统、进样系统包括进样装置和汽化室包括进样装置和汽化室。进样通常用微量注射器和进样阀将样品引入。进样通常用微量注射器和进样阀将样品引入。液体样品引入后需要瞬间汽化。汽化在汽化室进行。液体样品引入后需要瞬间汽化。汽化在汽化室进行。对对汽化室的要求汽化室的要求是：是：（1）体积小；（）体积小；（2）热容）热容量大；（量大；（3）对样品无催化作用）对样品无催化作用13进样系统进样系统
7、汽化室示意图汽化室示意图载气入口接色谱柱散热片加热块143.3.分离系统分离系统 分分离离系系统统由由色色谱谱柱柱组组成成，它它是是色色谱谱仪仪的的核核心心部件，其作用是分离样品。它包括管柱和固定相。部件，其作用是分离样品。它包括管柱和固定相。以以填填充充柱柱为为例例：由由不不锈锈钢钢或或玻玻璃璃材材料料制制成成，内内装固定相。装固定相。154.4.检测系统检测系统检检测测器器把把进进入入的的组组分分按按时时间间及及其其浓浓度度或或质质量的变化，转化成易于测量的电信号。量的变化，转化成易于测量的电信号。165.数据处理系统数据处理系统v这个系统是指样品经色谱柱分离后，各成分这个系统是指样品经色
8、谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进入检测器，按保留时间不同，顺序地随载气进入检测器，经检测器转换为电信号后，用数据记录系统经检测器转换为电信号后，用数据记录系统记录下来。记录下来。v早期采用记录仪，现采用积分仪或色谱工作早期采用记录仪，现采用积分仪或色谱工作站。站。色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语（一）色谱流出曲线和色谱峰（一）色谱流出曲线和色谱峰 由检测器输出的由检测器输出的信号强度信号强度对对时间时间作图，作图，所得曲线称为色谱流出曲线。所得曲线称为色谱流出曲线。18（一）基线（一）基线 在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出在实验操作条件下，色谱柱后没有样品
9、组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。直线。返回基线基线（二）保留值（试验中各组分在色谱柱中的滞留时间）（二）保留值（试验中各组分在色谱柱中的滞留时间）1.死时间死时间tM 2.保留时间保留时间tR 3.调整保留时间调整保留时间tR 4.死体积死体积V0 5.保留体积保留体积VR 6.调整保留体积调整保留体积VR 7.相对保留值相对保留值r2,1 1.1.死时间死时间t tM M 不不被被固固定定相相吸吸附附或或溶溶解解的的物物质质进进入入色色谱谱柱柱时时，从从进进样样到到出出现现峰峰极极大大值值所所需需的的时时间间称称为为死
10、死时时间间，它它正正比于色谱柱的空隙体积比于色谱柱的空隙体积。死时间死时间212.2.保留时间保留时间t tR R 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间。称为保留时间。返回保留时间保留时间3.3.调整保留时间调整保留时间t tR R 某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间调整保留时间，即：即：t tR R=t=tR R t tM M 组组分分在在色色谱谱柱柱中中的的保保留留时时间间t tR R：组组分分随随流流动动相相通通过柱子的时间过柱子的时间+组分在固定相中滞留所须的时
11、间组分在固定相中滞留所须的时间。调整保留时间调整保留时间23 保保留留时时间间是是色色谱谱法法定定性性的的基基本本依依据据，但但同同一一组组分分的的保保留留时时间间常常受受到到流流动动相相流流速速的的影影响响，因因此此色色谱谱工工作作者者有有时用保留体积来表示保留值。时用保留体积来表示保留值。244.死体积死体积V0 指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连粒间所剩留的空间、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。接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两项很小可忽略不计时，当后两项很小可忽略不计时，死体积可死体积可由死时间
12、（由死时间（tM）与色谱柱出口的载气）与色谱柱出口的载气流量（流量（qV,o）计算）计算。V0 =tM qV,o5.5.保留体积保留体积V VR R 指从进样开始到被测组分在指从进样开始到被测组分在柱后出现浓柱后出现浓度极大点度极大点时所通过的流动相的体积。保时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系：留时间与保留体积关系：VR=tR qV,o 266.6.调整保留体积调整保留体积V VR R 某组分的保留体积扣除死体积后，称某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。为该组分的调整保留体积。VR =VR V0 =tR qV,o277.7.相对保留值相对保留值r r2,12,1
13、 某组分某组分2 2的调整保留值与组分的调整保留值与组分1 1的的调整调整保留值之比保留值之比，称为相对保留值。，称为相对保留值。r2,1=tR2 /tR1=VR2 /VR1 由于相对保留值由于相对保留值只与柱温及固定相性质只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛是在气相色谱法中，广泛用作定性的依据用作定性的依据。28(三三)区域宽度区域宽度 色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反的重要参数之一
14、，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。表示色映色谱操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有谱峰区域宽度通常有三种方法三种方法。291.标准偏差标准偏差-即即0.607倍峰高处色谱峰宽的倍峰高处色谱峰宽的一半。一半。2.半半峰峰宽宽Y1/2-即即峰峰高高一一半半处处对对应应的的峰峰宽宽。它它与标准偏差的关系为与标准偏差的关系为 Y1/2=2.354 3.峰峰底底宽宽度度Y-即即色色谱谱峰峰两两侧侧拐拐点点上上的的切切线线在在基基线线上上截截距距间间的的距距离离。它它与与标标准准偏偏差差 的的关关系是系是 Y=4 30v色谱分离是一个非常复杂的过程，它是色谱体系热力学和动力学过程的
15、综合表现。v热力学过程：与组分在体系中分配系数有关的过程。v动力学过程：组分在该体系两相间扩散和传质的过程。第二节第二节色谱分析理论基础色谱分析理论基础31（一）分配过程（一）分配过程1.1.分配系数分配系数K K 分分配配色色谱谱的的分分离离是是基基于于样样品品组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相之之间间反反复复多多次次的的分分配配过过程程，而而吸吸附附色色谱谱的的分分离离是是基基于于反反复复多多次次的的吸吸附附-脱脱附附过过程。程。这这种种分分离离过过程程经经常常用用样样品品分分子子在在两两相相间间的的分分配配来来描描述述，而而描描述述这这种种分分配配的的参参数数称称为为分配系数分配系
16、数K K。32 它它（K K）是是指指在在一一定定温温度度和和压压力力下下，组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相之之间间分分配配达达平平衡衡时时的的浓浓度之比值，即度之比值，即 K=K=溶质在溶质在固定相固定相中的中的浓度浓度/溶质在溶质在流动相流动相中的中的浓度浓度 =Cs/Cm 33 分配系数是由组分和固定相的分配系数是由组分和固定相的热热力学性质力学性质决定的，它是每一个溶质的决定的，它是每一个溶质的特征值，它仅与两个变量有关：特征值，它仅与两个变量有关：固定固定相和温度相和温度。与两相体积、柱管的特性。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。以及所使用的仪器无关。流动相流动相固
17、定相固定相组分342.2.分配比分配比 k k 分配比又称分配比又称容量因子容量因子，它是指在一定，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的物质衡时，分配在固定相和流动相中的物质的量比。即的量比。即 k=组分分配在组分分配在固定相固定相中的中的质量质量 /组分分配在组分分配在流动相流动相中的中的质量质量 =ms/mm35v k k值值越越大大，说说明明组组分分在在固固定定相相中中的的量量越越多多，相相当当于于柱柱的的容容量量大大，因因此此又又称称分分配配容量或容量因子容量或容量因子。v 它它是是衡衡量量色色谱谱柱柱对对被被分
18、分离离组组分分保保留留能能力的重要参数。力的重要参数。v k k值值也也决决定定于于组组分分及及固固定定相相热热力力学学性性质质。它它不不仅仅随随柱柱温温、柱柱压压变变化化而而变变化化，而而且且还与流动相及固定相的体积有关还与流动相及固定相的体积有关。k=ms/mm=MCsVS/MCmVm =KVS/Vm 式式中中c cs s,c,cm m分分别别为为组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相的的浓浓度度；V Vm m为为色色谱谱柱柱中中流流动动相相的的体体积积，近近似似等等于于死死体体积积。VsVs为为色色谱谱柱柱中中固固定定相相的的体体积积，在在各各种种不不同同的的类类型型的的色色谱谱中中有
19、有不同的含义。不同的含义。例如：在分配色谱中，例如：在分配色谱中，Vs表示固定液的体表示固定液的体积；在尺寸排阻色谱中，则表示固定相的积；在尺寸排阻色谱中，则表示固定相的孔体积。孔体积。37 分配系数分配系数K与分配比与分配比 k 的关系的关系 K=kVm/Vs=k.其中其中称为相比称为相比，它是反映各种色谱柱柱，它是反映各种色谱柱柱型特点的又一个参数。例如，对填充柱，型特点的又一个参数。例如，对填充柱，其其值一般为值一般为6-35；对毛细管柱，其；对毛细管柱，其值值为为60-600。38滞留因子滞留因子Rs 分配比分配比k k值可直接从色谱图测得。设流动相在柱值可直接从色谱图测得。设流动相在
20、柱内的线速度为内的线速度为u u，组分在柱内线速度为组分在柱内线速度为u us s 由于固定相对组分有保留作用，所以由于固定相对组分有保留作用，所以u us su u此此两速度之比称为两速度之比称为滞留因子滞留因子RsRs。组分和流动相通过长度为组分和流动相通过长度为L L的色谱柱，所需的时的色谱柱，所需的时间分别为：间分别为：保留时间和死时间39Rs若用质量分数表示，即若用质量分数表示，即整理式以上公式，可得整理式以上公式，可得 40 如果两组分的如果两组分的K K或或k k值相等，则值相等，则=1=1，两个两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的两组
21、分的K K或或k k值相差越大，则分离得越好值相差越大，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因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。的先决条件。（一）塔板理论一）塔板理论 把色谱柱比作一把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分述组分在两相间的分配行为。配行为。色谱分离理论色谱分离理论塔板塔板（固定相）（固定相）流动相流动相.12345.n 同时引入理论塔板同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的数作为衡量柱效率的指标指标，即色谱柱是由，即色谱柱是由一系列连续的、相等一系列连续的、相等的水平塔板组成。每的水平塔板
22、组成。每一块塔板的高度用一块塔板的高度用H H表表示，称为示，称为塔板高度塔板高度，简称板高。简称板高。塔板塔板（固定相）（固定相）流动相流动相.12345.nH 塔板理论假设：塔板理论假设：1.1.在在柱柱内内一一小小段段长长度度H H内内，组组分分可可以以在在两两相相间间迅迅速速达达到到平平衡衡。这这一一小小段段柱柱长长称称为为理理论论塔塔板板高高度度H H。2.2.载载气气进进入入色色谱谱柱柱不不是是连连续续进进行行的的，而而是是脉脉动动式式，每次进气为一个塔板体积（每次进气为一个塔板体积（VVm m）。）。3.3.所所有有组组分分开开始始时时存存在在于于第第0 0号号塔塔板板上上，而而
23、且且试试样沿轴（纵）向扩散可忽略样沿轴（纵）向扩散可忽略。4.4.分分配配系系数数在在所所有有塔塔板板上上是是常常数数，与与组组分分在在某某一一塔板上的量无关。塔板上的量无关。1.1.流动相在往前移动（脉动式流动相在往前移动（脉动式VmVm ）：迁移）：迁移2.2.样品在流动相和固定相中分配：平衡（分样品在流动相和固定相中分配：平衡（分配系数）配系数）被固定相保留，分配系数为1不被固定相保留，分配系数为0 进流动相进流动相VmVm ，前一个体积的流动相被，前一个体积的流动相被推到第二块塔板上，而保留在固定相中的组推到第二块塔板上，而保留在固定相中的组分仍然在第一块塔板中。分仍然在第一块塔板中。
24、2 2、平衡、平衡1 1、迁移、迁移组分被分开浓度呈正态分布48 柱效能柱效能 对于一根长为对于一根长为L L的色谱柱，溶质平衡的次的色谱柱，溶质平衡的次数应为：数应为：n=L/H n n称为理论塔板数称为理论塔板数。与精馏塔一样，色。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数谱柱的柱效随理论塔板数n n的增加而增加，的增加而增加，随板高随板高H H的增大而减小。的增大而减小。由塔板理论可以推导出由塔板理论可以推导出n与半峰宽及峰底与半峰宽及峰底宽的关系式为：宽的关系式为：n=5.54(tR/Y1/2)2=16(tR/Y)2 式中式中tR 与与Y1/2 (Y)应采用应采用同一单位同一单位（时间或距
25、离）。从公式可以看出，在（时间或距离）。从公式可以看出，在tR 一定时，如果色谱峰很窄，则说明一定时，如果色谱峰很窄，则说明n越大，越大，H越小，柱效能越高。越小，柱效能越高。n=5.54(tR/Y1/2)2=16(tR/Y)2 并不能充分地反映色谱柱的分离效能，并不能充分地反映色谱柱的分离效能，因为因为采用采用tR计算时，没有扣除死时间计算时，没有扣除死时间tM，所以常用所以常用有效塔板数有效塔板数n有效有效表示柱效：表示柱效：n有效有效=5.54(tR /Y1/2)2 =16(tR /Y)2 有效板高有效板高：H有效有效=L/n有效有效 在相同的色谱条件下，对不同的物质计算的塔在相同的色谱
26、条件下，对不同的物质计算的塔板数不一样，因此，在说明柱效时，除注明色谱板数不一样，因此，在说明柱效时，除注明色谱条件外，还应指出用什么物质进行测量。条件外，还应指出用什么物质进行测量。例：例：已知某组分峰的峰底宽为已知某组分峰的峰底宽为40 s，保留时间为保留时间为400 s，计算此色谱柱的理论塔板数。计算此色谱柱的理论塔板数。解：解：n=16(tR/Y)2 =16 （400/40）2 =1600 块块 塔板理论是一种半经验性理论。塔板理论是一种半经验性理论。它用热力学的它用热力学的观点观点定量说明了溶质在色谱柱中移动的速率，解释定量说明了溶质在色谱柱中移动的速率，解释了流出曲线的形状，并提出
27、了计算和评价柱效高低了流出曲线的形状，并提出了计算和评价柱效高低的参数。的参数。但是但是，色谱过程不仅受热力学因素的影响，色谱过程不仅受热力学因素的影响，而而且还与分子的扩散、传质等动力学因素有关，且还与分子的扩散、传质等动力学因素有关，因此因此塔板理论只能定性地给出板高的概念，却塔板理论只能定性地给出板高的概念，却不能解释不能解释板高受哪些因素影响板高受哪些因素影响；也不能说明为什么在不同的；也不能说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数，因而限制了流速下，可以测得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用。它的应用。van Deemter方程方程的数学简化式为的数学简化式为 H=A+B
28、/u+C u 式中式中:u为流动相的线速度；为流动相的线速度；A、B、C、为为常常数数，分分别别代代表表涡涡流流扩扩散散系系数数、分分子子扩扩散散项项系系数数、传传质质阻阻力力项系数。项系数。（二）速率理论（二）速率理论1.1.涡流扩散项涡流扩散项 A 在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称中形成紊乱的类似涡流的流动，故称涡流扩涡流扩散。散。由由于于填填充充物物颗颗粒粒大大小小的的不
29、不同同及及填填充充物物的的不不均均匀匀性性，使使组组分分在在色色谱谱柱柱中中路路径径长长短短不不一一，因因而而同同时时进进色色谱谱柱柱的的相相同同组组分分到到达达柱柱口口时时间间并并不不一一致致，引引起起了了色色谱谱峰峰的的变变宽宽。色色谱谱峰峰变变宽宽的的程程度度由由下下式式决决定：定：A=2dp dp：填充物的平均直径：填充物的平均直径：填充的不均匀性：填充的不均匀性使路径不同使路径不同要使柱效高怎么办？要使柱效高怎么办？2.分子扩散项分子扩散项 B/u（纵向扩散项）纵向扩散项）分子扩散项系数为分子扩散项系数为 B=2 DgDg：组分在流动相中的扩散系数。气相较大：0.01 1 cm2/s
30、：弯曲因子即扩散的受阻系数由浓差引起由浓差引起 ：反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。：反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。：填充的不均匀性使得路径不同：填充的不均匀性使得路径不同 要使要使H小，怎么办？小，怎么办？（1）Dg （2）H=A+B/u+C u uB=2 DgB/u （1 1）D Dg g 与流动相及组分性质有关：与流动相及组分性质有关：(a)a)D Dg g反比于流动相相对分子质量的平方反比于流动相相对分子质量的平方根，所以根，所以采用相对分子质量较大的流动相，采用相对分子质量较大的流动相，可使可使B B项降低项降低；(b)b)D Dg g随柱温增
31、高而增加，但反比于柱压。随柱温增高而增加，但反比于柱压。（2 2）流速）流速 纵向扩散与纵向扩散与组分在色谱柱内停留时间组分在色谱柱内停留时间有关有关，流动相流速小，组分停留时间长，流动相流速小，组分停留时间长，纵向扩散就大。因此为降低纵向扩散影纵向扩散就大。因此为降低纵向扩散影响，要加大流动相速度。响，要加大流动相速度。对于液相色谱，组分在流动相中纵向扩散可以忽略对于液相色谱，组分在流动相中纵向扩散可以忽略。3.传质传质阻力阻力项项 Cu 传质传质阻力系数阻力系数C包括气相包括气相传质传质阻力系数阻力系数Cg和液相和液相传质传质阻力系数阻力系数C1两两项项。气气相相传传质质过过程程是是指指试
32、试样样组组分分从从气气相相移移动动到到固固定定相相表表面面的的过程过程。对于填充柱，对于填充柱，气相气相传质阻力系数传质阻力系数C Cg g为：为：与填充物粒度与填充物粒度d dp p的平方成正比，与组分在的平方成正比，与组分在载气流中的扩散系数载气流中的扩散系数D Dg g成反比。因此，成反比。因此，采用采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体粒度小的填充物和相对分子质量小的气体（如氢气）做载气，可使（如氢气）做载气，可使C Cg g减小，提高柱效。减小，提高柱效。液相传质过程是指试样组分从固定相的气液相传质过程是指试样组分从固定相的气/液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到液界面移动到
33、液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡分配平衡，然后又返回气，然后又返回气/液界面的传质过程。液界面的传质过程。这个过程也需要一定的时间，此时，气相中组分这个过程也需要一定的时间，此时，气相中组分的其它分子仍随载气不断向柱口运动，于是造成的其它分子仍随载气不断向柱口运动，于是造成峰形扩张。峰形扩张。液相液相传质阻力系数传质阻力系数 C Cl l为：为：固固定定相相的的液液膜膜厚厚度度d df f薄薄，组组分分在在液液相相的的扩扩散散系系数数D D1 1大大，则则液液相相传传质质阻阻力力就就小小。降降低低固固定定液液的的含含量量（降降低低液液膜膜厚厚度度），但但k k值随之变小，又会使值随之变小
34、，又会使C C1 1增大。增大。当固定液含量一定时，液膜厚度随载体的比表面积增加而降低，因此，一般采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度。但比表面太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利于分离。虽然提高柱温可增大D1，但会使k值减小，为了保持适当的C1值，应控制适宜的柱温。将上面式总结，即可得将上面式总结，即可得气液色谱速率板高方程气液色谱速率板高方程 它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种类及流速，固定相粒的大小，流动相的种类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响的液膜厚度等对柱效的影响。分离操作条件的选择分离操作条件的选择 u 在上述方程各项中存
35、在矛盾，因此，在上述方程各项中存在矛盾，因此，应求出最佳值：应求出最佳值：1.载气及流速载气及流速H=A+B/u+CuuHminuoptB占主导，采用相对分子质量大的载气（N2,Ar）C占主导，采用相对分子质量小的载气（He，H2）H=A+B/u+Cu692.柱温的选择 是最重要的色谱条件。直接影响分离效率和分析速度。每一种固定液都有一定的使用温度。柱温不能高于固定液的使用温度，否则会造成固定液的流失。柱温升高，可以改善气，液相的传质阻力提高柱效；但使分子扩散增加，柱效下降。降低柱温，提高选择性但常常使峰形变宽，柱效率下降。703.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
36、用固定液用量少，传质快，柱效高，分析时间短，但固定液含量越低，液膜越薄，允许的进样量少。4.其他条件选择其他条件选择汽化温度，检测温度以及进样量和时间 第三节第三节分离度分离度 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。难难分分离离物物质质对对的的分分离离度度大大小小受受色色谱谱过过程程中中两两种种因因素素的的综综合影响：合影响：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。色谱过程的动
37、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：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，保留值差异较大，完全分离；柱效较高，保留值差异较大，完全分离；保留值差异不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；保留值差异不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，保留值差异较大，但分离的不好；柱效较低，保留值差异较大，但分离的不好；保留值差异保留值差异小，小，柱效低，分离效果更差。柱效低，分离效果更差。R R值值越越大大，表表明明相相邻邻两两组组分分分离越好。分离越好。R1R1时，两峰有部分重叠；时，两峰有部分重叠；R=1R=1时
38、，分离程度可达时，分离程度可达98%98%当当R=1.5R=1.5时时，分分离离程程度度可可达达99.7%99.7%。通通常常用用R=1.5R=1.5作作为为相相邻邻两两组组分已完全分离的标志。分已完全分离的标志。分离度分离度v分离度：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱分离度：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值，即峰底宽总和之半的比值，即v R=2(tR2-tR1)/（Y1+Y2）对于难分离物质对，由于它们的分配系数差别小，可合对于难分离物质对，由于它们的分配系数差别小，可合理地假设理地假设 k1 k2=k，Y1Y2=Y。由由 得：得：在实际应用中，往往用在实际应用
39、中，往往用neff代替代替n处理上式可得处理上式可得1.分离度与柱效的关系分离度与柱效的关系 分分离离度度直直接接和和有有效效塔塔板板数数有有关关，说说明明有有效效塔塔板板数数能能正正确确地地代代表表柱柱效效能能。当当固固定定相相确确定定，被被分分离离物物质质对对的的确确定定后后，分分离离度度将将取取决决于于n。这这时时，对对于于一一定定理理论论板板高高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即 说明用柱长的色谱柱可以提高分说明用柱长的色谱柱可以提高分离度，但延长了分析时间。因此，提离度，但延长了分析时间。因此，提高分离度的好方法是制备出一根性能高分离度的好方法是
40、制备出一根性能优良的柱子，通过降低板高，以提高优良的柱子，通过降低板高，以提高分离度。分离度。2.分离度与选择因子的关系（分离度与选择因子的关系（）由由基基本本色色谱谱方方程程式式判判断断，当当=1时时，R=0。这这时时，无无论论怎怎样样提提高高柱柱效效也也无无法法使使两两组组分分离。显然，分分离。显然，大，选择性好。大，选择性好。一一般般通通过过改改变变固固定定相相和和流流动动相相的的性性质质和和组组成或降低柱温，可有效增大成或降低柱温，可有效增大值。值。3.3.分离度与容量因子的关系分离度与容量因子的关系如果设如果设，Q那么：那么：R =Q （k/1+k）对于对于GC，通过提高温度，可选择
41、合适的通过提高温度，可选择合适的k值，以改进分离度。值，以改进分离度。而对于而对于LC，只要改变流动相的组成，就只要改变流动相的组成，就能有效地控制能有效地控制k值。值。4基本色谱分离方程式的应用基本色谱分离方程式的应用 柱效柱效选择因子选择因子分配比分配比 例例18-1有有一一根根 1 m长长的的柱柱子子，分分离离组组分分1和和2得得到到的的色色谱谱图图。图图中中横横坐坐标标 l 为为记记录录笔笔走走纸纸距距离离。若若欲欲得得到到 R=1.2的的分分离离度度，有有效效塔塔板板数数应应为多少？色谱往要加到多长？为多少？色谱往要加到多长？解：解：先求出组分先求出组分2对组分对组分1的相对保留值的
42、相对保留值r2，1（即即值）值）求有效塔板数求有效塔板数neff neff16（0.8）21.1/(1.1-1)21239若使若使R=1.2,所需塔板数可计算所需塔板数可计算,即即 因因此此,欲欲使使分分离离度度达达到到1.2,需需有有效效塔板数为塔板数为2788块块,则所需柱长为则所需柱长为 L=2788/13291m=2.25m87第四节、气相色谱固定相 (1).固体吸附剂固体吸附剂(2).液体固定相液体固定相一、气液色谱固定相一、气液色谱固定相气液色谱气液色谱填充柱填充柱固定相由固定相由担体担体和和固定液固定液两部分组成。两部分组成。气液色谱气液色谱毛细管柱毛细管柱固定相就是涂布在毛细管
43、内壁的固定相就是涂布在毛细管内壁的固定液固定液。担体担体固定液固定液毛细管柱毛细管柱填充柱填充柱固定相（实心）固定相（实心）毛细管柱毛细管柱截面（空心）截面（空心）二、气固色谱固定相：二、气固色谱固定相：气固色谱固定相主要是一些气固色谱固定相主要是一些吸附剂吸附剂。各种吸附剂各种吸附剂:硅胶硅胶,氧化铝氧化铝,分子筛分子筛,活性炭活性炭,高分子多孔微球高分子多孔微球分子筛分子筛硅胶硅胶氧化铝氧化铝活性炭活性炭高分子多孔微球高分子多孔微球90（l l）对载体的要求）对载体的要求 具有足够大的表面积和良好的孔穴结构具有足够大的表面积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地使固定液与试
44、样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾；表面呈化学惰性表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应；弱，更不能与被测物起反应；热稳定性好热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。一定机械强度。91硅硅藻藻土土载载体体是是目目前前气气相相色色谱谱中中常常用用的的一一种种载载体体，它它是是由由称称为为硅硅藻藻的的单单细细胞胞海海藻藻骨骨架架组组成成，主主要要成成分分是是二二氧氧化化硅硅和和少少量量无无机机盐盐，根
45、据制造方法不同，又分为根据制造方法不同，又分为:红色载体红色载体和和白色载体白色载体。（2）载体类型）载体类型（大致可分为（大致可分为硅藻土和非硅硅藻土和非硅藻土两类藻土两类）92红色载体的红色载体的特点特点：表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，对强极性化合物吸附性和催化性较强，适宜适宜于分析非极性或弱极性物质于分析非极性或弱极性物质。白色载体白色载体的特点：的特点：比表面积较小、吸附性和催化性弱，比表面积较小、吸附性和催化性弱，适宜适宜于分析各种极性化合物于分析各种极性化合物。93（3 3）载体的表面处理）载体的表面处理
46、 硅硅藻藻土土载载体体表表面面不不是是完完全全惰惰性性的的，具具有活性中心。如硅醇基有活性中心。如硅醇基 或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，使用前要进行化学处理，谱峰产生拖尾。因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。及添加减尾剂等。942 2固定液固定液 （l）对固定液要求：）对固定液要求：选择性好；选择性好；良好的热稳定性和化学稳定性；良好的热稳定性和化学稳定性；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
47、能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。95（2 2）组分分子与固定液间的作用力）组分分子与固定液间的作用力 在气相色谱中，在气相色谱中，载气是情性的，且组分在气载气是情性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽可忽略。略。在液相中，在液相中，主要存在的作用力是组分与固定主要存在的作用力是组分与固定液分子间的作用力液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数大。于溶解度大，分配系数
48、大。96 这种分子间作用力是一种较弱的分子这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。强。v 静电力（定向力，极静电力（定向力，极-极）极）v 诱导力（极诱导力（极-非）非）v 色散力（非色散力（非-非）非）v 氢键作用力氢键作用力 此外，固定液与被分离组分间还可能存此外，固定液与被分离组分间还可能存在形成化合物或配合物等的键合力。在形成化合物或配合物等的键合力。97（3 3）固定液的选择）固定液的选择 对固定液的选择并没有规律性可循。对固定液的选择并没有规律性可循。一般可按一般可按“相似相溶相似相溶”原则来选择。在应原则来选择。
49、在应用时，应按实际情况而定。用时，应按实际情况而定。（i i）分分离离非非极极性性物物质质：一一般般选选用用非非极极性性固固定定液液，这这时时试试样样中中各各组组分分按按沸沸点点次次序序流流出出，沸点低的先流出沸点低的先流出，沸点高的后流出沸点高的后流出。98（ii）分分离离极极性性物物质质：选选用用极极性性固固定定液液，试试样样中中各各组组分分按按极极性性次次序序分分离离，极极性性小小的先流出。极性大的后流出。的先流出。极性大的后流出。（iii）分分离离非非极极性性和和极极性性混混合合物物：一一般般选选用用极极性性固固定定液液，这这时时非非极极性性组组分分先先流流出出，极性组分后流出。极性组
50、分后流出。99（vi）分分离离能能形形成成氢氢键键的的试试样样：一一般般选选用用极极性性或或氢氢键键型型固固定定液液。试试样样中中各各组组分分按按与与固固定定液液分分子子间间形形成成氢氢键键能能力力大大小小先先后后流流出出，不不易易形形成成氢氢键键的的先先流流出出，最最易易形形成氢键的最后流出。成氢键的最后流出。（v）复复杂杂的的难难分分离离物物质质：可可选选用用两两种种或或两种以上混合固定液。两种以上混合固定液。1003.3.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、检测器标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的