第二章 气相色谱分析

Rs
us u
tm tr
Rs若用质量分数表示，即
nm Rs nm ns
1 1 ns 1 k 1 nm
对组分和流动相通过长度为L的色谱柱，其所需时间分别为
tr
L us
tm
L u
整理可得:
t r t m (1 k )
tr tm tr Vr k tm tm Vm
溶质在固定相中的浓度 Cs K 溶质在流动相中的浓度 Cm
b.分配比k
分配比又称容量因子，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质量 比。即
组分在固定相中物质的量 ns 组分在流动相中物质的量 nm
k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容 量大，因此又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分 离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力 学性质。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及 固定相的体积有关。
d.选择因子α及其与分配系数K及分配比 k的关系
两种组分A、B在气相色谱中的 tr' ( A), tr' ( B) 调整保留时间分别为

tr ( B) t r ( A)

与分配系数K及分配比的关系
根据前面的推导，对A、B两组分的选择因子，用下式表示 ：

t r ( B) k ( B) K ( B) k ( A) K ( A) t r ( A)
1 概述
第二章 气相色谱分析 （Gas chromatography analysis）
色谱法早在1903年由俄国植物学家Цвет(茨维特)分离植物色素 时采用。 1941年，英国生物学家Martin（马丁）和Synge（辛格）大胆 提出了气液色谱的设想，并于1952年提出了塔板理论，开创了色谱 发展的新纪元。正由于他们在色谱学和生物化学领域作出的重大贡 献，因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。 1956年，荷兰学者范第姆特（Van Deemter）总结了前人的 经验，提出了反映载气流速和柱效关系的范第姆特方程式，建立了 初步的色谱理论。 我国科技工作者，早在1956年就开展了气相色谱法的研究工 作，1958年，我国的第一台气相色谱仪研制成功。
tR′ = tR-tM
d．死体积 VM( dead volume)
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总 和．当后两项很小而可忽略不计时，死体积可由死时间与流 动相体积流速F0（L／min）计算：
VM = tM· 0 F
e．保留体积 VR (retention volume)
(2) 按分离过程的机理分类
利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以 分离的方法，称为吸附色谱法。 利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方 法称为分配色谱法。 利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达 到分离的方法，称为离子交换色谱法。 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离 的方法，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。 最近，又有一种新分离技术，利用不同组分与固定相（固定 化分子）的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法，常 用于蛋白质的分离
即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，如 图中IJ的距离．它与标准偏差的关系是：
W = 4σ
W 1.7W1 / 2
从色谱流出曲线上可以得到许多重要信息：
（l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所合组份的最 少个数． （2）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． （4）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． （5）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．
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（例1mg或1μg）的该 组分加到第0号塔板上，分配平衡后，由于k=1，即ns=nm故 nm=ns=0.5。当一个板体积（lΔV）的载气以脉动形式进入0 号板时，就将气相中含有nm部分组分的载气顶到1号板上， 此时0号板液相（或固相）中ns部分组分及1号板气相中的nm 部分组分，将各自在两相间重新分配。故0号板上所含组分 总量为0．5，其中气液（或气固）两相各为0．25而1号板 上所含总量同样为0．5．气液（或气固）相亦各为0．25。 以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述 过程就重复一次(见下表)。
C0 1 t tr 2 C exp[ ( ) ] 2 2
式中C：不同时间t时某物质的浓度，C0 ：进样浓度，tr ：保 留时间，σ：标准偏差。
（2）基线(baseline)
是柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值， 即图中O—t线．稳定的基线应该是一条水平直线。
（3）峰高(peak height)
即0．607倍峰高处色谱峰宽的一半，如图中EF距离 的一半。
b. 半峰宽W1/2 (peak width at half-height)
即峰高一半处对应的峰宽，如图中GH间的距离．它 与标准偏差σ的关系是：
W1/2 = 2.354σ
c. 基线宽度W (peak width at peak base)
h. 选择因子(Selective factor)
在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准(s), 然后再求其
它峰(i)对这个峰的相对保留值。此时，ri/s可能大于1，也可能小于1。 在多元混合物分析中，通常选择一对最难分离的物质对，将它们的 相对保留值作选择因子α把实验测量值k与热力学性质的分配系 数K直接联系起来，α对固定相的选择具有实际意义。如果 两组分的K或k值相等，则α=1，两个组分的色谱峰必将重合， 说明分不开。两组分的K或k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的先决条件。
(2)、色谱分离理论之一： 塔板理论
ns C sV s k nm C mVm
式中CS，Cm分别为组分在固定相和流动相的浓度； Vm 为柱中流动相的体积，近似等于死体积。Vs为柱中固定相的 体积，在各种不同的类型的色谱中有不同的含义。例如：在 分配色谱中，Vs表示固定液的体积；在尺寸排阻色谱中，则 表示固定相的孔体积。
分配系数K与分配比k的关系
5 色谱法分析的基本原理
色谱分析的分离原理是基于物质在两相间具有不同的
分配系数。当两相做相对运动时，试样中的各组分就在两 相中进行反复多次分配，使得原来的分配系数差异不大的 各组分产生很大的分离效果，从而实现各组分的分离开来。
(1) 分配系数K和分配比k
a．分配系数K
如前所述，分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和 流动相之间反复多次地分配过程，而吸附色谱的分离是基于 反复多次地吸附一脱附过程。这种分离过程经常用样品分子 在两相间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配系 数。 分配系数指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动 相之间分配达平衡时的浓度之比值，即 ：
某组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比，称为 相对保留值：
2.1
t R2 t R1 V R1

V R2

由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，而 与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它 是色谱法中，特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数 据． 必须注意，相对保留值绝对不是两个组份保留时间 或保留体积之比 .
Cs n s / Vs Vm K k k Cm n m / Vm Vs
其中β称为相比率，它是反映各种色谱柱型特点的又一 个参数。例如，对填充柱，其β值一般为6～35；对毛细管柱， 其β值为60～600。
c. 滞留因子Rs
设流动相在柱内的线速度为u，组分在柱内线速度为us，由于 固定相对组分有保留作用，所以us＜u．此两速度之比称为 滞留因子Rs。
L u tm
b．保留时间tR （retention time)
试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的 时间，称为保留时间，如图中O′B．它相应于样品到达 柱末端的检测器所需的时间。
c．调整保留时间tR’（adjusted retention time)
某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留 时间，即：
2. 色谱法分类
不管属于哪一类色谱法，其共同的基本特点是具备两 个相：不动的一相，称一为固定相；另一相是携带样品流 过固定相的流动体，称为流动相。当流动相中样品混合物 经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性 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，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞 留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。


t R2 t R1

式中tR2′为后出峰的调整保留时间，所以这时α 总是大于1 的 。
(5)、区域宽度(peak width)
色谱峰的区域宽度是组份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．度量色谱峰区域宽度通常有三种方法：
a. 标准偏差σ (standard deviation)
最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精 馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配 行为，同时引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标。
该理论假定：
（i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平 衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。 （ii）以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的， 而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（ΔVm）。 （iii）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴 （纵）向扩散可忽略。 （iv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上 的量无关。 为简单起见，设色谱柱由5块塔板（n＝5，n为柱子的塔 板数）组成，并以r表示塔板编号，r=1，2…，n－l；某组分 的分配比k=1.
(3) 按固定相的外形分类
固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。固定相 呈平板状的色谱法，称为平板色谱，它又可分为薄层 色谱和纸色谱。 根据以上所述，将色谱法的分类总结于下表中。
3、气相色谱及气 相色谱仪的组成
气相色谱法是利用 气体作为流动相的一种 色谱法。在此法中，载 气 ( 是不与被测物作用， 用来载送试样的惰性气 体，如氢、氮等 ) 载着 欲分离的试样通过色谱 柱中的固定相，使试样 中各组分分离，然后分 别检测。
指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过 的流动相体积。保留体积与保留时间tR的关系如下：
VR = tR· 0 F f．调整保留体积VR’(adjusted retention volume)
某组份的保留体积扣除死体积后，称该组份的调整保留 体积，即:
VR′ = VR- VM
g．相对保留值γ2.1 (relative retention value)
气相 色谱 仪组 成
1.载气系统 2. 进样系统 a.进样器 b.气化室 3. 色谱柱和柱箱（分离系统） a.填充柱 b.毛细管柱 4. 检测系统： 5. 记录系统：
4.色谱流出曲线及有关术语 （1）流出曲线和色谱峰
如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线的线性范围内， 色谱峰如果对称，可用Gauss正态分布函数表示：
（1） 按流动相与固定相的物理状态分类
气体为流动相的色谱称为气相色谱（GC），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 物液体），又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）． 液体为流动相的色谱称液相色谱（LC）。同理，液相色谱 亦可分为液固色谱（LSC）和液液色谱（LLC）． 超临界流体为流动相的色谱称为超临界流体色谱（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 定相的色谱又称化学键合相色谱（CBPC）。
色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示，如图中 B′A 。
（4）保留值(retention value)
a．死时间tM( dead time)
不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样 到出现峰极大值所需的时间称为死时间，如图中 O′A′。因 为这种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速度将与流 动相的流动速度相近．测定流动相平均线速ū时，可用柱 长L与tM的比值计算。