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第二章气相色谱分析习题答案1.简要说明气相色谱分析的基本原理借助两相间分配原理而使混合物中各组分分离。
气相色谱就是根据组分与固定相与流动相的亲和力不同而实现分离。
组分在固定相与流动相之间不断进行溶解、挥发（气液色谱），或吸附、解吸过程而相互分离，然后进入检测器进行检测。
2.气相色谱仪的基本设备包括哪几部分？各有什么作用？载气系统：包括气源、气化净化和气体流速控制部件。
除去水、氧等有害物质，使流量按设定值恒定输出。
进样系统：包括进样器、气化室。
作用时将液体或固体试样，在进入色谱柱前瞬间气化。
色谱柱和柱箱：包括温度控制装置。
作用是分离样品中的各组分。
检测系统：包括检测器、放大器、检测器的电源控温装置。
从色谱柱流出的各组分，通过检测器把浓度信号转变为电信号，经过放大器放大后送到数据处理装置得到色谱图。
记录及数据处理系统：将检测到的电信号经处理后，并显示。
3.当下列参数改变时：(1)柱长缩短，(2)固定相改变(3)流动相流速增加，(4)相比减少，是否会引起分配系数的改变？为什么？答：固定相改变会引起分配系数的改变，因为分配系数只与组分的性质及固定相与流动相的性质有关。
所以：(1)柱长缩短不会引起分配系数改变(2)固定相改变会引起分配系数改变(3)流动相流速增加不会引起分配系数改变(4)相比减少不会引起分配系数改变4.当下列参数改变时：(1)柱长增加，(2)固定相量增加，(3)流动相流速减小，(4)相比增大，是否会引起分配比的变化？为什么？答：k=K/β,而β=V M/V S,分配比除了与组分，两相的性质，柱温，柱压有关外，还与相比有关，而与流动相流速，柱长无关．故：(1)不变化，(2)增加，(3)不改变，(4)减小5.试以塔板高度H做指标，讨论气相色谱操作条件的选择解：提示：主要从速率理论(vanDeemerequation)来解释，同时考虑流速的影响，选择最佳载气流速.P13-24。
(1)选择流动相最佳流速。
第二章气相色谱分析1.简要说明气相色谱分析的基本原理借在两相间分配原理而使混合物中各组分分离。
气相色谱就是根据组分与固定相与流动相的亲和力不同而实现分离。
组分在固定相与流动相之间不断进行溶解、挥发（气液色谱），或吸附、解吸过程而相互分离，然后进入检测器进行检测。
2.气相色谱仪的基本设备包括哪几部分?各有什么作用?气路系统．进样系统、分离系统、温控系统以及检测和记录系统．气相色谱仪具有一个让载气连续运行管路密闭的气路系统．进样系统包括进样装置和气化室．其作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中．3.试以塔板高度H做指标,讨论气相色谱操作条件的选择.解:提示:主要从速率理论(van Deemer equation)来解释,同时考虑流速的影响,选择最佳载气流速.P13-24。
（1）选择流动相最佳流速。
（2）当流速较小时，可以选择相对分子质量较大的载气（如N2,Ar)，而当流速较大时，应该选择相对分子质量较小的载气（如H2,He),同时还应该考虑载气对不同检测器的适应性。
（3）柱温不能高于固定液的最高使用温度，以免引起固定液的挥发流失。
在使最难分离组分能尽可能好的分离的前提下，尽可能采用较低的温度，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。
（4）固定液用量：担体表面积越大，固定液用量可以越高，允许的进样量也越多，但为了改善液相传质，应使固定液膜薄一些。
（5）对担体的要求：担体表面积要大，表面和孔径均匀。
粒度要求均匀、细小（但不宜过小以免使传质阻力过大）（6）进样速度要快，进样量要少，一般液体试样0.1~5uL,气体试样0.1~10mL.(7)气化温度：气化温度要高于柱温30-70℃。
4.试述速率方程中A, B, C三项的物理意义. H-u曲线有何用途?曲线的形状主要受那些因素的影响? 解:参见教材P14-16A 称为涡流扩散项,B 为分子扩散项，C 为传质阻力项。
下面分别讨论各项的意义：(1) 涡流扩散项A 气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似“涡流”的流动，因而引起色谱的扩张。
目录1.气相色谱仪基本结构 (1)1.1气路系统 (1)1.1.1气源系统 (1)1.1.2净化系统 (2)1.1.3阀件系统 (2)1.2进样系统 (2)1.2.1填充柱进样口 (3)1.2.2分流进样口 (4)1.2.3不分流进样 (6)1.2.4冷柱上进样 (7)1.2.5程序升温汽化进样 (8)1.2.6大体积进样 (10)1.2.7阀进样 (10)2.检测器选择 (10)2.1氢火焰离子化检测器（FID） (10)2.1.1检测器工作机理 (11)2.1.2氢火焰离子室结构 (12)2.1.1操作条件 (12)2.2热导池检测器（TCD） (13)2.2.1检测机理 (13)2.2.2参数分析 (14)2.2.3热导池结构 (15)2.2.4操作条件 (16)2.2.5注意事项 (17)2.3火焰光度检测器（FPD） (18)2.3.1检测器结构 (18)2.3.2操作条件 (19)2.4脉冲光火焰检测器 (19)3.色相色谱基本概念和各项指标 (20)3.1检测器性能指标 (20)3.1.1灵敏度 (20)3.1.2噪声 (22)3.1.3检测限（D） (22)3.1.4最小检测量 (23)3.1.5线性范围 (23)3.1.6响应时间 (23)3.2气相色谱基本概念 (23)3.2.1基线 (23)3.2.2色谱峰 (23)3.2.3峰高 (23)3.2.4峰面积 (24)3.2.4保留值 (24)3.2.5保留值 (24)3.2.6死值 (24)3.2.7调整值 (24)4.气相色谱方法建立 (25)4.1方法的一般步骤 (25)4.2方法的验证 (26)4.3色谱工作的日常注意事项 (26)5.定性分析 (26)5.1利用已知物保留值对照定性 (26)5.1.1利用已知物保留值对照定性 (26)6.定量分析 (27)6.1气相色谱定量校正因子 (27)6.1.1定量校正因子定义 (27)6.1.2定量校正因子测定方法 (28)6.2定量分析方法 (28)6.2.1归一化法 (28)6.2.2外标法 (29)6.2.3内标法 (29)6.2.4叠加法 (30)6.3影响气相色谱定量分析准确度的主要因素 (31)6.4气相色谱定量分析的误差及分析数据的处理 (31)6.4.1误差来源 (31)6.4.2准确度与精密度，误差与偏差 (31)6.4.3分析数据取舍 (32)7.气相色谱柱 (32)7.1色谱柱分类 (33)7.2填充柱 (33)8.最佳色谱柱系统选择依据 (34)8.1评价气象色谱柱的性能指标 (35)8.1.1塔板数 (35)8.1.2拖尾因子 (36)1.气相色谱仪基本结构气相色谱仪尽管外形、结构多种多样，但是它的组成总是包括五部分（见图1.1），即载气系统、汽化进样系统、色谱柱分离系统、信号检测系统和信号数据处理系统。
仪器分析气相色谱法气相色谱法（Gas Chromatography，GC）是一种常用的分析技术，在化学、生物、环境等领域中广泛应用。
该技术通过样品在气相色谱柱中的分离和检测，可以对复杂的混合物进行分析和定量。
本文将介绍气相色谱法的基本原理、仪器分析方法以及应用领域。
一、气相色谱法的基本原理气相色谱法是一种层析技术，原理是通过样品在一个固定相（色谱柱内涂层的液体或固体）和一个惰性气体流动的气相之间的分配来进行分离。
在气相色谱仪中，样品通过进样口被注入到气相色谱柱中，柱温控制使得样品能够在柱内发生分离。
分离后的组分通过检测器检测，得到相应的信号图谱。
气相色谱法的分离机理有吸附、分配、离子交换、凝聚相分离等方式。
其中最常用的是吸附分离，即通过固定相对不同组分的吸附性能进行选择性分离。
二、气相色谱仪的基本组成及原理气相色谱仪主要由进样系统、色谱柱、载气系统、检测器和数据处理系统等部分组成。
进样系统用于将样品引入到气相色谱柱中，色谱柱进行分离，载气系统用于将惰性气体送入色谱柱以推动样品的迁移，检测器用于检测组分的信号，数据处理系统则用于对检测信号进行分析和处理。
在气相色谱仪中，进样系统的关键部分是进样口、进样器和进样针。
色谱柱是气相色谱法中的核心装置，决定了样品的分离效果。
检测器根据不同的检测原理可以分为不同种类，如火焰光度检测器（FID）、电子捕获检测器（ECD）、氮磷检测器（NPD）等。
三、气相色谱法的应用领域气相色谱法广泛应用于化学、生物、环境等领域。
在化学领域，气相色谱法可用于研究化合物的结构和性质、分析有机物、无机物等；在生物领域，可以用于检测生物样品中的氨基酸、脂肪酸、激素等；在环境领域，可用于监测空气、水、土壤中的有机物、农药、挥发性物质等。
总之，气相色谱法是一种重要的分析技术，具有高分析效率、分辨率高、样品消耗少等优点，被广泛应用于各个领域。
通过不断改进仪器设备和方法，气相色谱法将在未来的研究中发挥更重要的作用。
第一章气相色谱分析§1.1 气相色谱法概述（掌握）1.1.1 色谱法概述1、色谱法的定义及基本概念定义：根据混合物中各组分在互不相溶的两相（固定相与流动相）中的吸附能力或分配系数或其他亲和作用性能的差异作为分离依据的分析方法。
色谱法能解决那些在物理常数相近、化学性质类似的同系物、异构物及多组分混合物的分离分析。
色谱柱：进行色谱分离用的细长管；色谱柱分为填充柱和毛细管柱。
固定相：管内保持固定、起分离作用的填充物；固定液：固定相中的液体，常为高沸点有机物。
流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。
2、色谱法的分类A、按流动相和固定相的状态分类①气相色谱(GC)：流动相为气体气－固色谱气－液色谱②液相色谱(LC)：流动相为液体液－固色谱（LSC）液－液色谱（LLC）现代液相色谱多使用高压输液装置，常称：高效液相色谱（HPLC）B、按固定相形状分类①柱色谱：柱色谱又可分为填充柱（固定相填入不锈钢柱中）和毛细管柱（固定液涂渍在毛细管柱内壁）②纸色谱：以多孔滤纸为载体，吸附在滤纸上的水为固定相，各组分在滤纸上分开。
③薄层色谱（平板色谱）：以涂渍在玻璃版上的吸附剂薄层为固定相。
C、按分离的原理分类①吸附色谱：利用组分在固定相上的吸附能力强弱不同分离。
②分配色谱：利用组分在固定液中溶解度不同分离。
③凝胶（排阻）色谱：利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透分离④离子交换色谱法：利用组分在离子交换剂上的亲和力大小不同分离3、气相色谱仪组成Ⅰ载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表；※提供纯净的一定压力和流速的载气，由气源输出的载气通过装有催化剂或分子筛的净化器，以除去水、氧等有害物质。
Ⅱ进样系统：进样器、汽化室；※把样品快速而定量地加到色谱柱上端，以便进行分离。
Ⅲ分离系统：色谱柱、控温柱箱；※试样各组分分离过程在色谱柱内进行。
Ⅳ检测系统：检测器、检测室；※将组分的浓度或质量大小转变成电信号。
Ⅴ记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。
图1-1-1 气相色谱仪流程示意图 4、气相色谱分离过程及相关术语A 、B 两组分组成的混合物，由载气携带进入色谱柱。
由于A 、B 两组分在固定相和流动相之间分配系数不同，两组分随载气沿柱不断移动，产生差速迁移而逐渐分离。
图1-1-2 气相色谱分离过程示意图 色谱图是以组分的浓度变化引起的电信号为纵坐标，流出时间为横坐标的曲线，又称色谱流出曲线。
现以色谱流出曲线介绍有关色谱术语：（1）基线——仅有载气通过色谱柱时，检测响应信号随时间变化的曲线。
①基线漂移：基线随时间定向缓慢变化。
②基线噪声：各种因素引起的基线起伏。
图1-1-3 色谱流出曲线 （2）保留值——表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。
常用时间或组分带出色谱柱所需载气的体积表示。
保留值由色谱分析过程中的热力学因素决定，在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样就可以作为定性参数。
A 、保留时间R t ：指被测组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间，如图'OB ；B 、死时间M t ：不与固定相作用的物质（如空气、甲烷等）的保留时间，如图''O A ；C 、调整保留时间'R t ：指扣除死时间后的保留时间（即'R R M t t t =-），如图'A B 。
D 、死体积M V ：不被固定相滞留的组分，从进样到出现峰极大值所需要的载气体积，如图OA ；,0M M V V t q =式中——,0V q 表示校正到柱温柱压下载气在柱内的平均体积流速，单位mL·min —1。
『M V 反映了柱和仪器系统的几何特性，它与被测物的性质无关。
』E 、保留体积R V ：从进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积，即,0R R V V t q = V R 与在载气流量无关。
F R,0''R R V V t q =或'R R M V V V =-G 、相对保留值21r （又称选择因子α）：某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，即：(2)(2)(2)(2)21''''R R R R t V t V r t V t V ==≠≠A 、标准偏差σ：它是0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半，如图EF 的一半；B 、半峰宽1/2Y 或1/2W ：色谱峰高为一半处的宽度，如图GH ，其与标准偏差的关系为：1/22 2.354Y σ==半峰宽与体积的关系： ()1/22R Y V V=- C 、峰底宽Y ：自色谱峰两侧的转折点所作切点在基线上的截距，如图IJ 表示，其与标准偏差的关系为：1/24 1.7Y Y σ=≈§1.2 气相色谱分析理论基础（理解）1.2.1 气相色谱分离的原因复杂组分混合物，在通过色谱柱后实现相互分离的原因如下：①被测组分与固定相分子间的作用力；②分配系数和分配比。
1、被测组分与固定相分子间的作用力在气液色谱中被测组分与固定液之间表现为溶解作用，产生溶解作用的原因可能是因为存在下述作用力：①取向力：被测组分的μ→∞⇒分子直径0→⇒相互作用力→∞⇒在色谱柱内保留时间→∞；同样地，固定液的极性大，它的选择性强。
同时，由于取向力与温度成反比，故降低柱温有利于提高柱效能。
②诱导力：环己烷不易极化，所以，苯与固定液分子能产生较大的诱导力，在柱内保留时间长，于是环己烷会先从色谱柱中馏出，苯后馏出，达到了分离检测的目的。
③色散力④氢键：欲分离含F 、O 、N 元素的样品时，可带有醇、胺、羧酸、酯等基团的固定液时被测组分与固定相分子之间形成氢键，可按形成氢键大小进行分离。
氢键强弱：F －H …F ＞O －H …O ＞O －H …N ＞N －H …N ＞O －H …Cl⑤特殊的配位反应：分离含烯烃的低级烷烃样品时，往固定液中加入适量的AgNO 3或AgClO 4，烯烃上的π电子可与Ag +形成弱的配合物，即| |—C=C —↑Ag +这样，烯烃就被选择性地保留，使同碳数的烷烃先从柱子馏出。
2、分配系数和分配比A 、气固色谱分填充柱和毛细管柱两种：填充柱（Packing column ）：常用不锈钢制成，内径2～4 mm ，柱长1～3m 。
填充吸附剂或覆盖在载体上均匀固定液膜。
毛细管柱（Capillary column ）：常用石英制成，内径0.1～0.5mm ，柱长可达数十米。
固定液直接涂在毛细管内壁表面。
B 、气相色谱固定相可分为：气—固色谱固定相：• 具有多孔性及较大表面积的吸附剂的颗粒。
• 分离过程：吸附-脱附… …过程气—液色谱固定相：• 将固定液（高沸点有机物）均匀涂渍在载体上。
载体是固定液的支持骨架，使固定液能 在其表面上形成一层薄而匀的液膜。
• 分离过程：溶解-挥发… …过程被测组分在固定液和载气两相间进行反复地溶解和逸出，这种现象叫分配过程。
用分配系数或分配比来综合描述被测组分分子与固定液分子间各种作用力大小。
（1）分配系数K在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比，称为分配系数。
S MC K C = 式中——S C ：组分在固定相中的浓度；M C ：组分在流动相中的浓度。
分配比是指在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：S Mm k m = 式中——m ：组分在固定相中的质量；m ：组分在流动相中的质量。
S S S S S S M M M m m mm V m V C V K k m m C V V V β===⋅= 式中——β：相比率。
M SV V β=，它反映色谱柱柱型及其结构特征。
如填充柱β ：6～35；毛细管柱β：50～1500。
V m ：流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；V S ：固定相体积，在不同类型色谱中V S 有不同的内容，如在分配色谱中表示固定液体积，在吸附色谱中表示吸附剂表面容量，在凝胶色谱中表示凝胶孔体积。
（4）色谱过程基本方程式由于固定相对组分有保留作用，所以，组分在柱内的线速度小于流动相（载气）的线速度。
一般用滞留因子（S R ）表示组分在柱内的移动速度。
S R 有两种表示方法：①用两速度之比表示：S S u R u=（a ） 式中——S u ：组分在柱内的线速度；u ：流动相（载气）在柱内的线速度。
②用质量分数表示：1111M S S S M Mm R m m m km ω====+++ （b ） 组分和流动相通过长为L 的色谱柱，所需时间分别为R SL t u = （c ） M L t u= （d ） 由（a ）、（b ）、（c ）、（d ）四式可得：()1R M t t k =+ （''R M R R M M Mt t t V k t t V -=== （由（f ）式知，通过实验测得校正保留时间（体积）及死时间（死体积），就可以求出分配比。
（5）分配系数K 及分配比k 与选择因子α的关系对A 、B 两组分的选择因子，用下式表示：()()()()()()''r t B k B K B t A k A K A α=== 1.2.2 色谱分离的基本理论柱效率可用理论塔板数（n ）或理论塔板高度（H ）表示。
柱效率的高低能反映组分在柱内两相间的分配情况和组分通过色谱柱后峰加宽的程度，它与组分在气相中的扩散及在液相中的传质阻力有关。
1、塔板理论塔板理论是将色谱柱比作蒸馏塔，柱内有若干“想象”的塔板。
每两块塔板之间的距离称为板高，各组分就在这些塔板间隔的气液两相间进行分配，经过多次分配平衡后，分配系数小的组分先离开色谱柱，分配系数大的组分，后离开色谱柱。
（1）塔板理论假设：①在柱内一小段长度H 内，组分可在两相间迅速达到平衡；②载气进入色谱柱是脉动式迁移，每次进气为一个板体积m V ∆；③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；④分配系数在所有塔板上是常数。
A 、塔板理论方程（流出曲线方程）用概率论推导，可得到： 212R n V V C ⎛⎫-- ⎪⎝⎭= 式中——C ：不同时间时的组分浓度；m ：进样量；R V ：组分的保留体积；n ：理论塔板数；V ：载气体积。
塔板理论方程说明被分离组分通过V 体积载气的淋洗，离开有n 块塔板的填充柱而进入检测器时组分的浓度。
当进样量很小时，组分在色谱柱中的吸附或分配在等温曲线范围内，色谱峰呈正态分布。
B 、理论塔板数和理论塔板高度的关系假设色谱柱长为L ，虚拟的塔板间距离为H ，色谱柱的理论塔板数为n ，则三者的关系为：L n =221/25.5416R R t t n Y Y ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（2）有效塔板数与有效塔板高度由于柱内存在死体积，进样后载气首先占据这些孔隙，在这个死时间内被测组分不参加柱内分配，所以，计算出来的n 和H 值往往不符合色谱柱实际，不能真实地反映色谱柱的效率。
