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1、第十章 气相色谱分析（GC）,色谱分析概述 气相色谱理论基础 气相色谱概述 实验条件的选择 气相色谱固定相和流动相 气相色谱检测器 定性、定量分析,10.1 色谱分析概述 chromatograph analysis,一、发展 历史：1903年，俄国植物学家Mikhail Tswett 最先发明。他采用填充有固体CaCO3细粒子的玻璃柱，将植物色素的混合物(叶绿素和叶黄素）加于柱顶端，然后以石油醚淋洗，被分离的组份在柱中显示了不同的色带，他称之为色谱 (希腊语“chroma”=color; “graphein”=write) 。 50年代，色谱发展最快（一些新型色谱技术的发展；复杂组分分析发展
2、的要求）。 1937-1972年，15年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的！,色素分离,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中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。 其中的一相固定不动，称为固定相；另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。 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
3、中各组分的分离与检测,称为色谱分析法。,二、色谱分析的分类,1、按两相状态,2、按固定相的形态 柱色谱（填充柱、空心毛细管柱） 平面色谱（纸色谱，薄层色谱） 其他色谱： 凝胶色谱法（测聚合物分子量分布）；超临界色谱（CO2流动相）；高效毛细管电泳（九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器）等。 3、按分离原理 吸附色谱法 分配色谱法 离子交换色谱法 排阻色谱法,三、气相色谱的特点,（1）高分离效率high separation efficiency 复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。 （2）灵敏度高high detection efficiency 可以检测出g.g-
4、1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。 （3）应用范围广wide application area （4）分析速度快fast analytical velocity 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。,10.2 气相色谱理论基础,10.2.1 色谱流出曲线及术语 10.2.2 色谱分析基本原理,10.2.1 色谱流出曲线与术语,1.基线 仅有流动相通过检测器时，检测到的信号即为基线。稳定的基线为一水平直线。 2.色谱峰 正常的色谱峰是对称正态分布曲线。不正常的色谱峰：拖尾峰和前延峰。 色谱峰的三项参数 峰高或峰面积（定量） 峰位（保留值表示，定性） 峰宽（衡量柱
5、效）,3.保留值,（1）时间表示的保留值 保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间； 死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；（组分在流动相中并随之通过色谱柱所需要的时间） 调整保留时间（tR ）：tR= tRtM（组分在固定相中滞留时间）,色谱流出曲线,（2）用体积表示的保留值,保留体积（VR）：从进样开始到组分达到浓度最大值为止所需要的流动相体积 VR = tRF0 （F0为柱出口处的载气流量，单位：m L / min） VR 与F0无关 死体积（VM）： VM = tM F0 （固定相颗粒间间隙的体积，即流动相的体积） 调整保留体积(VR)： V R
6、 = VR VM,（动画）,(3). 相对保留值r21,组分2与组分1调整保留值之比： r21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1,相对保留值只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长L、填充情况及流动相流速无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。因此，在色谱分析中，尤其是GC中广泛用于定性的依据！与其他色谱操作条件无关， r21也可用来表示。(1),4. 区域宽度（用于衡量柱效）,用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法： （1）标准偏差()：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。 （2）半峰宽(W1/2)：色谱峰高一半处的宽度 W1/2 =2.354 （3）峰底宽(W)：峰两侧
7、转折,点切线与基线的交点间距离W=4 ,5.分配比 （partion radio）k（又叫容量因子）,在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：,分配比也称： 容量因子(capacity factor)；容量比(capacity factor)；,理论上可以推导出：,小结：,（1）色谱条件一定时，k值越大，则组分的保留值也越大，色谱柱的容量越大。,（2） 两个组分的k值相等，则两个组分的色谱峰必将重合。,（3）两个组分的k值差别越大，则相应的两色谱峰相距就越远。,色谱流出曲线的意义：,色谱峰数=样品中单组份的最少个数； 色谱
8、保留值定性依据； 色谱峰高或面积定量依据； 色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效能评价指标； 色谱峰间距固定相或流动相选择是否合适的依据。,当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附; 随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附; 挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附; 随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。,一、分离过程,10.2.2 色谱分析基本原理,二、色谱分离的基本理论,塔板理论 速率理论,kAkB,显然在同一色谱柱中k值相等的的两组份是无法分离的，,色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题；影
9、响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。,L,从右图可看出要两组分分离： 1、分配比要有差别； 2、区域扩宽的速率区域分离速率； 3、在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱；,塔 板 理 论,1.塔板理论（plate theory） 1952年，Martin等人提出的塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。,塔板理论假定： 1）塔板之间不连续； 2）塔板之间无分子扩散； 3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H； 4）
10、某组分在所有塔板上的分配系数相同； 5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。 即将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；,模拟,色谱柱长：L 虚拟的塔板间距离：H 色谱柱的理论塔板数：n 则三者的关系为： n = L / H 当塔板数n较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；当塔板数n50时，峰形接近正态分布。,根据呈正态分布的色谱流出曲线可以导出计算塔板数n的公式，用以评价色谱柱的柱效。由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数：,可见理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。若柱长
11、为L，则每块理论塔板高度H为:,H = L / n,由上述两式知道，理论塔板数n越多、H越小、色谱峰越窄，则柱效越高。 但上述两式包含死时间tM，它与组分在柱内的分配无关，因此不能真正反映色谱柱的柱效。,有效塔板数和有效塔板高度,组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：,塔板理论的特点与不足,(1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，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。,(2)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时，应指明测定物质。,(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效
12、果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。,(4)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的因素及提高柱效的途径。,速 率 理 论-影响柱效的因素,1. 速率方程（也称范.弟姆特方程式） 1956年，荷兰化学工程师van Deemter提出了色谱过程动力学速率理论：吸收了塔板理论中的板高H概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而给出了van Deemter方程： H = A + B/u + Cu u 为流动相线速度； A，B，C为常数，其中 A分别表示涡流扩散系数； B分子扩散系数； C传质阻力系数（包括液相和固相传质
13、阻力系数）。,该式从动力学角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素！任何减少方程右边三项数值的方法，都可降低H，从而提高柱效。 减小A、B、C三项可提高柱效； 存在着最佳流速； A、B、C三项各与哪些因素有关？,A涡流扩散项,A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径, cm ：固定相的填充不均匀因子,固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，A，H，柱效n。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。,（动画）,B/u 分子扩散项,纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。当样品被注入色谱柱时，它呈“塞子”状分布。随着流动相的推进， “塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为 B
14、=2D 称为弯曲因子，表示固定相几何形状对分子扩散的阻碍情况； D组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以Dg或Dm表示； 讨论： 分子量大的组分，Dg小，即B小 Dg 随柱温升高而增加，随柱压降低而减小； 流动相分子量大，Dg 小，即 B 小； u 增加，组份停留时间短，纵向扩散小；（B/u）,球状颗粒； 大分子量流动相； 适当增加流速； 短柱； 低温。,（动画）,Cu 传质阻力项,因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即： C =（Cg + CL）,（动画）,速率理论小结,(1)组分分子在柱内运行的多路径与
15、涡流扩散、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平衡不能瞬间达到等因素是造成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、液膜厚度及载气流速可提高柱效。,(3)速率理论为色谱分离和操作条件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。,(4)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，才能使柱效达到最高。,10.3气相色谱概述 一.分类 （一） 气固色谱法（吸附） 气液色谱法（分配） （二） 填充柱 毛细管柱,二.气
16、相色谱结构流程 process of gas chromatograp,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-热导检测器； 10-放大器； 11-温度控制器； 12-记录仪；,载气系统,进样系统,色谱柱,检测系统,温控系统,三.气相色谱仪主要部件,1. 载气系统 包括气源、气体净化和气体流速控制和测量； 常用的载气有：氢气、氮气、氦气； 净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）； 载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。,2. 进样系统,进样系统：进样器+气化室 液体进样器： 不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10L；毛细管色谱常用1L；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。 气化室：将液体试样瞬间气化 的装置。无催化作用。,3. 色
