分析化学讲义 气相色谱法

' r
(
2)
W2 W1
W
t' r (1)
1)
t' r (1)
W
t' r(2)
t' r(2)
(r21
1)
t' r(2)
(r21 1)
n有 效
r21
W
r21
16
2
neff
16R2
r21 r21
1
L
16R2
r21 r21
1
2
Heff
38
例：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别 为85 s和100 s，计算达到完全分离时所需的有效塔 板数；若填充柱的有效塔板高度为0.1 cm，柱长是 多少？
ms mm
cs Vs cm Vm
容量 因子
反映了组分在柱中的迁移速率，又称保留因子。
23
K 与 k 的关系
k
MS
MS VS
VS
cs
VS
K
Mm
MS Vm
Vm
cm Vm
Vm : 相比 Vs
填充柱：=6~35 毛细管柱： =60~600
24
三、色谱柱效能－－塔板理论 （Plate theory）
➢基于待测物在气相和固定相间的作用力不 同来实现分离。
6
气相色谱分析流程图
载气系统
进样 系统
检测器
H2
N2
或
Ar
色谱柱
记 录 系 统
7
气相色谱分类
固定相：多孔性固体吸附剂
根 气固色谱
分离原理：固体吸附剂对试样中各组分的
据 固
吸附能力的不同
定
相
不
固定相：固定液（涂在担体表面）
同 气液色谱
分离原理：固定液对试样中各组分的溶
42
14-4 色谱分离操作条件的选择（3）
进样条件的选择
气化室温度：保证样品迅速完全气化又不致引 起样品分解； 最大允许进样量：控制半峰宽基本不变，峰高 与进样量成线性关系。
检测器的选择
根据分析对象和分析要求合理选择。
43
14-6 气相色谱检测器
—感应载气中组分变化并转变成电信号
根据 检测 原理 不同
32
传质阻力项CU
Cg 组分分子
C气 液 色 谱 Cg Cl
流动相 气液界面 固定液
0.01k 2 (1 k)2
d
2 p
Dg
2 3
(1
k k
)2
df2 Dl
Cl
降低Cg：小粒度填充物+小分子量载气 降低Cl：减少固定液含量（降低df）；提高柱温（增大Dl）
33
流动相线速对板高的影响
H min
浓度型检测器 热导检测器 电子捕获检测器
质量型检测器 氢火焰离子化检测器 火焰光度检测器
44
灵敏度
—信号对进入检测器的组分量的变化率
灵敏度 S R C
响应信号的变化量 组分的变化量
浓度型检测器：Sc
Fc' A m
h c
质量型检测器： Sm
A m
Sc：灵敏度（mVmL/mg） A：峰面积（mVmin） Fc'：检测器入口流速（mL/min） m：进样量（mg） h：峰高（mV） Sm：灵敏度（mVs/g）
1 M载气
低温； 大分子量流动相； 适当增加流速或使用 短柱。
31
传质阻力项CU
物质系统由于浓度不均匀而发生的物质迁移过程，称 为传质。影响这个过程进行速度的阻力称为传质阻力。因 传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达到平衡，因此产 生峰形展宽。
C Cm Cs
固定相传质阻力系数
流动相传质阻力系数
胡萝卜素
2
色谱法分类
填充柱色谱
固体吸附剂 吸附
根
气相色谱
毛细管柱色谱
液体（固体） 分配
键合相
分配
据
流
固体吸附剂 吸吸附附色谱
动 相
经典
柱色谱 高压
离子交换树脂 离静子电色谱 聚合物间隙 排筛阻分色谱
不 同 液相色谱
液体（固体） 分分配配色谱 键合相分配 亲分和配色/亲谱和
薄层色谱
平板
纸色谱
毛细管电泳
一、流出曲线及相关术语
t0
t1
t2
t3
t4
色谱流出曲线(色谱图)
18
色谱流出曲线
S
进样
基线（噪音）
h/峰高（定量）
t
A/峰面积（定量）
19
S
进样 空气峰
tM
t
' R
保留值
组分峰
t
保留时间 tR;
死时间 tM;
调整保留时间tR’;
V保R 留体积V0VR; VR' 死体积VＭ;
调整保留体积VR’;
V t
15
固定液的极性
相对极性
16
固定液的选择
—相似相溶的原则
待测样品
非极性组分 极性组分 极性非极性混合物 氢键型物质 复杂混合物
固定液
非极性 极性 极性 氢键型或极性固定液 两种或两种以上
流出顺序
沸点低的先流出 极性小先流出 极性小先流出 不易形成氢键的先
同系物通常按照分子量顺序流出
17
14-3 气相色谱分析理论基础
这理论把色谱柱比作一个分馏塔，假设柱内有 n个塔板，在每个塔板高度间隔内，试样各组分在 两相中分配并达到平衡，最后,挥发度大的组分和 挥发度小的组分彼此分离，挥发度大的最先从塔 顶（即柱后）逸出。
尽管这个理论（概念）并不完全符合色谱柱的 分离过程，色谱分离和一般的分馏塔分离有着重 大的差别，但是因为这个比喻形象简明，因此几 十年来一直沿用。
25
塔板数n
理论塔板数
H板高
n
5.54
tR W1/
2
2
16 tR W
2
理论板高 H L / n
L
有效塔板数
neff
5.54
t
' R
W1/
2
2
16
t
' R
W
2
有效板高 Heff L / neff
塔板数越多，柱效越高
26
有关塔板数的说明
在说明柱效时，必须注明该柱效是以何种物 质进行测定，同时还必须注明固定液种类、 流动相种类及流速、操作条件等；
解：
neff
16
R
2
r21 r21
1
2
16 1.52
100 / 85
2
100 / 85 1
1547
L neff Heff 1547 0.1 155cm
39
例：用一根柱长为1 m的色谱柱分离A、B两种物质，其保留 时间分别为14.4和15.4 min，对应的峰底宽分别为1.07 min和 1.16 min（死时间为4.2 min），试计算：
1
H eff
L' 1m
n'eff neff
R'2 R2
1.52 0.8972
2.8
L' 2.8m
t' 2.8 15.4 43.1min 1.0
40
14-4 GC分离操作条件的选择（1）
根据van Deemter方程和色谱分离方程式:
H A B Cu u
R neff r21 1
4
r21
物质A的理论塔板数 分离度R 选择性因子（即相对保
留值rB,A） 完全分离所需的柱长 完全分离所需的时间
解：
nA
பைடு நூலகம்
16
14.4 1.07
2
2898
R
2 15.4 14.4 1.07 1.16
0.897
r21
15.4 14.4
4.2 4.2
1.10
2
L neff H eff
16
R
2
r21 r21
柱长（ L ）—适度
R1 neff 1 L1
R2
neff 2
L2
载气及流速
u opt
B C
Hmin A 2 BC
u较小时，B/u为主，选择分子量大的载气(N2、Ar)
u较大时，Cu为主，选择分子量小的载气（H2、He）
41
14-4 色谱分离操作条件的选择（2）
柱温的选择
前提：不能高于固定液的最高使用温度。 一般原则：在使最难分离的组分有尽可能 好的分离的前提下，同时兼顾保留时间适 宜，峰形不拖尾时，采取适当低的柱温； 对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序 升温法。
A 2dp :填充不规则因子 dp：填充物平均粒径
减小A的途径： 使用粒度小并均匀的柱料均匀填充。 注：对于毛细管柱，因为其柱内没有填充物，故涡流扩 散项A＝0。
30
分子扩散项B/U（纵向扩散项）
B 2Dg ：弯曲因子 Dg：组分在流动相扩散系数
柱温，Dg 流动相分子量，Dg Dg u, （B/u）
<400
<200
性质 非极性 非极性 氢键型 弱极性
极性
不同极性
10
永久性气体的分离
O2
CO
H2 N2CH 4
CO 2
0
5
10
t / min
色谱柱：60 cm 固定相：5A 分子筛 柱温：室温3 min 后 10C/min 升温 载气：He 检测器：热导池 15
11
气液色谱（GLC）
填充柱
载体/担体 固定液 固定液
分配系数（ Distribution constant，K）:
描述组份在固定相和流动相间的分配或吸附-脱附过程的 参数。
K
溶溶质质在在流固动定相相中中的的浓浓度度
cs cm
组分一定时， 只与两相和温度有关!
22
分配比（Retention factor or capacity factor/k）
k
组组分分在在流固动定相相中中的的质质量量
相对保留值
Fr;0
tR
r2,1
t' R2
t' R1
V'
R2
V'
R1
t R2 t R1
VR2 VR1
重要定性指标，只与 柱温和固定相有关
20
区域宽度 y f x
1
x 2
e 2 2
2
W 4 W1/ 2 2.354
用于衡量柱效及反映色谱 操作条件下的动力学因素
21
二、描述分配过程的参数
3
气相色谱仪器（GC）
Agilent 6890
4
气相色谱法特点
选择性好，分离效能高 样品用量少，灵敏度高 分析速度快 应用范围广：b.P.<400C 不足之处：
不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质及蛋白质、核
酸等生物样品的分析。
5
气相色谱过程
➢待测样品被蒸发为气体注入色谱柱顶；
➢以载气（不与待测物反应）将待测物样品 蒸气带入柱内；
板高H\cm
H A B CU U
Uopt
Uopt
B C
H U
ClU
CgU A
B/U
Hmin A 2 BC
34
五、分离度
塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程 度：即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离?
色谱分离中的四种情况如图所示：
n较高，r21较大，完全分离
n较高， r21较小，基本分离 n较小， r21较大，分离不好 n、 r21均小，无法分离
响应信号
保留时间 t/min
R=1.5 互含0.3% 完全分离之标准
37
色谱分离方程
R的定义并未反映影响分离度的各种因素，既未与影响其大 小的因素：柱效n、选择因子r21联系起来
对于难分离物质，可以合理的认为W1=W2=W
R
2( t r ( 2 )
tr(1) )
t' r(2)
t' r (1)
(t
35
难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因 素的综合影响：
① 保留值之差—色谱过程的热力学因素 ② 区域宽度—色谱过程的动力学因素
分离度表达式：
R 2(tr(2) tr(1) )
2(tr(2) tr(1) )
W2 W1
1.699(W1/ 2(2) W1/ 2(1) )
36
R=0.75 不能分离 R=1.0 互含4%
方法
处理过程
酸洗 3-6 M HCl浸煮过滤，水、甲醇淋洗、烘干
碱洗 5-10% NaOH甲醇液回流，水、甲醇淋洗、烘干
硅烷化 加入DMCS和HMDS等硅烷化试剂与-SiOH反应
釉化 2%Na2CO3浸泡担体，过滤得滤液水稀释3倍，用稀滤
液淋洗担体，烘干后高温处理
14
固定液
高沸点有机物，均匀涂在载体表面，在分析条件下呈液 膜状态。 要求： 选择性好，在使用温度下为液体，具有较低的蒸 气压，热稳定性和化学稳定性好，对试样各组分有适当 的溶解能力，黏度低。 固定液的选择取决于其与组分分子间的作用力 静电力诱导力色散力 氢键力
第十四章 气相色谱法
Gas Chromatography（GC）
1
14-1 概述
起源
茨维特色谱图 （1906，俄）
叶绿素的石油醚溶液流经 装有CaCO3的柱子，然后 用石油醚淋洗。 CaCO3 对叶绿素各成分吸附能力 不同，而分离成为色带。
固定相－CaCO3
流动相－石油醚
叶绿素b 叶绿素a 叶黄素
毛细管柱
12
载体（担体）
化学惰性、多孔性固体微粒，能提供较大惰性表面，使固定 液均匀分布在其表面。
较大的比表面积，孔径分布均匀， 化学惰性好，表面不与固定液和样品起化学反应，且吸附 性和催化性能越小越好； 热稳定性好，有一定机械强度； 颗粒均匀，大小适度。
硅藻土型和非硅藻土型
13
载体表面处理
－－除去载体表面的吸附中心
解度的不同
8
14-2 固定相
气固色谱（GSC）—分离小分子量的永久气体及烃类
占应用的10%
填充柱
毛细管柱
9
气固色谱固定相
吸附剂 活性炭 石墨碳黑
硅胶 氧化铝
分子筛
GDX
主要成分
C
C
SiO2xH2O Al2O3
xMOyAl2O3z SiO2nH2O 多孔聚合物
T/C <300 >500 <400 <400
28
四、色谱柱效能－－速率理论
H A B CU U
H：塔板高度 A：涡流扩散项 B：分子扩散项系数 C：传质阻力项系数
U :载气平均线速度
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，从动力学角度很好地解释了影响板高 （柱效）的各种因素！
29
涡流扩散项A（多途路径项）
27
塔板理论（Plate theory）
贡献
用热力学的观点阐明了溶质在色谱柱中的分配平衡和分
离过程；
解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置； 提出了计算和评价柱效的参数。
不足
不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素； 不能说明同一溶质为什么在不同的流速下，可以测得不
同的理论塔板数。