气相色谱理论基础

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1、气相色谱理论基础原理分类【情节 1】食品添加剂的检测，一个学生进入自选超市，拿起一袋零 食，包装袋上有各种成分的含量，这些含量是怎么检测出来的呢？通 常由两种方法：一种是先将各组分分离开，然后对已分离的组分进行 测定；另一种是不需将组分分离开，直接对感兴趣的组分进行测定。 其中第一种分离、分析方法也就是常用的色谱法。近代首先认识到这 种分离现象和分离方法大有可为的是俄国的植物学家茨维特。【知识点 1】茨维特的经典实验1906年，俄国植物学家茨维特(M.S.Tswett)在研究植物色素的过程中，做了一个经典的实验；在一根玻璃管的狭小一端塞上一小团 棉花，在管中填充沉淀碳酸钙，这就形成了一个吸附柱

2、，然后将其与 吸滤瓶连接，使绿色植物叶子的石油醚抽取液自柱通过。结果植物叶 子中的几种色素便在玻璃柱上展开：留在最上面的是两种叶绿素；绿 色层下面接着叶黄质；随着溶剂跑到吸附层最下层的是黄色的胡萝卜 素。如此则吸附柱成了一个有规则的、与光谱相似的色层。接着他用 纯溶剂淋洗。使柱中各层进一步展开，达到清晰的分析。然后把该潮 湿的吸附柱从玻璃管中推出，依色层的位置用小刀切开，于是各种色 素就得以分离。再用醇为溶剂将它们分别溶下，即得到了各成分的纯 溶液。【思考题 1】俄国植物学家茨维特用于分离植物色素的色谱法属（ ） 色谱法。【情节 2】气相色谱法可比喻为一群运动员在一条泥泞的道路顺风赛 跑，他们

3、同时起跑后，因本身体力差异及道路、风力的影响，相互间 的距离逐渐增大，最后于不同的时间到达终点。若把欲分离的组分视 为运动员，固定相与流动相各为道路上的泥泞与顺风，色谱柱为道路， 那么可以将色谱法分离、分析的原理写成：利用组分在体系中固定相 与流动相的分配有差异，当组分在两相中反复多次进行分配并随流动 相向前移动，各组分沿色谱柱运动的速度就不同，分配系数小的组分 较快地从色谱柱流出。【知识点 2】分类和基本原理一 气相色谱法是以惰性气体（又称载气）作为流动相，以固定液或固体 吸附剂作为固定相的色谱法。气相色谱法按不同的分类方式可分为不同的类别： （1）气相色谱法按使用固定相的类型分为气液色谱法

4、和气固色谱法。以固相液（如聚甲基硅氧烷类、聚乙二醇类等固定液）作为固定 相的色谱法称为气液色谱法，以固体吸附剂（如分子筛、硅胶、氧化 铝、高分子小球等）作为固定相的色谱法称为气固色谱法。在气液色谱法中，基于不同的组分在固定液中溶解度的差异实现 组分的分离。当载气携带被测样品进入色谱柱后，气相中的被测组分 就溶解到固定液中。载气连续流经色谱柱，溶解在固定液中的组分会 从固定液中挥发到气相中，随着载气的流动，挥发到气相中的组分又 会溶解到前面的固定液中。这样反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥 发，实现被测组分的分离。由于各组分在固定液中的溶解度不同，溶 解度大的组分较难挥发，停留在色谱柱中的时间就长

5、些；而溶解度小 的组分易挥发，停留在色谱柱中的时间就短些，经过一定时间后，各 组分就彼此分离并依次流出色谱柱被检测器检测。在气固色谱法中，主要是基于不同的组分在固体吸附剂上吸附能 力的差别实现组分的分离。气固色谱中的固定相是一种具有多孔性及 比表面积较大的吸附剂。样品由载气携带进入色谱柱时，立即被吸附 剂所吸附。载气不断通过吸附剂，使吸附的被测组分被洗脱下来，洗 脱的组分随载气流动，又被前面的吸附剂所吸附。随着载气的流动， 被测组分在气固吸附剂表面进行反复的吸附、解吸。由于各被测组分 在气固吸附剂表面吸附能力不同，吸附能力强的组分停留在色谱柱中 的时间就长些；而吸附能力弱的组分停留在色谱柱中的

6、时间就短些， 经过一定时间后，各组分就彼此分离并依次流出色谱柱被检测器检测 被测组分在流动相与固定相之间的吸附、解吸和溶解、挥发的过程， 称为分配过程。气相色谱分离的基本原理即是基于被测组分在色谱柱 内流动相和固定相分配系数的不同而实现分离的。当载气携带样品进 入色谱柱后，样品中的各个组分就在两相间进行多次的分配，即使原 来分配系数相差较小的组分也会在色谱分离过程中分离开来。 （2）按照使用的色谱柱的内径可分为填充柱色谱法、毛细管柱色谱 法以及大口径柱色谱法。填充柱色谱法一般采用内径为 3mm 或 2mm 的不锈钢柱或玻璃 柱作为分离柱，填充柱色谱法有较好的柱容量，但柱效相对较低。适 用于较简

7、单组分的分离测定；毛细管柱色谱法一般采用内径为0.2mm、0.25mm、0.32mm的石 英柱作为分离柱，现在也有采用 0.1mm 内径的石英柱作为分离柱用 于复杂组分的分析。用于高温分析的色谱柱一般使用不锈钢柱。在毛 细管气相色谱柱中，使用的色谱柱柱长一般在1530m,复杂的石油 组分分析一般采用50m的柱长，有的色谱柱长达到100m。毛细管柱 色谱法有较高的柱效，但柱容量低。大口径柱一般为 0.53mm 内径的毛细管柱，柱效和柱容量介于填 充柱色谱法和毛细管柱色谱法之间，适用于复杂组分的分析。填充柱气液色谱法中，一般需要将固定液涂在化学惰性的固体微 粒（此固体用来支持固定液，称为担体或载体

8、）表面上，常用的载体 包括硅藻土载体和非硅藻土载体，多数使用硅藻土载体。硅藻土载体 包括红色载体和白色载体，红色载体结合非极性固体液使用，白色载 体结合极性固体液使用。非硅藻土载体包括氟载体、玻璃微株及高分 子小球等。在填充柱气液色谱中，使用的固定液包括非极性的固定液 （如聚甲基硅氧烷类固定液）、极性的固定液（如聚乙二醇类固定液） 和用于手性化合物分离的环糊精类固定相等。而气液毛细管色谱法则 是直接涂一层高沸点邮寄化合物并形成一层均匀的液膜，涂柱的方式 包括涂覆法、化学键合法和交联法，在填充柱气液色谱中使用的固定 相也适用于气液毛细管色谱法中。在气固色谱法中，一般使用固体吸附剂作为固定相，包括

9、填充柱 气固色谱法和毛细管 PLOT 柱（多孔层开管毛细管色谱柱）法。对于 填充柱气固色谱法，一般将固体吸附剂装填在玻璃或不锈钢柱内，常 用的固体吸附剂包括分子筛（常用的有5A分子筛和13X分子筛）、硅 胶、氧化铝、碳分子筛以及高分子小球等，高分子小球一般多用苯乙 烯和二乙烯基苯的聚合物。毛细管PLOT柱色谱法中，使用的固定相 与填充柱气固色谱法使用的固定相类型一致。由于活性（或极性）分 子在吸附剂上的半永久性滞留（吸附-脱附过程为非线性的），导致色 谱峰严重拖尾，气固色谱法的应用领域相对气液色谱法要窄，一般多 用于较低分子量和低沸点气体组分或相对较简单组分的分析。【思考题 2】气液色谱法的固

10、定相是（ ）；气固色谱法的固定相是 （ ）。【知识点 3】基本原理二： 实现色谱分离的先决条件是具备固定相和流动相。色谱分离能够实现的内因是由于固定相与被分离的各组分发生 的吸附（或分配）作用的差异。组分间的距离是由组分在两相间的分 配系数决定的。实现色谱分离的分离外因是由于流动相的不间断流动。由于流动 相的流动使被分离的组分与固定相发生反复多次的吸附（或溶解）、 解吸（或挥发）过程，这样就使那些在同一固定相上吸附（或分配） 系数只有微小差别的组分，在固定相上的移动速度产生了很大的差别 从而达到了各个组分的完全分离。此外，色谱分析法具有物理分离方法的一般优点，即进行操作时 不会损失混合物中的各

11、个组分，不改变原有组分的存在形态也不生成 新的物质。因此若用色谱法分理出某一物质，则此物质必存在于原始 样品之中。分配系数和吸附系数一定条件下，对样品中的某一组分来说：1）分配系数是针对气液色谱而言的。KP = Cs / Cm。式中：Cs为该组分在固定液中的浓度，Cm 为该组分在流动相中的浓度。2）吸附系数是针对气固色谱而言的。KA=m/VM式中：m为1ml吸附剂中该组分的克数；VM 为 1ml 流动相该组分的克数。3）分配比k,它是指在一定温度和压力下，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的量比。即：组分在固定相中物质的量n 组分在流动相中物质的量 n m7 nc x VK

12、k = 4 = s i = pnc x V0m m m定义流动相与固定相的体积比较相比，用 0 表示VB m :Vs思考题 3】基本原理三：色谱分析法是（）分离方法？组分间 的距离是由组分在两相间的（ ）决定的。【情节 4】如果色谱柱比作是跑道，那么色谱图就是运动员比赛的成绩信息。色谱图是以组分的流出时间（t）为横坐标，以检测器对各 组分的电讯号响应值（mV）为纵坐标。色谱图上可得到一组色谱峰， 每个峰代表样品中的一个组分。由每个色谱峰的峰位、峰高和峰面积、 峰的宽窄及相邻峰间的距离都可获得色谱分析的重要信息。【知识点 4】基本原理三：（1）保留时间与容量因子 在整个色谱分离过程中，流动相始终

13、是以一定的流速（或压力）在固 定相中流动的，并将溶质带入色谱柱。溶质因分配、吸附等相互作用， 进入固定相后，即在固定相表面与功能层分子作用，从而在固定相中 保留。同时，溶质又被流动相洗脱下来，进入流动相。与固定相作用 越强的溶质在固定相中的保留时间就越长。从色谱柱流出的溶液（柱流出物）进入检测器连续测定，得到如 图 7-1 所示的色谱图，即柱流出物中溶质浓度随时间变化的曲线，直 线部分是没有溶质流出时流动相的背景响应值，称作基线(base line)。 在基线平稳后，通常将基线响应值设定为零，再进样分析。溶质开始 流出至完全流出所对应的峰型部分称色谱峰(peak),基线与色谱峰 组成了一个完整

14、的色谱图(chromatogram)。死时间(dead time)：在色谱柱中无保留的溶质从进样器随流动 相到达检测器所需要的时间，通常用t0表示。溶质保留时间(solute retention time)：或称真实保留时间，是 溶质因与固定相作用在色谱柱中所停留的时间，它不包含死时间，通 常用 ts 表示。保留时间(retention time)：是tS与t0之和，通常用tR表示，S 0R即 tR = t0 + tS容量因子(capacity factor)：对于有效的色谱分离，色谱柱必 须具有保留溶质的能力，而且还能使不同溶质之间达到足够大的分离 色谱柱的容量因子k是溶质离子与色谱柱填料相

15、互作用强度的直接 量度，由下式定义：打一咅_ :仏一1 I* 式中VR和V0分别为总保留体积和空保留体积。（2）色谱峰的对称性高斯（Gaussian曲线：在理想情况下，色谱峰的形状可以近似 地用高斯曲线描述（图7-2）。图中为标准偏差（拐点处的半峰宽）， h为最大峰高，w为峰宽。ffl7-2嵩斯训线在任意给定位置X处的峰高y可以用下式描述:1（式中片为赠极大值,即Y严）不对称因子(asymmetry)：在实际的色谱过程中，溶质从色谱 柱中流出时，很少符合高斯分布，而是具有一定的不对称性。我们可 以定义一个不对称因子 As 来定量地表示色谱峰的不对称程度，如图 7-3 所示，将 10峰高处前半峰

16、的宽度设为 a, 同高度处后半峰的宽 度设为b,将b与a的比值定义为不对称因子As,即拖尾峰(tailing peak)：当As大于1时，色谱峰的形状是前半部 分信号增加快,后半部分信号减少慢。引起峰拖尾的主要原因是溶质 在固定相中存在吸附作用,因此,拖尾峰也称为吸附峰。伸舌峰(leading peak或fronting peak)： 当As小于1时，色谱 峰是前半部分信号增加慢,后半部分信号减小快。因为伸舌峰主要是 固定相不能给溶质提供足够数量合适的作用位置,使一部分溶质超过 了峰的中心,即产生了超载,所以也称超载峰。3)分离度色谱分析的目标就是要将混合物中的各组分分离,两个相邻色谱峰的分离度R(resolution)定义为两峰保留