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1、 第二章第二章 气相色谱分析气相色谱分析第一节第一节 色谱法概述色谱法概述第二节第二节 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础第三节第三节 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择第四节第四节 固定相及其选择固定相及其选择第五节第五节 气相色谱检测器气相色谱检测器第六节第六节 气相色谱定性和定量分析气相色谱定性和定量分析第七节第七节 毛细管柱气相色谱法毛细管柱气相色谱法1 第一节第一节 色谱法概述色谱法概述一、色谱法简介一、色谱法简介 色谱法是色谱法是1901年由俄国植物学家茨维特年由俄国植物学家茨维特（Tsweet）提出，最初的认识是在于它的分离）提出，最初的认识是在于它的分离价值，用于分离植
2、物中的色素等有色物质。现价值，用于分离植物中的色素等有色物质。现代的发展，不再局限于有色物质，而且大量用代的发展，不再局限于有色物质，而且大量用于分离无色物质。于分离无色物质。2俄国植物学家俄国植物学家Tswett（茨威特）首先（茨威特）首先认识到这种层析现象在分离分析方面认识到这种层析现象在分离分析方面有重大价值，他一生从事植物色素的有重大价值，他一生从事植物色素的提纯与分离工作。提纯与分离工作。1901年开始色谱分离方法研究年开始色谱分离方法研究 1903年年3月月21日在华沙自然科学日在华沙自然科学学会生物会议上提出了应用吸附原理学会生物会议上提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法。（论
3、文：一分离植物色素的新方法。（论文：一种新型吸附现象及其在生化分析上的种新型吸附现象及其在生化分析上的应用）应用）W.S.Tswett,Tr.Protok,Varshav.Estesvoispyt.Otd.Biol.,1903,14.植物色素植物色素碳酸钙碳酸钙石油醚石油醚320年后，即年后，即1923年以后，年以后，Kuhn和和Lederer为了证实蛋黄内的叶黄素为了证实蛋黄内的叶黄素系植物叶黄素与玉米黄质的混合系植物叶黄素与玉米黄质的混合物，参考了茨威特的文章后，采物，参考了茨威特的文章后，采用了色谱法，他们采用用了色谱法，他们采用CaCO3填填充柱成功的从蛋黄中分离出了植充柱成功的从蛋黄
4、中分离出了植物叶黄素。物叶黄素。他们的工作证实他们的工作证实了茨威特的方法可以用来进行制了茨威特的方法可以用来进行制备分离。备分离。从此以后，色谱法被广泛的用于从此以后，色谱法被广泛的用于各种天然有机化合物的分析与分各种天然有机化合物的分析与分离。离。419401943年，瑞典科学家年，瑞典科学家Tiselius（蒂西利斯）（蒂西利斯）和英国科学家和英国科学家Synge（辛吉）创立了液相色谱的（辛吉）创立了液相色谱的迎头法与顶替法。并由于在吸附色谱、电泳等方迎头法与顶替法。并由于在吸附色谱、电泳等方面做出了重要贡献，使面做出了重要贡献，使Tiselius获得了获得了1948年的年的诺贝尔化学奖
5、。诺贝尔化学奖。1941年，英国科学家年，英国科学家Martin（马丁）和（马丁）和Synge（辛吉）在研究氨基酸的分离时又发展了液（辛吉）在研究氨基酸的分离时又发展了液-液液分配色谱法，开创了分配色谱的新阶段，他们因分配色谱法，开创了分配色谱的新阶段，他们因此获得了此获得了1952年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。51952年，年，Martin和和James采用了自动滴液仪作检测采用了自动滴液仪作检测器分析脂肪酸，开创了气体作流动相的气器分析脂肪酸，开创了气体作流动相的气-液色谱液色谱法。他们采用涂渍在惰性载体上的高沸点液体为法。他们采用涂渍在惰性载体上的高沸点液体为固定相，以溶解分配原理
6、代替了吸附分配原理，固定相，以溶解分配原理代替了吸附分配原理，大大的扩展了气相色谱法的应用范围，弥补了吸大大的扩展了气相色谱法的应用范围，弥补了吸附剂种类不多的缺陷。因此，他们在分析化学界附剂种类不多的缺陷。因此，他们在分析化学界产生了巨大的影响。产生了巨大的影响。1958年，年，Golay（戈雷）提出了分离效能极高的毛（戈雷）提出了分离效能极高的毛细管气相色谱法。细管气相色谱法。从此以后，气相色谱技术得到了广泛的应用，蓬从此以后，气相色谱技术得到了广泛的应用，蓬勃发展起来。勃发展起来。6随着对色谱法的深入研究和相关技术的不断发展，随着对色谱法的深入研究和相关技术的不断发展，新一代的色谱方法不
7、断的涌现：新一代的色谱方法不断的涌现：离子色谱离子色谱:20世纪世纪70年代出现了采用自动电导检年代出现了采用自动电导检测器分析痕量正负离子的新式离子交换色谱。测器分析痕量正负离子的新式离子交换色谱。超临界流体色谱超临界流体色谱：Klesper等人等人1962年提出，年提出，20世纪世纪80年代后开始应用毛细管柱。目前已成为填补年代后开始应用毛细管柱。目前已成为填补气相色谱与液相色谱之间空白的主要手段。气相色谱与液相色谱之间空白的主要手段。毛细管电泳毛细管电泳：20世纪世纪80年代发展起来，结合了年代发展起来，结合了电毛细管技术及色谱微量检测方法，运用在电场中电毛细管技术及色谱微量检测方法，运
8、用在电场中离子迁移速度不同的原理进行分离分析。离子迁移速度不同的原理进行分离分析。7俄国植物学家茨维特在俄国植物学家茨维特在1901年使用的年使用的色谱原型装置，如图。色谱原型装置，如图。色谱法是一种分离技术色谱法是一种分离技术。试样混合物的分离过程也就是试样混合物的分离过程也就是试样中试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程进行着的分配过程。其中的一相固定不动，称为其中的一相固定不动，称为固定相固定相；另一相是携带试样混合物流过此固定另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体相的流体(气体或液体气体或液体),),称为称为流动相流动相。8色谱分离原理
9、色谱分离原理 当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分与适当的柱后检测方
10、法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。的分离与检测。9 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础。两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础。这种这种借在两相间分配原理而使混合物中各组借在两相间分配原理而使混合物中各组分分离的技术分分离的技术，称为，称为色谱分离技术色谱分离技术或或色谱法色谱法。二、色谱法分类二、色谱法分类1 1、按两相物理状态分类、按两相物理状态分类气相色谱气相色谱（气体作流动相气体作流动相）气气-固色谱、气固色谱、气-液色谱液色谱液相色谱液相色谱（液体作流动相液体作流动相）液液-固色谱、液固色谱、液-液色谱液色谱102、按固定相的形式分类、按固定相的形式分类柱色谱柱色谱：固定相
11、装在色谱柱中，分为填充：固定相装在色谱柱中，分为填充柱色谱和毛细管色谱。柱色谱和毛细管色谱。纸色谱：纸色谱：滤纸为固定相滤纸为固定相薄层色谱薄层色谱：吸附剂粉末制成薄层作固定相：吸附剂粉末制成薄层作固定相113、按分离过程中物理化学原理分类、按分离过程中物理化学原理分类吸附色谱吸附色谱：吸附剂表面对不同组分的物理吸附性：吸附剂表面对不同组分的物理吸附性 能差异能差异分配色谱分配色谱：不同组分在两相中有不同的分配系数：不同组分在两相中有不同的分配系数离子交换色谱离子交换色谱：利用离子交换原理：利用离子交换原理排阻色谱排阻色谱：利用多孔性物质对不同大小分子的排：利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作
12、用阻作用按其它原理：凝胶色谱按其它原理：凝胶色谱 超临界流体色谱超临界流体色谱 高效毛细管电泳高效毛细管电泳12三、色谱法的特点三、色谱法的特点（1）分离效率高分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2）灵敏度高灵敏度高 可以检测出可以检测出10-610-9g的物质。的物质。（3）分析速度快分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。析。（4）应用范围广应用范围广 几乎所有的化学物质。几乎所有的化学物质。不足之处不足之处：被分离组分（未知物）的定性较为困难。被分离组分（未知
13、物）的定性较为困难。13 四、气相色谱法四、气相色谱法1415M6单四极杆气相色谱质谱联用仪单四极杆气相色谱质谱联用仪 161、气相色谱流程、气相色谱流程1-载气钢瓶；载气钢瓶；2-减压阀；减压阀；3-净化干燥管；净化干燥管；4-针形阀；针形阀；5-流量计；流量计；6-压力表；压力表；7-进样器；进样器；8-色谱柱；色谱柱；9-热导检测器；热导检测器；10-放大器；放大器；11-温度控制器；温度控制器；12-记录仪记录仪17载气系统、进样系统、色谱柱、检测器、记录系载气系统、进样系统、色谱柱、检测器、记录系统、温度控制系统。统、温度控制系统。182、载气系统、载气系统 包括气源、净化干燥管和载
14、气流速控制。包括气源、净化干燥管和载气流速控制。193.进样系统进样系统 包括进样器及气化室。其作用是将液体或固包括进样器及气化室。其作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱前瞬间气化，快速定量地体试样，在进入色谱柱前瞬间气化，快速定量地转入到色谱柱中。转入到色谱柱中。(1)进样器进样器 微量注射器和六通阀微量注射器和六通阀2021222324(2)气化室气化室 为了让试样在气化室中瞬间气化而为了让试样在气化室中瞬间气化而不被分解，要求气化室热容量大，无不被分解，要求气化室热容量大，无催化效应。催化效应。为了减小柱前色谱峰变宽，气化室为了减小柱前色谱峰变宽，气化室的死体积应尽可能小。的死体积应尽可
15、能小。254、分离系统和温度控制系统、分离系统和温度控制系统色谱柱：色谱仪的核心色谱柱：色谱仪的核心 填充柱（填充固定相）填充柱（填充固定相）毛细管柱毛细管柱 （内壁涂有固定液）（内壁涂有固定液）温度控制系统：柱室、气化室的温度控制温度控制系统：柱室、气化室的温度控制5、记录系统：、记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪放大器、记录仪或数据处理仪26五五 色谱法常用术语色谱法常用术语1、色谱图、色谱图色谱图色谱图（色谱峰）：组分从色谱柱流出，检测（色谱峰）：组分从色谱柱流出，检测器对该组分的响应信号随时间变化所形成的峰器对该组分的响应信号随时间变化所形成的峰形曲线。形曲线。272、基线、基线仅有
16、流动相通过色谱柱时，检测响应信号随时间变化仅有流动相通过色谱柱时，检测响应信号随时间变化的曲线。稳定的基线应该是平行于时间坐标的直线。的曲线。稳定的基线应该是平行于时间坐标的直线。28色谱峰顶点与基线之间的垂直距离色谱峰顶点与基线之间的垂直距离3 3、色谱峰高、色谱峰高294、色谱峰区域宽度、色谱峰区域宽度色谱峰的区域宽度是组分在色谱柱中谱带扩张的函数，色谱峰的区域宽度是组分在色谱柱中谱带扩张的函数，它反映了色谱操作条件的动力学因素。它反映了色谱操作条件的动力学因素。度量色谱峰区域宽度通常有三种方法：度量色谱峰区域宽度通常有三种方法：（1）标准偏差）标准偏差：倍峰高处色谱峰宽度的一半：倍峰高处
17、色谱峰宽度的一半（2）半高峰宽）半高峰宽Y1/2：峰高一半处对应的色谱峰宽：峰高一半处对应的色谱峰宽 Y1/2=2(2ln2)1/2 30（3）色谱峰底宽）色谱峰底宽Y：色谱峰两侧拐点作切线与基：色谱峰两侧拐点作切线与基线交点间距离。线交点间距离。Y4 31（1）死死时时间间tM：不不被被固固定定相相保保留留的的组组分分从从进进样样到色谱图上出现峰最大值所需的时间。到色谱图上出现峰最大值所需的时间。u流动相的线速度，L柱长（2）保保留留时时间间tR：试试样样从从进进样样开开始始到到柱柱后后出出现现峰极大值所需的时间。峰极大值所需的时间。相应于试样到达柱末端的检测器所需的时间。5、保留值、保留值
18、32（3）调整保留时间）调整保留时间tR：扣除死时间后的保留时间扣除死时间后的保留时间 tRtRtM死体积死体积VM：VMtMqv,0 qv,0色谱柱出口载气流量色谱柱出口载气流量mL/min保留体积保留体积VR：试样从进样开始到柱后出现峰极大值所需的载气体积 VRtRqv,0调整保留体积调整保留体积VR：VRVRVM33由于由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关相对保留值只与柱温及固定相的性质有关,而而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关,色谱法色谱法中中,特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据。特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据。(4)相对保留
19、值相对保留值某组分某组分2的调整保留值与组分的调整保留值与组分1的调整保留值之比的调整保留值之比34色谱流出曲线得到的信息色谱流出曲线得到的信息1）根据色谱峰的个数，可以判断试样中所含组分的最少）根据色谱峰的个数，可以判断试样中所含组分的最少个数。个数。2）根据色谱峰的保留值或位置，可以进行定性分析。）根据色谱峰的保留值或位置，可以进行定性分析。3）根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析。）根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析。4）色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效）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。能的依据。5）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相和流
20、动相选择是）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。否合适的依据。35 第二节第二节 气相色谱分析理论基础气相色谱分析理论基础1、分离原理、分离原理 色谱法实质是一种物理化学的分离方法。它是根色谱法实质是一种物理化学的分离方法。它是根据混合物各组分在互不相溶的两相据混合物各组分在互不相溶的两相固定相和流固定相和流动相中具有不同的吸附能力、分配系数或其它亲和动相中具有不同的吸附能力、分配系数或其它亲和作用的性质作为分离依据，当两相作相对运动时，作用的性质作为分离依据，当两相作相对运动时，组分在两相中反复多次分配，这样就使得那些吸附组分在两相中反复多次分配，这样就使得那些吸附能
21、力或分配系数只有微小差别的物质，在移动速度能力或分配系数只有微小差别的物质，在移动速度上产生了较大差别，从而达到完全分离。上产生了较大差别，从而达到完全分离。一、色谱法分离原理一、色谱法分离原理362、分配系数、分配系数 K组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：浓度（单位：g/mL）比，称为分配系数，用）比，称为分配系数，用K 表表示，即：示，即：37分配系数分配系数一定温度下，组分的分配系数一
22、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。383、分配比、分配比k（容量因子）（容量因子）分配比分配比k：在一定的温度、压力下，在两相间：在一定的温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比
23、。达到分配平衡时，组分在两相中的质量比。39VM与与VS之比称为相比（之比称为相比（phase ratio,），它反），它反映了各种色谱柱型及其结构的重要特性。映了各种色谱柱型及其结构的重要特性。填充柱填充柱值约为值约为635毛细管柱毛细管柱值为值为50150040 分配系数分配系数K和分配比和分配比k都与温度、压力、组都与温度、压力、组分的性质、固定相和流动相的性质有关，分配分的性质、固定相和流动相的性质有关，分配比比k还与还与值有关。值有关。K与与k是两个不同的参数，但是两个不同的参数，但在表征组分的分离行为时，二者是等效的。在表征组分的分离行为时，二者是等效的。k可以由色谱图直接求得，所
24、以容量因子可以由色谱图直接求得，所以容量因子k是一是一个重要的色谱参数。个重要的色谱参数。41 当某一组分的色谱峰最高点出现时，说明当某一组分的色谱峰最高点出现时，说明该组分恰好有一半的量洗脱在该组分恰好有一半的量洗脱在VR的流动相中刚的流动相中刚好流出柱子，其余一半则留在柱内，即留在柱好流出柱子，其余一半则留在柱内，即留在柱内的流动相（体积为内的流动相（体积为Vm）与固定相（体积为）与固定相（体积为VS）中，根据物料等衡原理：）中，根据物料等衡原理：4、K、k与保留值的关系与保留值的关系42调整保留体积调整保留体积VR与分配系数成正比。是色谱过程的与分配系数成正比。是色谱过程的基本方程，将反
25、映色谱行为的保留值（基本方程，将反映色谱行为的保留值（VR、VM、VR）与反映物质性质的热力学常数）与反映物质性质的热力学常数K联系起来。联系起来。43容量因子容量因子k是是调整保留时间和死时间之比调整保留时间和死时间之比，即表，即表示溶质分子花费在固定相中的时间比在流动相示溶质分子花费在固定相中的时间比在流动相中长多少倍。中长多少倍。4445将色谱柱假想为一个精馏塔，塔内有一将色谱柱假想为一个精馏塔，塔内有一系列连续的、相等体积的塔板，每一块系列连续的、相等体积的塔板，每一块塔板的高度称塔板的高度称理论塔板高度理论塔板高度H。并假设。并假设在每一块塔板上被分离组分在气液两相在每一块塔板上被分
26、离组分在气液两相间瞬时达到一次分配平衡，若色谱柱长间瞬时达到一次分配平衡，若色谱柱长为为L，溶质平衡的次数则为，溶质平衡的次数则为:n=L/H n理论塔板数，理论塔板数，H为每一块塔板的为每一块塔板的高度。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随高度。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数理论塔板数n的增加而增加，随板高的增加而增加，随板高H的增大而减小。的增大而减小。二、塔板理论（二、塔板理论（plate theory）46将色谱分离过程比作蒸馏过程，直接引用处理蒸馏将色谱分离过程比作蒸馏过程，直接引用处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱过程，即将连过程的概念、理论和方法来处理色谱过程，即将连续的色
27、谱过程看作是许多小段平衡过程的重复。续的色谱过程看作是许多小段平衡过程的重复。47塔板理论假设：塔板理论假设：（1）在每一小段间隔内，气相平均组成和液相）在每一小段间隔内，气相平均组成和液相平均组成可以很快地达到分配平衡。达到分配平平均组成可以很快地达到分配平衡。达到分配平衡的每一小段柱长称为理论塔板高度（衡的每一小段柱长称为理论塔板高度（H）；）；（2）载气（流动相）进入色谱柱，不是连续的）载气（流动相）进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进气为一个板体积；而是脉动式的，每次进气为一个板体积；（3）试样开始时都加在第）试样开始时都加在第0号塔板上，且试样沿号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩
28、散（纵向扩散）可忽略不计；色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可忽略不计；（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。48塔板理论指出：塔板理论指出：（1）当溶质在柱中的平衡次数，即）当溶质在柱中的平衡次数，即n50时，可得到时，可得到基本对称的峰形曲线。基本对称的峰形曲线。气相色谱，气相色谱，n约为约为103106，流出曲线趋近正态分布曲线。流出曲线趋近正态分布曲线。（2）试样进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分）试样进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，可获得良好的分离。可获得良好的分离。（3）由
29、塔板理论可导出）由塔板理论可导出n与半峰宽度或峰底宽度的与半峰宽度或峰底宽度的关系：关系：49有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。组分在组分在tM时间内不参与柱内分配。时间内不参与柱内分配。需引入有效需引入有效 塔板数和有效塔板高度：塔板数和有效塔板高度：50塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足1.当色谱柱长度一定时，塔板数当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大越大(塔板高度塔板高度 H 越小越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，
30、柱，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。效能则越高，所得色谱峰越窄。2.不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。时，应指明测定物质。513.柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。板数多大，都无法分离。4.塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和
31、分离过程、导出流出曲线的数学模型、解释了流出曲过程、导出流出曲线的数学模型、解释了流出曲线形状和位置、提出了计算和评价柱效的参数。线形状和位置、提出了计算和评价柱效的参数。52p5.塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。的因素及提高柱效的途径。p该理论是在理想情况下导出的，未考虑分子扩散该理论是在理想情况下导出的，未考虑分子扩散因素、其它动力学因素对柱内传质的影响。因此因素、其它动力学因素对柱内传质的影响。因此它不能解释：它不能解释：p 峰形为什
32、么会扩张？峰形为什么会扩张？p 影响柱效的动力学因素是什么？影响柱效的动力学因素是什么？53三、速率理论三、速率理论(rate theory)1956年年荷荷兰兰学学者者范范第第姆姆特特（Van Deemter）等等提提出出了了色色谱谱过过程程动动力力学学理理论论。他他们们吸吸收收了了塔塔板板理理论论的的概概念念，并并把把影影响响塔塔板板高高度度的的动动力力学学因因素素结结合合进进去去，导导出出了了塔塔板板高高度度H与与载载气线速度气线速度u的关系：的关系：A、B、C为常数，分别代表为常数，分别代表涡流扩散项、分子扩散系数涡流扩散项、分子扩散系数和和传质阻力系数传质阻力系数。上式即为。上式即为
33、范第姆特方程式范第姆特方程式的简化式。由此的简化式。由此式可见影响式可见影响H的三项因素：的三项因素：涡流扩散项涡流扩散项、分子扩散项分子扩散项和和传质传质阻力项阻力项。在。在u一定时，只有一定时，只有A,B,C较小时，较小时，H才能较小，柱才能较小，柱效才能较高，反之则柱效较低，色谱峰将扩张。效才能较高，反之则柱效较低，色谱峰将扩张。541、涡流扩散项、涡流扩散项A 在填充柱中，流动相通过填充物的不规则空隙时，其流在填充柱中，流动相通过填充物的不规则空隙时，其流动方向不断地改变，形成类似动方向不断地改变，形成类似“涡流涡流”的流动。由于填的流动。由于填充物的大小、形状不同及填充的不均匀性，使
34、组分各分充物的大小、形状不同及填充的不均匀性，使组分各分子在色谱柱中经过的通道直径和长度不等，造成它们在子在色谱柱中经过的通道直径和长度不等，造成它们在柱中的停留时间不同，使色谱峰变宽。柱中的停留时间不同，使色谱峰变宽。5556dp：固定相的平均颗粒直径，：固定相的平均颗粒直径，：固定相的填充不均匀因子。：固定相的填充不均匀因子。固定相颗粒越小固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，填充的越均匀，A，H，柱效，柱效n。表现在涡流扩散所引起的色。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。572、分子扩散项、分子扩散项 试样组分被流动相带入色谱柱后，是以试样组分
35、被流动相带入色谱柱后，是以“塞子塞子”的形的形式存在于色谱柱的很小一段空间中，在色谱柱的轴向式存在于色谱柱的很小一段空间中，在色谱柱的轴向上存在浓度差而形成浓度梯度，其方向是沿柱纵向扩上存在浓度差而形成浓度梯度，其方向是沿柱纵向扩散，引起色谱峰变宽。散，引起色谱峰变宽。B=2Dg：弯曲因子，填充柱色谱，：弯曲因子，填充柱色谱，1。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）58存在着浓度差，产生纵向扩散。存在着浓度差，产生纵向扩散。扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差。，分离变差。分子扩散项与流速有关分子扩散项与流速有关,流速流速
36、,滞留时间滞留时间,扩散扩散，扩散系数：扩散系数：Dg（M载气载气）-1/2；M载气载气，B值值。3、传质阻力项、传质阻力项 物质系统由于浓度不均匀而发生物质迁移过程称为物质系统由于浓度不均匀而发生物质迁移过程称为传质传质，影响此过程进行速度的阻力称为，影响此过程进行速度的阻力称为传质阻力传质阻力。传质阻力包括传质阻力包括气相传质阻力气相传质阻力和和液相传质阻力液相传质阻力。59流动相流动相固液界面固液界面固定液固定液组分分子组分分子ClCg60（1）气相（流动相）传质过程）气相（流动相）传质过程试样组分从气相移动到固定相表面的过程。在这一过试样组分从气相移动到固定相表面的过程。在这一过程中试
37、样组分在两相间进行质量交换，即进行浓度分程中试样组分在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。此过程由于传质阻力的存在，使得试样在两相界配。此过程由于传质阻力的存在，使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡。引起色谱峰扩张。对于面上不能瞬间达到分配平衡。引起色谱峰扩张。对于填充柱，气相传质阻力系数填充柱，气相传质阻力系数Cg为：为：采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可使可使Cg减小，提高柱效。减小，提高柱效。61（2）液相传质过程）液相传质过程 试样组分从固定相的气液界面移动到液相内部，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，达到分配
38、平衡，然后又返回气并发生质量交换，达到分配平衡，然后又返回气液界面的传质过程。在此过程的时间内，气相中液界面的传质过程。在此过程的时间内，气相中组分的其它分子仍随载气不断地向柱口运动，造组分的其它分子仍随载气不断地向柱口运动，造成峰形扩张。液相传质阻力系数成峰形扩张。液相传质阻力系数Cl为：为：固定相的液膜厚度固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数薄，组分在液相的扩散系数大，则液相传质阻力就小。大，则液相传质阻力就小。62范第姆特方程式：范第姆特方程式：范第姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意范第姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，义。它可以说明，填充均匀程度、担体粒
39、度、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、峰扩张的影响度等对柱效、峰扩张的影响。63速率理论的要点：速率理论的要点：1.被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配不能瞬间达到平衡等因素是造成两相间的分配不能瞬间达到平衡等因素是造成色谱峰扩展、柱效下降的主要原因。色谱峰扩展、柱效下降的主要原因。2.通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效
40、。膜厚度及载气流速可提高柱效。643.速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。4.各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。使柱效达到最高。6
41、5 第三节第三节 色谱分离条件的选择色谱分离条件的选择 一、分离度一、分离度R 一个混合物能否为色谱柱所分离一个混合物能否为色谱柱所分离,取决于固定相与取决于固定相与混合物中各组分分子间的相互作用的大小是否有区别混合物中各组分分子间的相互作用的大小是否有区别(气气-液色谱液色谱),而且色谱分离过程中各种操作条件选择而且色谱分离过程中各种操作条件选择是否合适是否合适,对实现分离的可能性也有很大的影响。所以对实现分离的可能性也有很大的影响。所以在色谱分离过程中在色谱分离过程中,要根据所分离的对象选择适当的固要根据所分离的对象选择适当的固定相定相,使其中各组分有可能分离使其中各组分有可能分离,还要创
42、造一定的条件还要创造一定的条件,使这种可能性得以实现使这种可能性得以实现,并达到最佳的分离效果。并达到最佳的分离效果。塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实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际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。全分离。66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：柱效较高，柱效较高，K(分配系数分配系数)较大较大,完全分离；完全分离；K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；完全分离；柱效较低，柱效较低，K较大较大,但分离的不好；但分离的不好；
43、K小，柱效低，分离效果更差。小，柱效低，分离效果更差。67 为了判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况，为了判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况，在色谱分析中，引入分离度（在色谱分析中，引入分离度（R）这一概念。）这一概念。分离度（分离度（R）：相邻两组分色谱峰保留值之差与：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比。两组分色谱峰底宽度平均值之比。68难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：素的综合影响：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。色谱过程的动力学因素。：
44、两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度：分离程度98%，两峰能明显分离；，两峰能明显分离；：达：达99.7%，两峰已完全分离，两峰已完全分离，相邻两峰完全相邻两峰完全分离的标准分离的标准。69二、色谱分离基本方程式二、色谱分离基本方程式 令令Y1=Y2=Y（相邻两峰的峰底宽近似相等（相邻两峰的峰底宽近似相等），），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：引入相对保留值和塔板数，可导出下式：70代入分离度（代入分离度（R）公式得：）公式得：上式称上式称色谱分离基本方程式色谱分离基本方程式，表明，表明R随体系的随体系的热力学性质（热力学性质（和和k）的改变而变化，也与色谱）的改
45、变而变化，也与色谱柱条件（柱条件（n）有关。）有关。71上两式相除，又上两式相除，又72 （1）/热力学因素热力学因素 n1/2动力学因素动力学因素 k/(1+k)容量因素容量因素73例：在一定条件下，两个组分的保留时间分别为例：在一定条件下，两个组分的保留时间分别为85秒和秒和100秒，要达到完全分离，即秒，要达到完全分离，即R=1.5 。计算需。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？，柱长是多少？解：解：n有效有效 =16R2 /(-1)22(1.18/0.18)2 =1547（块）（块）L有效有效 =n有效有效H有效有
46、效 =15470.1=155 cm 即柱长为米时，两组分可以得到完全分离。即柱长为米时，两组分可以得到完全分离。741、分离度与柱效的关系、分离度与柱效的关系 分离度与分离度与n的平方根成正比。的平方根成正比。一定，增加柱长可改进分离度，但同时使各组分一定，增加柱长可改进分离度，但同时使各组分的保留时间增长，延长分析时间而使峰扩展。的保留时间增长，延长分析时间而使峰扩展。减小柱的减小柱的H值是增大分离度的最好方法值是增大分离度的最好方法。2、分离度与容量比的关系、分离度与容量比的关系 加大加大k值可以增加分离度，但延长分析时间。值可以增加分离度，但延长分析时间。一般，一般，k10时，分离度的提
47、高不明显，当时，分离度的提高不明显，当k2时，时，洗脱时间会出现极小值。洗脱时间会出现极小值。75在色谱分离中，常通过改变柱温或流动相的组成，在色谱分离中，常通过改变柱温或流动相的组成，将将k控制在控制在15（110）之间。）之间。(P19 表表2-2)3、分离度与选择因子的关系、分离度与选择因子的关系 是柱选择性的量度，是柱选择性的量度，越大，柱选择性越好，分越大，柱选择性越好，分离效果越好。离效果越好。(P20 表表2-2)的微小增大，都会使分离度得到较大的改善。的微小增大，都会使分离度得到较大的改善。76 三三 、气相色谱分离操作条件的选择、气相色谱分离操作条件的选择（一）载气及其线速度
48、的选择（一）载气及其线速度的选择1.载气流速的选择载气流速的选择 作作图图求求出出最最佳佳流流速速。实实际际流流速速通通常常稍稍大大于于最最佳佳流流速速，以缩短分析时间。以缩短分析时间。可得可得H-u关系曲线，图中的最低点，塔板高度最小关系曲线，图中的最低点，塔板高度最小（H最小最小）,柱效最高，该点所对应的流速即为柱效最高，该点所对应的流速即为最佳流最佳流速速u最佳。最佳。7778792.载气种类的选择载气种类的选择 载气种类的选择应考虑三个方面：载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质影响、检测器要求及载气性质。载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，
49、提高载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），），可减小传可减小传质阻力，提高柱效。质阻力，提高柱效。热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。目标。在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。济性及来源是否广泛等因素。80（二）柱温的选择（二
50、）柱温的选择首先应使柱温控制在首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度固定液的最高使用温度（超过（超过该温度固定液易流失）和该温度固定液易流失）和最低使用温度最低使用温度（低于此温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。固定液以固体形式存在）范围之内。柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温升高，分离度下降，色谱峰变窄变高。柱温柱温，被测组分的挥发度，被测组分的挥发度，即被测组分在气相中，即被测组分在气相中的浓度的浓度，K，tR，低沸点组份峰易产生重叠。，低沸点组份峰易产生重叠。81柱温柱温，分离度，分离度，分析时间，分析时间。对于难分离物质对，。对于难分离物质对，降低柱温虽然可在一定程