第二章气相色谱分析

第二章气相色谱分析 §1-1 概述一、“色谱法”这一名词的由来色谱法是1906年俄国植物学家茨维特（Tswett）将含有有色植物叶子色素的溶液通过装填有白垩粒子吸附剂的柱子，欲分离它们时而发现并命名的。如右图所示。色谱法是一种分离技术，应用于分析化学就是色谱分析。 1、色谱柱：装有固定相的管子（玻璃或不锈钢）称为色谱柱。

2、固定相：其中固定不动的一相； 3、流动相：携带试样混合物流过此固定相的流体（如气体或液体），即流动的一相。当流动相流经固定相时，流动相中携带的混合物与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在结构和性质上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱就不同，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的分离与检测。这种借在两相间分配原理而使混合物中各组分分离的技术就称为色谱法，又称色层法或层析法。

二、色谱法分类 色谱法有许多类型，从不同的角度出发，有各种分类法。气相色谱（气-固和气-液）液相色谱（液-固和液-液）气固色谱和气液色谱柱色谱；纸色谱；薄层色谱吸附色谱分配色谱离子交换色谱排阻色谱按流动相的物态: 按固定相的物态：按固定相的使用形式：按分离过程的机制：

气相色谱仪器简介

气相色谱仪器gas chromatographic instruments

三、气相色谱仪的组成 进样系统载气系统色谱柱检测系统记录系统 1.载气系统：包括气源；气体净化；气体流速控制和测量 2.进样系统：包括进样器；气化室 3.色谱柱和柱箱：包括控温装置 4.检测系统：包括检测器；检测器的电源及控温装置 5.记录系统：包括放大器；记录仪；数据处理装置

四、气相色谱流程图 1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样器；8-色谱柱;9-检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪载气系统进样系统检测系统色谱柱温控系统记录系统

色谱图（色谱流出曲线图）： 是以组分的浓度变化为纵坐标，流出时间为横坐标的曲线。每一个峰代表一个组分。

五、气相色谱法的特点 （1）分离效率高：复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2）灵敏度高：可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。（3）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析。（4）应用范围广：适用于沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。不足之处：不适用于高沸点、难挥发、热不稳定性物质的分析。

六、气相色谱流出曲线及有关术语 （一）关于基线的术语 1.基线：当色谱柱后没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。 2.基线漂移：指基线随时间定向的缓慢变化。 3.基线噪声：指由各种因素所引起的基线起伏。

（二）保留值 表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。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，这样就可用作定性参数。通常用时间（t）或将组分带出色谱柱所需载气的体积（V）来表示。

1.用时间表示 a.死时间tM: 指不被固定相吸附或溶解的气体（如空气、甲烷）从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。 b.保留时间tR:指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。 c.调整保留时间tR’:指扣除死时间后的保留时间。 tR’ = tR-tM 此参数可理解为：某组分由于溶解或吸附于固定相，比不溶解或不被吸附的的组分在色谱中多滞留的时间。

2.用体积表示 a.死体积VM：指色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的综合。 b.保留体积VR：指从进样开始到柱后出现浓度最大值时所通过的载气体积，即 VR=tR·F0（2-3） c.调整保留体积V’R：指扣除死体积后的保留体积。 V’R=t’R·F0或 V’R=VR-VM （2-4）（三）相对保留值：指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比。相对保留值只与柱温和固定相性质有关。也可用于表示固定相的选择性，即其值越大，分离的越好。当r21=1时，两组分不能被分离。 r21也可用α表示。

（三）区域宽度 1.标准偏差σ 即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。 2.半峰宽度Y1/2 又称半宽度或区域宽度，即峰高为一半处的宽度, 它与标准偏差的关系为: 3.峰底宽度Y 自色谱峰两侧的转折点所作的切线在基线上的截距,它与标准偏差的关系为:

利用色谱流出曲线可以解决以下问题： a.根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性； b.根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量测定； c.根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱分离情况进行评价。

§2-2气相色谱分析理论基础 一、气相色谱分析的基本原理气相色谱分析包括气-固和气-液色谱分析两种。 1.柱型：（1）填充柱：内装固定相,用金属(铜或不锈钢)或玻璃制成,内径2-6mm,长0.5-10m的U形或螺旋形的管子。（2）毛细管柱：将固定液均匀涂敷在其内壁。 2.分离过程：气固：吸附-脱附-吸附-脱附气液：溶解-挥发-溶解-挥发 3.分配过程：物质在固定相和流动相（气相）之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程。

分配系数 K：在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度之比。由上述可见，分配系数是色谱分离的依据。在实际工作中，常应用另一表征色谱分配过程的参数——分配比分配比 k：在一定温度和压力下，在两相间分配达到平衡时，组分在两相中的质量比。（也叫容量因子或容量比）

分配比k与分配系数K的关系为： 式中VM为色谱柱流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积。VS为固定相体积，在气-液中为固定液体积；在气-固中为吸附剂表面容量。 VM与VS之比称为相比，以β表示之。它反应了各种色谱柱柱型及其结构的重要特性。例如，填充柱的β值约为6～35，毛细管柱的β值为50～1500。

4.结论： （1）分配系数和分配比都与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。（2）分配系数只决定于组分和两相性质，与两相体积无关。分配比又与相比有关，即组分的分配比随固定相的量而改变。（3）对于一给定色谱体系（分配体系），组分的分离最终决定于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度。因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。k值越大，保留时间越长，k值为零的组分，其保留时间为死时间tM。

（4）若流动相（载气）在柱内的线速度为u，组分在柱内的线速度为us，由于固定相对组分有保留作用，所以后者将小于前者。两速度之比称为滞留因子Rs：（4）若流动相（载气）在柱内的线速度为u，组分在柱内的线速度为us，由于固定相对组分有保留作用，所以后者将小于前者。两速度之比称为滞留因子Rs：若Rs=1/3，表明该组分在柱内的移动速度只有流动相速度的1/3，显然Rs也可用质量分数ω表示：

组分和流动相通过长度为L的色谱柱，所需时间分别为：组分和流动相通过长度为L的色谱柱，所需时间分别为：由以上4个式子可得可见，k值可根据上式由实验测得。

二、色谱分离的基本理论 试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括两方面：一是试样中各组分在两相间的分配情况。这与各组分在两相间的分配系数，各物质（包括试样中组分，固定相，流动相）的分子结构和性质有关。各个色谱峰在柱后出现的时间（即保留值）反映了各组分在两相间的分配情况，它由色谱过程中的热力学因素所控制。二是各组分在色谱柱中的运动情况。这与各组分在流动相和固定相之间的传质阻力有关，各个色谱峰的半峰宽度就反映了各组分在色谱柱中运动的情况。这是一个动力学因素。所以在讨论色谱柱的分离效能时，必须全面考虑这两个因素。

色谱分离的基本理论包括塔板理论和速率理论 1.塔板理论这是一个半经验理论，在色谱发展的初期，人们将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，因而直接引用了处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱过程，即将连续的色谱过程看作是许多小段平衡过程的重复。把色谱柱比作一个分馏塔，这样，色谱柱可由许多假想的塔板组成（即色谱柱可分成许多个小段），在每一小段（塔板）内，一部分空间为涂在担体上的液相占据，另一部分空间充满着载气（气相），载气占据的空间称为板体积△V。当欲分离的组分随载气进入色谱柱后，就在两相间进行分配。由于流动相在不停地移动，组分就在这些塔板间隔的气液两相间不断地达到分配平衡。

塔板理论提出了4个假定： （1）在这样一小段间隔内，气相平均组成与液相平均组成可以很快地达到分配平衡。这样达到分配平衡的一小段柱长称为理论塔板高度H；（2）载气进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进气为一个板体积△V；（3）试样开始都加在第0号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可略而不计；（4）分配系数在各塔板上是常数。

为讨论方便，设色谱柱由5块塔板组成，n=5，n为理论塔板数，并以r表示塔板编号，r =0，1，2，…， n-1，某组分的分配比k=1，则根据上述假定，在色谱分离过程中该组分的分布可计算如下：开始时，若有单位质量，即m=1（1mg或1ug）的该组分加到第0号塔板上，分配达到平衡后，由于k=1，即ms=mM，故ms=mM=0.5。

由图可看出,组分从具有5块塔板的柱中冲洗出来的最大浓度是在载气板体积为8或9时。但峰形不对称。这是由于柱子的塔板数太少的缘故。当n>50时,就可以得到对称的峰形曲线。由图可看出,组分从具有5块塔板的柱中冲洗出来的最大浓度是在载气板体积为8或9时。但峰形不对称。这是由于柱子的塔板数太少的缘故。当n>50时,就可以得到对称的峰形曲线。

n值一般很大，约为103～106，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。这样，流出曲线上的浓度c与时间t的关系为：n值一般很大，约为103～106，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。这样，流出曲线上的浓度c与时间t的关系为：式中c0为进样浓度，tR为保留时间，σ为标准偏差，c为时间t时在柱出口的浓度，此式称为流出曲线方程式。

以上为单一组分的情况，若为多组分，则经过很多次的分配平衡后，如果各组分的分配系数有差异，可获得很好的分离效果。以上为单一组分的情况，若为多组分，则经过很多次的分配平衡后，如果各组分的分配系数有差异，可获得很好的分离效果。

由塔板理论可导出，n与色谱峰半峰宽度或峰底宽度的关系：由塔板理论可导出，n与色谱峰半峰宽度或峰底宽度的关系：而式中L为色谱柱的长度，tR及Y1/2或Y用同一物理量的单位。由上两式可见，色谱峰越窄，塔板数n越多，理论塔板高度H就越小，此时柱效能越高，因而n或H可作为描述柱效能的一个指标。

由于死时间tM（死体积VM）的存在，它包括在tR中，而tM（或VM）不参加柱内的分配，所以往往计算出来的n尽管很大，H很小，但色谱柱表现出来的实际分离效能却并不好，特别是对流出色谱柱较早（tR较小）的组分更为突出。由于死时间tM（死体积VM）的存在，它包括在tR中，而tM（或VM）不参加柱内的分配，所以往往计算出来的n尽管很大，H很小，但色谱柱表现出来的实际分离效能却并不好，特别是对流出色谱柱较早（tR较小）的组分更为突出。因而理论塔板数n，理论塔板高度H并不能真实地反映色谱分离的好坏。因此，提出了将tM除外的有效塔板数和有效塔板高度作为柱效能指标。计算式如下：

有效塔板数和有效塔板高度消除了死时间的影响，因而能较为真实地反映柱效能的好坏。应该注意，同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的，当用这些指标表示柱效能时，必须说明这是对什么物质而言的。有效塔板数和有效塔板高度消除了死时间的影响，因而能较为真实地反映柱效能的好坏。应该注意，同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的，当用这些指标表示柱效能时，必须说明这是对什么物质而言的。总结： 1.色谱柱的理论塔板数越大，表示组分在色谱中达到分配平衡的次数越多，固定相的作用越大，因而对分离越有利。但还不能预言并确定各组分是否有被分离的可能，因为分离的可能性决定于试样混合物在固定相中分配系数的差异，而不是分配次数的多少。因此不应把n有效看作有无实现分离可能的依据，而只能把它看作是在一定条件下柱分离能力发挥程度的标志。

2.塔板理论在解释流出曲线形状（正态分布）、浓度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面都取得了成功，但不能解释塔板高度是受哪些因素影响的这个本质问题，也不能解释为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数这一实验事实。因为其某些基本假定是不当的。尽管如此，由于以n或H作为柱效能指标很直观，因而迄今仍为色谱工作者所接受。2.塔板理论在解释流出曲线形状（正态分布）、浓度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面都取得了成功，但不能解释塔板高度是受哪些因素影响的这个本质问题，也不能解释为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数这一实验事实。因为其某些基本假定是不当的。尽管如此，由于以n或H作为柱效能指标很直观，因而迄今仍为色谱工作者所接受。

2.速率理论 1956年，荷兰学者范弟姆特（Van Deemter）等提出了色谱过程的动力学理论，他们吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出了塔板高度H与载气线速度u的关系：　　上式即为范弟姆特方程式的简化式。式中A,B,C为三个常数，其中A称为涡流扩散相，Ｂ为分子扩散系数，Ｃ为传质阻力系数。由此式可见，影响Ｈ的三项因素为：涡流扩散项，分子扩散项和传质项。在ｕ一定时，只有A,B,C较小时，Ｈ才能较小，柱效才能较高，反之则柱效较低，色谱峰将扩张。

下面分别讨论一下各相的意义： （1）涡流扩散相A：气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，形成类似“涡流”的流动，因而引起色谱峰的扩张。其中dp为填充物的平均颗粒直径（cm），λ为与填充的不均匀性有关的常数。因此，使用适当细颗粒度和颗粒均匀的担体，并尽量填充均匀，是减少涡流扩散，提高柱效的有效途径。对于空心毛细管柱，A=0

（2）分子扩散相B/u（或称纵向扩散相）： 试样组分被载气带入色谱柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空间中，在“塞子”的前后（纵向）存在正浓差而形成浓度梯度，因此使运动者的分子产生纵向扩散。而 γ是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数（弯曲因子），Dg为组分在气相中的扩散系数（单位为cm2/s）。

（3）传质项Cu： 系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl两相。所谓气相传质过程：是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程，在这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。这种过程若进行缓慢，表示气相传质阻力大，就引起色谱峰扩张。对于填充柱：

所谓液相传质过程 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，达到分配平衡，然后又返回气液界面的传质过程。因此固定相的液膜厚度df薄，组分在液相中的扩散系数Dl大，则液相传质阻力就小。

对于填充柱,固定液含量较高(早期含量一般为20%～30%)。中等线速时，塔板高度的主要控制因素是液相传质相，而气相传质项数值很小，可以忽略。然而随着快速色谱的发展，在用低固定液含量柱，高载气线速进行快速分析时，Cg对H的影响，不但不能忽略，甚至会成为主要控制因素。对于填充柱,固定液含量较高(早期含量一般为20%～30%)。中等线速时，塔板高度的主要控制因素是液相传质相，而气相传质项数值很小，可以忽略。然而随着快速色谱的发展，在用低固定液含量柱，高载气线速进行快速分析时，Cg对H的影响，不但不能忽略，甚至会成为主要控制因素。

将常数项的关系式代入简化式得： 由上述讨论可见，范弟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，填充均匀程度、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。

§2-3 色谱分离条件的选择 一、分离度R（总分离效能指标） 1.两组分完全分离的条件 a.两个色谱峰之间的距离必须足够大。 b.峰必须窄。只有同时满足这两个条件时，两组分才能完全分离。如图 2-6（b）所示。

2.判别公式-总分离效能指标，R 为判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况，可用分离度R作为色谱柱的分离效能指标。其定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总合之半的比值：式中分子是热力学因素，分母是动力学因素；两组分保留值的差别，主要决定于固定液的热力学性质；色谱峰的宽窄则反映色谱过程的动力学因素，柱效能高低。因此分离度是柱效能、选择性影响因素的总和，故可用其作为色谱柱的总分离效能指标。

从理论上可以证明，若峰形对称且满足于正态分布，则当R=1.0时，分离程度可达98%；当R=1.5时，分离程度可达99.7%。因而可用R=1.5来作为相邻两峰已完全分开的标志。从理论上可以证明，若峰形对称且满足于正态分布，则当R=1.0时，分离程度可达98%；当R=1.5时，分离程度可达99.7%。因而可用R=1.5来作为相邻两峰已完全分开的标志。当两组分的色谱峰分离较差，峰底宽度难于测量时，可用半峰宽代替峰底宽度，并用下式表示分离度：与R的物理意义是一致的，但数值不同，R=0.59R’，应用时要注意所采用分离度的计算方法。

二、色谱分离基本方程式 此式表明R随体系的热力学性质（α和k）的改变而变化，也与色谱柱条件（n改变）有关。

二、色谱分离基本方程式

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