第十八章气相色谱法(83)

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2. 流出曲线方程：以5块塔板为例：
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曲线方程为：
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（三）理论塔板数与理论塔板高度
n 越大，H 越小，柱效率越高，作为描述柱效率指标。 为更符合实际情况，常用有效塔板数表示柱的分离效能：
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同一色谱柱对不同物质柱效率不同，有效板数越多，说 明分配平衡的次数越多，但不能表示实际的分离效果，取决 于各组分在气液相分配系数的差异。
第十八章 气相色谱法
（gas chromatography，GC）
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第一节 概述
英国Martin等人于1941年首次提出了用气体作流动相； 1952年第一次用气相色谱法分离测定复杂混合物；1955年第 一台商品气相色谱仪。
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一、气相色谱分类 按固定相的聚集状态: 气-固，气-液 按分离原理： 吸附色谱，分配色谱。 按色谱操作形式：填充柱色谱，毛细管柱色谱。
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3. 传质阻力相Cu (resistance to mass mass transfer )： 分子在气液两相中进行溶解、扩散、分配时的质量交换 过程称传质过程，影响传质速度的阻力叫传质阻力。
式中dp为填充物直径，Dg为扩散系数，df为液膜厚度， DI为液相扩散系数。
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速率理论讨论了色谱柱填充的均匀程度、担体的粒度、 载气的流速和种类，液膜厚度和柱温等影响，其中许多因素 是相互矛盾，相互制约的。
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空气流速选择：H2:空气 1:10。流速小，信号随流速增大 而增大，到达一定值后，空气流速对信号几乎无影响。
使用温度：比色谱柱温度高20℃～50℃，>100 ℃，水蒸 气凝聚。极化电压100V～300V。 三、电子捕获检测器（electro capture detector)
对含有卤素、氧、硫、氮等化合物有响应，检出限可达 10-14g/ml。浓度型。
2. 噪声与敏感度：噪声为色谱图上基线的波动，以RN表 示，敏感度是指检测器恰好能给出二倍噪声信号时，单位体 积或单位时间内进入检测器的组分质量，以D表示。
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浓度型的单位为mg/ml或ml/ml，质量型的为g/s。 敏感度仅表示检测器的最小检出量，而色谱分析的最低 检出量还与色谱峰的半宽度和进样量等因素有关。 （三）线性范围
Q最大 / Q0
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二、火焰离子化检测器（flame ionization detector，FID) 属质量型，灵敏度高，响应快，线性范围广。 1. 结构：
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2. 原理：高温火焰下，有机物组分电离成正负离子，在 收集极（正极）和极化极（负极）外电场作用下定向运动形 成离子流（电流）。放大后被检测。强度决定于电离程度、 被测组分性质和进入离子室的被测组分量。
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第三节 色谱理论与分离条件选择
一、塔板理论（plate theory ) (一）分配平衡（distribution equilibrium)
待分离组分溶于固定液并迅速在气液两相间达平衡，多 次重复进行，不断达到平衡，分配吸收、分配比概念描述。
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1.分配系数（distribution coefficient)：定温定压下，气液 平衡时：
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2. 原理：含硫、磷化合物在富氢焰中燃烧，发射各自的 特征光谱。
S2*发出350nm～430nm的特征光谱，[S*]与SO2、RS平 方根成正比，故为非线性检测器。HPO发出480nm～600nm 的特征光谱，与其浓度成正比，故为线性检测器。
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3. 操作条件选择： 温度：火焰温度高利于测磷，不利于测硫。 氢气流速：H2:O2>3:1，检测器燃烧室的温度升至100℃ 以上才能点火。
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三、气相色谱分离条件选择 1.分离度(resolution)
当峰宽测定困难时：
近似为： R=1.5时，两峰分离程度为99.7%。
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2. R与n，r1/2，k的关系：
R定量描述了相邻两组分在色谱柱中的分离情况，概括 了影响色谱热力学和动力学因素。两组分保留时间的差值取 决于色谱分离的热力学性质，色谱峰的宽窄取决于动力学因 素，可作为评价柱总分离效能的指标。
氢火焰2100℃，基流约10-14A，50万个碳原子仅产生一 对离子，需经高电阻产生电流，108～1011Ω，仅对含CH化合 物响应。
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3. 操作条件选择： 载气流速：实验确定，氮气。 氢气流速：流速小，温度低，离子化数目少，易熄火； 流速大，噪声大，基线不稳。一般N2:H2 1:1 ～ 1:1.5。
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第三节 色谱柱
一、气相色谱柱的分类 填充柱 (packed column)，毛细管柱(capillary column)。
毛细管柱为玻璃或熔融石英拉制而成，内径为0.1mm～ 0.5mm。填充柱常用不锈钢或玻璃制成，内径3mm～5mm，柱 长为1m～3m，U型或螺旋型。
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二、气相色谱固定相 （一）气液色谱
二、气相色谱法的分析流程
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1.载气系统（carrier gas system） 2.进样系统（sample injection system） 3.分离系统（column system） 4.检测系统（detection system） 5.数据采集和处理系统（data system）
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三、常用术语 1.色谱峰（chromatographic peak) 由检测器输出的电信
塔板理论成功的解释了色谱曲线、n、H，评价柱效率， 但未考虑动力学因素，峰宽受载气流速、传质和扩散等动力 动力学因素的影响。
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二、速率理论 1956年由Van Deemter 创立。
1.涡流扩散项 A： dp为颗粒的平均直径，λ为填充不规则因子。
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2. 分子扩散项B/u： γ为弯曲因子，Dg为组分在载气中的扩散系数。 Dg与载气性质、柱温、柱压、载气相对分子量有关。
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第五节 气相色谱定性定量分析
一、定性分析方法 （一）已知纯物质对照法
3. 操作条件选择： 载气：常用N2 >99.99%，40ml/min～100ml/min。 溶剂中应不含卤素、氧、硫、氮化合物。 温度对基流大小有影响，<350℃。 四、火焰光度检测器(flame photometric detector，FPD) 对含硫、磷的化合物响应，为质量型检测器。 1. 结构：
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非硅藻土型载体： — 氟担体 适用于强极性和腐蚀性气体分析。 — 玻璃微球 适用于高沸点样品分离。 — 高分子微球 吸附剂兼担体。 担体的预处理：酸洗、碱洗、硅烷化、釉化。
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（二）气固色谱固定相 活性碳、弱极性的氧化铝和强极性的硅胶等。用于惰性
气体分析。重复性差，与制备、活化条件有很大的关系。 三、填充柱的制备
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一、检测器的性能指标 要求：灵敏度高、稳定性好、相应快、线性范围宽。 1. 灵敏度（sensitivity） 物质量ΔQ 时信号量的变化率，是直线的斜率：
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质量型检测器Sm：每秒有1g的某组分被载气携带通过检 测器，产生的电压或电流值，mV∙s/g或A∙s/g。
浓度型检测器Sc ：为1ml载气携带1mg的某组分通过检测 器时，产生的电压值，V∙ml/mg。
按沸点顺序，沸点低者先出 柱。相同沸点的极性组分先 出。
中等极性
中等极性 诱导力和色散力 按沸点顺序。相同沸点的极 性组分后出柱。
极性
极性
能形成氢键的 试样
氢键型
静电力 氢键力
按极性顺序出柱。非极性组 分先出柱。
按形成氢键的能力大小出柱。
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2. 担体 要求：表面积大，孔径分布均匀；表面吸附性很弱；热稳 定性、化学稳定性好；粒度均匀，有一定的机械强度。 种类和性能：硅藻土型载体： — 红色载体 含氧化铁，常与非极性固定液配伍。 — 白色载体 加碳酸钠作助熔剂，与极性固定液配伍。
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固定液分类：采用相对极性分类。 β,β ‘ -氧二丙腈：P =100，角鲨烷：P =0；其余：Px=0---100 分为5级。1970年 Mcreynolds提出用五个常数的和代表极性的分类方法。
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固定液的选择原则：“相似相溶”
被分离物质 非极性
固定液 非极性
主要作用力 色散力
出峰顺序
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3. 气相色谱条件选择： 载气及流速的选择： 分子量较大的载气中有较小的扩散 系数。载气流速小时，分子扩散项为主，选用分子量较大载 气如：N2，Ar。载气流速大时，传质阻力起主要影响，选分 子量较小H2、He，可减小气相传质阻力。H-u曲线上可查最 佳流速，实际中稍高于最佳流速。
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N2 的纯度≥99.99%，对内径3mm～4mm色谱柱
固定液+担体（support) 1. 固定液： 要求：在操作温度下蒸气压要低；稳定性好；对被分离 组分的选择性要高； 对试样中各组分有足够的溶解能力。
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组分与固定相间作用力：静电力：永久偶极，极性分子 与极性固定液；诱导力：具有永久偶极的极型分子使其它分 子产生偶极距，分离非极性和可极化的组分，如苯和环己烷 偶极距为零，但苯的共轭体系易极化。色散力：非极性分子 中，正负电荷瞬间相对位移，非极性固定液分离非极性组 分；氢键力：含有易产生氢键的基团的固定液分离含有电负 性强的元素的化合物；分子间特殊作用力：形成弱配位键。
1. 清洗：玻璃柱：铬酸洗液浸泡、洗净。不锈钢柱：5% 的热碱洗涤、洗净。
2. 涂渍：固定液加溶剂溶解，加入担体，搅拌，挥干， 过筛，装柱。
3. 填充： 4. 老化（conditioning) ，高于使用柱温10℃～25℃。
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第三节 色谱检测器
将流动相中组分的浓度或量信号转变成电信号的装置。 浓度型检测器：测量载气中组分浓度变化，有热导检测器、 电子捕获检测器等。质量型检测器：测量组分进入检测器质 量流速变化，有火焰离子化检测器、火焰光度检测器等。
号强度对时间作图所绘制的曲线上的突起部分。 2. 峰高（peak height) 3. 基线（base line) 4. 保留值(retention value)：表示组分在色谱柱内停留的
参数，用时间或体积表示。
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用时间表示：保留时间(tR ，retention time)，死时间(tM ， dead time)，调整保留时间(tR’= tR - tM )
用体积表示：保留体积（VR，retention volume) VR=tR·F0； 死体积（VM，dead volume) VM=tM·F0；调整保留体积 （VR‘=VR-VM）
相对保留值：
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5. 区域宽度(peak width)： σ( standard deviation)： 0.607倍峰高处的一半 Wh/2 (peak width at half-height) Wb (peak width at base)
20ml/min ～60ml/min，一般由实验确定。
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柱温选择：固定液有最高使用温度，通常比最高温度低 20℃～50℃。固定液流失时影响柱寿命，污染检测器。
提高柱温，改善传质，缩短时间，但分子扩散加剧，降 低柱温，则增加分析时间。宽沸程的样品采用程序升温。
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固定液配比：液担比：5% ～ 25%，比值低时，改善液
相传质，但柱容量小，覆盖面不全。 温度：气化温度比柱温度高20℃ ～50℃，选在组分的沸
点或高于沸点，但不能过高，以免样品分解。 柱长和内径：R与柱长成正比，但时间长。1m～3m，填
充柱内径为3mm～4mm。 进样量与时间：与柱长，内径和固定液的配比有关，线
性范围内，液体0.1 μL～ 10μL，气体0.1mL～10mL。迅 速。
1. 结构：
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氚3H或63Ni放射源，3H灵敏度高 100mCi～1000mCi， 安全，易制备，<190℃，半衰期12.5y。63Ni <350 ℃，85y， 10mCi～20mCi，价格贵，难制备。要求：气密，绝缘安 全。
2. 原理： 在β射线的作用下：
电负性强的物质捕获低能电子：
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由组分和固定液的热力学性质决定，随柱温和柱压而变 化，与体积无关。
2. 分配比（partition ration) ：又称容量因子。
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3. K与k的关系： 4. K与k及保留值的关系：
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(二）塔板理论 1. 塔板理论的假设： 色谱柱中每一段内，组分在气-液间的分配迅速平衡。 载气为脉冲式，每次一个塔板体积。 组分加到第0块板上，纵向扩散可以忽略。 K在所有的塔板上为常数，与进样量无关。