仪器分析第四版版第二章气相色谱法课件

• 色谱理论需要解决色谱分离过程中的热力学和 动力学两个方面的问题，即影响分离及柱效的 因素与提高柱效的途径，柱效评价指标及柱效 与色谱参数间的关系等。
• 组分的保留时间受色谱过程的热力学因素控制 （温度及流动相和固定液的结构与性质），而 色谱峰变宽则受色谱过程的动力学因素控制 （组分在两相中的运动情况）。
3! 2! (3 2)!
0.333 (32)
0.667 2
0.444
34
组分B(kB=0.5)在n=5的色谱柱内及出口的分布
N r 0 1 2 3 4 柱出口
0100000
1
0.333 0.667 0
0
0
0
2
0.111 0.444 0.445 0
0
0
3 0.037 0.222 0.444 0.296 0 0
27
6．分离因子
• 分离因子（也称为选择因子）为两物质的调整保 留时间（或分配系数）的比值，可用来衡量两物 质的分离程度，用α表示。
K2 k2 t'R2
K1 k1 t'R1
• 分离因子仅考虑了色谱过程中的热力学因素，而 没有考虑分离过程中的动力学因素，即色谱峰的 变宽，故不能反映两物质的实际分离情况。
3.1 色谱法概述
混合物最有效的分离、分析方法。 俄国植物学家茨维特在1906年使用 的装置：色谱原型装置. 色谱法是一种分离技术. 试样混合物的分离过程也就是试样中 各组分在称之为色谱分离柱中的两相间 不断进行着的分配过程。 其中的一相固定不动，称为固定相； 另一相是携带试样混合物流过此固定相 的流体（气体或液体），称为流动相。
Wb 4 Wb 1.699Y1 2
15
5．色谱峰高和峰面积 定量参数 ⑴ 峰高（h）组分在柱后出现浓度极大时的检

定义
气相色谱法是一种分离和分析复杂混 合物中各组分的方法，利用不同物质 在固定相和流动相之间的分配系数差 异进行分离。
原理
通过将待测样品中的各组分在两相之 间进行吸附、脱附、溶解、挥发的过 程，使各组分在两相中具有不同的分 配系数，从而实现分离。
发展历程与现状
发展历程
气相色谱法自20世纪50年代问世以来，经历了不断改进和完 善的过程，逐渐成为一种高效、快速、灵敏的分析方法。
气相色谱法的优缺点
优点
高分离效能
气相色谱法具有很高的分离效能，能够分离复杂 混合物中的各种组分。
快速分析
通过优化色谱条件，可以实现快速分析，提高工 作效率。
ABCD
高灵敏度
通过先进的检测技术，气相色谱法能够检测出低 浓度的物质，满足痕量分析的要求。
应用广泛
气相色谱法可以应用于各种领域，如环境监测、 食品检测、药物分析等。
分离柱
常用的分离柱有填充柱和 毛细管柱，选择合适的分 离柱是关键。
分离温度
温度对分离效果影响较大 ，需根据被测物质性质选 择合适的温度范围。
检测技术
热导检测器
基于热导原理，对气体或蒸气进行检测。
氢火焰离子化检测器
用于检测有机化合物，具有高灵敏度和选择性。
电子捕获检测器
用于检测电负性物质，如有机氯、有机磷等。
信号处理
检测器输出的信号需要经过放大、处 理和记录，以便准确测量各组分的浓 度。
进样系统
功能
进样系统负责将样品引入色谱柱。
类型
常见类型有直接进样、分流进样和不分流 进样等。
进样量控制
进样方式
进样量的大小和准确度对实验结果有重要 影响，因此需要精确控制进样量。

亲和色谱法: 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, LC一种
.
3．按固定相的形式分类
• 柱色谱 – 填充柱色谱和开管柱色谱
• 平板色谱 – 薄层色谱和纸色谱
固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。固定相填 充满玻璃或金属管中的称为填充柱色谱；固定相固 定在管内壁的称为开管柱色谱或毛细管柱色谱。
Tswett方法 (经典 方法) Off line
现代色谱法 On line
.
2.色谱法分类
1．按两相状态分类 A. 气相色谱(GC): 气体为流动相的色谱
气固色谱: 固定相是固体吸附剂 气液色谱: 固定相是固定液 B. 液相色谱(LC): 液体为流动相的色谱 液固色谱: 固定相是固体吸附剂 液液色谱: 固定相是固定液 C. 超临界流体色谱(SFC): 流动相为超临界流 体
.
色谱流出曲线及有关术语
流出曲线和色谱峰
.
基本术语 (1)
1. 基线 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． 2. 死时间tM
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′
.
3. 保留时间tR
.
2．按分离机理分类
分配色谱: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, 气液/液液
吸附色谱: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, 气固/液固
离子交换色谱: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, LC一种
尺寸排阻色谱法(凝胶色谱法):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, LC一种

一个板体积 3.试样开始都加在0号板上，且试样沿色谱方向的扩 散（纵向扩散）忽略不计 4.分配系数在各塔板上是常数


3
塔板高度
H
2 1 A 0
L
L H n
P12例
n>50，对称的峰形曲线 气相色谱中，n约为103-106，呈趋于正态分布曲线
理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的保留
时间（tR）和峰底宽（Y）或半峰宽（ Y1/2 ）按下
4）k与保留时间的关系
若流动相在柱内线速度为u（一定时间内载气在柱内
流动的距离，若固定相对组分有保留作用，组分在
柱内的线速度us小于u，两者比值为滞留因子
R S uS / u
也可用质量分数表示：
mM RS w mS m M
1 1 mS 1 k 1 mM

推导：
组分和流动相通过长度为L的色谱柱，所需时间为：

理论上可以推导出：
VS 1 kK K VM
相比，: VM / VS, 反映各种色谱柱柱型及其结构特征 填充柱（Packing column）: 6~35 毛细管柱（Capillary column）: 50~1500

结论：
分在两相中质量比，均与组分及固定相的热力学性
1）分配系数是组分在两相中的浓度之比，分配比是组
试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测 器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相 应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间曲线 或信号——流动相体积曲线，称为色谱流出曲线，
常用术语：
基线： 在操作条件下，仅有纯流动相进入检 测器时的流出曲线。 稳定的基线为一直线
基线漂移：基线随时间定向缓慢变化

离
10
四、气相色谱结构、操作简介
（一）气相色谱仪器主要系统
1. 载 气 系 统 2. 进 样 系 统
1- 载气钢瓶 2- 减压阀 3- 净化干燥管 4- 流量计 5- 压力表
6- 进样器 7- 气化室
5.温控系统
12-温度控制器 （共三个）
3. 分 离 系 统 4.检测记录系统
8- 色谱柱
9- 热导检测器 10- 放大器 11- 记录仪
5
色谱法的发展历史
1906 Tswett 用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提 出色谱概念。
1938 Izmailov, Shraiber 最先使用薄层色谱法。 1941 Martin, Synge 提出色谱塔板理论；预言了气体可
作为流动相（即气相色谱） 1944 Consden等 发明了纸色谱。 1956 Van Deemter等 提出色谱速率理论，并应用于气
有关色谱柱性质及其选择见第二节。
19
四、气相色谱结构、操作简介
（一）气相色谱仪器主要系统 4. 检测记录系统
检测元件 色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按
检
其浓度或质量随时间的变化，转化成相应
测 记
电信号。 常用检测器：热导检测器、氢火
录
焰离子化检测器。
系
统 放 大 器 电信号放大
显示记录 记录和显示 绘出色谱图
（一）气相色谱仪器主要系统
2. 进样系统
进样系统
①进样器 ②气化室
专用微量注射器 将液体试样瞬间气化
1〜10μL
无催化作用
15
常压气体样品可用医用注射器（100μL-5mL）进样。简单灵活； 缺点：误差大，偏差在5％左右→多用六通阀定体积进样操作方便、 进样迅速、结果准确，偏差较小 六通阀：试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的 试样气体进入分离柱；

• 阐明乙酸正丁酯在Apiezon L柱上的保管行为 相当于7.756个碳原子的正构烷烃的保管行为。
4. 色谱峰区域宽度
是色谱柱柱效参数
规范差
h
半峰宽W1/2
1 2
h
峰宽W
W 1/2
〔1〕规范差
1 (X) =
2
e - X2 2
• X = 0 (X) = 0.3989 = h〔峰高〕
• X = 1 (X) = 0.2420 = 0.607 h
〔2〕半峰宽
〔3〕峰宽 W1/2
W1/2 = 0.355 W = 4 = 1.699
5. 相平衡参数
t 0 1+K (
VS Vm
)
=tR
tR t0
VS
-= t0 K
Vm
VS tR'= t0 K ——
Vm
相平衡参数
VS • tR'= t0 K ——
Vm
• tR' K • 容量因子 • 分别条件
VS K
1. 涡流分散
• A = 2dp — 填充不规那么因子 dp — 填料〔固定相〕颗粒的直径
2. 纵向分散 B=2 Dg
与填充物有关 Dg 分散系数
=1 无妨碍 毛细管 组分分子量
柱
Dg
•要 使B</1u(0.5~0.增7) 大填u充〔柱uD<gu最柱正温确〕
•
降低柱温
•
添加柱压
• 载气
选用分子量大的
等
2. 载体的分类
非硅藻土型
硅藻土型 红色载体—与非极性固定液配伍 白色载体—与极性固定液配伍
3．载体的钝化
钝化是除去或减弱载体外表的吸附性能。

2020/10/28
柱出口质量分数－载气板体积数
23
气相色谱分析法——基本原理
分配系数 K
组分在固定相中的浓度 K 组分在流动相中的浓度 分配系数：在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡 时的浓度（g / mL）比，称为分配系数。 一定温度下，分配系数K越大，出峰越慢； 不同组份，在不同固定相上的分配系数K不同 选择适宜的固定相可改善分离效果； 某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。
1.固定相状态 GLC——分离气态物质或低沸点化合物； GSC——选择性好，应用广泛； 2.色谱分离原理 分配色谱（GLC） 吸附色谱(GSC) 3.色谱柱操作形式 填充柱色谱和毛细管柱色谱。
2020/10/28
5
气相色谱分析法——气相色谱分析法概述
1.2 气相色谱法的特点 ♠ 高分离效能：能分离组分极为复杂的混合物. ♠ 高选择性：能分离结构相似的物质。 ♠ 高灵敏度：分析极微量的物质（10-12～10-14 g） ♠ 样品用量少：所用样品量一般以ng，甚至pg计。 ♠ 分析速度快：可在几分钟内完成测定。 不足之处：不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物
<400 弱极性 200~1000oC 活化
烃+有机异构物+H 同 位素
分子筛 XMO•yAl2O3 <400 极性 350~550oC 活化 •zSiO2•nH2O
永久气体+惰性气体
GDX
多孔聚合物
<200
不同极性 170oC 除水、通气活化
水+气体氧化 +CH4+低级醇
物
2020/10/28
32
2020/10/28
33
常用色谱载体 diatomaceous

对分离较差，峰底宽度难于测量，则用下式表示分离度
R'
tR2 tR1
1 2
(Y12(1)

Y1 2
(
2)
)
20
C
W G

色谱分离基本方程式
体系的热力 学性质
R 1 n ( 1) ( k )
4
k 1
n

(
k
k
1)
2

n有效
R1 4
n有效
( 1)
现现 代代 仪器分析 仪器分析
改变k的方法是：
改变柱温：影响分配系数 改变相比：即改变固定相的量及柱的死体积(采用细颗粒的固定相，
填充紧密且均匀)
分离度与柱选择性的关系
α是色谱柱选择性的量度， α越大，色谱柱选择性越好，分离效 果越好
通过改变固定相，使各组分的分配系数有较大的差别
L

16R
2
(
1)2
17
W CG
现现 代代 仪器分析 仪器分析
B/u分子扩散项：“塞子”前后存在着浓度差
B 2Dg
弯曲因子
气相分子扩散系数

Dg
1
M 载气
摩尔质量大的载气可使B值变小，有利于分离
载气流速愈小，保留时间愈长，分子扩散项的影响也愈 大，从而成为色谱峰扩散的主要因素
18
W CG
现现 代代 仪器分析 仪器分析
调VM整，保或留V体R’=积tRV’·RF’0：指扣除死体积后的保留体积：VR’=VR－
相对保留值r21
指组分2与另一组分1的调整保留值之比。相对保留值只与柱 温及固定相性质有关，与其它色谱操作条件无关，它表示了 色谱柱对这两种组分的选择性： r21相差越大，分离越好。 r21 ＝1，不能分离

质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。1
仪器分析-色谱分析法
(4)分子筛 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A
、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常 温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO 等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。
特点及用途
生产厂家
适用于涂渍非极性固定液分析非极性物 质 由 201 釉 化而 成 ，性 能 介于 红 色与 白 色 硅藻土担体之间，适用于分析中等极性 物质
上海试剂厂 大连催化剂厂
白色
101 白 色 担 体
适用于涂渍极性固定液分析极性物质
上海试剂厂
硅 藻 土 117
仪器分析-色谱分析法
二、热导检测器（TCD，thermal conductivity detector)
1、结构（浓度型检测器）
池体（一般用不锈钢制成）
热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工 的钨丝制成。 参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。
测量臂：
需要携带被分离 组分的载气流过， 则连接在紧靠近 分离柱出口处。
（2）池体温度：
池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测 器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以 防止试样组分在检测器中冷凝。
（3）载气种类：
21
仪器分析-色谱分析法
载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生 的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系 数大，传热好，通过的桥路电流也加大，则检测灵敏度进一 步提高。
♥分离能形成氢键的组分，选用极性的或氢键型的固定液， 各组分按与固定液分子间形成氢键的能力大小先后出峰， 不易形成氢键的最先出峰。

柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径2-6mm。长度0.510米的U形管或螺旋形的管子，长度可根据需要确定。
柱填料：粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。
气-固色谱固定相：固体吸附剂，吸附-脱附-吸附-脱附 气-液色谱固定相：担体+固定液，溶解-挥发-溶解-挥发
1.分配系数 K
组分在固定相中的浓度 K Cs / CM 组分在流动相中的浓度
调整保留体积(V＇R)：V ＇R =t ’ R . qv,0
或 V ＇R = VR －VM
（2-4）
3
相对保留值 (relative
用r21 （或α）表示
retention value)
组分2与组分1调整保留值之比：
r21 = t´R(2) / t´R(1)= V´R(2) / V´R(1)≠ tR(2) )/ tR(1) ≠ VR(2) )/ VR(1)
L tR ; uS L tM u
由以上各式，可得： tR = tM(1+k)
' tR tM tR k tM tM
二、色谱分离的基本理论
(一)色谱分离基本理论概述 试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括两个方 面： a.试样中各组分在两相间的分配情况 与各组分在两相间的分配系数、各物质的性质 和分子结构有关。保留值反映了各组分在两相间的 分配情况，受色谱过程中的热力学因素所控制。
2. 进样装置
进样装置：进样器+气化室；
气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。 试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中 的试样气体进入分离柱；
液体进样器： 不同规格的专用注射器，填充柱色谱常 用10μL；毛细管色谱常用1μL；新型仪器带 有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、 进样、换样等过程自动完成，一次可放置数