第十一章 气相色谱法

二、速率理论
三、分离度及色谱分离方程式
色谱法前沿进展
问题讨论
第一讲
气相色谱分析的基本原理 气固色谱
气相色谱（GC）：气体为流动相的色谱法 气液色谱
基本原理
混合组分被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶，以载气 （如N2）将待测物样品蒸汽带入柱内，在色谱柱中，各待测物 将在气相和固定相之间进行反复的作用，［吸附－脱附(气 固) 和分配（气液）］由于各组分的性质不同，它们被吸附的能力 （分配系数）也不同，从而经过一定时间后，各组分产生差速 迁移，先后流出色谱柱，实现彼此的分离。
三、分离度（ Resolution，R ）及色谱分离方程 概念的引出
(一) 分离度
衡量选择性：用色谱图上两峰间的距离（取决于组分热力学性质）
衡量柱效能：用理论塔板n， n 值越大 (或 H 越小)，
峰越窄，则柱效越高，取决于色谱过程的动力学性质。
a、选择性和柱效能都差
b、选择性好，但柱效能差 c、选择性和柱效能都好 分离效果理想 柱效和选择性对分离的影响
：弯曲因子
相对分子量大的流动相（ Dg ↓） 适当增加流速，组份停留时间短 低温( Dg ↓)
（三）传质阻力项
(Mass-transfer term, Cu)
产生原因：因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡。 对于气液色谱 Cg 组分分子 流动相（气相）
播放 动画
Cl 传质阻力系数 C 液相传质阻力系数C1 气相传质阻力系数Cg
不同分离度时，色谱峰分离程度
R
t R2 t R1 1 (Wb1 Wb 2 ) 2

2(t R2 t R1 ) Wb1 Wb 2
部分重叠 R=0.75
R=1.0
能分离，分离 程度可达98%
R=1.5 能完全分离，分离 程度达99.7%，但 延长了分析时间。
当R=1.5时，分离程度可达99.7%，
二、速率理论（ Rate theory)
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。
色谱过程动力学理论——速率理论
B H A Cu u
u ：流动相的线速度 A：涡流扩散系数 B：分子扩散项系数 C：传质阻力项系数
k：容量因子
dp：固定相粒度
D：扩散系数 df：液膜厚度
提高柱效方法
减小填充颗粒直径dp；
此时k又减小，故当保持固
定液含量不变时，可通过
采用分子量小的流动相，使Dg增加； 增加固定液载体的比表面
适当减小液膜厚度df，Cl下降。
适当增加柱温，可增加Dl。
来降低df 。但比表面过大
又会因吸附过强使峰拖尾。
气路系统
温控 系统
分离系统
一、气路系统
(Carrier gas supply)
载气连续运行的封闭管路系统，包括气源、流量计及气体净化装置 对气路系统的要求： 密封性好、流速稳定、流速控制方便和测量准确。 载气（Carrier Gas）：要求化学惰性，不与有关物质反应。 最常用的如：N2、 H2 、Ar、He。 净化器（除去水、氧气以及其它杂质）： 载气与硅胶、分子筛、活性碳的净化管的串联。 流量计（流速控制与测量）： 在柱前：使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确。
理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。
n 的意义：
评价柱效：n 值越大 (或 H 越小)，色谱峰越窄，则柱效越高。 对峰形状的解释
•当塔板数 n 较小时:
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 n>50 时： 峰形接近正态分布。（GC的n：103～ 106 ）
tR 2 tR 2 n 5.54( ) 16( ) W1/ 2 Wb
分离度－总分离效能指标（分辨率）
既能反映柱效能又能反映选择性的指标。
定义式：
反映选择性：取决于固定液的热力学性质
R
t R2 t R1 1 (Wb1 Wb 2 ) 2

2(t R2 t R1 ) Wb1 Wb 2
反映柱效能：取决于色谱过程的动力学性质
R 越大，相邻组分分离越好。
注：定义并没有体现影响色谱分离的诸因素。
问题讨论
H = A + B/u + Cu
p211
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二讲
气相色谱仪
一、气相色谱仪的流程
二、构成：五大系统
（一）气路系统 （二）进样系统 （三）柱分离系统 （四）温控系统
上海GC112A
日本GC-2010
（五）检测记录系统
问题讨论
一、气相色谱仪的流程 载气流程 样品流程 进样 系统 检测记录系统
上式因没有扣除t0(与组分在柱内的分配无关)
有时并不能真正反映色谱柱的分离效能。
通常以有效理论塔板数 neff 和有效理论塔板高度Heff表示：
nneff
L t R’ 2 t R’ 5.54( ) 16( ) 2 H eff W1/ 2 Wb
说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质及色谱条件 （固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等）
因此，R=1.5 通常用作是否分开的判据。
(二)色谱分离方程－分离度与柱效能、选择性的关系
对于相邻的难分离组分，由于它们的分 配系数 K 相差小，可合理假设Wb1 Wb2
nneff
L t ’ 16( R ) 2 H eff Wb
色谱分离方程式
公式的应用：例12－１，自学
' tR2 r2,1 ' t R1
检测方法的研究
检测方法也是色谱学研究的热点之一，人们不断更新检测器 的灵敏度，使色谱分析能够更灵敏地进行分析。人们还将其他光 谱的技术引入色谱，如进行色谱－质谱连用、色谱－红外光谱连 用、色谱－紫外连用等，在分离化合物的同时即行测定化合物的 结构。色谱检测器的发展还伴随着数据处理技术的发展，检测获 得的数据随即进行计算处理，使试验者获得更多信息。
第十一章 第一讲 第二讲 第三讲 第四讲
气相色谱法（gas chromatography、GC）
GC的基本理论(塔板理论、速率理论、分离度) 气相色谱仪 气相色谱分析条件的选择 气相色谱定性和定量分析
色谱法前沿及文献
日本GC-2010
上海GC112A
第一讲
气相色谱分析的基本原理
基本过程及分离条件 一、塔板理论
由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数
(4)被分离组分达平衡的次数 理论塔板数
n＝ L H
柱长
理论塔板高度
理论塔板数
n＝ L H
柱长
理论塔板高度
经验公式（与半峰宽W1/2和峰底宽Wb的关系）
推导见：孙传经编，气相色谱分析原理与技术，化学工业出版社1985，52－55
tR 2 tR 2 n 5.54( ) 16( ) W1/ 2 Wb
气液界面 固定相（液相） C = Cg+ C1 k：容量因子 dp：固定相粒度
2 d2 0.01k 2 d p 2 k f C C g Cl (1 k ) 2 Dg 3 (1 k ) 2 Dl
D：扩散系数 df：液膜厚度
2 d2 0.01k 2 d p 2 k f C C g Cl (1 k ) 2 Dg 3 (1 k ) 2 Dl
有关塔板理论的说明：
塔板理论是一种半经验性的理论，用热力学的观点描 述了组分在柱内的分配行为及对柱效能的评价，解释了 流出峰形状。 但该理论是在理想情况下导出的，未考虑动力学因素 对柱内传质的影响，只能定性地给出板高的概念。
塔板理论不能解释：
板高受哪些因素影响？ 峰形为什么会扩张？ 速率理论
影响柱效的动力学因素是什么？
色谱法前沿进展 新固定相的研究 检测方法的研究 专家系统
色谱新方法介绍
色谱新方法研究
高效毛细管电泳法－目前研究最多的色谱新方法
基本原理：
这种方法没有流动相和固定相的区分，而是依靠外加电场 的驱动使带电离子在毛细管中沿电场方向移动，由于离子的带 电状况、质量、形态等的差异使不同离子相互分离。 特点：
A + Cu
Cu
uopt
最佳流速
u (cm.s-1)
速率方程
H = A + B/u + Cu
注意：许多影响柱效的因素是相互制约的， 应综 合考虑，以速率方程为指导来选择分离条件。
以上介绍了：
影响色谱分离的基本原理、影响柱效的各种因素。
问题
如何从总体上定量描述色谱分离效能；
如何将各种影响因素对分离的影响定量地表述出来。
分离的条件
KA>KB →A组分在移动过程中滞后
随着两组分在色谱柱中移动距离 的增加，两峰间的距离逐渐变大 每一组分的浓度轮廓（即区域 宽度）也慢慢变宽,对分离是不 利的，但又是不可避免的。
A、B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。
若使A、B两组分完全离应考虑三点： 完全分离的 第一，两组分的分配系数必须有差异； 第二，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度； 必要条件 第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。
塔板理论假定
(1) 色谱柱假想为精馏塔，塔内有一连续的、相等体 积的塔板，每一块塔板的高度称为理论塔板高度H。 (2)在每一块塔板上，组分在两相间瞬间达到一次分配平衡；
然后，随载气从一块塔板向下一块塔板脉动式迁移，使分
配系数不同的组分得到分离。 与组分在某一塔板上的量无关 (3)某组分在所有塔板上的分配系数相同；
专家系统 专家系统 是色谱学与信息技术结合的产物，由于应用色谱 法进行分析要根据研究内容选择不同的流动相、固定相、预处理 方法以及其他条件，因此需要大量的实践经验，色谱专家系统是 模拟色谱专家的思维方式为色谱使用者提供帮助的程序，专家系 统的知识库中存储了大量色谱专家的实践经验，可以为使用者提 供关于色谱柱系统选择、样品处理方式、色谱分离条件选择、定 性和定量结果解析等帮助。
A、B、C产生的原因
根据A、B、C经验式及H－u曲线
降低H
（一） 涡流扩散项A ( Multipath term )
产生原因 填充物颗粒大小及填充的不均匀性 同一组分运行路线长短不同 流出时间不同
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色谱柱中的类似涡流的流动 dp—填充物平均直径
峰形展宽
减小 A，提高柱效方法 A = 2 dp
通常在柱后：皂膜流量计(Soap-bubble meter)测流速。
二、进样系统
(Sample injection system)
作用：液体试样瞬间气化，快速、定量加到色谱柱上端。 注射器 注射器
六通阀进样 进样器 自动进样器 气化室 气化室
作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色谱柱中移动的 速率，而且应说明组分在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。 塔板理论 以色谱过程中分配系数恒定为前提， 速率理论 故称为线性色谱理论。
一、塔板理论（ Plate theory－ 1952年，Martin等人提出 )
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。
—填充不规则因子
使用细粒的固定相，填充均匀
（二）分子扩散项(B/u， Longitudinal diffusion term)
产生原因：由于浓度梯度引起的。
流动相 （a）柱内组分浓度分布构形 （b）相应的响应信号
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减小 B/u ，提高柱效方法 B =2 Dg
Dg：扩散系数(cm2／s)。
不存在的传质阻力、 涡流扩散等降低柱效的因素， 纵向扩散也因为毛细管壁的 双电层 的存在而受到抑制， 因而能够达到很高的理论塔板数，有极好的分离效果。
色谱法前沿进展
新固定相的研究 固定相和流动相是色谱法的主角，新固定相的研究不断扩展 着色谱法的应用领域，如手性固定相使色谱法能够分离和测定手 性化合物；反相固定相没有死吸附，可以简单地分离和测定血浆 等生物药品。
意义 揭示引起色谱峰展宽的因素，指导选择色谱分离条件
如固定相粒度、流动相的选择柱温、载气流速等
二、速率理论（ Rate theory) 色谱过程动力学理论——Van Deemter方程
讨论
B H A Cu u
目标：降低H，提高柱效，使色谱峰越窄。
讨 论 思 路 指导色谱条件的选择， 使右边的三项减小
增加柱温，k值也减小，为保持合适Cl值，应控制柱温。
（四）流速 u 由van Deemter 方程 H = A + B/u + Cu
当u一定时，在A、B、C 较小时，H 较小，柱效较高；
反之则柱效较低，色谱峰将展宽。 H-u曲线
H
Hmin 对方程 H = A + B/u + Cu微分
B/u
A + B/u + Cu